吳 戈， 紀鵬菲， 張 錚， 陳佳品， 丁 凱

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系薄膜與微細技術(shù)教育部重點實驗室,上海 200240;2.無錫近地面感知與探測重點實驗室,江蘇 無錫 214035)

0 引 言

智能障礙場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(intelligent obstacle field wireless network，IOFWN)是通過預(yù)先投放智能雷形成雷場，對經(jīng)過雷場的敵方作戰(zhàn)單位進行準確打擊、阻礙其通行的自主防御系統(tǒng)，IOFWN中MAC協(xié)議的選取，對整個網(wǎng)絡(luò)的性能和生命周期有著舉足輕重的影響。傳統(tǒng)基于時間同步調(diào)度的MAC層協(xié)議，需要采用精度較高的時間同步措施以及周期性地對其進行維護。利用全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)模塊等方法實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步能獲得較高的時間同步精度，但周期性的重同步會消耗大量電能，降低了節(jié)點的生命周期。

基于前導(dǎo)碼采樣的MAC層協(xié)議，不需要維護同步調(diào)度，具有協(xié)議復(fù)雜度低，空閑偵聽能耗低等優(yōu)點[1]。B-MAC是基于前導(dǎo)碼采樣的MAC層協(xié)議，具有協(xié)議復(fù)雜度低、空閑偵聽能耗低等優(yōu)點，不需要維護同步調(diào)度，但其需要發(fā)送長且連續(xù)的長度可變的前導(dǎo)序列。這和目前流行的基于IEEE 802.15.4的射頻芯片[2]不兼容，其只能發(fā)送短的固定長度的前導(dǎo)碼。

本文提出一種EB-MAC協(xié)議，采用重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)包或包含目標地址的短前導(dǎo)包來替代過長的前導(dǎo)碼[4]。由此縮短了前導(dǎo)序列的傳輸長度，提高了能效性。

1 EB-MAC協(xié)議策略設(shè)計

智能障礙場中所有智能雷節(jié)點具有相同的信道采樣間隔，智能雷節(jié)點的時間模塊根據(jù)協(xié)議預(yù)設(shè)的采樣間隔，通過定時控制，保證節(jié)點喚醒檢測信道的時間間隔不變。節(jié)點喚醒后檢測信道狀態(tài)，節(jié)點中時間模塊開始計時，若監(jiān)測到信道有需要接收的數(shù)據(jù)，則讓節(jié)點進入接收數(shù)據(jù)模式，同時時間模塊停止計時，等數(shù)據(jù)接收完畢，節(jié)點進入睡眠狀態(tài)；若信道空閑，沒有數(shù)據(jù)需要接收，則在時間模塊到達預(yù)置的信道檢測持續(xù)時間后，節(jié)點進入睡眠狀態(tài)；當(dāng)時間到達預(yù)設(shè)的喚醒周期后，節(jié)點再次喚醒開始檢測信道狀態(tài)，時間模塊重新開始計時[3]。

實驗室應(yīng)用于智能障礙場制作的模擬智能雷采用德州儀器公司生產(chǎn)的CC2520芯片，CC2520芯片兼容IEEE 802.15.4標準，在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，該芯片附加發(fā)送節(jié)點自身的時間模塊的數(shù)值，此附加過程開銷很小。圖1為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。發(fā)送過程中，前導(dǎo)序列的頭部是數(shù)據(jù)幀的起點，幀開始符(SFD)緊隨其后，當(dāng)SFD發(fā)送后，節(jié)點的微處理器會獲取節(jié)點時間模塊中計時器的時間，將時間值記錄在本地，并添加到數(shù)據(jù)幀的尾部。在接收過程中，數(shù)據(jù)接收節(jié)點接收到幀開始符時，節(jié)點的微處理器也會獲取計時器輸出的時間值，將其記錄下來。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在空間中信號的傳播延時很短，而幀開始符位于數(shù)據(jù)幀的頭部位置，因此，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收節(jié)點所記錄的時間差值在微秒(μs)級[6]。

圖1 數(shù)據(jù)幀的時間同步

當(dāng)接收節(jié)點接收完數(shù)據(jù)后，獲得數(shù)據(jù)幀尾記錄的發(fā)送時間值，可以得到發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的時間模塊的差值，則數(shù)據(jù)接收節(jié)點先將該差值減去，此時兩個節(jié)點的喚醒時間理論上幾乎一致。但數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點在喚醒后需先進行信道檢測，此時數(shù)據(jù)接收節(jié)點在信道中檢測不到數(shù)據(jù)，會造成空閑偵聽，產(chǎn)生多余能耗。因此接收節(jié)點的時間模塊需減去一個退讓時間τ，使得數(shù)據(jù)接收節(jié)點的喚醒時間滯后于數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點的喚醒時間，由此可以減少數(shù)據(jù)的傳輸延時[5]。在多跳通信中，中繼節(jié)點只有完全接收完上一節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，才會進入數(shù)據(jù)發(fā)送模式，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一節(jié)點，退讓時間τ需要大于載波偵聽時間、數(shù)據(jù)確認報文接收時間、數(shù)據(jù)接收時間和節(jié)點睡眠延時之和。數(shù)據(jù)接收節(jié)點完成數(shù)據(jù)接收以后，繼續(xù)檢測信道，若在預(yù)置的時間范圍內(nèi)沒有數(shù)據(jù)需要處理，則節(jié)點進行休眠。

如圖2(a)所示，多跳路徑上的數(shù)據(jù)傳輸情況也采取這種策略[6]，數(shù)據(jù)接收節(jié)點的喚醒總是比數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點晚一個退讓時間τ。

智能障礙場中的數(shù)據(jù)傳輸是雙向進行的，其時間調(diào)度如圖2(b)所示。智能雷節(jié)點雙向通信時，在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，會加入換向標志。當(dāng)中繼節(jié)點接收數(shù)據(jù)時，若有換向標志，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，節(jié)點將喚醒調(diào)度時間加2τN，其中N為中繼節(jié)點距離遠程上位機的傳輸跳數(shù)[7]。當(dāng)節(jié)點0發(fā)送完數(shù)據(jù)后，通過喚醒調(diào)度時間的疊加，當(dāng)最后一個中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完數(shù)據(jù)時，該條路徑已經(jīng)完成了反向傳輸?shù)膯拘颜{(diào)度時間準備，且路徑上各個節(jié)點無需再根據(jù)數(shù)據(jù)幀時間字段調(diào)整自己的喚醒時間，節(jié)省了節(jié)點開銷，降低了數(shù)據(jù)傳輸延時。

圖2 多跳路徑數(shù)據(jù)傳輸與雙向通信的時間調(diào)度

2 EB-MAC協(xié)議能耗分析

使用B-MAC策略，第n個節(jié)點傳輸?shù)趈次傳輸數(shù)據(jù)時，通過求和函數(shù)可以得到該路徑上節(jié)點消耗的總能量，即

Ptxtack-PsLdtb-Pstack-Pstc-Pstl)

(1)

同理使用EB-MAC策略該路徑上節(jié)點消耗的總能量為

(Prx-Ps)(Ld+2)tb+Ptxtack-Pstack-Pstc-Pstl]

(2)

求差可以得到總消耗能量差為

(3)

對ΔE求期望得到

(4)

兩者的總消耗能量差由前導(dǎo)碼序列的長度決定，而由于EB-MAC的調(diào)度機制τ遠小于前導(dǎo)碼序列的長度，故在多跳路徑下，EB-MAC的整體能耗要小很多[9]。

3 實驗仿真與結(jié)果分析

仿真實驗采用基于CC2520的模型，在MATLAB上進行仿真，也直接與B-MAC的各項性能指標對比，仿真時設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸為典型值100 kb，路徑上共設(shè)置10個節(jié)點，喚醒周期為1 s，相鄰節(jié)點的喚醒時間調(diào)度間隔為0.1 s。

如圖3(a)為匯聚節(jié)點端到端延時隨數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔的變化，數(shù)據(jù)傳輸間隔減小，網(wǎng)絡(luò)通信負載增加，端到端延遲也隨之增加。數(shù)據(jù)傳輸間隔為2 s時，端到端延遲隨時間變化如圖3(b)，在數(shù)據(jù)傳輸頻率不變時，EB-MAC協(xié)議端到端延時幾乎沒有增長，而B-MAC協(xié)議端到端延時迅速增長。

圖3 端到端時延與傳輸間隔及2 s間隔下隨時間變化

如圖4所示為多路徑節(jié)點能耗隨數(shù)據(jù)傳輸頻率的變化，隨著數(shù)據(jù)傳輸頻率的增加，節(jié)點能耗隨之迅速增加，仿真曲線驗證了兩者的關(guān)系，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸頻率為2 s時，EB-MAC協(xié)議的節(jié)點能耗為0.38 mW，B-MAC協(xié)議的節(jié)點能耗為1.36 mW，此時B-MAC協(xié)議的能耗已經(jīng)不滿足智能障礙場的應(yīng)用要求。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸為雙向，同時加入ACK確認報文保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，再模擬端到端延時隨數(shù)據(jù)傳輸間隔的變化，結(jié)果如圖5所示，加入了ACK確認報文后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性提高，傳輸延時降低，加入了ACK確認報文的B-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)延時，比未加入ACK確認報文的EB-MAC協(xié)議大。

圖5 加入確認報文時端到端延時隨數(shù)據(jù)傳輸頻率的變化

如圖6為多路徑下節(jié)點丟包率隨數(shù)據(jù)傳輸頻率的變化，在網(wǎng)絡(luò)通信負載較低時，即數(shù)據(jù)傳輸頻率大于10 s時，B-MAC協(xié)議和EB-MAC協(xié)議丟包率都處于較低水平；當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸頻率小于5 s時，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信道的競爭更頻繁，數(shù)據(jù)碰撞概率增加，丟包率上升。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸頻率為2 s時，B-MAC協(xié)議丟包率接近60 %，已無法滿足智能障礙場性能需求。

圖6 節(jié)點丟包率隨數(shù)據(jù)傳輸頻率的變化

如圖7所示為不同的數(shù)據(jù)傳輸間隔，成功完成50次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎模蛦温窂綌?shù)據(jù)傳輸相似，EB-MAC協(xié)議完成50次數(shù)據(jù)傳輸能耗穩(wěn)定，B-MAC協(xié)議，隨數(shù)據(jù)傳輸間隔的減少，節(jié)點丟包率上升，數(shù)據(jù)重傳增加，節(jié)點能耗隨著數(shù)據(jù)傳輸間隔的減少而增加。

圖7 能耗隨傳輸頻率的變化

由如圖8可見，采用EB-MAC協(xié)議的節(jié)點剩余電量，始終比采用B-MAC協(xié)議的節(jié)點電池容量要多，驗證了EB-MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)生命周期上的優(yōu)勢。

圖8 節(jié)點剩余電量隨時間的變化

4 結(jié) 論

仿真和實驗結(jié)果表明：EB-MAC協(xié)議策略有效地減小了前導(dǎo)碼序列的長度，在保持低占空比的同時，降低了端到端的通信延時，無需全網(wǎng)時間同步，能滿足智能障礙場的應(yīng)用需求。