呂宗明

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與財(cái)經(jīng)學(xué)院，安徽 宣城 242000)

媒介訪問控制(MAC)協(xié)議是無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高效通信的重要基礎(chǔ)，它能夠使網(wǎng)絡(luò)信息完成多節(jié)點(diǎn)單信道傳輸，從而降低多信息在同一節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)[1]。然而，傳統(tǒng)的MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)，例如IEEE 802.11協(xié)議，由于其節(jié)點(diǎn)傳輸周期較長(zhǎng)，不能隨意切換收發(fā)狀態(tài)與空閑狀態(tài)，導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)信息傳輸耗能較大，無法滿足WSN設(shè)計(jì)的實(shí)際需求[2]。針對(duì)不同傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與降低能耗的目標(biāo)，科研工作者根據(jù)不同需求提出了多種MAC協(xié)議，如T-MAC、S-MAC、TRAMA和SMACS/EAR協(xié)議等[3]。其中，S-MAC協(xié)議在WSN信息傳輸過程中設(shè)置了空閑監(jiān)聽狀態(tài)以降低能量損耗，同時(shí)引入了競(jìng)爭(zhēng)接入的信息收發(fā)特性，降低了冗余信息占比[4]。但是，S-MAC協(xié)議也存在著不能根據(jù)通信流量負(fù)載情況實(shí)時(shí)調(diào)整收發(fā)時(shí)間占比的缺陷[5]。因此，本研究在原有S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上添加低功耗的通信流量調(diào)整功能，提出了一款節(jié)能的新型傳感器媒介訪問控制(new sensor-medium access control，NS-MAC )協(xié)議方案，并通過NS-2仿真平臺(tái)對(duì)優(yōu)化后的協(xié)議進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以期為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考。

1 NS-MAC協(xié)議與實(shí)現(xiàn)

1.1 NS-MAC協(xié)議的改進(jìn)

1.1.1退避算法的改進(jìn)機(jī)制

S-MAC協(xié)議一般采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法(BEB)，通過退避時(shí)間判斷數(shù)據(jù)包的收發(fā)。退避時(shí)間計(jì)算如下：

退避時(shí)間=Random()*aSlottime,

式中:aSlottime為物理層的時(shí)隙；Random()是均勻分布于[O，CW]的隨機(jī)整數(shù)。因BEB算法的退避窗CW依賴于數(shù)據(jù)包的碰撞次數(shù)，故對(duì)BEB算法進(jìn)行優(yōu)化，在維持信息接入公平性的同時(shí)保證信息的吞吐量，即乘性增加線性遞減退避算法(MILD)[6]。運(yùn)算過程如下：

發(fā)送失敗的CW=min(a*CW,CWmax)；發(fā)送成功的CW=max(CW-b,CWmin)。

1.1.2NS-MAC協(xié)議活動(dòng)時(shí)間改進(jìn)

NS-MAC協(xié)議融合了S-MAC協(xié)議與T-MAC協(xié)議的活動(dòng)時(shí)間調(diào)整機(jī)制，具體優(yōu)化機(jī)制如圖1所示。NS-MAC協(xié)議的睡眠/空閑監(jiān)聽區(qū)間與S-MAC協(xié)議一致，但活動(dòng)時(shí)間區(qū)間則通過優(yōu)化緩存區(qū)的分組數(shù)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而減少協(xié)議的活動(dòng)狀態(tài)時(shí)間。其中，給定時(shí)間TA是一個(gè)動(dòng)態(tài)的時(shí)間，節(jié)點(diǎn)被周期性喚醒進(jìn)行監(jiān)聽，如果在給定時(shí)間TA中沒有發(fā)生激活事件，則指令結(jié)束。

圖1 S-MAC與NS-MAC協(xié)議活動(dòng)時(shí)間對(duì)比Fig.1 Comparison of S-MAC and NS-MAC protocol activity time

1.2 NS-MAC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程

NS-MAC協(xié)議的入口采用recv(Packet*p，Handler*h)函數(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，輸出包括兩個(gè)方向：發(fā)送和接收。

1.2.1NS-MAC協(xié)議的發(fā)送過程

NS-MAC協(xié)議發(fā)送過程如下：首先，節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道狀態(tài)，假如監(jiān)聽時(shí)段為忙，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入退避階段；退避結(jié)束后，若信道為空閑狀態(tài)，則說明節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道成功，開始準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。然后，節(jié)點(diǎn)判斷目的地址，如果是廣播，就直接把分組傳播出去，不需要RTS/CTS；若是單播，節(jié)點(diǎn)就開始計(jì)算發(fā)送這些數(shù)據(jù)包的時(shí)間，等到填充完RTS幀的其他項(xiàng)后發(fā)出RTS，再定時(shí)進(jìn)入WAIT_CTS狀態(tài)。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到了送來的CTS，那么就發(fā)送DATA，同時(shí)進(jìn)入WAIT_ACK狀態(tài)。在接收到正確的ACK應(yīng)答后，如果節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)，就結(jié)束發(fā)送過程并返回進(jìn)入休眠狀態(tài)。具體發(fā)送流程如圖2所示。

圖2 NS-MAC協(xié)議發(fā)送流程Fig.2 Flow chart of NS-MAC protocol sending process

1.2.2NS-MAC協(xié)議的接收過程

在接收過程中，如果節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)、數(shù)據(jù)發(fā)生沖突或射頻處于發(fā)送狀態(tài)，就不會(huì)完成分組的接收，同時(shí)會(huì)自動(dòng)刪除分組以釋放緩存。如果節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，則需要先確定分組類型，再進(jìn)行后續(xù)處理。接收流程如圖3所示。

圖3 NS-MAC協(xié)議接收流程Fig.3 Flow chart of receiving process of NS-MAC protocol

2 仿真與分析

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置

利用NS-2平臺(tái)對(duì)IEEE 802.11、S-MAC及NS-MAC協(xié)議進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行能量耗損計(jì)算和延時(shí)性能測(cè)試。其中，能量耗損=初始能量-剩余能量，延時(shí)性能測(cè)試包括測(cè)試睡眠延時(shí)、MAC層重傳延時(shí)、介質(zhì)訪問延時(shí)、傳輸延時(shí)等。仿真實(shí)驗(yàn)采用11個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的10連跳線性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每次傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)都是固定的，傳輸最多跳躍10次，不會(huì)超出節(jié)點(diǎn)的范圍，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能與周圍節(jié)點(diǎn)連接，這樣就可以使其一次一跳傳送，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行能量耗損計(jì)算和延時(shí)性能測(cè)試。

2.2 能量耗損測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中，能量耗損仿真測(cè)試參數(shù)設(shè)置如下：節(jié)點(diǎn)數(shù)為11，節(jié)點(diǎn)間距為200 m，節(jié)點(diǎn)間通信距離為250 m，數(shù)據(jù)分為50組，仿真時(shí)長(zhǎng)為1 000 s。計(jì)算仿真時(shí)長(zhǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)消耗的總能量即實(shí)驗(yàn)開始時(shí)與結(jié)束時(shí)的能量差，結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種協(xié)議的能量消耗對(duì)比Fig.4 Comparison of energy consumption of the three protocols

通過對(duì)比可以清晰地發(fā)現(xiàn)IEEE 802.11的MAC協(xié)議完全不適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能設(shè)計(jì)要求，S-MAC相比IEEE 802.11的MAC協(xié)議有更好的表現(xiàn)，節(jié)能效果突出。本研究提出的NS-MAC協(xié)議取得了更好的成績(jī)，由此可見本研究提出的協(xié)議更加符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能設(shè)計(jì)要求。

2.3 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)性能測(cè)試

S-MAC協(xié)議與NS-MAC協(xié)議都引入了周期性睡眠機(jī)制以達(dá)到節(jié)省能量的目的。通過延時(shí)性能測(cè)試，可以驗(yàn)證兩者的延時(shí)與睡眠狀態(tài)耗能周期情況。延時(shí)的測(cè)試方式與途徑較多，本研究提出的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)性能指的是仿真分組的平均延時(shí)，選取數(shù)據(jù)的規(guī)則為從源節(jié)點(diǎn)至最后一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)共分成50組，使用總時(shí)間除以分組數(shù)得平均延時(shí)。分別采用IEEE 802.11的MAC協(xié)議、S-MAC協(xié)議及NS-MAC協(xié)議進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。其中，1～9組為網(wǎng)絡(luò)大流量組，10～15組為網(wǎng)絡(luò)小流量組。

圖5 3種協(xié)議的延時(shí)性能對(duì)比Fig.5 Delay comparison diagram of the three protocols

從圖5中可以看出，3種協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)流量很小時(shí)延時(shí)差距很小，只有網(wǎng)絡(luò)流量加大到一定程度后三者才會(huì)有較大差距。其中，IEEE 802.11的MAC協(xié)議平均延時(shí)隨著分組間隔的增加趨于線性增加，平均延時(shí)最低。這主要是因?yàn)镮EEE 802.11的MAC協(xié)議不存在空閑監(jiān)聽狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)接收到信息后立即傳輸?shù)较乱粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，但是要花費(fèi)較多的能量。而S-MAC協(xié)議和NS-MAC協(xié)議在1～9組的分組間隔出現(xiàn)較為明顯的延時(shí)，主要是因?yàn)榭臻e監(jiān)聽狀態(tài)有降能作用，節(jié)點(diǎn)在不接收信息時(shí)會(huì)處于低能耗狀態(tài)。同時(shí)，NS-MAC協(xié)議的通信流量調(diào)整功能能夠在大流量階段延長(zhǎng)協(xié)議的活動(dòng)時(shí)間至原來的1.5倍，從而減少后續(xù)分組的等待時(shí)長(zhǎng)，所以NS-MAC協(xié)議的平均延時(shí)比S-MAC協(xié)議的平均延時(shí)要少。綜上所述，三者相比，IEEE 802.11的MAC協(xié)議雖然延時(shí)少但只適用于網(wǎng)絡(luò)流量較大的時(shí)候，而且能耗太高，S-MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)流量較大時(shí)延時(shí)過長(zhǎng)，而基于S-MAC協(xié)議的改進(jìn)后的NS-MAC協(xié)議卻在節(jié)能與延時(shí)上都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

3 結(jié)語

能量的高效利用一直是人們追求的目標(biāo)，節(jié)能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議也吸引了越來越多的學(xué)者。本研究著重于MAC協(xié)議的性能分析及改進(jìn)，對(duì)目前有一定節(jié)能作用的S-MAC協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要分析了其二進(jìn)制退避算法及周期性監(jiān)聽/睡眠固定占空比，并在此基礎(chǔ)上提出了新的退避算法及周期占空比算法，新算法比S-MAC協(xié)議更加節(jié)能高效。