一種無線傳感器網絡異步MAC廣播機制*

韓 瀟，郭達偉，劉 航，李現濤

(西北工業大學自動化學院，西安710129)

能量有效性是無線傳感器網絡MAC協議設計的首要問題［1－3］。降低能耗最常用的方法是使傳感器節點周期性交替處于低功耗的睡眠狀態和高功耗的工作狀態。目前，實現睡眠到工作狀態轉換的機制主要歸為三類:按需喚醒機制、同步喚醒機制和異步喚醒機制［5］。與其它兩種機制相比，異步喚醒不需要額外的喚醒信道，也不需要時鐘同步;每點可選擇自己的喚醒時刻，且每個周期僅需很短的時間對信道進行采樣，從而大大減少了節點空閑監聽的時間。當節點需發送數據時，利用前導載波技術喚醒目標節點。數據流量較低的應用中，異步喚醒機制的優勢尤為明顯。本文主要研究基于CSMA競爭機制的異步喚醒MAC協議，著眼于降低協議能耗和減少數據延遲。

典型的異步喚醒MAC協議有BMAC［6］、WiseMAC［7－9］、XMAC［10］、DPS-MAC［11］、CSMA-MPS［12］。BMAC用持續一個睡眠－工作周期的前導載波來喚醒目標節點。WiseMAC通過學習和估算鄰居節點的喚醒時間，在鄰居喚醒采樣前才開始發送前導載波。XMAC協議將BMAC中較長的前導載波劃分成一系列短的、帶有間隔的前導載波幀序列，每個短的前導載波幀都包含目的節點的ID，從而可避免非目標節點的串音;XMAC還允許目的節點在前導載波幀的間隔發送“較早的確認包”，以縮短前導載波長度。DPS-MAC在XMAC的基礎上采用兩次快速前導采樣方法，減少了節點采樣監聽的時間。CSMA-MPS用一種發送和接收轉換較快的無線發射器改善了能效和延遲性能。

近年來，針對無線傳感器網絡異步MAC協議的研究越來越多。但關于異步MAC廣播機制的文獻并不多。眾所周知，廣播是相當重要的一種通信機制。WiseMAC、XMAC及DPS-MAC等經典協議沒有設計廣播機制，一旦有廣播數據，則需要向各個鄰居節點分別發送數據。既增大了能耗，又增大了數據延遲。BMAC雖然實現了廣播機制，但每次廣播前需發送持續一個睡眠－工作周期的前導載波，能耗和數據延遲都較大。

本文基于 XMAC，設計了一種新的廣播機制——PBMAC。PBMAC補充了 XMAC的廣播機制，與現有的異步MAC廣播機制(基于BMAC的廣播機制)相比，PBMAC能效性和延遲性均較好。

1 XMAC協議

XMAC［10］將BMAC等協議中較長的、連續的前導載波劃分成一系列短的前導載波序列。每個短的前導載波都包含目的節點的ID。每個接收到短前導載波的節點都能查看其目的節點，如果節點自身不是目的節點，則該節點可以提前進入睡眠狀態。另外，XMAC提出在短的前導載波之間插入一些間隙，在這個間隙里，發送節點監聽信道，目的接收節點在采樣到短前導載波后允許發送一個“較早的確認包”。發送節點接收到這個“較早的確認包”后，將停止繼續發送短前導載波，而提前發送數據。XMAC協議示意圖如圖1所示。

圖1 XMAC協議

2 PBMAC設計

PBMAC像XMAC一樣，用多個短的前導載波單元序列代替較長的、連續的前導載波。PBMAC改進了每個前導載波單元，并引入學習機制，創建鄰居信息表。

2.1 PBMAC消息格式及鄰居信息表

PBMAC定義了新的前導載波單元序列(PSs)。消息格式如圖2所示。其中包括控制消息類別、目的節點ID、節點下一次采樣時間以及發送數據包的時間。消息類型定義了PS(0x01);目的節點ID為廣播地址;源節點通過“下一次采樣時間”向鄰居節點報告其采樣信息。鄰居節點根據“發數據包時間”域估算接收數據的時間。

圖2 PBMAC消息格式

PBMAC建立一個鄰居信息表，并為每個鄰居節點維護一個鄰居表項，如表1所示。鄰居信息表包括鄰居ID、下一次喚醒時刻偏差以及表項更新時間。下一次喚醒時刻偏差等于鄰居節點控制包中報告的下一次采樣時間減去節點自己本周期的起始時間，用于估算發送前導載波的時間。表項更新時間就是節點收到鄰居節點控制包并更新“下一次喚醒時刻偏差”的時間。

表1 鄰居信息表

2.2 PBMAC 廣播機制

PBMAC根據鄰居信息表計算前導載波起始時間以及發送數據的時間。在最早進入喚醒狀態的鄰居節點喚醒前開始發送PSs，一直持續到最晚喚醒的鄰居節點被喚醒后為止。

鄰居節點接收到PS后，根據距離數據發送的剩余時間判斷是否先返回睡眠狀態。如果剩余時間內監聽信道消耗的能量大于關閉和重新開啟無線電的能耗，則節點先返回睡眠狀態，在數據發送前重新喚醒，反之亦然。廣播通信中接收節點不對PS序列進行確認。PBMAC的廣播機制的前導載波持續時間最大值為睡眠－喚醒工作周期。圖3所示為PBMAC協議示意圖。

圖3 PBMAC協議

2.3 PBMAC 學習機制

PBMAC協議學習機制包括初始學習和過程學習。PBMAC協議定義系統初始化結束后的第一個周期為初始鄰居告知周期。在這個周期內，所有節點一直處于工作狀態。每個節點隨機選擇自己的喚醒采樣偏差，并在初始鄰居告知周期相應的時刻廣播一個前導載波單元(PS)。其它節點則處于監聽狀態，接收到前導載波單元的鄰居節點可以學習源節點的采樣時刻偏差。這個過程為初始學習。

PBMAC協議在前導載波單元序列中插入“下一次采樣時間”的信息。源節點在發送數據前發送前導載波單元序列，凡是監聽到該前導載波單元序列的所有節點，能夠學習源節點的“下一次采樣時間”，從而更新鄰居信息表中對應項，此過程為過程學習。由于源節點發送的PSs將覆蓋所有鄰居節點的采樣時刻，故所有鄰居節點都可以學習并更新源節點的“下一次采樣時間”。

PBMAC通過學習機制可以利用鄰居節點采樣時間估算發送PSs和數據的起始時間。

2.4 源節點時間估算

源節點需要分別對發送PSs的起始時間及發送數據的起始時間進行估算。

假設源節點在0時刻收到來自目的節點的“下一次喚醒時刻偏差”消息，希望在目的節點的采樣時刻L發送數據包;且假設所有節點使用晶體振蕩器作為時鐘源，晶振的容差會導致源節點和目的節點之間存在時間偏差，前導載波的持續時間必須覆蓋該時鐘偏差。假設晶振的容差為±θ，那么前導載波持續的時間為［6］:

根據CSMA/CA，節點在發送消息前必須先隨機監聽信道一段時間，以減少沖突。PBMAC規定每個節點在發送第一個PS前持續監聽信道的時間為:

設發送節點的鄰居中下一次采樣最早的時間為，那么發送PS序列的起始時間為

設發送節點的鄰居中下一次采樣最晚的時間為，發送數據的時間即為PS序列的截止時間，那么發送數據的時間為

3 仿真與性能評估

XMAC和WiseMAC沒有實現廣播機制，本文基于NS2對BMAC和PBMAC協議進行了仿真和比較。本文主要關注兩個性能指標:能耗和延遲。不同睡眠－工作周期以及不同的發包速率對節點性能影響較大，故分別選取不同睡眠－工作周期和發包間隔進行兩組實驗。實驗主要參數設置如表2所示。

表2 仿真主要參數設置

分別采用5個節點和10個節點構成的星型拓撲結構，其中一個節點為中心節點，其余節點為它的鄰居節點。中心節點為源節點，其余節點為鄰居節點。

3.1 睡眠－工作周期對協議的影響

實驗中，發包間隔為1，即每秒鐘產生一個數據包，睡眠－工作周期的變化范圍是100 ms到900 ms。圖4、圖5和圖6分別是睡眠－工作周期變化時，BMAC和PBMAC前導載波能耗、源節點能耗和全網總能耗比較圖。圖7比較了不同睡眠－工作周期下，BMAC和PBMAC延遲性能。BMAC協議前導載波的長度等于睡眠－工作周期，因此隨著睡眠－工作周期的增大，BMAC發送前導載波的能耗隨之增加。不論鄰居節點的個數是多少、其采樣周期如何分布，BMAC均發送持續一個周期長度的前導載波，因此，增加鄰居節點個數，BMAC協議的前導載波能耗和源節點能耗不變，但全網整體能耗增大。對于PBMAC，睡眠－工作周期越大，其需要覆蓋所有鄰居節點采樣時刻的前導載波越長，故前導載波能耗也越大。一定時間內，睡眠－工作周期越大，空閑監聽能耗越小，但發包能耗大約等于空閑監聽能耗的2倍，且實驗中發包速率較高，空閑監聽時間短，所以源節點能以及網絡總能耗都隨著睡眠－工作周期的增加而增加。節點數越多，PBMAC平均發送的前導載波越長，能耗越大。PBMAC發送的前導載波的最大長度等于一個睡眠－工作周期，因此PBMAC能耗不會大于BMAC能耗。

圖4 前導載波能耗

圖5 源節點能耗

圖6 全網總能耗

圖7 延遲

3.2 發包間隔對協議的影響

實驗中，睡眠－工作周期為200 ms，數據包產生的間隔變化范圍是0.5 s～10 s。圖8、圖9和圖10分別是發包間隔變化時，BMAC和PBMAC前導載波能耗、源節點能耗和全網總能耗比較圖。發包間隔越大，一定時間

圖8 前導載波能耗

內產生數據包的數目減少，而睡眠－工作周期一定，每次發包前的前導載波長度和能耗一定，故隨著發包間隔的增大，前導載波能耗、源節點能耗以及全網總能耗都增減小，而數據包延遲不變，數據包延遲如圖11所示。

圖9 源節點能耗

圖10 全網總能耗

圖11 延遲

4 結論和展望

PBMAC實現了基于XMAC的廣播機制。從NS2仿真實驗可看出，與基于BMAC的廣播機制相比，PBMAC具有較高的能效性和較低的延遲。其優勢主要源自縮短的前導載波和減少的串音。在今后的研究中，還需要對PBMAC做進一步的理論分析和驗證，設計更加復雜的仿真和實驗模型，并且選取硬件平臺，實現實物驗證。

［1］Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramaniam Y，et al.A Survey on Sensor Networks［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40(8):102－114.

［2］Tseng Y C，Hsu C S，Hsieh T Y.Power-Saving Protocols for IEEE 802.11-Based Multi-Hop Ad Hoc Networks［J］.Computer Networks，2003，43(3):317－337.

［3］Langendoen K.Medium Access Control in Wireless Sensor Networks［J］.Medium Access Control in Wireless Networks，2008，2:535－560.

［4］Zheng R，Hou J C，Sha L.Asynchronous Wakeup for Ad Hoc Networks［Z］.ACM，2003:35－45.

［5］Park T R，Park K J，Lee M J.Design and Analysis of Asynchronous Wakeup for Wireless Sensor Networks［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8(11):5530－5541.

［6］Polastr J，Hill J，Culler D.Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks［Z］.In The Second ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems(SenSys)，November，2004:95－107.

［7］El-Hoiydi A，Decotignie J D.WiseMAC:An Ultra Low Power MAC Protocol for Multi-Hop Wireless Sensor Networks［J］.Algorithmic Aspects of Wireless Sensor Networks，2004:18－31.

［8］Amre El-Hoiydi，Jean-Dominique Decotignie，Jean Hernandez.Low Power MAC Protocols for Infrastructure Wireless Sensor Networks［Z］.In Proc.European Wireless(EW'04)，Barcelona，Spain，Feb 2004:563－569.

［9］Hurni P，Braun T.Evaluation of WiseMAC on Sensor Nodes［J］.10th IFIP International Conference on Mobile and Wireless Communications Networks.Toulouse，2008:187－198.

［10］Buettner M，Yee G V，Anderson E，et al.X-MAC:A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks［Z］.4th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems，2006:307－320.

［11］Wang H，Zhang X，Na T-Abdesselam F，et al.Dps-Mac:An Asynchronous Mac Protocol for Wireless Sensor Networks［Z］.In Proc.14th IEEE International Conference on High performance Computing(IEEE HiPC)Goa，India，December 2007:18－21.

［12］Mahlhecht S，Vienna I，Bock M.CSMA-MPS:A Minimum Preamble Sampling MAC Protocol for Low Power Wireless Sensor Networks［J］.In IEEE Int.Workshop on Factory Communication Systems，2004:73－80.