基于預約和反饋的無線傳感器網絡MAC協議研究*

李 曼，熊慶宇，2，石為人，冀文娟

（1.重慶大學自動化學院，重慶 400030;2.重慶大學 軟件學院，重慶 400030）

0 引言

無線傳感器網絡MAC協議決定著無線信道的使用方式，負責為節點分配無線通信資源，直接影響著網絡的延遲、能耗和吞吐量等性能［1］。目前的MAC協議大都以降低節點能耗、延長網絡周期為首要目標［2］。但在某些對實時性要求很高的網絡應用環境，如軍事防御、災難預警等［3］，如何在最短的時間內獲得異常是監測的關鍵。因此，設計適用于這些情況的低時延MAC協議十分重要。

目前的低時延 MAC協議主要有 VTS協議［4］，Dualmode MAC 協議［5］，TOMAC 協議［6］，I-EDF 協議［7］等，VTS協議將每個時間周期分割成時間隙，每個節點在固定的時間隙傳輸數據，無法實現數據在一個時間隙內的多跳傳輸。Dual-mode MAC分為保護模式和非保護模式2種，通過2種模式的相互轉換實現數據傳輸穩定性和速度的平衡。但是，由于Dual-mode MAC要求節點已知自己的位置信息使得它的實現難度大。TOMAC主要應用于單跳傳輸的網絡系統，不能適應多跳網絡中數據的低時延傳輸。

針對上述低時延MAC協議的不足，本文提出了一種基于信道預約和反饋的低時延RF-MAC（reservation-feedback MAC）協議。RF-MAC協議是在S-MAC的基礎上提出的。通過在數據發送前發送預約信息，節點在預約的時間內自行激活傳輸數據的方法，克服了S-MAC協議周期睡眠造成延遲累加的缺點［8］。同時，通過向源節點發送反饋控制包的方法，使得后續數據提前發送，提高了信道的利用率，降低了數據傳輸的時延。RF-MAC協議適用于數據傳輸量大且對實時性要求較高的場合。

1 RF-MAC協議描述

RF-MAC協議主要針對單數據流通信的情況，即網絡中僅有一個源節點和一個匯聚節點。假設運行區域為線性系統，每個節點僅能與其單跳鄰居節點通信［9］。若2個可相互通信的節點之間存在多余的節點，則將此節點設置為睡眠狀態。RF-MAC協議的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 RF-MAC協議的網絡拓撲圖Fig 1 Network topology structure of RF-MAC protocol

1.1 預約機制

RF-MAC協議繼承了S-MAC協議的睡眠機制和RTS/CTS/DATA/ACK握手機制，在RTS和CTS數據包中添加預約信息實現信道的預約。RTS控制包中含有發送節點的最近可發送時間TS和數據傳輸持續時間TD，接收節點收到RTS后，將發送節點的TS與自身的預約時間表中的最近可接收時間TR進行比較，確定數據的預約傳輸時間。

1）若TR＜TS，預約時間為［TSTS+TD］

當TR＜TS時，即接收節點在發送節點到達其最近可發送時間TS前已處于可接收數據狀態，發送節點到達TS即可直接發送數據。

2）若TR＞TS，預約時間為［TRTR+TD］

當TR＞TS時，即發送節點到達其最近可發送時間TS時，接收節點還不能接收數據，則調整預約時間為［TR，TR+TD］。

接收節點將預約信息通過CTS控制包返回給發送節點，發送節點收到CTS控制包后即完成了數據的一跳預約。

在RF-MAC協議中，每個節點含有一個預約時間表。其格式如表1所示。

表1 預約時間表Tab 1 Reserved time list

1.2 反饋機制

在多數據傳輸的無線傳感器網絡中，若每個數據都等待前一個數據傳輸完成再進行傳輸會造成較大的時延。RF-MAC協議中引入了反饋的思想:利用向源節點發送反饋控制包F的方法，使源節點可以及時的了解信道的忙閑情況，從而盡早的發送后續數據。

反饋機制中的參數:

1）反饋控制包F的標識符FC:反饋控制包到達源節點所需的跳數。

變化范圍為0～3

在反饋控制包F開始發送時，FC的初始值為3，F每經過一跳傳輸，FC的值減少1，當F到達源節點時，FC的值變為0。

2）節點標識符NSF:決定節點收發數據情況。

變化范圍為0，1

NSF=0:僅能接收數據;

NSF=1:既可接收也可發送數據;

3）數據包標識符HC:決定發送反饋控制包所需的跳數。

變化范圍為0～4，OFF

在RF-MAC中，若HC值太小，系統會不停地發送反饋控制包以及等待反饋控制包傳輸，這樣會造成大量的時延和能量浪費。若HC值太大，后續數據不能及時地發送。本文中設定4跳以下的數據傳輸為短距離傳輸。

數據包的HC值在源節點時為4，數據每經過一跳，HC的值減少1，當HC的值變為0時，收到此數據的節點向其發送節點發送ACK后，其發送節點開始向源節點發送反饋控制包F。反饋控制包F開始發送后，設定數據包的HC為OFF。

反饋機制是通過反饋控制包F的標識符FC控制節點的NSF標識符從而達到反饋和控制后續數據的發送的效果。

1.3 協議運行過程

RF-MAC協議的具體運行過程如圖2所示。

圖2 RF-MAC協議運行過程Fig 2 Working process of RF-MAC protocol

N0為源節點，N10為匯聚節點，設N0有n個數據需要發送到N10。

1）數據預約

N0首先發送有預約信息的控制包RTS給N1，N1結合自己的預約時間表和收到的RTS信息確定數據發送的預約時間，N1將此預約時間寫入預約時間表并通過CTS返回給N0。N0收到CTS后即完成數據D0從N0到N1的預約。N1按同樣的方式完成數據預約以后，N0若到達預約時間則發送數據。按照相同的方式，可以完成對N2，N3，…，N10的預約。

2）數據包的發送

當N1在其預約時間內收到數據D0后發送ACK給N0，N0收到N1發送的ACK后，設定自身NSF為0，即此時N0只能接收數據，不能發送數據。

3）反饋控制包的發送

D0的HC值在N0時為4，D0每經過一跳，HC的值減少1，當D0傳輸到N4時，其HC的值變為0。當N4成功發送ACK給N3后，若檢測到D0的HC為0，則等待三個控制時段再發送D0給N5，在第一個控制時段，N3發送反饋控制包F給N2并設定自身的NSF為0。在第二個控制時段，N2發送反饋控制包F給N1并設定自身的NSF為0。在第三個控制階段，N1發送反饋信號給N0且設定自身的NSF值為1。

4）后續數據的發送

當源節點N0的標識符NSF變為1后，可進行下一個數據D1的預約和發送。

2 時延分析

無線傳感器網絡中的時延是指從發送端發送一個數據包，直到接收端成功接收這一數據所以經歷的時間［10］。假設在一個N跳無線傳感器網絡中，從源節點到目的節點的通信流連續，且每個節點發送的數據速度是相同的。

2.1 單個數據傳輸的情況

在RF-MAC協議中，如圖2所示，數據每一跳傳輸都需要發送控制包RTS，CTS，ACK以及數據包DATA，且當數據傳輸跳數N＞4時，需要發送反饋控制包F。同時為了避免碰撞，當一個偵聽周期的第一個節點發送RTS和收到CTS后，必須等待其下一個節點也完成預約，才能開始發送數據，即數據第二跳以后的預約都與數據的傳輸相重疊。則單個數據傳輸N跳的時延T（1）為

式中T（1）為單個數據包傳輸所需的時間;N為數據包傳輸的跳數;M為每個偵聽周期可預約的跳數，M＞2;N/M為完成N跳傳輸所需要的工作周期;TDATA為數據包DATA的一跳傳輸時間;TACK為控制包ACK的一跳傳輸時間;TRTS為控制包RTS的一跳傳輸時間;TCTS為控制包CTS的一跳傳輸時間;TF為控制包F的一跳傳輸時間。

為了方便計算，數據傳輸的時間TDATA設為TD，令控制包RTS，CTS，ACK和F的一跳傳輸時間相同，用TC表示。即TRTS=TCTS=TACK=TF=TC。

將TC，TD代入式（1）得

2.2 多個數據傳輸的情況

1）當傳輸跳數N小于或等于4時，不需要發送反饋數據包F，則每增加一個數據傳輸產生的時延增量T增與單個數據傳輸時產生的時延相同，由公式（3）得

則n個數據傳輸完成的總時延T（n）為

2）當傳輸距離N＞4時，由圖2可知，數據傳輸4跳以后發送反饋控制包F，源節點收到F后即發送后續的數據。源節點收到F以后，前一個數據的傳輸與后面數據的傳輸是重疊的。此時每增加一個數據傳輸，總時延的增量T增為

則n個數據的總時延T（n）為

由2.1節和2.2節的分析可得，預約機制有效地降低了S-MAC周期睡眠所產生的傳輸時延累積，同時，反饋機制可以使后續數據與前面數據同時傳輸，增大了網絡的吞吐量，節省了后續數據等待發送的時間。

3 仿真結果

為了證明RF-MAC協議降低時延的有效性，本文通過OMNET++對RF-MAC協議、S-MAC協議和VTS協議的性能進行仿真比較。在仿真中設定:傳感器節點隨機的分布在1000 m×1 000 m的區域內，每個節點的通信范圍為100 m，產生數據的速率滿足泊松分布，提供32kbps的帶寬，設定3種協議中節點發送能耗為36 mW，空閑偵聽和接收數據能耗為12 mW，數據包長度為100 bytes，控制包長度為10 bytes。S-MAC的周期為600 ms，VTS協議的時間周期為6 s，總的仿真時間為50 s。仿真結果如圖3～圖5所示。

圖3 網絡中數據包的時延Fig 3 Data packet’s latency of the network

由圖3可知，RF-MAC協議產生的時延明顯小于SMAC協議和VTS協議產生的傳輸時延。在VTS協議中，由于每個節點在固定的時隙內傳輸數據，源節點須經過一個時間周期間隔后才能再次傳輸數據，因此，它的時延遠大于S-MAC，RF-MAC等基于競爭的MAC協議。S-MAC的傳輸時延會隨著周期睡眠而累加。在RF-MAC協議中，數據按照預約好的時間進行傳輸，節點可以按照預約時間調節自己的覺醒時間。同時，通過向源節點發送反饋信息，加快了后續數據測發送，因此，RF-MAC具有良好的節省時延的效果。

圖4中描述了3種協議的丟包率和網絡節點數之間的關系，由于基于競爭的S-MAC協議在數據的傳輸過程中會有沖突導致部分數據包丟失，當網絡中節點數增大時，數據丟失嚴重。而使用時隙分配信道的VTS和使用預約來分配信道的RF-MAC在避免數據沖突方面的優勢十分明顯。

圖4 網絡的丟包率Fig 4 Packet loss ratio of the network

圖5中描述了3種協議的網絡吞吐量和節點數之間的關系。由圖可知，S-MAC協議和RF-MAC協議的吞吐量都遠大于VTS協議。VTS協議是基于時間調度的協議，且每個時隙只能有一個節點傳輸數據，因而，它的吞吐量恒為1。RF-MAC協議在S-MAC協議的基礎上引入了反饋機制，使后續數據和前面的數據同時傳輸，從而增大了網絡的吞吐量。

圖5 網絡吞吐量Fig 5 Throughput of the network

4 結束語

無線傳感器網絡是與應用相關的網絡，不同的應用環境中對MAC協議的性能要求也各不相同。本文主要針對實時性要求較高的應用環境，提出了一種基于信道預約和RF-MAC協議對無線傳感器網絡的時延、丟包率和吞吐量都有一定的改善作用。下一步工作將研究RF-MAC協議在多數據流通信情況下的應用，使RF-MAC更適合實際的應用系統。

［1］王 殊，閻毓杰，胡富平，等.無線傳感器網絡的理論與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［2］蹇 強，龔正虎.無線傳感器網絡MAC協議研究進展［J］.軟件學報，2008，19（2）:389 －403.

［3］鄭國強，李建東，周志立.無線傳感器網絡MAC協議研究進展［J］.自動化學報.2008，34（3）:305 －315.

［4］Egea E，Vales J.A real-time MAC protocol for wireless sensor networks:Virtual TDMA for sensor（VTS）［J］.Lecture Notes in Computer Science，2006，7（2）:382 －396.

［5］Watteyne T，Auge B I.Proposition of a hard real-time MAC protocol for wireless sensor networks［C］//IEEE Computer Society’s Annual International Symposium on Modeling，2005:53 －56.

［6］Krohn A，Beigl M.Tomac-real-time message ordering in wireless sensor networks using the MAC layer［C］//Proceedings of the 2nd International Workshop on Networked Sensing Systems，INSS，2005:175 －181.

［7］Caccamo M，Zhang L Y.The capacity of implicit EDF in wireless sensor networks［C］//15th IEEE Euromicro Conference on Real-Time System，Portugal:IEEE，2003:267 －275.

［8］李洪峻，李 迅，馬宏須.無線傳感器網絡MAC協議實時性研究［J］.計算機工程，2009，35（23）:75 －80.

［9］Ye W，Estrin D.An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks［C］//Proceedings of the 21st Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies，New York:USA，IEEE，2002:1567 －1576.

［10］鄧延安，沈連豐，許 波.一種應用于多跳網絡的可調占空比固定時延MAC協議［J］.東南大學學報:自然科學版，2008，38（6）:942－948.