基于節能目標的無線傳感網絡MAC協議

田 驥， 蔣鈴鴿

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

0 引言

為滿足應用需求，無線傳感器網絡(WSN,Wireless Sensor Network)節點一般由電池供電；而由于節點體積、成本有限，只能配置容量較小的電池；當電池能量耗盡又不能及時補充時，節點退出網絡運行，而對大量隨機分布的節點用頻繁更換電池的方式來維持網絡的穩定運行和完成預定任務顯然不易實現，因此降低節點功耗成為延長網絡生存周期，提高網絡應用可靠性的重要技術措施。進一步的分析和測試統計數據表明，WSN節點功耗的80%用于數據收發，由此可知減少節點的無效收發是降低節點功耗的主要途徑[1-6]。

WSN的另一個特點是其通常工作在未授權2.4 G頻段，與其他用戶平等或近似平等地共享這個頻段。在這個頻段內各用戶按自身需求“旁若無人”地使用頻率資源，這就可能產生用戶間沖突，節點間的數據傳輸會因這些干擾而中斷并帶來一些潛在的新問題（如節點無效功耗問題）。在WSN軟硬件設計開發中需要關注解決這些問題。

在無線傳感網絡中媒體接入控制(MAC,Medium Access Control)協議處于網絡協議的底層，對整個網絡的性能有較大的影響，通過合理設計對降低節點功耗有顯著作用，所以本文以降低節點平均功耗為目標對MAC協議進行改進。

1 802.15.4協議及常用握手機制評述

IEEE802.15.4標準是面向低速無線個人區域網絡的物理層和 MAC層標準，該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為對網絡的主要要求。目前常用的2.4 G頻段的無線傳感網絡采用的就是IEEE802.15.4標準，因此本文在802.15.4標準MAC協議基礎上研究無線傳感網絡節能策略。

初始的802.15.4標準沒有加入請求發送（RTS,Request to Send）-清除發送（CTS, Clear to Send）握手機制，但在無線多跳網絡中，可能存在的隱藏終端收發、外部設備干擾都可能引起數據傳輸中斷，為此，文獻[7]將 802.11握手機制引入802.15.4標準MAC協議，每傳輸一次數據，進行一次完整的RTS-CTS握手（簡稱全握手機制）；而問題的另一面是，當傳輸中斷概率不大時，每次傳輸都全握手顯然是不必要的而只會增加網絡的控制開銷。為此，文獻[7]提出了一種多跳網絡的簡化RTS-CTS機制（簡稱半握手機制），如圖1所示。中繼節點通過偵聽鄰居節點 CTS包獲得將有數據包到達該鄰居節點，并經此中繼節點進行后續傳輸的信息。一旦偵聽到CTS包，中繼節點就會初始化一個要求該鄰居節點傳遞中繼數據的請求。 同時引入一個計時器TW來估算數據包傳輸至該鄰居節點所需的時間，并在估算時間到后直接向這個鄰居節點發送 CTS包，這樣，就節省了鄰居節點發送RTS包的額外開銷。

在全握手機制中，RTS包在含有發送請求等內容的同時，發送RTS包這個行為本身還隱含著數據包已準備就緒，一旦收到CTS包即可發送的信息。而在半握手機制中，后續節點僅僅靠監聽前面節點的 CTS包不能得到這個信息，因此無法知道發送CTS包的鄰居節點的數據包是否已準備就緒可以發送。這就產生了一個問題，本來在數據傳輸路徑上的某個節點數據發送失敗（例如數據傳輸過程被共享頻段內其他用戶干擾），后續進程應該中斷；但在半握手機制中，傳輸路徑上的后續節點在監聽到這個節點發送的CTS包后，不論前面的收發成功與否，仍然會進行時間估算，并發出自己的 CTS包，進而傳輸路徑上后面所有節點都會照此運行。而這些節點發送 CTS包和進行時間估算實際上沒有任何意義，且會造成相當程度的能量浪費。

2 改進的握手機制

由上可知，上述兩種握手機制都有局限性，單一應用不能很好適應數據傳輸過程中的各種情況，如果把兩種握手機制結合起來，分段插入請求包RTS，即對整個數據傳送路徑進行分段，段內采用半握手機制，段間采用全握手機制，且分段長度可根據傳輸中斷概率調整，則有望克服它們的不足，降低節點無效能耗。為此，本文提出一種混合式握手機制，既減少過多的控制開銷；也避免一次握手后，后續進程不可控的情況；從而達到節點節能的目的。具體做法是：每個節點將收到的CTS包中的計數+1，作為本節點發送的CTS包的計數。若某個節點收到的 CTS包中計數達到某個預先設定的閾值，則在數據包到達后，該節點向下一節點發送RTS包進行發送請求；相應地，當某一節點偵聽到的CTS包中的計數值為預定閾值+1時，必須等待，直到接收到上一節點的 RTS包后才可以發送 CTS包，并把CTS包中的計數歸零，混合式握手機制如圖2所示。這樣，對于跳數較大，傳輸中斷概率較大的情況（例如未授權頻段內用戶比較多的情況），即使前面節點數據傳輸失敗，也可以通過周期性的檢驗，把后面節點發送的無用CTS包數量控制在一定范圍以內。達到降低平均功耗的目的；并且通過改變閾值，還可以量化地調整分段長度，適應不同的應用場景。

3 仿真試驗及分析

如前所述，WSN通常與多個用戶各自獨立平等地工作在未授權2.4 G頻段，導致用戶間可能發生沖突并產生無效節點功耗。近年來，針對這個方面國內外學者已進行了大量的研究[8-13]。本文即在此具有普遍性意義的應用場景下對三種握手機制的能量消耗情況進行仿真、分析、比較。

由于本文主要研究MAC協議的改進，不涉及路由設計，所以將仿真對象設置為由19個節點構成的線型網絡，編號依次為1到19號節點，19號節點為匯聚節點。每個節點只能同編號相鄰的兩個節點進行通信，如果要與更遠的節點通信，須經鄰居節點中繼。除匯聚節點外，每個傳感器節點任一時刻發送數據的概率為P。網絡結構如圖3所示。

3.1 節點小概率發送數據試驗

仿真參數如表1所示，仿真曲線是不同握手機制下控制開銷關于用戶沖突概率的一族曲線（如圖4所示），由于節點功耗與控制開銷是正相關關系，所以仿真曲線實際上也反映了不同用戶沖突概率下節點功耗與握手機制的關系。

表1 試驗一參數

3.2 節點較大概率發送數據試驗

仿真參數見表2，仿真曲線如圖5所示。

由仿真曲線可以看出，對于半握手機制，當用戶沖突概率增加時，控制開銷變化不大，略有增加；而對于混合式握手機制，隨著用戶沖突接入概率增加，控制開銷迅速下降。兩相比較，說明前者在數據傳輸中斷后有較多無意義控制開銷，而后者顯著減少了這種開銷。如圖，當閾值在2～∞間取值時，混合式握手機制也就在全握手機制和半握手機制間演變，實際上，當閾值分別取2和16時，混合式握手機制已非常接近全握手機制和半握手機制；這樣就為應對不同的用戶沖突概率提供了很大的靈活性。因此，不論用戶沖突概率為何值，都可以采用混合式握手機制，只需針對不同情況選擇不同的閾值即可。

表2 試驗二參數

圖中取不同閾值的混合式握手機制的曲線都與半握手機制的曲線相交，且閾值不同，交點位置不同，對應的用戶沖突概率也不同； 在交點右側，混合式握手機制的控制開銷小于半握手機制的控制開銷，在交點左側則反之；所以，如果有關于用戶沖突概率的先驗知識，就可以根據它處于交點右側還是左側來選擇閾值；使混合式握手機制逼近半握手機制或反之。

在試驗二中，增大了節點發送數據的概率，由曲線圖可知，幾種握手機制的控制開銷都相應增大，但各曲線變化趨勢仍然與試驗一相似,所以上述結論在此仍然成立。

通過仿真結果可以預見，隨著傳輸中斷概率的增加，本文提出的改進握手機制節能效果更好。

4 結語

針對多用戶共享未授權頻段背景下無線傳感網絡的節能問題，本文提出了一種IEEE802.15.4 MAC協議改進方案。并在典型應用背景下進行了仿真與分析，得到以下結論：①降低節點能耗，對提高無線傳感網絡生存周期和應用可靠性有重要意義；②混合式握手機制完全兼容全握手和半握手機制；根據有關先驗知識，可以通過調整閾值的方法，設定數據傳輸過程中插入請求包 RTS的分段長度，對不同的應用場景具有很高的靈活性；③混合式握手機制綜合了全握手和半握手機制的優點，平衡了提高數據傳輸可靠性和節點節能的需求；在共享頻段內多用戶互相干擾情況下，顯著減少了網絡無效開銷。

[1] HUANG Yu-Kay, PANG Ai-Chun, HUANG Hui-Nien. An Adaptive GTS Allocation Scheme for IEEE 802.15.4[J]. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 2008, 19(05): 641-651.

[2] BHATTI G, SAHINOGLU Z, ZHANG J, et al. Modified Beacon-enabled IEEE 802.15.4 MAC for Lower Latency[C]. USA: IEEE Press, 2008: 876-880.

[3] TSENG Hsueh-Wen, PANG Ai-Chun, CHEN Jenhui, et al.An Adaptive Contention Control Strategy fo IEEE 802.15.4-based Wireless Sensor Networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2009,58(09): 5164-5173.

[4] MORI K, NAITO K, KOBAYASHI H. Traffic Adaptive Active Period Control with Adaptive Backoff Window for Cluster-based IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Networks[C].USA: IEEE, 2009: 125-130.

[5] 張剛健,鄒傳云,段宏.基于RFID的無線傳感網絡節點的設計[J]. 通信技術,2010,43(10):73-74,77.

[6] 趙學鵬,鄒傳云.無線傳感器網絡的功率控制算法[J].通信技術,2007,40(12):379-382.

[7] SUN Mao-heng, SUN Kai-jian, ZOU You-min. Analysis and Improvement for 802.15.4 Multi-hop Network[C].USA: IEEE, 2009: 52-56.

[8] CAVALCANTI D, DAS S, JIANFENG W, et al. Challapali.Cognitive Radio based Wireless Sensor Networks[C].USA: IEEE, 2008: 1-6.

[9] MITOLA J. Cognitive Radios: Making Software Radios More Personal[J]. IEEE Personal Communications, 1999, 6(04): 13-18.

[10] YAU K L A, KOMISARCZUK P, TEAL P D. Cognitive Radio-based Wireless Sensor Networks: Conceptual Design and Open Issues[C].USA: IEEE, 2009:955-962.

[11] POLLIN S, ERGEN M, ERGEN S C, et al. Performance Analysis of Slotted Carrier Sense IEEE 802.15.4 Medium Access Layer[J]. IEEE Transactions on Wireless Communication, 2008, 7(09): 3359-3371.

[12] CHIA-CHUN HSU A, WEIT D, KUO C. A Cognitive MAC Protocol Using Statistical Channel Allocation for Wireless Ad-Hoc Networks[C].USA: IEEE Press,2007: 105-110.

[13] 崔曉臣,張串絨,張強.無線傳感器網絡密鑰管理方案評估研究[J]. 信息安全與通信保密,2011(03):64-66.