基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步MAC協(xié)議研究

楊遜豪，何加銘，董義旺，吳 剛

(1.寧波大學(xué)通信技術(shù)研究所，浙江寧波 315211;2.浙江省移動網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，浙江寧波 315211;3.中國電信股份有限公司寧波分公司，浙江寧波 315001)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)作為新一代傳感器系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知、采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息加以處理，以便獲取詳盡、準確的信息［1］。但由于其受功能、特性及應(yīng)用背景的影響巨大，因此設(shè)計具有最大化生存周期、最小化網(wǎng)絡(luò)能耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和有效減低能耗具有十分重要的意義。

媒體訪問控制協(xié)議(Medium Access Control，MAC)［2］，處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一，盡可能延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命十分重要。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計中還存在許多缺陷需要去解決［3-4］。因此設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議應(yīng)該在確保低能耗的前提下，具有盡可能高的吞吐量、盡可能小的時延、數(shù)據(jù)無誤傳輸以及支持多種業(yè)務(wù)需要等特性以滿足用戶需求。

1 S-MAC協(xié)議工作機制

針對不同應(yīng)用場合對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求不盡相同的特點，MAC協(xié)議分為基于競爭協(xié)議、基于調(diào)度協(xié)議和混合 MAC 協(xié)議［5］。S-MAC 協(xié)議［6］是一種基于競爭機制的典型MAC協(xié)議，專門針對事件通知應(yīng)用場景，可以較好地適應(yīng)這種場景中的數(shù)據(jù)流變化。在沒有數(shù)據(jù)時節(jié)點基本處于休眠狀態(tài)，節(jié)省自身的能量;而在突發(fā)事件觸發(fā)大量數(shù)據(jù)傳輸時，又可以自適應(yīng)增加節(jié)點喚醒次數(shù)，從而加快數(shù)據(jù)傳輸。S-MAC的主要工作機制如下。

1.1 周期性偵聽/休眠機制

S-MAC協(xié)議最主要的運行機制為周期性偵聽/休眠機制。它將時間分為多個工作周期，每個工作周期又分為偵聽階段和休眠階段。在偵聽階段，節(jié)點完成與相鄰節(jié)點間通信。在休眠狀態(tài)，節(jié)點為了減少能耗，直接關(guān)閉發(fā)射接收器。若此時存在需要處理的數(shù)據(jù)，則執(zhí)行緩存操作，待到節(jié)點處于偵聽狀態(tài)時再進行處理。

1.2 虛擬簇機制

節(jié)點每隔一段偵聽周期廣播一次同步信息，鄰居節(jié)點同樣采用該策略，從而使得整個網(wǎng)絡(luò)形成了若干個采用不同策略的虛擬簇。不同的虛擬簇之間通過簇間邊界節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，通過虛擬簇機制，新節(jié)點很容易加入到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中去。但是這些邊界節(jié)點為了能夠保證簇與簇之間能夠順利地進行數(shù)據(jù)傳輸，保存了多個調(diào)度，這樣在每個調(diào)度規(guī)定的時刻都會被喚醒。但這種機制存在節(jié)點能量過度消耗的情況。

1.3 沖突/監(jiān)聽避免機制

S-MAC使用了802.11的沖突避免機制，即虛擬載波監(jiān)聽和物理載波監(jiān)聽結(jié)合的RTS-CTS通告機制，協(xié)議規(guī)定每個節(jié)點控制一個時間幀，當節(jié)點有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時，先進行等待，直到屬于該節(jié)點的幀到來時，先廣播帶有接收節(jié)點和包長度的控制報頭消息，然后傳送數(shù)據(jù)。收到報頭消息的節(jié)點如果不是接收節(jié)點，則關(guān)閉射頻模塊，較好地解決了隱藏終端問題和暴露終端問題。

2 TS-MAC協(xié)議方案

在S-MAC協(xié)議初始化階段，調(diào)度的同步十分重要。但是S-MAC協(xié)議的同步只能在較小范圍內(nèi)完成，導(dǎo)致了在全網(wǎng)范圍內(nèi)存在多個不同調(diào)度表的簇。簇邊界上的節(jié)點，為了能夠順利與鄰簇節(jié)點進行通信，需要在該節(jié)點上保存多個調(diào)度信息，因此邊界節(jié)點會在每個調(diào)度表的監(jiān)聽時段醒來，相較于其他節(jié)點較少進入休眠階段，能量消耗較大，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)整體壽命的縮短。

2.1 優(yōu)先級標準

為了解決這個問題，對現(xiàn)有的SS-MAC協(xié)議［7］進行改進，設(shè)計了一種算法規(guī)則，采用優(yōu)先級標準作為依據(jù)，使得相鄰的虛擬簇進行合并，最終實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的統(tǒng)一，消除邊界節(jié)點，從而解決了不同虛擬簇間邊界節(jié)點能耗過快的問題。

整個虛擬簇用樹來表示，把創(chuàng)建根節(jié)點稱為樹根，簇中每個節(jié)點都存在一個權(quán)值，表示節(jié)點距離根節(jié)點的跳數(shù)，根節(jié)點的權(quán)值為零，其余節(jié)點在接入網(wǎng)絡(luò)之前，權(quán)值預(yù)設(shè)為一個較大的初始值。算法采用從根節(jié)點到虛擬簇邊界的最大權(quán)值來表示優(yōu)先級，生成樹統(tǒng)計模型如圖1所示。改進后的 MAC協(xié)議稱為TS-MAC協(xié)議，在每個節(jié)點上保存變量列表ValueList，包括某一虛擬簇全簇節(jié)點總數(shù) Total、最大權(quán)值ValueMax、本節(jié)點權(quán)值 ValuePoint、父節(jié)點標識Father、子節(jié)點標識 Son［i］、同步包到達時間 ArriveTime［i］以及對應(yīng)節(jié)點的下級節(jié)點總數(shù)SonNum［i］。

2.2 根節(jié)點選舉

在文獻［8］中介紹了一種GAF改進算法，在該算法的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種根節(jié)點選擇策略。假設(shè)每個節(jié)點能夠隨時查詢自身ID以及剩余能量，同時賦予剩余能量最大的節(jié)點為根節(jié)點，剩余能量次大的節(jié)點作為候選根節(jié)點，當根節(jié)點剩余能量達到閾值時，候選根節(jié)點將接替成為根節(jié)點，避免由于根節(jié)點能量耗盡引起節(jié)點間通信質(zhì)量的下降。

算法初始階段，節(jié)點按照ID依次發(fā)送和接收通知消息 M(N1，N2，Emax，Esub)，其中 Emax 為現(xiàn)有虛擬簇內(nèi)剩余能量最大值，Esub為剩余能量次大值，N1、N2為與此相對應(yīng)的ID。

假設(shè)某虛擬簇內(nèi)共有N個節(jié)點，任意一個節(jié)點ID為Nn，能量為En，Tr為初始時間，Ts為發(fā)送消息所需時間，具體根節(jié)點選舉算法實現(xiàn)如下:

圖1 生成樹統(tǒng)計模型

這樣所有節(jié)點均將獲悉根節(jié)點的ID和剩余能量，完成根節(jié)點的選舉。

2.3 創(chuàng)建生成樹

創(chuàng)建生成樹，統(tǒng)計簇內(nèi)節(jié)點信息，實現(xiàn)虛擬簇內(nèi)節(jié)點瞬時同步，算法實現(xiàn)如下:

2.4 簇的合并

根據(jù)生成樹信息，進行簇的合并，算法實現(xiàn)如下:

2.5 動態(tài)拓撲改進

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所存在的特性，必須考慮由于網(wǎng)絡(luò)拓撲變化造成樹結(jié)構(gòu)變化的情況。對于新加入的節(jié)點，可以通過監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點的同步請求報文，獲取周期T(取3～5個同步周期)內(nèi)收到的具有最小權(quán)值的鄰居節(jié)點作為自身父節(jié)點，并將權(quán)值加1作為自身權(quán)值，保證了生成樹總是擁有最新的拓撲，增強了魯棒性。當節(jié)點因某些原因與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系時，若該節(jié)點不屬于根節(jié)點，則按照上述方法進行拓撲調(diào)整。本算法規(guī)則采用消息開始發(fā)送到無線信道的時刻作為同步消息時間戳，消除了時延誤差，提高了時間同步的精度。

如圖2所示，在實際傳輸中存在著傳輸時延、接收時延等不確定性因素，則 4 個時刻 T1、T2、T3、T4實際應(yīng)該滿足如下關(guān)系:

式中，εtrans12是消息由節(jié)點1傳輸?shù)焦?jié)點2的傳輸時延，εrecv2則是節(jié)點2接收消息時產(chǎn)生的隨機誤差;a12為節(jié)點2相對于節(jié)點1的局部誤差。從上式中可以看到，報文間隔時間過長會造成同步精度的影響。因此，要求應(yīng)答包返回的時間間隔不能太長，同時應(yīng)答包一次所包含的同步信息也不能太多。

圖2 消息交換機制誤差

3 仿真結(jié)果與分析

本文采用OMNET++仿真工具［9-10］對TS-MAC協(xié)議進行仿真分析。OMNET++是一款開源的網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，近年來在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域里逐漸流行，主要用于通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的仿真。

3.1 OMNET++建模

OMNET++進行TS-MAC協(xié)議建模仿真流程如圖3所示。

圖3 TS-MAC仿真建模流程

通過以上對TS-MAC協(xié)議的剖析和對OMNET++編程模式的理解，定義如下仿真環(huán)境。

仿真的節(jié)點拓撲如圖4所示，N個節(jié)點呈線性分布，其中節(jié)點N-1為目標節(jié)點，節(jié)點0為源節(jié)點，相鄰節(jié)點間隔為200 m。從源節(jié)點處開始發(fā)送數(shù)據(jù)包至目的節(jié)點，發(fā)送速率為n個/s。

圖4 節(jié)點網(wǎng)絡(luò)拓撲

3.2 仿真參數(shù)選取

主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)

3.3 仿真結(jié)果

3.3.1 能耗分析

如圖4所示模型進行仿真，得到邊界節(jié)點消耗能量隨時間變化的曲線，如圖5所示。由于邊界節(jié)點在300 s開始接收到2個調(diào)度表信息，因此其能量消耗速率較之前快一倍。而TS-MAC與SS-MAC協(xié)議下邊界節(jié)點始終只有一個調(diào)度表，因此其能量消耗速率保持不變。但TS-MAC協(xié)議較SS-MAC協(xié)議在完成全網(wǎng)同步時間上要少得多，因此能量消耗幅度始終低于SS-MAC協(xié)議。從仿真輸出結(jié)果可以看出，TS-MAC與SS-MAC協(xié)議下數(shù)據(jù)流持續(xù)時間都比S-MAC協(xié)議下要長，網(wǎng)絡(luò)連通性較好。

圖5 邊界節(jié)點能耗

3.3.2 實時性分析

采用多次仿真取平均值的方法如圖6所示，由圖可以看出，SS-MAC協(xié)議在仿真時間達到3200 s處實現(xiàn)全網(wǎng)同步，TS-MAC協(xié)議在1600 s時實現(xiàn)全網(wǎng)同步，說明TS-MAC協(xié)議較之SS-MAC協(xié)議具有更好的實時性。

圖6 協(xié)議實時性比較

4 結(jié)束語

針對 S-MAC協(xié)議中邊界節(jié)點能耗過快，SSMAC協(xié)議中全局同步時間過長，無法快速實現(xiàn)全局同步的問題，提出了一種新的TS-MAC協(xié)議，通過設(shè)定優(yōu)先級標準來確定虛擬簇的最大權(quán)值，利用生成樹來完成根節(jié)點與下級節(jié)點的時間同步，以達到局部時間同步，并以此為標準在簇間邊界節(jié)點上進行調(diào)度表的取舍，從而實現(xiàn)簇的合并和全網(wǎng)調(diào)度的同步，消除了邊界節(jié)點。仿真結(jié)果驗證了該算法能夠有效地控制節(jié)點的能耗，提高了網(wǎng)絡(luò)的連通性。

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