一種基于接收節(jié)點控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制協(xié)議*

2014-04-04 06:46:57錢麗麗

傳感技術(shù)學(xué)報 2014年2期

錢麗麗,劉　昊

(東南大學(xué)國家ASIC系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,南京 210096)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有布設(shè)靈活、范圍廣、成本低等特點,在軍事國防、生物醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。媒體訪問控制層MAC(Media Access Control)協(xié)議負(fù)責(zé)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道有效接入控制,對傳感器網(wǎng)絡(luò)功能與性能有直接影響[1],是近年來的研究熱點[3-16]。

周期性睡眠是目前大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議所選擇的低功耗方法,也是本文所研究MAC協(xié)議的低功耗實現(xiàn)方法。當(dāng)載荷強度較小時,采用周期休眠機制的MAC協(xié)議如S-MAC[7]、T-MAC[8]、RMAC[9],可以使節(jié)點在大部分時間進(jìn)行休眠以節(jié)省功耗,而不會錯過數(shù)據(jù)包。但是S-MAC、T-MAC的協(xié)議設(shè)計,只允許節(jié)點在一個周期內(nèi)進(jìn)行一次、單個數(shù)據(jù)包的傳輸,這導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的端到端傳輸延時較長,隨著載荷增大,容易造成數(shù)據(jù)包在節(jié)點積壓,而導(dǎo)致節(jié)點緩存溢出,嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的性能。另一方面,隨著載荷增大,節(jié)點在單位時間內(nèi)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目增加,而發(fā)送節(jié)點每傳輸一個數(shù)據(jù)包都需要參與信道的競爭,這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中控制幀碰撞加劇,增加了發(fā)送節(jié)點獲得信道的時間和能量開銷,如此必然增加數(shù)據(jù)包的端到端的傳輸延遲,并且縮短整個網(wǎng)絡(luò)的工作壽命,更惡化了網(wǎng)絡(luò)性能。

RMAC采用了前導(dǎo)控制幀(Pioneer Control Frame)在操作周期開始時首先進(jìn)行多跳預(yù)約,以使得數(shù)據(jù)包在一個周期中可以沿預(yù)約路徑進(jìn)行多跳傳輸。但是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)常表現(xiàn)為數(shù)據(jù)匯聚樹的拓?fù)湫问?如多個子節(jié)點將數(shù)據(jù)包傳遞至一個父節(jié)點,多個父節(jié)點將數(shù)據(jù)包傳遞給一個爺節(jié)點。上述等現(xiàn)有低功耗MAC協(xié)議,并沒有充分考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的該基本特點。

針對上述問題,本文設(shè)計了基于時間同步、接收節(jié)點控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制協(xié)議SRI-MAC(Synchronous Receiver-Initiated MAC)。該協(xié)議通過邀請傳輸機制和迸發(fā)傳輸機制,顯著提高了MAC協(xié)議的性能。基于接收節(jié)點控制使得協(xié)議能夠根據(jù)接收節(jié)點的情況管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點間數(shù)據(jù)包的傳輸。

SRI-MAC的基本原理如下:①當(dāng)子節(jié)點有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時,通過報告幀向父節(jié)點匯報自身緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)量。②父節(jié)點維護(hù)子節(jié)點情況表,以記錄子節(jié)點等待傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)目。③父節(jié)點發(fā)送邀請幀,告知被邀請的子節(jié)點允許其發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)目。④子節(jié)點采用迸發(fā)傳輸機制,在一次通訊中,可向父節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)包,提高數(shù)據(jù)包的傳輸效率。⑤父節(jié)點發(fā)起多次邀請通訊,在一個周期內(nèi)連續(xù)邀請多個子節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸,避免了子節(jié)點競爭信道,減少了碰撞。

我們用NS-2仿真工具評估了協(xié)議,實驗表明,采用了多次邀請和迸發(fā)傳輸機制后,本協(xié)議相較于S-MAC和RMAC,在延遲、吞吐量、包傳輸率以及能耗方面均提升了性能。

1　協(xié)議設(shè)計

1.1　多次邀請機制

SRI-MAC使父節(jié)點在單操作周期時間內(nèi),通過調(diào)度,邀請多個子節(jié)點依次發(fā)送數(shù)據(jù)包的機制,簡稱為多次邀請。協(xié)議中,父節(jié)點需要維護(hù)一張“子節(jié)點情況表”,該表由兩個字段組成:子節(jié)點識別編號和子節(jié)點剩余待發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目。子節(jié)點識別編號,由父節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣⒑?通過路由表獲得。子節(jié)點剩余待發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目由父節(jié)點從子節(jié)點發(fā)出的報告幀中提取相關(guān)參數(shù)并通過計算獲得。父節(jié)點根據(jù)子節(jié)點情況表中的參數(shù)決定邀請傳輸?shù)牟呗浴?/p>

如圖1所示,SRI-MAC中,節(jié)點的工作周期分為“競爭-迸發(fā)傳輸”階段和“邀請-迸發(fā)傳輸”階段,其中,CR為報告幀,I為邀請幀,A為確認(rèn)幀,DATA為數(shù)據(jù)包。子節(jié)點情況表中子節(jié)點剩余待發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目項在競爭-迸發(fā)傳輸階段中被填寫。在競爭-迸發(fā)傳輸階段中,各子節(jié)點公平競爭信道,發(fā)送報告幀至父節(jié)點。父節(jié)點邀請競爭到信道,并成功發(fā)送報告幀的子節(jié)點s1首先進(jìn)行數(shù)據(jù)包的迸發(fā)傳輸。設(shè)子節(jié)點s1當(dāng)前待發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)目為a,父節(jié)點P接收數(shù)據(jù)包的能力為b,每個操作周期時間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目最多為c。當(dāng)a-b>0時,說明子節(jié)點s1當(dāng)前緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)目超過父節(jié)點的接收能力;當(dāng)a-c>0時,說明s1當(dāng)前緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)目來不及在一個操作周期內(nèi)進(jìn)行傳輸,此時父節(jié)點P將在a-b和a-c中取較大的值,并將該值填入本地子節(jié)點情況表中“剩余待發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目”的對應(yīng)位置,以便在之后的操作周期中主動邀請子節(jié)點s1繼續(xù)發(fā)送剩余的數(shù)據(jù)包。

圖1　SRI-MAC工作原理圖

在邀請-迸發(fā)傳輸階段,父節(jié)點根據(jù)子節(jié)點情況表,選取表中記錄的子節(jié)點緩存的數(shù)據(jù)包最多的節(jié)點作為邀請對象,繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)包,如圖1中節(jié)點s2。如果表中兩個子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)包數(shù)量的記錄相同,則子節(jié)點識別編號大的節(jié)點優(yōu)先被邀請。如果子節(jié)點情況表中所有節(jié)點的剩余待發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目項均為空,則父節(jié)點通過對本周期剩余工作時間來決策是否啟動邀請競爭,本文通過在NS-2中仿真的實驗數(shù)據(jù),選擇當(dāng)本周期剩余的工作時間若仍能夠至少傳輸10個數(shù)據(jù)包時,父節(jié)點啟動邀請競爭。此時父節(jié)點發(fā)出邀請幀,通知所有喚醒的子節(jié)點再次競爭信道發(fā)送權(quán),如圖2。如子節(jié)點有傳輸數(shù)據(jù)包的需求,那么子節(jié)點在接收到父節(jié)點的邀請幀后,發(fā)起競爭,競爭到信道的子節(jié)點在剩余的周期時間內(nèi)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包,如圖2(b),競爭和數(shù)據(jù)包傳輸過程與競爭-迸發(fā)傳輸階段操作相同。如果父節(jié)點在發(fā)送了邀請幀后,經(jīng)過一段時間沒有收到回應(yīng),那么父節(jié)點認(rèn)為此時沒有子節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)包,父節(jié)點切換入休眠狀態(tài),如圖2(c)。

圖2　父節(jié)點邀請競爭操作

父節(jié)點通過邀請幀中的邀請觸發(fā)位來告知簇中的其他子節(jié)點,本操作周期中,是否會繼續(xù)進(jìn)行子節(jié)點邀請操作。若父節(jié)點的接收緩存已滿,則不會繼續(xù)邀請子節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。

本機制在單個周期內(nèi)使父節(jié)點具備從多個子節(jié)點獲取數(shù)據(jù)包的能力,本質(zhì)上減少了子節(jié)點間競爭、提高了信道利用率、增強了父節(jié)點對傳輸?shù)目刂颇芰Αp少了能量浪費,大幅提升了傳輸效率。

1.2　迸發(fā)傳輸機制

迸發(fā)傳輸機制使單個子節(jié)點在被父節(jié)點邀請后,能夠連續(xù)傳輸多個數(shù)據(jù)包至父節(jié)點。子節(jié)點單次能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目受限于父節(jié)點當(dāng)前能夠接收數(shù)據(jù)包的數(shù)目以及操作周期時間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目。定義一個本地通信簇的子節(jié)點的集合為S={s1,s2,…,sn},對于節(jié)點si,i∈{0,1,…,n},設(shè)其當(dāng)前緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)量為li,父節(jié)點當(dāng)前可接收數(shù)據(jù)包數(shù)目為Qi,當(dāng)前操作周期時間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目為Ci,

(1)

其中,ΔTw為本周期中剩余可用于傳輸數(shù)據(jù)包的工作時間,TD為最大幀間間隔,Td為傳輸一個數(shù)據(jù)包需要的時間,Ta為傳輸確認(rèn)幀需要的時間,TS為最小幀間間隔。

父節(jié)點分析節(jié)點si發(fā)來的報告幀,提取li的值,比較li、Qi、Ci的值,三者的最小值即為si當(dāng)前可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目,設(shè)為

(2)

父節(jié)點將ni的值置于邀請幀中,并發(fā)送至節(jié)點si。節(jié)點si接收到邀請幀后,根據(jù)要求向父節(jié)點連續(xù)發(fā)送ni條數(shù)據(jù)包。報告幀和邀請幀的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　報告幀和邀請幀結(jié)構(gòu)

簇中的其他子節(jié)點接收到父節(jié)點發(fā)出的邀請幀后,計算節(jié)點si傳輸數(shù)據(jù)包所需的時間并設(shè)置定時器后進(jìn)入休眠;定時器到時后節(jié)點喚醒,接收父節(jié)點的下一條邀請幀,并進(jìn)行相應(yīng)的迸發(fā)傳輸。定時器設(shè)定的時間略小于傳輸ni條數(shù)據(jù)包需要的總時間,以避免錯過父節(jié)點的下一條邀請幀。

1.3　沖突和重傳

在競爭-迸發(fā)傳輸階段,因為隱藏終端的問題,本地通信簇中的子節(jié)點可能無法預(yù)知彼此的存在,報告幀可能會發(fā)生沖突。本協(xié)議采用物理載波偵聽及虛擬載波偵聽機制,以避免節(jié)點發(fā)送報告幀時發(fā)生沖突。在邀請-迸發(fā)傳輸階段,由父節(jié)點發(fā)出邀請,通知某子節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送,可以避免子節(jié)點競爭信道,減少了沖突的發(fā)生,提高傳輸數(shù)據(jù)包的效率。

當(dāng)子節(jié)點在一段時間內(nèi)沒有接收到確認(rèn)幀,或者發(fā)現(xiàn)接收到的確認(rèn)幀中應(yīng)答標(biāo)志位沒有被置1時,認(rèn)為發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗。子節(jié)點不會立即嘗試重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包,而是緩存該數(shù)據(jù)包,然后繼續(xù)發(fā)送剩余數(shù)據(jù)包。緩存的數(shù)據(jù)包將在下次迸發(fā)傳輸中進(jìn)行發(fā)送。

圖4　仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2　仿真環(huán)境

本文使用NS-2 V2.29版本的仿真軟件對協(xié)議進(jìn)行仿真實驗和比較。實驗采用15個節(jié)點構(gòu)成的樹狀匯聚拓?fù)?如圖4,編號為0的節(jié)點是匯聚節(jié)點。仿真中在節(jié)點7～14加載數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)包的大小為50 byte。假設(shè)節(jié)點不改變數(shù)據(jù)包的長度,并且節(jié)點內(nèi)部對數(shù)據(jù)包的處理可以在射頻收發(fā)轉(zhuǎn)換時間內(nèi)完成,不會引入新的延遲。本文為證明協(xié)議的有效性,將協(xié)議與S-MAC,R-MAC進(jìn)行性能對比。

產(chǎn)生載荷的節(jié)點7～14在仿真開始240 s時開始工作。在所有產(chǎn)生載荷的節(jié)點各發(fā)送了500個數(shù)據(jù)包后,仿真結(jié)束。載荷的生成間隔范圍從0.08 packet/s到0.48 packet/s變化。節(jié)點參數(shù)設(shè)置見表1。

表1　節(jié)點參數(shù)設(shè)置表

3　仿真結(jié)果評估

3.1　平均延遲評估

圖5　載荷變化時的平均延遲曲線

圖5顯示了數(shù)據(jù)包端到端平均傳輸延遲時間和載荷的關(guān)系,隨著載荷強度增大,端到端的平均延遲時間增長。端到端的平均延遲時間是數(shù)據(jù)包從源節(jié)點發(fā)出到匯聚節(jié)點成功接收所花費時間的平均值。圖5顯示SRI-MAC和RMAC的端到端平均延遲明顯小于S-MAC。因為S-MAC中,在相鄰節(jié)點的區(qū)域內(nèi),每個周期,只有一個節(jié)點能夠進(jìn)行一次、單個數(shù)據(jù)包的傳輸,因此數(shù)據(jù)包端到端的平均延遲時間將隨數(shù)據(jù)包需要通過的跳數(shù)增加而擴(kuò)大。RMAC采用前導(dǎo)控制幀為數(shù)據(jù)包預(yù)約信道,因此能夠在單個周期內(nèi)將一個數(shù)據(jù)包連續(xù)傳輸多跳,這顯然加速了數(shù)據(jù)包的傳輸速度,有助于降低端到端的延遲。SRI-MAC能夠?qū)碜砸粋€或者多個子節(jié)點的多個數(shù)據(jù)包在單個周期內(nèi)傳輸?shù)礁腹?jié)點,通過提高信道的利用效率,縮短了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絽R聚節(jié)點需要的時間。當(dāng)載荷強度大于0.32 packet/s時,RMAC的端到端延遲迅速增大,而SRI-MAC始終保持著最低的平均延遲時間。

3.2　吞吐量評估

仿真中,本文計算吞吐量為匯聚節(jié)點單位時間接收的總的比特數(shù)。圖6顯示了吞吐量和載荷的關(guān)系,隨著載荷強度的變化,圖中3個協(xié)議的曲線都顯示了吞吐量先增加后減小的變化過程。吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的重要指標(biāo),圖中的曲線說明采用SRI-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)比采用RMAC和S-MAC有更強的傳輸能力。當(dāng)載荷強度小于0.12 packet/s時,網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量較小,節(jié)點能夠順利將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絽R聚節(jié)點,從圖中可以看到3種協(xié)議的吞吐量接近,吞吐量隨著載荷強度的增大而增加。隨著載荷強度增大,節(jié)點逐漸無法及時排空自身的緩存隊列,如圖6,S-MAC首先出現(xiàn)吞吐量下降的趨勢;在載荷強度小于0.28 packet/s時,RMAC與SRI-MAC的吞吐量仍保持隨載荷強度增大而增加的趨勢,并且RMAC的吞吐量性能與SRI-MAC接近,并遠(yuǎn)高于S-MAC,然而隨著載荷強度進(jìn)一步增大,RMAC的吞吐量性能迅速下降。SRI-MAC由于采用了多次邀請和迸發(fā)傳輸?shù)臋C制,使得節(jié)點能夠快速、高效、及時地將數(shù)據(jù)包向匯聚節(jié)點傳輸。當(dāng)載荷強度大于0.4 packet/s時,網(wǎng)絡(luò)吞吐量較S-MAC及RMAC增大近50%,性能最優(yōu)。

圖6　載荷變化時的吞吐量曲線

3.3　包傳遞率評估

圖7顯示了包傳遞率和載荷的關(guān)系。包傳遞率是仿真中匯聚節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包總量與節(jié)點7～14產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包的總和的比值。因為傳感器節(jié)點的緩沖隊列大小有限,當(dāng)載荷強度增大時,一方面數(shù)據(jù)包在傳感器節(jié)點積壓,節(jié)點無法及時將數(shù)據(jù)包傳遞給下一跳節(jié)點,導(dǎo)致節(jié)點的緩存溢出,數(shù)據(jù)包丟失;另一方面網(wǎng)絡(luò)中的競爭和沖突加劇,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡化,導(dǎo)致數(shù)據(jù)包在傳輸途中被丟失。從圖7可以看到,3個協(xié)議中,SRI-MAC獲得了最好的性能。因為協(xié)議所采用的多次邀請和迸發(fā)傳輸機制,一方面使得數(shù)據(jù)包能夠更均勻地分布在中繼節(jié)點中,提升了網(wǎng)絡(luò)的報文容量;另一方面縮小了數(shù)據(jù)包端到端的平均傳輸延遲,減小了數(shù)據(jù)包在節(jié)點上的積壓,使得網(wǎng)絡(luò)在相同時間內(nèi)能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)包。從圖7可以看到當(dāng)載荷強度小于0.28 packet/s時,SRI-MAC與RMAC的包傳遞率均為1,即所有數(shù)據(jù)包都順利被匯聚節(jié)點接收了,而S-MAC在0.14 packet/s后包傳遞率就急劇下降了;當(dāng)載荷強度大于0.28 packet/s后,RMAC的包傳遞率急劇下降,到0.36 packet/s時,接近于S-MAC,而SRI-MAC的包傳遞率明顯優(yōu)于RMAC。

圖7　載荷變化時的包傳遞率曲線

3.4　能耗評估

平均能耗是總的能量開銷與總的節(jié)點數(shù)目的比值。圖8顯示的是平均能耗和載荷之間的關(guān)系。因為實驗中每個源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)目是固定的,所以當(dāng)載荷強度小時,網(wǎng)絡(luò)需要更多的操作周期來完成所有數(shù)據(jù)包的傳輸,在沒有數(shù)據(jù)包需要傳輸?shù)臅r候,空閑偵聽導(dǎo)致了能量消耗。隨著載荷強度增大,發(fā)生空閑偵聽的操作周期減少,工作效率提高,所以3個協(xié)議的平均能耗都降低了。隨著載荷強度的增大,SRI-MAC的能耗低于RMAC,RMAC的能耗要低于S-MAC。這是因為,RMAC采用預(yù)約的方法使一個數(shù)據(jù)包在單個周期內(nèi)能夠進(jìn)行多跳傳輸,使數(shù)據(jù)包能更快地傳輸,縮短傳輸全部數(shù)據(jù)包需要的工作周期,從而節(jié)約了能量。SRI-MAC由于采用了多次邀請和迸發(fā)傳輸機制,充分利用了信道資源,使得緩沖的數(shù)據(jù)包能夠迅速均勻地向匯聚節(jié)點傳輸,當(dāng)載荷強度大于0.4 packet/s時,較S-MAC及RMAC節(jié)約能耗分別約58%和37%。

圖8　載荷變化時的能量消耗曲線

4　結(jié)論

本文提出了一種新穎的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制層協(xié)議SRI-MAC。SRI-MAC通過多次邀請機制,在單個周期內(nèi)使父節(jié)點具備從多個子節(jié)點獲取數(shù)據(jù)包的能力,增強了父節(jié)點對傳輸?shù)目刂颇芰?本質(zhì)上減少了子節(jié)點間競爭。此外,協(xié)議采用了迸發(fā)傳輸機制,使得父節(jié)點可以在一次通訊中連續(xù)接收多個數(shù)據(jù)包。仿真結(jié)果表明,SRI-MAC極大地提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量和信道的利用率。

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