基于802.11 MAC協議的無線傳感器數據流優先級模型

李靖平

(黎明職業大學 信息與電子工程學院，福建 泉州 362000)

802.11 MAC協議是保證無線傳感器網絡高效傳輸的重要協議.查閱文獻資料，發現MAC協議自身還有不足之處，具體應用到WSN網絡內，這種問題暴露得更加明顯，這種不足對于WSN網絡的推廣和業務的發展是極為不利的[1].

本文針對以上面臨的問題，創造性地提出了新控制分組概念，對于機制的驗證方面，文章運用數據分析模型進行驗證性實驗，對于能耗對比還建立了相關的模型.

1 區分服務的MAC機制簡介

無線傳感器網絡有眾多的結構和變異種類，本文討論的是單挑簇狀式的網絡結構，該網絡是由最簡單的簇頭、感知節點兩部分組成，并作如下假設：

(1)在半徑為R的圓內平均的分布有N個節點，M代表簇頭的數目，為了簡單，假設簇頭和感知兩種節點的類型是一樣的，那么節點的綜述可以表示為N/M，其中簇頭數目是1，感知節點數目是N/(M-1)；(2)數據采集過程中，每個周期采集到的信息量是k比特，采集后再把這些信息傳到簇頭，簇頭負責將收集上來的信息匯總，再發送出去(一般是基站)；(3)由于基站自身的能量供應是充足的，接收過程中的能耗基本上為0.具體的網絡模型如圖1所示：

下文的討論和方案提出都是基于圖1這種簡單的網絡模型.為了使MAC協議適應WSN網絡需要，在原有802.11 MAC協議的基礎上進行了改進和完善，提出改進的控制分組概念，對發送來的數據業務流進行區分通過目的節點來完成，目的節點可以隨著網絡變化而動態調整接收情況和數量，這在很大程度上節約了單個節點的資源，對業務的區分也得以實現.

當節點有傳輸信息的需要時，第一要務就是把各個組按照事先約定的法則進行打標編號.在目的節點一端，引入處理低優先級業務的拒絕服務組，基于這個結構目的節點就能夠對低優先級的業務有所拒絕[2].在目的節點拒絕了發送的低優先級業務組后，會自動把這個情況向發送節點報告，源節點通過自身的算法產生隨機的計數，在合適的時機重新發送.假設目的節點對于低優先級拒絕的概率是Pr，即由于網絡或者目的節點不接受重傳的次數是L1次，則有如下公式：

(1)

2 基于區分服務的數學模型

2.1 基于馬爾科夫鏈的模型

本文將數據流分為Real-Time(實時流，簡稱為RT)和Best-Effort(非實時流，又稱為最大可能性數據流，簡稱為BE)，建模中，把RT和BE兩種模型分別設置為0和1，優先級的類別用i表示[3].

假設Pi,c是沖突發生可能性，Pi,b代表在退避期發現信道沒空閑概率.Pr定義同上，Pi代表發送失敗的概率，所以有：

P0=P0,c

(2)

P1=1-(1-p1,c)(1-pr)

(3)

傳輸第i類簇頭時，設sit代表t時刻處于退避過程中，bit代表時刻t的技術值，那么可以推導出：

(4)

在模型的建立過程中，(1)中L1用低優先級重傳均值替代，可以有下式：

(5)

(6)

再假設，Mi是數據流i的分組簇頭數，那么就有：

p0,b=1-(1-τ0)M0-1(1-τ1)M1

(7)

p1,b=1-(1-τ0)M0(1-τ1)M1-1

(8)

p0,c=1-(1-τ0)M0-1(1-τ1)M1

(9)

p1,c=1-(1-τ0)M0(1-τ1)M1-1

(10)

2.2 吞吐量的定性分析

假設一個分組處于發送過程的概率是Ptr，Pi,s代表某類分組占用信道概率，任何分組占用信道概率可表示為Ps，那么就有：

ptr=1-(1-τ0)M0(1-τ1)M1

(11)

p0,s=n0τ0(1-τ0)M0-1(1-τ1)M1

(12)

p1,s=n1τ1(1-τ0)M0(1-τ1)M1-1

(13)

ps=p0,x+p1,s

(14)

2.3 分組在信道內丟棄概率

分組丟棄是因為退避計數器溢出，再發送則遭到拒絕.設Pi,drop是第i個數據發生丟棄的概率，那么就有：

(15)

3 基于區分服務模型性能分析

上述章節對于區分服務的建模過程已經進行了詳細分析，接下來本節將對以上提出的改進過的MAC層協議性能進行驗證，在驗證過程中運用了數學分析的方法，選用參考文獻[3]的參數假定.設節點數目是200，M從10初始，另外在MAC層中，發送M0=M1=0.5M的同樣大小分組.

針對實時流和非實時流進行模擬測試，結果如圖2.結果證實，本文提出的新分組方式可以提高RT流帶寬占用，隨節點增加更加明顯.機制改進吞吐情況如圖3所示，由圖可以看到，隨節點數的增長，帶寬損失幅度明顯下降.

圖2 實時流和非實時流飽和吞吐量分析

圖3 改進前后吞吐量對比

4 基于區分服務模型能量分析

4.1 基于first order的能量模型

Heinzelman在無線傳感器網絡能耗方面，吸收電磁和電路能量消耗的相關理論成果，制定了網絡能耗的相關模型，本文的能量分析選用的就是first order模型.接下來，將按照選用WSN挽留過模型對能量模型進行建模[4].

(1)感知節點能耗建模．在單跳簇狀網絡結構中，在一個時間周期，感知節點把采集到的數據只發給簇頭，假設是k，那么其發送的能耗可以用下式表示：

(16)

其中，dto_ch代表的是感知節點和簇頭節點之間的距離.

(17)

由于在上述討論中，節點的分布是均勻的，那么有

ρ=1/((πR2)/M)，代入上式得到：

(18)

由此，在后續能耗分析過程中的dto_ch都用R2/2M來表示.

(2)簇頭節點能耗建模．如前所述，簇頭節點負責把感知節點的數據傳送給基站.一個簇有一個簇頭和N/(M-1)個感知節點[5]，那么，簇頭節點在一個時間周期就要接收以上節點發來的數據，假設k比特，簇頭把收到的數據匯聚后傳給基站，所以它的能耗就可以表示為如下形式：

ECH_head(k)(N/M-1)×ERX(k)+(N/M-1)×
Egother(k)+ETX_BS(k,dto_bs)

(19)

其中，ERX(k)是采集感知節點消耗的能量，k是融合每個包需要的能量，ETX_BS是發送數據消耗的能量.為了模型的簡單，本文假設簇頭接收的數據包均可以匯聚為1個包.

(3) 總能耗模型．單個簇的總能耗分為感知節點能耗和簇頭節點能耗兩部分，那么由(1)和(2)中對兩類能耗的建模分析可以得出：

Ecluster(k)=ECH_head=(N/M-1)×ETX(k,d)

(20)

在無線傳感器網絡中，簇的數量是M個，那么整個網絡的能耗為：

ENECC(k)=M×Ecluster

(21)

結合公式(18)，本文選用模型在一個時間周期內，每個比特成功傳送所需要的能耗為：

ENECC_bit=ENECC(k)/(k×PSUCCESS(K))

(22)

其中，PSUCCESS(K)=1-Pi,drop.

4.2 單跳簇狀網絡能耗分析

測試基于AWGN信道、BPSK調制模式，假設發射天線(ht)高1m，接收天線(hr)高2.5m，頻率是1GHz，那么波長就是λ=c/f=0.3m,基站dc=33m，節點數200，分布的半徑R=100m，簇頭與基站之間dto_bs=125m，其余的借鑒文獻[3]中參數的設置.

實時流和非實時流兩種數據的能耗對比如圖4所示.由圖中曲線可以看出，兩種數據的能耗都隨著節點數目的增多而線性增加.簇頭節點較少時，兩種數據能耗差別較大，此時實時流的帶寬占用較多，但是仍然低于非實時流的能耗花銷，簇頭節點數目越多，兩種數據的能耗逐漸縮小，等接近200個節點時，這種差別幾乎沒有了.

圖4 實時流和非實時流能耗分析

改進后的能耗情況如圖5所示.隨著節點增加，總能耗呈上升，但幅度并不大.數量較少時，改進機制的能耗隨節點數量增多差別越來越模糊.所以，本文提出的機制較適用節點數多的復雜網絡.

圖5 改進后的能量消耗情況對比

5 結論

無線傳感器的應用越來越頻繁，但其自身不能區分出數據的優先級，本文提出引入新控制分組的概念，改進了原有的802.11 MAC機制，高優先級業務順利通過同時還抑制了能耗水平.

運用數學分析的方法，對提出的新機制進行驗證，驗證結果表明該機制對于保證高優先級業務占用多的帶寬資源具有非常明顯的效果，減少了實時性業務丟包的可能性.文章最后還

對改進的新機制能耗情況進行了驗證，結果表明高優先級由于占用了較多帶寬，其能耗在較少數目節點的網絡中是高于低優先級能耗水平的，但是隨著網絡規模擴展、節點數目增加，這種差別越來越小，這也充分證明，文中提出的機制更適用于節點數較多的WSN網絡.

參考文獻：

[1]鄒復民，蔣新華，王桐森，等.一種基于榕樹型拓撲的鐵路無線Mesh網絡結構[J].鐵道學報,2010,3(2):47-48.

[2]鄭國強，孫若玉，李濟順，等.一種適用于無線傳感器網絡的跨層高校MAC協議[J].傳感技術學報,2009,22(1):95-99.

[3]STREAM M, KATZ H. Measuring and reducing energy consumption of network interfaces in Hand-Held devices[J].IEICE Transactions on Communications. Special Issue on Mobile Computing, 1997, ES0-B(8)1125-1131.

[4]李瑞芬，李仁發，羅娟，等.無線多媒體傳感器網絡MAC協議研究綜述[J].2008,29(8):111-123.

[5]徐其飛.無線傳感器挽留過差錯控制技術研究[D].南京：南京理工大學,2008.