一種基于中繼節點的線性無線傳感器網絡數據收集MAC協議*

戴國勇,苗春雨,毛科技,王 凱,陳慶章*

(1.浙江工業大學計算機科學與技術學院,杭州 310023;2.浙江樹人大學信息科技學院,杭州 310014)

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一種基于中繼節點的線性無線傳感器網絡數據收集MAC協議*

戴國勇1,2,苗春雨1,毛科技1,王 凱1,陳慶章1*

(1.浙江工業大學計算機科學與技術學院,杭州 310023;2.浙江樹人大學信息科技學院,杭州 310014)

MAC協議對于無線傳感器網絡的能效是至關重要的。針對線性無線傳感器網絡設計了一個基于中繼節點的數據收集MAC協議SLDMAC。源節點向匯聚節點發送數據時,引入節點能耗因子和剩余能量均衡因子兩個參數,通過優化這兩個參數,選擇合適的中間節點進行中繼,從而提升網絡的性能。實驗結果表明:與DMAC協議相比,SLDMAC協議提升了網絡的能效和生存周期。

無線傳感器網絡;線性拓撲;MAC協議;低能耗;中繼

無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)是物聯網的重要基礎之一,具有非常廣泛的應用場景,如災難救助、環境監測、交通監測、城市基礎設施監測等[1-3]。WSN通常由大量具有無線通信和計算能力的傳感器節點以無線、多跳、自組織的形式構成。由于WSN常常工作在野外等無人值守的環境中,而節點又是由一次性電源供電的,因此當節點電源能量耗盡時很難為它更換電源,這就意味著節點電源能量耗盡時,節點就會失效,這將直接影響到WSN的生存期。所以,節能管理是WSN研究領域中的一項重要研究內容。

介質訪問控制協議——MAC協議(Medium Access Control Protocol)是WSN中節點通信的基礎,WSN中的無線信道使用方式及資源分配由相應的MAC協議決定,在MAC層研究如何有效減少冗余數據的傳輸、降低網絡總的數據傳輸量,設計一種高能效的MAC協議,對于節省節點能耗、延長網絡的生存期具有重要意義。

目前,關于MAC協議的研究已經很多,也提出了許多MAC協議,例如:S-MAC[4],T-MAC[5],DMAC[6]等。這些協議主要有的沿用傳統無線網絡或Ad hoc網絡的MAC協議設計方法,有的也考慮了WSN網絡的數據特性,但值得注意的是,這些協議都是考慮節點隨機部署而未針對特定的網絡拓撲結構而設計。事實上,在WSN的應用領域中,許多應用場景的節點網絡拓撲結構是線性拓撲結構或者說是近似線性拓撲結構。例如:高壓輸電線路在線監控、路燈節能監控、高速公路流量監控、河流或管道水質監控等。這些監測區域都是狹長型的,相比于傳感器節點通信距離小的特點,可以認為這些區域是直線型的。我們把這種傳感器節點分布具有線性拓撲結構的網絡稱為線性傳感器網絡,它是無線傳感器網絡中的一種常用模型。線性無線傳感器網絡與傳統的WSN相比,監測數據一般要經過更多的跳數才能到達匯聚節點[7]。由于線性無線傳感器網絡的獨特性,傳統的無線網絡MAC協議直接應用在線性無線傳感器網絡中可能會存在能耗高、傳輸效率低等問題。而目前針對線性無線傳感器網絡的MAC協議研究尚不多見。因此,本文主要研究具有線性拓撲的無線傳感器網絡中的高能效的MAC協議,與現有的MAC協議相比突出其線性網絡拓撲結構的適應性。本文的主要貢獻在于:①研究了線性無線傳感器網絡的特點、拓撲結構,在單個節點能耗模型[8]的基礎上分析線性WSN中節點數據傳輸的能耗;②分析了線性無線傳感器網絡中數據收集是中繼節點的選擇對傳輸能耗的影響,在DMAC協議[6]的基礎上考慮了單個傳感器節點剩余能量以及傳感器節點之間剩余能量的平衡,提出了一種線性傳感器網絡數據傳輸中繼節點選擇算法,從而節省傳輸能耗;③將線性傳感器網絡中的節點劃分層次,并基于節點的層次關系提出了一種線性傳感器網絡中節點休眠/喚醒階梯調度機制,進一步節省傳感器節點空閑偵聽的能耗。

本文剩余章節安排如下:第2節介紹WSN中MAC協議設計相關工作,第3節詳細介紹我們提出的SLDMAC協議,第4節描述我們在MATLAB平臺下仿真SLDMAC協議的性能及相關分析討論,第5節是對全文的總結。

1 相關工作

關于MAC協議的研究很多,也非常廣泛,而無線傳感器網絡中的MAC協議的研究則主要關注降低傳感器節點的能耗、延長網絡生存時間[9]。

CMAC協議[10]是一種異步的協議,避免了同步開銷。CMAC在網絡沒有數據要傳輸時允許節點以低占空比運行,當承載數據流量時,首先使用Anycast喚醒轉發節點,然后逐步收斂到最優路由。李哲濤[11]等人提出了基于預測機制的異步無線傳感器網絡MAC協議(PB-MAC),該協議中發送節點能夠精確預測接收節點的喚醒時間,根據預測重建連接和數據重傳機制,從而降低了占空比,避免沖突,實現高效重傳。胡玉鵬[12]等人提出了一種無線傳感器網絡節點緩存-喚醒-轉發的異步通信模式,允許發送節點直接向睡眠的接收節點上的低功耗異步模塊寫入數據,單個節點僅按照自身的時間喚醒并進行數據通信,無需同步機制,與傳統同步通信相比延長了網絡的生存期。AGQ-MAC[13]采用GridQuorum組分配信道,動態調配Quorum比率得到節點的最優占空比,并在鄰節點發現過程中采用雙前導序文抽樣來監測信道狀態,減少節點喚醒時間,提高能效。

DMAC[6]是一種樹狀網絡數據收集協議。該協議針對樹狀層次型無線傳感器網絡,根據節點所在的層數,對不同層之間的節點數據收發進行交錯的調度,使得節點的數據傳輸從葉子節點開始逐層的向根節點方向進行。DMAC利用網絡節點間的層次關系作為調度的準則,給出了樹狀網絡的數據低功耗傳輸方法。同時,它并沒有考慮到流量可變的情況,當網絡中需要發送數據的節點個數較少時,大量節點會產生因為等待下層節點的數據發送而造成的多余的喚醒時間,造成不必要的空閑偵聽。馬濤[14]等人針對層次模型的無線傳感器網絡中骨干層的MAC協議進行研究,提出了GBN-MAC協議,傳感器節點根據收到的請求發送幀以及分片數據幀進行休眠調度使節點適時休眠降低能耗。劉云璐[15]等人針對樹狀結構的無線傳感器網絡提出了對CSMA/CA協議的優化算法,將節點在樹狀結構中的位置信息用于調整其MAC信道接入分配,改變了CSMA/CA原有的各個幾點均等競爭信道的方式,減少了信道資源的浪費,提高了網絡傳輸效率。

SEMAC協議[16]針對大規模無線傳感器網絡中監測數據具有空間相關性和冗余傳輸的問題,利用信號強度優先的節點篩選策略,減少發送數據的節點,減少網絡冗余傳輸,從而降低網絡能耗,提高網絡吞吐量。

Zhao Y Z等人提出了AS-MAC協議[17]在節點工作周期中引入了自適應調度,節點的激活期根據可變的流量負載決定,靈活調度休眠期與激活期。即網絡流量負載小的時候節點及時進入休眠期,節省能量,網絡流量負載大的時候進入激活期,快速傳輸數據,減少延時。智能混合IH-MAC協議[18],結合了CSMA和TDMA的優勢,根據網絡負載情況動態調整調度方式,同時采用并行傳輸,以獲得更高效的傳輸。

上述現有的無線傳感器網絡中的MAC協議分別關注異步通信優化占空比、層次型網絡的適應性、流量負載自適應等方面,在不同程度上都節省了節點的能耗,能夠有效延長網絡生存期。但是這些協議基本上是針對網狀不規則拓撲結構的。本文所做工作與上述文獻最大區別在于針對線性拓撲結構的無線傳感器網絡設計MAC協議,提升網絡性能、提高節點的能效。

2 基于中繼節點的數據搜集MAC協議:SLDMAC

2.1 網絡及能耗模型

考慮如圖1所示的網絡結構,共有n個傳感器節點呈線性分布,匯聚節點位于線性網絡的一端。設置傳感器節點集V={v1,v2,…,vn-1,vn},匯聚節點為S,節點編號越小越靠近匯聚節點,任意兩傳感器節點vi與vj之間的距離為di,j。這里我們假設節點集中所有節點完全相同,具有相同的初始能量、傳輸距離和能耗模型,并且能夠根據不同傳輸距離調整發射功率。傳感器節點采用確定的部署方式,可以按照精確位置進行安裝。

圖1 線性無線傳感器網絡模型

采用廣泛使用的節點能量消耗模型[8],當節點i發送給節點j長度為l(bit)的數據時,節點i消耗的能量為:

(1)

節點j消耗的能量為:

Er_j=lc2

(2)

其中,c1為發射機基帶電路能耗參數,c2為接收機電路能耗參數,a為發射機放大電路能耗參數,α為路徑衰減指數,取值為2到4間的整數。令c=c1+c2,可得總能量消耗為:

(3)

根據節點能耗模型,考慮節點A發送數據給節點D,A和D間距離AD=d的情況。設節點B為節點A、D之間的節點,AB=x,則我們有以下結論:當d≥(c/a(1-21-α))1/α時,存在節點B,使得A將數據通過B傳輸給D所消耗的能量EABD小于A直接將數據傳輸給D所消耗的能量EAD。(證明略)

考慮更為一般的情況,節點A將數據傳輸給節點D,A、D間距離AD=d滿足d≥(c/a(1-21-α))1/α,求解滿足最小能量消耗傳輸的中繼節點選擇方案。求解如下:

假設A、D間通過n-1個中繼進行數據傳輸,將傳輸線路劃分成長度為x1,x2,…,xn的n段,則數據通過這n段從A傳輸到D的能量消耗為:

(4)

利用拉格朗日乘數法可得,當x1=x2=…=xn=d/n時,函數f取得最小值。即選擇中繼以保證數據在A、D間以相等的距離進行多跳傳輸時,消耗的能量最小,將其代入式(4),得:

f(x1,x2,…,xn)=adαn1-α+nc=k(n)

(5)

由上述可得,節點A將數據傳輸給節點D,A、D間的距離AD=d滿足d≥(c/a(1-21-α))1/α時,選擇在數據流方向上距離A為kd0(k=1,2,3,…)的節點作為中繼節點,即將數據以d0為單跳距離沿著AD的方向多跳傳輸,網絡整體消耗的能量最少,將d0稱為最佳中繼轉發距離。

2.2 協議的基本思想

在線性拓撲的網絡中,若兩通信節點間的距離太大,盡管它們之間可以直接通信,但這會消耗大量的能量,需要合理的在它們兩者間的路徑中選擇中繼節點將數據以多跳的方式進行傳輸,以減少能量的消耗。并且,若以最佳中繼轉發距離d0為單跳距離選擇中繼節點,通信能耗最低。線性網絡拓撲決定了當數據上傳時,數據流的方向總是從遠離匯聚節點的節點以單跳或者多跳的方式向靠近匯聚節點的節點傳輸,最后傳輸給匯聚節點。借鑒DMAC協議,可以把這個數據傳輸看作是一個從下往上的鏈狀數據收集過程,整個網絡中有數據需要發送的節點組成一條線性的數據收集鏈,數據傳輸在這些節點間由下游節點往上游節點進行。因此,在每一輪節點數據上傳中,為了提高效率,可以按照這個數據收集鏈中節點的層次安排其休眠/喚醒時間,使得待發送節點只有在接收到數據收集鏈中與其相鄰的下游節點發送過來的數據后,將自己的數據與接收到的數據組成在一起,再將組合后的數據發送給數據收集鏈中與其相鄰的上游節點。

由于網絡流量可變的特點,并不是在每個周期所有節點都有數據需要發送,因此,在進行數據傳輸時,為了避免其余節點因空閑偵聽消耗不必要的能量,可以利用這些需要發送數據的節點組成數據收集鏈,使數據傳輸僅僅在這些節點之間按照線性數據收集方法進行數據傳輸。同時,由于在大部分應用中大多數時間內節點都不需要發送數據,這就會造成在很多時刻利用上述數據收集鏈進行數據上傳時相鄰兩個需要發送數據節點之間的距離過遠。根據上文所述,這兩個節點間進行直接的數據傳輸會造成過多的能量消耗,需要在這兩個節點間進行中繼節點選擇,將這些中繼節點加入到數據收集鏈中以利用中繼將數據在這兩個節點間進行多跳傳輸,以降低整個網絡因本次數據傳輸消耗的能量。

我們設計的SLDMAC協議的基本思路是:整個網絡以T為工作周期周期性的工作,每個工作周期分為以下3個階段,如圖2所示。

圖2 SLDMAC協議流程

①發送請求階段。用于通知匯聚節點在本周期中需要發送數據的傳感器節點,由一系列的時隙組成,這些時隙都預先分配給每個傳感器節點。因此,發送請求階段的長度取決于本網絡中傳感器節點的數目,并且時隙與傳感器節點一一對應。若節點有數據需要發送,它總是休眠并等待屬于自己的時隙,當等到時隙后喚醒,以單跳的方式發送1位的控制信息給匯聚節點。匯聚節點接收到某個節點的控制信息后就知道該節點有數據需要發送,將其設置為發送節點,當發送請求階段完成后,匯聚節點就獲得了在本周期有數據需要發送的節點集,即發送節點集,設置為Vs。

②集中處理階段。集中處理階段是一段較短的時間,可分為兩個子階段:第一個子階段匯聚節點在獲知所有發送節點后,利用中繼選擇算法選擇中繼節點;第2個子階段匯聚節點根據協議中設計的線性數據收集鏈節點階梯休眠/喚醒調度機制,為本周期中的發送節點和中繼節點設置調度信息,并在這個階段的末期通過廣播調度信息通知各傳感器節點。由于這些操作是通過匯聚節點集中式處理的,因此持續時間很短,同時所有傳感器節點在集中處理階段時都處于休眠狀態,僅僅在廣播期內喚醒以接收調度信息。

③數據上傳階段。該階段將本周期內的發送節點和中繼節點組成本周期內的線性數據收集鏈,對鏈中的節點進行階梯狀的休眠/喚醒調度,將數據上傳給匯聚節點。該階段的總長度為所有傳感器節點都需要進行休眠/喚醒調度的時間,由于網絡中發送節點數量可變,若并不是所有節點都需要喚醒調度,則該階段在節點調度時間后會剩余一定的空閑時間,該時間內所有節點都處于休眠狀態。

2.3 中繼節點選擇

由2.1節可知,當兩相鄰發送節點間的距離大于dt時,以最佳中繼轉發距離d0選擇中繼,能使數據以最少能耗在這兩個相鄰發送節點間傳輸。然而,一方面若一直以d0選擇中繼,極有可能會導致那些被選擇為中繼的節點的能量消耗過快,從而成為網絡的瓶頸;另一方面,并不能保證每個節點都以d0的距離分布。因此在相鄰兩發送節點間選擇中繼時需要設計中繼節點選擇算來并綜合考慮能量消耗和能量負載平衡。

首先計算選擇不同的中繼對數據傳輸能量消耗的影響。考慮節點A將數據傳輸給目的節點D的情形,若A在發送數據時需要選擇中繼,則在其0到2d0的距離范圍內必須選擇中繼節點,否則這一跳必然會多消耗能量。假設選擇的中繼R在距離A的x處,計算相比較于R在d0處的最少傳輸能量消耗,至少需要多消耗的能量,定義為ΔE,以下分兩種情況計算ΔE。

①若x

②若d0

同時,利用鄰居節點剩余能量的均方差對節點的局部能量均衡進行定量的計算,假設節點A在其0到2d0的距離范圍內共有k個鄰居節點,它們的剩余能量分別為E1,E2…Ek,節點A的剩余能量為E0,定義能量平衡因子φ如下:

(6)

其中Ea為A及其鄰居節點的剩余能量的均值。φ越小,表示A及其鄰居節點的剩余能量的方差小,即它們的剩余能量與平均能量之間的波動幅度就小,因此,它們之間的剩余能量就越均衡。

根據以上所述,當節點A在進行中繼節點選擇時,需要綜合考慮選擇中繼節點對數據傳輸能耗和局部能量負載均衡的影響。設置能耗影響因子δ=ΔE2,通過δ對不同中繼選擇方式下的數據傳輸能耗進行評估,并結合式(6),將δ和φ相加,利用δ+φ對中繼選擇的能耗影響和能量負載平衡進行綜合評估。即:

(7)

ε綜合包含了中繼選擇的能耗和能量負載均衡的影響,并且將這兩者都從對理想值的波動的角度展現出來,具有衡量的一致性,能夠有效的結合能耗影響和能量負載平衡這兩個角度,對中繼節點的選取做出良好的判斷。

對于某個單一節點,當在其數據發送方向范圍0到2d0的鄰居中進行中繼節點選擇時,其選擇算法總是選擇經過轉發后ε最小的那個節點作為中繼節點。例如節點A在其2d0的距離內選擇中繼時,共有k個鄰居,A及其他們的目前能量分別為E0,E1,E2…Eu…Ek。假設選擇某個鄰居u,則A需要將數據傳輸給u,并假設u以最佳距離d0將數據轉發出去,因此,在選擇節點u作為中繼后,A及其鄰居節點剩余能量更新為E0-Et,E1,E2…(Eu-Er-Ed0)…Ek,其中Et為A消耗的發送能量,Er為接收數據消耗的能量,Ed0為u通過d0距離將數據轉發消耗的能量。根據剩余能量,可計算通過u作為中繼轉發后的局部能量均衡因子φu。同時根據A與u之間的距離,可以計算δu,因此可計算得通過最終的εu。通過對A鄰居的k個節點計算不同的ε,選擇具有最小的ε值的那個節點作為中繼節點。

在中繼選擇階段,設置中繼節點集Vr,設計中繼節點集Vr選擇算法。基本思想為:在相鄰的兩發送節點A、B之間的鏈路選擇中繼時,從A節點開始,先在數據發送方向距離A2d0的距離范圍選擇中繼節點,設為R,然后從R開始,在R、B之間的鏈路繼續執行中繼節點集選擇算法。算法具體步驟為:①在初始階段,設置Vr為空,并且復制發送節點集Vs的節點到Vss;②遍歷節點集Vss。選擇兩個相鄰節點對(VssiVssj),并確定這兩個節點間的鏈路并沒有被選擇過。若不存在滿足目標的相鄰節點,則說明Vr選擇完畢,退出算法;③若|VssiVssj|2d0,根據上述算法在Vssi的0到2d0的距離范圍選擇一個中繼節點R,將R加入到Vr中,同時,將節點R放入節點集Vss中,標記Vssi與R之間的鏈路已經過選擇,返回步驟②。

2.4 線性數據收集鏈節點階梯調度

節點集Vs+Vr內的節點需要在數據上傳階段喚醒進行數據傳輸,它們組成了本周期內的線性數據收集鏈,數據從離匯聚節點最遠端的節點單向流往匯聚節點。在數據收集鏈中,用層來表示各個節點間的關系,將離匯聚節點最近的節點層數設置為1,若節點n與匯聚節點之間有n-1個節點,則其層數為n。

在線性數據收集鏈中,總是由最高層的節點先喚醒發送數據包,其余層次節點在接收到來自于比自己高層的節點數據包后,再將自己的數據放入該數據包并將其發送給與自己相鄰的低層節點。對于鏈中的某個節點,只需要在屬于自己的數據收發時間內喚醒,在其余的時間內休眠。設置節點進行數據收發的時間為T,將T分為兩部分,分別為接收時間RX和發送時間TX,T=RX+TX。RX時間段內節點接收高層節點發送給自己的數據,TX時間段內將融合有自身數據的數據包發送給自己相鄰的低層節點。對于任意兩個相鄰的節點i和i-1,對應于它們的層數分別為i和i-1層,設計它們的數據收發時間Ti與Ti-1相鄰,節點i的發送時間段TXi和節點i-1的接收時間段RXi-1重合,并且這兩者的時間段相同,TXi=RXi-1。為了保證節點在TX或者RX時間段內能完整的收發最大的數據量,設置這兩段時間為數據包滿載荷下的一次數據發送時間。

圖3 節點階梯調度

因此,在線性數據收集鏈中,從最高層節點開始喚醒,其余節點根據所在層次進行階梯狀的休眠/喚醒調度,直到數據遍歷每個節點到達匯聚節點,節點階梯調度如圖3所示。可見,在此調度中,每個節點不但避免了數據在其他節點間傳輸時自己的空閑監聽,而且避免了在屬于自己的數據收發時間段內不必要的空閑監聽,因此能量消耗達到最低。

3 仿真實驗及分析

3.1 實驗環境

本文采用MATLAB仿真平臺進行仿真實驗,傳感器拓撲結構為線性拓撲結構,整個網絡長度為500 m,假設有N(實驗中取4～20之間)個節點,則相鄰傳感器節點間的距離為(500/N)m,匯聚節點位于線性結構的一端。傳感器節點的發射功率可調,在最大功率情況下能夠保證任意兩個相鄰節點之間能夠直接通信,節點的最大通信半徑為100 m。路徑衰減指數α=2,典型的無線電參數如表1所示,仿真將使用這些參數,根據表中參數可以計算出對應的最佳中繼轉發距離d0=100 m。同時,設置傳感器節點初始能量為0.1 J,節點間發送一次滿載荷數據所需時間Tu=10 ms,在每個網絡周期,設置傳感器節點發送的數據長度為L=300位。

表1 仿真實驗系統參數取值

對于事件驅動型網絡,當某節點所在處的事件發生時,節點有數據需要發送。因此,定義網絡中各個節點的數據到達時間為它們所在處的事件發生時間,是指當節點在本周期發送數據后,距離下一次數據發送所需要的時間,即需要幾個周期。網絡中各節點的數據到達服從泊松分布,這是一個泊松事件流,泊松事件流的等待時間服從負指數分布。負指數分布,即若隨機變量X的概率密度函數為:

(8)

其中參數λ>0為常數,則X服從參數為λ的負指數分布,E(X)=1/λ,λ表示單位時間內某事件發生的次數。仿真中數據源采用的方式為:網絡中各節點的數據到達時間服從λ的負指數分布,數據到達時間的期望為1/λ,因此,可以通過調節λ的大小來改變節點數據到達率,即網絡流量的大小,并且這個網絡流量是服從指數分布的。

3.2 性能評價指標

本文主要設定以下3個性能評價指標:

①網絡能量消耗。網絡能量消耗是指網絡在工作一定時間后各傳感器節點消耗的總能量和,反映了無線傳感器網絡節點在運行該協議進行數據傳輸時的能量消耗情況,是衡量協議能耗的主要指標。

②網絡生命周期。網絡生命周期是指整個網絡從開始運行到第一個傳感器節點能量耗盡所經歷的時間,不僅衡量了協議的能耗,更進一步的體現了協議對網絡能量負載均衡的影響。網絡擁有較長的生命周期,說明節點數據傳輸協議消耗的能量在節點間比較均勻的分布。由于網絡是周期性的工作的,因此在衡量網絡生命周期時,以運行的周期數(或者輪數)來表示網絡從開始到第一個傳感器節點能量耗盡所經歷的時間。

③平均數據傳輸延遲。平均數據傳輸延遲是指網絡在一定工作時間內,各個傳感器節點的數據從產生到被匯聚節點接收所需要的平均時間。它反映了傳感器節點的數據傳輸給匯聚節點的延遲情況,是衡量協議對數據傳輸實時性影響的重要指標。假設在某個周期Ti內,共有Kj個節點需要發送數據,設節點j的數據傳輸給匯聚節點所需時間為tj,則網絡在工作n個周期后節點平均數據傳輸延遲可表示為:

3.3 實驗結果及分析

實驗將SLDMAC協議與不選擇中繼節點轉發的LDMAC協議以及DMAC協議進行比較。首先比較運行協議時,網絡的能量消耗、生命周期以及數據傳輸延遲隨著網絡節點個數增加的變化。為了保證3個協議在運行時網絡中不存在能量耗盡的節點,取協議運行時間為400個周期。網絡總長度為500 m,設計網絡節點個數從4到20逐漸增加,因而相鄰節點間距離從100 m開始逐漸減小。同時,考慮一般的情況,為了驗證協議在常規流量下的性能,假設網絡流量并不飽和但是事件發生率較高,取λ=0.3,即數據到達期望是3個周期。

圖4展示了網絡分別運行3個協議時,總能量消耗隨著節點個數增加的變化。從圖中可以看出,不管節點個數如何變化,SLDMAC相對于LDMAC能量消耗少,這是由于不管網絡情況如何,SLDMAC在每周期發送數據時合理的選擇了中繼,將全局能耗降低;當節點個數較多時,節點間距離變小,每個周期發送節點個數增加,因此需要中繼選擇的機會就變少,因此這兩者之間的能耗差距會變小。而相比于DMAC,SLDMAC消耗的能量也少,這有兩部分原因:一方面,DMAC將所有節點組成數據傳輸鏈,使得在每個周期數據傳輸時高于最高層發送節點層數的節點進行無謂的空閑偵聽;另一方面,隨著節點個數增加,節點間距離逐漸小于最佳中繼轉發距離,DMAC傳輸的數據經過網絡中節點會造成較大的相對于理想中繼轉發而多能耗的能量。而SLDMAC即避免了每個周期無關節點的空閑偵聽,又在數據傳輸時合理的選擇的中繼以減少相對于理想的中繼轉發所要多消耗的能量。隨著節點個數的增加,網絡中每個周期發送節點個數增加,3個協議的能耗都將增加。此時由于相鄰節點間的距離不斷減小,DMAC的能耗將大大增加,而LDMAC僅僅在發送節點間傳輸數據,發送節點是隨機的,因此DMAC的能耗將逐漸超過LDMAC。所以,隨著節點個數的增加,DMAC的能耗將成為最大,并且與其他兩個協議的能耗差距將不斷增大,而SLDMAC的能耗始終為最小。

圖4 能耗與節點個數的關系

圖5展示了網絡分別運行3個協議時,網絡生命周期隨著節點個數增加的變化。從圖中可以看出,無論節點個數如何變化,SLDMAC總是相對于LDMAC和DMAC具有最長的網絡生命周期,并且波動叫小。這是因為SLDMAC一方面通過中繼節點選擇減少了數據傳輸時網絡的整體能量消耗,另一方面又在中繼節點選擇時考慮了節點能量負載平衡的思想,避免了選擇那些能量即將耗盡的節點進行數據傳輸。而DMAC的數據傳輸需要經過所有節點,因此離匯聚節點最近的傳感器節點總是會消耗大量的能量而第一個耗盡,成為整個網絡的瓶頸,因此DMAC的網絡生命周期較短,并且當節點個數增加時,這種現象更為明顯。LDMAC由于在節點個數較少時消耗比DMAC多的能量,此時生命周期比DMAC短,但隨著節點個數增加,由于節點間距離的拉近和數據發送的隨機性,它的生命周期將介于上述兩協議之間。同時,隨著節點個數的增加,線性網絡跳數增多,那些靠近匯聚節點的傳感器節點的能耗將逐漸成為網絡的瓶頸,因此3個協議下的網絡生命周期都逐漸減少。特別是DMAC,由于離匯聚節點最近的傳感器節點為整個網絡的瓶頸節點,隨著網絡節點個數增加,其能耗將大大加劇,所以DMAC的網絡生命周期隨著節點個數的增加而大大降低。

圖5 生命周期與節點個數的關系

圖6展示了網絡分別運行3個協議時,數據傳輸延遲隨著節點個數增加的變化。從圖中可以看出,DMAC數據傳輸延遲最大,因為DMAC進行數據傳輸時需要經過每一個低于最高層發送節點的節點。而LDMAC只是在發送節點間進數據傳輸,因此數據傳輸延遲最小。SLDMAC由于根據發送節點的情況選擇了中繼節點,數據傳輸在發送節點和中繼節點集中進行,不需要經過所有節點,因而它的數據傳輸延遲介于DMAC與LDMAC之間。當節點個數小于7時,節點間距離大于或相近于最佳轉發距離,因此發送節點間的所有節點都會被選擇為中繼,這時SLDMAC與DMAC的數據傳輸延遲相同。隨著網絡中節點個數的增加,發送節點的個數增加,3個協議數據傳輸的延遲都將增大,特別是DMAC,由于它數據傳輸時需要經過每個低于最高層發送節點的節點,因此其數據延遲隨節點增加的速度要比另兩個協議的要快。

圖6 數據傳輸延遲與節點個數的關系

下面比較運行3個協議時,網絡的能量消耗、生命周期以及數據傳輸延遲隨著節點平均數據到達時間的變化。節點數據平均到達時間表達式為1/λ,考慮節點平均數據到達時間從1周期到10周期逐一增加的情況,此時即λ從1不等分的減小到0.1。根據網絡長度為500 m,節點最佳轉發距離d0=100 m,設計網絡節點個數為10的情況,相鄰節點間距離為50 m。

圖7展示了網絡在運行400周期時網絡能量消耗與節點平均數據到達時間的關系。從圖中可以看出,SLDMAC在節點平均數據到達時間變化的情況下能耗比DMAC和LDMAC都要低。隨著節點平均數據到達時間的增加,節點數據流量減小,3個協議下網絡能耗都隨著降低,但是SLDMAC相比較于其他兩個協議的能耗減少的更快,這是因為當發送節點個數少時,SLDMAC有更多的機會能夠通過中繼選擇來降低數據傳輸的能耗,而LDMAC將數據在發送節點間之間傳輸和DMAC將數據通過低于最高層發送節點的每個節點傳輸以及高于最高層發送節點的空閑偵聽都會消耗更多的能量。

圖7 能耗與節點平均數據到達時間的關系

圖8展示了網絡生命周期與節點平均數據到達時間的關系。從圖中可以看出,不管節點平均數據到達時間如何變化,SLDMAC比其余兩個協議有更長的網絡生命周期。當平均數據到達時間較小時,這時候網絡數據流量接近于飽和狀態,SLDMAC選擇中繼的機會較少,因此它和LDMAC、DMAC的性能較為接近。隨著平均到達時間的增加,網絡數據流量降低,3個協議下的網絡生命周期都增加,此時,在每個周期,SLDMAC就有很多機會能夠根據發送節點的情況來選擇中繼減少數據傳輸的能耗和均衡節點間的能量,因此它的性能有著很大的提升,而DMAC將受限于離匯聚節點最近的傳感器節點的能量瓶頸,LDMAC受限于遠距離間發送節點之間數據傳輸造成的過多的能耗,因此此時SLDMAC的性能將于LDMAC和DMAC提升的更快。

圖9展示了數據傳輸延遲與節點平均數據到達時間的關系。不管節點平均數據到達時間如何變化,由于DMAC的數據傳輸需要經過每一個低于最高層發送節點的節點,因此其傳輸延遲最大;SLDMAC由于選擇了中繼,數據延遲將大于LDMAC。當節點平均數據到達時間增加時,每個周期內發送節點減少,3個協議的數據傳輸延遲都會減少,而由于LDMAC是直接在發送節點間進行數據傳輸,因此其數據傳輸延遲減少的最明顯。

圖8 生命周期與節點平均數據到達時間的關系

圖9 數據傳輸延遲與節點平均數據到達時間的關系

4 結論

線性無線傳感器網絡具有非常廣泛的實際應用場景,本文根據線性無線傳感器網絡的特性,設計了一個基于中繼節點的數據搜集MAC協議SLDMAC。該協議考慮了節點向SINK節點傳輸數據時如何選擇最優的中繼節點以及階梯調度節點休眠狀態,提高傳感器節點的能效以及節點之間的能量平衡,從而延長傳感器網絡的生存期。中繼節點選擇過程中定義了兩個參數:節點能耗因子和節點之間剩余能量平衡因子,選擇中繼節點時綜合評估這兩個參數。我們在MATLAB平臺下對SLDMAC協議進行仿真,與DMAC、LDMAC協議進行比較。實驗結果表明,SLDMAC協議在線性無線傳感器網絡中具有更好的性能表現,更加適合線性無線傳感器網絡。

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戴國勇(1983-),男,講師,博士研究生,主要研究方向是無線傳感器網絡、網絡安全等;

苗春雨(1978-),男,副教授,博士研究生,主要研究方向是無線傳感器網絡、可信計算等;

陳慶章(1956-),男,教授,博士生導師,主要研究方向是無線傳感器網絡、分布式處理與協同工作等,qzchen@zjut.edu.cn。

AMACProtocolforDataGatheringinLinearWirelessSensorNetworkBasedonSelectiveRelayNodes*

DAIGuoyong1,2,MIAOChunyu1,MAOKeji1,WANGKai1,CHENQingzhang1*

(1.College of Computer Science and Technology,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310023,China;2.College of Information Science and Technology,Zhejiang Shuren University,Hangzhou 310014,China)

Medium access control(MAC)protocol is of paramount importance for energy efficiency in wireless sensor networks.An energy efficient MAC protocol SLDMAC is designed for data gathering in linear wireless sensor networks.In order to enhance the performance,when a source node transmits data to the Sink,proper relay nodes are selected for forwarding data according to the energy consumption factor of individual node and residual energy balance factor.Some simulation experiments are conducted and the results show that,SLDMAC provides better energy efficiency and long lifetime than the existing DMAC protocol.

WSN;linear topology;MAC protocol;low-energy consumption;relay nodes

項目來源:國家自然科學基金面上項目(61379023);浙江省自然科學基金項目(LY12F02036);浙江省大學生科技創新活動計劃(新苗人才計劃)項目(2013R403064)

2014-04-03修改日期:2014-06-07

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.016

TN915

:A

:1004-1699(2014)07-0939-09