低占空比無線傳感器網絡同步MAC協議最優信標間隔分析

邢宇龍　陳永銳　易衛東　段成華

(中國科學院大學電子電氣與通信工程學院　北京　100049)

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低占空比無線傳感器網絡同步MAC協議最優信標間隔分析

邢宇龍陳永銳易衛東段成華

(中國科學院大學電子電氣與通信工程學院北京100049)

(xingyulong11@mails.ucas.ac.cn)

能量效率是無線傳感器網絡協議設計的首要考慮因素.無線傳感器網絡中，介質訪問控制層(medium access control, MAC)協議通過降低節點的占空比來降低網絡能耗，延長網絡的生命周期.相比其他MAC協議，盡管同步MAC需要周期性分發信標來保持嚴格的時間同步，但卻在數據傳輸方面具有更高的能量效率.信標間隔的長短直接影響同步MAC能量效率的高低.一方面，較短的信標間隔導致較高的同步開銷；另一方面，由于時鐘漂移的影響，較長的信標間隔會引起較大的保護時間，從而導致空閑偵聽能耗的增加.因此，同步開銷和空閑偵聽這2部分能耗之間存在一個最優折中.分析了低占空比無線傳感器網絡同步MAC的最優信標間隔問題，提出了一種采用最優信標間隔的TDMA MAC協議(Opt-TDMA).實驗表明：Opt-TDMA的能量效率優于非最優信標間隔的TDMA協議和同步MAC協議SCP-MAC.

信標間隔；同步MAC協議；低占空比；能量效率；無線傳感器網絡

能耗是無線傳感器網絡介質訪問控制層(medium access control, MAC)協議設計的首要考慮因素.在無線傳感器網絡中，能耗最高的部分來自于節點的射頻通信[1-2].因此，降低節點射頻工作占空比(duty cycle)成為MAC協議延長網絡生存期的有效途徑[3].

射頻能耗除數據收發以及其他控制開銷外，還包括空閑偵聽、串聽、碰撞等不必要的額外開銷.其中，空閑偵聽能耗所占比重最大.減少空閑偵聽能耗最有效的辦法就是降低節點的占空比.根據文獻[4]的定義，節點占空比指的是節點處于活躍狀態的持續時間和1個完整的活躍休眠周期的比值.節點在活躍狀態打開射頻進行數據收發等工作，在休眠狀態關閉射頻以節省能量.

文獻[5-6]將低占空比MAC協議分為異步協議和同步協議2大類.

異步MAC協議(例如B-MAC[7]，X-MAC[8]，A-MAC[9]，PW-MAC[10])節點間的占空比相互獨立，鄰居節點之間不需要維護對方的調度信息.異步MAC采用低功耗偵聽技術(low power listening, LPL)大幅降低了節點空閑偵聽能量開銷.在每一次發送數據包之前，發送節點首先發送1個持續時間長于接收節點休眠時間的長前導序列(long preamble)，接收節點周期性的探測信道，當檢測到發送節點的前導信號時，保持射頻打開，準備接收數據.這類協議不需要同步開銷，具有較高的能量效率.然而，異步MAC還存在以下不足：1)長前導的存在導致網絡數據傳輸的延時較高；2)長前導會喚醒非數據包目的地址的節點，造成串聽.

同步MAC協議分為基于競爭和基于TDMA調度2大類.基于競爭的MAC協議包括S-MAC[11]，T-MAC[12]，DW-MAC[13]等.這類MAC協議引入輕量級的同步機制，實現簇內節點的相對同步，節點在相同時刻喚醒并交換數據.這種方法的最大優點是發送節點不再需要發送長前導序列，有效減少了LPL機制中周期性前導序列采樣能耗以及接收節點空閑偵聽能耗.由于引入時間同步機制，基于競爭的MAC協議需要額外的同步開銷.此外，受信道競爭的影響，網絡吞吐量在數據流量較大時會明顯下降.

不同于前面介紹的MAC協議，基于TDMA調度的MAC協議[14-15]為每個節點分配1個或多個獨立的時隙，節點只有在自己的時隙打開射頻傳輸數據，極大減少了碰撞的概率，有效降低了節點空閑偵聽的時間，提高了能量效率.但是，TDMA機制對網絡的時間同步有嚴格要求.因此，時間同步是基于TDMA調度MAC協議實現的基礎.

低占空比數據采集網絡中，節點間時間同步是通過周期性的交換信標實現的.通過形成1個數據采集樹，匯聚節點Sink周期性地向其子節點發送包含時間戳的信標，子節點在收到信標后完成與Sink節點的時間同步.子節點繼續分發信標到葉子節點，從而完成子節點和葉子節點間的時間同步.如此循環，最終實現整個數據采集樹的全網同步.

信標分發間隔的長短直接影響著網絡的能量效率.一方面，信標間隔越短，信標收發頻率越高，網絡能耗越高；另一方面，信標間隔越長，由于時鐘漂移的影響，節點的保護時間(guard time)和空閑偵聽時間越長.時鐘漂移對同步誤差的影響具有時間累積性，較長的信標間隔會導致較大的同步誤差，因此需要更長的保護時間.本文分析了同步MAC協議的最優信標間隔問題，提出了采用最優信標間隔的TDMA MAC協議(Opt-TDMA).實驗表明，在能量效率方面，本文提出的Opt-TDMA優于非最優信標間隔TDMA協議和SCP-MAC.

1　相關工作

無線傳感器網絡MAC協議參數最優化的研究主要包括：針對S-MAC存在的不足，T-MAC[12]根據當前數據流量自適應的調整喚醒休眠的占空比，減少了節點處于喚醒狀態的時間，從而降低節點的能量開銷.T-MAC的缺點是沒有專門針對2次喚醒間隔的長度進行最優化分析.X-MAC[8]提出1個近似的優化算法自適應地調整接收節點的占空比.針對不同的傳輸負載，綜合考慮休眠時間和空閑偵聽時間最小化網絡能耗.在低占空比同步MAC中，文獻[4]針對LPL和SCP-MAC，提出最優化的信道探測間隔機制.相比LPL協議，優化的SCP-MAC達到了混合MAC的能量下限，而且可以根據網絡流量的變化自適應調整探測間隔.不足的是，這些方法只針對某一類特定的MAC協議進行優化，并不能在其他MAC中通用.

本文提出的Opt-TDMA區別于前人工作的最大特點是它并不是針對某個特定MAC協議定制的最優化方法，而是可以適用于其他同步MAC協議(例如Dozer[5], Koala[16]等)的通用方法.據我們文獻調研，本文首次在低占空比無線傳感器網絡數據采集應用中，針對信標間隔的最優化問題進行分析.

2　系統模型

2.1能量模型

無線傳感器網絡的基本通信模型如圖1所示.A是主節點，B是從節點，A和B可以直接通信.節點B(從節點)周期性地感知數據并將數據發送給節點A；節點A(主節點)周期性地發送信標到節點B.節點B在收到信標后完成與節點A的同步.節點A和B周期性地休眠喚醒，并且它們的休眠喚醒時刻相同，具有相同的占空比.為了能在相同的時刻喚醒，節點A和B必須事先完成時間同步.受時鐘漂移影響，節點之間存在同步誤差，當節點處于接收狀態時，必須提前一小段時間打開射頻監聽信道，監測信道中是否有數據到來.如果檢測到數據包或信標的幀首界定符(SFD)，射頻一直保持打開直到接收全部完成；否則，射頻立即關閉進入休眠狀態.

Fig. 1　Basic communication model.圖1　基本通信模型

本文我們只分析射頻能耗，不考慮傳感器感知能耗和CPU處理能耗等其他相對較低的能耗(與文獻[4]類似).射頻工作包括偵聽、發送、接收、休眠4種狀態下的功耗分別表示為Pl，Ps，Pr，Psleep，總能耗由式(1)所示：

E=El+Es+Er+Esleep=

(1)

其中，ts，tr，tsleep分別表示射頻處于發送、接收和休眠狀態的時間；tlisten表示射頻在數據包到來之前空閑偵聽信道的時間.

2.2拓撲和幀結構

無線傳感器網絡樹形拓撲結構廣泛應用于數據采集場景，本文在樹形拓撲的基礎上展開研究，如圖2所示.在數據采集樹結構中，數據流向為從葉子節點到子節點，最后到達Sink節點；信標分發方向為從Sink節點到子節點.節點通常扮演2種角色：父節點和子節點.父節點接收子節點發送的數據包，子節點接收來自于父節點的信標，完成同步.為了簡化分析，本文數據和信標的傳輸采用基于TDMA的MAC協議.

Fig. 2　Data-gathering tree.圖2　數據采集樹

Fig. 3　The frame structure.圖3　幀結構

基于TDMA的MAC協議將整個時間軸分為連續的固定幀長的幀.如圖3所示，每一幀分為2n個時隙，其中前n個時隙為信標下行時段(beacon slot)，后n個時隙為數據上行時段(data slot).信標下行時段的最后1個時隙較為特殊，它被定義為網絡所有節點的接入時隙(access slot)，用于新節點加入等其他網絡維護.

圖3為幀結構的示意圖.除匯聚節點外，每個節點可能存在5種活躍時隙：信標的發送與接收時隙、數據的發送與接收時隙以及接入時隙.匯聚節點沒有信標接收時隙和數據發送時隙，只有其余3種時隙.每個節點在入網時分配1個唯一的時隙號(ID)：SlotNum，這個ID號決定了此節點的信標和數據發送時隙，其中信標的發送時隙為SlotNum，數據的發送時隙為SlotNum+n.而該節點的信標接收時隙和數據接收時隙分別由它的父節點和子節點所對應ID號決定.

當節點處于信標時段時，需要在其父節點的發送時隙接收信標，并在自身的發送時隙廣播信標；當節點處于數據包時段時，需要在自身的數據包時隙發送數據(如果數據緩存隊列中有數據包的話)，并在自身所有子節點的數據包時隙監聽信道，且每一個發送時隙最多發送1個數據包；在接入時隙，所有節點都需要對可能的接入申請包進行監聽.除此之外，其他的時隙均為非通信時段，節點在這些時段內進入休眠狀態.

3　最優信標間隔

本節的主要內容是在數據采集樹拓撲下計算每個節點的平均能耗，并分析Opt-TDMA的最優信標間隔.

在樹形拓撲中，父節點發送信標給子節點，子節點發送數據到父節點.考慮1個父節點n個子節點的情形，父節點的能耗是射頻在各個工作狀態能耗之和，如式(2)所示(休眠功耗Psleep遠遠低于節點處于其他狀態的功率，忽略不計).

(2)

父節點能耗包括發送能耗、接收能耗以及空閑偵聽能耗.

1) 發送能耗.發送能耗包括信標的發送能耗和數據的發送能耗.節點廣播信標的時間為LsynctBrsync，發送數據包的時間為(n+1)LdatatBrdata.其中，Lsync和Ldata分別代表信標長度和數據包長度;rsync和rdata分別代表信標分發速率和數據包產生速率;tB為射頻發送接收1 B需要的時間.父節點向上一級節點發送的數據包括2部分內容：自己本身感知的數據和轉發n個子節點的數據.因此，父節點發送數據包的時間表達式系數為(n+1).

節點處于發送狀態的總時間為

(3)

2) 接收能耗.類似于發送能耗的分析，接收能耗包括信標的接收能耗和數據的接收能耗.父節點本身也是上一級節點的子節點，因此也要接收來自自己父節點的信標.節點接收信標的時間為LsynctBrsync，接收來自于子節點的數據的時間為nLdatatBrdata.

節點處于接收狀態的總時間為

(4)

3) 空閑偵聽能耗.受時鐘漂移的影響，節點在接收信號之前必須提前打開接收機監聽信道，以防止信號提前到達.空閑偵聽的總時間可用式(5)表示：

(5)

其中，tguard代表保護時間，用來補償時鐘漂移導致的節點間存在的同步誤差.

文獻[4]研究表明：保護時間tguard的長短由同步周期Tsync和時鐘漂移率θ共同決定.其中，θ由2個時鐘間的頻率偏差所決定，并受環境因素(如溫度、電壓等)影響.

2個節點間的最大時鐘差為

(6)

其中，系數2表示2個節點的時鐘漂移方向相反，為時鐘差最大的情況.

由于發送節點并不知道自己和接收節點時鐘偏差的方向，在時間軸前后2個方向都需要保護時間.因此，總的保護時間是最大時鐘偏差的2倍，如式(7)所示：

(7)

將式(3)(4)(5)(7)代入式(2)，得到節點總的能量消耗為

E=rsync[tguardPlisten+LsynctB(Ps+Pr)]+

rdata[ntguardPlisten+LdatatB((n+1)Ps+nPr)]=

(8)

式(8)表明，假定信標和數據包的長度固定，總能耗只和子節點個數n、數據速率rdata、時鐘漂移率θ和同步周期Tsync相關.關于同步周期Tsync：增大同步周期將減少收發信標的能耗，但同時保護時間也隨之增大，導致空閑偵聽能耗增加.因此，最優的同步間隔必須兼顧這2方面的能量開銷，使總能耗最小.

通過求解式(8)關于Tsync的1階導數可以得到使得總能耗最小的同步間隔值.

(9)

式(8)代入式(9)求解Tsync，如式(10)所示：

(10)

4　性能測試

為評估本文提出的Opt-TDMA的性能，我們對其進行了測試，并與非最優化的TDMA協議(沒有采用最優的信標間隔機制)和文獻[4]提出的SCP-MAC進行比較分析.SCP-MAC是一個基于競爭的同步MAC，采用周期性信道探測機制，節點平均占空比小于1%.通過測量射頻在各個狀態(發送、接收、空閑偵聽)的工作時間可以得到節點的總能耗.實驗參數如表1所示：

Table 1　Symbols Used in Radio Energy Analysis

4.1最優信標間隔

圖4為不同子節點數目下最優信標間隔隨數據速率的變化曲線.從圖4可以看出，最優信標間隔與數據包發送間隔呈正相關，與網絡規模(節點數)呈負相關.信標的收發能耗和保護時間導致的空閑偵聽能耗之間存在1個最優折中.當數據包發送間隔增大時，接收端對數據包空閑偵聽的頻率降低,此時，高頻率的同步會造成能量的浪費.我們可以通過增加很小的空閑偵聽能耗來有效減小同步能耗，從而使總能耗最小.圖4中還可以看出，最優信標間隔隨著網絡規模的減小而增大.這是因為子節點數目越少，產生的數據包越少，即數據包的間隔越大.根據上面的分析，慢的數據速率將導致最優信標間隔增大.因此，最優信標間隔會隨著網絡規模的減小而增大.

4.2能耗對比

Fig. 5　Power consumption for Opt-TDMA and TDMA with different clock drift.圖5　不同時鐘漂移率下Opt-TDMA和非最優化的TDMA的平均能耗

圖5和圖6分別為不同時鐘漂移率下Opt-TDMA與TDMA和SCP-MAC平均能耗隨數據包發送間隔的變化曲線.從圖5和圖6可以看出，平均能耗隨數據速率的增加而增加；快的數據速率對應大的網絡流量，數據傳輸能耗隨之增加.我們還可以發現，平均能耗與時鐘漂移率呈正相關.這是因為大的時鐘漂移率會引起較大的同步誤差，需要更長的保護時間，空閑偵聽能耗隨之增加.圖5和圖6表明，Opt-TDMA的平均能耗低于非最優化的TDMA和SCP-MAC.原因如下：1)與非最優化的TDMA相比(圖5)，Opt-TDMA采用了最優的信標間隔，使得收發信標能耗和空閑偵聽能耗的總和達到最小.非最優的信標間隔，無法兼顧收發信標能耗和空閑偵聽能耗，不能使總能耗達到最小.2)與SCP-MAC相比(圖6)，Opt-TDMA嚴格按照TDMA的方式進行時隙分配，消除了競爭開銷，因而平均能耗低于SCP-MAC.盡管SCP-MAC也采用了最優的信道探測周期，但其信道訪問是基于競爭模式的，不能完全避免碰撞，因此，耗能相對較多.

Fig. 6　Power consumption for Opt-TDMA and SCP-MAC with different clock drift.圖6　不同時鐘漂移率下Opt-TDMA和SCP-MAC的平均能耗

Fig. 7　Power consumption for Opt-TDMA and TDMA with different network size.圖7　不同網絡規模下Opt-TDMA和TDMA的平均能耗

圖7和圖8分別為不同網絡規模下Opt-TDMA與非最優化的TDMA和SCP-MAC平均能耗隨數據包發送間隔的變化曲線.圖7表明，在不同數據速率下，Opt-TDMA節點平均能耗均低于非最優化的TDMA，特別是當網絡流量較大時(高數據速率)，下降值更為明顯.從圖8可以看出，Opt-TDMA與SCP-MAC的平均能耗差值和網絡規模呈正相關.例如，圖8中n=3的2條曲線的差值明顯大于n=1的2條曲線的差值.這是因為當網絡中節點較多時，導致網絡數據流量增大，SCP-MAC采用基于競爭的訪問方式，因此在SCP-MAC中發生碰撞的概率增大，能耗增加.Opt-TDMA是沖突避免的，因此，Opt-TDMA的平均功耗低于SCP-MAC，特別是當網絡規模較大時.

Fig. 8　Power consumption for Opt-TDMA and SCP-MAC with different network size.圖8　不同網絡規模下Opt-TDMA和SCP-MAC的平均能耗

5　結論及下一步工作

本文分析了低占空比無線傳感器網絡同步MAC協議信標間隔與網絡能量消耗之間的關系，針對這類MAC協議分析了最優信標發送間隔，并提出了一種采用最優信標間隔的TDMA協議——Opt-TDMA.根據數據包速率和子節點數目采用最優的信標間隔，Opt-TDMA減少了網絡的總能耗.實驗表明，通過采用最優的信標間隔和沖突避免的傳輸，Opt-TDMA與非最優化的TDMA和SCP-MAC相比，平均能耗更低.在網絡規模較大和時鐘漂移更嚴重時，Opt-TDMA比非最優化的TDMA和SCP-MAC節省更多的能量.這意味著Opt-TDMA更適用于環境條件較差的應用以及大規模網絡.下一步工作包括將這種分析方法應用到其他同步MAC(如Dozer[5]和Koala[16]等)并測試其性能.

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Xing Yulong, born in 1988. Received his BEn degree in communication engineering from Northwestern Polytechnical University in 2011. PhD from the University of Chinese Academy of Sciences. His current research interests include signal processing and low power data transfer in wireless sensor networks (WSNs).

Chen Yongrui, born in 1978. Received his MSc degree from Tsinghua University in 2007 and his PhD degree from the University of Chinese Academy of Sciences in 2011. His main research interests include cross-layer protocol design and reliable data transfer in wireless communication.

Yi Weidong, born in 1959. Received his BSc degree from Peking University, Beijing, China, in 1982, MSc degree from Brown University, Providence, RI, in 1991, and his PhD degree from the University of California, Berkeley. Senior member of China Computer Federation. His current research interests include design and modeling of microsensors and microelectromechanical systems for node platforms in the Internet of things, energy harvesting, and consumption efficiency in WSNs.

Duan Chenghua, born in 1962. Received his MSc degree from the Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences. Professor in the University of Chinese Academy of Sciences. His main research interests include mobile computing and network security.

The Optimal Beacon Interval for Synchronous MAC in Low Duty-Cycle Wireless Sensor Networks

Xing Yulong, Chen Yongrui, Yi Weidong, and Duan Chenghua

(SchoolofElectronic,ElectricalandCommunicationEngineering,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049)

Energy efficiency is a fundamental theme in the design of wireless sensor networks protocols, especially for medium access control (MAC) protocols. An energy-efficient MAC protocol can significantly elongate the lifetime of wireless sensor networks by reducing the duty-cycle of sensor nodes to an ultra-low level. Synchronous MAC can be even more efficient in data transfer at the cost of requiring tight time synchronization through periodical beacon dissemination. The length of the beacon interval may greatly affect the energy efficiency of a synchronous MAC. A shorter beacon interval leads to higher synchronization cost due to frequent beacon sending and receiving, while a longer beacon interval will lead to a larger guard time and longer idle listening due to clock drift. Therefore, there is a tradeoff between these two parts of energy consumption. In this paper, we investigate the optimal beacon interval for synchronous MAC in low duty-cycle sensor networks, and then present a strategy that adaptively utilizes the optimal beacon interval in a TDMA-based MAC protocol (called Opt-TDMA). By configuring the beacon interval to its optimal value according to the data packets rate and network size, Opt-TDMA can reduce the overall power consumption of both sendingreceiving beacons and data packets. Experimental results demonstrate that Opt-TDMA is more energy-efficient than pure TDMA protocol and SCP-MAC by using optimal beacon interval and contention-free transmission.

beacon interval; synchronous MAC protocol; low duty-cycle; energy efficiency; wireless sensor networks (WSNs)

2015-06-09；

2015-08-27

國家科技支撐計劃基金項目(2012BAJ24B01)

陳永銳(chen_yong_rui@163.com)

TP393

This work was supported by the National Key Technology Research and Development Program of China (2012BAJ24B01).