無線傳感器網絡低能耗協議研究與仿真

徐力++屈召貴

摘 要： 針對目前無線傳感器網絡MAC協議無法在事件驅動感知和周期性事件感知共存的復雜環境下應用的問題，提出一種能夠在分簇網絡中應用的自適應混合MAC協議TC2?MAC。在研究了MAC層能耗來源及節能策略的基礎上，給出了TC2?MAC協議的時隙分配方法、時間同步策略和CSMA/CA競爭接入機制。

關鍵詞： 無線傳感器網絡； 網絡體系結構； MAC協議； 節能

中圖分類號： TN926?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）03?0007?05

Research and simulation of low?energy consumption protocol for wireless sensor network

XU Li1， QU Zhaogui2

（1. Experimental Center， Sichuan University Jinjiang College， Meishan 620860， China；

2. Experimental Center， Sichuan Technology and Business University， Chengdu 611745， China）

Abstract： Since the MAC protocol of the wireless sensor network can′t be applied to the complex environment of the coe?xisting of the event?driven perception and periodic event perception， a TC2?MAC of the adaptive hybrid MAC protocol applied to the clustering network is proposed. On the basis of studying the energy?consumption source and energy?saving strategy of the MAC layer， the time slot allocation method and time synchronization strategy of TC2?MAC protocol， and competition access mechanism of CSMA/CA are given.

Keywords： wireless sensor network； network architecture； MAC protocol； energy saving

0 引 言

隨著傳感技術、通信技術、分布式信息處理技術和微機電技術的快速發展，無線傳感器網絡[1]（WSN）的發展迎來了新的機遇和挑戰。WSN的底層架構是通過MAC技術[2?4]來構建的，因此MAC協議是WSN發揮作用的重要前提，但現有的MAC協議[3，5]存在以下問題：

（1） 當突發/超限數據與周期性感知數據一同進行傳送時，突發/超限數據無法完成實時性傳送；

（2） 無法保證異構傳感器節點對傳送信道使用的公平性；

（3） 未考慮不同傳感器節點的差異性服務質量（QoS）需求。

上述三個問題使目前的MAC協議無法在事件驅動感知和周期性事件感知共存的復雜環境下應用。

針對上述問題，提出了一種能夠在分簇網絡中應用的自適應混合MAC協議TC2?MAC。該協議通過使用二叉樹形式的時隙塊分配方法和時隙限制的CSMA/CA競爭接入機制，可以實現靈活的休眠調度機制，從而達到延長網絡生命周期、提高WSN中突發/超限數據的傳送實時性，改善異構傳感器節點傳送信道使用的公平性，并能夠支持不同傳感器節點的差異性QoS需求。

1 WSN網絡體系及MAC層能耗分析

1.1 WSN網絡體系

根據ITU?TY.2221建議的WSN未來泛在感知的應用框架結構，WSN采用分簇體系結構。根據節點成簇算法，將網絡中的所有節點劃分為若干個由成員節點和簇首組成的簇。為研究分析方便，在不改變分析結果的前提下，對上述網絡體系做如下假設：

（1） 簇的劃分使用固定簇方式。全部簇首均由具有特殊供電能力的節點擔當，其電能足以完成網內節點數據融合及數據轉發任務；

（2） 網內匯聚節點Sink為靜止狀態。全部簇首均可以與Sink直接進行通信；

（3） 所有節點均為靜止狀態。節點計算能力能夠支持不同的MAC協議；

（4） 無線信號向各方向傳送消耗的能量是相同的，且無線信道對稱。

1.2 MAC層能耗分析

MAC層能耗主要由正常的業務數據收發、空閑偵聽、沖突、串音、控制報文開銷幾方面組成，其中，正常的業務數據收發和控制報文開銷的能耗屬必須消耗。由于無線通信模塊是傳感器節點的主要能耗來源，而當節點處于休眠狀態時，其能耗明顯低于節點處于空閑偵聽狀態。因此可通過采用周期性睡眠和偵聽策略及沖突避免機制來降低節點能耗。

2 自適應混合MAC協議TC2?MAC的實現

TC2?MAC協議首先用若干個大小相等的時隙劃分通信時幀，然后將時隙編入A，B，C三個分組，并將其按照分組號交叉編排，各組時隙的特征如下：

A組時隙：節點主要用來傳送周期性感知數據，節點工作機制為TDMA；

B組時隙：節點工作機制為CSMA/CA競爭機制，能夠提高突發/超限數據的傳送實時性；

C組時隙：簇首將接收到的數據發送至網內匯聚節點Sink。當節點無可傳送數據時，能夠進入休眠狀態節能。

2.1 時隙分配方法

為改善節點對信道使用的公平性，采用二叉樹時隙分割方法。利用二叉樹分割法將時隙組A分割成若干個時隙塊，所有時隙均按奇偶位對應關系進行分組，分組后形成時隙塊二叉樹。通過二叉樹時隙分割法可以使全部時隙塊內的時隙均勻分布，而且還能夠通過時隙塊的分解或合并構建出大小不同的時隙塊，從而滿足不同節點的差異性QoS需求。

TC2?MAC可以根據系統的不同QoS需求設定時幀和時隙長度，并且在網絡運行過程中也能夠靈活配置，時幀與時隙的關系如下：

式中：[Tframe]為時幀長度；[Tslot]為時隙長度，其值由數據傳輸速率、數據分組大小和時鐘漂移參數決定；依據時隙塊二叉樹結構，各時隙組（A，B，C）中時隙個數的對數[k]值即為重復率數的最大值RRNmax。按照WSN中事件驅動感知和周期性事件感知共存的應用需求，結合分簇式網絡體系結構模型，同時約定時隙塊使用“組號?起始索引號?重復率數”的形式表示，則時隙分配的具體方法如下：

（1） 預留時隙設為A?0，B?0，C?0。其中，A?0用于簇首節點與網內匯聚節點Sink精同步；B?0用于網內匯聚節點Sink向簇首節點發送網管信息和新增節點入網精同步；C?0用于簇首節點向簇內成員節點發送網管信息和新增節點接收時隙分配參數。

（2） 除上述預留的A?0，B?0，C?0時隙外，A組其他時隙作為分配給簇內普通節點的固定時隙，用于普通節點向簇首節點傳送數據；B組其他時隙作為公共競爭時隙，用于簇內普通節點向簇首節點發送突發/超限數據；C組其他時隙作為簇首節點專用時隙，用于簇首節點向網內匯聚節點Sink傳送數據。

（3） 單位時隙長度[TSlot]與簇內節點傳送數據的最小時間間隔[Δt]存在約束關系：

[Δt=3×2RRNmax-RRN×Tslot] （2）

式中：RRN是節點占用時隙塊的重復率數，其應為整數，因此有如下關系：

[RRN≥RRNmax-log2Δt3×TslotRRNmin=RRNmax-log2Δt3×Tslot] （3）

從式（3）中重復率數RRN與時隙塊個數之間的關系可以看出，若簇內節點數滿足[N≤2RRNmax-RRNmin]關系，就可以保證簇內每個節點至少占有一個重復率數為RRNmin的時隙塊，同時也就使簇內所有節點發送感知數據的時間間隔滿足式（2）。

（4） 最大公平性原則。當節點數[N≤2RRNmax-RRNmin]時，將時隙塊二叉樹中（[2RRNmax-RRNmin-N]）個重復率數為RRNmin+1的時隙塊分配給（[2RRNmax-RRNmin-N]）個能量較高的節點，然后將余下的重復率數為RRNmin+1的時隙塊包含的重復率數為RRNmin的子時隙塊分配給其他節點；當[N>2RRNmax-RRNmin]時，先將時隙塊二叉樹中（[2RRNmax-RRNmin+1-N]）個重復率數為RRNmin的時隙塊依次分配給（[2RRNmax-RRNmin+1-N]）個能量較高的節點，后將余下的重復率數為RRNmin的時隙塊包含的重復率數為（RRNmin?1）的子時隙塊分配給其他節點。

（5） QoS差異性原則。盡量滿足網絡中異構節點的不同時延需求，在具體應用中，可根據各節點的不同時延需求，采用更加靈活有效的配置方法。

（6） 以上時隙分配方法將時幀中的全部時隙都分配給了簇內節點，在實際應用中，也可保留一部分時隙供新增節點使用。

2.2 時間同步策略

TC2?MAC協議采用的是基于時間調度的信道接入機制，必須保證簇首與簇內節點之間的時間同步。采用基于“匯聚節點?簇首?普通節點”形式的分級粗同步和按需精同步的時間同步策略。

在網絡拓撲形成過程中，匯聚節點會周期性地廣播包含匯聚節點當前時間的入網同步信標。簇首節點通過接收到的入網同步信標中的時間完成自身時間的調整，實現粗同步。完成粗同步后，簇首節點通過CSMA/CA競爭機制接入相應信道，然后采用雙向報文交換機制實現與匯聚節點的時間精同步。簇內普通節點利用簇首廣播的簇信標完成入網被動粗同步。

在網絡運行過程中，隨著運行時間的增加，簇首和普通節點的時間精度需要再同步。根據時間精度的等級要求，簇首按需在A?0時隙通過雙向報文交換機制實現與匯聚節點的時間精同步。普通節點按需在所分配的時隙塊內通過雙向報文交換機制實現與簇首的時間精同步。

2.3 CSMA/CA競爭接入機制

為提高突發/超限數據的實時性傳送要求，TC2?MAC協議在B組時隙內使用CSMA/CA競爭接入機制，其具體執行流程如圖1所示。

在每次數據傳送過程中，節點都要維護表示本次傳輸的退避次數的參數NB和表示退避指數的參數BE兩個變量。其中NB的初始值為0，BE的最小值由最大值macMin BE和macMax BE設定。退避指數、退避窗口和退避時間之間的關系如下：

式中：[Wi]和[Tibackoff]分別表示第[i]個退避階段的退避窗口和退避時間；[m]和[σ]分別表示允許的最大退避次數和退避的單位時間長度。

退避時，每經過一個單位時間長度[σ，]退避計數器減1，當退避計數器減為0時執行CCA，如果此時信道空閑，則發送數據；否則通過重置退避參數，執行新的退避階段。當退避次數達到允許的最大退避次數[m]時，此時信道如果仍非空閑狀態，則停止退避過程并緩存未發送的數據，以便在接下來的競爭時隙中繼續競爭發送。

3 網絡性能分析

3.1 吞吐量分析

由TC2?MAC的工作過程可知，A組時隙中的節點應用TDMA機制將簇內節點數據發送至簇首，B組時隙中的節點應用CSMA/CA競爭機制將簇內節點數據發送至簇首。假設簇首接收到的各節點傳送來的數據包需全部發送至匯聚節點Sink，A組時隙和B組時隙節點全部工作在飽和狀態，簇首的數據發送隊列始終非空，則簇首在C組時隙應用的信道接入機制就決定了系統的飽和吞吐量。此處簇首采用CSMA/CA機制訪問信道。由于同一時刻匯聚節點Sink只能成功接收一個簇首發送的數據，若網絡中共有[n]個簇首，則網絡的飽和吞吐量為：

式中：[Tslot]和[EP]分別表示單位時隙長度和單位時隙長度的平均數據載荷。假設[Tslot=]0.007 812 s，數據速率DataRate=250 Kb/s，數據幀載荷Payload=976 b，則網絡飽和吞吐量關系曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出：當網絡中簇首數量[n=1]時，網絡飽和吞吐量達到最大值，這是因為此時簇首不存在信道競爭所致。隨著簇首數量[n]的增加，網絡飽和吞吐量呈現下降趨勢，這是因為簇首數量[n]的增加會使各簇首間的數據傳送沖突概率增加。因此在實際WSN的應用中，通過數據融合算法對數據進行融合，降低冗余數據的發送量，以盡量避免網絡工作在飽和狀態，這樣能夠提高網絡的吞吐量。

3.2 端到端時延分析

網絡端到端時延如式（6）所示：

式中：[τtr，τpr]和[σ]分別表示發送時延、傳播時延和處理時延。出于網絡節能目的考慮，節點僅在其所分配時隙塊的部分子時隙內工作，而在余下時隙進行休眠，所以網絡端對端時延本質是一個隨機變量，此處僅分析網絡最小端到端時延。通過對TC2?MAC二叉樹的時隙組功能劃分規則的分析可知，普通數據最小端到端時延不大于3個時隙，突發/超限數據的最小端到端時延不應大于2個時隙。

4 系統仿真

由于TC2?MAC適用于分簇網絡，為使仿真具有對比性，采用OPNET軟件包對TC2?MAC（DSSS）和LEACH?TDMA（DSSS）協議的平均吞吐量和平均端對端時延性能進行仿真分析，仿真中簇內節點數[n]由2逐漸增加至25，簇首個數ch由1逐漸增加至6，突發/超限數據到達時間間隔[λ2]分別取表1中的值，主要仿真參數如表1所示。

當[ch=5，][λ2=10]時，網絡平均端到端時延和網絡吞吐量隨簇內節點數[n]的變化如圖3所示。

從圖3中可以看出，在ch與[λ2]不變的情況下，在網絡平均端到端時延特性方面，TC2?MAC（DSSS）網絡的時延隨簇內節點數[n]的增加變化較平緩，而LEACH?TDMA（DSSS）網絡的時延隨簇內節點數[n]的增加快速增加；在吞吐量性能方面，由于TC2?MAC（DSSS）的B組時隙使用了CSMA/CA競爭機制，在仿真條件下突發/超限數據的通信信道沖突概率很小，故TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

當[n=24，][λ2=10]時，網絡平均端到端時延和網絡吞吐量隨簇首數目ch的變化如圖4所示。

從圖4中可以看出，在[n]與[λ2]不變的情況下，在網絡平均端到端時延特性方面，兩種協議的時延特性均不隨簇首數ch的增加產生明顯變化；在吞吐量性能方面，由于TC2?MAC（DSSS）的B組時隙使用CSMA/CA競爭機制，在仿真條件下突發/超限數據的通信信道沖突概率很小，故TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

當[ch=5，n=24]時，網絡平均端到端時延和網絡吞吐量隨突發/超限數據到達時間間隔[λ2]的變化如圖5所示。

從圖5可以看出，在ch和[n]不變的情況下，在網絡平均端到端時延特性方面，兩種協議的時延均與[λ2]反方向變化，當[λ2≥1]s時，網絡時延的增長趨勢較平緩，當[λ2<1]s時，增長趨勢開始變大，當[λ2=]0.01 s時，LEACH?TDMA（DSSS）協議的時延特性急劇惡化，而TC2?MAC（DSSS）協議的時延特性對[λ2]的變化卻不敏感。在吞吐量方面，當突發/超限數據到達時間間隔[λ2]增加到一定程度時，LEACH?TDMA（DSSS）協議的吞吐性能優于TC2?MAC（DSSS）的協議。

間隔變化曲線

綜上分析有如下結論：

（1） TC2?MAC使用的二叉樹時隙分割方法和時間同步策略，在保證網絡周期性數據正常傳輸的前提下，能夠實現突發/超限數據的實時性傳送，也就支持了不同節點的差異性QoS需求。

（2） 在網絡時延特性方面，TC2?MAC（DSSS）協議能夠良好地適應簇的數目、簇內節點數目和突發/超限數據業務流量的變化，同時其時延特性顯著優于LEACH?TDMA（DSSS）協議。

（3） 在網絡吞吐量特性方面，在突發/超限數據流量較小的情況下，兩種協議的性能基本持平，但當突發/超限數據流量增加到一定數量時，TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

通過以上仿真實驗可以看出，提出的TC2?MAC協議在基本不降低網絡性能的前提下，解決了目前MAC協議存在的突發/超限數據實時性傳送問題、異構傳感器節點對傳送信道使用的公平性問題及不同傳感器節點的差異性QoS需求問題。

5 結 論

本文提出的適用于無線傳感器網絡的自適應混合MAC協議TC2?MAC能夠有效地解決目前無線傳感器網絡MAC協議中存在的問題。在對目前常用的無線傳感器網絡體系及能耗分析的基礎上，給出了TC2?MAC協議的實現方法并對其網絡性能進行了理論分析，最后通過仿真實驗證明了所提出協議TC2?MAC的有效性。

參考文獻

[1] 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005：59?60.

[2] RHEE I， WARRIER A， AIA M， et al. Z?MAC： a hybrid MAC for wireless sensor networks [J]. IEEE/ACM transactions on networking， 2008， 16（3）： 511?524.

[3] WPAN Working Group. Wireless medium access control （MAC） and physical layer specifications for low?rate wireless personal area networks （WPANs）： IEEE Std 802.15.4?2006 [S]. US： C/LM ? LAN/MAN Standards Committee， 2006.

[4] SARVAKAR K， PATEL P S. An efficient hybrid MAC layer protocol utilized for wireless sensor networks [C]// Proceedings of 2008 the Fourth International Conference on Wireless Communication and Sensor Networks. Gujarat： IEEE， 2008： 22?26.

[5] 鄭國強，李建東，周志立.無線傳感器網絡MAC協議研究進展[J].自動化學報，2008，34（3）：305?316.

[6] 李軍.無線傳感網絡自私節點檢測的軟件設計與仿真[J].計算機仿真，2016，33（6）：246?249.