無線傳感器網絡節(jié)能接入?yún)f(xié)議算法研究

袁華兵

無線傳感器網絡節(jié)能接入?yún)f(xié)議算法研究

袁華兵

（西安醫(yī)學院院信息技術處 西安 710021）

無線傳感網絡依靠許多移動或者靜止的多傳感器，并以一定的構成方式進行布局，目前通常分為自組織和多跳兩種網絡組成形式。針對無線多傳感器的定位算法已經提出了很多，但是大部分都是基于二維平面的網絡環(huán)境，而在實際應用中，三維空間的網絡節(jié)點分布更適合實際部署環(huán)境，提出了一種三維空間傳感器節(jié)點的虛擬陣列被動聲定位模型。在方向性傳輸環(huán)境下，針對S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議良好的低能耗性能，提出了一種基于T-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)腂A-MAC協(xié)議。通過仿真結果可以看出，BA-MAC協(xié)議在能量節(jié)省和網絡系統(tǒng)性能上都優(yōu)于S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議。

無線傳感網絡；三維空間；虛擬陣列；BA-MAC協(xié)議

AbstractWireless sensor networks rely on many mobile or stationary sensor，and layout in a certain way of composing，there is usually divided into self-organizing multi-hop mode network of forms.Localization algorithm for wireless multi-sensors has pro?posed a lot，but most of them are based on a two-dimensional plane of the network environment，but in practical application，the three-dimensional spatial distribution of the network node is more suitable for the actual deployment environment，a three-dimen?sional sensor virtual array passive localization model is presented.In directional transmission environment for S-MAC protocol and T-MAC protocol excellent low-power performance，a two-way data transmission T-MAC protocol is proposed based on the BA-MAC protocol.The simulation results show that，BA-MAC protocol on energy savings and network performance are better than S-MAC protocol and T-MAC protocol.

Key Wordswireless sensor networks，three-dimensional space，virtual array，BA-MAC protocol

Class NumberTP391

1 引言

無線傳感器網絡通常用來對目標區(qū)域內的對象進行監(jiān)測，然后把監(jiān)測到的信息實時的通過無線網絡傳輸?shù)皆O備終端，建立起人與物之間的一種智能交互聯(lián)系［1］。無線傳感器網絡的理論研究已經想當成熟了，但是理論研究與實際操作的過程中還存在很大的差距，這就導致一些理論研究并不能完全地應用到實際應用中，并且在設計一個無線傳感器網絡通信協(xié)議的時候，需要考慮多方面的問題，因為對于不同的應用需求，就需要設計相對應的網絡協(xié)議，沒有哪一種協(xié)議是通用的，需要根據(jù)不同的實際需求而變化［2～3］。在設計網絡時如何平衡網絡壽命和網絡性能問題也顯得尤為關鍵，因為網絡壽命總是通過犧牲一部分的網絡性能來實現(xiàn)網絡壽命的延長［4］。媒體控制接入?yún)f(xié)議通過合理的分配信道資源，并且決定了無線收發(fā)機的工作機制，這在很大程度上節(jié)省了無線傳感器網絡的能量消耗，所以MAC協(xié)議對于無線傳感器網絡的生命周期尤為重要［5～6］。

2 無線傳感器網絡的MAC協(xié)議分析

MAC層是鏈路層的一部分，位于物理層之上，網絡層之下，它的主要功能是實現(xiàn)無線網絡中節(jié)點何時接入網絡以及節(jié)點之間相互通信的實現(xiàn)［7］。無線傳感器網絡由于自身的特點，它與一般的無線網絡有很大的區(qū)別，這主要體現(xiàn)在一般的無線網絡中心控制的固定分配信道和隨機競爭的MAC協(xié)議都不能滿足其要求，并且無線信道可能存在單向性、廣播性、節(jié)點能量有限等特點，這些特性對于MAC協(xié)議的設計提出了很高的要求［8］。目前，現(xiàn)有的無線傳感器網絡MAC協(xié)議大體可以分為固定分配、基于競爭和兩者混合的協(xié)議。其中無線傳感網絡體系結構如圖1所示［9］。

圖1 無線傳感器網絡體系結構圖

無線傳感器網絡通常是由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和任務管理節(jié)點三部分組成的［10］。首先分布在監(jiān)測區(qū)域內的大量傳感器節(jié)點對于監(jiān)測對象進行實時的數(shù)據(jù)信息采集，然后以多跳的方式將信息匯總到匯聚節(jié)點，最后這些信息通過網絡或者衛(wèi)星發(fā)送到管理節(jié)點。用戶可以通過管理節(jié)點對于所采集到的信息進行分析，進一步實現(xiàn)對于監(jiān)測區(qū)域內的智能管理。

無線傳感器網絡的介質訪問控制（Medium Ac?cess Control，MAC）協(xié)議位于無線傳感器網絡的底層部分，它不僅可以決定無線收發(fā)機的工作機制而且可以為節(jié)點分配有限的信道資源，對于構建無線傳感器網絡具有很重要的作用［11］。根據(jù)信道分配方式的不同，MAC協(xié)議可以分為競爭型、分配型和混合型三種類型［12］。

3 傳感器節(jié)點的虛擬陣列被動聲定位模型研究

如圖2所示，假設有N個同頻率ω0的窄帶信號源，以 ?i=(θi，φi)，i=1，2，…，N 的角度入射到由M個節(jié)點組成的虛擬平面陣列，與在空間中有M節(jié) 點 的 任 意 陣 列 的 撞 擊 方 向 為 i＝(θi，φi) ，i=1，2，…，N ，其中 θi是方位角，φi是俯仰角［13］。

通過使用正交投影的方法，將三維空間分布節(jié)點映射到2D不規(guī)則平面陣列，然后利用TD-MU?SIC算法估計DOA。模型如圖3所示。

圖2 空間分布陣列模型

圖3 平面陣列模型

假設空間有一M個節(jié)點的分布陣列，各節(jié)點坐標為 Pi(xi，yi，zi)，i=1，2，…，M 。首先從這 M個點中任意選擇三個點建立一個空間平面O：O:Ax+By+Cy+D=0，共得到C3M個空間平面。對剩余M-3個節(jié)點，點到平面的距離可以用式（1）計算。

用Ni(i=1，2，…，C3M)表示平面上的點數(shù)。如果di=0，那么平面上的點數(shù)記為Ni+1。選擇最大的 Ni值，記為 Nmax=MAX(Ni)(i=1，2，…，C3M)，來確定包含最多空間點的虛擬平面。流程如圖4所示。

圖4 虛擬流程圖

當虛擬空間平面建立以后，用正交投影法將該平面外所有點投影至該虛擬平面，使得所有節(jié)點元素在一個平面上。假設將M個節(jié)點的中心節(jié)點作為原點O（0，0，0）來構造一個三維坐標系 XYZ。

假設有8個結點的坐標分別為（4，3，6），（2，5，5），（8，3，4），（7，9，5），（6，4，4），（7，5，3），（9，5，3），（4，6，3），從這些點中任選3個點建立一個平面，然后判斷該平面上的結點個數(shù)。重復以上過程，直到我們找到一個平面，能夠讓更多的點落在這個平面上。虛擬平面仿真圖如圖5所示。

圖5 虛擬平面仿真圖

4 方向性傳輸環(huán)境下MAC層接入?yún)f(xié)議設計

基于競爭型的S-MAC和T-MAC協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中都是單向傳輸，傳輸效率不高，所以在T-MAC協(xié)議的基礎上提出了一種數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)膮f(xié)議—BA-MAC［14］。BA-MAC協(xié)議的時間幀劃分和TMAC相同，都是把每一個時間幀劃分為休眠和睡醒兩部分，其中BA-MAC協(xié)議的節(jié)點發(fā)送/接收模型如圖 6所示［15～16］。T-MAC協(xié)議中所有的節(jié)點都要保持時間同步，所有的節(jié)點在一定的時間周期內通過交換SYNC幀來保持時間同步，當節(jié)點接收到SYNC幀以后，更新自己的時間調度信息表與相鄰節(jié)點的時間保持同步。通過一次SYNC幀交換以后，具有相同調度時間的節(jié)點形成一個虛擬簇，處于不同簇之間的邊界節(jié)點具有多個調度時間表。

圖6 BA-MAC協(xié)議的節(jié)點發(fā)送/接收模型

BA-MAC協(xié)議中，當節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包以后，首先對自己緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包進行檢查，如果緩沖區(qū)里面有數(shù)據(jù)包的目的地址為發(fā)送節(jié)點，那么接收節(jié)點會向發(fā)送節(jié)點的回復信息中同時包括數(shù)據(jù)包和ACK控制包，如果數(shù)據(jù)包中不包括此信息，則接收節(jié)點只發(fā)送ACK控制包作為確認信息。

如果接收節(jié)點收到的信息中同時包括數(shù)據(jù)包和ACK控制包，那么接收節(jié)點向發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個ACK控制包來確認數(shù)據(jù)包已經成功接收，然后結束本次通信。反之接收節(jié)點接收的信息中值包括ACK控制包，則直接結束本次通信。

5 仿真實驗

假設有5～8個節(jié)點隨機的分布在50*50（m2）的矩形范圍內，其中任何一個節(jié)點的無線傳輸半徑設定為30m，節(jié)點的隨機網路拓撲結構如圖7所示。在圖中，假定源節(jié)點為0號節(jié)點，目的節(jié)點為5號節(jié)點。整個仿真時間設定為1000s，在仿真時間內源節(jié)點周期性的向目的節(jié)點發(fā)送大小為150byte的數(shù)據(jù)包。主要針對于源節(jié)點，在不同的時間間隔下仿真了節(jié)點平均時延、能量消耗和吞吐量三個方面，其仿真結果如圖7所示。

圖7 隨機拓撲

如圖8所示，三條曲線分別表示了隨機拓撲下SMAC、TMAC和BA-MAC協(xié)議下端到端的平均時延。如圖9所示，三條曲線分別表示了隨機拓撲下SMAC、TMAC和BA-MAC協(xié)議下仿真結束后整個網絡所消耗的能量。如圖10所示，三條曲線分別表示了隨機拓撲下SMAC、TMAC和BA-MAC協(xié)議下端到端的平均吞吐量。所以通過以上的網絡仿真實驗可以看出，在不同的網絡拓撲結構下，BA-MAC協(xié)議在網絡吞吐量、平均時延和能耗方面都有一定的提高。

圖8 隨機拓撲下端到端分組平均時延

6 結語

基于三維空間傳感器節(jié)點定位模型的基礎上，重點研究了無線傳感器網絡的體系結構和特點、通信協(xié)議棧模型、節(jié)點能量消耗、MAC協(xié)議等問題。針對SMAC和TMAC協(xié)議在節(jié)點能耗節(jié)省中所存在的問題，提出了一種數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)腂A-MAC協(xié)議，通過理論分析和仿真實驗可以得出BA-MAC協(xié)議具有高吞吐量、低延遲和低能耗等優(yōu)點。

圖9 隨機拓撲下的平均能耗比較

圖10 隨機拓撲下端到端平均吞吐量

［1］顧曉燕，孫力娟，郭劍，等.無線傳感器網絡覆蓋質量與節(jié)點休眠優(yōu)化策略［J］.計算機仿真，2011，28（9）：127-131.

GU Xiaoyan，SUN Lijuan，GUO Jian，et al.Optimizaiton Strategy of Coverage Quality and Node Dormancy in Wire?less Sennsor Networks［J］.Computer Simulation，2011，28（9）：127-131.

［2］邢蕭飛，孫澤宇.無線傳感器網絡中應用魯洛三角形的k度覆蓋算法［J］.計算機科學，2011，38（1）：66-68，86.

XING Xiaofei，SUN Zeyu.Reuleaux Triangle-based k-coverage Algorithm in W ireless Sensor Networks［J］.Computer Science，2011，38（1）：66-68，86.

［3］何劍，白光偉.無線傳感器網絡S-MAC協(xié)議性能研究［J］.計算機工程，2010，36（24）：87-89.

HE Jian，BAI Guangwei.Performance Study of S-MAC Protocol in Wireles Senor Network［J］.Computer Engi?neering，2010，36（24）：87-89.

［4］王戰(zhàn)備.無線傳感器網絡能耗分析與節(jié)能策略研究［J］.信息通信，2010（4）：41-43.

WANG Zhanbei.Wireless Sensor Network Energy Con?sumption Analysis and Energy Saving Strategy［J］.Infor?mation&Communications，2010（4）：41-43.

［5］周小佳，吳俠，閆斌.基于移動基站的動態(tài)無線傳感器網絡［J］.西南交通大學學報，2011，46（5）：793-796.

ZHOU Xiaojia，WU Xia，YAN Bing.Dynamic Wireless Sensor Network Based on Mobile Base Station［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2011，46（5）：793-796.

［6］F.Ye，GZhong，5.Lu.A robust Energy conserving Protocol for Long-lived Sensor Network International Conference Network Protocols.November 2002.

［7］A Kamilk，A kumar.Distributed Optimal Self-organiza?tion in a Class of Wireless Sensor Network.INFOCOM’04.March 2004.

［8］王漫，凌曉東，方昀，等.以傳感器為視點的無線傳感器網絡節(jié)點設計趨勢綜述［J］.計算機應用與軟件，2007，24（10）：158-160.

WANG Man，LING Xiaodong，F(xiàn)ANG Yun，et al.The Trend of Wireless Sensor Network Node Designing Based on the View of Sensor［J］.Computer Application and Soft?ware，2007，24（10）：158-160.

［9］Misra S，Woungang I，Misra S C.Guide to Wireless Ad Hoc Networks［M］.Springer，2009：3-15.

［10］ Liu B，Towsley D.A Study on the Coverage of Large-Scale Sensor Networks［C］//The 1st IEEE Interna?tional Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems（MASS’04），F(xiàn)ort Lauderdale，2004：475-483.

［11］Min R，Bhardwaj M，Cho S.-H，et al.Low-Power Wire?less Sensor Networks［C］//The 14th International Confer?ence on VLSIDesign，Bangalore，India，2007：205-210.

［12］崔莉，鞠海玲，苗勇，等.無線傳感器網絡研究進展［J］.計算機研究與發(fā)展，2005，42（1）：163-174.

CUILi，JU Hailing，MIAO Yong，et al.Overview of Wire?less Sensor Networks［J］.Journal of Computer Research and Development，2005，42（1）：163-174.

［13］Newsome J.Song D.GEM：Graph Embedding for Rout?ing and Data-Centric Storage in Sensor Networks With?out Geographic Information［C］//The 1st ACM Confer?ence on Embedded Networked Sensor Systems（SenSys），Los Angeles，CA，2003：76-88.

［14］ Sankarasubramaniam Y，Akan O.B，Akyildiz I.F.ESRT：Event-to-Sink Reliable Transport in Wireless Sensor Networks［C］//4th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing（Mobi?Hoc）.ACM Press，Annapolis，MD，2003：177-188.

［15］Li Jianpo，Jiang Xue，Lu I-Tai.Energy balance routing algorithm based on virtual MIMO scheme for wireless sensor networks［J］.Journal of Sensors，2014：1-7.

［16］Yaghoubi F，Maham B.Energy-efficient RSSI-based lo?calization for wireless sensor networks［J］.Communica?tions Letters，2014，18（6）：973-976.

W ireless Sensor Network Saving Access Protocol A lgorithm

YUAN Huabing
（Department of Information Technology，Xi’an Medical University，Xi’an 710021）

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.023

2017年4月3日，

2017年5月25日

國家自然科學基金（編號：81470493）資助。

袁華兵，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：計算機網絡、無線網絡。