基于跨層競爭的同步MAC協議研究*

馮雪麗， 顏伏伍， 胡 杰

(1.杭州科技職業技術學院 機電工程學院，浙江 杭州 311402； 2.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

基于跨層競爭的同步MAC協議研究*

馮雪麗1,2， 顏伏伍1， 胡 杰1

(1.杭州科技職業技術學院機電工程學院，浙江杭州311402；2.武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢430070)

在無線傳感器網絡(WSNs)中，基于跨層競爭的同步媒體接入控制(MAC)在一周期內可安排多個數據包的多跳傳輸，傳統的協議在同一個數據窗口傳輸請求數據包和確認數據包，降低了數據窗口的多跳流量的建立，也降低了在多跳場景中的數據包傳輸率和傳輸時延性能。本文提出了基于新的基于跨層競爭的同步MAC(CLC-MAC)協議，CLC-MAC協議引用新的周期結構，且其包含兩個獨立窗口，并由該窗口分別傳輸數據請求包和確認包，即請求包在數據窗口傳輸，而確認包在休眠窗口傳輸。實驗數據表明：與先鋒路由幀MAC(PRMAC)協議相比，CLC-MAC協議的端到端傳輸時延和數據包傳輸率的性能均得到了提高。

無線傳感器網絡； 媒體接入控制協議； 跨層競爭； 周期結構； 窗口

0 引 言

檢測并報告偏遠地區或危險區域的異常事件成為無線傳感網絡(wireless sensor networks, WSNs)的重要應用[1～2]。在監測區域內，一旦檢測到異常事件，傳感節點即將數據包傳輸到基站[3，4]。為了實時、快速地檢測異常事件，需降低數據傳輸時延。與異步媒體接入控制(medium access control,MAC)協議相比，同步MAC協議無競爭且具有更低的端到端傳輸時延。因此，基于競爭的同步MAC是這些應用的不錯選擇。

目前，研究人員對同步MAC協議進行了較深入的研究。文獻[5]提出了傳感器MAC(sensor MAC,SMAC)協議，其采用了周期的休眠—喚醒策略控制空閑監聽時間。文獻[6]提出了路由MAC(routing MAC,RMAC)協議。RMAC協議引用交互層(路由層)信息。致使一旦完成媒體競爭，節點就在數據倉庫(data warehouse,DW)內計劃數據包的多跳傳輸。然而與文獻[7～10]相同，RMAC協議在一周期內僅安排一個數據包，即使節點向同一個目的節點傳輸多個數據包。文獻[11]提出了先鋒路由幀MAC(pioneer routing frame MAC,PRMAC)協議。允許在一個周期內傳輸多個數據包。相比于RMAC協議PRMAC協議提高了端到端傳輸時延和數據包傳輸率。

本文以PRMAC協議為基礎，并面向多跳場景，提出了跨層競爭的同步媒體接入控制(cross layer competition MAC,CLC-MAC)協議。CLC-MAC協議引用新的周期策略，將請求發送數據(request to send data,RTSD)包在DW內傳輸，而確認發送數據(confirm to send data,CTSD)包放在休眠窗口(sleep window,SlpW)中傳輸，進而提高了DW中的多跳數據流的長度，并減少了端到端傳輸時延和數據包傳遞率。

1 PRMAC協議

考慮如圖1所示的網絡拓撲圖，節點A離基站(base station,BS)有2跳距離，而節點B位于兩者中間，即節點B成為節點A的下一跳轉發節點。

圖1 網絡拓撲圖

假定節點A需要向基站傳輸2個數據包。數據包傳輸過程如圖2所示。在DW中，當接入媒介后，節點即向下一跳接收節點發送先遣(PION)包。PION包的格式如表1所示。

表1 PION包格式

節點A向節點B發送PION包PION(A)，其包含了2項信息：節點A需要向B傳輸的數據包數Num_transmittedpackets=2和節點A離數據包源節點的距離Hop_source=0。由于源節點就是A，則此項距離為0跳。 當接收PION(B)包，節點B即向其基站傳輸PION包PION(B)，請求數據包傳輸。PION(B)也包含了其需要向基站傳輸的數據包數Num_transmittedpackets=2以及與源節點的距離Hop_source=1，此時，距離為1跳。

當節點A監聽到PION(B)，節點A即進入休眠狀態。如圖2所示，由于DW的剩余時間不足于傳輸PION包，則節點B和C休眠。

休眠時間結束后，節點A和B被喚醒，并開始傳輸和接收數據包。

盡管PRMAC降低了端到端傳輸時延并提高了數據包傳遞率，但存在一些不足：1)PRMAC協議僅當DW的剩余時間不小于TPION+SIFS時，PRMAC協議才傳輸PION包；2)請求數據包和確認數據包均在DW內傳輸。

圖2 PRAMR協議的數據包傳輸過程

2 CLC-MAC算法

2.1 周期結構

CLC-MAC算法的周期結構如圖3所示。每個周期由兩個窗口構成：喚醒窗口(wake window,WW)和SlpW。在WW，所有節點保持喚醒狀態。而WW由SW和DW構成。在SW中，每個節點周期廣播SYNC包，其包含了發送節點的當前喚醒—休眠策略，進而保持同步。

圖3 CLC-MAC算法的周期結構

在DW中，先通過CW完成媒體競爭，節點再請求下一跳節點接收數據包，并轉發RTSD包[12]，進而完成數據包的多跳傳輸。RTSD包含發送節點的地址、接收節點的地址、離源節點跳距、需要發送的數據包數Num_Packets和目的節點地址Add_Des。RTSD的格式如表2所示。

表2 RTSD格式

而在SlpW窗口，所有節點保持休眠狀態。同時，Slpw窗口進一步劃分為2個子窗口：SlpW1和SlpW2。而SlpW1包含了N個確認窗口(confirm window,CFW)和一個請求窗口(request window,RQW)，其中,N可由式(1)計算

(1)

式中TRTSD,TDW分別為傳輸RTSD、窗口DW的時長;SIFS為幀間間隔。

如圖4所示，CFWi表示第i個CFW，且I≤i≤N。而RQW和CFW的窗口分別等于SIFS+TRTSD,SIFS+TCTSD，其中,TCTSD為傳輸CTSD包[12]的時長。如果一個節點接收RTSD包，且其包含發送節點離源節點的跳距。如果跳距為i，則節點就在CFWi+1窗口開始喚醒，并向其上游節點傳輸CTSD包。傳輸的CTSD包含了發送節點地址、接收節點地址，需要傳輸的數據包數。

2.2 數據包傳輸

仍以圖1的網絡拓撲為例，描述數據包傳輸過程。仍假定節點A需通過節點B向信宿S傳輸2個數據包。

在節點A的DW中，一旦接入媒介，節點A就向節點B發送數據請求包RTSD，發送完成，即進入休眠狀態。RTSD包包含了節點A，B和目的節點S的地址，也包含了A欲向信宿S發送的數據包數，即Num_Packets=2，如表2所示。

一旦節點B接收到RTSD包，節點B即向信宿S發送數據請求包RTSD。與節點A類似，傳輸完RTSD包后即進入休眠狀態。最終，信宿S將接收到RTSD包，隨后進入休眠狀態。然后，信宿S在CNF2窗口開始時喚醒，并接收來自節點B的數據包，并向節點B回復CTSD包。CTSD包包含了節點S能夠接收的數據包數，整個數據轉發流程如圖4所示。

圖4 數據包傳輸過程示意

通過這種方式，使得RTSD和CTSD在2個不同窗口傳輸。相比于PRMAC協議，CLC-MAC協議在不增加TDW的同時，提高了流量窗口的長度。

3 性能仿真

3.1 仿真參數

為了更好地分析CLC-MAC協議性能，利用NS2.3.5仿真軟件建立仿真平臺[13,14]，分析CLC-MAC性能，并與PRMAC協議性能進行比較。考慮1 800 m×1 800 m的監測區域，且900個節點均勻分布于監測區域。同時，信宿位于區域中心，即信宿位于(900,900)m。

為了性能分析，改變源節點離信宿的跳距 ，在仿真過程中，h從1至6變化。在每一跳，隨機選擇一個節點作為源節點。源節點產生CBR流量，且數據包間隔為1s。此外，每個傳感節點包含一個全向天線。而PRMAC協議和CLC-MAC協議相關的數據包和控制包尺寸如表3所示。

表3 數據包尺寸

周期時間時長分別如表4所示。

表4 周期時長

3.2 性能分析

分析數據包傳輸時延隨跳距h的影響，如圖5所示。從圖5可知，隨著跳距h的增加，數據包傳輸時延也隨之增加。這主要是：跳距增加了數據包傳輸路徑，必然增加傳輸時延。與PRMAC協議相比，提出的CLC-MAC的傳輸時延得到有效地控制。當跳距為4時，PRMAC協議的傳輸時延約30 s，而CLC-MAC的傳輸時延為18 s，降低了約40 %。隨著跳距的增加，CLC-MAC協議的控制時延的性能越好。當跳距為6時，CLC-MAC協議的端到端傳輸時延較PRMAC協議時延降低了約50 %。

圖5 數據包傳輸時延

圖6顯示了數據包傳輸率隨跳距的變化曲線。從圖6可知，與PRMAC協議相比，提出的CLC-MAC協議的數據傳輸率得到了有效提高，并且隨跳距的增加，兩者的性能差距越大。原因在于：在同一個DW窗口，CLC-MAC協議能夠通過多跳傳輸其數據包。當跳距為6時，CLC-MAC協議的數據包傳輸率較PRMAC協議提高了近38.0 %。

圖6 數據包傳遞率

最后，分析了PRMAC協議和CLC-MAC協議的平均能耗，實驗數據如圖7所示。從圖7可知，CLC-MAC協議的能耗高于PRMAC協議，換言之，CLC-MAC協議是以略高的能耗換取高的數據包傳輸率和低時延。

圖7 平均能耗

4 結束語

針對多跳的無線傳感器網絡的MAC協議，提出了基于跨層競爭的同步媒體接入控制協議CLC-MAC。CLC-MAC協議通過采用2個不同調度窗口分別傳輸請求包和確認包，增加了數據窗口的流量。實驗數據表明：提出的CLC-MAC協議降低了傳輸時延，也提高了數據包傳遞率。然而，與PRMAC協議相比，CLC-MAC協議的能耗較高，亦為后期研究工作的重點。

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ResearchonsynchronousMACprotocolbasedoncrosslayercompetition*

FENG Xue-li1,2, YAN Fu-wu1, HU Jie1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HangzhouPolytechnic,Hangzhou311402,China;2.AutomotiveEngineeringInstitute,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Synchronous medium access control(MAC)protocols based on cross-layer competition for wireless sensor networks(WSNs)enable multi-hop transmission of multiple data packets in a cycle.Traditional protocols transmit both the request-to-send data(RTSD)process and the conrm-to-send data(CTSD)process in the same data transmission scheduling window(i.e.data window),this reduces the length of the multi-hop flow setup in the data window.In a multi-hop scenario,this degrades both the packet delivery ratio and the end-to-end transmission delay.Therefore,a new cross-layer competition based synchronous MAC(CLC-MAC)protocol is proposed.The proposed protocol uses a novel cycle structure,which contains two separate windows for transmitting data request and confirmation packets.It accommodates the request-to-send data process in the data window and the conrmation-to-send data process in the sleep window.Simulation results show that proposed protocol outperforms pioneer routing frame MAC(PRMAC)both in terms of the end-to-end delay and the packet delivery ratio.

wireless sensor networks(WSNs); medium access control(MAC) protocol; cross layer competition; cycle structure; window

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0028—04

TN 929.5

A

1000—9787(2017)11—0028—04

2017—09—05

國家自然科學基金資助項目(E060407); 浙江省教育廳科研資助項目(Y201636781)

馮雪麗(1981-)，女，碩士，副教授，主要研究領域為汽車電子電控技術。

顏伏伍(1967-) ，男，博士，教授，博士生導師，主要研究領域為汽車排放控制及電控技術。