一種基于小規模UWSN網絡的混合MAC協議研究

鄭天銘

摘 要 針對小規模UWSN網絡中單一協議無法適應網絡負載動態變化帶來的影響網絡吞吐量和端到端時延性能問題，提出一種混合Mac協議LSHP（Load? Self-adaptive Hybrid? Protocol）。LSHP結合TDMA和CSMA/CA協議，根據競爭者數目與協議切換關鍵值進行對比從而判斷網絡負載，再選擇相應的時隙分配方式，最后根據節點的優先級和最優退避次數選擇較優的接入方式，進行接入方式的切換。

關鍵詞 水下傳感器網絡;介質訪問控制協議;TDMA協議;CSMA/CA協議

對于小規模UWSN而言網絡負載是動態變化的，在負載較小時，TDMA 協議會造成信道的空閑以及端到端時延的增加，而CSMA/CA協議恰好相反[1]。為了使網絡在任何負載情況下都具備較好的吞吐量和端到端延遲，本文提出了將TDMA和 CSMA/CA 進行結合，得到LSHP（Load? Self-adaptive Hybrid? Protocol）協議。LSHP協議可以根據網絡當前節點競爭數目對CSMA/CA與TDMA協議進行選擇，選擇出合適的數據傳輸協議。

1網絡模型

LSHP的網絡模型是由一個主節點和N個從節點組成的星形集中式網絡，其中主節點為高級節點，負責收集從節點的數據并儲存。LSHP的工作周期是由交替出現的競爭周期以及數據傳輸周期組成的。多個時隙構成一個周期，當前網絡負載情況決定當前周期內時隙的個數。

2協議設計

2.1 時隙設計

水下傳感器網絡的信道沖突具有時空二元性的特點，許多水下 MAC 協議將單個數據幀的發送時間與網絡中最遠節點間的傳播時延設置為單個時隙的長度[2]。LSHP協議中的競爭時隙內節點用預約幀RTS進行信道競爭，將競爭時隙片長度設計為：

式中為數據幀的發送時延，為網絡中節點i與節點j間的傳輸時延。

而在傳輸時隙內，將數據幀的幀長度設計為滿足幀的發送時延與節點間的傳輸時延相同，使數據幀在一個時隙片內被完整接收。所以傳輸時隙片長度為：

2.2 協議轉換值的研究

由于隨著競爭者數目增多，產生碰撞的概率增大，CSMA/CA協議的吞吐量隨競爭者數目的增加而逐漸降低。與之相反，TDMA協議的吞吐量隨競爭者數目的增加而逐漸增大。因此，隨著競爭者的增加，當CSMA/CA協議的吞吐量和TDMA協議的吞吐量相等時，此時的競爭者數目N即是協議的切換關鍵值。

網絡吞吐量是指仿真時間內所有接收的數據包字節與仿真時間的比率，計算如式3所示：

2.3 協議轉換值的研究

當網絡中有3個或者3個以上節點需要競爭信道時，無法在一個時隙內完成預約。此時LSHP協議采用退避算法淘汰競爭節點[3]。然而，當網絡在一個競爭周期內競爭結束后只有1個或者2個節點完成競爭，那么將會有N-1個或者N-2個節點參與下一次的競爭，隨著N值的增加，時隙數也會增加，競爭效率并不理想，所以本文在RTS加入了節點競爭優先級策略，即在預約幀中加入節點競爭優先級參數。定義每個競爭節點各自保存一個初始值為0 的競爭優先級參數a。這個競爭優先級參數用來統計本節點從競爭周期剛剛開始時刻一直到節點被淘汰所經歷過的時隙的總數量。

3實驗結果分析

結果表明，當網絡負載較小時，由于LSHP加入了RTS預約幀導致網絡吞吐量比CSMA/CA協議稍低;當網絡負載較大時，由于LSHP使用額外的競爭時隙來對當前信道的負載量情況進行判斷導致其網絡吞吐量性能比 TDMA 協議稍低。但混合Mac協議LSHP的網絡吞吐量比單一的協議CSMA/CA和TDMA協議有明顯的優化。

參考文獻

[1] 徐亞男.無線傳感器網絡中MAC協議分析[J].軟件導刊，2020， 19（1）：248-255.

[2] 洪璐.水下傳感器網絡高效數據傳輸協議研究[D].青島：中國海洋大學，2011.

[3] 王雪瑞，周巖.基于競爭估計的無線傳感器網絡改進退避算法[J].西安文理學院學報（自然科學版），2015，18（4）：61-65.