無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效的MAC協(xié)議研究

摘要：目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議可分為發(fā)送端啟動(dòng)和接收端啟動(dòng)兩類。同步的發(fā)送端啟動(dòng)協(xié)議同步代價(jià)高，基于前導(dǎo)的異步協(xié)議網(wǎng)絡(luò)利用率低，而接收端啟動(dòng)的算法會(huì)產(chǎn)生發(fā)送端盲等等問題。本文結(jié)合這兩類協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出一種可自適應(yīng)變換數(shù)據(jù)傳輸模式的MAC協(xié)議(IL-MAC)。該協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)的消息隊(duì)列長(zhǎng)度決定當(dāng)前使用哪種傳輸模式，并通過局部同步算法減少發(fā)送端與接收端在建立連接時(shí)的盲等，解決了以上問題。在網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)NS2上的仿真實(shí)驗(yàn)表明，IL-MAC要優(yōu)于RL-MAC，尤其在高負(fù)載下優(yōu)勢(shì)明顯。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；MAC協(xié)議；自適應(yīng)傳輸模式變換

0 引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)由大量具有感知、計(jì)算和無線通信能力的廉價(jià)節(jié)點(diǎn)組成，通過節(jié)點(diǎn)間協(xié)作地感知和處理網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域中監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息，為人們提供有關(guān)監(jiān)測(cè)對(duì)象的詳實(shí)而可靠的信息，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、城市交通、智能家居等多個(gè)領(lǐng)域。
    MAC協(xié)議負(fù)責(zé)在傳感器節(jié)點(diǎn)間分配有限的通信資源，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層通信結(jié)構(gòu)，因此是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重要方面。
    文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)了傳感器節(jié)點(diǎn)中通信單元、處理單元和傳感單元的能量消耗，如圖1所示。從圖中可以看到，傳感單元和處理單元的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通信單元的能耗，而在通信單元的四種狀態(tài)中，能耗依次按休眠、監(jiān)聽、接收及發(fā)送遞增，所以盡量增大節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間是節(jié)省能耗的一個(gè)重要措施。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議都將節(jié)省能耗作為研究重點(diǎn)，大部分協(xié)議都是通過節(jié)點(diǎn)周期性休眠以及不需要時(shí)關(guān)閉無線電收發(fā)器來節(jié)省能量。

    目前傳感器網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議大致可以分為發(fā)送端啟動(dòng)和接收端啟動(dòng)兩類。在發(fā)送端啟動(dòng)的同步協(xié)議中，各節(jié)點(diǎn)使用相同的休眠調(diào)度表，在各自規(guī)定的時(shí)間醒來參與通信活動(dòng)，保證節(jié)點(diǎn)盡可能多地休眠而不會(huì)錯(cuò)過任何一個(gè)數(shù)據(jù)。這類協(xié)議的典型代表有S-MAC、T-MAC等。此類協(xié)議可以極大地減少節(jié)點(diǎn)空閑監(jiān)聽的時(shí)間，但要求節(jié)點(diǎn)間保持精確同步，而其開銷卻是不可忽視的。在發(fā)送端啟動(dòng)的異步協(xié)議中，各節(jié)點(diǎn)不需要按照相同的休眠調(diào)度表工作，發(fā)送端在有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)在信道中發(fā)送一個(gè)長(zhǎng)度略長(zhǎng)于接收端休眠時(shí)間的前導(dǎo)信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)在醒來監(jiān)聽到前導(dǎo)信號(hào)時(shí)便開始接收數(shù)據(jù)。這類協(xié)議消除了顯式同步的需要，但由于大量的前導(dǎo)消息增大信道的壓力，降低了信道的整體利用率。這類協(xié)議的典型代表有B-MAC、X-MAC等。
    接收端啟動(dòng)的協(xié)議是近兩年提出的一種新協(xié)議，典型代表為RI-MAC。發(fā)送端有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)在信道中靜默監(jiān)聽，接收端醒來后即發(fā)送信標(biāo)(beacon消息)，發(fā)送端在監(jiān)聽到信標(biāo)后發(fā)送數(shù)據(jù)。該算法由于消除了發(fā)送端前導(dǎo)信號(hào)對(duì)信道的占用，提高了信道的利用率。但是在高負(fù)載情況下，發(fā)送端的盲等、過聽會(huì)造成節(jié)點(diǎn)能量的大量消耗，另外正在發(fā)送的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間占用信道，導(dǎo)致其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸延遲增大。

1 問題描述與分析
    由上述分析可知，異步的RI-MAC協(xié)議沒有采用發(fā)送端前導(dǎo)偵聽技術(shù)，這既是它的優(yōu)點(diǎn)，也是它的缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是避免了某個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間占用信道，缺點(diǎn)是發(fā)送端和接收端失去了有效的溝通渠道，在負(fù)載較大時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)送端盲等和數(shù)據(jù)傳輸延遲增加。在圖2的例子中，S1和S2監(jiān)聽信道，等待各自的接收端R1和R2醒來。R2首先醒來發(fā)送beacon消息，s2向。R2發(fā)送數(shù)據(jù)。在此過程中R1醒來，發(fā)現(xiàn)信道被占用后轉(zhuǎn)入休眠。隨后S3監(jiān)聽信道準(zhǔn)備向R3發(fā)送數(shù)據(jù)，R3醒來后與S3建立數(shù)據(jù)傳輸。在此過程中S1再次醒來，發(fā)現(xiàn)信道仍被占用，再次轉(zhuǎn)入休眠。S1監(jiān)聽整個(gè)時(shí)間段，始終未監(jiān)聽到R1，數(shù)據(jù)傳輸被長(zhǎng)時(shí)間推遲。

    在發(fā)送端啟動(dòng)的異步MAC協(xié)議中，前導(dǎo)被發(fā)送端用來獲取信道并聲明有數(shù)據(jù)發(fā)送，只要相應(yīng)的接收端如期醒來，數(shù)據(jù)傳輸就能夠完成。而RJ-MAC依靠接收端發(fā)送beacon消息來聲明自己的存在，能否進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸要取決于是否有發(fā)送端正準(zhǔn)備向其發(fā)送數(shù)據(jù)。也就是說，作為數(shù)據(jù)生產(chǎn)者或轉(zhuǎn)發(fā)者的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，只能被動(dòng)等待傳輸請(qǐng)求，卻無法主動(dòng)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
    作為一個(gè)異步MAC協(xié)議，RI-MAC去除了節(jié)點(diǎn)間的同步。這在避免節(jié)點(diǎn)同步開銷的同時(shí)，也使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)無法知道接收端什么時(shí)候醒來。從而發(fā)送節(jié)點(diǎn)必須一直監(jiān)聽，直至數(shù)據(jù)成功傳輸。在圖2的例子中，S1長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)聽信道而得不到發(fā)送的機(jī)會(huì)。此外，接收端在接收完一幀數(shù)據(jù)后，使用beacon消息作為響應(yīng)，發(fā)送端有數(shù)據(jù)可繼續(xù)向其發(fā)送。這種策略使得接收端一旦開始接收數(shù)據(jù)后，將一直占用信道，直到發(fā)送結(jié)束。
    基于以上分析，本文考慮對(duì)RI-MAC協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。

2 IL-MAC協(xié)議設(shè)計(jì)要點(diǎn)
    IL-MAC主要在以下幾個(gè)方面對(duì)RI-MAC進(jìn)行改進(jìn)：
2．1 自適應(yīng)前導(dǎo)技術(shù)
    自適應(yīng)前導(dǎo)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，發(fā)送端不使用前導(dǎo)：在數(shù)據(jù)積累較多時(shí)，發(fā)送端發(fā)送前導(dǎo)，主動(dòng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸，以期盡快進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為此，每個(gè)發(fā)送端設(shè)定一個(gè)隊(duì)列長(zhǎng)度門限Qmax。發(fā)送端有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)檢查隊(duì)列長(zhǎng)度，小于等于Qmax則采用無前導(dǎo)方式，監(jiān)聽信道等待接收端醒來；若大于Omax，發(fā)送前導(dǎo)主動(dòng)要求與接收端建立連接。
    在圖3中，S的隊(duì)列長(zhǎng)度小于等于Qmax，S監(jiān)聽信道等待R醒來；R醒來后發(fā)送hello消息；S聽到后向R發(fā)送數(shù)據(jù)；R發(fā)送hello消息告知傳輸完畢。在圖4中，S的隊(duì)列長(zhǎng)度大于Qmax，S主動(dòng)發(fā)送一系列包含接收節(jié)點(diǎn)(R)地址的前導(dǎo)消息(preamble)；R醒來后聽到前導(dǎo)消息，在前導(dǎo)發(fā)送的間隔回復(fù)hello消息；S發(fā)送數(shù)據(jù)；R接收完畢后發(fā)送hello消息，告知接收完畢。

    進(jìn)一步地，算法還可以在每個(gè)數(shù)據(jù)包中加入產(chǎn)生時(shí)間或優(yōu)先級(jí)等信息，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)數(shù)據(jù)包的緊急程度選擇采用何種發(fā)送方式。

2．2 局部同步
    RI-MAC的發(fā)送端并不主動(dòng)尋求與接收端同步，而是靜靜地監(jiān)聽信道。IL-MAC通過引入局部同步來改善這一點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)在廣播的hello消息中均包含該節(jié)點(diǎn)的休眠調(diào)度信息，這樣鄰居節(jié)點(diǎn)可以建立起一個(gè)休眠調(diào)度表。發(fā)送端有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，先檢查鄰居休眠調(diào)度表；若表中有接收節(jié)點(diǎn)的休眠調(diào)度信息，可休眠并在接收端醒來前的某個(gè)時(shí)刻醒來；如沒有接收節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息，堅(jiān)持監(jiān)聽信道。
    一般來說，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)常規(guī)的休眠周期，即沒有數(shù)據(jù)收發(fā)情況下的休眠周期。自適應(yīng)前導(dǎo)技術(shù)，在常規(guī)的休眠周期中引入一些臨時(shí)性的休眠調(diào)度，但臨時(shí)調(diào)度行為不會(huì)干擾節(jié)點(diǎn)固有的休眠調(diào)度周期。圖5為某個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際休眠調(diào)度周期圖，其中每個(gè)slot為一個(gè)正常的休眠周期。節(jié)點(diǎn)在slot1收發(fā)完數(shù)據(jù)后休眠；在slot2醒來，發(fā)現(xiàn)隊(duì)列長(zhǎng)度大于QImax，查看鄰居休眠表后再轉(zhuǎn)入休眠；若干時(shí)間后醒來發(fā)送前導(dǎo)，與接收端完成數(shù)據(jù)傳輸后，再次進(jìn)入休眠。在slot3醒來后，為等待接收端的hello消息而長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)聽信道，直至slot4完成傳輸后休眠；在slot5仍按時(shí)醒來。

    由于晶振頻率的不一致，各節(jié)點(diǎn)會(huì)有計(jì)時(shí)上的誤差，即時(shí)鐘偏移，需要進(jìn)行同步。節(jié)點(diǎn)在所發(fā)送的每個(gè)hello消息中都包含最近一次按常規(guī)調(diào)度醒來的時(shí)間，并在hello包上打上發(fā)送時(shí)間戳。收到hello消息的節(jié)點(diǎn)將包中的發(fā)送時(shí)間戳加上hello消息的發(fā)送延遲(消息長(zhǎng)度／發(fā)送速度)，得到鄰居節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時(shí)鐘值(忽略信號(hào)傳播時(shí)間)。節(jié)點(diǎn)將自己的當(dāng)前時(shí)鐘值減去鄰居節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時(shí)鐘值，得到相對(duì)于該鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移量。為減小估計(jì)誤差，可對(duì)最近n次的時(shí)鐘偏移量取算術(shù)平均值，作為當(dāng)前時(shí)刻相對(duì)于該鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移。
    各節(jié)點(diǎn)通過與鄰居節(jié)點(diǎn)交換hello消息，獲得與鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏差，并以此修正鄰居休眠調(diào)度表。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度周期相同，所以鄰居休眠調(diào)度表中只記錄每個(gè)鄰居最近一次常規(guī)調(diào)度醒來的時(shí)間。
2．3 競(jìng)爭(zhēng)信道
    在RI-MAC中，接收端接收完一幀后發(fā)送的beacon消息有兩個(gè)作用，一是告知數(shù)據(jù)接收完畢，二是詢問是否還有節(jié)點(diǎn)要向它發(fā)送。因此，正在通信的接收端具有優(yōu)先使用信道的權(quán)利，這在某些情況下會(huì)導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間占用信道。例如在一個(gè)樹型網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都要向樹根傳輸數(shù)據(jù)，越靠近樹根的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)壓力越大。假如有兩個(gè)靠近樹根的節(jié)點(diǎn)是鄰居，就可能出現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間占用信道，而另一個(gè)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間無法接收數(shù)據(jù)的情況。
    取消beacon消息的第二個(gè)作用可以較好地避免這個(gè)問題，即當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收完數(shù)據(jù)后放棄信道，然后所有節(jié)點(diǎn)重新競(jìng)爭(zhēng)信道，這會(huì)使網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸更均衡。
2．4 消息格式
    Hello包在IEEE 802．1 5．4的beacon幀基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，如圖6所示。其中，幀長(zhǎng)度、FCF(Frame Control Field)和FCS(Frame Check Seq-uence)為原有的域。Hello消息增加了用于標(biāo)記幀功能的H域、接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID，記錄最近一次常規(guī)調(diào)度醒來時(shí)間的sys域和hello包發(fā)送時(shí)間戳time-stamp。

    節(jié)點(diǎn)發(fā)送的hello消息(查詢是否有發(fā)送給自己的數(shù)據(jù))中Dst及BW域?yàn)榭?，發(fā)生沖突后填入KBW值，確認(rèn)傳輸成功的hello幀中填入Dst域，防止其它節(jié)點(diǎn)向其傳輸數(shù)據(jù)。H域的第一位(0／1)標(biāo)識(shí)該幀是接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的探詢Hello消息還是響應(yīng)發(fā)送端前導(dǎo)的hello消息，第二位(0／1)標(biāo)識(shí)該幀中BW域是否有效，第三位(0／1)標(biāo)識(shí)該幀中Dst域是否有效，其余位置0。
    圖7為前導(dǎo)消息格式，也是在IEEE 802．15．4的幀基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，其中除Hardware Preamble、Frame length、FCF及FCS四個(gè)固定域以外，加入了接收節(jié)點(diǎn)ID(Dst域)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)
    我們?cè)贜S2平臺(tái)上仿照了RI-MAC的實(shí)驗(yàn)設(shè)置在網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下比較了RI-MAC與IL-MAC算法，其中節(jié)點(diǎn)傳輸半徑為250m，無線鏈路速率250 kb／s，前導(dǎo)包長(zhǎng)度6個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度50字節(jié)，回退窗口大小0～255，最大重傳次數(shù)5次，自定義的Hello包長(zhǎng)度為13字節(jié)。
    實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景采用7×7的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)格點(diǎn)上設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)格子的邊長(zhǎng)為200m，接收節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)中心，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信半徑為250m。在實(shí)驗(yàn)中利用不同范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)依次產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，在相關(guān)的空間范圍內(nèi)指定數(shù)據(jù)流來模擬網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。實(shí)驗(yàn)以接收節(jié)點(diǎn)為中心，依次采用9個(gè)節(jié)點(diǎn)(500m×500m，8個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和1個(gè)接收節(jié)點(diǎn))和49個(gè)節(jié)點(diǎn)(1500m×1500m，48個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和1個(gè)接收節(jié)點(diǎn))的正方形區(qū)域劃分為兩組實(shí)驗(yàn)，在每組實(shí)驗(yàn)中每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)每秒產(chǎn)生10、20和30個(gè)包依次進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。仿真時(shí)間為30分鐘，觀察網(wǎng)絡(luò)中的平均延遲、平均能耗以及吞吐量，取10次實(shí)驗(yàn)的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
    圖8、9為平均延遲隨節(jié)點(diǎn)發(fā)包數(shù)量變化的曲線。從圖8可以看出，在網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載較低、節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，IL-MAC中節(jié)點(diǎn)的平均延遲稍稍好于RI-MAC。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)，如圖9所示，IL-MAC算法在延遲上要明顯好于RI-MAC。這是因?yàn)镮L-MAC能夠通過發(fā)送端傳輸模式的變換及時(shí)進(jìn)行傳輸，將一些延遲高的數(shù)據(jù)通過前導(dǎo)優(yōu)先發(fā)送。

    圖10、11為平均能耗隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量及發(fā)送速率的變化曲線?？偟膩碚f，IL-MAC協(xié)議在耗能上低于RL-MAC。由于IL-MAC在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)需要進(jìn)行局部同步，會(huì)有一定的額外開銷，因此在發(fā)送節(jié)點(diǎn)較少時(shí)IL-MAC的優(yōu)勢(shì)并不明顯。但是隨著發(fā)送節(jié)點(diǎn)的增多，節(jié)點(diǎn)之間的相互影響增大，IL-MAC通過睡眠調(diào)度節(jié)省能耗的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來。如圖11中，IL-MAC在較高負(fù)載時(shí)的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于RI-MAC算法。

    圖12、13為平均吞吐量隨發(fā)送節(jié)點(diǎn)及發(fā)包速率的變化曲線。IL-MAC協(xié)議在9個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中吞吐量與RI-MAC基本持平，在7×7的網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出較好的性能提升。由于去除前導(dǎo)技術(shù)在發(fā)送節(jié)點(diǎn)過多時(shí)，因接收端相同發(fā)生沖突的概率很大，會(huì)造成吞吐量下降。如圖13中，當(dāng)發(fā)包速度提高到每秒30個(gè)包時(shí)，RI-MAC的吞吐量有一定的下降。而前導(dǎo)傳輸較少產(chǎn)生沖突，隨著局部同步的引入，發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠盡量縮短前導(dǎo)的長(zhǎng)度，相比較于產(chǎn)生沖突的去前導(dǎo)來說，IL-MAC能得到更高的吞吐量。

4 結(jié)束語
    本文結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送端啟動(dòng)和接收端啟動(dòng)算法的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能夠自適應(yīng)轉(zhuǎn)換前導(dǎo)發(fā)送模式并具有局部同步功能的IL-MAC協(xié)議。該協(xié)議根據(jù)發(fā)送端消息隊(duì)列的長(zhǎng)度來決定是否采用前導(dǎo)發(fā)送模式，減少了接收端的饑餓狀態(tài)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載較大時(shí)，避免了多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)帶來的沖突，確保發(fā)送端能盡快與接收端完成消息傳遞；采用局部同步算法，大大減少了發(fā)送節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)聽的時(shí)間。IL-MAC在RI-MAC基礎(chǔ)上進(jìn)行的一些改進(jìn)充分利用了網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)度信息，克服了RI-MAC存在的不足，有效地降低了網(wǎng)絡(luò)延遲，也在一定程度上克服了網(wǎng)絡(luò)中一些隨機(jī)、可變的因素，使算法性能更加穩(wěn)定、均衡。
    此外在實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)，由于本算法基于單信道通訊，若通信范圍內(nèi)有節(jié)點(diǎn)在傳輸消息，則鄰居節(jié)點(diǎn)只能進(jìn)行休眠。而多信道可以利用不同的頻率同時(shí)進(jìn)行傳輸，在很大程度上減少?zèng)_突的發(fā)生，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，下一步擬采用多信道傳輸?shù)腎L-MAC，使其能更好地適應(yīng)更多應(yīng)用的需要。