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)送端啟動和接收端啟動兩類。同步的發(fā)送端啟動協(xié)議同步代價高，基于前導(dǎo)的異步協(xié)議網(wǎng)絡(luò)利用率低，而接收端啟動的算法會產(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，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)點的消息隊列長度決定當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的盲等，解決了以上問題。在網(wǎng)絡(luò)仿真平臺NS2上的仿真實驗表明，IL-MAC要優(yōu)于RL-MAC，尤其在高負載下優(yōu)勢明顯。
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、計算和無線通信能力的廉價節(jié)點組成，通過節(jié)點間協(xié)作地感知和處理網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域中監(jiān)測對象的相關(guān)信息，為人們提供有關(guān)監(jiān)測對象的詳實而可靠的信息，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、戰(zhàn)場監(jiān)視、城市交通、智能家居等多個領(lǐng)域。
    MAC協(xié)議負責在傳感器節(jié)點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)研究的一個重要方面。
    文獻統(tǒng)計了傳感器節(jié)點中通信單元、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遠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)點休眠時間是節(jié)省能耗的一個重要措施。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，大部分協(xié)議都是通過節(jié)點周期性休眠以及不需要時關(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)送端啟動和接收端啟動兩類。在發(fā)送端啟動的同步協(xié)議中，各節(jié)點使用相同的休眠調(diào)度表，在各自規(guī)定的時間醒來參與通信活動，保證節(jié)點盡可能多地休眠而不會錯過任何一個數(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)點空閑監(jiān)聽的時間，但要求節(jié)點間保持精確同步，而其開銷卻是不可忽視的。在發(fā)送端啟動的異步協(xié)議中，各節(jié)點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)送時在信道中發(fā)送一個長度略長于接收端休眠時間的前導(dǎo)信號，接收節(jié)點在醒來監(jiān)聽到前導(dǎo)信號時便開始接收數(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)送時在信道中靜默監(jiān)聽，接收端醒來后即發(fā)送信標(beacon消息)，發(fā)送端在監(jiān)聽到信標后發(fā)送數(shù)據(jù)。該算法由于消除了發(fā)送端前導(dǎo)信號對信道的占用，提高了信道的利用率。但是在高負載情況下，發(fā)送端的盲等、過聽會造成節(jié)點能量的大量消耗，另外正在發(fā)送的節(jié)點可能會較長時間占用信道，導(dǎo)致其它節(jié)點的數(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，也是它的缺點。優(yōu)點是避免了某個發(fā)送節(jié)點長時間占用信道，缺點是發(fā)送端和接收端失去了有效的溝通渠道，在負載較大時可能導(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)聽整個時間段，始終未監(jiān)聽到R1，數(shù)據(jù)傳輸被長時間推遲。

    在發(fā)送端啟動的異步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，能否進行數(shù)據(jù)傳輸要取決于是否有發(fā)送端正準備向其發(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，只能被動等待傳輸請求，卻無法主動要求進行數(shù)據(jù)傳輸。
    作為一個異步MAC協(xié)議，RI-MAC去除了節(jié)點間的同步。這在避免節(jié)點同步開銷的同時，也使得發(fā)送節(jié)點無法知道接收端什么時候醒來。從而發(fā)送節(jié)點必須一直監(jiān)聽，直至數(shù)據(jù)成功傳輸。在圖2的例子中，S1長時間監(jiān)聽信道而得不到發(fā)送的機會。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RI-MAC協(xié)議進行改進。

2 IL-MAC協(xié)議設(shè)計要點
    IL-MAC主要在以下幾個方面對RI-MAC進行改進：
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)負載較輕時，發(fā)送端不使用前導(dǎo)：在數(shù)據(jù)積累較多時，發(fā)送端發(fā)送前導(dǎo)，主動請求數(shù)據(jù)傳輸，以期盡快進行數(shù)據(jù)傳輸。為此，每個發(fā)送端設(shè)定一個隊列長度門限Qmax。發(fā)送端有數(shù)據(jù)要發(fā)送時檢查隊列長度，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)主動要求與接收端建立連接。
    在圖3中，S的隊列長度小于等于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的隊列長度大于Qmax，S主動發(fā)送一系列包含接收節(jié)點(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。

    進一步地，算法還可以在每個數(shù)據(jù)包中加入產(chǎn)生時間或優(yōu)先級等信息，節(jié)點可以根據(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。節(jié)點在廣播的hello消息中均包含該節(jié)點的休眠調(diào)度信息，這樣鄰居節(jié)點可以建立起一個休眠調(diào)度表。發(fā)送端有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，先檢查鄰居休眠調(diào)度表；若表中有接收節(jié)點的休眠調(diào)度信息，可休眠并在接收端醒來前的某個時刻醒來；如沒有接收節(jié)點的調(diào)度信息，堅持監(jiān)聽信道。
    一般來說，每個節(jié)點都有一個常規(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性的休眠調(diào)度，但臨時調(diào)度行為不會干擾節(jié)點固有的休眠調(diào)度周期。圖5為某個節(jié)點的實際休眠調(diào)度周期圖，其中每個slot為一個正常的休眠周期。節(jié)點在slot1收發(fā)完數(shù)據(jù)后休眠；在slot2醒來，發(fā)現(xiàn)隊列長度大于QImax，查看鄰居休眠表后再轉(zhuǎn)入休眠；若干時間后醒來發(fā)送前導(dǎo)，與接收端完成數(shù)據(jù)傳輸后，再次進入休眠。在slot3醒來后，為等待接收端的hello消息而長時間監(jiān)聽信道，直至slot4完成傳輸后休眠；在slot5仍按時醒來。

    由于晶振頻率的不一致，各節(jié)點會有計時上的誤差，即時鐘偏移，需要進行同步。節(jié)點在所發(fā)送的每個hello消息中都包含最近一次按常規(guī)調(diào)度醒來的時間，并在hello包上打上發(fā)送時間戳。收到hello消息的節(jié)點將包中的發(fā)送時間戳加上hello消息的發(fā)送延遲(消息長度／發(fā)送速度)，得到鄰居節(jié)點的當前時鐘值(忽略信號傳播時間)。節(jié)點將自己的當前時鐘值減去鄰居節(jié)點的當前時鐘值，得到相對于該鄰居節(jié)點的時鐘偏移量。為減小估計誤差，可對最近n次的時鐘偏移量取算術(shù)平均值，作為當前時刻相對于該鄰居節(jié)點的時鐘偏移。
    各節(jié)點通過與鄰居節(jié)點交換hello消息，獲得與鄰居節(jié)點的時鐘偏差，并以此修正鄰居休眠調(diào)度表。由于每個節(jié)點的調(diào)度周期相同，所以鄰居休眠調(diào)度表中只記錄每個鄰居最近一次常規(guī)調(diào)度醒來的時間。
2．3 競爭信道
    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，這在某些情況下會導(dǎo)致接收節(jié)點長時間占用信道。例如在一個樹型網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點都要向樹根傳輸數(shù)據(jù)，越靠近樹根的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)壓力越大。假如有兩個靠近樹根的節(jié)點是鄰居，就可能出現(xiàn)一個節(jié)點長時間占用信道，而另一個節(jié)點長時間無法接收數(shù)據(jù)的情況。
    取消beacon消息的第二個作用可以較好地避免這個問題，即當一個節(jié)點接收完數(shù)據(jù)后放棄信道，然后所有節(jié)點重新競爭信道，這會使網(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，如圖6所示。其中，幀長度、FCF(Frame Control Field)和FCS(Frame Check Seq-uence)為原有的域。Hello消息增加了用于標記幀功能的H域、接收節(jié)點和發(fā)送節(jié)點ID，記錄最近一次常規(guī)調(diào)度醒來時間的sys域和hello包發(fā)送時間戳time-stamp。

    節(jié)點發(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域為空，發(fā)生沖突后填入KBW值，確認傳輸成功的hello幀中填入Dst域，防止其它節(jié)點向其傳輸數(shù)據(jù)。H域的第一位(0／1)標識該幀是接收節(jié)點發(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)標識該幀中BW域是否有效，第三位(0／1)標識該幀中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)計的，其中除Hardware Preamble、Frame length、FCF及FCS四個固定域以外，加入了接收節(jié)點ID(Dst域)。

3 仿真實驗
    我們在NS2平臺上仿照了RI-MAC的實驗設(shè)置在網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)下比較了RI-MAC與IL-MAC算法，其中節(jié)點傳輸半徑為250m，無線鏈路速率250 kb／s，前導(dǎo)包長度6個字節(jié)，數(shù)據(jù)包長度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包長度為13字節(jié)。
    實驗場景采用7×7的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)，每個格點上設(shè)一個節(jié)點，每個格子的邊長為200m，接收節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)中心，每個節(jié)點的通信半徑為250m。在實驗中利用不同范圍內(nèi)的節(jié)點依次產(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)負載。實驗以接收節(jié)點為中心，依次采用9個節(jié)點(500m×500m，8個發(fā)送節(jié)點和1個接收節(jié)點)和49個節(jié)點(1500m×1500m，48個發(fā)送節(jié)點和1個接收節(jié)點)的正方形區(qū)域劃分為兩組實驗，在每組實驗中每個發(fā)送節(jié)點每秒產(chǎn)生10、20和30個包依次進行對比試驗。仿真時間為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次實驗的平均值作為實驗結(jié)果。
    圖8、9為平均延遲隨節(jié)點發(fā)包數(shù)量變化的曲線。從圖8可以看出，在網(wǎng)絡(luò)中負載較低、節(jié)點數(shù)量較少時，IL-MAC中節(jié)點的平均延遲稍稍好于RI-MAC。而當節(jié)點數(shù)量增加時，如圖9所示，IL-MAC算法在延遲上要明顯好于RI-MAC。這是因為IL-MAC能夠通過發(fā)送端傳輸模式的變換及時進行傳輸，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)點數(shù)量及發(fā)送速率的變化曲線。總的來說，IL-MAC協(xié)議在耗能上低于RL-MAC。由于IL-MAC在網(wǎng)絡(luò)初始化時需要進行局部同步，會有一定的額外開銷，因此在發(fā)送節(jié)點較少時IL-MAC的優(yōu)勢并不明顯。但是隨著發(fā)送節(jié)點的增多，節(jié)點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)勢逐漸顯現(xiàn)出來。如圖11中，IL-MAC在較高負載時的性能要遠遠好于RI-MAC算法。

    圖12、13為平均吞吐量隨發(fā)送節(jié)點及發(fā)包速率的變化曲線。IL-MAC協(xié)議在9個節(jié)點的網(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)點過多時，因接收端相同發(fā)生沖突的概率很大，會造成吞吐量下降。如圖13中，當發(fā)包速度提高到每秒30個包時，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)點能夠盡量縮短前導(dǎo)的長度，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)送端啟動和接收端啟動算法的優(yōu)點，設(shè)計和實現(xiàn)了一個能夠自適應(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)送端消息隊列的長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)；當網(wǎng)絡(luò)中負載較大時，避免了多個節(jié)點同時向一個節(jié)點發(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)點實時監(jiān)聽的時間。IL-MAC在RI-MAC基礎(chǔ)上進行的一些改進充分利用了網(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、可變的因素，使算法性能更加穩(wěn)定、均衡。
    此外在實驗過程中也發(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)點在傳輸消息，則鄰居節(jié)點只能進行休眠。而多信道可以利用不同的頻率同時進行傳輸，在很大程度上減少沖突的發(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。