Ｅμ－ＭＡＣ：一種高效的混合型無線傳感器網絡ＭＡＣ協議

（廣東工業大學 自動化學院 控制網絡與系統研究所， 廣州 510006）

摘 要：結合基于競爭與調度機制的混合型方案是高效的無線傳感器網絡MAC協議的重要解決思路。在深入研究混合型協議μ-MAC的基礎上，提出一種增強型的協議Eμ-MAC。它針對周期性數據采集型應用，跨層參考應用層的流量信息來分配時槽，并解決了μ-MAC中GT子信道效率低、動態拓撲適應性及時鐘同步問題。仿真結果表明，相對于μ-MAC，Eμ-MAC增強了協議的擴展性，進一步提高了節能效率。

關鍵詞：無線傳感器網絡；混合型；介質訪問控制協議；μ-MAC；Eμ-MAC

中圖分類號：TP393.04文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)04-1456-04

Eμ-MAC:efficient hybrid MAC protocol for wireless sensor networks

GU Lian-hua，CHENG Liang-lun

(Networks System Research Institute， Faculty of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China)

Abstract:Combining the contention-based and scheduled-based mechanisms is an important solution for wireless sensor networks (WSN) MAC protocols.This paper studied a hybrid WSN MAC protocol μ-MAC in-depth and proposed an enhanced μ-MAC protocol Eμ-MAC.Eμ-MAC， designing for the periodic data collection applications，adopted the traffic information in the application layer to schedule slots. Furthermore， it solved the problems in μ-MAC of the low efficiency of GT sub-channel， the adaptability to the dynamic topology and clock synchronization. The simulation results show that Eμ-MAC enables better adaptability and is more energy-efficient than μ-MAC.

Key words:wireless sensor networks; hybrid; MAC; μ-MAC; Eμ-MAC

無線傳感器網絡（wireless sensor networks，WSN）是一種特殊的無線多跳分布式網絡，它不需要固定網絡的支持，具有快速組網、休眠節能、抗毀性強等特點。WSN相對于傳統的無線網絡，有明顯的資源吝惜和動態變化的特點，對其通信協議提出了特別的要求。介質訪問控制（medium access control，MAC）協議決定WSN無線信道的使用方式，在傳感器節點之間分配有限的無線信道資源，是保證WSN網絡高效通信的關鍵網絡協議之一。

WSN的特殊性決定了其 MAC協議的設計指標與傳統網絡不同，WSN MAC主要關注節能效率、時延、傳達率（可靠性），且節能性能首當其沖。現有的WSN MAC協議，根據信道接入方式大致可以分為三類[1]：基于競爭的（如大多數經典的WSN MAC協議如S-MAC[2]、T-MAC[3]和B-MAC[4]、AC-MAC/DPM［5］等）、基于預約/調度的（普遍采用TDMA機制，如EA-MAC[6]、D-MAC[7]和DEANA[8]等）以及兩者混合的機制。文獻[9]指出結合兩種方式的MAC協議是高效WSN MAC的重要解決方法。競爭性MAC機制與調度機制的有機結合可以平衡兩者的優勢和不足，提供良好的動態性和適應性，取得更好的性能。已有學者提出一些混合型的WSN MAC協議，（Z-MAC[10]、TRAMA[11]、μ-MAC[12]和A2-MAC[13]），混合型MAC協議普遍算法過于復雜（如Z-MAC和TRAMA）或研究不夠充分（如A2-MAC）。μ-MAC是其中一種典型的混合型WSN MAC，不僅算法簡易可行，而且性能優越，在針對數據采集型網絡的應用中能達到很好的效果。本文在研究μ-MAC的基礎上提出一種高效的混合型協議，即Eμ-MAC（enhanced μ-MAC），它保留了μ-MAC協議主要的控制策略，并進一步提高了其節能效率，而不明顯降低時延性能。

1 μ-MAC協議分析

1.1 μ-MAC的應用模型及網絡結構

μ-MAC的新穎之處在于根據應用層的信息，利用流量指示來提高MAC協議的性能。它的應用模型是周期性數據采集型WSN，如環境監測應用。網絡中有一個單獨于WSN傳感節點之外的固定基站（base station， BS），負責發出興趣任務指令及匯聚報告數據。網絡絕大部分流量是從傳感節點到基站的周期性數據包。μ-MAC設計的目標是高的節能效率，同時提供可接受的時延和可靠性，即包傳達率。

μ-MAC有幾個前提：假設有一個外部的信標源實現了本地同步；網絡拓撲不能頻繁變化；流量模式的信息可獲得。

1.2 μ-MAC的信道結構和運行

μ-MAC的信道結構包含競爭期和無競爭期，如圖1所示。

競爭期采用分時槽的隨機競爭接入方式，為保證包99%傳達，根據文獻[14]，重發次數為7，則競爭時槽總數至少為7×1.44×N，N為節點平均的兩跳內鄰居數。競爭期傳輸控制指令，進行網絡拓撲建立（鄰居發現）和子信道初始化。

無競爭期采用TDMA調度接入方式。相鄰兩個時槽之間留有轉換間隔，以補償同步漂移。無競爭期傳輸主流的報告數據。時槽選擇采用NCR算法[15]（neighborhood-aware contention resolution，鄰居感知競爭分解）。無競爭期復用了兩種子信道，即一般流量子信道（general traffic，GT）和傳感報告子信道（sensor report，SR）。GT子信道是每相隔大致相同的時隔Pg根據NCR算法選取一個時槽組成的。間隔Pg決定了GT子信道分配的帶寬，是網絡運行前固定設置的。μ-MAC只有一個GT子信道，傳輸任務控制信息。SR子信道是根據傳感興趣任務需求的帶寬，在無競爭期每相隔至少Ps時隔選取一個時槽組成的。間隔Ps決定了SR子信道分配的帶寬，而Ps根據應用層流量信息決定?？纱嬖贜個SR子信道，每個SR子信道服務于一個興趣任務。

協議的運行有如下三個步驟（圖2）：

a）基站在GT子信道廣播INTEREST包，請求數據，包括數據類型、數據報告的頻率、總有效時長，中間節點進行帶寬注冊和綁定，傳遞INTEREST包；

b）興趣節點在GT子信道回發RESERVE包，逐跳傳遞回基站，并一路上預約帶寬，激活SR子信道；

c）節點產生REPORT包，使用SR子信道，周期性地回送到基站。

1.3 μ-MAC的主要機制

對于拓撲建立、時槽分配，μ-MAC主要有以下機制：

在競爭期，采用TRAMA的NP（neighbor protocol）協議[16]算法，建立一致的兩跳鄰居信息表。以便用來啟動NCR算法分配時槽。NP協議是簡易而高效的。

子信道初始化的時槽分配采用分布式的NCR算法選取子信道的前n個時槽，在協議運行中按需不斷補充選擇未來n個時槽，相鄰兩個時槽間隔P符合子信道的帶寬需求。NCR算法的要求是準確的兩跳鄰居信息表，它能在各節點中單獨計算在每個時槽的優先級，并保證節點在擁有最高優先級（擁有該時槽）的時槽中傳輸不會與鄰居的發送沖突。時槽選擇信息表在控制包和數據包的頭部捎帶，通告鄰居節點。故在節點擁有的時槽上無論是否有數據發送，都需要傳輸一個維持包，以便攜帶n個時槽的選擇信息。

μ-MAC的信道接入控制是高效的，且算法簡易可行。在針對周期性數據采集型的WSN網絡應用中能達到很好的性能。但該協議仍有值得進一步完善的方面。

2 Eμ-MAC協議的設計

2.1 μ-MAC的不足及Eμ-MAC的提出

深入分析μ-MAC的控制方式，發現有以下問題需要解決，以進一步提高協議性能。

a)μ-MAC并沒有解決節點同步問題，而是假設有一個外部的信標源實現了本地同步。

b)GT一般流量子信道效率低。GT功能主要是承載INTEREST/RESERVE包的傳輸，預約子信道帶寬。雖然其帶寬不大，是在網絡運行前固定設置的，但節點需要單獨為GT在無競爭期計算選擇時槽，且在這些時槽上所有鄰居節點都必須活動偵聽或發送。μ-MAC協議還規定在GT子信道上如果沒有數據傳輸，也要發送冗余的維持包攜帶未來n個時槽分配的信息。這都帶來額外的能量消耗。當GT帶寬較大（Pg較?。r，GT子信道效率低的問題更加突出。

c)對于節點移除或加入，μ-MAC并不提供機制應對，需要應用層監控接收到的數據包，如果發現節點失效，則由應用層觸發基站重新廣播請求傳感數據。對于新節點的加入也需要由應用層觸發。作者也沒有進一步說明在應用層怎樣啟動新節點加入，怎么觸發新的請求過程。

針對以上問題，本文基于μ-MAC協議及其應用模型提出了一種增強型的μ-MAC(enhanced μ-MAC，Eμ-MAC)。

2.2 Eμ-MAC協議的設計

Eμ-MAC仍針對周期性數據采集型應用，MAC運行參考應用層信息，采用μ-MAC主要的控制策略和算法，但使用一種改進的信道結構和控制方式，主要的改進工作如下：

a)簡化了μ-MAC的無競爭期子信道，只保留傳感報告SR子信道，而把一般流量GT子信道的功能（主要是基站的興趣任務分發和節點流量預約）轉移到競爭期。這樣，無競爭期完全由占網絡主要流量的周期性報告數據的調度使用，信道使用率得到提高。

b)對于競爭期，開頭加入同步作用的信標。在此階段，可約定由某個參考節點（如編號最小的節點）引發本地局部同步，并采用類似T-MAC協議的time out機制限制了競爭期過多的空閑偵聽，如圖3所示。

c)在鏈路層引入對節點刪除和加入的適應性。監控接收包可以識別節點或路徑失效。因為μ-MAC節點初始只預約好子信道上前n個時槽，而在流量過程中不斷補充預約未來的n個時槽（通過數據包頭部攜帶分配信息表），保證數據流量連續傳達。如果鄰居節點或傳輸路徑失效，可容忍n-1個數據包的丟失，當超過n個已預約的時槽后如果還沒有新預約時槽，且興趣任務尚未結束，則可認為節點或路徑已經失效，基站就觸發新的廣播請求過程。對于新節點加入，應等到下一個競爭期的到來，Eμ-MAC中設置了同步信標，新節點與鄰近節點群完成同步后，就能在競爭期競爭獲取信道發送控制包，請求加入，節點接收到加入請求后，觸發新的NP鄰居發現協議，兩跳鄰居內的節點都要更新鄰居信息表，并啟動NCR算法更新鄰居節點的時槽分配。

對于Eμ-MAC的應用模型，拓撲改變不是經常的，不需要經常運行NP協議來更新鄰居信息表；另外，基站的興趣任務也不是經常改變的，不需要常常廣播控制包請求數據。競爭和無競爭比例Rc定義為競爭期時長與無競爭期時長之比，是協議的一個參數。無線信道按照這個比例在競爭和無競爭的狀態間交替轉換，拓撲的更新和時鐘同步均能按照一定的時隔獲得運行機會。因此，Eμ-MAC的改進是合理的。

2.3 Eμ-MAC的主要機制分析

Eμ-MAC繼承了μ-MAC的主要機制，包括高效的鄰居發現NP算法以及時槽分配NCR算法。但Eμ-MAC降低了節點在無競爭期時槽調度的復雜性，只保留SR子信道；消除了節點在原GT子信道的活動時間以及無數據傳輸時冗余的維持包的傳送。同時將同步功能融入了MAC協議中，用time out機制限制了競爭期的過多空閑偵聽，并允許了網絡對于路徑/節點失效及新節點加入的動態適應性和擴展性。

Eμ-MAC協議在競爭期第一個時槽設置了一個同步信標，在這個時槽鄰居所有節點必須偵聽，由某個特定的節點發送參考時間戳，其他節點接收到同步包后修正時鐘漂移。該同步機制是一個松散的本地同步策略，時鐘漂移（μs級）相對于時槽長度（幾十ms）可忽略，且無競爭期時槽之間設置了轉換間隔補償。故本同步控制是滿足應用要求的。

同時，Eμ-MAC在同步信標后加入了一個類似T-MAC的time out機制。同步后，鄰居節點保持在競爭期偵聽，直到TA時間超時后仍沒有數據接收，節點則自動進入睡眠模式，直到整個競爭期結束，然后進入無競爭期只在被調度的時槽上活動。這個思路目的在于盡可能減少節點空閑偵聽，不需要在每個競爭期中讓節點一直偵聽。同時保持了原競爭期的功能。只要在TA超時之前有任何以下事件發生，就會保持整個競爭期的正常工作狀態：

a)有新的興趣任務或任務發生調整。請求包將從基站逐跳傳遞到興趣節點，TA必須足夠大，以便使節點能在收到控制包前不過早進入睡眠。

b)有新節點加入請求，隨之觸發NP鄰居發現協議，更新鄰居信息表，并更新鄰居之間時槽分配。

c)有節點或路徑失效，相應節點發送控制包通告基站，觸發INTEREST/RESERVE預約過程，引發建立新的子信道。

TA值的選擇，循如下規則： Eμ-MAC的競爭期是分時槽的隨機接入機制，Eμ-MAC競爭期是為了控制傳輸以及網絡適應性，大部分控制包是廣播傳輸的，不是網絡主要流量，對于延時性能要求也不高，因此對于像T-MAC機制中的串音問題和“早睡問題”也無須重點考慮。設從基站到目標傳感節點多跳傳輸的平均延時為t，則取TA≥[t/ts]（ts是競爭時槽的長度；TA值取競爭期時槽數），就能保證從基站到傳感節點或從傳感節點到基站的控制包不會由于time out機制引起過早睡眠而傳遞中斷。

下文仿真實驗將證明Eμ-MAC協議在節能效率上比原μ-MAC協議優越，信道利用率提高，而時延性能損失很小。

3 仿真與實驗分析

本文提出的Eμ-MAC協議在NS-2[17]平臺中進行仿真，實驗數據用MATLAB輔助分析。為了對比評價，同時實現了μ-MAC和S-MAC協議。測試的性能指標有節能效率、時延及傳達率。實驗模型參考原μ-MAC的實驗，網絡結構如圖4所示。只有直接相鄰的兩個節點能互相通信，這種簡化的結構能幫助研究直接的MAC指標，而排除路由層選擇的影響。

Eμ-MAC和μ-MAC的主要參數為：無線信道的速率為20 Kbps；競爭期時槽長度為20 ms；無競爭期時槽長度為40 ms（含轉換間隔。此期間可容長達100 Byte的數據包傳輸）；競爭期包重發最多為7次，為保證99%傳達率，選擇盈余的參數N=25，故競爭期時槽總數為7×1.44×N=252個；發給基站的報告包為50 Byte；實驗中只實現一個SR子信道， Eμ-MAC的TA參數為50個時槽；NCR算法采用MD5作為偽隨機數產生器。S-MAC活動期長143 ms。其中，前55 ms作為同步控制，最大重傳次數為5，不考慮長消息分割的情況。實驗仿真三種協議，并多次運行。

3.1 節能效率實驗分析

節能效率用節點的睡眠比例（圖5）來間接衡量。圖5中x%即前文分析的Rc參數。可見，Eμ-MAC在節點睡眠比例指標上明顯比μ-MAC協議優越，有更好的節能效率。Rc=1%和10%下，Eμ-MAC節點平均睡眠歸一化比例分別比μ-MAC提高了 0.011和0.008。

因為Eμ-MAC不僅將無競爭期的時槽全用于SR子信道傳輸主導數據流，而且在競爭期設置time out機制，進一步限制了空閑偵聽。更小的Rc值，可獲得更高的睡眠比例，但競爭期出現率小，對網絡動態拓撲的適應性會相對變差。

3.2 時延性能實驗分析

圖6、7分別表示μ-MAC和Eμ-MAC在Rc=1%時的報告包時延?？梢?，兩者時延性能相當。圖中五條曲線表示在編號1～5的節點中測試的平均隊列時延。節點n不僅要傳輸自身的數據，還要傳遞前n-1個節點的數據，由圖可知，時延還與流量相關。Eμ-MAC并不保證數據包被立即傳輸，而是保證根據包產生率對應分配足夠多的時槽，故流量小情況下時延反而突出。同時由圖可知，在包產生間隔Ti較小時，Eμ-MAC時延性能不如μ-MAC，但隨著Ti增大，兩者差異逐漸變小。這是因為GT子信道功能移至競爭期，增加了競爭期的沖突概率，控制包傳輸延時變大，在包產生率大時，滯留在節點緩沖器中的數據在等待子信道建立過程中的累積程度相對增大，造成時延較大。而流量不大時，這種差異相對輕微?？傮w而言，Eμ-MAC與μ-MAC時延性能相近，損失很小。

3.3 傳達率實驗分析

圖8是當節點緩沖器為20個包時的傳達率?？梢姡珽μ-MAC與μ-MAC包傳達率幾乎是一樣的，能在緩沖器要求不高的情況下保持很高的可靠性，與μ-MAC原文分析一致。

綜上所述，增強型的協議Eμ-MAC能在時延性能降低不大的情況下明顯提高節點睡眠比例，提高了節能效率，能有效延長網絡生存時間。

4 結束語

本文著重研究結合基于競爭和調度的混合型WSN MAC協議，深入研究了典型的混合型μ-MAC協議，并指出其不足，提出了一種增強型的協議Eμ-MAC。Eμ-MAC針對周期性數據采集型WSN應用，繼承了μ-MAC主要的高效控制策略，并進一步解決了μ-MAC的GT子信道效率低、時鐘同步以及動態拓撲適應性的問題，使用一種改進的信道結構和控制方式。仿真結果表明，Eμ-MAC有更好的擴展性，能明顯改善μ-MAC的節能效率，而不損失其他性能。

針對具體應用模型，采用混合型MAC方案以及跨層使用應用層的信息是高效WSN MAC設計的發展方向。本文的研究仍需進一步拓展和深入，并在實際網絡模型中實現應用。

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