事件驅動型傳感網絡低能耗協議設計

穆立波

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

無線傳感網絡應用中,根據采集和發送數據的方式,可將其分為兩類:時間驅動型傳感器網絡和事件驅動型傳感器網絡[1]。前者,節點周期性采集并發送數據給匯聚節點,數據傳輸率是固定的。后者,只有當節點探測到目標事件后,才會以較高的速率發送數據,通常情況只需發送網絡管理和狀態信息,數據量較少,數據的采集和發送通常不可預測。由于事件的隨機性和突發性,在沒有事件的大部分時間里,網絡處于空閑狀態,一旦事件到來,數據流量迅速增加,且可能在局部區域形成熱點,造成信道擁堵。同前者一樣,事件型傳感網絡需要解決網絡的能耗和效率問題。在網絡節點物理層參數一定的情況下,傳感網絡協議是影響網絡能量消耗和網絡效率的主要因素。

1 傳感網絡協議分析

無線傳感網絡(WSN)協議由物理層、MAC、網絡層和應用層組成。結合EDWSN的特點對網絡層和MAC層協議進行分析。

1.1 網絡層協議分析

WSN協議負責在傳感節點和匯聚節點間提供一條低能耗并且高效的路由。由于WSN與應用高度相關,單一的路由協議不能滿足各種應用需求,針對不同應用的特點,人們研究了眾多的路由協議[2],主要包括:泛洪式路由協議、層次式路由協議、基于查詢的路由協議和基于位置信息的路由協議。泛洪式路由協議是一種古老的路由協議,不需要維護網絡的拓撲結構和路由計算,接收到消息的節點直接將數據包轉發給相鄰節點,是一種較直接的自組織網絡實現方法,但容易帶來消息的內爆和重疊,不適合事件型網絡的突發流量情況,同時帶來嚴重的串音和沖突。層次式路由協議將傳感節點分簇,簇內通信由簇頭節點來完成。簇頭節點進行數據聚集和融合以減少傳輸的信息量,最后簇頭把融合的數據傳送給匯聚節點。該方式能滿足傳感器網絡的可擴展性,有效地維持傳感節點的能量消耗,由于事件型網絡的隨機性,分簇要隨每一次事件而調整,帶來了網絡管理開銷?；诓樵兊牡穆酚蓞f議需要不斷的查詢節點采集的數據,傳感器節點根據查詢命令向查詢節點報告數據,也不適合事件型網絡的突發傳輸,定時查詢帶來大量的通信流量。

事件一般有空間相關性,基于位置信息的路由協議是一種適合事件型網絡的路由協議。根據事件區域的地理位置,建立匯集節點到事件區域的優化路徑,避免了泛洪引起的內爆和重疊,以及分簇帶來的管理開銷。在很多情況下,不能得到傳感器的實際物理位置,就網絡路由而言,實際的物理位置并不是一種好的選擇,基于通信位置關系的地理路由更符合實際應用情況,即任何一個節點把和它能進行通信的節點當做鄰近節點,并以此構建路由,稱之為虛擬地理路由協議。

1.2 MAC層協議分析

MAC層協議是網絡協議的底層部分,對傳感器網絡的性能影響較大。主要包括基于競爭的載波偵聽多址(CSMA)、基于固定分配的時分多址(TDMA)和混合性協議?；诟偁幍膮f議[3]包括S-MAC和T-MAC等。S-MAC通過鄰居節點自協調,形成多個休眠計劃,帶來多邊界問題,使得網絡同步成為一個復雜問題,T-MAC在S-MAC基礎上動態調整事件,減少空閑偵聽時間,但存在早睡問題?；赥DMA的協議適合網絡節能的需要,沒有競爭機制的碰撞重傳問題,空閑時可以及時進入睡眠狀態,但需要嚴格的時間同步,大多數情況下難以推廣應用?；旌闲詤f議綜合平衡競爭機制和TDMA分配機制的優缺點,主要包括Z-MAC和ER-MAC等協議,采用CSMA和TMDA綜合方式,在網絡的時延特性和能耗特性等達到一定平衡,由于基于TMDA,仍然具有協議復雜和同步要求高等問題。

針對事件型網絡大部分時間空閑、突發事件造成流量大的情況,提出一種信令采用CSMA競爭方式,業務信道采用FDM的混合型MAC協議,網絡共使用N個頻道,在空閑狀態,各個節點以低占空比值守在信令信道F0上,當事件發生時,在其余的頻道Fn傳輸信息。該協議對網同步要求低,且可以較好地解決地大流量造成的串音和沖突。

2 低能耗協議設計

事件驅動型無線傳感網絡低能耗協議包括網絡層協議設計和MAC層協議設計。

2.1 網絡層設計

網絡層協議主要包括拓撲形成算法和數據傳輸路由算法。

2.1.1 拓撲形成

虛擬地理路由協議的基本思想是建立一個虛擬坐標系統[4],用來表示實際的網絡拓撲結構。網絡中的節點形成一個以匯集節點為根的帶環樹,每個節點用到樹根的跳數距離和角度范圍來表示。一個包含0級、1級和2級3層的網絡形成過程如圖1所示。

圖1 虛擬地理路由拓撲形成流程

第1步,生成樹形結構。網絡拓撲的建立由匯聚節點開始,匯聚節點設置自己的跳數為0,并廣播路由。鄰近節點收到這個信息后,將匯集節點設置為自己的上級節點,并設置自己到匯聚節點的跳數為1,然后繼續廣播路由建立消息,匯集節點需要監聽鄰近節點的廣播,并將發送跳數為1的節點標記為下級。依此類推,網絡中每個節點都知道自己的上級節點和下級節點,以及到匯集節點的跳數,直到所有節點加入這個樹形結構。沒有收到跳數比自己大的路由建立信息,則認為自己是葉節點。

第2步,反饋子樹大小。樹形網絡生成后,從葉節點開始,節點將自己為根節點的子樹的大小報告給它的上級節點。葉節點的大小為1,中間節點將自己所有子樹的大小相加,并加上1,得到自己的子樹大小,然后報告給它的上級節點。這個過程從葉節點開始,向匯集節點進行,直到匯聚節點獲得整個樹的大小。

第3步,生成樹。根據樹大小,匯聚節點確定樹的角度范圍,各級節點以此將自己的角度范圍分配給自己的下級。這樣,各個節點就得到各自的角度。

這樣,每個節點都有自己的跳數和角度,根據跳數和角度,就可以在網絡中確定自己的位置,網絡形成了。匯集節點保存整個網絡結構,普通節點只保留自己的上級節點、下級以及鄰居節點的跳數和角度。一個虛擬極坐標拓撲形成了,如圖2雙箭頭所示,節點3t以2t為上級節點,以4t和4u為下級節點。

圖2 網絡拓撲和數傳路由示意圖

2.1.2 數據傳輸路由

當傳感節點有數據向匯集節點發送時,以最小跳數向上轉發,如圖2所示中單箭頭實線所示,4c節點從保留的路由表中選擇上級節點3h作為路由節點,3h選2h作為路由節點,2h選擇1a,通過4跳達到匯集節點。在傳輸過程中,任一個節點發送信息,將對上層、同層和下層的鄰居節點產生串音現象,以3h節點向2h節點發送信息為例,如圖2中長短虛線所示,對2a2h2t3b3k4c4h4k產生串音,造成網絡能量的浪費。這個問題由下面的MAC層協議來解決。

2.2 低占空比FDM的MAC層協議

為適應事件型網絡的突發性和空閑特性,無事件時,能耗大量消耗在空閑狀態,事件到來時網絡擁堵的情況,提出在空閑狀態下采用交錯同步低占空比值守,在事件來臨時采用多頻道復用的媒體接入控制協議,即低占空比值守多頻道復用(LDFDM)協議。

2.2.1 信道接入控制

假設整個網絡有N個節點,復用M個頻分信道,根據網絡的規模和具體應用情況,M取3～8,其中一個信道f0為值守信道,其余M-1個信道為業務信道。值守信道以交錯同步低占空比工作方式,業務信道采用全周期工作方式,一旦進入業務信道,則一直處于接收、發射或空閑模式。空閑模式降低了功耗,事件繁忙時提高了網絡效率,同時解決了串音和沖突問題。與TDMA相比,降低了同步要求。如圖2所示,4c節點要向0a節點發送數據,首先隨機選擇業務信道并進行偵聽,找到一條空閑的業務信道,如F1,其次在值守信道的工作時隙向周圍節點包括上級節點3h發出建立鏈路信令,并通知業務信道的頻點,3h收到信令后,對該業務信道偵聽,確認空閑后發出相應信令,雙方轉入業務信道進行通信。在雙方建立鏈路過程中,周圍節點始終處于偷聽過程中,獲取了雙方的通信頻道。活躍節點完成一次數據包傳輸后,在業務信道仍然值守數個占空比周期,以等待下一次可能的通信業務,等待完成后,轉入信令信道進行值守。

2.2.2 低占空比的同步設計

信令以低占空比工作在F0信道上,同步是主要技術問題。信令的傳輸主要有2個方向,從底層節點向上和從匯集節點向下。向上的信令為事件驅動型,具有隨機性和突發性,且對時延要求高,向下的信令主要是同步信息,按一定周期發送,對時延要求低。采用種交錯同步方法[5],以適合這2種信令的傳輸。上下級節點以收發時隙交錯的時序工作。從底層節點向匯集節點的事件來臨信令采用正向傳輸通道,低占空比信令傳輸時序圖如圖3所示。

圖3 低占空比信令傳輸時序圖

如圖3向上的箭頭所示,4a節點接收5a節點的喚醒信令可以在緊接的下一個時隙立即轉發給3a,并依次立即轉發,喚醒信令可以在一個占空比周期喚醒各級節點,其喚醒延遲為一個完整的占空比周期。從匯集節點向全網發送的同步信令采用反向傳輸通道,網同步信令不能實現交錯同步,只能在下一個周期發送,如圖3向上的箭頭所示,4a節點接收3a節點的同步信令,只能在下一個占空比周期轉發給5a,則同步周期傳送到最底部節點的事件為N個占空比周期,例如占空比周期為0.5 s,最高十級節點,則網同步信令傳輸延遲為5 s,而網同步周期經常是分鐘量級的,因此可以滿足網同步要求。

網絡同步包括同步建立、同步更新、失步檢測、同步申請和同步重建5個環節。匯集結點以固定的周期T發送同步信令,該信令在反向信道以較低的速率向各個節點擴散。各個節點在同步前,以全周期工作的方式等待同步信令,一旦捕獲同步信令,則按同步信令的同步周期,以占空比方式工作,并進行同步保持和同步更新。任何原因造成2個以上周期沒有更新同步,則判為節點失步,則該節點立即在上次同步的時刻將占空比擴大2倍,請求上級或鄰居節點發送同步信令。收到同步信令后,重新進入同步保持狀態。

3 性能分析

以一個典型的事件型無線傳感網絡為例,構建了一個51個節點的原型系統進行性能分析。經過虛擬地理組網算法,生成0級節點1個,1級節點4個,2級8個,3級16個,4級32個。假定每個節點和鄰近的節點能夠通信覆蓋,不相鄰的節點不具備通信覆蓋條件。分別對全周期虛擬地理路由協議、TDMA地理路由協議(工作時隙占整個周期的10%)、同步占空比(10%)FDM地理協議和同步占空比(5%)FDM地理協議的網絡能量消耗進行了分析。每個節點初始能量1 000 mAh,傳感探測值守電流0.2 mA,事件處理電流10 mA,發射電流30mA,接收電流25mA,空閑電流20 mA,收發信機休眠電流0.1 mA。假定一次事件的處理流程為,一次事件持續60 s,每3 s上報一次處理結果,每次上報發送一個數據包,包長200 bytes,數據速率10 k,則數據包發送時間0.2 s事件頻度分別為每小時1次,5次,10次,20次。4種不同協議的網絡平均工作時間如表1所示。

表1 不同協議的網絡平均工作時間

采用全周期值守的地理路由協議,即使在沒有事件的情況下網絡工作時為98 h,采用10%占空比FDM協議,工作時間為725 h,與TDMA協議的833 h相當。其中在能量消耗中,即使在較高的事件頻度情況下,通信空閑等待的能量消耗仍然是最主要的消耗,網絡空閑消耗的能量占總消耗能量的比例如表2所示。在全周期協議中占到98%,在10%同步占空比FDM協議中占76%以上,在5%同步占空比FDM協議中占64%以上。降低占空比可以降低消耗,但受網絡同步精度限制,給網絡同步帶來開銷。

表2 不同協議的空閑能量消耗比例

4 結束語

事件型網絡是無線傳感網絡中的重要應用方式,如入侵探測、環境監測和交通監測等。虛擬地理路由和同步占空比FDM信道接入協議與其特點相適應,在保證信息傳輸效率情況下,降低了網絡能耗。實際應用中,具體的事件性網絡各有其特點,如環境監測中,幾分鐘的時延可以不是關心的主要問題,可以采用更低占空比協議。在火災和危險品監測中,幾秒鐘的延遲足以造成巨大的后果,必須充分考慮時延。因此在實際應用中,可根據具體事件特點設計相應的協議。

[1]汪泉弟,孔 為,李 斌,等.事件驅動型網絡傳感器生存期分析[J].重慶大學學報,2007,30(6):30-34.

[2]趙強利,將艷凰,徐 明,等.無線傳感器網絡路由協議的分析與比較[J].計算機科學,2009,36(2):35-41.

[3]丁 成,黃本雄,胡 軍.無線傳感網絡MAC協議機制性能分析[J].無線電工程,2007,37(2):15-17.

[4]孫利民,李建中,陳 渝,等.無線傳感網絡[M].北京:清華大學出版社,2005:70-72.

[5]石軍峰.傳感網絡低占空比MAC協議同步機制研究[J].系統仿真學報,2007,19(9):4330-4334.