低WSN服務能耗的MAC協議實現

張立新

（西安工業大學 機電工程學院，陜西 西安 710032）

在無線傳感器網絡中，由于存在隱藏終端以及網絡拓撲部分連通等問題，節點之間的競爭機會并不均等。當信道負荷很重時，某些節點的吞吐量會急劇下降；同時還會導致節點接入信道的等待時間很長，這對網絡的服務質量（Quality of Service，QoS）保證造成了困難[1-2]。然而在無線信道這種不可靠的傳輸媒介上，僅通過采用排隊和路由技術所能提供的QoS保障遠遠不夠，在數據鏈路層也必須提供一定的QoS保證[3]。

無線傳感器網絡常用的媒介訪問控制 （Medium Access Control，MAC）協議主要有基于無線信道隨機競爭方式（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）和時分復用方式（Time Division Multiple Access，TDMA）[4]，時分復用方式可以有效避免節點間的干擾，網絡的QoS能得到保障，并能實行有效的休眠機制，但是需要實現時間同步，節點的硬件要求高，并且對網絡變化敏感，只適用于拓撲結構穩定的網絡；而隨機競爭型MAC協議對網絡變化不敏感，適用于拓撲結構經常變化的網絡，但是在網絡業務量較大的情況下分組發生碰撞的幾率很大，網絡的QoS難以得到可靠保障。

加州伯克利大學的Mustafa Ergen和Duke Lee等提出了一種針對無線鏈路的MAC協議的無線令牌環協議（Wireless Token Ring Protocol，WTRP）[3，5]，具有沖突避免、擴展性和各節點間能量消耗平均3大優點。但是節點必須保持無線模塊處于接收狀態，以便隨時接收傳給自己令牌，否則就會導致令牌環認為節點丟失而重建令牌，加重了網絡的負擔和穩定性，節點的能耗得不到有效的保證。在WTRP的基礎上提出一種新的無線令牌環協議WTRP-S（WTRP-Sensor）。

1 WTRP-S協議

1.1 算法簡述

網絡按照分群算法建立若干令牌環，令牌環上的每個節點都有自己的上游節點和后繼節點。當節點收到上游節點發送的令牌后，開始在規定的時間內發送數據，然后再將令牌傳向它的后繼節點。每當節點發送數據的時間超出規定的時長，會被迫停止發送，將令牌傳向后繼節點。依次類推，同一個令牌環上的所有節點按照接收令牌的次序，輪流享用同一個無線媒介。該協議最大的特點是令牌環中的節點有數據要傳送時才打開無線通信模塊，并且節點關閉通信模塊不會中斷令牌的傳遞，令牌會主動傳給下一個有數據要發送的節點，令牌環不需要重建。

1.2 關鍵技術

1）令牌幀結構 文中根據WTRP協議的幀結構，設計了一種適用于WTRP-S的無線令牌幀格式，如圖1所示。

圖1中幀控制字段（FC）用來標示分組的類型，諸如一般的令牌、邀請節點加入以及加入響應等令牌的類型；令牌環地址（RA）是指令牌所屬的令牌環的地址，用來區分不同的令牌環；NON代表令牌環中節點的總數；序列號（Seq）代表發出令牌的節點在令牌環中的排序，取值為0～NON－1；生成序列號（GenSeq）是一個初始為0的值，每完成一輪令牌傳遞，就由令牌生成器進行一次遞加；令牌環節點狀態（SOAN）是一個位尋址字段，該字段的每一位都代表令牌環上的一個節點，置1表示有節點在令牌環的相應位置上，否則不在。該字段在令牌傳遞和關閉通信模塊上具有極其重要的作用。

2）連接管理器 每個節點都設置有連接管理器，用來控制、管理令牌的傳遞和維護。每個節點內建一個管理列表，如圖2所示。

圖1 幀結構Fig.1 Frame structure

圖2 連接管理器Fig.2 Connection manager

圖2中Now-RA為當前令牌環的地址，即令牌中的RA；Self-Seq為節點在令牌環中的序列號，節點在加入令牌環時分配，代表節點在令牌環中的次序；Last-Gen為節點上一次獲得令牌中的GenSeq，與本次所獲得令牌中的GenSeq比較就可以知道節點休眠了多少輪；otherRing為節點監聽到的其他令牌。

3）令牌傳遞 令牌環建立之后，無數據要傳輸的節點關閉無線通信模塊，有數據發送的節點等待傳給自己的令牌。上游節點發送令牌后，在一個等待響應窗的持續時間內等待節點的接受響應。將等待響應窗分成以“接受令牌應答”長度為間隔的若干個時隙，等待發送數據的節點接到令牌幀，將自身的序列號和令牌中的Seq比較，在相應的時隙內發送應答令牌幀。

圖3 令牌環網絡Fig.3 Token ring network

在圖 3中，A為令牌環業主，B、C、D、E和 F依次加入令牌環，相應的Self-Seq為1、2、3、4和 5。假設D離開了此令牌環，則此令牌環的NON為5，SOAN為如圖4的結構形式。

圖4 SOAN結構Fig.4 SOAN structure

B完成數據發送后，發送Seq為Self-Seq（文中以1為例），SOAN為圖4所示的令牌。E收到令牌，發現Seq為1，本身Self-Seq為4，而SOAN中，位2到位4共有兩個1，則知道自己應在響應窗的第二個時隙發出響應。若在第一個時隙中有節點響應了令牌（C），則E不在等待，休眠一個節點持有令牌的時間之后再等待傳給自己的令牌；若第一個時隙無節點應答令牌，則E在第二個時隙發出響應，并進行數據業務。這樣，有數據發送的才等待令牌，令牌只發送一次就能完成傳遞，每個節點持有令牌時間有限，保證了服務質量又兼顧了能耗。

4）接入管理 當節點需要加入一個令牌環時，它打開無線通信模塊并監聽，若收到邀請令牌幀，則響應邀請，若節點被允許加入，設置自己的節點管理器數據。Now-RA為令牌中的RA，Self-Seq為SOAN中第一個不為1的所在位，Last Gen為GenSeq。節點若無數據發送則按規定關閉無線通訊模塊。

如何以及何時喚醒休眠中的節點是節點節能的關鍵，采用以下調度方法喚醒休眠中的節點：

設該節點需要發送為多個數據信息，且發送的多個數據信息分為實時信息和非實時信息。根據節點發送的多個數據信息。

首先建立需要發送數據信息的參數模型為

式中:tis為任務狀態；tia為任務實際啟動時間；tio為完成任務的公式和函數；tir為任務最大執行時間；tif為任務最早啟動時間；tie為任務最遲啟動時間；tid為任務截止時間；tib為任務周期；tig為優先級。

其次建立要發送數據的特征，建立數據信息表，從所建立的數據信息表中取出首信息ti，根據其屬性tig與所需要發送信息隊列中的所有信息的tig比較，建立信息發送關系集為

由式（1）計算信息發送隊列分配給信息ti的時間片，若ti有 u 個[tik→ti]（k=1，2，…，u）關系，對于任一 tik信息所決定的ti最早發送時間 t’ikf為

根據式（1）和式（2）可以算出信息最早發送時間tif為

若 ti有 v 個[ti→tih]（h=1，2，…，v）關系，對于任一 tih信息所決定的ti最遲發送時間t’ihe為

根據式（1）和式（4）可以算出信息最遲發送時間tie為

則由已被調度的 ti的u個[tik→ti]和 v個[ti→tih]的信息所決定的 tia由不等式式（6）和式（7）決定

即若存在所有已調度的 tij信息中的某個 j （j∈（u－2，u+w+2））滿足不等式 （6）或式（7），則任務實際發送時間tia為

從而由式（8）算出發送信息隊列分配給ti的時間片為[tia，tia+tir]，并將其插入信息發送隊列。

根據建立的調度方法計算信息發送的時間，并基于該時間打開本節點無線通信模塊并監聽，從而實現了節點運行時間最短的目的。

5）恢復機制 當節點需要離開令牌環時，首先等待發送權利，一旦獲得發送權，將令牌幀中SOAN中第Self-Seq位置零，并將令牌傳遞出去，之后清零自己的連接管理器數據。如圖2所示，D離開令牌環就將令牌幀的SOAN中的第3位置零。

當令牌環上某個節點失效（能量耗盡或故障等），令牌環業主在N輪（N為節點失效輪數）令牌傳遞中發現某節點無響應，就將令牌幀中的SOAN的相應位置零，這樣，其他節點就可以加入這個空位，填補令牌傳遞中的時隙空缺，使服務質量不會因節點的失效而受到影響；若失效節點為誤判，N輪之后又恢復了正常，發現令牌幀中的GenSeq＞Last Gen+N，則知道自己應重新加入令牌環，不會干擾令牌的正常傳遞。

2 結果仿真及分析

在仿真過程中物理層使用IEEE802.15.4的2.4 GHz信道[6]，比特率為250 kb/s，采用16進制準正交調制技術。共有3個節點，每個節點分別有45 000 bits數據要傳輸，開始傳輸時間分別為 56 ms、106 ms和 166 ms。MAC協議分別為WTRP、WTRP－S 和 IEEE802.15.4。

由于WTRP需要節點一直打開無線通信模塊，所以能耗巨大，不具有可比性，實驗只比較了WTRP－S和IEEE 802.15.4 MAC協議，如圖5所示。

圖5 能耗比較Fig.5 Comparison of energy consumption

從圖5可以看出，WTRP－S在數據任務繁忙的網絡中具有更好的能耗和傳輸時間控制，滿足無線傳感器網絡的要求。

3 結 論

針對無線傳感器網絡的QOS和能耗要求，結合WTRP協議，提出了新的減小能耗的協議算法 WTRP－S。

從仿真結果顯示，WTRP－S在保證網絡QOS的同時，實現了節點的休眠，因此新協議更適用于WSN的特性，提高了網絡的整體性能。

[1]Menouar H，Filali F，Lenardi M.A survey and qualitative analysis of MAC protocols for vehicular ad hoc networks[J].IEEE Wireless Communications，2006，13（5）:30－35.

[2]Xu S，Saadawi T.Does the IEEE802.11MAC protocol work well in multi-hop wireless ad hoc networks [J].IEEE Communications Magazine，2001，39（6）:130－137.

[3]Lee D.Wireless token ring protocol[D].Berkeley:Electrical Engineering， University of California Berkeley，2001.

[4]宋文，王兵.無線傳感器網絡技術與應用[M].北京:電子工業出版社，2007.

[5]于弘毅.無線移動自組織網[M].北京:人民郵電出版社，2005.

[6]Wireless medium access control （MAC）and physical layer（PHY）specifications for low-rate wireless personal area networks （WPANs）[J].LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society， 2006:1－26.