一種基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低延遲MAC協(xié)議

秦艷華，徐玉斌

(太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原030024)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有無中心、自組織、分布式控制和多跳等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的 MAC(Medium Access Control，MAC)協(xié)議不能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)能量有限且難以補(bǔ)充，為保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期有效工作，MAC協(xié)議以減少能耗、最大化網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為首要設(shè)計(jì)目標(biāo)[1];然而，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，對于一些危險(xiǎn)場合和緊急處理對象，需要及時(shí)采集來自監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，以便迅速做出準(zhǔn)確而恰當(dāng)?shù)膽?yīng)急處理措施，這對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和延遲性能就提出了更高的要求。針對SMAC[2-3]協(xié)議進(jìn)行了深入研究，在SMAC協(xié)議基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新的低延遲LDSMAC(Low Delay Sensor Medium Access Control，LDSMAC)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了多跳傳輸中延遲和吞吐量性能的優(yōu)化。

1 相關(guān)工作

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議依據(jù)信道訪問方式可以分為基于競爭的協(xié)議、基于調(diào)度的協(xié)議和混合協(xié)議。SMAC協(xié)議是一種典型的競爭型MAC協(xié)議。該協(xié)議基于IEEE 802.11，在多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入周期性偵聽和睡眠的低占空比工作方式，使得節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間里處于睡眠狀態(tài)，降低了節(jié)點(diǎn)的能耗。但從SMAC協(xié)議的工作機(jī)制可以看出，SMAC協(xié)議雖然大大節(jié)省能量，卻是以犧牲延遲和吞吐量為代價(jià)的。

B-MAC[4]協(xié)議使用擴(kuò)展前導(dǎo)和低功率偵聽(LPL)技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功率通信，采用空閑信道評估技術(shù)進(jìn)行信道裁決。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)分組之前先發(fā)送一段長度固定的前導(dǎo)序列，為避免分組空傳，前導(dǎo)序列長度要大于接收方睡眠時(shí)間。B-MAC協(xié)議無須調(diào)度信息因而可以有效縮短喚醒時(shí)間，但是在減少能量消耗上沒有太大優(yōu)勢。

DMAC[5]協(xié)議針對SMAC協(xié)議的睡眠延遲和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)停頓問題提出了一種改進(jìn)方法。根據(jù)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)采集樹，采用不同深度節(jié)點(diǎn)之間的活動和睡眠的交錯喚醒調(diào)度機(jī)制，數(shù)據(jù)能夠沿著多跳路徑連續(xù)傳播，減少睡眠帶來的通信延遲，但節(jié)點(diǎn)之間需要嚴(yán)格的時(shí)間同步。

2 LDSMAC協(xié)議設(shè)計(jì)

為了改善SMAC協(xié)議虛擬簇間調(diào)度不一致而導(dǎo)致的長延遲，提出了LDSMAC協(xié)議。該協(xié)議采用全局同步機(jī)制并通過鄰居節(jié)點(diǎn)間的信息融合，使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都同步到一個調(diào)度表上，從而解決數(shù)據(jù)傳輸中的轉(zhuǎn)發(fā)延遲問題。該協(xié)議適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對延遲和吞吐量要求較高且周期性數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊稀?/p>

2.1 協(xié)議概述

LDSMAC采用隨機(jī)競爭信道的方式，并通過周期性偵聽和睡眠的低占空比工作方式來降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗。節(jié)點(diǎn)在偵聽階段發(fā)送全局同步包，成功接收到全局同步包的鄰居節(jié)點(diǎn)將主調(diào)度設(shè)為全局調(diào)度并廣播全局同步包，從而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)形成一個巨大的虛擬簇。全網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)具有相同的調(diào)度表，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)周圍節(jié)點(diǎn)始終處于激活狀態(tài)，這就保證了數(shù)據(jù)的快速傳輸，大大地降低了延遲。

2.2 全局同步機(jī)制

LDSMAC協(xié)議為全網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)建立一致的偵聽和休眠調(diào)度，是通過增加全局同步包來實(shí)現(xiàn)的。在建立全局同步時(shí)，節(jié)點(diǎn)接收到全局同步包后將其主調(diào)度設(shè)為全局調(diào)度，并廣播全局同步包。在維護(hù)全局同步時(shí)，節(jié)點(diǎn)更新全局調(diào)度來消除節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘漂移。

全局同步包的格式如表1所示。在全局同步包中，type表示幀的類型;length指該發(fā)送的幀長度，不包括MAC幀頭;srcAddr表示源節(jié)點(diǎn)地址;syncNode表示全局調(diào)度的發(fā)起節(jié)點(diǎn);sleepTime表示該節(jié)點(diǎn)距離下一次休眠調(diào)度的時(shí)間，即多長時(shí)間后進(jìn)入休眠;state用于記錄節(jié)點(diǎn)是否更改調(diào)度的標(biāo)志位;gSchedFlag指該節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)全局同步的標(biāo)志位;hop表示全局調(diào)度的發(fā)起節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)全局同步包的總跳數(shù);transTime表示全局調(diào)度的發(fā)起節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)全局同步包的總轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間;CRC為循環(huán)冗余校驗(yàn)。

為了解決節(jié)點(diǎn)因?yàn)榻邮盏讲煌娜滞桨x擇全局調(diào)度的問題，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的全局調(diào)度是以首次發(fā)送全局同步包的距離下一次休眠時(shí)間來設(shè)置的。假設(shè)節(jié)點(diǎn)i是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)首次發(fā)送全局同步包的節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過n跳轉(zhuǎn)發(fā)后到達(dá)節(jié)點(diǎn)j，若節(jié)點(diǎn)的處理延遲和排隊(duì)延遲可以忽略不計(jì)，節(jié)點(diǎn)的偵聽周期為T，總轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間為tz，其中每跳的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間包括載波延遲和退避延遲，每跳的傳輸時(shí)間為tm，則節(jié)點(diǎn)j接收到的全局同步包的距離下一次休眠時(shí)間t的計(jì)算如公式(1)所示。

以圖1為例，假設(shè)節(jié)點(diǎn)i是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)首次發(fā)送全局同步包的節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過n+1跳轉(zhuǎn)發(fā)后達(dá)到節(jié)點(diǎn)k，根據(jù)公式(1)計(jì)算得出節(jié)點(diǎn)k的距離下一次休眠時(shí)間為tk1，同理節(jié)點(diǎn)k接收到由節(jié)點(diǎn)l發(fā)送的全局同步包的距離下一次休眠時(shí)間為tk2，然后節(jié)點(diǎn)k通過比較得出tk1小于tk2，因此節(jié)點(diǎn)k丟棄節(jié)點(diǎn)l的調(diào)度而選擇節(jié)點(diǎn)i的調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)了接收節(jié)點(diǎn)k更新全局調(diào)度為全網(wǎng)內(nèi)首次發(fā)送全局同步包的節(jié)點(diǎn)調(diào)度。

表1 全局同步包格式Table.1 HSYNC format

圖1 全局同步包的距離下一次休眠時(shí)間的設(shè)置Fig.1 The setting of the next sleepTime of HSYNC packet

2.2.1 建立全局調(diào)度

在LDSMAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)在一個偵聽和休眠周期內(nèi)只能發(fā)送或接收一次同步包，但是接收節(jié)點(diǎn)在一個偵聽和休眠周期內(nèi)可以發(fā)送和接收多次全局同步包，但是為了節(jié)省能耗，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在其鄰居節(jié)點(diǎn)接收到全局同步包后，就不再廣播全局同步包直到維護(hù)全局同步周期的到來。其建立全局調(diào)度和鄰居列表的具體步驟如下:

1)節(jié)點(diǎn)至少在一個同步周期內(nèi)偵聽信道，如果節(jié)點(diǎn)沒有接收到同步包或全局同步包，則節(jié)點(diǎn)選擇自身的調(diào)度。

2)如果節(jié)點(diǎn)在選擇自身調(diào)度后接收到同步包，則節(jié)點(diǎn)丟棄自身的調(diào)度而選擇收到的同步包調(diào)度，并將發(fā)送節(jié)點(diǎn)加入到鄰居列表。

3)如果節(jié)點(diǎn)在選擇自身調(diào)度后接收到全局同步包，則節(jié)點(diǎn)丟棄自身的調(diào)度而選擇接收到的全局同步包調(diào)度，并將發(fā)送節(jié)點(diǎn)加入到鄰居列表。

4)如果節(jié)點(diǎn)在接收到全局同步包之前，已接收到鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度且該調(diào)度不是全局調(diào)度，則節(jié)點(diǎn)丟棄鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度而選擇全局調(diào)度。

5)如果節(jié)點(diǎn)在接收全局同步包之前，已接收到鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度且該調(diào)度正是全局調(diào)度，則節(jié)點(diǎn)選擇調(diào)度表中的下一次休眠時(shí)間最小的調(diào)度。

2.2.2 維護(hù)全局同步

節(jié)點(diǎn)在建立全局同步后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)通過全局偵聽和休眠調(diào)度訪問信道，但是由于節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘漂移使得全局調(diào)度發(fā)生偏移。因此，LDSMAC協(xié)議每隔2分鐘通過發(fā)送全局同步包進(jìn)行全局同步的維護(hù)，其維護(hù)全局同步的步驟如下:

1)節(jié)點(diǎn)偵聽信道，如果接收到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)首次發(fā)送的全局同步包，則接收節(jié)點(diǎn)按照全局同步包的調(diào)度更新全局調(diào)度。

2)如果節(jié)點(diǎn)接收到不同的全局同步包，且接收到的全局同步包的下一次休眠時(shí)間小于其全局調(diào)度的下一次休眠時(shí)間，則接收節(jié)點(diǎn)將其全局調(diào)度更新為全局同步包的調(diào)度。

3)如果節(jié)點(diǎn)接收到不同的全局同步包，且接收到全局同步包的下一次休眠時(shí)間大于其全局調(diào)度的下一次休眠時(shí)間，則接收節(jié)點(diǎn)的調(diào)度已經(jīng)更新為全局調(diào)度。

3 仿真實(shí)驗(yàn)和分析

基于NS-2.34仿真平臺分別對總能耗、延遲和數(shù)據(jù)吞吐量進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真參數(shù)如表2所示。仿真實(shí)驗(yàn)中定義了11個節(jié)點(diǎn)，并采用平面線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Network simulation parameters

3.1 能耗分析

圖2對比了LDSMAC協(xié)議和SMAC協(xié)議在輕負(fù)載下的總能耗。由圖可知，LDSMAC協(xié)議的總能耗比SMAC協(xié)議的總能耗增加5%～10%.因?yàn)長DSMAC協(xié)議增加了額外的控制開銷，但是全局同步包的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)包的長度，并且簡化了SMAC協(xié)議中虛擬簇間的邊界節(jié)點(diǎn)多個調(diào)度。

圖2 各跳下的所有節(jié)點(diǎn)總能耗Fig.2 Aggregate energy consumption on radios in the entire ten-hop network

3.2 吞吐量分析

圖3對比了LDSMAC協(xié)議和SMAC協(xié)議由源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)第10跳的數(shù)據(jù)吞吐量。由圖可知，LDSMAC協(xié)議的吞吐量比SMAC協(xié)議的吞吐量增加10%～50%.網(wǎng)絡(luò)的吞吐量受到很多因素的影響，例如沖突避免機(jī)制的有效性、信道利用率、延遲和控制開銷等。由于競爭窗口的頻繁出現(xiàn)導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)競爭狀況變化，因此SMAC協(xié)議的吞吐量呈現(xiàn)時(shí)大時(shí)小現(xiàn)象。

圖3 在不同負(fù)載下第10跳的數(shù)據(jù)吞吐量Fig.3 The throughput over ten-hop under different traffic loads

3.3 傳輸延遲分析

圖4和圖5分別對比了LDSMAC協(xié)議和SMAC協(xié)議在重負(fù)載下和輕負(fù)載下的延遲。由圖可知，LDSMAC協(xié)議的延遲比SMAC協(xié)議的延遲減少了20%～50%.當(dāng)占空比增加時(shí)，LDSMAC協(xié)議相比于SMAC協(xié)議的延遲下降幅度趨緩，因?yàn)檎伎毡仍黾樱?jié)點(diǎn)偵聽信道的時(shí)間更長，延遲相對降低。

圖4 發(fā)包間隔為2 s時(shí)各跳的平均延遲Fig.4 The mean message latency on each hop when the message inter-arrival time is 2 s

圖5 發(fā)包間隔為10 s時(shí)各跳的平均延遲Fig.5 The mean message latency on each hop when the message inter-arrival time is 10 s

4 結(jié)束語

LDSMAC協(xié)議采用全局同步機(jī)制使得全網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都同步到全局的偵聽和休眠調(diào)度，由于時(shí)鐘漂移節(jié)點(diǎn)周期性進(jìn)行全局同步的維護(hù)，保證了發(fā)送節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)接收節(jié)點(diǎn)始終處于偵聽狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了多跳網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)傳輸，降低了網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲，但是增加了額外的控制開銷。

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