低占空比無線傳感網絡非對稱鏈路MAC協議研究*

2017-01-16 03:41:44雷利紅宋華華夏靜山

通信技術 2016年11期

徐震，雷利紅，宋華華，夏靜山

（武漢輕工大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430023）

徐震，雷利紅，宋華華，夏靜山

（武漢輕工大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430023）

低占空比無線傳感網絡可以提高網絡中節點的生存周期，但卻帶來一些額外的問題，如較長的等待延時等。低占空比無線傳感網絡接收端啟動的MAC協議，能夠很好地實現節能目的。然而，當鏈路高度不對稱時，接收端啟動的MAC協議卻不盡人意。因此，提出一種新穎的MAC協議（AL-MAC），即在接收端發起協議表現不佳時，自動切換到發送端發起協議，使兩種協議都能發揮出自身優點，從而減少由于非對稱鏈路而導致的性能下降。仿真結果表明，相對于A-MAC協議，這種協議能更好地提高數據包成功接收率和降低數據包傳輸時延。

低占空比；無線傳感器網絡；非對稱鏈路；MAC協議

0 引言

無線傳感網絡（WSN：Wireless Sensor Network）由許多具有信息采集功能的節點組成。這些節點體積微小，部署在需要監測的范圍內，可以采集需要的信息并發送給匯聚節點。由于無線傳感網絡使用方便，價格低廉，因此得到了醫學界﹑學術界以及軍事領域的廣泛關注。傳感器節點大多數都是依靠電池供電，節點的能量通常有限，如何提高無線傳感網絡的壽命是一個非常重要的問題。傳感器節點通信時需要發送和接收數據，消耗的能量是最多的；而睡眠狀態下所消耗的能量是最低的。因此，讓節點空閑時進入睡眠狀態，可以大大節省節點能量，延長整個網絡的壽命。在MAC協議中加入睡眠機制，是一種行之有效的方法。于是，這種情況下，出現了低占空比無線傳感網絡。無線傳感網絡MAC協議不僅有發送端發起模

式，還有接收端發起模式。發送端發起的MAC協議如X-MAC[1]和BoX-MAC-1[2]，需要傳輸先導控制幀；接收端發起的MAC協議如R-MAC[3]和A-MAC[4]。每當接收端從睡眠狀態被喚醒時，會廣播探測幀，但傳輸數據的發送端需處于偵聽狀態并等待，直到收到探測幀。可見，接收端發起的優勢是不需要發送先導控制幀。

在對無線傳感網絡的研究與探索中，很多實驗結果與理論分析表明：非對稱鏈路是普遍存在的。一般情況下，節點的使用率不同，節點電池所消耗的能量也會有所不同。節點通信所覆蓋的范圍也會受到環境的影響。當節點所處的環境出現差異時，會導致覆蓋范圍不對稱（鏈路不對稱），從而影響數據的傳輸時延和成功接收率。接收端發起的MAC協議的性能受到非對稱鏈路的影響，因為發送端需要收到來自接收端的探測幀，只有接收到該探測幀，發送端才開始數據傳輸。由于鏈路是不對稱的，可能會引起兩個潛在的問題發生：（1）當探測幀未能傳輸給發送端時，接收探測幀的發送端必須保持偵聽狀態等待下一個探測幀，這個過程會增加網絡延時和能量消耗；（2）由于下行鏈路質量較差，發送端不會發送數據。

本文針對存在非對稱鏈路的低占空比無線傳感網絡，提出了一種新的非對稱鏈路MAC協議——AL-MAC協議。該協議綜合了接收端發起模式和發送端發起模式兩種MAC協議的優點，能夠根據鏈路的不對稱性，使節點在發射端發起和接收端發起之間進行動態切換。

1 相關研究

在低占空比無線傳感網絡中，占空比機制主要分為同步占空比和異步占空比。在同步占空比情況下，鄰居節點之間有相同的時間調度，可以在工作和睡眠上實現同步。而在異步占空比情況下，節點有自己的占空比，并且能夠獨立分配自己的工作時隙。因為同步占空比需要時間完全同步，而實現這一目標具有難度，所以異步占空比使用較為廣泛。目前，提出了異步占空比無線傳感器網絡的各種協議。例如，在S-MAC[5]協議中，偵聽和睡眠的周期都是固定的。在此機制中，時間被分為多幀，每幀都包含活動狀態和睡眠狀態。在活動狀態，節點能夠傳輸數據分組，跟鄰居節點通信交互信息。而在睡眠狀態，節點為降低能量損耗，從而關閉發射接收模塊。當節點處于睡眠狀態而需要處理數據時，會緩存數據直到活動狀態時再處理。在此調度機制下，減少了空閑監聽，實現了降低能量損耗的目標。L-MAC[6]協議采用調度機制，將節點一個周期的時間劃分為發送時間﹑睡眠時間和接收時間。其中，接收時間與發送時間是相同的，下一層節點的發送時間能夠與上一層節點的接收時間相對應，這樣數據就能夠順利從數據源節點傳送到匯聚節點，并且降低了數據在網絡傳輸中的時延。

最近，MAC協議研究的方向主要有發送端發起機制和接收端發起機制。發送端發起的MAC協議如X-MAC，需要傳輸先導控制幀，從而產生了能量浪費；另一方面，接收端發起的MAC協議如R-MAC和A-MAC，每當從睡眠狀態醒來時，接收端會廣播一個探測幀，但傳輸數據的發送端需處于偵聽狀態并等待，直到探測幀被接收；在發送端沒有接收到探測幀時，不能進行數據傳輸。與發送端發起的MAC協議相比，這種MAC協議方式避免了發送先導控制幀的能量消耗。然而，根據之后的顯示，接收端發起的MAC協議在非對稱鏈路網絡中的表現效果并不好。當發送端等待超時無法接收探測幀或者探測幀由于鏈路的不對稱而無法傳輸時，接收探測幀的一端必須一直處于偵聽狀態，直到探測幀到達并被接收，這樣就會導致能源浪費和延時增加。在高度非對稱鏈路中，探測幀容易被丟棄，降低了數據包成功接收率。

2 AL-MAC協議

2.1 AL-MAC協議設計

為設計一種低占空比MAC協議，使無線傳感網絡在鏈路高度不對稱的情況下也能很好工作，本文提出了一種新穎的協議——AL-MAC協議。該協議綜合發送端發起模式和接收端發起模式的優點，以接收端啟動的MAC協議為基礎，減少先導控制幀的發送次數，同時把發送端發起模式的設計思想整合到接收端發起模式的MAC協議里，以解決非對稱鏈路問題。

AL-MAC協議有兩種操作模式：接收端模式及發送端模式。接收端模式為默認模式，此時協議使用接收端發起的MAC協議。當發送端在一個探測周期內無法從接收端接收到探測幀時，就會切換到發送端模式。在發送端模式下，發送端發出一系列小的先導控制幀去通知數據的接收端，接收端一旦接收到先導控制幀中傳輸數據的消息，就會開始數據傳輸。

如果發送端超時收不到探測幀，將從接收模式切換到發送端發起模式，接收端也需要切換到發送端發起模式。因此，接收端發送的探測幀之間要留出一個時間間隔。在這個時間間隔內，接收端根據收到的先導控制幀中的消息，切換其工作模式為發送端發起模式。這樣，雙方就同時處在發送端發起模式下，從而順利地進行數據傳輸了，如圖1所示。

圖1 AL-MAC協議操作

2.2 AL-MAC算法分析

當一個節點收到源節點（發送端）發來的消息后，接收消息的節點會從睡眠狀態醒來并廣播探測幀。此時，會出現兩種情況：（1）接收消息的節點發出的探測幀被源節點接收，數據就會成功由源節點到達接收消息的節點；（2）探測幀沒有被源節點接收，源節點需一直處于等待狀態；當等待時間超過一個探測幀的發送周期，此時MAC協議由接收端啟動切換為發送端啟動模式；源節點給接收消息的節點發送先導控制幀，但是發送的先導控制幀可能會與探測幀之間存在碰撞；當兩者發生碰撞時，源節點需要在第二個時間間隔期間發送先導控制幀，以確保數據的準確傳輸，如圖2所示。

圖2 探測幀與先導控制幀之間的碰撞

3 性能評價及仿真結果

為了評價AL-MAC協議的性能，通過網絡仿真平臺對AL-MAC以及A-MAC進行了性能比較。仿真平臺采用2.30版的NS2。仿真實驗中共布置7個節點，其中1個節點為發送節點，其余6個節點為接收接收分布在發送節點一跳范圍內的節點。發送節點每隔1 s發送一個15 Bytes的數據包到接收節點，發送1 000個數據包。

對于AL-MAC協議，主要從數據包傳輸時延和數據包成功接收率兩個方面來評估其性能。

3.1 數據包傳輸時延

圖3顯示了兩種MAC協議的單個數據包的傳輸時延隨著非對稱性變化的曲線。由仿真結果可知，傳輸時延隨著不對稱性程度的增加而增大。這主要是因為當非對稱性很高時，發送端接收不到探測包的可能性就會增加。當發送端收不到探測幀時，它就會等待下一個探測幀，從而增加數據包的傳輸時延。AL-MAC協議的傳輸時延不會超過1 s，因為當連續兩次未能收到探測包時，將自動切換為發送端發起模式。例如，當鏈路非對稱性為70%時，A-MAC協議的數據包傳輸時延為1 100 ms，而AL-MAC協議的數據包傳輸時延為520 ms。可見，AL-MAC協議能夠降低數據包的傳輸時延。

圖3 非對稱性和數據包傳輸時延

3.2 數據包成功接收率（PRR）

在本次仿真實驗中，接收端每隔500 ms發送一個探測幀。從圖4（a）的仿真實驗結果可以看出，當不對稱性較低時，兩種協議都能產生好的效果。然而，當不對稱性較高時，兩種協議的數據包成功接收率都會隨著不對稱的增加而減小。這主要是因為發送端每隔1 s發送數據包，而接收端發送探測幀的間隔為500 ms，導致發送端可能在兩次連續的時間內有一個探測幀收不到，進而致使發送端的數據包被丟棄，減少數據包被成功接收的次數。當不對稱性很高時，發送端在連續時間內錯過探測幀的可能性就會增加。AL-MAC協議如果在1 s內檢測不到探測幀，會自動切換到發送端模式，且直接通過下行鏈路發送數據。實驗表明，AL-MAC的數據包接收成功率高于A-MAC。如果把接收端發送探測幀的頻率調整為1 s，圖4（b）仿真結果顯示，在不對稱性增加的情況下，兩種協議的數據包成功接收率都會降低。AL-MAC在第一次丟棄探測幀后，由于超時時限為1 s，發送端不會再等待第二次探測幀，而是切換到發送端發起模式。因此，ALMAC的數據包接收率成功仍然明顯高于A-MAC。

圖4 非對稱性和數據包成功接收率

4 結語

本文對于低占空比無線傳感網絡存在非對稱鏈路問題提出了一種AL-MAC協議。該協議能夠在接收端發起模式和發送端發起模式間動態切換，綜合了兩種協議的優點，減少了因鏈路不對稱造成的數據包傳輸時延，提高了數據包成功接收率。仿真結果表明，該協議比A-MAC協議更適用于存在非對稱鏈路的無線傳感網絡。

[1] 楊浩,易平.X-MAC:一種新型的無線傳感器網絡MAC協議[J].通信技術,2013,46(04):34-36.

YANG Hao,YI Ping.X-MAC:A New MAC Protocol for W ireless Sensor Network[J].Communications Technology,2013,46(04):34-36.

[2] Moss D.Box-MAC:Exploiting Physical and Link Layer Boundaries in Low-power Networking,Technical Report SING08-00,Stanford Information Networks Group[S].2010.

[3] 李暉,郭長順.無線傳感網絡MAC協議的研究與改進[J].通信技術,2011,44(09):108-110.

LI Hui,GUO Chang-shun.Study and Imp rovement of MAC Protocol for W ireless Sensor Network[J]. Communications Technology,2011,44(09):108-110.

[4] Verma,Akansha,Singh M P.Survey of MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[C].Proc. of ICACCE,2015:92-97.

[5] 胡玉鵬,林亞平.面向異步通信機制的無線傳感網絡及其MAC協議研究[J].計算機學報,2011,34(08):1163-1477.

HU Yu-peng,LIN Ya-ping.Asynchronous Communication Mechanism Oriented Wireless Sensor Networks and MAC Protocol[J].Journal of Computers,2011,34(08):1163-1477.

[6] 賽強,龔正虎.無線傳感網絡MAC協議研究進展[J].軟件學報,2008,19(02):389-403.

SAI Qiang,GONG Zheng-hu.Overview of MAC Protocols in Wireless Sensor Networks[J].Journal of Software,2008, 19(02):389-403.

[7] Myounggyu Won,Taejoon Park.Asym-MAC:A MAC Protocol for Low-power Duty-cycled Wireless Sensor Networks with Asymmetric Links[J].IEEE Communications Letters,2014,18(05):809-812.

Asymmetric Links MAC Protocol for Low-Duty-Cycled W ireless Sensor Networks

XU Zhen, LEI Li-hong, SONG Hua-hua, XIA Jing-shan

(School of Electrical and Electronic engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan Hubei 430023, China)

Low-duty-cycle wireless sensor networks can prolong life time of the node in the network, but also brings some extra problems, such as long waiting delay. Recently-proposed low duty-cycled receiver-initiated MAC protocols could well realize the purpose of energy saving, and however, these protocols would perform poorly when highly asymmetric links occur. A hybrid MAC protocol called AL-MAC and incorporating the advantages of both receiver-initiated and sender- initiated MAC protocols is proposed. The protocol would switch to sender-initiated MAC protocols when receiver-initiated MAC protocols perform poorly due to asymmetric links. Experimental results indicate that the proposed AL-MAC protocol could fairly increase packet reception ratio and reduce packet transmission delay as compared with A-MAC protocol.

low-duty cycle; wireless sensor network; asymmetric link; MAC protocol