WSN中流量自適應的超低功耗MAC協議

李文艷，邵世祥

(南京郵電大學，江蘇 南京 210000)

WSN中流量自適應的超低功耗MAC協議

李文艷，邵世祥

(南京郵電大學，江蘇 南京 210000)

為了減少無線傳感網絡中傳感器節點的功耗，當有數據收發時，傳感器節點就開啟無線通信模塊進行發送或偵聽，如果沒有數據收發時，傳感器節點控制無線通信模塊進入休眠狀態。采用休眠方式最大的問題在于，節點休眠時無法接收數據。如果沒有較好的協議設計，節點就會因休眠而無法及時喚醒進行數據接收，進而降低了整個網絡的性能。針對此問題，提出了一種新的基于流量自適應的超低功耗MAC協議。該協議根據網絡中的通信量來對節點休眠和喚醒的時間進行實時調度：當網絡通信量低時，網絡進入非調度階段；當網絡通信量高時，網絡進入調度階段。設計的MAC通信協議在保留了同步網絡和異步網絡的優點的基礎上，對算法做了進一步改進，相對現有傳統的MAC協議，大大地降低了傳感器網絡功耗和網絡時延。

MAC協議；無線通信模塊；休眠狀態；流量自適應；超低功耗

0 引 言

無線傳感器網絡被認為是21世紀最重要的技術之一,它將會對人類未來的生活方式產生巨大影響[1-2]。無線傳感器節點依靠自身配備的電池供電，然而由于節點數量較多、部署分散等原因難以經常更換電池。如在軍事監視應用中，由于戰場需要，沒有機會更換傳感器節點電池。而在環境監測應用中，多數情況部署地點偏僻且無人值守，節點數目較多，更換電池代價較大。因此，降低節點能耗，延長網絡使用壽命對于無線傳感器網絡而言意義重大[3]。

通過實驗發現,在無線傳感器網絡中絕大部分的能量消耗集中在通訊模塊上,大約占整個傳感器節點能量消耗的80%[4]。因此,目前學術界提出的傳感器節點通訊協議主要是根據減少節點能量消耗和延長網絡生命周期來進行設計的。在基于MAC層的主要協議中,采取的最主要手段就是通過設定節點的“服務周期”來定時地控制節點的休眠和喚醒周期[5],從而達到傳感器節點節能的目的。

對節點休眠和喚醒的時間進行優質地調度，以保證目標節點不會因休眠而錯過數據接收。在傳感器網絡中，SMAC[2]是第一個同步MAC協議。SMAC協議利用周期性的睡眠/偵聽減少了空閑監聽所造成的能量浪費，通過與相鄰節點同步減少了控制消耗，利用RTS/CTS機制減少了數據沖突的幾率。由于時間同步所帶來的功耗是不可忽略的，所以很多異步MAC協議應運而生。

BMAC[6]協議是傳感器網絡中第一個異步的低功耗MAC協議，所有節點均按照預設的休眠間隔周期性喚醒。當節點有數據發送時，節點在發送數據之前首先發送一個固定長度(長度大于休眠喚醒間隔)的前導碼。文中提出一種基于網絡中通信量的自適應MAC協議。該協議根據網絡中的通信量對節點休眠和喚醒的時間進行實時調度：當網絡通信量低時，節點進入非調度階段；當網絡通信量高時，節點進入調度階段。

1 無線傳感器網絡的基礎體系架構及問題需求

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)系統通常由傳感器節點(sensor node)、匯聚節點(sink node)和管理節點(task manager node)組成[7]。結構如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡體系結構

在網絡實際運行過程中，能耗主要來源于處理(Processing)、傳感(Sensing)和無線傳輸(Radio)三個操作[8]。而在無線傳感器網絡中，無線通信模塊又是其中能耗較大的組件，對傳感器節點的通信能耗進行優化是傳感器網絡節能研究的重點。

傳感器節點的無線通信模塊包括發送狀態、接收狀態、偵聽狀態和休眠狀態[9]。單位時間內消耗的能量按照上述順序依次減少：無線通信模塊在發送狀態消耗能量最多，在休眠狀態消耗能量最少，接收狀態和偵聽狀態下的能量消耗相似但稍小于發送狀態[10]。所以，為了減少節點功耗，當有數據收發時，節點就開啟無線通信模塊進行發送或偵聽，當沒有數據收發時，節點控制無線通信模塊進入休眠狀態[11-12]。無線通信模塊的狀態受MAC層的控制[13]，所以從軟件入手，設計高效節能的MAC通信協議是目前最為可行的解決方案。

基于上述原因，針對無線傳感器網絡業務量小的特點，無線傳感器網絡協議為了減少能量的消耗，在MAC層可采用“休眠喚醒”交替的無線信道使用策略。

2 一種新的超低功耗MAC協議

針對上述問題，提出一種基于網絡中通信量的自適應MAC協議。該協議根據網絡中通信量對節點休眠和喚醒的時間進行調度。

在該MAC通信協議方案中，節點在無線通信模塊中增加一個流量狀態寄存器(TSR)和一個網絡分配矢量定時器(NAV)(TSR和NAV功耗可忽略不計)。其中，TSR是用于記錄節點重發數據的次數n，NAV是用于設定需要的休眠時間t。可知，TSR只有在無線通信模塊處于發送狀態時啟用，而NAV只在無線通信模塊處于休眠狀態時啟用。該MAC通信協議分為非調度和調度兩個階段進行。

當無線傳感器網絡開啟后，各節點完成網絡初始化設置(其中TSR=0，NAV=0，設定判斷網絡流量高低的數據重傳閾值N)。當節點要發送數據時啟動TSR，在一個休眠喚醒周期內，每重發一次數據，TSR中的次數n就增加一次。

當發送節點有數據發送給接收節點時，首先檢查TSR中n的值，如果n

上述階段的算法描述過程如圖2所示。

圖2 “異步”階段數據發送過程

Tp可由式(1)計算得出：

Tp=Tw+αmTe

(1)

其中，Tw是接收節點的喚醒間隔；m是本地數據分組的個數；Te是發送一個編碼分組的時間；α是一個大于1的常數。

發送節點的發送時間Tp比接收節點的喚醒間隔Tw大是為了確保接收節點能接收到編碼分組。接收節點接收m編碼分組的時間是mTe，如果接收節點喚醒的時間比發送節點開始發送編碼分組的時間晚，那么Tp至少持續Tw+mTe。

考慮到編碼分組在傳輸過程中丟失的情況，用常數α來提高協議的魯棒性。明顯可以看出，增大α雖然可以增大接收節點成功接收足夠多編碼分組的可能性，但是同時也增加了傳感器節點功耗。發送節點對本地數據進行分組時，要選擇合適的分組長度：分組長度過大，非目的接收節點接收一個編碼分組就會消耗過多的不必要的功耗，即增加了網絡的串音功耗；分組長度過短，不僅對于編碼技術是一項挑戰，同時由于發送節點發送編碼分組時需要在每個編碼分組的頭部加上目的地址，會極大地降低網絡數據傳輸的有效性。

如果n>N，則無線傳感器網絡進入調度階段。當數據重傳次數n大于系統設置的閾值N時，設計的MAC協議認為數據重發是由網絡中通信量過大而引起的數據丟失，發送節點首先發送一個長RTS(請求發送)幀作為前導碼。其中，RTS幀中包含目的接收節點地址和數據發送結束時間T，由于RTS幀長度Tr(Tr≥Tw，Tw是傳感器節點的喚醒間隔)足夠大，所有與發送節點相鄰的節點都能接收到這個RTS幀。當節點接收到RTS幀后，首先根據此幀中的目的地址判斷是否有數據發送給本節點，如果沒有數據需要接收，節點根據幀中數據發送結束時間T，將幀丟棄后開啟NAV并預設NAV的值，然后進入休眠狀態。如果有數據需要接收，接收節點給發送節點回復一個CTS(允許發送)幀，然后做好接收數據的準備。

上述階段的算法描述過程(由低通信量轉向高通信量)如圖3所示。

圖3 調度階段數據發送過程

3 仿真與分析

3.1 仿真環境

采用無線傳感器網絡仿真平臺對SMAC和BMAC以及文中設計的MAC通信協議進行仿真。仿真中搭建的網絡模型是一個10*10的點陣模型，節點間隔為200 m,節點通信半徑設置為500 m,每個節點最遠可以與相鄰一個節點外的節點進行通信，節點的鄰居最多有12個。對于每種通信協議，仿真節點的參數設置如下：信道帶寬為20 kbps，接收、發送和空閑監聽的功率均為1 W，休眠功率為1 mW，狀態轉換功率為200 mW，休眠周期為1 443 ms。SMAC和BMAC協議的占空比為10%，而文中設計的MAC通信協議的平均占空比為2.1%。仿真的時長設為60 s。為了表現各種流量下的性能對比，將節點的信息的到來間隔逐漸減少，以模擬網絡中低通信量到高通信量的變化：信息的到來間隔為2～14 s。每個信息的大小為10 byte。

3.2 性能評估

無線傳感器網絡的平均功耗和時延對比如圖4所示。

圖4 功耗和時延對比

由圖4可知，當網絡通信量較低時，在功耗和延遲方面BMAC協議比SMAC協議性能更好。而當無線傳感器網絡中的通信量高時，則情況相反。這是由于當無線傳感器網絡中的通信量低時，數據出現碰撞的幾率相對較小，消耗在數據碰撞上的功耗可以忽略不計；當無線傳感器網絡中的通信量高時，隨著無線傳感器網絡中的通信量逐漸增高，數據出現碰撞的幾率越來越大，如果不采取減少碰撞的措施，整個網絡因碰撞產生的功耗和時延將會很大。

文中設計的MAC通信協議的功耗和延時比BMAC和SMAC協議小得多，這是因為在非調度階段，非目的接收節點接收到一個編碼分組后，即可根據目的地址將編碼分組丟棄后按照自己的休眠機制進入休眠狀態，極大減少了串音所帶來的功耗。此外目的接收節點只要正確接收足夠的編碼分組，就可根據接收到的編碼分組解碼出原始數據，并且在編碼分組發送過程對于那些丟失的分組不用做任何處理(例如超時重傳等)。不僅充分利用了前導碼傳輸數據的潛能，減少了因不必要數據發送而帶來的額外開銷，而且避免了因超時重傳等機制帶來的開銷。除此之外，發送節點在收到目的節點的ACK確認包之后，就可以立即停止編碼分組的發送，減少了發送節點的功耗和網絡資源的占用。

在調度階段，所有節點可以根據RTS幀來設定自己的休眠時間，并在數據傳輸完成以后自動喚醒。這種方法無需進行網絡同步，不僅減少了網絡中資源的占用，而且降低了節點因維護同步信息表而帶來的功耗。此外，由于所有非目的節點根據發送節點發送的數據結束時間來設定自己的休眠時間，降低了網絡的時延。

4 結束語

傳感器網絡的通信節能技術主要集中在MAC層和路由層。文中從MAC層出發，通過設計一種基于網絡中通信量的超低功耗的MAC協議來降低傳感器網絡功耗。下一步，將從路由層著手，研究設計出優質的路由協議，配合文中提出的MAC協議進一步降低傳感器網絡功耗，延長整個網絡的生命周期。

[1] 周傲英,楊 彬,金澈清,等.基于位置的服務:架構與進展[J].計算機學報,2011,34(7):1155-1171.

[2] Ye W,Heidemann J,Estrin D.An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks[C]//Proceedings of the international conference on computer and communications societies.[s.l.]:IEEE,2002:1567-1576.

[3] Popovici E,Magno M,Marinkovic S.Power management techniques for wireless sensor networks:a review[C]//5th IEEE international workshop on advances in sensors and interfaces.[s.l.]:IEEE,2013:194-198.

[4] 許金清,蔣念平.無線傳感網中SMACS協議的節能改進算法[J].計算機系統應用,2011,20(2):207-210.

[5] Zhu C,Yang L,Shu L,et al.Sleep scheduling for geographic routing in duty-cycled mobile sensor networks[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2014,61(11):6346-6355.

[6] Polastre J,Hill J,Culler D.Versatile low power media access for wireless sensor networks[C]//Proceedings of ACM SenSys.[s.l.]:ACM,2004.

[7] 孫利民.無線傳感網絡[M].北京：清華大學出版社，2006.

[8] 趙 明,徐科軍,倪 偉,等.一種無線傳感器網絡節點設計和通信協議研究[J].儀器儀表學報,2005,26:630-632.

[9] 朱 凡.無線傳感網絡技術及其在礦山安全監測中的應用研究[D].長沙:湖南大學,2010.

[10] 崔 莉,鞠海玲,苗 勇,等.無線傳感器網絡研究進展[J].計算機研究與發展,2005,42(1):163-174.

[11] 張大蹤，楊 濤，魏東梅.無線傳感器網絡低功耗設計綜述[J].傳感器與微系統,2006,25(5):10-14.

[12] Wang J,Dong W,Cao Z,et al.On the delay performance in a large-scale wireless sensor network:measurement,analysis,and implications[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2015,23(1):186-197.

[13] Kim T,Kim I,Sun Y,et al.Physical layer and medium access control design in energy efficient sensor networks:an overview[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2015,11(1):2-15.

Traffic-aware Adaptive MAC Protocol with Ultra-low Power for WSN

LI Wen-yan,SHAO Shi-xiang

(Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210000,China)

In order to reduce the power consumption of the sensor nodes in WSN,when data is being transmitted or received,the wireless communication module of the nodes are supposed to start operation to send the data or listen to the channel,otherwise it enters a sleep mode.However,the biggest problem is that the sensor nodes are unable to receive data when being in the sleep mode.Without a better protocol designed,data will be failed to be received since the nodes are in sleep mode,and thus the entire network performance is reduced.For this problem,a new traffic-aware adaptive MAC protocols with ultra-low power for WSN is proposed.In the designed MAC protocol,the sleeping time and wake-up time in real time of the nodes are scheduled based on the network traffic.If network traffic is low,it enters the phase of non-scheduling or else the phase of scheduling.In addition to the advantages of synchronous network and asynchronous network,the algorithm is further improved in this designed MAC protocol.Compared with the existing traditional MAC protocols,the power consumption and the delay of the sensor network is reduced greatly with the designed MAC protocol.

Media Access Control (MAC) protocol;wireless communication module;sleep mode;traffic-aware;ultra-low power

2016-04-26

2016-08-11

時間：2017-02-17

國家自然科學基金資助項目(61171093)

李文艷(1988-),女,碩士研究生,研究方向為無線傳感網絡的低功耗研究、移動通信與無線技術；邵世祥,教授,研究方向為移動通信與無線技術。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1632.062.html

TN915

A

1673-629X(2017)03-0113-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.023