傳感器網(wǎng)絡(luò)中異步廣播MAC協(xié)議的研究

顏 光

（南京審計大學(xué)金審學(xué)院，江蘇 南京 210023）

傳感器網(wǎng)絡(luò)中異步廣播MAC協(xié)議的研究

顏 光

（南京審計大學(xué)金審學(xué)院，江蘇 南京 210023）

文章在論述節(jié)點休眠調(diào)度算法中加入了能量感知，這樣做主要是控制剩余能量值低的節(jié)點的喚醒次數(shù)，使其盡可能地處于休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。不過這樣可能會增加網(wǎng)絡(luò)的延遲，但是換來的是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點均勻地消耗能量，從網(wǎng)絡(luò)的整體來說，可以增加其工作時間。

異步MAC；廣播；能量感知；負(fù)載均衡

1 WSN的MAC協(xié)議

MAC協(xié)議是在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層，會影響WSN的性能，MAC協(xié)議對WSN的高效率通信具備一定的保障作用。

WSN節(jié)點的存儲、能量以及通信帶寬等資源是有限的，單個節(jié)點的功能較弱，而WSN眾多節(jié)點的協(xié)作使其具有強大的功能。在局部范圍多點通信的無線信道分配是需要MAC協(xié)議來為其協(xié)調(diào)的，在全體網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)需要路由協(xié)議去選擇通信路徑。

2 建模和問題描述

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點主要包括兩種，即工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)。WSN的節(jié)點在工作狀態(tài)時，一方面提供基本的感知功能，另一方面還需數(shù)據(jù)發(fā)送、接收等通信功能，在不發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點處于空閑偵聽；如果節(jié)點休眠，那么其會關(guān)閉所有功能，但定時功能除外。

假設(shè)以ΓA表示W(wǎng)SN節(jié)點i工作調(diào)度表的一個周期，即整個網(wǎng)絡(luò)為有限的工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)共同構(gòu)成的集合，用T來表示W(wǎng)SN節(jié)點在周期內(nèi)所需的時間。所以至于節(jié)點i，其第j次的工作狀態(tài)可以用結(jié)構(gòu)（來表示，其中表示節(jié)點i第j次處于工作狀態(tài)的開始時間; τ表示第j次的工作狀態(tài)需要的時間，即時隙個數(shù)，節(jié)點是工作狀態(tài)還是休眠狀態(tài)，時隙大小固定。其節(jié)點i 的一個周期工作調(diào)度表的公式為：

節(jié)點占空比（Duty Cycle，DC）是指傳感器節(jié)點所有處于工作狀態(tài)所持續(xù)時間之和與節(jié)點從開始到失效所持續(xù)時間的比值.如果節(jié)點是周期性的，那么WSN節(jié)點的占空比可表示為周期內(nèi)工作狀態(tài)的時間去除以總時間。

表1說明了節(jié)點i的一個周期。表中灰色填充的部分代表WSN節(jié)點是工作狀態(tài)，白色部分則說明節(jié)點處于休眠狀態(tài)，每個方框代表一個時隙。這樣就可以計算出WSN節(jié)點i在每個工作周期內(nèi)的工作調(diào)度表：ΓA={（4，1），（5，1），（8，1），（10，1）}。

表1 節(jié)點i的工作調(diào)度表

WSN網(wǎng)絡(luò)可以通過一個有向連通圖G（V，E）表示。每個節(jié)點通過一個傳輸范圍Rt（v）和一個接收范圍Rh（v）。在本文中對此作了簡化處理，即所有的節(jié)點分別具有相同的傳輸范圍和相同的接收范圍。另外一方面，在節(jié)點v的傳輸中，所以在傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點可以以大概率正確解碼。

在離散數(shù)學(xué)中，連接圖由連接矩陣表示。根據(jù)節(jié)點vn和vm是否直接連接，有向連接圖的矩陣的元素（m，n）規(guī)定為1或者0。在本文中，所有的結(jié)點周期性的向匯聚節(jié)點S匯報數(shù)據(jù)。單位時間內(nèi)由節(jié)點v發(fā)送的平均數(shù)據(jù)包數(shù)由D（v）表示。

2.2 存在問題

對于能量不平均現(xiàn)象，因為目前針對WSN的研究多集中于最小功耗問題，單個節(jié)點的性能是需要更多關(guān)注的，類似能否找出一種讓單個節(jié)點耗能少的方法。但事實上人們并沒有更多地去關(guān)注能耗均衡的問題以及這個問題是否會影響網(wǎng)絡(luò)的壽命。假如某個網(wǎng)絡(luò)的壽命是其中某一個節(jié)點死亡的時間，那對路由協(xié)議的要求則是其應(yīng)該能夠保持整個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點消耗能量平均，這樣來控制所有節(jié)點在差不多的時間死亡。但是大部分的機制都是：針對某個節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)包來節(jié)省能量，盡量少重傳，信息的發(fā)送都是考慮質(zhì)量較好的節(jié)點，導(dǎo)致每次廣播包的發(fā)送會分配到固定的節(jié)點，這樣就會使整個節(jié)點快速死亡，嚴(yán)重的是影響整個網(wǎng)絡(luò)。

3 能量感知路由算法分析

3.1 算法的前提

該算法方案是需具備某些條件的，如下所述：

（1）網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的工作調(diào)度表應(yīng)符合周期特性。（2）節(jié)點在部署前隨機選擇其工作調(diào)度表，在節(jié)點之間進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)后會共享其工作調(diào)度表。節(jié)點在更新其工作調(diào)度表之前會通知所有鄰居節(jié)點，在確定其所有鄰居節(jié)點都知道新的工作調(diào)度表后，該節(jié)點會在下一次蘇醒時啟動新的工作調(diào)度表。

（3）WSN節(jié)點間的鏈路質(zhì)量能維持不變。（4）WSN中節(jié)點應(yīng)該是時鐘同步的，這里使用FTSP協(xié)議確保同步。（5）至于沖突的問題不去考慮。

在所有節(jié)點都一直處于工作狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中，鄰居節(jié)點之間可以隨時發(fā)送或接收信息.這時，節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸延遲一般都是毫秒級別，可以忽略。但是在LDC-WSN中，發(fā)送節(jié)點必須要等到其鄰居節(jié)點處于工作狀態(tài)才能向其發(fā)送數(shù)據(jù)，而這個需要等待的時間可能是幾秒甚至幾十秒。

在該文章中，要定義一個概念，休眠延遲，即將發(fā)送節(jié)點收到準(zhǔn)備傳輸給其鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)信息到鄰居節(jié)點蘇醒處于工作狀態(tài)所持續(xù)的時間。LDC-WSN中，休眠延遲會較大。所以，通信延遲應(yīng)忽略，端到端通信我們只去關(guān)注休眠延遲。

3.2 算法設(shè)計

在現(xiàn)實無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，因為節(jié)點許多因素的影響，比如節(jié)點初始能量值不同等，這都會影響節(jié)點的剩余能量，所以再繼續(xù)去使用該節(jié)點的話，就會出現(xiàn)因能耗不足而死亡，如果類似節(jié)點數(shù)量增多那肯定就影響了整個網(wǎng)絡(luò)性能。針對上文所述問題考慮，改進(jìn)了某些缺點，增加了能量感知，這樣做主要是控制剩余能量值低的節(jié)點的喚醒次數(shù)，使其盡可能地處于休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。不過這樣可能會增加網(wǎng)絡(luò)的延遲，但是換來的是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點均勻地消耗能量，從網(wǎng)絡(luò)的整體來說，可以增加其工作時間。

本文改進(jìn)了能量感知路由算法。該算法相較于之前的算法最大的改進(jìn)在于，它沒有選擇單條最優(yōu)的路徑，而是記錄一組“良好”的路徑，然后基于概率的方式選擇其中一條。根據(jù)仿真結(jié)果顯示，當(dāng)通信不再選擇單一的路徑，而是選擇多跳路徑，單一的節(jié)點不會遭遇能量耗竭，從而延長了網(wǎng)絡(luò)的平均壽命。

能量感知路由協(xié)議是一種接受者發(fā)起的協(xié)議，數(shù)據(jù)的使用者，也就是接收端發(fā)起路由請求，并且持續(xù)維護(hù)路由表。

算法如下：

建立階段：通過局部泛洪來獲取從源節(jié)點到匯聚節(jié)點的路由信息和能量消耗信息。以此建立路由表。

數(shù)據(jù)傳輸階段：根據(jù)從建立階段獲得的信息來進(jìn)行數(shù)據(jù)從源節(jié)點向匯聚節(jié)點傳輸。路徑根據(jù)前面計算的能量消耗進(jìn)行基于概率的選擇。

路由維護(hù)：通過不頻繁的局部泛洪機制保持局部路由信息的更新。

3.2.1 建立階段

（1）目的節(jié)點通過泛洪網(wǎng)絡(luò)向源節(jié)點的方向發(fā)起連接，同時在發(fā)送請求之前將“Cost”域置零。

（2）接收到請求的節(jié)點計算發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的傳輸能耗，然后把該值加到路徑的總能耗。所以如果有請求從節(jié)點Ni發(fā)送到Nj，節(jié)點Nj會按照以下公式計算路徑功耗：

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸階段

（1）源節(jié)點按照路由表中存儲的路由概率選擇接收鄰節(jié)點。

（2）每個中間節(jié)點按照路由表中存儲的路由概率選擇接下一個收鄰節(jié)點。

（3）重復(fù)步驟2知道數(shù)據(jù)包到達(dá)匯聚節(jié)點。

4 結(jié)語

通過研究分析節(jié)點休眠調(diào)度算法，改進(jìn)了某些缺點，增加了能量感知，這樣做主要是控制剩余能量值低的節(jié)點的喚醒次數(shù)，使其盡可能地處于休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。不過這樣可能會增加網(wǎng)絡(luò)的延遲，但是換來的是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點均勻地消耗能量，從網(wǎng)絡(luò)的整體來說，可以增加其工作時間。

[1]李方敏，徐文君，高超.一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率控制MAC協(xié)議[J].軟件學(xué)報，2007（5）：1080-1091.

[2]SUN Y，DU S，GUREW ITZ O，et al. DW-MAC: a low latency，energy efficient demand-wakeup MAC protocol for w ireless sensor networks[C].Proceedings of the 9th ACM Ιnternational symposium on Mobile ad hoc networking and computing, ACM，2008：53-62.

[3]劉善平，林亞平，周四望.一種低能耗低延時的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議[J].計算機應(yīng)用，2006（2）：287-291.

[4]施榮華，廖勇超.基于NS2的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議仿真與分析[J].微計算機信息，2010（9）：3-5.

[5]張強，付敬奇.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議能耗分析[C].北京：中國儀器儀表學(xué)會第九屆青年學(xué)術(shù)會議論文集，2007.

Research on asynchronous broadcast MAC protocol in w ireless sensor networks

Yan Guang
（Jinshen College, Nanjing Audit University, Nanjing 210023, China）

This paper has added the energy perception to the node scheduling algorithm w ith energy aware, which is mainly used to control the wake times of the node w ith low residual energy value, making it in a dormant state to save energy as much as possible. This may delay the network although it can make the nodes consume energy evenly in the network and increase its working time from the overall network.

asynchronous MAC; broadcasting; energy perception; load balance

顏光（1982— ），男，江蘇宿遷。