面向連接的低功耗無線傳感網絡接入控制方案

李爭平+王灼陽

摘要：為了在無線傳感器網絡中降低功耗的同時提高整個系統(tǒng)的吞吐量，提出一種面向連接的動態(tài)時分多址接入立即回復確認（ACK）的數據傳輸協(xié)議，采用競爭時隙分配算法，并采用載波監(jiān)聽/沖突避免（CSMA/CA）算法控制沖突概率，通過多幀聯(lián)合退避適應大規(guī)模數據傳輸的需求，最后使用MATLAB對該算法進行仿真。實驗結果表明，相對IEEE802.15.4協(xié)議，該算法降低了功耗，同時大大提高了整個系統(tǒng)的吞吐量。

關鍵詞：競爭接入；接入控制；傳感器網絡；

一、引言

隨著社會的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對通信的需求越來越大。公共安全領域需要無線網絡實現(xiàn)對災害的監(jiān)測、災情分析、協(xié)同救援。需求推動了無線通信技術的不斷進步，物聯(lián)網概念的提出推動了設備間通信的研究。無線傳感網絡技術是物聯(lián)網的關鍵技術。

二、IEEE 802.15.4協(xié)議分析

（一）IEEE 802.15.4超幀格式

整個超幀分為活動區(qū)（active）和非活動區(qū)（inactive）其中0<=SO<=BO<=14，且當SO等于BO時，該超幀將不包含非活躍區(qū)。802.15.4共有16個時隙，時隙號0-10位為競爭接入區(qū)即CAP（contention-access period），11-15為非競爭接入區(qū)即CFP（contention-free period）。CFP是專為要求特定帶寬傳輸等情況服務的，稱之為保證時隙GTS（Guaranteed Time slots），而GTS的集合便是CFP。但是在物聯(lián)網中，用戶佩戴的傳感器可能是數以千計的，在802.15.4協(xié)議中[4]，節(jié)點會在Inactive中進入睡眠以此減小功耗，然而在整個時間幀中若Inactive過長會導致傳輸時間較短，吞吐量便也隨之下滑，而若Inactive過短，則會使得功耗增加。較難同時實現(xiàn)功耗的降低和吞吐量提高。

（二）IEEE 802.15.4的功耗

根據IEEE 802.15.4的超幀結構，其主要功耗來源為超幀中的active階段，其中功耗分為三個部分，一個是發(fā)送數據造成的功耗，第二個是接收ACK造成的功耗，以及發(fā)送和接收狀態(tài)轉換造成的額外功耗。

發(fā)送數據和接收ACK是必要的功耗，而超幀的Active中的頻繁的狀態(tài)切換功耗很小幾乎可以忽略，其中最主要的決定Active功耗的是前兩個部分（發(fā)送和接收）以及Inactive的長短，而前兩部分是固定的功耗，因此影響整個系統(tǒng)的功耗的便是Inactive的長短，又因Inactive和吞吐量掛鉤，可以得出這是在犧牲吞吐量的基礎上換取功耗的降低，這并不是一個可取的方法。

（三）IEEE 802.15.4的ACK方式

802.15.4為了保證數據的完整性，數據確認（ACK）必不可少，而其方式是收到一條數據包則回復一條ACK，這種方式不僅有著很低的信道利用率，而且當有多條數據時，設備在數據的收發(fā)轉換上也會浪費多余的時間，對于需要大批量傳輸數據的環(huán)境，這樣的效率并不能滿足要求，因此本文將會采用集體ACK的方式來增加系統(tǒng)的吞吐量，具體將在3.3中介紹。

三、基于TDMA的立即ACK接入協(xié)議

（一）拓撲結構

該協(xié)議的拓撲結構是星型。其中BS為基站作為匯聚節(jié)點，用戶p1-p9作為傳感器節(jié)點佩帶在用戶身上。在這種拓撲結構中，壓力幾乎都在匯聚節(jié)點BS上，為各傳感器節(jié)點節(jié)省了不少功耗，而BS是有電源供電的設備，不需要擔心其功耗。

（二）時間幀格式

該協(xié)議的時間幀格式，Tbc為廣播時隙，G為保護延時，An為數據確認的時隙，Tn為數據傳輸時隙。對比802.15.4，該協(xié)議去掉了GTS部分和inactivity部分，并在時隙之間加了保護時延。每個傳感器只需要在對應的Tn和An時被喚醒，其他時間都是睡眠狀態(tài)，因此不需要多余的inacticity時段，并且每個傳感器的地位平等，若某個傳感器在一個時間幀中無法完成所有數據的傳輸，則在下一個時間幀的同一個時隙中繼續(xù)傳輸，直到所有數據傳輸成功，因此也去掉了GTS時段。

（三）集體接收確認的大規(guī)模TDMA協(xié)議傳輸過程

1、匯聚節(jié)點首先會先發(fā)送廣播（Send Bc）作為整個時間幀的開始，其中包含有時隙的占用情況，之后進行第一個時隙的數據接收，若接收超時（Recv Data Timeouts），則經歷一個保護時延G后，有接收到數據則進行ACK的發(fā)送，發(fā)送完ACK之后count自加1，并且記錄該時隙已被占用，之后便進行下一個時隙的數據接收，當count等于最大時隙數時，便再次發(fā)送廣播（Send Bc）重復以上過程；

2、用戶身上佩帶的傳感器接收到廣播之后（Recv BC）立刻檢測緩存中是否有數據需要發(fā)送，若有數據，則隨機選擇某個空閑時隙并發(fā)送RTS，之后便進行CTS的接收。若接收到CTS，則在下一個時間幀的同一個時隙發(fā)送數據，若沒接收到CTS，則進行2^n退避，直到收到CTS，然后再進行數據的傳輸；

（四）時隙使用規(guī)則

1、數據傳輸時隙Tn占用規(guī)則

在3.3中的第一條提到匯聚節(jié)點會周期性的發(fā)送廣播，廣播包中會帶有時隙的占用情況，因為當傳感器中的數據較多時，有可能在一個時間幀里不能完成的所有的數據傳輸，因此可能需要多個時間幀來傳輸數據。

2、 ACK時隙An

在傳感器在數據傳輸時隙Tn中不需要等待ACK，可以盡可能的發(fā)送數據，到了ACK時隙中進行統(tǒng)一的接收確認，這樣便充分利用了信道，緩解了頻繁等待和發(fā)送ACK造成的資源浪費。

四、仿真實驗

（一）仿真環(huán)境及參數設置

為了測試本文提出的TDMA算法性能，采用了MATLAB進行仿真實驗，并與802.15.4進行功耗和吞吐量的對比，P為功耗；TP是吞吐量；Vcc為傳感器工作電壓3.3V；Isp為傳感器睡眠時的電流；Tsp為傳感器睡眠總時間；Ir為傳感器接收狀態(tài)的電流；Tr為傳感器接收狀態(tài)的總時間；Is為傳感器發(fā)送狀態(tài)的電流；Ts為傳感器發(fā)送狀態(tài)的總時間；T為傳感器總的工作時間；Ld為數據包長度；Nd為傳感器發(fā)送的數據包總數。

（二）結果與分析

1、功耗對比

802.15.4與本文算法功耗的對比結果，隨著傳感器數量的上升，時隙沖突頻率隨之提高，CSMA/CA中的RTS-CTS會導致功耗呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。而由于本文算法是在有數據的情況下才會脫離睡眠，因此相較于802.15.4，功耗更低。

2、吞吐量對比

802.15.4與本文算法吞吐量的對比結果，由于雙方時隙數量的不同，使得雙方吞吐量達到閾值的傳感器數量有很大差異，也由于傳感器數量的差異，吞吐量的閾值也相差甚大。

五、結束語

隨著傳感器網絡的規(guī)模逐漸發(fā)展，大規(guī)模數據傳輸的接入控制技術的重要性日益突出，本文在TDMA的基礎上，借鑒802.15.4，提出一種多時隙的集體回復ACK的接入控制和數據傳輸協(xié)議。并通過仿真測試了其性能，并與802.15.4協(xié)議進行了對比，從仿真結果可以看出，本文算法在降低了功耗的同時，提高了整體的吞吐量以滿足大規(guī)模傳感器網絡的應用需求。

參考文獻：

[1]蹇強，龔正虎，朱培棟，桂春梅.無線傳感器網絡MAC協(xié)議研究進展[J].軟件學報，2008年02期.

[2]冷愛蓮，楊恢先，李利.固定時隙和動態(tài)時隙相融合的TDMA分配算法[J].計算機工程與應用，2015，51（13）.