無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中基于電力能效優(yōu)化的接入控制協(xié)議

李道德

（軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），陜西西安 710043）

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由大量傳感節(jié)點(diǎn)以自組織方式分布，且節(jié)點(diǎn)間能相互通信的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[1]。目前，WSNs 已在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用，如智慧交通物聯(lián)網(wǎng)、野外環(huán)境監(jiān)測(cè)等。WSNs 中的多數(shù)節(jié)點(diǎn)是由電池供電。由于多數(shù)WSNs部署于惡劣和偏遠(yuǎn)地區(qū)，給節(jié)點(diǎn)補(bǔ)給電能的可操作性低。因此，提高能量效率是延長(zhǎng)WSNs網(wǎng)絡(luò)壽命[2-4]的關(guān)鍵。

目前，影響能量效率的因素主要有：數(shù)據(jù)包傳輸碰撞、開(kāi)銷(xiāo)、控制數(shù)據(jù)包開(kāi)銷(xiāo)和空閑偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)。在IEEE 802.11 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，空閑偵聽(tīng)所消耗的能量幾乎與數(shù)據(jù)所消耗的能量一樣，占總能量消耗的30%。因此，有效地控制空閑偵聽(tīng)可改善能量效率低的問(wèn)題。

為此，文中針對(duì)存在的問(wèn)題基于周期的激活/休眠方案，提出基于雙重偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)的多層MAC(Dual-Listening periods-based Multi-Layer MAC protocol,DL-ML-MAC)。DL-ML-MAC 協(xié)議先將偵聽(tīng)時(shí)間劃分為不同的層，且保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)處于不同層，且互不重疊。同時(shí)，引用雙重偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)策略。仿真數(shù)據(jù)表明，提出的DL-ML-MAC 協(xié)議有效地提高了能量利用率。

1 相關(guān)工作

MAC 協(xié)議必須具有以下特性[3]：能量有效性、可擴(kuò)展性和自適應(yīng)性。依據(jù)接入方式的不同，可將這些MAC 協(xié)議劃分為基于預(yù)設(shè)和基于競(jìng)爭(zhēng)兩類(lèi)[5-6]。這兩類(lèi)接入方式有各自的優(yōu)劣。在基于預(yù)設(shè)的MAC 協(xié)議中，預(yù)先給節(jié)點(diǎn)分配信道，即給節(jié)點(diǎn)預(yù)先分配固定的接入時(shí)隙。這種方式操作簡(jiǎn)單，且無(wú)碰撞、DC 短，但可擴(kuò)展性低[7-8]且具有時(shí)鐘同步難的問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]提出的(TRaffic Adaptive Medium Access,TRAMA)是屬于基于預(yù)設(shè)的MAC 協(xié)議。

在基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC 協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)共享信道，并通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式接入信道。與基于預(yù)設(shè)的MAC 協(xié)議相比，基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC 協(xié)議的能耗更多。如IEEE 802.11[10]是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的物理層標(biāo)準(zhǔn)，其引用無(wú)碰撞的多載波偵聽(tīng)(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)。盡管IEEE 802.11廣泛應(yīng)用傳統(tǒng)的自組網(wǎng)絡(luò)，但它并不適合傳感網(wǎng)絡(luò)。然而，由于IEEE 802.11 簡(jiǎn)單、可靠，許多研究人員還是試圖修改和優(yōu)化IEEE 802.11，致使其適用于傳感網(wǎng)絡(luò)。

文獻(xiàn)[2-3]引用的MAC協(xié)議就是基于IEEE 802.11的修改方案。它將時(shí)間劃分為多個(gè)幀，每個(gè)幀又劃分為激活和休眠時(shí)期。節(jié)點(diǎn)只在激活時(shí)期通信。先緩存在休眠時(shí)期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，待下一個(gè)周期的激活時(shí)期才傳輸該數(shù)據(jù)。

2 DL-ML-MAC協(xié)議及問(wèn)題描述

在激活/休眠周期方案中，傳感節(jié)點(diǎn)周期地關(guān)掉無(wú)線電，進(jìn)入休眠模式，減少空閑偵聽(tīng)時(shí)間，如圖1所示。一個(gè)幀內(nèi)由激活和休眠兩個(gè)時(shí)期構(gòu)成。在激活期，節(jié)點(diǎn)處于偵聽(tīng)狀態(tài)。若整個(gè)幀長(zhǎng)為T(mén)f，偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)為T(mén)listening，則將Tlistening的比值稱為工作周期(Duty Cycle，DC)。DC 越短越有利于能量的保存。如休眠機(jī)制的MAC 協(xié)議(Sleep MAC,S-MAC)[2-3]和能效(Energy MAC,E-MAC)[5]協(xié)議均試著降低節(jié)點(diǎn)的DC，獲取高的能量效率。

圖1 周期的激活/休眠方案

DL-ML-MAC 協(xié)議是基于分布式競(jìng)爭(zhēng)的MAC 協(xié)議，它將時(shí)間劃分為不同的時(shí)間幀，每個(gè)幀由工作期(激活)和休眠期組成。同時(shí)，將工作期劃分為L(zhǎng)層，如圖2 所示。

圖2 DL-ML-MAC協(xié)議的多層結(jié)構(gòu)

通過(guò)L層的劃分，使節(jié)點(diǎn)處于不同層，進(jìn)而獲取不同的工作時(shí)間，如圖3 所示。通過(guò)這種策略，致使節(jié)點(diǎn)的工作周期不重疊，并且保證在同一個(gè)時(shí)間段，只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)是處于工作狀態(tài)，其他節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。通過(guò)這種方式，可以減少節(jié)點(diǎn)能耗。

圖3 DL-ML-MAC協(xié)議的信道接入時(shí)隙

2.1 層次L 的優(yōu)化

從圖3 可知，L值影響了傳感節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)時(shí)間(Listen)。因此，需要對(duì)L值進(jìn)行優(yōu)化。

首先，計(jì)算幀時(shí)長(zhǎng)Tf。Tf必須要小于TR，即Tf≤TR，其中TR為最大的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，Tf必須滿足式（1）：

式中，t1表示每一層的偵聽(tīng)(偵聽(tīng))時(shí)長(zhǎng)，如圖3所示。

其次，計(jì)算每層內(nèi)偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)t1。時(shí)長(zhǎng)t1受電池量C和平均能量消耗ρ的影響。依據(jù)能量供應(yīng)關(guān)系可得：

其中，Nf表示幀數(shù)，而?表示電池的平均輸出量。

依據(jù)式(2)可得：

式（3）約束了時(shí)長(zhǎng)t1的上限值，但時(shí)長(zhǎng)t1也必須要大于傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所需要的時(shí)間，如式（4）所示：

式中，τt、τρ分別表示數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延、傳播時(shí)延，τd表示時(shí)鐘漂移時(shí)延，W是指最大的窗口數(shù)。

因此，依據(jù)式（3）和式（4）可得：

然后，優(yōu)化層數(shù)。層次L受每幀內(nèi)的平均流量λavg影響。因此，λavg的定義如式（6）所示：

式中，n表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)。

而總的工作時(shí)間應(yīng)大于發(fā)送數(shù)據(jù)包所需的時(shí)間，即：

將式（7）轉(zhuǎn)換后，可得：

此外，保護(hù)間隔t2應(yīng)滿足式（9）:

因此，L的上限值：

最后，便可得L的取值區(qū)間：

2.2 雙重偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)

2.1節(jié)的推導(dǎo)過(guò)程中假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)是相同的，且為t1。這是不合理的，該假定并沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量的差異，而進(jìn)行差別化對(duì)待。剩余能量較小的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)選擇更小的偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)。反之剩余能量多的節(jié)點(diǎn)，要選擇更長(zhǎng)的偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)。這有利于網(wǎng)絡(luò)能量的平衡，能夠延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

為此，DL-ML-MAC 協(xié)議采用兩種不同的偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)：和，如圖4 所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量大于預(yù)定的能量閾值，就選擇，否則就選擇。

圖4 不同偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)的劃分

圖5 偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)劃分的偽代碼

2.3 能耗模型

考慮如圖6 所示的能耗模型。節(jié)點(diǎn)傳輸mbit 的數(shù)據(jù)所消耗的能量為：

圖6 能耗模型

式中，d表示傳輸距離；Eelec表示發(fā)送數(shù)據(jù)電路傳輸單比特?cái)?shù)據(jù)所消耗的能量；ξfs、ξamp分別表示在自由空間、雙徑衰落傳輸模型下的能量消耗因子。d0表示切換傳輸模型的距離閾值因子。

節(jié)點(diǎn)接收mbit數(shù)據(jù)所消耗的能量為：

3 性能仿真

3.1 仿真參數(shù)

為了更好地分析DL-ML-MAC 協(xié)議性能，建立仿真平臺(tái)，并分析DL-ML-MAC 性能。文中利用NS3[11]網(wǎng)絡(luò)仿真器建立仿真平臺(tái)。n=100 節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)、偵聽(tīng)和休眠時(shí)所消耗的能量分別為24.75 mW、13.5 mW、15 μW。此 外，Eelec=50 nJ/bit、ξfs=10 pJ/bit/m2、ξamp=0.013 pJ/bit/m4，數(shù)據(jù)傳輸率和接收率均為19.2 kbps，剩余的仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)

此外，選擇能耗和數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延作為性能指標(biāo)，其中能耗是指每傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量。同時(shí)，選擇S-MAC 協(xié)議和ML-MAC[12]協(xié)議進(jìn)行同步仿真，并進(jìn)行性能比較。

3.2 性能分析

首先，分析能耗隨數(shù)據(jù)到達(dá)間隔的變化情況，如圖7 所示。從圖7 可知，與S-MAC 和ML-MAC 協(xié)議相比，DL-ML-MAC 的能耗下降了，且分別比S-MAC和ML-MAC 下降了66.2%和34.1%。這主要?dú)w功于DL-ML-MAC 協(xié)議的偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)大于S-MAC 和MLMAC 協(xié)議，從而降低了能耗。

圖8 顯示了3 個(gè)協(xié)議的節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間。從圖8可知，DL-ML-MAC 協(xié)議中節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間最長(zhǎng)，它的休眠時(shí)間比例為90.4%，而S-MAC 協(xié)議和MLMAC 協(xié)議的休眠時(shí)間比例分別約為85%和70%。這與圖7 的能耗數(shù)據(jù)相吻合，休眠時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于節(jié)點(diǎn)能量的保存。

圖8 休眠時(shí)間數(shù)據(jù)到達(dá)間隔的變化情況

然后分析數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延，如圖9 所示。

從圖9 可知，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延隨數(shù)據(jù)包間隔時(shí)時(shí)長(zhǎng)的增加而下降。在整個(gè)間隔變化區(qū)間，DL-MLMAC 協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延最高，分別比S-MAC 協(xié)議和ML-MAC 協(xié)議提高了25.8%和1.9%。該結(jié)果表明，DL-ML-MAC 協(xié)議是以傳輸時(shí)延為代價(jià)，換取低能耗[13-16]。

圖9 數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延數(shù)據(jù)到達(dá)間隔的變化情況

4 結(jié)束語(yǔ)

為了提高物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電力能量利用率，文中對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議進(jìn)行了研究，并提出基于雙重偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)的多層MAC 協(xié)議。DL-ML-MAC 協(xié)議引用多層機(jī)制，縮小節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)時(shí)間，并使用雙重偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)策略。仿真數(shù)據(jù)表明，提出的DL-ML-MAC協(xié)議能有效地降低電力能耗。但DL-ML-MAC 協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延較大，后期將優(yōu)化DL-ML-MAC協(xié)議，控制傳輸時(shí)延，這將是后期工作的研究重點(diǎn)。