支持區(qū)分服務(wù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)802.11 MAC協(xié)議*

靳 勇，樂德廣，吳志剛 ，白光偉

（1.常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 常熟 215500;2.南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院,江蘇 南京 210094;3.南京工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,江蘇 南京 210009）

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，MAC(Medium Access Control)協(xié)議是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的重要協(xié)議。目前，已有大量針對(duì)WSN(Wireless Sensor Networks)不同特點(diǎn)和具體應(yīng)用的MAC協(xié)議相繼提出[1-5]。參考文獻(xiàn)[1]通過對(duì)現(xiàn)有各種WSN MAC協(xié)議進(jìn)行分析和比較，發(fā)現(xiàn)MAC協(xié)議在擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、健壯性和安全性等方面存在諸多問題，WSN MAC協(xié)議要具有實(shí)用性，還有許多基礎(chǔ)性問題和關(guān)鍵技術(shù)需要解決。參考文獻(xiàn)[2]介紹了目前主流的幾種傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的工作原理，包括Sensor-MAC、Timeout-MAC、Wise-MAC、BMA、Datagathering-MAC、IEEE 802.15.4等。參考文獻(xiàn)[3]分析了多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的特點(diǎn)與面臨的挑戰(zhàn)，從信道接入、調(diào)度、差錯(cuò)控制以及數(shù)據(jù)包大小4個(gè)方面深入討論了國內(nèi)外現(xiàn)有的代表性協(xié)議及算法。參考文獻(xiàn)[4]針對(duì)無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不能提供數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)區(qū)分的問題,提出了一種適用于無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的基于IEEE 802.11MAC協(xié)議的改進(jìn)機(jī)制。但是并未考慮該機(jī)制區(qū)分服務(wù)之后不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流的能耗問題以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的能耗問題。參考文獻(xiàn)[5]基于跨層的方法提出了一種能量高效CLEE2MAC(Cross Layer Energy Efficient)協(xié)議。但是該機(jī)制并未考慮如何確保高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

本文主要通過引入新的控制分組，使目的節(jié)點(diǎn)以一定的概率拒絕接收來自低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從而確保高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)區(qū)分服務(wù)的目的。本文還利用相關(guān)數(shù)學(xué)模型對(duì)所提出的區(qū)分服務(wù)機(jī)制進(jìn)行建模分析，得出了兩種優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的飽和吞吐量、分組丟棄概率的計(jì)算方法。同時(shí)建立能量模型，對(duì)該機(jī)制進(jìn)行能耗分析。

1 一種支持區(qū)分服務(wù)的MAC控制機(jī)制

本文采用圖1所示的單跳簇狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型，系統(tǒng)模型由感知節(jié)點(diǎn)和簇頭組成。假設(shè)(1)N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻地分布在半徑為R的圓形區(qū)域，簇頭數(shù)為M，則一個(gè)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為N/M(包括一個(gè)簇頭和N/(M-1)個(gè)感知節(jié)點(diǎn)),并假設(shè)簇頭節(jié)點(diǎn)和感知節(jié)點(diǎn)是同種類型的節(jié)點(diǎn)；(2)假設(shè)在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)，所有感知節(jié)點(diǎn)采集信息都為k比特并將這k比特信息發(fā)送到各自的簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)分別將各自簇內(nèi)的感知節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信息匯聚后發(fā)送給基站；(3)基站接收簇頭數(shù)據(jù)的接收能耗忽略不計(jì)，因?yàn)榛颈旧聿⒉皇苣芰肯拗啤?/p>

對(duì)圖1所示的單跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型研究一種支持區(qū)分服務(wù)的MAC協(xié)議機(jī)制。在原有標(biāo)準(zhǔn)802.11MAC協(xié)議基礎(chǔ)上引入了新的控制分組，使目的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行選擇，這樣目的節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)決定是否接收本次申請(qǐng)的數(shù)據(jù)分組，解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不能對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分服務(wù)的問題，進(jìn)一步節(jié)省了節(jié)點(diǎn)能量。

在節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)分組之前，首先需要對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組按照某種規(guī)則進(jìn)行優(yōu)先級(jí)標(biāo)記,然后在目的節(jié)點(diǎn)引入拒絕服務(wù)分組NTS(Not To Serve)，該拒絕服務(wù)分組只針對(duì)低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，目的節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)以一定的概率拒絕接收低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分組。一旦分組被拒絕接收則立即丟棄，而目的節(jié)點(diǎn)會(huì)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)NTS分組。源節(jié)點(diǎn)接收到NTS分組后，將其競(jìng)爭(zhēng)窗口加倍，并再次產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)退避計(jì)數(shù)器值，進(jìn)行下一次信道競(jìng)爭(zhēng)。

對(duì)于目的節(jié)點(diǎn)拒絕接收低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分組的概率pr，本文用該分組的MAC層重傳次數(shù)來表示。如該低優(yōu)先級(jí)分組由于沖突或者被拒絕接收而重傳了L1次，則pr表示為：

2 區(qū)分服務(wù)機(jī)制的數(shù)學(xué)建模分析

2.1 馬爾科夫鏈分析模型

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流分為兩種，一種為對(duì)時(shí)延敏感的數(shù)據(jù)流，簡(jiǎn)稱RT(Real-Time)流；另一種為對(duì)時(shí)延不敏感的數(shù)據(jù)流，簡(jiǎn)稱BF(Best-Effort)流。顯然RT流的優(yōu)先級(jí)高于BF流。另外本文定義i為數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)類別，取值為 0或 1，其中 0表示 RT流，1代表BF流。兩種數(shù)據(jù)流的分組都采用相同的退避機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道。

令pi,c為第i類數(shù)據(jù)分組發(fā)送時(shí)產(chǎn)生沖突的概率，pi,b表示第i類數(shù)據(jù)分組在退避階段檢測(cè)到信道忙的概率。pi為第i類數(shù)據(jù)分組由于沖突或被拒絕接收而發(fā)送不成功的概率。pr表示低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分組被拒絕接收的概率。可以得出以下結(jié)論：

對(duì)于傳輸?shù)趇類數(shù)據(jù)分組的簇頭，設(shè)B(i,t)表示其在時(shí)刻t的退避計(jì)數(shù)器值，S(i,t)表示其在時(shí)刻 t的退避階段。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9-10]，{S(i,t),B(i,t)}構(gòu)成了一個(gè)離散的二維馬爾科夫鏈模型，依據(jù)其單步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率和馬爾科夫鏈的相關(guān)性質(zhì)可以得到如下關(guān)系：

本文中用低優(yōu)先級(jí)的MAC層平均重傳次數(shù)來代替上節(jié)討論的單個(gè)數(shù)據(jù)分組的重傳次數(shù)，因此有：

設(shè)發(fā)送屬于數(shù)據(jù)流i的數(shù)據(jù)分組的簇頭為Mi個(gè),根據(jù)相關(guān)假設(shè)可以得出：

2.2 飽和吞吐量分析

設(shè)Ptr為在一個(gè)隨機(jī)選擇的時(shí)隙內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中至少有一次分組發(fā)送的概率；Pi,s表示在一個(gè)隨機(jī)選擇的時(shí)隙中某一類(0或者1)數(shù)據(jù)分組成功占用信道的概率。Ps表示在一個(gè)隨機(jī)選擇的時(shí)隙中任何一種數(shù)據(jù)分組成功占用信道的概率。則有以下結(jié)論：

設(shè)S為歸一化的系統(tǒng)飽和吞吐量，Si表示數(shù)據(jù)流i所占有的飽和吞吐量的份額，可以得出：

2.3 分組丟棄概率分析

令pi,drop為數(shù)據(jù)流i的分組的丟棄概率，分組丟棄只會(huì)發(fā)生在退避計(jì)數(shù)器達(dá)到最大重傳次數(shù)，再次發(fā)送分組時(shí)產(chǎn)生分組沖突或者低優(yōu)先級(jí)分組遭到拒絕接收，該數(shù)據(jù)分組將會(huì)丟失。所以有：

3 區(qū)分服務(wù)模型的性能分析與評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證上述分析的正確性，本節(jié)將采用數(shù)學(xué)分析的方法對(duì)在基本接入機(jī)制下改進(jìn)的具有區(qū)分服務(wù)功能的MAC層協(xié)議進(jìn)行性能分析。本文所采用的參數(shù)如表1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)N=200，M從10遞增至200。假設(shè)MAC層發(fā)送的數(shù)據(jù)分組大小恒定，且有M0=M1=0.5 M。

表1 區(qū)分服務(wù)模型的性能分析實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖2給出了兩種數(shù)據(jù)流所占有的飽和吞吐量分析。從中可以很明顯地看出本文提出的方法能夠使RT流占用較多的帶寬資源，且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，BF流的吞吐量會(huì)有所下降，而RT流占用的吞吐量有所減小，但下降幅度較小。圖3為改進(jìn)后的系統(tǒng)飽和吞吐量與標(biāo)準(zhǔn)802.11 DCF機(jī)制下的飽和吞吐量的變化情況，從中可以看出,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多,損失的帶寬資源會(huì)加大，但增加的幅度不大。圖4是RT流和BF流在MAC層的分組丟棄概率對(duì)比分析。在節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多的情況下，高優(yōu)先級(jí)RT流的分組丟棄概率有所增加，但上升幅度很小，基本維持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。

4 區(qū)分服務(wù)模型能量分析

4.1 能量模型

[6]針對(duì)單跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能量消耗問題，采用電磁場(chǎng)能量擴(kuò)散理論、電路能量消耗理論和技術(shù)，得到其普通節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)匯聚和簇頭節(jié)點(diǎn)的能量模型，以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能量模型。本文選用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通信能量模型是Heinzelman的改進(jìn)first order射頻模型。依據(jù)圖1所示單跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型建立以下能量模型。

4.1.1 感知節(jié)點(diǎn)能耗

在單跳簇狀網(wǎng)中，感知節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)只需向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送其所采集的數(shù)據(jù)(假設(shè)為k比特)。所以感知節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功耗可以由式(18)表示：

式中，dto-ch為感知節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離。

由圖1可知，每簇所占的面積為(πR2)/M，如果簇是圓形區(qū)域，那么簇內(nèi)的半徑為假設(shè)分布概率密度函數(shù)為ρ(x，y),那么感知節(jié)點(diǎn)到簇頭距離的期望為：

因?yàn)榧僭O(shè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)是均勻分布，則

ρ=1/((πR2)/M)，代入式(19)可得：

所以，在以后的討論中，dto-ch=R2/2M。

4.1.2 簇頭節(jié)點(diǎn)能耗

簇頭節(jié)點(diǎn)的主要作用就是將感知節(jié)點(diǎn)采集的信息匯聚后發(fā)送到基站。因?yàn)橐粋€(gè)簇包括一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和N/(M-1)個(gè)感知節(jié)點(diǎn),則一個(gè)周期內(nèi)簇頭節(jié)點(diǎn)必須接收N/(M-1)個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的k比特?cái)?shù)據(jù)，然后將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚后發(fā)送到基站，則簇頭節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)的能耗可由式(21)表示：

式中，ERX(k)為簇頭節(jié)點(diǎn)接收感知節(jié)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)所消耗的能量；k為簇頭融合一個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量；ETX_BS是簇頭發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包到基站所消耗的能量，在此本文假設(shè)是最理想的匯聚，即簇頭將接收的數(shù)據(jù)包匯聚成1個(gè)數(shù)據(jù)包后發(fā)送到基站。

4.1.3 網(wǎng)絡(luò)總能耗模型

整個(gè)簇的能耗由N/(M-1)個(gè)感知節(jié)點(diǎn)能耗和1個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)能耗相加組成，則由式(18)和式(21)可知，單個(gè)簇的總能耗為：

又因?yàn)?，整個(gè)單跳簇狀網(wǎng)絡(luò)中包括M個(gè)這樣的簇，則單跳簇狀網(wǎng)的總能耗為：

由式(18)可得，單跳簇狀網(wǎng)在一個(gè)采集周期內(nèi)成功傳輸每比特的能量消耗為：

4.2 能耗分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)[7],假設(shè)信道條件為AWGN信道加上BPSK調(diào)制。 頻率 f=1 GHz，則波長(zhǎng) λ=c/f=0.3 m，發(fā)射天線高度ht=1 m,接收天線高度hr=2.5 m,關(guān)鍵距離dc=33 m。假設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù) N=200、分布半徑R=100 m，簇頭到基站距離 dto_bs=125>dc(滿足距離的四次方衰減-γ=4)，其他相關(guān)參數(shù)的描述與取值如表2所示。

表2 能量分析仿真參數(shù)設(shè)置

圖5是RT流和BF流的能耗對(duì)比分析?？梢郧宄乜吹?，RT流和BF流的能耗隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加而增大，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少時(shí)，二者的能耗相差較大，但是高優(yōu)先級(jí)的RT流在占有較多帶寬、保證傳輸性能的同時(shí)，消耗的能量比低優(yōu)先級(jí)的BF流低。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，RT流和BF流的能耗越來越接近，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目為200時(shí)，二者的能耗非常接近。

圖6為改進(jìn)后的單跳簇狀網(wǎng)總能耗與標(biāo)準(zhǔn)802.11 DCF機(jī)制下的總能耗的變化情況。從中可以看出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度越高，改進(jìn)后的機(jī)制節(jié)能效果越好。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，單跳簇狀網(wǎng)總能耗逐漸增大，但增加的幅度不是很大。在簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目為10時(shí)，改進(jìn)后的機(jī)制總能耗比標(biāo)準(zhǔn)802.11 DCF機(jī)制要大，但是，隨著簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，兩個(gè)協(xié)議的總能耗逐漸接近，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目為200時(shí)，二者非常接近，表明改進(jìn)后的機(jī)制適合于節(jié)點(diǎn)密度高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不能提供數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)區(qū)分的問題，本文提出了一種基于802.11MAC協(xié)議的改進(jìn)機(jī)制，該機(jī)制通過引入新的控制分組，使目的節(jié)點(diǎn)以一定的概率拒絕接收來自低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從而確保了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸性能，避免了不必要的能量消耗。相關(guān)分析結(jié)果表明，該區(qū)分服務(wù)機(jī)制能夠使高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流占用更多的帶寬，并且降低了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的分組丟棄概率，從而確保了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流的傳輸性能。最后，進(jìn)行了改進(jìn)機(jī)制的能耗分析，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流在占有較多帶寬、保證傳輸性能的同時(shí)，消耗的能量比低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流低，而且進(jìn)一步證明了該改進(jìn)機(jī)制適合于節(jié)點(diǎn)密度高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信。

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