事件驅(qū)動(dòng)型傳感網(wǎng)絡(luò)低能耗協(xié)議設(shè)計(jì)

穆立波

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,根據(jù)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)的方式,可將其分為兩類(lèi):時(shí)間驅(qū)動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)和事件驅(qū)動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]。前者,節(jié)點(diǎn)周期性采集并發(fā)送數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)傳輸率是固定的。后者,只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)探測(cè)到目標(biāo)事件后,才會(huì)以較高的速率發(fā)送數(shù)據(jù),通常情況只需發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理和狀態(tài)信息,數(shù)據(jù)量較少,數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送通常不可預(yù)測(cè)。由于事件的隨機(jī)性和突發(fā)性,在沒(méi)有事件的大部分時(shí)間里,網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài),一旦事件到來(lái),數(shù)據(jù)流量迅速增加,且可能在局部區(qū)域形成熱點(diǎn),造成信道擁堵。同前者一樣,事件型傳感網(wǎng)絡(luò)需要解決網(wǎng)絡(luò)的能耗和效率問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理層參數(shù)一定的情況下,傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是影響網(wǎng)絡(luò)能量消耗和網(wǎng)絡(luò)效率的主要因素。

1 傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)協(xié)議由物理層、MAC、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。結(jié)合EDWSN的特點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和MAC層協(xié)議進(jìn)行分析。

1.1 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議分析

WSN協(xié)議負(fù)責(zé)在傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)間提供一條低能耗并且高效的路由。由于WSN與應(yīng)用高度相關(guān),單一的路由協(xié)議不能滿足各種應(yīng)用需求,針對(duì)不同應(yīng)用的特點(diǎn),人們研究了眾多的路由協(xié)議[2],主要包括:泛洪式路由協(xié)議、層次式路由協(xié)議、基于查詢的路由協(xié)議和基于位置信息的路由協(xié)議。泛洪式路由協(xié)議是一種古老的路由協(xié)議,不需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由計(jì)算,接收到消息的節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰節(jié)點(diǎn),是一種較直接的自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法,但容易帶來(lái)消息的內(nèi)爆和重疊,不適合事件型網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)流量情況,同時(shí)帶來(lái)嚴(yán)重的串音和沖突。層次式路由協(xié)議將傳感節(jié)點(diǎn)分簇,簇內(nèi)通信由簇頭節(jié)點(diǎn)來(lái)完成。簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)聚集和融合以減少傳輸?shù)男畔⒘?最后簇頭把融合的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。該方式能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性,有效地維持傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗,由于事件型網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)性,分簇要隨每一次事件而調(diào)整,帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)管理開(kāi)銷(xiāo)?；诓樵兊牡穆酚蓞f(xié)議需要不斷的查詢節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù),傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)查詢命令向查詢節(jié)點(diǎn)報(bào)告數(shù)據(jù),也不適合事件型網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)傳輸,定時(shí)查詢帶來(lái)大量的通信流量。

事件一般有空間相關(guān)性,基于位置信息的路由協(xié)議是一種適合事件型網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。根據(jù)事件區(qū)域的地理位置,建立匯集節(jié)點(diǎn)到事件區(qū)域的優(yōu)化路徑,避免了泛洪引起的內(nèi)爆和重疊,以及分簇帶來(lái)的管理開(kāi)銷(xiāo)。在很多情況下,不能得到傳感器的實(shí)際物理位置,就網(wǎng)絡(luò)路由而言,實(shí)際的物理位置并不是一種好的選擇,基于通信位置關(guān)系的地理路由更符合實(shí)際應(yīng)用情況,即任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)把和它能進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)當(dāng)做鄰近節(jié)點(diǎn),并以此構(gòu)建路由,稱(chēng)之為虛擬地理路由協(xié)議。

1.2 MAC層協(xié)議分析

MAC層協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分,對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能影響較大。主要包括基于競(jìng)爭(zhēng)的載波偵聽(tīng)多址(CSMA)、基于固定分配的時(shí)分多址(TDMA)和混合性協(xié)議?；诟?jìng)爭(zhēng)的協(xié)議[3]包括S-MAC和T-MAC等。S-MAC通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)自協(xié)調(diào),形成多個(gè)休眠計(jì)劃,帶來(lái)多邊界問(wèn)題,使得網(wǎng)絡(luò)同步成為一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題,T-MAC在S-MAC基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)調(diào)整事件,減少空閑偵聽(tīng)時(shí)間,但存在早睡問(wèn)題?；赥DMA的協(xié)議適合網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的需要,沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的碰撞重傳問(wèn)題,空閑時(shí)可以及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài),但需要嚴(yán)格的時(shí)間同步,大多數(shù)情況下難以推廣應(yīng)用?；旌闲詤f(xié)議綜合平衡競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和TDMA分配機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn),主要包括Z-MAC和ER-MAC等協(xié)議,采用CSMA和TMDA綜合方式,在網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延特性和能耗特性等達(dá)到一定平衡,由于基于TMDA,仍然具有協(xié)議復(fù)雜和同步要求高等問(wèn)題。

針對(duì)事件型網(wǎng)絡(luò)大部分時(shí)間空閑、突發(fā)事件造成流量大的情況,提出一種信令采用CSMA競(jìng)爭(zhēng)方式,業(yè)務(wù)信道采用FDM的混合型MAC協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)共使用N個(gè)頻道,在空閑狀態(tài),各個(gè)節(jié)點(diǎn)以低占空比值守在信令信道F0上,當(dāng)事件發(fā)生時(shí),在其余的頻道Fn傳輸信息。該協(xié)議對(duì)網(wǎng)同步要求低,且可以較好地解決地大流量造成的串音和沖突。

2 低能耗協(xié)議設(shè)計(jì)

事件驅(qū)動(dòng)型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)低能耗協(xié)議包括網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議設(shè)計(jì)和MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要包括拓?fù)湫纬伤惴ê蛿?shù)據(jù)傳輸路由算法。

2.1.1 拓?fù)湫纬?/p>

虛擬地理路由協(xié)議的基本思想是建立一個(gè)虛擬坐標(biāo)系統(tǒng)[4],用來(lái)表示實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)以匯集節(jié)點(diǎn)為根的帶環(huán)樹(shù),每個(gè)節(jié)點(diǎn)用到樹(shù)根的跳數(shù)距離和角度范圍來(lái)表示。一個(gè)包含0級(jí)、1級(jí)和2級(jí)3層的網(wǎng)絡(luò)形成過(guò)程如圖1所示。

圖1 虛擬地理路由拓?fù)湫纬闪鞒?/p>

第1步,生成樹(shù)形結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕⒂蓞R聚節(jié)點(diǎn)開(kāi)始,匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)置自己的跳數(shù)為0,并廣播路由。鄰近節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)信息后,將匯集節(jié)點(diǎn)設(shè)置為自己的上級(jí)節(jié)點(diǎn),并設(shè)置自己到匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)為1,然后繼續(xù)廣播路由建立消息,匯集節(jié)點(diǎn)需要監(jiān)聽(tīng)鄰近節(jié)點(diǎn)的廣播,并將發(fā)送跳數(shù)為1的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為下級(jí)。依此類(lèi)推,網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自己的上級(jí)節(jié)點(diǎn)和下級(jí)節(jié)點(diǎn),以及到匯集節(jié)點(diǎn)的跳數(shù),直到所有節(jié)點(diǎn)加入這個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)。沒(méi)有收到跳數(shù)比自己大的路由建立信息,則認(rèn)為自己是葉節(jié)點(diǎn)。

第2步,反饋?zhàn)訕?shù)大小。樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)生成后,從葉節(jié)點(diǎn)開(kāi)始,節(jié)點(diǎn)將自己為根節(jié)點(diǎn)的子樹(shù)的大小報(bào)告給它的上級(jí)節(jié)點(diǎn)。葉節(jié)點(diǎn)的大小為1,中間節(jié)點(diǎn)將自己所有子樹(shù)的大小相加,并加上1,得到自己的子樹(shù)大小,然后報(bào)告給它的上級(jí)節(jié)點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程從葉節(jié)點(diǎn)開(kāi)始,向匯集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行,直到匯聚節(jié)點(diǎn)獲得整個(gè)樹(shù)的大小。

第3步,生成樹(shù)。根據(jù)樹(shù)大小,匯聚節(jié)點(diǎn)確定樹(shù)的角度范圍,各級(jí)節(jié)點(diǎn)以此將自己的角度范圍分配給自己的下級(jí)。這樣,各個(gè)節(jié)點(diǎn)就得到各自的角度。

這樣,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的跳數(shù)和角度,根據(jù)跳數(shù)和角度,就可以在網(wǎng)絡(luò)中確定自己的位置,網(wǎng)絡(luò)形成了。匯集節(jié)點(diǎn)保存整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),普通節(jié)點(diǎn)只保留自己的上級(jí)節(jié)點(diǎn)、下級(jí)以及鄰居節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)和角度。一個(gè)虛擬極坐標(biāo)拓?fù)湫纬闪?如圖2雙箭頭所示,節(jié)點(diǎn)3t以2t為上級(jí)節(jié)點(diǎn),以4t和4u為下級(jí)節(jié)點(diǎn)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛿?shù)傳路由示意圖

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸路由

當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)向匯集節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí),以最小跳數(shù)向上轉(zhuǎn)發(fā),如圖2所示中單箭頭實(shí)線所示,4c節(jié)點(diǎn)從保留的路由表中選擇上級(jí)節(jié)點(diǎn)3h作為路由節(jié)點(diǎn),3h選2h作為路由節(jié)點(diǎn),2h選擇1a,通過(guò)4跳達(dá)到匯集節(jié)點(diǎn)。在傳輸過(guò)程中,任一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,將對(duì)上層、同層和下層的鄰居節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生串音現(xiàn)象,以3h節(jié)點(diǎn)向2h節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息為例,如圖2中長(zhǎng)短虛線所示,對(duì)2a2h2t3b3k4c4h4k產(chǎn)生串音,造成網(wǎng)絡(luò)能量的浪費(fèi)。這個(gè)問(wèn)題由下面的MAC層協(xié)議來(lái)解決。

2.2 低占空比FDM的MAC層協(xié)議

為適應(yīng)事件型網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)性和空閑特性,無(wú)事件時(shí),能耗大量消耗在空閑狀態(tài),事件到來(lái)時(shí)網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況,提出在空閑狀態(tài)下采用交錯(cuò)同步低占空比值守,在事件來(lái)臨時(shí)采用多頻道復(fù)用的媒體接入控制協(xié)議,即低占空比值守多頻道復(fù)用(LDFDM)協(xié)議。

2.2.1 信道接入控制

假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)有N個(gè)節(jié)點(diǎn),復(fù)用M個(gè)頻分信道,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和具體應(yīng)用情況,M取3～8,其中一個(gè)信道f0為值守信道,其余M-1個(gè)信道為業(yè)務(wù)信道。值守信道以交錯(cuò)同步低占空比工作方式,業(yè)務(wù)信道采用全周期工作方式,一旦進(jìn)入業(yè)務(wù)信道,則一直處于接收、發(fā)射或空閑模式?？臻e模式降低了功耗,事件繁忙時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)效率,同時(shí)解決了串音和沖突問(wèn)題。與TDMA相比,降低了同步要求。如圖2所示,4c節(jié)點(diǎn)要向0a節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),首先隨機(jī)選擇業(yè)務(wù)信道并進(jìn)行偵聽(tīng),找到一條空閑的業(yè)務(wù)信道,如F1,其次在值守信道的工作時(shí)隙向周?chē)?jié)點(diǎn)包括上級(jí)節(jié)點(diǎn)3h發(fā)出建立鏈路信令,并通知業(yè)務(wù)信道的頻點(diǎn),3h收到信令后,對(duì)該業(yè)務(wù)信道偵聽(tīng),確認(rèn)空閑后發(fā)出相應(yīng)信令,雙方轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)信道進(jìn)行通信。在雙方建立鏈路過(guò)程中,周?chē)?jié)點(diǎn)始終處于偷聽(tīng)過(guò)程中,獲取了雙方的通信頻道?；钴S節(jié)點(diǎn)完成一次數(shù)據(jù)包傳輸后,在業(yè)務(wù)信道仍然值守?cái)?shù)個(gè)占空比周期,以等待下一次可能的通信業(yè)務(wù),等待完成后,轉(zhuǎn)入信令信道進(jìn)行值守。

2.2.2 低占空比的同步設(shè)計(jì)

信令以低占空比工作在F0信道上,同步是主要技術(shù)問(wèn)題。信令的傳輸主要有2個(gè)方向,從底層節(jié)點(diǎn)向上和從匯集節(jié)點(diǎn)向下。向上的信令為事件驅(qū)動(dòng)型,具有隨機(jī)性和突發(fā)性,且對(duì)時(shí)延要求高,向下的信令主要是同步信息,按一定周期發(fā)送,對(duì)時(shí)延要求低。采用種交錯(cuò)同步方法[5],以適合這2種信令的傳輸。上下級(jí)節(jié)點(diǎn)以收發(fā)時(shí)隙交錯(cuò)的時(shí)序工作。從底層節(jié)點(diǎn)向匯集節(jié)點(diǎn)的事件來(lái)臨信令采用正向傳輸通道,低占空比信令傳輸時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 低占空比信令傳輸時(shí)序圖

如圖3向上的箭頭所示,4a節(jié)點(diǎn)接收5a節(jié)點(diǎn)的喚醒信令可以在緊接的下一個(gè)時(shí)隙立即轉(zhuǎn)發(fā)給3a,并依次立即轉(zhuǎn)發(fā),喚醒信令可以在一個(gè)占空比周期喚醒各級(jí)節(jié)點(diǎn),其喚醒延遲為一個(gè)完整的占空比周期。從匯集節(jié)點(diǎn)向全網(wǎng)發(fā)送的同步信令采用反向傳輸通道,網(wǎng)同步信令不能實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)同步,只能在下一個(gè)周期發(fā)送,如圖3向上的箭頭所示,4a節(jié)點(diǎn)接收3a節(jié)點(diǎn)的同步信令,只能在下一個(gè)占空比周期轉(zhuǎn)發(fā)給5a,則同步周期傳送到最底部節(jié)點(diǎn)的事件為N個(gè)占空比周期,例如占空比周期為0.5 s,最高十級(jí)節(jié)點(diǎn),則網(wǎng)同步信令傳輸延遲為5 s,而網(wǎng)同步周期經(jīng)常是分鐘量級(jí)的,因此可以滿足網(wǎng)同步要求。

網(wǎng)絡(luò)同步包括同步建立、同步更新、失步檢測(cè)、同步申請(qǐng)和同步重建5個(gè)環(huán)節(jié)。匯集結(jié)點(diǎn)以固定的周期T發(fā)送同步信令,該信令在反向信道以較低的速率向各個(gè)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散。各個(gè)節(jié)點(diǎn)在同步前,以全周期工作的方式等待同步信令,一旦捕獲同步信令,則按同步信令的同步周期,以占空比方式工作,并進(jìn)行同步保持和同步更新。任何原因造成2個(gè)以上周期沒(méi)有更新同步,則判為節(jié)點(diǎn)失步,則該節(jié)點(diǎn)立即在上次同步的時(shí)刻將占空比擴(kuò)大2倍,請(qǐng)求上級(jí)或鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步信令。收到同步信令后,重新進(jìn)入同步保持狀態(tài)。

3 性能分析

以一個(gè)典型的事件型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為例,構(gòu)建了一個(gè)51個(gè)節(jié)點(diǎn)的原型系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。經(jīng)過(guò)虛擬地理組網(wǎng)算法,生成0級(jí)節(jié)點(diǎn)1個(gè),1級(jí)節(jié)點(diǎn)4個(gè),2級(jí)8個(gè),3級(jí)16個(gè),4級(jí)32個(gè)。假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)和鄰近的節(jié)點(diǎn)能夠通信覆蓋,不相鄰的節(jié)點(diǎn)不具備通信覆蓋條件。分別對(duì)全周期虛擬地理路由協(xié)議、TDMA地理路由協(xié)議(工作時(shí)隙占整個(gè)周期的10%)、同步占空比(10%)FDM地理協(xié)議和同步占空比(5%)FDM地理協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能量消耗進(jìn)行了分析。每個(gè)節(jié)點(diǎn)初始能量1 000 mAh,傳感探測(cè)值守電流0.2 mA,事件處理電流10 mA,發(fā)射電流30mA,接收電流25mA,空閑電流20 mA,收發(fā)信機(jī)休眠電流0.1 mA。假定一次事件的處理流程為,一次事件持續(xù)60 s,每3 s上報(bào)一次處理結(jié)果,每次上報(bào)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包,包長(zhǎng)200 bytes,數(shù)據(jù)速率10 k,則數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間0.2 s事件頻度分別為每小時(shí)1次,5次,10次,20次。4種不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平均工作時(shí)間如表1所示。

表1 不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平均工作時(shí)間

采用全周期值守的地理路由協(xié)議,即使在沒(méi)有事件的情況下網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)為98 h,采用10%占空比FDM協(xié)議,工作時(shí)間為725 h,與TDMA協(xié)議的833 h相當(dāng)。其中在能量消耗中,即使在較高的事件頻度情況下,通信空閑等待的能量消耗仍然是最主要的消耗,網(wǎng)絡(luò)空閑消耗的能量占總消耗能量的比例如表2所示。在全周期協(xié)議中占到98%,在10%同步占空比FDM協(xié)議中占76%以上,在5%同步占空比FDM協(xié)議中占64%以上。降低占空比可以降低消耗,但受網(wǎng)絡(luò)同步精度限制,給網(wǎng)絡(luò)同步帶來(lái)開(kāi)銷(xiāo)。

表2 不同協(xié)議的空閑能量消耗比例

4 結(jié)束語(yǔ)

事件型網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的重要應(yīng)用方式,如入侵探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和交通監(jiān)測(cè)等。虛擬地理路由和同步占空比FDM信道接入?yún)f(xié)議與其特點(diǎn)相適應(yīng),在保證信息傳輸效率情況下,降低了網(wǎng)絡(luò)能耗。實(shí)際應(yīng)用中,具體的事件性網(wǎng)絡(luò)各有其特點(diǎn),如環(huán)境監(jiān)測(cè)中,幾分鐘的時(shí)延可以不是關(guān)心的主要問(wèn)題,可以采用更低占空比協(xié)議。在火災(zāi)和危險(xiǎn)品監(jiān)測(cè)中,幾秒鐘的延遲足以造成巨大的后果,必須充分考慮時(shí)延。因此在實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)具體事件特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的協(xié)議。

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