基于節(jié)能目標的無線傳感網(wǎng)絡MAC協(xié)議

田 驥， 蔣鈴鴿

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

0 引言

為滿足應用需求，無線傳感器網(wǎng)絡(WSN,Wireless Sensor Network)節(jié)點一般由電池供電；而由于節(jié)點體積、成本有限，只能配置容量較小的電池；當電池能量耗盡又不能及時補充時，節(jié)點退出網(wǎng)絡運行，而對大量隨機分布的節(jié)點用頻繁更換電池的方式來維持網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行和完成預定任務顯然不易實現(xiàn)，因此降低節(jié)點功耗成為延長網(wǎng)絡生存周期，提高網(wǎng)絡應用可靠性的重要技術措施。進一步的分析和測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，WSN節(jié)點功耗的80%用于數(shù)據(jù)收發(fā)，由此可知減少節(jié)點的無效收發(fā)是降低節(jié)點功耗的主要途徑[1-6]。

WSN的另一個特點是其通常工作在未授權2.4 G頻段，與其他用戶平等或近似平等地共享這個頻段。在這個頻段內(nèi)各用戶按自身需求“旁若無人”地使用頻率資源，這就可能產(chǎn)生用戶間沖突，節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸會因這些干擾而中斷并帶來一些潛在的新問題（如節(jié)點無效功耗問題）。在WSN軟硬件設計開發(fā)中需要關注解決這些問題。

在無線傳感網(wǎng)絡中媒體接入控制(MAC,Medium Access Control)協(xié)議處于網(wǎng)絡協(xié)議的底層，對整個網(wǎng)絡的性能有較大的影響，通過合理設計對降低節(jié)點功耗有顯著作用，所以本文以降低節(jié)點平均功耗為目標對MAC協(xié)議進行改進。

1 802.15.4協(xié)議及常用握手機制評述

IEEE802.15.4標準是面向低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡的物理層和 MAC層標準，該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為對網(wǎng)絡的主要要求。目前常用的2.4 G頻段的無線傳感網(wǎng)絡采用的就是IEEE802.15.4標準，因此本文在802.15.4標準MAC協(xié)議基礎上研究無線傳感網(wǎng)絡節(jié)能策略。

初始的802.15.4標準沒有加入請求發(fā)送（RTS,Request to Send）-清除發(fā)送（CTS, Clear to Send）握手機制，但在無線多跳網(wǎng)絡中，可能存在的隱藏終端收發(fā)、外部設備干擾都可能引起數(shù)據(jù)傳輸中斷，為此，文獻[7]將 802.11握手機制引入802.15.4標準MAC協(xié)議，每傳輸一次數(shù)據(jù)，進行一次完整的RTS-CTS握手（簡稱全握手機制）；而問題的另一面是，當傳輸中斷概率不大時，每次傳輸都全握手顯然是不必要的而只會增加網(wǎng)絡的控制開銷。為此，文獻[7]提出了一種多跳網(wǎng)絡的簡化RTS-CTS機制（簡稱半握手機制），如圖1所示。中繼節(jié)點通過偵聽鄰居節(jié)點 CTS包獲得將有數(shù)據(jù)包到達該鄰居節(jié)點，并經(jīng)此中繼節(jié)點進行后續(xù)傳輸?shù)男畔ⅰＲ坏﹤陕牭紺TS包，中繼節(jié)點就會初始化一個要求該鄰居節(jié)點傳遞中繼數(shù)據(jù)的請求。 同時引入一個計時器TW來估算數(shù)據(jù)包傳輸至該鄰居節(jié)點所需的時間，并在估算時間到后直接向這個鄰居節(jié)點發(fā)送 CTS包，這樣，就節(jié)省了鄰居節(jié)點發(fā)送RTS包的額外開銷。

在全握手機制中，RTS包在含有發(fā)送請求等內(nèi)容的同時，發(fā)送RTS包這個行為本身還隱含著數(shù)據(jù)包已準備就緒，一旦收到CTS包即可發(fā)送的信息。而在半握手機制中，后續(xù)節(jié)點僅僅靠監(jiān)聽前面節(jié)點的 CTS包不能得到這個信息，因此無法知道發(fā)送CTS包的鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)包是否已準備就緒可以發(fā)送。這就產(chǎn)生了一個問題，本來在數(shù)據(jù)傳輸路徑上的某個節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送失?。ɡ鐢?shù)據(jù)傳輸過程被共享頻段內(nèi)其他用戶干擾），后續(xù)進程應該中斷；但在半握手機制中，傳輸路徑上的后續(xù)節(jié)點在監(jiān)聽到這個節(jié)點發(fā)送的CTS包后，不論前面的收發(fā)成功與否，仍然會進行時間估算，并發(fā)出自己的 CTS包，進而傳輸路徑上后面所有節(jié)點都會照此運行。而這些節(jié)點發(fā)送 CTS包和進行時間估算實際上沒有任何意義，且會造成相當程度的能量浪費。

2 改進的握手機制

由上可知，上述兩種握手機制都有局限性，單一應用不能很好適應數(shù)據(jù)傳輸過程中的各種情況，如果把兩種握手機制結(jié)合起來，分段插入請求包RTS，即對整個數(shù)據(jù)傳送路徑進行分段，段內(nèi)采用半握手機制，段間采用全握手機制，且分段長度可根據(jù)傳輸中斷概率調(diào)整，則有望克服它們的不足，降低節(jié)點無效能耗。為此，本文提出一種混合式握手機制，既減少過多的控制開銷；也避免一次握手后，后續(xù)進程不可控的情況；從而達到節(jié)點節(jié)能的目的。具體做法是：每個節(jié)點將收到的CTS包中的計數(shù)+1，作為本節(jié)點發(fā)送的CTS包的計數(shù)。若某個節(jié)點收到的 CTS包中計數(shù)達到某個預先設定的閾值，則在數(shù)據(jù)包到達后，該節(jié)點向下一節(jié)點發(fā)送RTS包進行發(fā)送請求；相應地，當某一節(jié)點偵聽到的CTS包中的計數(shù)值為預定閾值+1時，必須等待，直到接收到上一節(jié)點的 RTS包后才可以發(fā)送 CTS包，并把CTS包中的計數(shù)歸零，混合式握手機制如圖2所示。這樣，對于跳數(shù)較大，傳輸中斷概率較大的情況（例如未授權頻段內(nèi)用戶比較多的情況），即使前面節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸失敗，也可以通過周期性的檢驗，把后面節(jié)點發(fā)送的無用CTS包數(shù)量控制在一定范圍以內(nèi)。達到降低平均功耗的目的；并且通過改變閾值，還可以量化地調(diào)整分段長度，適應不同的應用場景。

3 仿真試驗及分析

如前所述，WSN通常與多個用戶各自獨立平等地工作在未授權2.4 G頻段，導致用戶間可能發(fā)生沖突并產(chǎn)生無效節(jié)點功耗。近年來，針對這個方面國內(nèi)外學者已進行了大量的研究[8-13]。本文即在此具有普遍性意義的應用場景下對三種握手機制的能量消耗情況進行仿真、分析、比較。

由于本文主要研究MAC協(xié)議的改進，不涉及路由設計，所以將仿真對象設置為由19個節(jié)點構成的線型網(wǎng)絡，編號依次為1到19號節(jié)點，19號節(jié)點為匯聚節(jié)點。每個節(jié)點只能同編號相鄰的兩個節(jié)點進行通信，如果要與更遠的節(jié)點通信，須經(jīng)鄰居節(jié)點中繼。除匯聚節(jié)點外，每個傳感器節(jié)點任一時刻發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為P。網(wǎng)絡結(jié)構如圖3所示。

3.1 節(jié)點小概率發(fā)送數(shù)據(jù)試驗

仿真參數(shù)如表1所示，仿真曲線是不同握手機制下控制開銷關于用戶沖突概率的一族曲線（如圖4所示），由于節(jié)點功耗與控制開銷是正相關關系，所以仿真曲線實際上也反映了不同用戶沖突概率下節(jié)點功耗與握手機制的關系。

表1 試驗一參數(shù)

3.2 節(jié)點較大概率發(fā)送數(shù)據(jù)試驗

仿真參數(shù)見表2，仿真曲線如圖5所示。

由仿真曲線可以看出，對于半握手機制，當用戶沖突概率增加時，控制開銷變化不大，略有增加；而對于混合式握手機制，隨著用戶沖突接入概率增加，控制開銷迅速下降。兩相比較，說明前者在數(shù)據(jù)傳輸中斷后有較多無意義控制開銷，而后者顯著減少了這種開銷。如圖，當閾值在2～∞間取值時，混合式握手機制也就在全握手機制和半握手機制間演變，實際上，當閾值分別取2和16時，混合式握手機制已非常接近全握手機制和半握手機制；這樣就為應對不同的用戶沖突概率提供了很大的靈活性。因此，不論用戶沖突概率為何值，都可以采用混合式握手機制，只需針對不同情況選擇不同的閾值即可。

表2 試驗二參數(shù)

圖中取不同閾值的混合式握手機制的曲線都與半握手機制的曲線相交，且閾值不同，交點位置不同，對應的用戶沖突概率也不同； 在交點右側(cè)，混合式握手機制的控制開銷小于半握手機制的控制開銷，在交點左側(cè)則反之；所以，如果有關于用戶沖突概率的先驗知識，就可以根據(jù)它處于交點右側(cè)還是左側(cè)來選擇閾值；使混合式握手機制逼近半握手機制或反之。

在試驗二中，增大了節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，由曲線圖可知，幾種握手機制的控制開銷都相應增大，但各曲線變化趨勢仍然與試驗一相似,所以上述結(jié)論在此仍然成立。

通過仿真結(jié)果可以預見，隨著傳輸中斷概率的增加，本文提出的改進握手機制節(jié)能效果更好。

4 結(jié)語

針對多用戶共享未授權頻段背景下無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)能問題，本文提出了一種IEEE802.15.4 MAC協(xié)議改進方案。并在典型應用背景下進行了仿真與分析，得到以下結(jié)論：①降低節(jié)點能耗，對提高無線傳感網(wǎng)絡生存周期和應用可靠性有重要意義；②混合式握手機制完全兼容全握手和半握手機制；根據(jù)有關先驗知識，可以通過調(diào)整閾值的方法，設定數(shù)據(jù)傳輸過程中插入請求包 RTS的分段長度，對不同的應用場景具有很高的靈活性；③混合式握手機制綜合了全握手和半握手機制的優(yōu)點，平衡了提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性和節(jié)點節(jié)能的需求；在共享頻段內(nèi)多用戶互相干擾情況下，顯著減少了網(wǎng)絡無效開銷。

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