無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層自適應(yīng)喚醒算法研究*

段 蒙，陳 嵐，呂 超，盧 威

(中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是一種由大量傳感器節(jié)點(diǎn)以無線通信的方式，自組織形成的多跳無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、分布式和自組織等特征[1]，能夠在惡劣特殊環(huán)境下提供通信支持[2]，在軍事、環(huán)境檢測、醫(yī)療與智能家居等方面獲得廣泛應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的精密感知和保證節(jié)點(diǎn)能量的有效性，節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同感知和傳輸已成為傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)問題。節(jié)點(diǎn)在無工作需要時(shí)自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，并根據(jù)業(yè)務(wù)需要，周期性的喚醒。通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)喚醒/睡眠的占空比[3]，使節(jié)點(diǎn)能量得到最大的合理化利用，是目前傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能常用的方法之一。S-MAC[4]，T-MAC[5]等協(xié)議就是傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)合自己業(yè)務(wù)需要進(jìn)行自主、自適應(yīng)調(diào)整喚醒/睡眠占空比的典型的傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議，IEEE802.15.4[6]的超幀結(jié)構(gòu)是基于這一思想設(shè)計(jì)的。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有異構(gòu)特點(diǎn)[7]，異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)包含了多種傳感器節(jié)點(diǎn)，各自的傳輸帶寬、數(shù)據(jù)長度、喚醒周期等差別較大。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)的通信暢通，節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同傳輸成為首要解決的問題之一。在IEEE802.15.4中，協(xié)同節(jié)點(diǎn)周期性廣播信標(biāo)幀，實(shí)現(xiàn)與子節(jié)點(diǎn)的同步，這種方法在星狀網(wǎng)絡(luò)中得到很好的應(yīng)用。由于信標(biāo)幀不經(jīng)過CSMA/CA直接發(fā)送，在多跳網(wǎng)絡(luò)中造成嚴(yán)重的沖突。同時(shí)，信標(biāo)幀的收發(fā)過程，對部分無需喚醒的節(jié)點(diǎn)帶來無效偵聽功耗。

本文提出的跨層自適應(yīng)喚醒算法，是在IEEE802.15.4非信標(biāo)模式下，傳感器節(jié)點(diǎn)MAC層參考網(wǎng)絡(luò)層提供的下一跳節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行休眠/喚醒狀態(tài)的自適應(yīng)的調(diào)整，通過多跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同傳輸，提高了異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠性和能效性。自適應(yīng)喚醒算法通過下行ACK幀進(jìn)行協(xié)同信息交互，不僅解決了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中beacon幀機(jī)制與輪詢機(jī)制在多跳中網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能效率低的問題，而且保持了與IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。

本文將在第1節(jié)介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的研究現(xiàn)狀;第2節(jié)結(jié)合具體的數(shù)學(xué)模型分析異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸存在的問題;在第3節(jié)闡述自適應(yīng)喚醒算法;最后，通過詳細(xì)的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證算法的有效性和先進(jìn)性。

1 相關(guān)工作的現(xiàn)狀

S-MAC[4]，T-MAC[5]通過松弛同步的周期性的喚醒/睡眠降低了節(jié)點(diǎn)的占空比，從而減少了空閑偵聽;引入RTS/CTS機(jī)制預(yù)約信道[3]減少了串音與空閑偵聽。但是，在數(shù)據(jù)包較小的應(yīng)用場景中，RTS/CTS開銷造成了通信資源與能量資源的浪費(fèi)。且采用S-MAC的網(wǎng)絡(luò)中，不同調(diào)度的簇的邊界節(jié)點(diǎn)會(huì)過早消耗掉能量[8]。S-MAC的同步機(jī)制增加了額外的同步偵聽時(shí)間，也浪費(fèi)了一定的能量。然而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的重要因素就是能耗[9]。

B-MAC[10]使用擴(kuò)展前導(dǎo)和低功率偵聽技術(shù)實(shí)現(xiàn)按需同步，但是前導(dǎo)序列過長會(huì)造成過度偵聽，浪費(fèi)能量;X-MAC[11]發(fā)送若干較小的頻閃前導(dǎo)來避免過度偵聽。而且，在B-MAC和X-MAC中，如果接收節(jié)點(diǎn)長時(shí)間沒有喚醒，發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)一直廣播前導(dǎo)序列，降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，甚至使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無法正常工作。

IEEE802.15.4[6]的 MAC 中有兩種模式:信標(biāo)使能，非信標(biāo)使能。信標(biāo)使能模式，協(xié)調(diào)器與設(shè)備之間的同步需要大量的信標(biāo)幀，易造成碰撞，同時(shí)也會(huì)增加無效偵聽帶來的能量浪費(fèi);非信標(biāo)使能模式，設(shè)備與協(xié)調(diào)器之間通過輪詢進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與同步，存在大量的過度偵聽，也會(huì)增加無效偵聽帶來的能量浪費(fèi)。

2 異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)收包率分析

異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的自然喚醒周期與各自的業(yè)務(wù)需求密切相關(guān)。大規(guī)模異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)之間的自然喚醒周期分布相互獨(dú)立且服從泊松分布[12]:

其中，T自然喚醒周期，λ為自然喚醒周期的期望，k為正整數(shù)。

因此，為保證數(shù)據(jù)傳輸成功，異構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)間需要進(jìn)行時(shí)鐘同步，在數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)保持喚醒。為了簡化數(shù)學(xué)分析，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的喚醒周期為正整數(shù)。

定理節(jié)點(diǎn)s與節(jié)點(diǎn)d分別表示樹狀網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)(即數(shù)據(jù)包只能由s向d傳輸)，喚醒周期分別表示為Ts和Td，則s與d間通信的最大收包率為:

其中，LCM(Ts，Td)表示Ts與Td的最小公倍數(shù)，γ表示節(jié)點(diǎn)s與d間的無線鏈路質(zhì)量系數(shù)，γ∈[0，1]，為了更加關(guān)注父子節(jié)點(diǎn)的同步問題，可令γ=1。

證明令t0=LCM(Ts，Td)，即 s與 d喚醒狀態(tài)一致的自然周期為 t0，那么在 t=k×t0(k=1，2，3…)時(shí)節(jié)點(diǎn)s與節(jié)點(diǎn)d同時(shí)喚醒，則

此時(shí)，節(jié)點(diǎn)s向d發(fā)送了m個(gè)數(shù)據(jù)包，其中k個(gè)數(shù)據(jù)包在兩節(jié)點(diǎn)同時(shí)喚醒時(shí)發(fā)送，則收包率可表示為

將式(2)代入式(3)得出:

則在一個(gè)由N互相連通的節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)只要在通信過程中同時(shí)處于喚醒狀態(tài)，數(shù)據(jù)包即通信成功。則網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路的收包率的期望值可表示為:

其中Ti，Tj分別為發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的自然喚醒周期。

圖1給出了λ在1到100的變化過程中，鏈路收包率α的變化曲線。由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)的周期獨(dú)立同分布，所以在源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的n跳路徑中各跳的收包率也是獨(dú)立同分布的，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)收包率的期望值小于αn，即收包率隨著跳數(shù)的增加呈指數(shù)下降，無法保證網(wǎng)絡(luò)的正常通信。

圖1 收包率期望值

S-MAC[5]，T-MAC[7]，IEEE802.15.4[4]的 MAC 層協(xié)議通過加入控制包交換，使每一跳的趨于1即改善兩跳之間的收包率的期望值即趨于1，這樣在n跳鏈路上，由于每一跳收包率的局部改善使得全局多跳鏈路的收包率趨于1。然而這3種MAC層協(xié)議要求各節(jié)點(diǎn)喚醒周期相同，這樣會(huì)在異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中增加過度偵聽浪費(fèi)的能量。同時(shí)，IEEE802.15.4的MAC層協(xié)議中存在大量的用于同步的超幀，且這些超幀的發(fā)送不經(jīng)過CSMA/CA[4]，不僅會(huì)引發(fā)導(dǎo)致碰撞導(dǎo)致重傳浪費(fèi)能量，而且也會(huì)增加過度偵聽的能量消耗。

3 跨層自適應(yīng)喚醒算法

在IEEE802.15.4 MAC層協(xié)議中，子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)按照路由策略搜索父節(jié)點(diǎn)并與其進(jìn)行關(guān)聯(lián)[4]，父節(jié)點(diǎn)收到關(guān)聯(lián)請求后會(huì)向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送關(guān)聯(lián)響應(yīng)。本文提出的跨層自適應(yīng)喚醒算法正是基于這個(gè)關(guān)聯(lián)過程的。在子節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)成功之前它會(huì)一直處于喚醒狀態(tài)并向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送關(guān)聯(lián)請求，當(dāng)父節(jié)點(diǎn)判斷這個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)成功時(shí)會(huì)向它發(fā)送關(guān)聯(lián)響應(yīng)，并在關(guān)聯(lián)響應(yīng)中加入父節(jié)點(diǎn)的周期T，喚醒時(shí)間長度Tw和父節(jié)點(diǎn)下一個(gè)自然喚醒周期開始的時(shí)間t0。從t0時(shí)刻開始父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)同時(shí)啟動(dòng)各自的自然喚醒周期，其過程如圖2所示。

圖2 初始階段時(shí)序圖

當(dāng)子節(jié)點(diǎn)要向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，查詢已獲取的父節(jié)點(diǎn)自然喚醒周期T與下一次喚醒時(shí)間t0，計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)喚醒時(shí)間向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。為了盡量減小時(shí)鐘偏差和傳輸延時(shí)對計(jì)算精度的影響，不僅在選擇發(fā)送時(shí)機(jī)的時(shí)候有25%的冗余而且每次發(fā)包成功都會(huì)在ACK中加入最新t0值來更新舊的t0值。這樣就不需要通過超幀或者輪詢來進(jìn)行同步與發(fā)送數(shù)據(jù)，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的都可以工作在獨(dú)立的自然喚醒周期，這樣減少了較多過度偵聽與協(xié)議控制所帶來的能量消耗。自適應(yīng)喚醒算法的的具體步驟如下:

Step 1:子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)成功后子節(jié)點(diǎn)獲取父節(jié)點(diǎn)的 T，Tw，t0。

Step 2:t0時(shí)刻子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)入自然喚醒周期。

Step 3:如果子節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻要向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)則計(jì)算距離父節(jié)點(diǎn)的最近一個(gè)周期起始時(shí)刻時(shí)間長度Δt=t－nT其中n為(t－t0)/T的整數(shù)部分。

Step 4:如果Δt＜75%·Tw則直接向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

Step 5:否則緩存包，并等待τ=T－ts后再發(fā)送。

Step 6:如果此時(shí)子節(jié)點(diǎn)處于喚醒狀態(tài)直接發(fā)送，如果處于睡眠狀態(tài)則喚醒子節(jié)點(diǎn)再發(fā)送。

Step 7:父節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后回復(fù)ACK幀中包含新的t0值。

Step 8:子節(jié)點(diǎn)收到ACK確認(rèn)發(fā)送成功，并更新t0值。

算法流程圖如圖3所示。

圖3 算法流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真分析

NS－2是一個(gè)開源的系統(tǒng)級網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，它所包含的模塊幾乎涉及到了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的所有方面，是目前被廣泛采用和認(rèn)可的網(wǎng)絡(luò)模擬與評估平臺(tái)。結(jié)合Zigbee芯片CC2430數(shù)據(jù)手冊，仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表1所示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

為了驗(yàn)證跨層自適應(yīng)喚醒算法的性能，進(jìn)行了兩組對比仿真實(shí)驗(yàn)，每組又各進(jìn)行了兩種場景的仿真，并分別對鏈路收包率與節(jié)點(diǎn)能量利用效率進(jìn)行了分析。

表1 仿真參數(shù)表

圖4 仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(各點(diǎn)的水平或垂直距離為10 m，整個(gè)區(qū)域范圍為60 m×60 m)

4.1.1 收包率分析

在本組仿真驗(yàn)證中，場景1，各節(jié)點(diǎn)占空比隨機(jī)均勻分布在5%到20%，使用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議的非信標(biāo)模式;場景2，各節(jié)點(diǎn)占空比隨機(jī)均勻分布在5%到20%，使用本文提出的跨層自適應(yīng)喚醒算法。

對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，每一跳對應(yīng)的收報(bào)率如表2所示。

表2 跳數(shù)與收包率關(guān)系

表2表明在異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中如果各節(jié)點(diǎn)沒有任何同步措施，經(jīng)過多跳收包率會(huì)趨于0，而加入了跨層自適應(yīng)喚醒算法之后收包率保持在99%左右，提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性。

4.1.2 節(jié)能效果分析

在本組仿真驗(yàn)證中，場景1，各節(jié)點(diǎn)占空比都分布在20%，使用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議的信標(biāo)模式;場景2，各節(jié)點(diǎn)占空比隨機(jī)均勻分布在5%到20%，使用本文提出的自適應(yīng)喚醒算法。

對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對比跨層自適應(yīng)喚醒算法與IEEE802.15.4MAC信標(biāo)模式的能量節(jié)省效率與跳數(shù)的關(guān)系如表3所示。

表3 節(jié)能效率

表3表明在幾種不同跳數(shù)情況下，使用跨層自適應(yīng)喚醒算法時(shí)所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量總和比使用IEEE802.15.4MAC信標(biāo)模式時(shí)所有節(jié)點(diǎn)剩余能量總和要高出20%左右，提高了能量效率。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)使用的無線傳感器節(jié)點(diǎn)通信芯片是TI公司的CC2430，實(shí)驗(yàn)場景如圖5所示。共8個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)8為源節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1為目的節(jié)點(diǎn)，其余均為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

圖5 實(shí)驗(yàn)場景

本次進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)，第1組是使用IEEE802.15.4MAC層協(xié)議，節(jié)點(diǎn)8一共發(fā)送了100個(gè)數(shù)據(jù)幀，每個(gè)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)偵聽到的 beacon幀、數(shù)據(jù)幀和ACK幀的數(shù)量(包括不屬于自己即過度偵聽的)，其中節(jié)點(diǎn)1還會(huì)統(tǒng)計(jì)自己所收到的節(jié)點(diǎn)2轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，源節(jié)點(diǎn)發(fā)給自己的數(shù)據(jù)幀。第2組使用了本文提出的自適應(yīng)喚醒算法，各節(jié)點(diǎn)所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)與第1組相同。其中beacon幀的長度為59 byte，數(shù)據(jù)幀長度為127 byte，ACK幀的長度為12 byte。兩組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分別如表4與表5所示。

從表4與表5可以看出在數(shù)據(jù)幀從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的過程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)偵聽到無效幀，相對于自適應(yīng)喚醒算法使用IEEE802.15.4的 MAC層協(xié)議時(shí)各節(jié)點(diǎn)中不僅存在更多的無效數(shù)據(jù)幀與ACK幀而且還存在大量的beacon幀，這些都會(huì)造成能量浪費(fèi)。我們可以根據(jù)接收到的幀的數(shù)量與長度來評估各個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)消耗的能量為:其中Ur，Ir分別為接收機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)的工作電流與電壓，L為所接受數(shù)據(jù)的長度，Vr為數(shù)據(jù)傳輸速率。從CC2430的手冊可知其接收時(shí)的工作電流為Ir=27 mA，工作電壓為Ur=1.8 V，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbit/s。根據(jù)這些參數(shù)與上述能量式(7)可以計(jì)算出第一組即使用IEEE802.15.4MAC層協(xié)議時(shí)，發(fā)送100個(gè)數(shù)據(jù)包整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所消耗的能量為1.635 J，第2組即使用本文所提出的算法時(shí)，發(fā)送100個(gè)數(shù)據(jù)包整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所消耗的能量為0.832 J。

表4 第1組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 第2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表4、表5可知使用本文算法的第2組實(shí)驗(yàn)收包率為92%，略低于使用IEEE802.15.4MAC層協(xié)議的第1組實(shí)驗(yàn)收包率為96%。但是第2組實(shí)驗(yàn)的消耗的能量只有第1組所消耗的50.92%。由此可知，跨層自適應(yīng)喚醒算法不僅能保證異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性，而且也提高了其能效性。

5 結(jié)論

感知節(jié)點(diǎn)根據(jù)業(yè)務(wù)需求調(diào)整喚醒與睡眠狀態(tài)，并保持節(jié)點(diǎn)的同步，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提高能量效率，保證可靠性的主要手段。本文基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，提出了跨層自適應(yīng)喚醒算法，提高了異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性和能量利用效率，通過仿真分析與實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了其有效性和先進(jìn)性。

[1]Akyildiz I F，Melodia T，Chowdhury K R.Wireless Sensor Networks:A Survey[J].Computer Networks(ELSEVIER)，2002，38:393－422.

[2]王境，徐楨，劉曉春.基于鏈路質(zhì)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗干擾路由協(xié)議[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25(1):87－93.

[3]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社，2005

[4]Wei Ye，John Heidemann，Deborah Estrin.An Energy-Efficient Mac Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//Proceedings of the IEEE Infocom，1567－1576，New York，NY，June 2002.IEEE.

[5]van Dam T，Langendoen K.An Adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//Proc 1st Int’l Conf on Embedded Networked Sensor System(SenSys)，Nov.5－7，2003，Los Angeles，CA.2003

[6]IEEE 802.15.4 2006:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)[S].

[7]梁天，周暉，徐晨，等.無線感知執(zhí)行網(wǎng)的智能協(xié)作機(jī)制研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25(5):665－672.

[8]Yuan Li，Wei Ye，Heidemann J.Energy and Latency Control in Low Duty Cycle MAC Protocols[C]//Wireless Communications and Networking Conference，2005 IEEE，2005，2:676－682.

[9]尚鳳軍，任東海.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布式多跳路由算法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25(4):529－535.

[10]Polastre J，Hill J，Culler D.Versatile Low Power Meida Access for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks[C]//Processing of ACM SenSys，2004.95－107.

[11]Buettne M，Yee G，Anderson E，et al.X-MAC:A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks[C]//Processing of ACM SenSys，2006，307－320.

[12]王辛果，異步無線傳感網(wǎng)的跨層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文，2011.