低占空比、低碰撞的異步無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議

李哲濤，朱更明，王志強(qiáng)，裴廷睿，潘高峰

（1. 湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073；3. 湘潭大學(xué) 智能計(jì)算與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411105；4. 湖南科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；5. 西南大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，重慶 400715）

1 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN, wireless sensor network）由分布在一定區(qū)域內(nèi)大量電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，采用無(wú)線通信的方式形成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。由于其監(jiān)控區(qū)域廣、無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)，WSN被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)種植、醫(yī)療監(jiān)控、智能家居、智能交通等生活的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是災(zāi)后重建、突發(fā)事件監(jiān)控等[1]。電池能量直接影響傳感器和網(wǎng)絡(luò)生存周期，因此，研究一種低耗能、輕負(fù)載協(xié)議成為WSN領(lǐng)域的熱點(diǎn)。媒體訪問(wèn)控制（MAC, medium access control）協(xié)議是數(shù)據(jù)報(bào)文和控制消息在無(wú)線信道上進(jìn)行收發(fā)的直接控制者，也間接影響上層路由協(xié)議和傳輸控制協(xié)議性能。因此，高效的MAC協(xié)議是保證WSN數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量（QoS, quality of service）的基礎(chǔ)[2]。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)間是否同步，可將現(xiàn)有MAC協(xié)議分為2類：同步和異步MAC協(xié)議。同步MAC協(xié)議（如 S-MAC[3]、TMAC[4]、SCP[5]和 DW-MAC[6]）通過(guò)節(jié)點(diǎn)同步的喚醒/休眠機(jī)制來(lái)減少能量消耗，但全網(wǎng)時(shí)間同步會(huì)帶來(lái)不可忽略的能量消耗[7,8]。

異步 MAC協(xié)議又可分為由發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)起的MAC 接入?yún)f(xié)議（如 B-MAC[9]、X-MAC[10]、O-MAC[11]和Wise MAC[12])和由接收節(jié)點(diǎn)發(fā)起的MAC接入?yún)f(xié)議（如RI-MAC[13]）2種類型[14]。由發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)起的MAC接入?yún)f(xié)議是指由發(fā)送者發(fā)送前同步碼報(bào)頭（preamble）來(lái)通知目標(biāo)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；由接收節(jié)點(diǎn)發(fā)起的MAC接入?yún)f(xié)議是指發(fā)送節(jié)點(diǎn)醒來(lái)偵聽(tīng)，等待接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)（beacon）分組的到來(lái)再發(fā)送數(shù)據(jù)。異步MAC協(xié)議無(wú)需時(shí)間同步，并且異步周期的工作模式能減少網(wǎng)絡(luò)中流量猝發(fā)所帶來(lái)的碰撞。一般來(lái)說(shuō)，在異步MAC協(xié)議中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的占空比要遠(yuǎn)比接收節(jié)點(diǎn)的占空比高。

B-MAC是一種基于CSMA的異步MAC協(xié)議。它通過(guò)使用低能耗偵聽(tīng)和持續(xù)的前同步碼報(bào)文實(shí)現(xiàn)低能耗通信。另外，它通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)休眠時(shí)間表來(lái)改變網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載。然而，串音問(wèn)題和冗長(zhǎng)的前同步碼帶來(lái)了較大的能量損耗。

X-MAC通過(guò)使用多個(gè)較小的前同步碼報(bào)文來(lái)解決B-MAC中的串音問(wèn)題。通過(guò)在前同步碼中嵌入目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址引導(dǎo)鄰居中非目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，達(dá)到節(jié)能的目的。然而，持續(xù)的前同步碼仍然占據(jù)著信道，降低了信道利用率。

Wise MAC通過(guò)固定的喚醒間隔減少前同步碼的長(zhǎng)度。同時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過(guò)采樣目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)間表預(yù)測(cè)其下一次喚醒時(shí)間，降低了占空比。該協(xié)議雖然減少了空閑監(jiān)聽(tīng)開(kāi)銷，但固定的時(shí)間表易導(dǎo)致連續(xù)的碰撞。

RI-MAC是由接收節(jié)點(diǎn)發(fā)起建立連接的異步MAC協(xié)議，發(fā)送節(jié)點(diǎn)只需醒來(lái)偵聽(tīng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀而不用占據(jù)信道，提高了信道利用率。然而，發(fā)送節(jié)點(diǎn)平均仍需半個(gè)周期等待目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀，空閑偵聽(tīng)耗能較大。

另外，現(xiàn)有的MAC協(xié)議大多采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法[14]來(lái)解決分組丟失重傳問(wèn)題。這類算法總是給予最后一次發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)以最大的優(yōu)先權(quán)，易導(dǎo)致不公平現(xiàn)象。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，節(jié)點(diǎn)每次成功發(fā)送后都將競(jìng)爭(zhēng)窗口重置為最小值，易引起碰撞。

為降低能耗、減少數(shù)據(jù)碰撞，本文提出了一種由發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)起建立連接的異步低占空比、低碰撞的PB-MAC（predict-base MAC）協(xié)議算法。在PB-MAC中，節(jié)點(diǎn)通過(guò)偽隨機(jī)數(shù)生成偽隨機(jī)喚醒時(shí)間表。發(fā)送節(jié)點(diǎn)可通過(guò)獲取接收節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)種子、當(dāng)前時(shí)間和最近一次喚醒時(shí)間信息精確地推導(dǎo)出接收節(jié)點(diǎn)的下一次喚醒時(shí)間。與其他具有預(yù)測(cè)功能的MAC協(xié)議(如Wise MAC[12])相比，在PB-MAC中，節(jié)點(diǎn)能快速預(yù)測(cè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的醒來(lái)時(shí)間，并能減少碰撞。PB-MAC只需在預(yù)測(cè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間偵聽(tīng)信道，因此，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)都能保持極低的占空比。另外，PB-MAC報(bào)頭僅需攜帶極小量的預(yù)測(cè)信息，具有通信開(kāi)銷小和報(bào)頭短的特征。

2 PB-MAC的算法設(shè)計(jì)

PB-MAC的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種以發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)起建立連接的低占空比、低碰撞的異步MAC協(xié)議。

2.1 基本工作原理

PB-MAC協(xié)議基于RTS/CTS/Data/ACK的通信過(guò)程，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)喚醒偵聽(tīng)，如果在一個(gè)給定的信道偵聽(tīng)時(shí)間（TA，time active）內(nèi)沒(méi)有發(fā)生激活事件，則進(jìn)入休眠狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)醒來(lái)后偵聽(tīng)信道時(shí)間需滿足：

其中，RTT為端到端往返時(shí)延，sT為節(jié)點(diǎn)由休眠狀態(tài)啟動(dòng)為工作狀態(tài)所需要的時(shí)間。

圖1 PB-MAC協(xié)議的基本機(jī)制

在PB-MAC中，節(jié)點(diǎn)首次在[0,T]（T為節(jié)點(diǎn)喚醒的平均時(shí)間周期）之間隨機(jī)喚醒進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)，之后仍采取隨機(jī)喚醒機(jī)制。圖1為PB-MAC協(xié)議的基本機(jī)制，圖中向上的箭頭表示發(fā)送消息，向下的箭頭表示接收消息，上面部分的信息流表示節(jié)點(diǎn)一直處于偵聽(tīng)方式下的消息收發(fā)序列，下面部分的信息流表示采用PB-MAC協(xié)議時(shí)的消息收發(fā)序列。圖1中節(jié)點(diǎn)首次在14 ms喚醒，隨后依隨機(jī)數(shù)89、129和76在103 ms、232 ms和308 ms分別喚醒。

2.2 偽隨機(jī)喚醒時(shí)間表機(jī)制

為了預(yù)測(cè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間和避免鄰居節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間頻繁接近，PB-MAC中每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用偽隨機(jī)喚醒時(shí)間表。節(jié)點(diǎn)通過(guò)與鄰居節(jié)點(diǎn)共享隨機(jī)種子來(lái)推導(dǎo)對(duì)方產(chǎn)生偽隨機(jī)喚醒時(shí)間表的偽隨機(jī)數(shù)。

為了使節(jié)點(diǎn)間隨機(jī)種子不同并且可在相鄰節(jié)點(diǎn)種子相近的情況下更改，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)種子Seed采用線性同余(LCG, linear congruential generator)[15]的方法產(chǎn)生，如式(2)所示。

其中，m(m＞0)是模數(shù)，a(0

其中，RandNum為每調(diào)用一次rand方法產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)。節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)RandNum作為節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間間隔，生成偽隨機(jī)時(shí)間表。

因此，通過(guò)獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)種子同樣可以推導(dǎo)出其喚醒時(shí)間表的喚醒時(shí)間間隔。

2.3 預(yù)測(cè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間算法

PB-MAC協(xié)議的報(bào)頭（beacon分組）包含節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)種子Seed、最近一次喚醒時(shí)間lastT 和節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)間curT 。節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的 beacon分組可據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算出其下一次喚醒時(shí)間NextTimeWakeup。

其中，locT 為本地節(jié)點(diǎn)時(shí)間，diffT 為本地節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)差。

圖 2是發(fā)送節(jié)點(diǎn) S通過(guò)目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn) R的beacon分組來(lái)預(yù)測(cè)R下一次喚醒時(shí)間的偽代碼。其算法的核心思想是：如果R的相關(guān)參數(shù)未知，則立即偵聽(tīng)信道；否則根據(jù)R的隨機(jī)種子、當(dāng)前時(shí)間和最近一次喚醒時(shí)間信息計(jì)算R的下一次喚醒時(shí)間。

圖2 節(jié)點(diǎn)S預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)R喚醒時(shí)間的偽代碼

其中，Seed[R]為目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn) R的隨機(jī)種子，currentTime[R]為 R的當(dāng)前時(shí)間，Tcur[R]為 R發(fā)送beacon分組的時(shí)間，Tlast[R]為R的最近一次喚醒時(shí)間，nextWakeupTime[R]是預(yù)測(cè)下一次R的喚醒時(shí)間(初始值為R的最近一次喚醒時(shí)間)。

圖3 發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸

如圖3所示，發(fā)送節(jié)點(diǎn)S首次向目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)R建立連接需要一直醒來(lái)偵聽(tīng)R的beacon分組，S在收到R的beacon分組后向R發(fā)起建立連接傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)S下一次需要向R發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)式(3)和式(4)來(lái)精確推導(dǎo)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間，在此時(shí)間喚醒偵聽(tīng)R的beacon分組，并在收到R的beacon分組后向R發(fā)起建立連接。

綜上所述，PB-MAC報(bào)頭beacon分組僅需攜帶2 byte Seed、4 bytelastT 和4 bytecurT 共10 byte的預(yù)測(cè)信息，即可完成對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間的預(yù)測(cè)，具有報(bào)頭短和低開(kāi)銷的特征。

2.4 預(yù)測(cè)重建連接機(jī)制

針對(duì)2個(gè)隱藏終端節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)起建立連接請(qǐng)求而導(dǎo)致建立連接失敗的情況，PB-MAC采用隨機(jī)延退和釋放預(yù)測(cè)的方法規(guī)避沖突和提高重連接效率。

隨機(jī)延退是指多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到同一目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)R的廣播beacon分組后，在[0,cT]內(nèi)各自隨機(jī)延退一段時(shí)間dT，再向R發(fā)起建立連接，實(shí)現(xiàn)規(guī)避沖突，提高連接成功率，dT需滿足

其中，Tdelay為端到端傳輸時(shí)延，即 R TT / 2。結(jié)合式(1)和式(5)可得：Td≤RTT/2，因此取Tc=RTT/2。

以圖4為例，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)S1和S2同時(shí)收到R的beacon分組后不是立即向R發(fā)起建立連接，而是在延退[0, /2RTT ]區(qū)間的隨機(jī)時(shí)間后再向R發(fā)起建立連接。由于 S2延退時(shí)間小于 S1延退時(shí)間，所以S2成功與R建立連接。

針對(duì)建立連接失敗的節(jié)點(diǎn)，PB-MAC采用釋放預(yù)測(cè)機(jī)制來(lái)重建連接。具體預(yù)測(cè)規(guī)則分以下情況進(jìn)行計(jì)算。

圖4 預(yù)測(cè)重建連接機(jī)制

1) 若收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)的CTS幀，則目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳完數(shù)據(jù)后釋放連接的預(yù)計(jì)時(shí)間nextT 為

其中，hT為處理單位數(shù)據(jù)的時(shí)間，dIR為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)還需接收數(shù)據(jù)分組的個(gè)數(shù)，ctsT 為收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)CTS幀的時(shí)間。

2) 若收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)的Data數(shù)據(jù)分組，則目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳完數(shù)據(jù)后釋放連接的預(yù)計(jì)時(shí)間nextT 為

其中， I Sd為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)還需發(fā)送數(shù)據(jù)分組的個(gè)數(shù)，Tdata為收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)Data數(shù)據(jù)分組的時(shí)間。

3) 其他情況，立即進(jìn)入休眠。如圖4所示發(fā)送節(jié)點(diǎn)S1在建立連接失敗后，收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)R發(fā)送給節(jié)點(diǎn)S2的CTS幀。S1根據(jù)收到R的CTS幀，依式(6)推導(dǎo)R接收完數(shù)據(jù)釋放的連接時(shí)間，并在此時(shí)間向R發(fā)起建立連接。

2.5 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)重傳機(jī)制

基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)去擁塞的時(shí)滯性，在出現(xiàn)分組丟失時(shí)，PB-MAC要求發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)盡快進(jìn)入休眠模式，達(dá)到降低占空比的目的。

在分組丟失后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的具體表現(xiàn)為：發(fā)送節(jié)點(diǎn)首先啟動(dòng)2.3節(jié)所述的預(yù)測(cè)目標(biāo)喚醒算法計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)下一次的喚醒時(shí)間，然后轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)；接收節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有收到后續(xù)有效數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送完畢時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)均進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待目標(biāo)節(jié)點(diǎn)下一次醒來(lái)再重傳該數(shù)據(jù)。如圖3所示，當(dāng)S發(fā)送第二個(gè)數(shù)據(jù)分組出現(xiàn)分組丟失后馬上進(jìn)入休眠，在R第3次醒來(lái)后再重傳該數(shù)據(jù)。

3 仿真與分析

3.1 仿真參數(shù)與環(huán)境說(shuō)明

實(shí)驗(yàn)采用OMNet++軟件對(duì)比分析了PB-MAC、RI-MAC和X-MAC的性能，采用MATLAB輔助分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了保障3個(gè)協(xié)議的可比性，分別對(duì)每個(gè)協(xié)議進(jìn)行如表1所示設(shè)置。

表1 協(xié)議參數(shù)設(shè)置

在PB-MAC中，為保障節(jié)點(diǎn)間隨機(jī)種子盡可能不相近，隨機(jī)種子產(chǎn)生式的參數(shù)a、c、m分別設(shè)置為20、7和999。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M運(yùn)行500 s，節(jié)點(diǎn)每隔[500，1 500] ms產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)分組，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延設(shè)定為5 ms。為了檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的消息負(fù)載量，假設(shè)節(jié)點(diǎn)的消息緩沖區(qū)是無(wú)限大。仿真中測(cè)量以下指標(biāo)。

1) 平均占空比：節(jié)點(diǎn)處于偵聽(tīng)狀態(tài)占整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的比率。

2) 數(shù)據(jù)傳遞率：基站接收到的數(shù)據(jù)總量占所有節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量的比率。

3) 端到端的數(shù)據(jù)延遲：從節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)或收到數(shù)據(jù)開(kāi)始到該數(shù)據(jù)成功被下一跳節(jié)點(diǎn)接收的平均時(shí)間。

4) 消息負(fù)載量：節(jié)點(diǎn)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間中消息隊(duì)列的最大數(shù)據(jù)量。

5) 發(fā)送耗能：發(fā)送消息消耗的能量，以發(fā)送單位數(shù)據(jù)消耗1個(gè)單位的能量來(lái)計(jì)量。

6) 碰撞次數(shù)：節(jié)點(diǎn)在激活狀態(tài)同時(shí)收到2個(gè)及以上發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的次數(shù)。

3.2 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估

在900 m×900 m的方形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署49個(gè)節(jié)點(diǎn)，在中心部署1個(gè)基站，節(jié)點(diǎn)通信半徑為200 m。表2為PB-MAC、RI-MAC和X-MAC在消息傳遞率、占空比、端到端延遲、最大消息負(fù)載量、發(fā)送數(shù)據(jù)耗能和平均碰撞次數(shù)指標(biāo)的對(duì)比。

表2 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)比

表2表明，PB-MAC在保持高傳遞率和低延遲的情況下，占空比、平均發(fā)送數(shù)據(jù)耗能和碰撞次數(shù)3個(gè)性能分別比RI-MAC降低了68.60%、24.75%、68.05%，比 X-MAC降低了 64.39%、64.05%、70.54%。這是因?yàn)镻B-MAC通過(guò)精確估計(jì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間，避免像RI-MAC和X-MAC那樣每次醒來(lái)偵聽(tīng)信道，等待與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)建立連接。在隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)分布不均，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組丟失，而PB-MAC協(xié)議在數(shù)據(jù)分組丟失后采用2.5節(jié)所示的快速進(jìn)入休眠狀態(tài)的重傳機(jī)制，故在延遲性能上比RI-MAC和X-MAC略高。

當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，RI-MAC采用被動(dòng)等待方式，X-MAC采用不斷向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求分組的主動(dòng)建立連接方式，所以RI-MAC的發(fā)送耗能遠(yuǎn)小于X-MAC。PB-MAC中的預(yù)測(cè)機(jī)制使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)建立起連接的無(wú)效請(qǐng)求較少，發(fā)送數(shù)據(jù)耗能也較小。

表2顯示在消息傳遞率相近的情況下，發(fā)送數(shù)據(jù)耗能與碰撞次數(shù)成正相關(guān)。由于RI-MAC碰撞窗口每次從0開(kāi)始增加，而X-MAC的碰撞窗口固定為32，故RI-MAC的碰撞次數(shù)偏高。PB-MAC采用預(yù)測(cè)重建連接機(jī)制能提高連接的成功率和減少擁塞時(shí)的無(wú)效傳輸，故碰撞次數(shù)最少。

3.3 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)評(píng)估

在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，基站處于網(wǎng)絡(luò)的中央位置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)的距離為100 m，節(jié)點(diǎn)通信半徑為100 m。網(wǎng)格規(guī)模從4×4（16節(jié)點(diǎn)）逐步擴(kuò)大到 9×9（81 節(jié)點(diǎn)）。

圖5是PB-MAC、RI-MAC和X-MAC在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的各項(xiàng)性能對(duì)比圖。圖5(a)是PB-MAC、RI-MAC和X-MAC協(xié)議在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的占空比性能對(duì)比圖。由于RI-MAC和X-MAC協(xié)議中發(fā)送節(jié)點(diǎn)平均需醒來(lái)等待半個(gè)RTT的空閑偵聽(tīng)時(shí)間，才能與目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)建立起連接，而使用預(yù)測(cè)機(jī)制的PB-MAC等待的偵聽(tīng)時(shí)間接近0。因此，PB-MAC中發(fā)送節(jié)點(diǎn)具有占空比較低的顯著優(yōu)勢(shì)。RI-MAC中發(fā)送節(jié)點(diǎn)避免了X-MAC中大量的preamble分組占用信道，信道利用率較高。因此，RI-MAC較X-MAC略占優(yōu)勢(shì)。

圖5（b）是PB-MAC、RI-MAC和X-MAC協(xié)議在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的平均發(fā)送消息能耗對(duì)比圖。由于 PB-MAC采用預(yù)測(cè)機(jī)制使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)成功建立連接的幾率較高，僅需要少量的RTS請(qǐng)求分組，失效請(qǐng)求少。因此，平均發(fā)送消息耗能單位在 3個(gè)協(xié)議中最少。X-MAC中大量無(wú)效的preamble請(qǐng)求分組使耗能較RI-MAC高。

圖5（c）是PB-MAC、RI-MAC和X-MAC協(xié)議在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的平均和最大碰撞次數(shù)對(duì)比圖。3 種協(xié)議在奇網(wǎng)格（5×5、7×7、9×9）和偶網(wǎng)格（4×4、6×6、8×8）下的平均碰撞次數(shù)分別呈現(xiàn)遞增狀態(tài)。另外，由于基站一直處于偵聽(tīng)狀態(tài)，偶網(wǎng)格中的碰撞次數(shù)要明顯多于奇網(wǎng)格。

圖5(d)是PB-MAC、RI-MAC和X-MAC協(xié)議在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的端到端延遲對(duì)比圖。3種協(xié)議的端到端延遲隨網(wǎng)格規(guī)模的變化基本保持一致。RI-MAC與X-MAC以付出高占空比的代價(jià)減少延遲，而PB-MAC以高效的預(yù)測(cè)重建連接機(jī)制，保障低延遲。

圖5 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)對(duì)比

圖 5（e）是 PB-MAC、RI-MAC和 X-MAC協(xié)議在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的分組傳遞率對(duì)比圖。從圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)大于7時(shí)，所有協(xié)議分組傳遞率急劇下降，這與圖 5（d）中網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)大于 7后延遲劇增相對(duì)應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)規(guī)模超過(guò) 7×7（49節(jié)點(diǎn)）后，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始出現(xiàn)擁塞。

圖5（f）是PB-MAC、RI-MAC和X-MAC協(xié)議在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的平均和最大消息負(fù)載量對(duì)比圖。在網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)小于7時(shí)，3種協(xié)議的平均消息負(fù)載量基本維持在 20左右。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)大于7后，平均消息負(fù)載量急劇上升，也印證了網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞。

總體來(lái)看，PB-MAC在占空比、發(fā)送消息耗能、碰撞次數(shù)3個(gè)性能上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。另外，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞之前，隨著節(jié)點(diǎn)規(guī)模的增大，PB-MAC在占空比、發(fā)送消息耗能、最大碰撞次數(shù)和平均碰撞次數(shù)指標(biāo)上基本呈線性增長(zhǎng)，穩(wěn)定性好。在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)砣?，在占空比、碰撞次?shù)指標(biāo)上，PB-MAC仍優(yōu)于RI-MAC和X-MAC。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文著重研究如何優(yōu)化異步MAC協(xié)議來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)耗能和提高通信質(zhì)量，提出了一種低占空比、低碰撞的異步無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC協(xié)議——PB-MAC協(xié)議。該協(xié)議以共享隨機(jī)種子為基礎(chǔ)，通過(guò)預(yù)測(cè)方式估計(jì)鄰居節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間表，達(dá)到降低占空比的目的；通過(guò)預(yù)測(cè)重連接機(jī)制和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，避免數(shù)據(jù)碰撞和實(shí)現(xiàn)高效重傳。仿真結(jié)果表明：在隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，PB-MAC協(xié)議在保持低延遲和高傳遞率的情況下，其占空比、碰撞次數(shù)和能耗方面明顯優(yōu)于RI-MAC和X-MAC。

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