基于TinyOS的低功耗WSN廣播協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史培中

摘 要：文章針對(duì)低功耗WSN的多跳廣播問題，擺脫異步睡眠調(diào)度下利用單播實(shí)現(xiàn)廣播的轉(zhuǎn)發(fā)模式，給出基于TinyOS的低功耗WSN廣播協(xié)議的設(shè)計(jì)，包括低功耗WSN廣播主干構(gòu)建、廣播轉(zhuǎn)發(fā)條件判定、廣播的時(shí)延保障和基于睡眠調(diào)度可調(diào)的廣播優(yōu)化。該協(xié)議的各組件可通過連接的方式應(yīng)用于現(xiàn)有協(xié)議的集成或開發(fā)，也可用于廣播支持的研究，比如低功耗WSN的網(wǎng)絡(luò)配置控制信息廣播、低功耗WSN的事件通知和低功耗WSN的密鑰管理與分發(fā)等。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低功耗；TinyOS；廣播

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）作為新型無線網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)前國際上非常關(guān)注的、一種多學(xué)科交叉技術(shù)，具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景[1]。在能量受限制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了盡量延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，往往引入睡眠調(diào)節(jié)的節(jié)能機(jī)制[2]，即低功耗WSN。該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)周期性地進(jìn)行監(jiān)聽和睡眠狀態(tài)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)需等待接收節(jié)點(diǎn)喚醒后進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點(diǎn)之間的連接呈現(xiàn)間歇性特征。因此，該節(jié)能機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成不可忽略的影響，如單次廣播可能會(huì)由于某些節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)而接收失敗，無法保障廣播的覆蓋率。

1 低功耗WSN廣播協(xié)議設(shè)計(jì)的必要性

廣播是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一項(xiàng)重要服務(wù)，特別是對(duì)于代碼更新、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)配置和路徑發(fā)現(xiàn)等起到關(guān)鍵的作用。然而，無線信道的廣播特性不能被很好地利用，導(dǎo)致已有的廣播優(yōu)化算法不能保證廣播的覆蓋性。根據(jù)節(jié)點(diǎn)間睡眠調(diào)度時(shí)間是否需要同步，可分為同步和異步兩種調(diào)度方式。相比與同步方式，異步睡眠調(diào)度節(jié)能機(jī)制開銷非常小，靈活性高而且操作非常方便，能夠有效地減少能量的消耗，非常適合在動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用，并且在低流量網(wǎng)絡(luò)中能展現(xiàn)其能效性優(yōu)勢(shì)。

已有的相關(guān)廣播協(xié)議普遍采用仿真工具進(jìn)行測(cè)試，在真實(shí)環(huán)境中的性能有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。作為一個(gè)面向WSN應(yīng)用的實(shí)用性協(xié)議，它必須能夠很好地被集成于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議框架中。因此，為了更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，利用了加州大學(xué)伯克利分校為嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)開發(fā)的開源系統(tǒng)TinyOS[3-4]，采用基于組件的MAC協(xié)議體系結(jié)構(gòu)來完成協(xié)議的設(shè)計(jì)，方便開發(fā)者快速將其集成于所需要的MAC協(xié)議中，滿足特定應(yīng)用具體需求。

2 低功耗WSN廣播協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 廣播主干的構(gòu)建

為了減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中多跳廣播的廣播次數(shù)、避免冗余傳輸和節(jié)約能耗，一種最行之有效的方法就是盡可能選擇很少的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)來承擔(dān)廣播轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，避免由于通常所采用的盲目泛洪（Blind Flooding）引起的廣播風(fēng)暴問題（Broadcast Storm）。已有的方法是將該類問題歸約為NP-Complete的最小連通支配集（Minimum Connecting Dominating Set，MCDS）問題。然而，靜態(tài)的MCDS不適用于間歇性連接的低功耗WSN的廣播主干構(gòu)建。本文采用SHI等[5]提出的分布式廣播主干構(gòu)造算，其主要思想是：網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)從鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇節(jié)點(diǎn)度最大的節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，該父節(jié)點(diǎn)必須是已經(jīng)完成其父節(jié)點(diǎn)選擇的節(jié)點(diǎn)。為了構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)的廣播主干，網(wǎng)絡(luò)初時(shí)化階段中的所有節(jié)點(diǎn)保持喚醒狀態(tài)，并仍然在喚醒計(jì)時(shí)器過期時(shí)發(fā)送一個(gè)喚醒信標(biāo)報(bào)文，用于通知鄰居節(jié)點(diǎn)。

2.2 廣播轉(zhuǎn)發(fā)條件的判定

針對(duì)低功耗WSN的多跳廣播問題，相關(guān)研究采用單播的轉(zhuǎn)發(fā)策略。該廣播機(jī)制本質(zhì)上是以若干次的重復(fù)單播轉(zhuǎn)發(fā)為代價(jià)，來保證間隔性喚醒的節(jié)點(diǎn)廣播接收。但對(duì)于大規(guī)模的低功耗WSN而言，這種單播的替代方案并不能很好地減少廣播次數(shù)，將直接導(dǎo)致廣播干擾和碰撞，甚至廣播風(fēng)暴問題。本文采用延遲廣播轉(zhuǎn)發(fā)策略[5]，其廣播轉(zhuǎn)發(fā)判定條件的可表示為：

（1）

（2）

其中，T（k）表示此次廣播轉(zhuǎn)發(fā)過程中，自第k-1個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)喚醒后，估計(jì)第k個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)喚醒的平均時(shí)間；Tw（k）表示等待第k個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)喚醒的實(shí)際等待時(shí)間；Ptx和Pidle分別表示節(jié)點(diǎn)處于傳輸狀態(tài)和空閑監(jiān)聽狀態(tài)的單位時(shí)間能耗；Ts表示節(jié)點(diǎn)的睡眠調(diào)度時(shí)間間隔；k表示此次延遲廣播轉(zhuǎn)發(fā)中已經(jīng)喚醒的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；Tb和Tp分別表示喚醒信標(biāo)報(bào)文和短前導(dǎo)報(bào)文的傳輸時(shí)間；α（α≥1）表示等待時(shí)間ΔT（k+1）的收益比，使得廣播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)判定此次延遲廣播轉(zhuǎn)發(fā)是值得的。當(dāng)α值設(shè)置足夠大時(shí)，該延遲廣播轉(zhuǎn)發(fā)策略將退化為單播轉(zhuǎn)發(fā)模式。從式（1）和（2）給出的延遲廣播轉(zhuǎn)發(fā)策略的判定條件主要與5個(gè)因素相關(guān)：從廣播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收到廣播報(bào)文后的總活躍時(shí)間Ta（a）；廣播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的孩子節(jié)點(diǎn)數(shù)量|CN（ni）|；已經(jīng)處于喚醒狀態(tài)的孩子節(jié)點(diǎn)數(shù)量Nw；已經(jīng)處于喚醒狀態(tài)等待該廣播報(bào)文p的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；廣播報(bào)文的傳輸時(shí)間T0。

2.3 廣播時(shí)延的保障

面向QoS需求的低功耗WSN，時(shí)延作為網(wǎng)絡(luò)性能的性能指標(biāo)之一，要求廣播報(bào)文在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于廣播主干任意兩點(diǎn)節(jié)點(diǎn)ni和節(jié)點(diǎn)nj之間可容忍的時(shí)延Tdelay（ni，nj）可以利用廣播報(bào)文的剩余的TTL值來估計(jì)：

（3）

其中，TTL（p）表示廣播報(bào)文p的剩余TTL值；hb（nj）表示通過廣播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)nj離最遠(yuǎn)的葉子結(jié)點(diǎn)的廣播轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)。因此，廣播報(bào)文在QoS時(shí)延約束的可容忍時(shí)延Tdelay（ni，nj）下，式（1）轉(zhuǎn)化為廣播時(shí)延保障的延遲廣播轉(zhuǎn)發(fā)判定條件：

（4）

其中，Test表示估計(jì)的傳輸時(shí)間，且Test=Ta（k）+ΔT（k+1）+T0。第一種情況表示廣播轉(zhuǎn)發(fā)等待時(shí)間ΔT（k+1）能夠被節(jié)點(diǎn)ni和節(jié)點(diǎn)nj之間的時(shí)延約束Tdelay（ni，nj）所容忍。第二種情況則表示節(jié)點(diǎn)ni無法容忍等待時(shí)間ΔT（k+1），將立刻執(zhí)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)。

2.4 基于睡眠調(diào)度可調(diào)的廣播優(yōu)化

上述廣播轉(zhuǎn)發(fā)策略基于節(jié)點(diǎn)睡眠調(diào)度固定且不可調(diào)的情況下，根據(jù)2.2節(jié)中式（1）和（2）廣播轉(zhuǎn)發(fā)判定條件或2.3節(jié)中式（4）廣播時(shí)延保障的廣播轉(zhuǎn)發(fā)判定條件實(shí)現(xiàn)廣播轉(zhuǎn)發(fā)。然而，如果當(dāng)節(jié)點(diǎn)的睡眠調(diào)可調(diào)（這里的可調(diào)指的是節(jié)點(diǎn)的睡眠調(diào)度時(shí)間間隔Ts不變，通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)之間的喚醒間隔和喚醒順序，使節(jié)點(diǎn)之間的喚醒保持某種同步的狀態(tài)），可使式（1）、（2）和式（4）的判定條件盡可能被滿足，則廣播代價(jià)隨之減少，實(shí)現(xiàn)廣播轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)一步得到優(yōu)化。本文采用先前提出的基于睡眠調(diào)度可調(diào)的分布式準(zhǔn)同步廣播算法[6]，實(shí)現(xiàn)廣播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和其接收節(jié)點(diǎn)之間的自適應(yīng)睡眠調(diào)度調(diào)整，包括早睡節(jié)點(diǎn)處理、晚醒節(jié)點(diǎn)處理和孤立節(jié)點(diǎn)處理。endprint

3 低功耗WSN廣播協(xié)議實(shí)現(xiàn)

TinyOS是專為嵌入式無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基于構(gòu)件（Component-based）的操作系統(tǒng)，可以將開發(fā)的組件連接到相應(yīng)的組件中，實(shí)現(xiàn)協(xié)議的集成和整合完成所需要的功能，同時(shí)使協(xié)議快速更新成為可能?；赥inyOS的低功耗WSN廣播協(xié)議設(shè)計(jì)如圖1所示，其中包括各組件之間的連接關(guān)系。

（1）低功耗監(jiān)聽的睡眠調(diào)度：MacControlC組件提供了LowPowerListening接口的實(shí)現(xiàn)，為應(yīng)用層提供接口，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的睡眠調(diào)度周期Ts（睡眠間隔）的設(shè)置。MacControlC組件使用SenderC組件使用的LowPowerListening接口，該接口的具體實(shí)現(xiàn)則是由組件LplPacketC組件來提供，通過調(diào)用ChannelPoller接口的命令來實(shí)現(xiàn)。ChannelPoller接口的具體實(shí)現(xiàn)由ChannelPollerC組件來提供。另外，當(dāng)喚醒時(shí)刻到來時(shí)，ChannelPollerC組件通過調(diào)用LplBeaconC組件的BeaconControl接口啟動(dòng)喚醒信標(biāo)報(bào)文的發(fā)送。

（2）處理和發(fā)送來自應(yīng)用層的報(bào)文：SenderC組件使用AsyncSend接口監(jiān)聽來自應(yīng)用層的報(bào)文，并負(fù)責(zé)緩存單播和廣播報(bào)文。對(duì)于緩存隊(duì)列中的廣播轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，SenderC組件將調(diào)用BroadcastForwarderC組件的BroadcastSend接口中的Send命令，則BroadcastForwarderC組件將啟動(dòng)廣播轉(zhuǎn)發(fā)處理過程，LplBeaconC組件開始等待即將到來的信標(biāo)通知報(bào)文。LplBeaconC組件主要用于負(fù)責(zé)喚醒報(bào)文（Wakeup Beacon）的發(fā)送，其中發(fā)送時(shí)刻是當(dāng)ChannelPollerC組件中喚醒計(jì)時(shí)器WakeupTimer到期。喚醒計(jì)時(shí)器WakeupTimer則是通過調(diào)用BeaconControl接口的start命令來啟動(dòng)和運(yùn)行。

（3）接收和處理來自底層無線信道的報(bào)文：對(duì)于收到的信標(biāo)報(bào)文，LplBeaconC組件主要負(fù)責(zé)兩部分任務(wù)：鄰居表的更新及維護(hù)和父節(jié)點(diǎn)的選擇及更新。當(dāng)路由更新計(jì)時(shí)器UpdateTimer過期時(shí)（即當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送完信標(biāo)報(bào)文后的Ts時(shí)刻，其中Ts為睡眠間隔），將運(yùn)行分布式廣播主干構(gòu)造算法。廣播主干中的廣播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對(duì)于收到的廣播報(bào)文，利用ListenerC組件中的Receive事件通知上層，并且調(diào)用BroadcastForwarderC組件中BroadcastSend接口的Send命令轉(zhuǎn)發(fā)接收到的廣播報(bào)文。

（4）本文將2.4節(jié)中基于分布式的準(zhǔn)同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)在該協(xié)議框架內(nèi)的LplBeaconC組件中，基于收到廣播接收節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)報(bào)文，通知其調(diào)整睡眠調(diào)度，使得廣播接收節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間晚于廣播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，時(shí)間差可控制在一定隨機(jī)退避時(shí)間內(nèi)，達(dá)到偽同步的狀態(tài)。該隨機(jī)退避時(shí)間可根據(jù)式（1）和（2）中的判定因素來設(shè)置，比如喚醒時(shí)間間隔和廣播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的孩子節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

4 結(jié)語

節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)，低功耗WSN通過引入睡眠調(diào)度機(jī)制延長網(wǎng)絡(luò)壽命具有的應(yīng)用前景。本文擺脫了異步睡眠調(diào)度下利用單播實(shí)現(xiàn)廣播的轉(zhuǎn)發(fā)模式，給出基于TinyOS的低功耗WSN廣播協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可通過組件連接的方式應(yīng)用于現(xiàn)有協(xié)議的集成或開發(fā)，具有一定的實(shí)用性價(jià)值。下一步將從事低功耗WSN下以廣播為支撐的相關(guān)研究，比如低功耗WSN的網(wǎng)絡(luò)配置控制信息廣播、低功耗WSN的事件通知和低功耗WSN的密鑰管理與分發(fā)等。

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