無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于一種新型P堅持CSMA協(xié)議的參數(shù)分析

占港 丁洪偉 保利勇 官錚 何敏

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); CSMA; 平均周期法; 吞吐率; 能量有效性; 自適應(yīng)機制

中圖分類號： TN915?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）24?0021?07

Parameter analysis based on a new P?persistent CSMA protocol in WSN

ZHAN Gang， DING Hongwei， BAO Liyong， GUAN Zheng， HE Min

（School of Information， Yunnan University， Kunming 650504， China）

Abstract： A new CSMA random multi?access protocol is proposed to improve the energy utilization rate of wireless sensor network nodes. The average period method is used to obtain the mathematical expression of the throughput rate， transmission rate， time delay and energy consumption. The multi?channel priority mechanism is added to allocate appropriate service levels and channel resources for the system according to node loads. The double?clock mechanism is introduced to reduce the average idle cycle time of the system， so as to improve the throughout rate. The adaptive mechanism is introduced to make the throughput rate and energy consumption of the system maintain stable. The results of the simulation experiment show that the simulation values are consistent with the theoretical values， and with the continuous increase of the information packet arrival rate， the throughput and energy efficiency of the new protocol become superior， which proves that the protocol can effectively improve the transmission efficiency， reduce energy consumption， and be applied in the wireless communication field.

Keywords： wireless sensor network; CSMA; average period method; throughout rate; energy efficiency; adaptive mechanism

電子設(shè)備和微電子技術(shù)的發(fā)展使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在視頻監(jiān)控、流量監(jiān)視和跟蹤系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的分布式節(jié)點構(gòu)成自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)。每個節(jié)點由傳感器、嵌入式處理器、低功率發(fā)射器和電池組成。傳感器的壽命取決于其自身的電池資源。節(jié)點通常隨機投放在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，數(shù)量眾多，且不易更換電池。因此，盡量減少能量消耗，延長傳感器的生命周期成為研究的重點[2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中MAC層協(xié)議接入直接影響整個網(wǎng)絡(luò)的能耗[3]。一般來說無線信道接入方式主要有兩種：一種是基于時分多址（TDMA）的協(xié)議[4]，節(jié)點通過分配的時隙進行傳輸;另一種是基于載波偵聽（CSMA）的協(xié)議，節(jié)點通過隨機競爭搶占信道，進行傳輸信息分組。TDMA協(xié)議要求時鐘必須嚴(yán)格同步，CSMA協(xié)議中隨著節(jié)點數(shù)目增多，碰撞也越來越多，兩種基本協(xié)議都有優(yōu)缺點[5]。文獻[6]提出基于優(yōu)化休眠時間的緩解能耗算法。該算法自適應(yīng)設(shè)置節(jié)點的休眠時間，最大限度保存節(jié)點能量并控制時延。文獻[7]介紹了S?MAC協(xié)議減少偵聽空閑信道的能耗，加入沖突和串音避免機制，并且相鄰節(jié)點形成虛擬簇同步偵聽信道和休眠，但時延增加。文獻重點研究如何使得能耗、時延和吞吐率達到平衡。文獻[8]通過改進二進制指數(shù)退離算法，并設(shè)計了發(fā)送和接收算法識別控制幀的閾值，有效地避免了數(shù)據(jù)的碰撞概率框架，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐率和延遲性能，減少了能源消耗，獲得整體網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。文獻[9]從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的層面提出一種能量有效K度覆蓋算法研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量問題，利用最少節(jié)點覆蓋區(qū)域期望值，從而減少節(jié)點的能量消耗，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

從上述文獻中可知，文章在通過節(jié)點休眠機制、二進制退避算法機制和節(jié)點覆蓋率的角度減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，但并沒有從MAC層接入?yún)f(xié)議的定義分析能量消耗的整個過程。本文的創(chuàng)新點在于提出非堅持型P?CSMA隨機多址協(xié)議，相比較1堅持型P?CSMA協(xié)議，分組在信道忙時到達，選擇退避一段時間，而不是持續(xù)偵聽信道，這有利于節(jié)約能耗。通過加入多通道優(yōu)先級、雙時鐘機制，一方面為節(jié)點提供服務(wù)等級，另一方面增加系統(tǒng)的吞吐率。在系統(tǒng)加入自適應(yīng)機制，能夠在空閑周期合理調(diào)整傳輸概率，使得吞吐率和能耗都能持續(xù)穩(wěn)定，有利于延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。結(jié)合Matlab仿真工具，系統(tǒng)吞吐率和功耗仿真值與理論值一致，證明了該協(xié)議的有效性。

1 ?模型分析

在上述模型中，存在三種隨機事件：成功發(fā)送信息分組事件，記為事件[U];信道中兩個或兩個以上信息分組發(fā)生碰撞事件，記為事件[B];信道中無信息分組事件[10]，記為事件[I]。假設(shè)將[B]事件和[U]事件合成[BU]事件，則信道中存在事件[I]和事件[BU]兩個隨機事件，事件[BU]稱作忙事件。通過分析，在信息傳輸過程中，將傳輸周期[TP]劃分成三個部分：分組發(fā)送時間“1”，傳輸時延[a]和監(jiān)控信號ACK傳輸時間[τA]。在整個無線信道上，采用非堅持型P?CSMA方式接入，當(dāng)節(jié)點檢測到信道忙時，采用非堅持型機制，即退避一段時間，不持續(xù)偵聽信道，這能減少節(jié)點能量消耗;當(dāng)節(jié)點檢測到信道空閑時，便以概率[p]發(fā)送信息分組，以概率[1-p]不發(fā)送數(shù)據(jù)，避免兩個節(jié)點同時偵聽信道，發(fā)送信息分組產(chǎn)生碰撞。

本文采取文獻[11]中定義的多通道模型，將系統(tǒng)中的信道分成若干，根據(jù)不同節(jié)點的需求，為不同節(jié)點分配不同的優(yōu)先級。假設(shè)隨機接入系統(tǒng)有[N]個通道，[N]個優(yōu)先級。優(yōu)先級從低到高的順序依次是優(yōu)先級1，優(yōu)先級2，…，優(yōu)先級[N]。假設(shè)每個優(yōu)先級上的用戶數(shù)量不限。優(yōu)先級[i]的用戶占用通道1～[i]。例如，優(yōu)先級1的用戶占用通道1，優(yōu)先級2用戶占用通道1和2，以此類推。

優(yōu)先級[i]在通道[j]上的到達率是[λj=][GjN-j+1]。由于系統(tǒng)負載均衡，每個通道上的到達率[Gj=G（j=1，2，???，N）]。圖2為一個多通道模型示意圖。

1.1 ?吞吐率表達式的推導(dǎo)

對信道假設(shè)如表1所示。

[符號 說明 [N] 系統(tǒng)中優(yōu)先級的個數(shù) [G] 系統(tǒng)中的到達率 [λj] 優(yōu)先級[i]通道[j]上的到達率 [a] 信道空閑時隙的長度，也為信道時延 [S] 系統(tǒng)中的吞吐率 [E] 平均個數(shù)或平均長度 [p] 信息分組傳輸概率 [v] 信息分組傳輸速率 [n] 隨機重傳時間間隔 p|MAX 信息分組最大傳輸概率 ]

1） 信道接入方式為隨機多址MAC層控制協(xié)議，且到達過程是泊松分布過程。

2） 雙時鐘控制信道，即離散時隙控制忙周期，連續(xù)時隙控制空閑周期，當(dāng)空閑周期中某一時隙有一個信息分組到達時，立即發(fā)送，不必等到下個時隙開始時刻發(fā)送。

3） 信道空閑時隙長度為[a]，即信道時延。一個信息分組占用歸一化為1的時間長度，1是[a]的倍數(shù)。ACK的時隙長度也為[a]。

4） 假定信道為理想狀態(tài)，信道中無噪聲干擾;

5） 碰撞的分組將在之后的某一時刻重傳，重傳的分組對信道到達過程沒有影響。

在一個周期[Tn]內(nèi)，連續(xù)出現(xiàn)[i]個空閑事件[I]和[j]個空閑事件[BU]的聯(lián)合概率為：

[pNI=i，NBU=j=e-apGi1-e-apGj] （1）

在一個周期[Tn]內(nèi)，[BU]事件發(fā)生的平均長度為：

[E（BU）=（1+2a+τA）i=1nj=1njp（NI=i，NBU=j） ? ? ? ? ? ? ? =1+2a+τAe-apG] （2）

在一個周期[Tn]內(nèi)，假若在空閑期的最后一個時隙內(nèi)只有一個信息分組到達，那么這個信息分組在下一個時隙發(fā)送成功，則[U]的平均長度為：

[E（U）=i=1∞j=1∞Ckik（e-apG） j（aGe-apG）k（1-e-apG-aGe-apG）i-k ? ? ? ? ? ?=apGe-apG1-e-apG] （3）

在一個周期[TN]內(nèi)，[I]事件發(fā)生的平均分組個數(shù)為：

[E（N）=i=1nj=1nip（NI=i，NBU=j）=11-e-apG] （4）

此時采用雙時鐘控制機制，由于空閑期中的時隙數(shù)服從均值[E[N]=11-e-apG]的幾何分布，在一個時隙內(nèi)到達一個信息分組的歸一化概率為：

[pI1=apGe-apG1-e-apG] （5）

在一個時隙內(nèi)到達兩個以上信息分組的歸一化概率為：

[pI2=1-apGe-apG-e-apG1-e-apG] （6）

由于在空閑期到達分組會中斷空閑期，所以可以取中間時刻的均值，空閑期的平均長度為：

[E（I）=11-e-apG-1a+a2pGe-apG2（1-e-apG）+ ? ? ? ? ? ? （1-apGe-apG-e-apG）a2（1-e-apG）=（1+e-apG）a2（1-e-apG）] （7）

系統(tǒng)的吞吐量為：

[S=E（U）E（I）+E（BU）=apGe-apG1-e-apGa（1+e-apG）2（1-e-apG）+1+2a+τAe-apG ?=2apG（e-apG）2ae-apG（1+e-apG）+2（1+2a+τA）（1-e-apG）] ?（8）

假設(shè)系統(tǒng)有[N]個通道，[N]個優(yōu)先級。在通道[j]上優(yōu)先級[i]的到達率是[λj=GjN-j+1]，系統(tǒng)負載均衡，每個通道上的到達率[Gj=G（j=1，2，…，N）]。

由于信道負載均衡，在系統(tǒng)的[N]個通道上，有[G1=G2=…=Gj=…=GN=G]。通過以上分析和公式[S=j=1NE[Uj]E[Ij]+E[BUj]]，可得多通道的吞吐率為：

[S=2apGNe-apG2ae-apG（1+e-apG）+2（1-e-apG）（1+2a+τA）] （9）

假設(shè)在一個循環(huán)周期內(nèi)通道[j]上優(yōu)先級[ii-j]的成功發(fā)送信息分組的平均周期長度為[EU（pi）j]。由于信道負載均衡，通道[j]上優(yōu)先級[i]的到達率為[λ（pi）j=Gj（N-j+1）]。通過以上分析和公式[Spi=j=1iEU（pi）jE[Ij]+E[BUj]][（G1=G2=…=Gj=…=GN=G）]，可以得到優(yōu)先級[i]在通道[j]的吞吐率為：

[S=j=1i1N-j+1· ? ? ? ?2apGe-apG2ae-apG（1+e-apG）+2（1-e-apG）（1+2a+τA）， ?i≥j] （10）

1.2 ?自適應(yīng)機制的分析

以上求解得到吞吐率的表達式，為了使得吞吐率維持在一定值，需要根據(jù)系統(tǒng)負載調(diào)節(jié)傳輸概率[p]值的大小，即[S]對[p]求導(dǎo)[11]：

[dSdp=0] （11）

由于得到的為非線性方程，采用Newton型方法求得近似解。當(dāng)輕度負載的情況下，[G∈（0，2]]，概率[p]的值為1，當(dāng)負載慢慢增大，傳輸概率[p]也相應(yīng)的調(diào)整，采用分段的思想求得吞吐率極大值情況下，概率[p]的近似解，不妨假設(shè)[p]與[G]的關(guān)系為：

[p=1β×G] （12）

可以得出[p]與[G]組合情況為：

[p|MAX=1， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? G∈0，7.410.135G， ? ? ?G∈7.4，1010.1G， ? ? ? ? ?G∈10，1810.056G， ? ? G∈18，3810.026G， ? ?G∈38，+∞]

1.3 ?信息分組的傳輸速率推導(dǎo)

本文提出的傳輸速率是基于反饋機制。假設(shè)一個分組傳輸占用一個時隙長度，因此一個分組傳輸時間是[1+a]。一個ACK返回時間也是[1+a]，隨機再傳時間間隔是[n]，所以傳輸速率為：[v=NBpBNupu+NBpB·12+3a+n+NUpUNUpU+NBpB·11+a] （13）

式（13）的物理意義是：成功發(fā)送信息分組和在隨機時間內(nèi)成功再次傳輸?shù)呐鲎卜纸M的加權(quán)平均傳輸速率。

[v=1n+2+3a·（1-e-apG-apGe-apG）2e-apG（apGe-apG）2+（1-e-apG-apGe-apG）2+ ? ? 11+a·e-apG×（apGe-apG）2e-apGapGe-apG2+（1-e-apG-apGe-apG）2] （14）

1.4 ?時延分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有載波偵聽時延、退避休眠時延、傳輸時延等。載波偵聽時延和退避休眠時延不是本文討論的重點，本文主要討論網(wǎng)絡(luò)的傳輸時間延遲。網(wǎng)絡(luò)的傳輸時間延遲是指發(fā)送節(jié)點成功發(fā)送一個信息分組，到接收節(jié)點成功收到這一信息分組的時間間隔[12]。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時延共由兩個部分組成，一個是信道時延，信道時延為[a];另一個傳輸時延，即傳輸時間延遲。假定系統(tǒng)完全正確傳送監(jiān)控信號，監(jiān)控信號產(chǎn)生的時間可以忽略。

假設(shè)[R]為某個給定的分組連續(xù)兩次傳輸?shù)钠骄鶗r延，則[R]由4部分組成：數(shù)據(jù)報文發(fā)送時間[1];ACK監(jiān)控信號傳輸時間為[δ];來回的傳播時延為[2a];平均重傳時延為[β]，則：

[R=1+2a+δ+β] （15）

信息重傳的平均值為[（GS-1）]，信息分組的平均時延為：

[D=（GS-1）R+（1+2a+τA）] （16）

將吞吐率公式代入式（16），則該協(xié)議信息分組的平均時延為： [D=ae-apG（1+e-apG）+2（1+2a+τA）（1-e-apG）2ap（e-apG）2-1R+ ? ? ? ?（1+2a+τA）] （17）

1.5 ?能量有效性分析

下面對非堅持型P?CSMA無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型能量消耗進行分析[13]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的電池主要用于傳感模塊、處理模塊和傳輸模塊，本文研究的能量模式基于傳輸模塊。

分別定義節(jié)點處于不同狀態(tài)下所需的功率：節(jié)點的發(fā)送功率為[Ps]，偵聽功率為[Pl]，處于接收狀態(tài)時功率為[Pr]。

根據(jù)文獻[14]中模型，定義節(jié)點不同狀態(tài)下的功率：發(fā)送功率[Ps=66 mW]，偵聽功率[Pl=15.5 mW]，接收功為[Pr=39.5 mW]。

在一個平均傳輸周期[Tn]內(nèi)，信道中[U]事件的時間長度為[E（U）]，則成功接收信息分組所需功率為：

[PR=E（U）?Pr=apGe-apG1-e-apG?Pr] （18）

在一個平均傳輸周期[Tn]內(nèi)，信道中節(jié)點的偵聽時長為[（1+3a）2]，則節(jié)點偵聽信道所需功率為：

[PL=（1+3a）2?Pl] （19）

在一個平均傳輸周期[Tn]內(nèi)，信道中的[B]事件時長為[E（BU）-E（U）?（1+3a）]，則發(fā)送信息分組所需功率為：[PS=[E（BU）-E（U）?（1+3a）]?Ps+E（U）?Ps ? ? =1+3ae-apG-（1+3a）?apGe-apG1-e-apG?Ps] （20）

則系統(tǒng)的能耗為：

2 ?仿真分析

仿真結(jié)果如圖3～圖9所示。

設(shè)定[a=0.01]，仿真工具為Matlab R2014a[15]。在圖3中，當(dāng)傳輸概率[p]為0.5時，到達率為8時，系統(tǒng)的吞吐率維持在0.82。由于加入自適應(yīng)機制，系統(tǒng)根據(jù)負載的大小，調(diào)整傳輸概率，系統(tǒng)到達平衡，吞吐率穩(wěn)定。

圖4為優(yōu)先級3和優(yōu)先級5的非堅持P?CSMA吞吐率的仿真圖。各優(yōu)先級和系統(tǒng)總的吞吐率都有所提高。

從圖5可知，1P?CSMA（1堅持型）和1?CSMA的吞吐率相近，NP?CSMA（非堅持型）和N?CSMA（非堅持）也相近。NP?CSMA的最大吞吐率比N?CSMA低，但當(dāng)?shù)竭_率[G]到達57左右， NP?CSMA的吞吐率就高于N?CSMA。DNP?CSMA（雙時鐘非堅持型）與NP?CSMA相比，吞吐率略有增加。因引入雙時鐘機制后，平均空閑周期時間減少，但在整個信道空閑的平均長度相對成功與碰撞的平均長度要小，所以吞吐率增加較少。

在優(yōu)先級為1的圖5a）中，即單通道，AMDNP?CSMA（自適應(yīng)多通道雙時鐘）的最大吞吐率相比N?CSMA，NP?CSMA，DNP?CSMA要小，因為反饋信號ACK，損失一部分吞吐率換取整個系統(tǒng)控制功能。在圖5b）中，優(yōu)先級2的AMDNP?CSMA的吞吐率明顯增加。

圖6中，假設(shè)信道的傳輸速率是10 Mbit/s，當(dāng)?shù)竭_率[G]接近0時，由于信道時延，實際傳輸速率為9.9 Mbit/s。當(dāng)?shù)竭_率[G]增加時，信息分組開始搶占信道，發(fā)生碰撞，傳輸速率逐漸下降。當(dāng)再傳輸時間越長時，同一到達率[G]下的傳輸速率越小。當(dāng)?shù)竭_率[G]小于40時，傳輸速率在9.8 Mbit/s之上。

從圖7可以看出，當(dāng)?shù)竭_率不斷增加時，系統(tǒng)的碰撞不斷增加，重傳時間增長，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時延也隨之增大。

從圖8可以看出，[a]和[p]的變化對網(wǎng)絡(luò)時延的影響，信道時延[a]越大，系統(tǒng)的平均網(wǎng)絡(luò)時延越大。傳輸概率[p]越大，由于節(jié)點搶占信道的概率增大，信道中碰撞增加，系統(tǒng)的平均網(wǎng)絡(luò)時延越大。

從圖9可以看出，當(dāng)?shù)竭_率為8時，系統(tǒng)的能耗穩(wěn)定在1 000 mW。曲線的走勢類似于吞吐率曲線的走勢，當(dāng)?shù)竭_率達到一定時，系統(tǒng)的吞吐率穩(wěn)定，系統(tǒng)的傳輸能耗保持不變，由于采用自適應(yīng)非堅持型P?CSNA協(xié)議，節(jié)點在空閑周期以[p]概率發(fā)送減少碰撞，也減少能耗，在忙周期不持續(xù)偵聽信道，也減少能耗，能耗達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 ?結(jié) ?語

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各項性能指標(biāo)參數(shù)，提出一種基于非堅持型P?堅持CSMA隨機多址協(xié)議，該協(xié)議能夠全面地分析系統(tǒng)的吞吐率、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)時延和能耗。通過加入多通道機制，能夠根據(jù)節(jié)點需求分配不同的優(yōu)先級，而且系統(tǒng)總的吞吐量增加。加入自適應(yīng)功能，能夠合理調(diào)整傳輸概率，使得吞吐率能夠穩(wěn)定在較高的水平。加入雙時鐘功能，能夠使得系統(tǒng)的吞吐率增加。該協(xié)議能夠避免網(wǎng)絡(luò)節(jié)點持續(xù)偵聽信道，減少能量消耗，也能夠使得整體的網(wǎng)絡(luò)能耗維持穩(wěn)定，延長整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

注：本文通訊作者為丁洪偉。

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