一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的混合MAC協(xié)議

吳麗杰，張璐璐，唐 珊

(安徽糧食工程職業(yè)學院，安徽 合肥 230011)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由于其在環(huán)境監(jiān)測、精準農(nóng)業(yè)、工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測、目標跟蹤、野生動物保護和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而變得非常流行。此外，WSN還作為物聯(lián)網(wǎng)的一種末梢網(wǎng)絡(luò)和感知延伸網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。傳感器部署在無人值守的環(huán)境中，傳感器節(jié)點由電池供電，頻繁更換電池并非易事。隨著物聯(lián)網(wǎng)、車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和其他無線通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，迫切需要提高WSN的能量效率、吞吐量和其他傳輸性能[1-3]。

WSN節(jié)點能量主要消耗在無線通信上，數(shù)據(jù)鏈路層中的介質(zhì)訪問控制(MAC) 決定著無線信道的使用方式，控制節(jié)點的工作狀態(tài)，對節(jié)點和WSN壽命起決定性作用[4]。MAC協(xié)議中，載波偵聽多路訪問(CSMA)是理想的低競爭網(wǎng)絡(luò)解決方案，但在高競爭環(huán)境卻產(chǎn)生較低吞吐量；而時分多址(TDMA)在高競爭下可以有效地調(diào)度節(jié)點并保持高信道利用率，但是在低競爭環(huán)境下有較嚴重的時隙浪費。研究者們提出不少混合MAC協(xié)議，這類協(xié)議結(jié)合了TDMA和CSMA的優(yōu)點同時彌補它們的不足，如ABROAD[5]、Z-MAC[6]等?；旌螹AC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)競爭較低時使用CSMA，在高競爭下切換到TDMA模式。Z-MAC是其中比較典型的代表，它采用DRAND時隙分配算法，相比較其他節(jié)能MAC協(xié)議，能耗較高[7]。

針對Z-MAC能耗較高，文章提出一種基于節(jié)能DRAND算法的新MAC協(xié)議。新MAC協(xié)議相比較Z-MAC，具有較高的吞吐量和較低的能耗。

1 Z-MAC介紹

Z-MAC在啟動時需要執(zhí)行以下網(wǎng)絡(luò)設(shè)置階段：鄰居發(fā)現(xiàn)、時隙分配、本地幀交換和全局時間同步。在鄰居發(fā)現(xiàn)階段，每個節(jié)點都收集其一跳鄰居列表，其中包含鄰居的一跳鄰居。在鄰居發(fā)現(xiàn)結(jié)束時，每個節(jié)點將具有兩跳鄰居列表。該列表用作分布式時隙分配算法的輸入，以將時隙分配給網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點。時隙分配階段，采用DRAND算法，該算法根據(jù)兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù)來分配時隙，而不是依賴網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。通過限制每輪申請節(jié)點時隙的概率，DRAND能保證節(jié)點兩跳范圍內(nèi)的時隙沒有重疊，數(shù)據(jù)收發(fā)不會產(chǎn)生干擾和沖突[8]。之后每個節(jié)點將自身的幀大小和時隙數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)到其兩跳鄰居節(jié)點，完成本地幀交換階段。最后，所有節(jié)點都同步到第一個時隙，進入Z-MAC的傳輸控制階段。

Z-MAC的傳輸控制階段有兩種節(jié)點模式：低競爭級別(LCL)和高競爭級別(HCL)。在LCL模式， 節(jié)點在自身時隙內(nèi)可以優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)，同時也可搶占共他節(jié)點的時隙，此時工作方式為CSMA。當節(jié)點從其兩跳鄰居中的節(jié)點接收到顯式競爭通知(ECN)時，該節(jié)點會處于HCL模式，通知兩跳內(nèi)節(jié)點禁止搶占其他時隙，進入TDMA工作方式。

盡管Z-MAC利用了CSMA和TDMA的優(yōu)點，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的4個階段能耗開銷很大[9]。網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中的時隙分配階段采用DRAND，而該算法采用基于隨機概率的分配機制，這導(dǎo)致消息在分發(fā)過程中的沖突率高，算法執(zhí)行時間長且能耗較高。為了解決這個問題，相關(guān)研究者提出了基于節(jié)點剩余能量和拓撲結(jié)構(gòu)的改進時隙分配算法E-T-DRAND算法[10-11]。該類算法是對DRAND算法的改進，當請求時隙資源時，低能量節(jié)點具有更高的時隙分配優(yōu)先級，能夠平衡能耗，提高時隙利用率。

2 新混合MAC協(xié)議

2.1 協(xié)議設(shè)計思路

新混合MAC協(xié)議解決Z-MAC在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置階段的鄰居發(fā)現(xiàn)與時隙分配能耗開銷過大的問題，即將E-T-DRAND算法替換Z-MAC中采用的DRAND時隙分配算法。新協(xié)議和Z-MAC在吞吐量和能量消耗上進行對比，驗證新協(xié)議是否比原協(xié)議更節(jié)能。

2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置階段的鄰居發(fā)現(xiàn)

E-T-DRAND引入了能量拓撲因子的概念。將節(jié)點i的剩余能量表示為Ei，節(jié)點i的鄰居節(jié)點能量信息表示為Ni，未分配時隙的鄰居節(jié)點的個數(shù)表示為Ti。能量拓撲因子ET表示為：ET->F(Ei+Ni+α×Ti) ，其中參數(shù)α∈[0， 1]。ET是基于節(jié)點剩余能量和拓撲結(jié)構(gòu)的信息，對時隙分配有著很大的影響。

E-T-DRAND通過HELLO消息廣播節(jié)點的剩余能量信息。節(jié)點接收到時隙分配請求階段發(fā)送的HELLO消息，更新單跳鄰居的剩余能量信息。同理通過獲取單跳鄰居節(jié)點的剩余能量信息表，節(jié)點更新兩跳鄰居節(jié)點的剩余能量信息。至此，節(jié)點獲得了兩跳范圍內(nèi)的所有鄰居節(jié)點及其剩余能量信息。

2.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置階段的時隙分配

為了保障剩余能量低的節(jié)點不會因為能量耗盡而中斷傳輸，根據(jù)ET因子來進行時隙分配優(yōu)先級設(shè)計。在時隙分配請求期間，第一次只有一個節(jié)點可以發(fā)送消息。一個節(jié)點鄰居節(jié)點數(shù)較多，如時隙分配失敗會導(dǎo)致消耗額外的能量，該節(jié)點將獲得較高的時隙分配優(yōu)先級。如果一個節(jié)點的剩余能量較低，則鄰居節(jié)點也將獲得較高的優(yōu)先級。如果節(jié)點決定分配一個時隙，但是兩跳范圍內(nèi)節(jié)點的剩余能量較低，節(jié)點會停止分配時隙并降低其時隙分配優(yōu)先級。根據(jù)ET因子，時隙分配優(yōu)先級設(shè)計偽碼描述如下：

Node A；

Node B；//節(jié)點A單跳鄰居節(jié)點

Node C；//節(jié)點A兩跳鄰居節(jié)點

ET[]；//節(jié)點的時隙分配優(yōu)先級數(shù)組

hasLowEnergy(i)；//判斷剩余能量是否較低

ET [A]+=neighbourNum；//初始值為鄰居數(shù)

//提高節(jié)點B的優(yōu)先級

while(節(jié)點B有未分配時隙的單跳節(jié)點&& hasLowEnergy(節(jié)點B未分配時隙的單跳節(jié)點)) {

ET [B]++；

}

//提高節(jié)點C的優(yōu)先級

while(節(jié)點C有未分配時隙的兩跳節(jié)點&& hasLowEnergy(節(jié)點C未分配時隙的兩跳節(jié)點))

{

ET [C]++；

}

//發(fā)送時隙請求

while(max(ET [])==ET [A])

{

發(fā)送時隙請求包；

設(shè)置當前狀態(tài)為請求狀態(tài)；

}

2.4 吞吐量分析

設(shè)定由N個節(jié)點組成且分布均勻的WSN。r表示節(jié)點的傳輸半徑，A表示所有節(jié)點在其中移動的二維幾何區(qū)域。

根據(jù)E-T-DRAND算法，兩跳范圍內(nèi)只有一個節(jié)點可以訪問時隙。從幾何學角度分析，任意兩個節(jié)點在彼此傳輸半徑的概率為πr2/A。對于任何兩個這樣的連接節(jié)點，間距x(0≤x≤r)的累積分布函數(shù)為：

(1)

隨機分布函數(shù)f(x)=F(x)dx=2x/r2，間距x的期望值可表示如下：

(2)

由于新混合MAC協(xié)議根據(jù)ET因子來進行時隙分配優(yōu)先級設(shè)計，分析中先假定任意一個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率為α，占用時隙后發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率為α/N。設(shè)定P為一個節(jié)點競爭時隙的概率，則節(jié)點競爭成功概率可以表示為：

那么一個節(jié)點的近似平均吞吐量Tnode可表示如下：

通過分析可知，節(jié)點的吞吐量和WSN中的節(jié)點數(shù)成正比例關(guān)系。在協(xié)議仿真階段，將通過不同節(jié)點數(shù)來驗證新MAC協(xié)議的吞吐量和其他性能。

3 新混合MAC協(xié)議仿真

網(wǎng)絡(luò)模擬器(NS2)是一款開源且提供的模塊幾乎涉及到了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的所有方面[12]。利用NS2，可以較方便添加新的MAC協(xié)議。由于新MAC協(xié)議是基于Z-MAC，將新MAC協(xié)議從吞吐量和能量消耗方面和Z-MAC進行比較。

3.1 仿真場景

網(wǎng)絡(luò)拓撲由20～200個節(jié)點組成，節(jié)點隨機分布在區(qū)域為40 m*40 m的范圍，信道速率為1 Mbps，傳輸功率為2.4 GHz。節(jié)點根據(jù)彼此的距離分成不同集群，每個集群節(jié)點數(shù)為5～10個。

3.2 仿真結(jié)果對比分析

3.2.1 吞吐量

圖1顯示了新MAC協(xié)議與Z-MAC在不同節(jié)點數(shù)下的吞吐量對比。隨著節(jié)點數(shù)的增加，系統(tǒng)吞吐量明顯增大。由于新MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置階段采用E-T-DRAND時隙分配算法，避免了在時隙分配請求階段的隨機性，提高了時隙利用率。即MAC協(xié)議相比較Z-MAC提高了系統(tǒng)吞吐量。

3.2.2 能量消耗

圖2顯示了新MAC協(xié)議與Z-MAC在不同節(jié)點數(shù)下的能耗對比。隨著鄰居節(jié)點數(shù)的增加，傳輸鏈路變短，能耗明顯降低。而新MAC協(xié)議減少了時隙分配失敗的可能性，平衡了能耗，相比較Z-MAC，新MAC協(xié)議的能耗要更低。

4 結(jié)束語

文章探討了Z-MAC協(xié)議的優(yōu)缺點，針對Z-MAC能耗較高的問題，提出使用節(jié)能的E-T-DRAND時隙分配算法替代Z-MAC協(xié)議使用的DRAND算法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了新的混合MAC協(xié)議，新協(xié)議通過對節(jié)點時隙分配階段節(jié)點剩余能量及拓撲信息更新，減少了由于隨機性時隙競爭引起的相鄰節(jié)點的能量消耗。通過仿真，證明了新的混合MAC協(xié)議比Z-MAC節(jié)約了能耗并提高了系統(tǒng)吞吐量。