一種基于小規(guī)模UWSN網(wǎng)絡(luò)的混合MAC協(xié)議研究

鄭天銘

摘 要 針對小規(guī)模UWSN網(wǎng)絡(luò)中單一協(xié)議無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動態(tài)變化帶來的影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量和端到端時延性能問題，提出一種混合Mac協(xié)議LSHP（Load? Self-adaptive Hybrid? Protocol）。LSHP結(jié)合TDMA和CSMA/CA協(xié)議，根據(jù)競爭者數(shù)目與協(xié)議切換關(guān)鍵值進(jìn)行對比從而判斷網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，再選擇相應(yīng)的時隙分配方式，最后根據(jù)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級和最優(yōu)退避次數(shù)選擇較優(yōu)的接入方式，進(jìn)行接入方式的切換。

關(guān)鍵詞 水下傳感器網(wǎng)絡(luò);介質(zhì)訪問控制協(xié)議;TDMA協(xié)議;CSMA/CA協(xié)議

對于小規(guī)模UWSN而言網(wǎng)絡(luò)負(fù)載是動態(tài)變化的，在負(fù)載較小時，TDMA 協(xié)議會造成信道的空閑以及端到端時延的增加，而CSMA/CA協(xié)議恰好相反[1]。為了使網(wǎng)絡(luò)在任何負(fù)載情況下都具備較好的吞吐量和端到端延遲，本文提出了將TDMA和 CSMA/CA 進(jìn)行結(jié)合，得到LSHP（Load? Self-adaptive Hybrid? Protocol）協(xié)議。LSHP協(xié)議可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)競爭數(shù)目對CSMA/CA與TDMA協(xié)議進(jìn)行選擇，選擇出合適的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

1網(wǎng)絡(luò)模型

LSHP的網(wǎng)絡(luò)模型是由一個主節(jié)點(diǎn)和N個從節(jié)點(diǎn)組成的星形集中式網(wǎng)絡(luò)，其中主節(jié)點(diǎn)為高級節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收集從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并儲存。LSHP的工作周期是由交替出現(xiàn)的競爭周期以及數(shù)據(jù)傳輸周期組成的。多個時隙構(gòu)成一個周期，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況決定當(dāng)前周期內(nèi)時隙的個數(shù)。

2協(xié)議設(shè)計

2.1 時隙設(shè)計

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道沖突具有時空二元性的特點(diǎn)，許多水下 MAC 協(xié)議將單個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時間與網(wǎng)絡(luò)中最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)間的傳播時延設(shè)置為單個時隙的長度[2]。LSHP協(xié)議中的競爭時隙內(nèi)節(jié)點(diǎn)用預(yù)約幀RTS進(jìn)行信道競爭，將競爭時隙片長度設(shè)計為：

式中為數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時延，為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j間的傳輸時延。

而在傳輸時隙內(nèi)，將數(shù)據(jù)幀的幀長度設(shè)計為滿足幀的發(fā)送時延與節(jié)點(diǎn)間的傳輸時延相同，使數(shù)據(jù)幀在一個時隙片內(nèi)被完整接收。所以傳輸時隙片長度為：

2.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換值的研究

由于隨著競爭者數(shù)目增多，產(chǎn)生碰撞的概率增大，CSMA/CA協(xié)議的吞吐量隨競爭者數(shù)目的增加而逐漸降低。與之相反，TDMA協(xié)議的吞吐量隨競爭者數(shù)目的增加而逐漸增大。因此，隨著競爭者的增加，當(dāng)CSMA/CA協(xié)議的吞吐量和TDMA協(xié)議的吞吐量相等時，此時的競爭者數(shù)目N即是協(xié)議的切換關(guān)鍵值。

網(wǎng)絡(luò)吞吐量是指仿真時間內(nèi)所有接收的數(shù)據(jù)包字節(jié)與仿真時間的比率，計算如式3所示：

2.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換值的研究

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有3個或者3個以上節(jié)點(diǎn)需要競爭信道時，無法在一個時隙內(nèi)完成預(yù)約。此時LSHP協(xié)議采用退避算法淘汰競爭節(jié)點(diǎn)[3]。然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在一個競爭周期內(nèi)競爭結(jié)束后只有1個或者2個節(jié)點(diǎn)完成競爭，那么將會有N-1個或者N-2個節(jié)點(diǎn)參與下一次的競爭，隨著N值的增加，時隙數(shù)也會增加，競爭效率并不理想，所以本文在RTS加入了節(jié)點(diǎn)競爭優(yōu)先級策略，即在預(yù)約幀中加入節(jié)點(diǎn)競爭優(yōu)先級參數(shù)。定義每個競爭節(jié)點(diǎn)各自保存一個初始值為0 的競爭優(yōu)先級參數(shù)a。這個競爭優(yōu)先級參數(shù)用來統(tǒng)計本節(jié)點(diǎn)從競爭周期剛剛開始時刻一直到節(jié)點(diǎn)被淘汰所經(jīng)歷過的時隙的總數(shù)量。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時，由于LSHP加入了RTS預(yù)約幀導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量比CSMA/CA協(xié)議稍低;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時，由于LSHP使用額外的競爭時隙來對當(dāng)前信道的負(fù)載量情況進(jìn)行判斷導(dǎo)致其網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能比 TDMA 協(xié)議稍低。但混合Mac協(xié)議LSHP的網(wǎng)絡(luò)吞吐量比單一的協(xié)議CSMA/CA和TDMA協(xié)議有明顯的優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐亞男.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議分析[J].軟件導(dǎo)刊，2020， 19（1）：248-255.

[2] 洪璐.水下傳感器網(wǎng)絡(luò)高效數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議研究[D].青島：中國海洋大學(xué)，2011.

[3] 王雪瑞，周巖.基于競爭估計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)退避算法[J].西安文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，18（4）：61-65.