無線傳感網(wǎng)絡(luò)中基于電力能效優(yōu)化的接入控制協(xié)議

李道德

（軌道交通工程信息化國家重點實驗室（中鐵一院），陜西西安 710043）

無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由大量傳感節(jié)點以自組織方式分布，且節(jié)點間能相互通信的無線網(wǎng)絡(luò)[1]。目前，WSNs 已在多個領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用，如智慧交通物聯(lián)網(wǎng)、野外環(huán)境監(jiān)測等。WSNs 中的多數(shù)節(jié)點是由電池供電。由于多數(shù)WSNs部署于惡劣和偏遠地區(qū)，給節(jié)點補給電能的可操作性低。因此，提高能量效率是延長WSNs網(wǎng)絡(luò)壽命[2-4]的關(guān)鍵。

目前，影響能量效率的因素主要有：數(shù)據(jù)包傳輸碰撞、開銷、控制數(shù)據(jù)包開銷和空閑偵聽時長。在IEEE 802.11 協(xié)議標準中，空閑偵聽所消耗的能量幾乎與數(shù)據(jù)所消耗的能量一樣，占總能量消耗的30%。因此，有效地控制空閑偵聽可改善能量效率低的問題。

為此，文中針對存在的問題基于周期的激活/休眠方案，提出基于雙重偵聽時長的多層MAC(Dual-Listening periods-based Multi-Layer MAC protocol,DL-ML-MAC)。DL-ML-MAC 協(xié)議先將偵聽時間劃分為不同的層，且保證每個節(jié)點處于不同層，且互不重疊。同時，引用雙重偵聽時長策略。仿真數(shù)據(jù)表明，提出的DL-ML-MAC 協(xié)議有效地提高了能量利用率。

1 相關(guān)工作

MAC 協(xié)議必須具有以下特性[3]：能量有效性、可擴展性和自適應(yīng)性。依據(jù)接入方式的不同，可將這些MAC 協(xié)議劃分為基于預(yù)設(shè)和基于競爭兩類[5-6]。這兩類接入方式有各自的優(yōu)劣。在基于預(yù)設(shè)的MAC 協(xié)議中，預(yù)先給節(jié)點分配信道，即給節(jié)點預(yù)先分配固定的接入時隙。這種方式操作簡單，且無碰撞、DC 短，但可擴展性低[7-8]且具有時鐘同步難的問題。文獻[9]提出的(TRaffic Adaptive Medium Access,TRAMA)是屬于基于預(yù)設(shè)的MAC 協(xié)議。

在基于競爭的MAC 協(xié)議中，節(jié)點共享信道，并通過競爭方式接入信道。與基于預(yù)設(shè)的MAC 協(xié)議相比，基于競爭的MAC 協(xié)議的能耗更多。如IEEE 802.11[10]是無線網(wǎng)絡(luò)的物理層標準，其引用無碰撞的多載波偵聽(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)。盡管IEEE 802.11廣泛應(yīng)用傳統(tǒng)的自組網(wǎng)絡(luò)，但它并不適合傳感網(wǎng)絡(luò)。然而，由于IEEE 802.11 簡單、可靠，許多研究人員還是試圖修改和優(yōu)化IEEE 802.11，致使其適用于傳感網(wǎng)絡(luò)。

文獻[2-3]引用的MAC協(xié)議就是基于IEEE 802.11的修改方案。它將時間劃分為多個幀，每個幀又劃分為激活和休眠時期。節(jié)點只在激活時期通信。先緩存在休眠時期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，待下一個周期的激活時期才傳輸該數(shù)據(jù)。

2 DL-ML-MAC協(xié)議及問題描述

在激活/休眠周期方案中，傳感節(jié)點周期地關(guān)掉無線電，進入休眠模式，減少空閑偵聽時間，如圖1所示。一個幀內(nèi)由激活和休眠兩個時期構(gòu)成。在激活期，節(jié)點處于偵聽狀態(tài)。若整個幀長為Tf，偵聽時長為Tlistening，則將Tlistening的比值稱為工作周期(Duty Cycle，DC)。DC 越短越有利于能量的保存。如休眠機制的MAC 協(xié)議(Sleep MAC,S-MAC)[2-3]和能效(Energy MAC,E-MAC)[5]協(xié)議均試著降低節(jié)點的DC，獲取高的能量效率。

圖1 周期的激活/休眠方案

DL-ML-MAC 協(xié)議是基于分布式競爭的MAC 協(xié)議，它將時間劃分為不同的時間幀，每個幀由工作期(激活)和休眠期組成。同時，將工作期劃分為L層，如圖2 所示。

圖2 DL-ML-MAC協(xié)議的多層結(jié)構(gòu)

通過L層的劃分，使節(jié)點處于不同層，進而獲取不同的工作時間，如圖3 所示。通過這種策略，致使節(jié)點的工作周期不重疊，并且保證在同一個時間段，只有一個節(jié)點是處于工作狀態(tài)，其他節(jié)點處于休眠狀態(tài)。通過這種方式，可以減少節(jié)點能耗。

圖3 DL-ML-MAC協(xié)議的信道接入時隙

2.1 層次L 的優(yōu)化

從圖3 可知，L值影響了傳感節(jié)點的偵聽時間(Listen)。因此，需要對L值進行優(yōu)化。

首先，計算幀時長Tf。Tf必須要小于TR，即Tf≤TR，其中TR為最大的響應(yīng)時間。同時，Tf必須滿足式（1）：

式中，t1表示每一層的偵聽(偵聽)時長，如圖3所示。

其次，計算每層內(nèi)偵聽時長t1。時長t1受電池量C和平均能量消耗ρ的影響。依據(jù)能量供應(yīng)關(guān)系可得：

其中，Nf表示幀數(shù)，而?表示電池的平均輸出量。

依據(jù)式(2)可得：

式（3）約束了時長t1的上限值，但時長t1也必須要大于傳輸一個數(shù)據(jù)包所需要的時間，如式（4）所示：

式中，τt、τρ分別表示數(shù)據(jù)包傳輸時延、傳播時延，τd表示時鐘漂移時延，W是指最大的窗口數(shù)。

因此，依據(jù)式（3）和式（4）可得：

然后，優(yōu)化層數(shù)。層次L受每幀內(nèi)的平均流量λavg影響。因此，λavg的定義如式（6）所示：

式中，n表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點數(shù)。

而總的工作時間應(yīng)大于發(fā)送數(shù)據(jù)包所需的時間，即：

將式（7）轉(zhuǎn)換后，可得：

此外，保護間隔t2應(yīng)滿足式（9）:

因此，L的上限值：

最后，便可得L的取值區(qū)間：

2.2 雙重偵聽時長

2.1節(jié)的推導(dǎo)過程中假定每個節(jié)點的偵聽時長是相同的，且為t1。這是不合理的，該假定并沒有考慮節(jié)點剩余能量的差異，而進行差別化對待。剩余能量較小的節(jié)點，應(yīng)選擇更小的偵聽時長。反之剩余能量多的節(jié)點，要選擇更長的偵聽時長。這有利于網(wǎng)絡(luò)能量的平衡，能夠延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

為此，DL-ML-MAC 協(xié)議采用兩種不同的偵聽時長：和，如圖4 所示。當節(jié)點剩余能量大于預(yù)定的能量閾值，就選擇，否則就選擇。

圖4 不同偵聽時長的劃分

圖5 偵聽時長劃分的偽代碼

2.3 能耗模型

考慮如圖6 所示的能耗模型。節(jié)點傳輸mbit 的數(shù)據(jù)所消耗的能量為：

圖6 能耗模型

式中，d表示傳輸距離；Eelec表示發(fā)送數(shù)據(jù)電路傳輸單比特數(shù)據(jù)所消耗的能量；ξfs、ξamp分別表示在自由空間、雙徑衰落傳輸模型下的能量消耗因子。d0表示切換傳輸模型的距離閾值因子。

節(jié)點接收mbit數(shù)據(jù)所消耗的能量為：

3 性能仿真

3.1 仿真參數(shù)

為了更好地分析DL-ML-MAC 協(xié)議性能，建立仿真平臺，并分析DL-ML-MAC 性能。文中利用NS3[11]網(wǎng)絡(luò)仿真器建立仿真平臺。n=100 節(jié)點，節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)、偵聽和休眠時所消耗的能量分別為24.75 mW、13.5 mW、15 μW。此 外，Eelec=50 nJ/bit、ξfs=10 pJ/bit/m2、ξamp=0.013 pJ/bit/m4，數(shù)據(jù)傳輸率和接收率均為19.2 kbps，剩余的仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)

此外，選擇能耗和數(shù)據(jù)包傳輸時延作為性能指標，其中能耗是指每傳輸一個數(shù)據(jù)包所消耗的能量。同時，選擇S-MAC 協(xié)議和ML-MAC[12]協(xié)議進行同步仿真，并進行性能比較。

3.2 性能分析

首先，分析能耗隨數(shù)據(jù)到達間隔的變化情況，如圖7 所示。從圖7 可知，與S-MAC 和ML-MAC 協(xié)議相比，DL-ML-MAC 的能耗下降了，且分別比S-MAC和ML-MAC 下降了66.2%和34.1%。這主要歸功于DL-ML-MAC 協(xié)議的偵聽時長大于S-MAC 和MLMAC 協(xié)議，從而降低了能耗。

圖8 顯示了3 個協(xié)議的節(jié)點休眠時間。從圖8可知，DL-ML-MAC 協(xié)議中節(jié)點的休眠時間最長，它的休眠時間比例為90.4%，而S-MAC 協(xié)議和MLMAC 協(xié)議的休眠時間比例分別約為85%和70%。這與圖7 的能耗數(shù)據(jù)相吻合，休眠時間越長，越有利于節(jié)點能量的保存。

圖8 休眠時間數(shù)據(jù)到達間隔的變化情況

然后分析數(shù)據(jù)包傳輸時延，如圖9 所示。

從圖9 可知，數(shù)據(jù)包傳輸時延隨數(shù)據(jù)包間隔時時長的增加而下降。在整個間隔變化區(qū)間，DL-MLMAC 協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸時延最高，分別比S-MAC 協(xié)議和ML-MAC 協(xié)議提高了25.8%和1.9%。該結(jié)果表明，DL-ML-MAC 協(xié)議是以傳輸時延為代價，換取低能耗[13-16]。

圖9 數(shù)據(jù)包傳輸時延數(shù)據(jù)到達間隔的變化情況

4 結(jié)束語

為了提高物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點電力能量利用率，文中對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議進行了研究，并提出基于雙重偵聽時長的多層MAC 協(xié)議。DL-ML-MAC 協(xié)議引用多層機制，縮小節(jié)點的偵聽時間，并使用雙重偵聽時長策略。仿真數(shù)據(jù)表明，提出的DL-ML-MAC協(xié)議能有效地降低電力能耗。但DL-ML-MAC 協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸時延較大，后期將優(yōu)化DL-ML-MAC協(xié)議，控制傳輸時延，這將是后期工作的研究重點。