事件驱动型传感网络低能耗协议设计

穆立波

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

无线传感网络应用中,根据采集和发送数据的方式,可将其分为两类:时间驱动型传感器网络和事件驱动型传感器网络[1]。前者,节点周期性采集并发送数据给汇聚节点,数据传输率是固定的。后者,只有当节点探测到目标事件后,才会以较高的速率发送数据,通常情况只需发送网络管理和状态信息,数据量较少,数据的采集和发送通常不可预测。由于事件的随机性和突发性,在没有事件的大部分时间里,网络处于空闲状态,一旦事件到来,数据流量迅速增加,且可能在局部区域形成热点,造成信道拥堵。同前者一样,事件型传感网络需要解决网络的能耗和效率问题。在网络节点物理层参数一定的情况下,传感网络协议是影响网络能量消耗和网络效率的主要因素。

1 传感网络协议分析

无线传感网络(WSN)协议由物理层、MAC、网络层和应用层组成。结合EDWSN的特点对网络层和MAC层协议进行分析。

1.1 网络层协议分析

WSN协议负责在传感节点和汇聚节点间提供一条低能耗并且高效的路由。由于WSN与应用高度相关,单一的路由协议不能满足各种应用需求,针对不同应用的特点,人们研究了众多的路由协议[2],主要包括:泛洪式路由协议、层次式路由协议、基于查询的路由协议和基于位置信息的路由协议。泛洪式路由协议是一种古老的路由协议,不需要维护网络的拓扑结构和路由计算,接收到消息的节点直接将数据包转发给相邻节点,是一种较直接的自组织网络实现方法,但容易带来消息的内爆和重叠,不适合事件型网络的突发流量情况,同时带来严重的串音和冲突。层次式路由协议将传感节点分簇,簇内通信由簇头节点来完成。簇头节点进行数据聚集和融合以减少传输的信息量,最后簇头把融合的数据传送给汇聚节点。该方式能满足传感器网络的可扩展性,有效地维持传感节点的能量消耗,由于事件型网络的随机性,分簇要随每一次事件而调整,带来了网络管理开销。基于查询的的路由协议需要不断的查询节点采集的数据,传感器节点根据查询命令向查询节点报告数据,也不适合事件型网络的突发传输,定时查询带来大量的通信流量。

事件一般有空间相关性,基于位置信息的路由协议是一种适合事件型网络的路由协议。根据事件区域的地理位置,建立汇集节点到事件区域的优化路径,避免了泛洪引起的内爆和重叠,以及分簇带来的管理开销。在很多情况下,不能得到传感器的实际物理位置,就网络路由而言,实际的物理位置并不是一种好的选择,基于通信位置关系的地理路由更符合实际应用情况,即任何一个节点把和它能进行通信的节点当做邻近节点,并以此构建路由,称之为虚拟地理路由协议。

1.2 MAC层协议分析

MAC层协议是网络协议的底层部分,对传感器网络的性能影响较大。主要包括基于竞争的载波侦听多址(CSMA)、基于固定分配的时分多址(TDMA)和混合性协议。基于竞争的协议[3]包括S-MAC和T-MAC等。S-MAC通过邻居节点自协调,形成多个休眠计划,带来多边界问题,使得网络同步成为一个复杂问题,T-MAC在S-MAC基础上动态调整事件,减少空闲侦听时间,但存在早睡问题。基于TDMA的协议适合网络节能的需要,没有竞争机制的碰撞重传问题,空闲时可以及时进入睡眠状态,但需要严格的时间同步,大多数情况下难以推广应用。混合性协议综合平衡竞争机制和TDMA分配机制的优缺点,主要包括Z-MAC和ER-MAC等协议,采用CSMA和TMDA综合方式,在网络的时延特性和能耗特性等达到一定平衡,由于基于TMDA,仍然具有协议复杂和同步要求高等问题。

针对事件型网络大部分时间空闲、突发事件造成流量大的情况,提出一种信令采用CSMA竞争方式,业务信道采用FDM的混合型MAC协议,网络共使用N个频道,在空闲状态,各个节点以低占空比值守在信令信道F0上,当事件发生时,在其余的频道Fn传输信息。该协议对网同步要求低,且可以较好地解决地大流量造成的串音和冲突。

2 低能耗协议设计

事件驱动型无线传感网络低能耗协议包括网络层协议设计和MAC层协议设计。

2.1 网络层设计

网络层协议主要包括拓扑形成算法和数据传输路由算法。

2.1.1 拓扑形成

虚拟地理路由协议的基本思想是建立一个虚拟坐标系统[4],用来表示实际的网络拓扑结构。网络中的节点形成一个以汇集节点为根的带环树,每个节点用到树根的跳数距离和角度范围来表示。一个包含0级、1级和2级3层的网络形成过程如图1所示。

图1 虚拟地理路由拓扑形成流程

第1步,生成树形结构。网络拓扑的建立由汇聚节点开始,汇聚节点设置自己的跳数为0,并广播路由。邻近节点收到这个信息后,将汇集节点设置为自己的上级节点,并设置自己到汇聚节点的跳数为1,然后继续广播路由建立消息,汇集节点需要监听邻近节点的广播,并将发送跳数为1的节点标记为下级。依此类推,网络中每个节点都知道自己的上级节点和下级节点,以及到汇集节点的跳数,直到所有节点加入这个树形结构。没有收到跳数比自己大的路由建立信息,则认为自己是叶节点。

第2步,反馈子树大小。树形网络生成后,从叶节点开始,节点将自己为根节点的子树的大小报告给它的上级节点。叶节点的大小为1,中间节点将自己所有子树的大小相加,并加上1,得到自己的子树大小,然后报告给它的上级节点。这个过程从叶节点开始,向汇集节点进行,直到汇聚节点获得整个树的大小。

第3步,生成树。根据树大小,汇聚节点确定树的角度范围,各级节点以此将自己的角度范围分配给自己的下级。这样,各个节点就得到各自的角度。

这样,每个节点都有自己的跳数和角度,根据跳数和角度,就可以在网络中确定自己的位置,网络形成了。汇集节点保存整个网络结构,普通节点只保留自己的上级节点、下级以及邻居节点的跳数和角度。一个虚拟极坐标拓扑形成了,如图2双箭头所示,节点3t以2t为上级节点,以4t和4u为下级节点。

图2 网络拓扑和数传路由示意图

2.1.2 数据传输路由

当传感节点有数据向汇集节点发送时,以最小跳数向上转发,如图2所示中单箭头实线所示,4c节点从保留的路由表中选择上级节点3h作为路由节点,3h选2h作为路由节点,2h选择1a,通过4跳达到汇集节点。在传输过程中,任一个节点发送信息,将对上层、同层和下层的邻居节点产生串音现象,以3h节点向2h节点发送信息为例,如图2中长短虚线所示,对2a2h2t3b3k4c4h4k产生串音,造成网络能量的浪费。这个问题由下面的MAC层协议来解决。

2.2 低占空比FDM的MAC层协议

为适应事件型网络的突发性和空闲特性,无事件时,能耗大量消耗在空闲状态,事件到来时网络拥堵的情况,提出在空闲状态下采用交错同步低占空比值守,在事件来临时采用多频道复用的媒体接入控制协议,即低占空比值守多频道复用(LDFDM)协议。

2.2.1 信道接入控制

假设整个网络有N个节点,复用M个频分信道,根据网络的规模和具体应用情况,M取3～8,其中一个信道f0为值守信道,其余M-1个信道为业务信道。值守信道以交错同步低占空比工作方式,业务信道采用全周期工作方式,一旦进入业务信道,则一直处于接收、发射或空闲模式。空闲模式降低了功耗,事件繁忙时提高了网络效率,同时解决了串音和冲突问题。与TDMA相比,降低了同步要求。如图2所示,4c节点要向0a节点发送数据,首先随机选择业务信道并进行侦听,找到一条空闲的业务信道,如F1,其次在值守信道的工作时隙向周围节点包括上级节点3h发出建立链路信令,并通知业务信道的频点,3h收到信令后,对该业务信道侦听,确认空闲后发出相应信令,双方转入业务信道进行通信。在双方建立链路过程中,周围节点始终处于偷听过程中,获取了双方的通信频道。活跃节点完成一次数据包传输后,在业务信道仍然值守数个占空比周期,以等待下一次可能的通信业务,等待完成后,转入信令信道进行值守。

2.2.2 低占空比的同步设计

信令以低占空比工作在F0信道上,同步是主要技术问题。信令的传输主要有2个方向,从底层节点向上和从汇集节点向下。向上的信令为事件驱动型,具有随机性和突发性,且对时延要求高,向下的信令主要是同步信息,按一定周期发送,对时延要求低。采用种交错同步方法[5],以适合这2种信令的传输。上下级节点以收发时隙交错的时序工作。从底层节点向汇集节点的事件来临信令采用正向传输通道,低占空比信令传输时序图如图3所示。

图3 低占空比信令传输时序图

如图3向上的箭头所示,4a节点接收5a节点的唤醒信令可以在紧接的下一个时隙立即转发给3a,并依次立即转发,唤醒信令可以在一个占空比周期唤醒各级节点,其唤醒延迟为一个完整的占空比周期。从汇集节点向全网发送的同步信令采用反向传输通道,网同步信令不能实现交错同步,只能在下一个周期发送,如图3向上的箭头所示,4a节点接收3a节点的同步信令,只能在下一个占空比周期转发给5a,则同步周期传送到最底部节点的事件为N个占空比周期,例如占空比周期为0.5 s,最高十级节点,则网同步信令传输延迟为5 s,而网同步周期经常是分钟量级的,因此可以满足网同步要求。

网络同步包括同步建立、同步更新、失步检测、同步申请和同步重建5个环节。汇集结点以固定的周期T发送同步信令,该信令在反向信道以较低的速率向各个节点扩散。各个节点在同步前,以全周期工作的方式等待同步信令,一旦捕获同步信令,则按同步信令的同步周期,以占空比方式工作,并进行同步保持和同步更新。任何原因造成2个以上周期没有更新同步,则判为节点失步,则该节点立即在上次同步的时刻将占空比扩大2倍,请求上级或邻居节点发送同步信令。收到同步信令后,重新进入同步保持状态。

3 性能分析

以一个典型的事件型无线传感网络为例,构建了一个51个节点的原型系统进行性能分析。经过虚拟地理组网算法,生成0级节点1个,1级节点4个,2级8个,3级16个,4级32个。假定每个节点和邻近的节点能够通信覆盖,不相邻的节点不具备通信覆盖条件。分别对全周期虚拟地理路由协议、TDMA地理路由协议(工作时隙占整个周期的10%)、同步占空比(10%)FDM地理协议和同步占空比(5%)FDM地理协议的网络能量消耗进行了分析。每个节点初始能量1 000 mAh,传感探测值守电流0.2 mA,事件处理电流10 mA,发射电流30mA,接收电流25mA,空闲电流20 mA,收发信机休眠电流0.1 mA。假定一次事件的处理流程为,一次事件持续60 s,每3 s上报一次处理结果,每次上报发送一个数据包,包长200 bytes,数据速率10 k,则数据包发送时间0.2 s事件频度分别为每小时1次,5次,10次,20次。4种不同协议的网络平均工作时间如表1所示。

表1 不同协议的网络平均工作时间

采用全周期值守的地理路由协议,即使在没有事件的情况下网络工作时为98 h,采用10%占空比FDM协议,工作时间为725 h,与TDMA协议的833 h相当。其中在能量消耗中,即使在较高的事件频度情况下,通信空闲等待的能量消耗仍然是最主要的消耗,网络空闲消耗的能量占总消耗能量的比例如表2所示。在全周期协议中占到98%,在10%同步占空比FDM协议中占76%以上,在5%同步占空比FDM协议中占64%以上。降低占空比可以降低消耗,但受网络同步精度限制,给网络同步带来开销。

表2 不同协议的空闲能量消耗比例

4 结束语

事件型网络是无线传感网络中的重要应用方式,如入侵探测、环境监测和交通监测等。虚拟地理路由和同步占空比FDM信道接入协议与其特点相适应,在保证信息传输效率情况下,降低了网络能耗。实际应用中,具体的事件性网络各有其特点,如环境监测中,几分钟的时延可以不是关心的主要问题,可以采用更低占空比协议。在火灾和危险品监测中,几秒钟的延迟足以造成巨大的后果,必须充分考虑时延。因此在实际应用中,可根据具体事件特点设计相应的协议。

[1]汪泉弟,孔 为,李 斌,等.事件驱动型网络传感器生存期分析[J].重庆大学学报,2007,30(6):30-34.

[2]赵强利,将艳凰,徐 明,等.无线传感器网络路由协议的分析与比较[J].计算机科学,2009,36(2):35-41.

[3]丁 成,黄本雄,胡 军.无线传感网络MAC协议机制性能分析[J].无线电工程,2007,37(2):15-17.

[4]孙利民,李建中,陈 渝,等.无线传感网络[M].北京:清华大学出版社,2005:70-72.

[5]石军峰.传感网络低占空比MAC协议同步机制研究[J].系统仿真学报,2007,19(9):4330-4334.