基于节能目标的无线传感网络MAC协议

田 骥， 蒋铃鸽

（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

0 引言

为满足应用需求，无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Network)节点一般由电池供电；而由于节点体积、成本有限，只能配置容量较小的电池；当电池能量耗尽又不能及时补充时，节点退出网络运行，而对大量随机分布的节点用频繁更换电池的方式来维持网络的稳定运行和完成预定任务显然不易实现，因此降低节点功耗成为延长网络生存周期，提高网络应用可靠性的重要技术措施。进一步的分析和测试统计数据表明，WSN节点功耗的80%用于数据收发，由此可知减少节点的无效收发是降低节点功耗的主要途径[1-6]。

WSN的另一个特点是其通常工作在未授权2.4 G频段，与其他用户平等或近似平等地共享这个频段。在这个频段内各用户按自身需求“旁若无人”地使用频率资源，这就可能产生用户间冲突，节点间的数据传输会因这些干扰而中断并带来一些潜在的新问题（如节点无效功耗问题）。在WSN软硬件设计开发中需要关注解决这些问题。

在无线传感网络中媒体接入控制(MAC,Medium Access Control)协议处于网络协议的底层，对整个网络的性能有较大的影响，通过合理设计对降低节点功耗有显著作用，所以本文以降低节点平均功耗为目标对MAC协议进行改进。

1 802.15.4协议及常用握手机制评述

IEEE802.15.4标准是面向低速无线个人区域网络的物理层和 MAC层标准，该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为对网络的主要要求。目前常用的2.4 G频段的无线传感网络采用的就是IEEE802.15.4标准，因此本文在802.15.4标准MAC协议基础上研究无线传感网络节能策略。

初始的802.15.4标准没有加入请求发送（RTS,Request to Send）-清除发送（CTS, Clear to Send）握手机制，但在无线多跳网络中，可能存在的隐藏终端收发、外部设备干扰都可能引起数据传输中断，为此，文献[7]将 802.11握手机制引入802.15.4标准MAC协议，每传输一次数据，进行一次完整的RTS-CTS握手（简称全握手机制）；而问题的另一面是，当传输中断概率不大时，每次传输都全握手显然是不必要的而只会增加网络的控制开销。为此，文献[7]提出了一种多跳网络的简化RTS-CTS机制（简称半握手机制），如图1所示。中继节点通过侦听邻居节点 CTS包获得将有数据包到达该邻居节点，并经此中继节点进行后续传输的信息。一旦侦听到CTS包，中继节点就会初始化一个要求该邻居节点传递中继数据的请求。 同时引入一个计时器TW来估算数据包传输至该邻居节点所需的时间，并在估算时间到后直接向这个邻居节点发送 CTS包，这样，就节省了邻居节点发送RTS包的额外开销。

在全握手机制中，RTS包在含有发送请求等内容的同时，发送RTS包这个行为本身还隐含着数据包已准备就绪，一旦收到CTS包即可发送的信息。而在半握手机制中，后续节点仅仅靠监听前面节点的 CTS包不能得到这个信息，因此无法知道发送CTS包的邻居节点的数据包是否已准备就绪可以发送。这就产生了一个问题，本来在数据传输路径上的某个节点数据发送失败（例如数据传输过程被共享频段内其他用户干扰），后续进程应该中断；但在半握手机制中，传输路径上的后续节点在监听到这个节点发送的CTS包后，不论前面的收发成功与否，仍然会进行时间估算，并发出自己的 CTS包，进而传输路径上后面所有节点都会照此运行。而这些节点发送 CTS包和进行时间估算实际上没有任何意义，且会造成相当程度的能量浪费。

2 改进的握手机制

由上可知，上述两种握手机制都有局限性，单一应用不能很好适应数据传输过程中的各种情况，如果把两种握手机制结合起来，分段插入请求包RTS，即对整个数据传送路径进行分段，段内采用半握手机制，段间采用全握手机制，且分段长度可根据传输中断概率调整，则有望克服它们的不足，降低节点无效能耗。为此，本文提出一种混合式握手机制，既减少过多的控制开销；也避免一次握手后，后续进程不可控的情况；从而达到节点节能的目的。具体做法是：每个节点将收到的CTS包中的计数+1，作为本节点发送的CTS包的计数。若某个节点收到的 CTS包中计数达到某个预先设定的阈值，则在数据包到达后，该节点向下一节点发送RTS包进行发送请求；相应地，当某一节点侦听到的CTS包中的计数值为预定阈值+1时，必须等待，直到接收到上一节点的 RTS包后才可以发送 CTS包，并把CTS包中的计数归零，混合式握手机制如图2所示。这样，对于跳数较大，传输中断概率较大的情况（例如未授权频段内用户比较多的情况），即使前面节点数据传输失败，也可以通过周期性的检验，把后面节点发送的无用CTS包数量控制在一定范围以内。达到降低平均功耗的目的；并且通过改变阈值，还可以量化地调整分段长度，适应不同的应用场景。

3 仿真试验及分析

如前所述，WSN通常与多个用户各自独立平等地工作在未授权2.4 G频段，导致用户间可能发生冲突并产生无效节点功耗。近年来，针对这个方面国内外学者已进行了大量的研究[8-13]。本文即在此具有普遍性意义的应用场景下对三种握手机制的能量消耗情况进行仿真、分析、比较。

由于本文主要研究MAC协议的改进，不涉及路由设计，所以将仿真对象设置为由19个节点构成的线型网络，编号依次为1到19号节点，19号节点为汇聚节点。每个节点只能同编号相邻的两个节点进行通信，如果要与更远的节点通信，须经邻居节点中继。除汇聚节点外，每个传感器节点任一时刻发送数据的概率为P。网络结构如图3所示。

3.1 节点小概率发送数据试验

仿真参数如表1所示，仿真曲线是不同握手机制下控制开销关于用户冲突概率的一族曲线（如图4所示），由于节点功耗与控制开销是正相关关系，所以仿真曲线实际上也反映了不同用户冲突概率下节点功耗与握手机制的关系。

表1 试验一参数

3.2 节点较大概率发送数据试验

仿真参数见表2，仿真曲线如图5所示。

由仿真曲线可以看出，对于半握手机制，当用户冲突概率增加时，控制开销变化不大，略有增加；而对于混合式握手机制，随着用户冲突接入概率增加，控制开销迅速下降。两相比较，说明前者在数据传输中断后有较多无意义控制开销，而后者显著减少了这种开销。如图，当阈值在2～∞间取值时，混合式握手机制也就在全握手机制和半握手机制间演变，实际上，当阈值分别取2和16时，混合式握手机制已非常接近全握手机制和半握手机制；这样就为应对不同的用户冲突概率提供了很大的灵活性。因此，不论用户冲突概率为何值，都可以采用混合式握手机制，只需针对不同情况选择不同的阈值即可。

表2 试验二参数

图中取不同阈值的混合式握手机制的曲线都与半握手机制的曲线相交，且阈值不同，交点位置不同，对应的用户冲突概率也不同； 在交点右侧，混合式握手机制的控制开销小于半握手机制的控制开销，在交点左侧则反之；所以，如果有关于用户冲突概率的先验知识，就可以根据它处于交点右侧还是左侧来选择阈值；使混合式握手机制逼近半握手机制或反之。

在试验二中，增大了节点发送数据的概率，由曲线图可知，几种握手机制的控制开销都相应增大，但各曲线变化趋势仍然与试验一相似,所以上述结论在此仍然成立。

通过仿真结果可以预见，随着传输中断概率的增加，本文提出的改进握手机制节能效果更好。

4 结语

针对多用户共享未授权频段背景下无线传感网络的节能问题，本文提出了一种IEEE802.15.4 MAC协议改进方案。并在典型应用背景下进行了仿真与分析，得到以下结论：①降低节点能耗，对提高无线传感网络生存周期和应用可靠性有重要意义；②混合式握手机制完全兼容全握手和半握手机制；根据有关先验知识，可以通过调整阈值的方法，设定数据传输过程中插入请求包 RTS的分段长度，对不同的应用场景具有很高的灵活性；③混合式握手机制综合了全握手和半握手机制的优点，平衡了提高数据传输可靠性和节点节能的需求；在共享频段内多用户互相干扰情况下，显著减少了网络无效开销。

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