一种超低功耗无线传感器网络MAC协议*

张 轩,刘 昊,李智群

(1.东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心,南京 210096;2.东南大学射频与光电集成电路研究所,南京 210096)



一种超低功耗无线传感器网络MAC协议*

张 轩1,刘 昊1,李智群2*

(1.东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心,南京 210096;2.东南大学射频与光电集成电路研究所,南京 210096)

在无线传感器网络中,能量是一个关键资源。传感器网络节点通常在大部分时间里处于休眠状态以节约能量。其中,节点间精确地同步和超低的休眠功耗能够本质上延长无线传感器网络节点的寿命。然而现实中节点在唤醒周期设置、时钟源选择和网络节点同步时很难满足理论研究时提出的要求。因此,提出了一种低功耗无线传感器网络MAC协议:允许节点使用多种时钟源实现功耗最优配置,在休眠时采用内部时钟以达到最低功耗,在工作时采用外部晶振以保证射频性能,同时为了解决多时钟源误差增大且休眠周期变化带来的问题,提出了多时钟源休眠唤醒机制和节点同步策略。最后文章在IEEE802.15.4硬件测试平台上完成了多时钟源MAC协议与SMAC协议的实证测试,结果表明对比SMAC协议的唤醒和同步机制,低功耗无线传感器网络MAC协议在传感器网络节点上能够极大地减少休眠功耗并显著地节约同步的时间,从而大大延长节点寿命。

无线传感器网络;超低功耗;时钟校准;同步机制

低功耗无线传感器网络(WSN)在环境监测、目标检测以及智能抄表等系统中有着广泛应用,潜力巨大。但是这些应用中传感器网络节点通常是电池供电、不可拆卸和移动的节点,因此大部分方案将这些传感器节点的低功耗功能放在首位,而将性能放在第2位。

为了降低功耗,无线传感器网络MAC协议应用中广泛的引入了周期性工作的低功耗技术,这类技术将传感器节点周期性的调整成工作状态,包括:SMAC[1],PW-MAC[2]和EM-MAC[3]等,其中周期的占空比是指节点无线工作的时间除以整个节点工作的时间。随着技术的发展,占空比已经达到了0.1%甚至更低[4]。在如此低的工作占空比周期下,节点休眠的功耗占到了主要的部分,直接决定了网络的工作寿命。因此,降低休眠的功耗对于低占空比工作周期的节点来说至关重要。同时,无线传感器网络MAC协议的同步机制在很大程度上也影响了节点的功耗,目前研究方向上主要基于两种方式:SRS(Sender-Receiver Synchronization)机制如TPSN[5]和FTSP[6]算法;RRS(Receiver-Receiver Synchronization)机制[7]如RBS[8]算法。同步机制的研究方向主要集中于两个方面:减少网络同步开销和提高单跳同步精度,如PBS算法[9]通过监听邻居节点时钟同步信息来校准自身的时钟,MBS算法[10]通过基准点时间来计算转发时间,从而减小开销并维持了与RBS相当的精度,MATS算法[11]基于采集树的架构提出了支持多跳低功耗的时钟同步算法,随着同步协议的研究深入,越来越多的采用了软件建模方式来评估时钟的精度和开销,利用均方误差(MSE)和最优线性拟合[6]等技术来提升评估的准确性和预见性。但是目前的大部分研究没有结合实际硬件节点特性进行设计,在遇到成本问题、硬件局限性问题时,传统理论建模的局限性就显得尤为突出。

本文对于低功耗的关注集中于两点:休眠期间的功耗和节点间周期性同步的功耗。在周期性休眠唤醒的工作模式时需要有一个时钟源进行定时工作,现有的无线传感器网络节点芯片如德州仪器的CC2530和飞思卡尔公司的MC13213[12]以及很多学术界通用的平台TelosB和MicaZ等都需要节点在休眠时设置一个时钟用于定时唤醒,这个时钟来自多种时钟源。对于时钟源来说,外部时钟(晶体振荡器)比内部时钟有着更好的精度,内部晶振误差通常在1～5%而外部晶振只有5～40×10-6。因此在学术界协议研究时广泛采用外部时钟作为单一时钟源[13],然而外部时钟需要PLL等辅助电路,功耗比内部时钟高出2-3个数量级,这一点在很多低功耗无线传感器网络协议设计时没有考虑到。例如,经过测算MicaZ平台的德州仪器CC2530采用外部时钟休眠的功耗比内部时钟休眠高出几百倍。因此,如何能利用好内部时钟功耗低但是精度较差,外时钟精度高功耗高的特点设计出一个多时钟模式工作的低功耗MAC协议是一个非常有吸引力的研究方向。

我们知道内部时钟功耗低,工作频率也低,按照内部时钟最大为2 kHz举例,MCU的8位定时器最短的休眠时间段约8 ms,最长为1 024 ms,当需要设置的周期很长时,必须拆分为多个1 024 ms休眠周期进行多次休眠,而需要设定的周期不是8 ms的整数倍,如17 ms时,内部时钟休眠16 ms后需要切换到更加精确的外部时钟源进行工作,这就产生了多时钟源的切换问题。因此,虽然采用内部时钟能够极大的减少休眠期的功耗,却带来了复杂的节点间时钟误差校准、节点自身的唤醒设定等问题有待解决。

本文提出了一种针对多时钟源的低功耗无线传感器网络MAC协议:设计了一套低功耗节点间时钟同步和校准策略,解决了内部时钟的精度差,温漂严重的问题,并依此设计了一种超低占空比工作情况下的节点休眠唤醒工作机制。本文将提出的MAC协议与传统SMAC协议共同在真实的硬件测试台上进行了评估。结果表明,本文设计的时钟同步校准算法和改进后的节点休眠唤醒机制能够显著的减小节点的功耗。

本文剩余部分组织结构如下:第2章描述了双时钟的配置问题和同步算法设计;第3章设计了多时钟源低功耗休眠唤醒机制;第四章比较了ULP-MAC与SMAC协议并得出结论;最后一章对全文做了总结。

1 时钟同步和校准算法

无线传感器网络收发芯片主要分为两个组成部分:射频收发器又称射频调制解调器以及MCU,图1展示了一种目前典型的符合IEEE802.15.4国际标准的无线传感器网络专用芯片及其时钟输入方式,无线芯片工作所需的时钟可以由多个时钟源来提供,可以是外部输入也可以是内部晶振。通常,考虑到无线通信的频率精度的要求,无线通信部分的电路一般设计采用外部晶振作为时钟源工作。MCU的时钟源选择就更为广泛了,既可以与无线部分的电路共享一个外部晶振源如图1中CLKO为射频电路向MCU提供了一路共享晶振1的时钟信号,或者采用内部时钟发生器(ICG)通过外接一个外部晶振2作为时钟源,甚至可以直接采用内部低速实时时钟(RTI)进行工作,由于外部时钟输入需要PLL等额外电路进行锁频、倍频等工作,无线芯片采用外部时钟将比仅采用内部时钟消耗更多的功耗。

如图1所示,通常情况下,采用类似CLKO的时钟共享引脚,无线电路和MCU电路之间共享晶振1作为时钟源,晶振2可以不接,这样既保证了时钟精度,又能够节约成本。但是当无线传感器节点需要进入休眠状态时,射频部分以及ICG部分的晶振却都不能被关闭,否则时钟源就没有了。在休眠模式下无线传感器节点使用外部晶振工作会导致大量的功耗浪费,而如果此时采用RTI作为时钟源则功耗将大大降低。因此,本文提出了双时钟配置方案,在节点唤醒后射频需要工作时采用外部时钟,而当节点休眠时则采用内部时钟进行工作。

图1 典型的IEEE802.15.4时钟单元

显然,采用双时钟方式工作后,无线传感器节点的休眠功耗大幅下降,但由此带来了另外一个问题:MCU内部时钟的精度远远低于外部晶体振荡器的精度,这导致需要精确计时的场合无法使用。目前许多无线传感器网络协议采用同步方式工作,学术界提出了许多时钟同步算法[14],这些算法大都假设一个节点只有一个时钟源,为了满足实际的节点的使用需求,本文提出了一种新的采用双时钟配置的时间同步算法,并修正了时钟精度问题。

无线传感器网络中有两种典型的节点,一种称之为全功能节点(BS),这类节点可以作为网关、基站、路由器等,通常是无线传感器网络的骨干节点。另一种节点称之为传感器节点(Node),通常采用电池供电,低功耗模式运行。本文的同步算法,参考时钟就是以组建网络的全功能节点作为基准对全网络其他节点进行同步和校准,概括地说双时钟同步算法是指在双时钟工作模式下的低功耗节点,能够通过全功能节点发出的两次同步信标,利用本文提出的同步算法完成时钟同步并校准自身的系统时钟。

本算法中,全功能节点周期性的广播信标帧,信标帧包含节点当前时钟信息以及约定下一次广播信标帧的时间,如图2中所示,全功能节点在TS1时刻发送完信标帧后仍然保持活动状态,而传感器节点接收到信标后进入休眠状态直到下次约定的信标帧时间到来,在这个过程中传感器节点在接收信标时使用外部时钟而在休眠时切换为内部时钟以节省功耗。但是由于内部时钟精度较差,传感器节点有可能会在约定的时间之前或者之后很久才会重新进入接收状态,如果在之前很久醒来,节点会一直等待全功能节点发送下一次信标,如果是推迟醒来,则节点会错过本次信标并需要等待整个休眠周期直到下一次信标到来。传感器节点收到下一次信标帧后将自身的接收时间TRx存储在一个时序表中并与信标中的时间戳TSx相对应,如图2中的TR1,TR2,TR3,TS1,TS2,TS3。

图2 全功能节点和传感器节点间的信标传输过程

(1)

(2)

两次信标帧实际到达时间差可以通过以下公式计算:

(3)

接收节点收到两次信标时自身的时间为:

TNode=TR2-TR1

(4)

发送信标全功能节点总是处于工作状态,并且使用外部时钟进行工作。而传感器节点在休眠时候需要使用内部RTI时钟进行工作,因此两个节点在一次休眠后的时钟偏离度为:θ=(TBS-TNode)/Tsleep=[(TS2-TS1)-(TR2-TR1)]/Tsleep

(5)

其中,TBS-TNode为相对时钟偏移,Tsleep为传感器节点在同步过程中每次休眠的时间。因此节点可以通过时钟偏移率θ对自身的时钟进行校准

同时,图2所示的时钟同步过程可以扩展到多跳传感器节点网络中,只要在信标中声明自身的设备属性(通常为全功能节点或低功耗传感器节点),以及节点转发这个信标的次数(通常称为广播半径),待同步的节点在收到两次信标后完成同步并能够为其下一跳节点周期性的提供同步服务。节点通过这样一级一级的同步过程,可以实现无线传感器网络全网同步以及今后的周期性同步校准。

本文提出的双时钟校准算法可以广泛应用在低功耗节点为主无线传感器网络络中并大大的节约了节点休眠功耗。下一章,我们将研究另一个能量损耗问题,即节点周期性唤醒和休眠。

2 可配置的唤醒机制

无线传感器节点休眠时采用内部时钟以节约功耗,节点的内部时钟通常工作在一个低速的固定频率,如32.768 kHz或2 kHz等,而配置休眠的方式是通过一个8位或16位寄存器进行计时,达到设定的时间则产生一次唤醒过程,因此节点的唤醒时间选择并不是连续的,而是根据节点的寄存器设定的离散化的值。例如飞思卡尔公司的IEEE802.15.4芯片MC13213可以设定为8 ms、32 ms、64 ms、128 ms、256 ms、512 ms和1 024 ms等,如果某些应用需求超过了内部时钟寄存器允许的范围,则MCU可以通过设置一个软件时钟,并利用多次唤醒休眠累加来实现超长时间休眠。问题是,如何选择一个最佳的唤醒时间设置实现MCU唤醒次数最少,唤醒时间最短?目前这个问题在众多研究同步的文章中均没有提及,因此本文设计了两种可配置的MCU唤醒机制:固定周期的休眠唤醒机制和可变周期的休眠唤醒机制。

如图3所示,假设一个节点在下次唤醒前需要休眠1 s,如果节点内部时钟寄存器设置每次的唤醒时间为256 ms并考虑到时钟漂移和累积误差等因素,MCU会经历3次休眠唤醒周期并在第768 ms以后(下文称为MCU唤醒状态)一直保持唤醒以保证在1 s到来时处于接收状态,而当内部时钟寄存器设置每次的唤醒时间为8 ms或32 ms时,MCU唤醒状态所保持的时间就会相应的缩短,但是整个1 s周期内唤醒的次数就会增加,这同样会带来额外的功耗。

图3 固定周期的休眠唤醒机制和可变周期的休眠唤醒机制

另一种唤醒机制是可变周期唤醒机制,即节点可以根据剩余休眠时间选择最大的可配置休眠时间,节点会在每一次休眠之前计算剩余需要休眠的时间,并将内部时钟寄存器配置为最接近该时间的数值,如图3所示,在1 s的休眠周期中,节点会不断地调节内部时钟寄存器数值为:512 ms、256 ms、128 ms、64 ms、32 ms和8 ms,利用可变周期休眠唤醒机制,MCU将最后的唤醒时间变得最小,最大程度的节约功耗。

显然,在具备多时钟源的无线传感器网络节点中,使用可变周期休眠唤醒机制更为合适,这不仅仅考虑到可以更加节约功耗,而是因为固定周期休眠唤醒机制会因为内部时钟的精度差导致另一个严重问题。尽管前文提出的同步算法可以校准节点的系统时钟,但是却并不能改变节点内部时钟的精度,当系统仅仅采用外部时钟时,MCU可以较为准确的设置其需要的休眠周期,因为外部时钟的精度可以做到×10-6级别。而采用多时钟源时,当一个节点设置了内部时钟休眠周期为512 ms,由于精度问题可能会远远大于或小于512 ms(内部时钟精度通常在百分之几),这就导致了很难事先为所有节点选定一套如图3所示休眠周期配置表。

3 评估

本章中,我们将评估两种休眠唤醒机制对功耗的影响。首先我们将先评估双时钟同步校准算法对功耗的影响,因为它是休眠唤醒机制的基础。此后,我们在相同的休眠唤醒算法下评估学术界常用的单时钟休眠配置机制和本文针对双时钟情况提出可变休眠配置机制对功耗的影响。

3.1 同步精度

图4 时钟同步算法测试方法

我们在目前国际上较为流行的IEEE082.15.4硬件平台上进行了本次评估,平台采用的是飞思卡尔公司的SoC芯片MC13213,总计使用了5个模组,其中一个作为全功能节点,另外4个作为传感器节点,整个无线网络每一秒钟进行一次同步。每个节点在软件中设置一个系统时钟参数,对于全功能节点来说,这个系统时钟始终工作在外部时钟模式下,对于传感器节点来说,我们首先让节点处于周期性休眠状态,节点采用内部时钟,当节点在唤醒期收到第一个信标帧以后,开始如图2所示的同步过程,当节点完成同步后恢复到仅采用内部时钟的周期性休眠唤醒模式。测试方法如图4所示,本轮测试每次由一个全功能节点和一个传感器节点进行测试。我们控制MCU的一个I/O引脚在系统时钟到达1 s时触发一次变化,并将此变化的通过示波器记录下来。我们观察并记录下每个节点在同步前和同步后的每秒系统时钟波形变化,总共记录10 s,并通过算数平均计算传感器节点的1 s时间与全功能节点1 s时间的误差。

图5展示了时钟同步算法经过10次同步后的效果,其中“sensor node B/S”和“sensor node A/S”表示同步前和同步后的效果。从图中可看到,刚开始4个传感器节点和全功能节点之间误差都不尽相同,从2.9 ms到34.4 ms(误差约为0.3%到3%)。当完成时钟同步算法后,4个传感器节点与全功能节点误差范围缩小到0.6 ms到0.8 ms(误差约为0.06%到0.08%)。

图5 短时间同步效果图

图6展示了同步算法在一个较长时间下的效果。我们每一分钟进行一次同步共计10 min,并通过示波器记录下实际时间和节点系统时间并进行计算。从图中我们可以看出在同步前4个节点与全功能节点间的误差较大,为0.09 s到2.09 s(误差约为0.2%到3%),当完成同步后,误差缩小到27 ms到34 ms之间(误差约为0.05%到0.06%)。

图6 长时间同步效果图

3.2 功耗

本节我们将对两种时钟配置机制和两种休眠唤醒机制进行评估。如第2章所述,固定周期休眠唤醒机制并不适合双时钟的应用,我们将比较单时钟同步算法下的两种休眠唤醒机制以及双时钟模式下的可变周期的休眠唤醒机制3种组合模式下的功耗情况。

对于固定周期休眠唤醒机制下节点功耗而言,最重要的是休眠唤醒周期设定问题。因此首先我们找到在何种周期下休眠唤醒机制能够给节点带来最小的功耗,并依据此周期进行接下来的测试。在这组测试中,节点的休眠唤醒周期设置为1 s,全功能节点每秒钟广播一个信标帧,传感器节点在同步后的每秒钟唤醒时会等待约2 ms来接收全功能节点的信标帧,用来模拟周期性同步和数据传输,之后进入休眠模式。我们让传感器节点仅仅使用外部时钟机制并且将休眠间隔设置为可以在32 ms到512 ms之间,测试节点利用图3中的固定时间机制分配休眠和唤醒的时间,并记录下每一秒MCU需要醒来多久。每一个节点的测试结果非常接近,如图7所示。在图中我们可以看到,当使用64 ms作为每次休眠唤醒的周期时,固定周期的机制可以达到最低的功耗,尽快采用32 ms为周期可以使得最后MCU的等待时间更短,但是更为频繁的休眠唤醒反而消耗了更多的能量,因此在接下来的评估中,我们将选择64 ms作为固定周期休眠唤醒机制的周期。

图7 在固定周期休眠唤醒机制下不同休眠唤醒周期MCU处于唤醒的时间

接着,我们将比较两种机制的功耗情况。测试框图如图8所示,每次试验由一个全功能节点和4个传感器节点组成。节点的休眠唤醒周期设置为1 s,全功能节点每秒钟广播一个信标帧,传感器节点在同步后的每秒钟唤醒时会等待约2 ms来接收全功能节点的信标帧,用来模拟周期性同步和数据传输,之后进入休眠模式,一台安捷伦电源分析仪接在传感器节点电源上,用来记录节点的实际功耗,节点供电为3.3 V。

图8 节点功耗测试示意图

表1描述了传感器节点在单时钟和双时钟机制下节点在不同状态下的平均电流。图9描述了MCU在单时钟和双时钟机制下,采用固定周期休眠唤醒机制和可变周期休眠唤醒机制时传感器节点的在每个休眠唤醒周期中MCU处于唤醒状态的时间。我们可以看到,由于第2章描述的原因,采用可变周期休眠唤醒机制的后两种方案MCU唤醒时间较少。图10描述了传感器节点综合利用不同的时钟机制和不同的唤醒休眠机制时各种组合在同一周期内产生的功耗。其中,功耗按照每个阶段的时间、电流和电压进行累加。结果表明,双时钟校准算法配合可变周期休眠唤醒机制使得节点在两个主要的时期以及最后总的周期内功耗最低,其原因是因为采用了如图9的时钟和休眠唤醒策略后,节点使用了功耗更低的内部时钟,这使得功耗使用效率得到了最大化。

表1 不同时钟机制下节点的平均工作电流

图9 MCU在一个周期内的唤醒时间Single和Dual分别为单时钟和双时钟同步算法;Fixed和Adaptive分别表示固定和可变周期休眠唤醒机制

图10 节点在一个周期内的功耗Single和Dual分别为单时钟和双时钟同步算法;Fixed和Adaptive分别表示固定和可变周期休眠唤醒机制

至此,实验已经表明双时钟校准算法配合可变周期休眠唤醒机制使得传感器节点可以节约大量的休眠功耗,之后我们修改节点的休眠唤醒周期,看看在不同的休眠唤醒周期下节点功耗情况。我们设置节点每个周期处于工作状态的时间为2 ms,其余时间处于休眠状态,休眠唤醒周期从0.5 s、1 s、2 s到4 s,即工作占空比从0.4%到0.05%。同样,对于固定周期休眠唤醒机制而言,每次我们都测试并选取其最低功耗的策略。图11表示在不同时钟算法和休眠唤醒机制组合下,不同工作占空比的传感器节点功耗。其中每条线代表的功耗,均是参与测试的4个传感器节点的算数平均功耗。从图11中我们可以看到,在占空比为0.4%时,双时钟算法结合可变周期休眠唤醒机制比单时钟算法结合固定周期休眠唤醒机制节约14%左右的功耗,而当工作占空比进一步下降至0.1%和0.05%时,功耗分别节约了27%和36%。

图11 不同占空比下传感器节点的功耗Single和Dual分别为单时钟和双时钟同步算法;Fixed和Adaptive分别表示固定和可变周期休眠唤醒机制

4 结论

目前,利用电池供电的传感器网络应用很多,如智能水表、气表、安防和智慧农业等等,在这些超低工作占空比的应用中,传感器节点需要在大部分的时间里处于休眠状态,休眠期间的功耗占节点寿命周期内总功耗的90%以上,本文研究了在超低工作占空比工作时节点功耗的两个重要方面:休眠功耗和周期性的唤醒功耗。我们提出了一种新的时钟配置方案可以让低功耗节点在休眠时候使用内部时钟而在无线电路工作时使用外部时钟,利用这个方案我们设计了一个多时钟源同步策略。同时我们提出了一种可变周期休眠唤醒机制,使得节点可以在双时钟模式下将能量分配的更有效率。之后我们在IEEE802.15.4硬件平台上对同步算法和休眠唤醒机制进行了对比测试,结果表明多时钟同步策略配合可变周期休眠唤醒机制可以显著降低无线传感器网络节点功耗,在典型的0.05%占空比时,功耗可以节约超过30%,随着占空比降低,节约的功耗将进一步提高。

[1] Ye W,Heidemann J,Estrin D. An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//IEEE INFOCOM,2002,3:1567-1576.

[2]Tang L,Sun Y,Gurewitz O,et al. PW-MAC:An Energy-Efficient Predictive-Wakeup MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//IEEE INFOCOM,2011:1305-1313.

[3]Tang L,Sun Y,Gurewitz O,et al. EM-MAC:A Dynamic Multichannel Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//Proceedings of the Twelfth ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing. ACM,2011:23.

[4]Ye W,Silva F,Heidemann J. Ultra-low Duty Cycle MAC with Scheduled Channel Polling[C]//Proceedings of the 4th International Conference on Embedded Networked Sensor Systems. ACM,2006:321-334.

[5]Ganeriwal S,Kumar R,Srivastava M B. Timing-Sync Protocol for Sensor Networks[C]//Proceedings of the 1st International Conference on Embedded Networked Sensor Systems. ACM,2003:138-149.

[6]许娜,张晓彤,胡国林. 基于能量感知的工业无线网络时间同步协议[J]. 传感技术学报,2010,23(3):434-440.

[7]Serpedin E,Chaudhari Q M. 无线传感器网络络同步技术[M]. 北京:科学出版社,2011:32-213.

[8]Elson J,Girod L,Estrin D. Fine-Grained Network Time Synchronization Using Reference Broadcasts[J]. ACM SIGOPS Operating Systems Review,2002,36(SI):147-163.

[9]Noh K,Serpedin E,Qaraqe K. A New Approach for Time Synchronization in Wireless Sensor Networks:Pairwise Broadcast Synchronization[J]. Wireless Communications,IEEE Transactions on,2008,7(9):3318-3322.

[10]Marco á,Casas R,Ramos J L S,et al. Synchronization of Multihop Wireless Sensor Networks at the Application Layer[J]. Wireless Communications,IEEE,2011,18(1):82-88.

[11]王越,万洪. 一种节能的无线传感器网络多跳自适应时间同步算法[J]. 传感技术学报,2013,26(11):1557-1563.

[12]Semiconductor F. The Data Sheet of MC13213[J]. http://www.freescale.com,2009-08-01.

[13]Römer K,Blum P,Meier L. Time Synchronization and Calibration in Wireless Sensor Networks[J]. Handbook of Sensor Networks:Algorithms and Architectures,2005,49:199.

[14]Wu Y C,Chaudhari Q,Serpedin E. Clock Synchronization of Wireless Sensor Networks[J]. Signal Processing Magazine,IEEE,2011,28(1):124-138.

[15]Lasassmeh S M,Conrad J M. Time Synchronization in Wireless Sensor Networks:A Survey[C]//IEEE SoutheastCon 2010(Southeast Con),Proceedings of the IEEE,2010:242-245.

张轩(1983-)男,硕士研究生,目前在东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心攻读博士学位,从事对无线传感网络MAC协议设计和研究,zhxchariot@163.com;

刘昊(1973-)男,博士,东南大学电子工程与技术学院副教授,研究方向为无线传感网、SoC设计、信号与通信系统等方向;

李智群(1959-)男,教授,东南大学信息科学与工程学院博士生导师、IC学院副院长、教育部射频集成电路与系统工程研究中心副主任,从事射频集成电路和无线传感网射频电路研究,101010283@seu.edu.cn。

AnUltra-LowPowerMACProtocolforWirelessSensorNetworks*

ZHANGXuan1,LIUYe1,LIUHao1,LIZhiqun2*

(1.National ASIC System Engineering Research Center,Southeast University,Nanjing 210096,China;2.Institute of RF-OE IC,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Energy is a critical resource in wireless sensor networks. In order to save the power,sensor nodes need to sleep most of time. Therefore,precise synchronization between nodes and ultra-low sleeping energy consumption is essential for prolonging network lifetime. However,when considering the configuration of wake-up time,clock source selection and the nodes synchronization problem in the actual use of the environment. There are some problems difficult to meet the requirements of the theory research. A new ultra-low power WSN MAC protocol(ULP-MAC)is proposed:Allow the sensor nodes to use serval kinds of clock to realize the optimal configuration of power consumption,using internal clock for the lowest power comsumption and switching to outside clock for the RF transceiver. At the same time,in order to slove the problem about the clock error increasing and the change of sleep cycle,this paper proposes the multi-clock wake-up mechanism and the nodes synchronization strategy. Finally this paper evaluates the introduced protocol and the SMAC protocol in a realistic IEEE802.15.4 test bed. The results show that,compared to SMAC mechanism,the ULP-MAC,which significantly decrease the sleep power comsumption and the synchronization time,greatly extend the life of the nodes.

wireless sensor network;ultra low power consumption;clock calibration;synchronization mechanism

项目来源:江苏省自然科学基金项目(BK2011018,BK2011334);江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(KYLX_0130)

2014-07-04修改日期:2014-10-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.016

TP393

:A

:1004-1699(2014)11-1527-07