无线传感器网络低能耗协议研究与仿真

徐力++屈召贵

摘 要： 针对目前无线传感器网络MAC协议无法在事件驱动感知和周期性事件感知共存的复杂环境下应用的问题，提出一种能够在分簇网络中应用的自适应混合MAC协议TC2?MAC。在研究了MAC层能耗来源及节能策略的基础上，给出了TC2?MAC协议的时隙分配方法、时间同步策略和CSMA/CA竞争接入机制。

关键词： 无线传感器网络； 网络体系结构； MAC协议； 节能

中图分类号： TN926?34； TM417 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）03?0007?05

Research and simulation of low?energy consumption protocol for wireless sensor network

XU Li1， QU Zhaogui2

（1. Experimental Center， Sichuan University Jinjiang College， Meishan 620860， China；

2. Experimental Center， Sichuan Technology and Business University， Chengdu 611745， China）

Abstract： Since the MAC protocol of the wireless sensor network can′t be applied to the complex environment of the coe?xisting of the event?driven perception and periodic event perception， a TC2?MAC of the adaptive hybrid MAC protocol applied to the clustering network is proposed. On the basis of studying the energy?consumption source and energy?saving strategy of the MAC layer， the time slot allocation method and time synchronization strategy of TC2?MAC protocol， and competition access mechanism of CSMA/CA are given.

Keywords： wireless sensor network； network architecture； MAC protocol； energy saving

0 引 言

随着传感技术、通信技术、分布式信息处理技术和微机电技术的快速发展，无线传感器网络[1]（WSN）的发展迎来了新的机遇和挑战。WSN的底层架构是通过MAC技术[2?4]来构建的，因此MAC协议是WSN发挥作用的重要前提，但现有的MAC协议[3，5]存在以下问题：

（1） 当突发/超限数据与周期性感知数据一同进行传送时，突发/超限数据无法完成实时性传送；

（2） 无法保证异构传感器节点对传送信道使用的公平性；

（3） 未考虑不同传感器节点的差异性服务质量（QoS）需求。

上述三个问题使目前的MAC协议无法在事件驱动感知和周期性事件感知共存的复杂环境下应用。

针对上述问题，提出了一种能够在分簇网络中应用的自适应混合MAC协议TC2?MAC。该协议通过使用二叉树形式的时隙块分配方法和时隙限制的CSMA/CA竞争接入机制，可以实现灵活的休眠调度机制，从而达到延长网络生命周期、提高WSN中突发/超限数据的传送实时性，改善异构传感器节点传送信道使用的公平性，并能够支持不同传感器节点的差异性QoS需求。

1 WSN网络体系及MAC层能耗分析

1.1 WSN网络体系

根据ITU?TY.2221建议的WSN未来泛在感知的应用框架结构，WSN采用分簇体系结构。根据节点成簇算法，将网络中的所有节点划分为若干个由成员节点和簇首组成的簇。为研究分析方便，在不改变分析结果的前提下，对上述网络体系做如下假设：

（1） 簇的划分使用固定簇方式。全部簇首均由具有特殊供电能力的节点担当，其电能足以完成网内节点数据融合及数据转发任务；

（2） 网内汇聚节点Sink为静止状态。全部簇首均可以与Sink直接进行通信；

（3） 所有节点均为静止状态。节点计算能力能够支持不同的MAC协议；

（4） 无线信号向各方向传送消耗的能量是相同的，且无线信道对称。

1.2 MAC层能耗分析

MAC层能耗主要由正常的业务数据收发、空闲侦听、冲突、串音、控制报文开销几方面组成，其中，正常的业务数据收发和控制报文开销的能耗属必须消耗。由于无线通信模块是传感器节点的主要能耗来源，而当节点处于休眠状态时，其能耗明显低于节点处于空闲侦听状态。因此可通过采用周期性睡眠和侦听策略及冲突避免机制来降低节点能耗。

2 自适应混合MAC协议TC2?MAC的实现

TC2?MAC协议首先用若干个大小相等的时隙划分通信时帧，然后将时隙编入A，B，C三个分组，并将其按照分组号交叉编排，各组时隙的特征如下：

A组时隙：节点主要用来传送周期性感知数据，节点工作機制为TDMA；

B组时隙：节点工作机制为CSMA/CA竞争机制，能够提高突发/超限数据的传送实时性；

C组时隙：簇首将接收到的数据发送至网内汇聚节点Sink。当节点无可传送数据时，能够进入休眠状态节能。

2.1 时隙分配方法

为改善节点对信道使用的公平性，采用二叉树时隙分割方法。利用二叉树分割法将时隙组A分割成若干个时隙块，所有时隙均按奇偶位对应关系进行分组，分组后形成时隙块二叉树。通过二叉树时隙分割法可以使全部时隙块内的时隙均匀分布，而且还能够通过时隙块的分解或合并构建出大小不同的时隙块，从而满足不同节点的差异性QoS需求。

TC2?MAC可以根据系统的不同QoS需求设定时帧和时隙长度，并且在网络运行过程中也能够灵活配置，时帧与时隙的关系如下：

式中：[Tframe]为时帧长度；[Tslot]为时隙长度，其值由数据传输速率、数据分组大小和时钟漂移参数决定；依据时隙块二叉树结构，各时隙组（A，B，C）中时隙个数的对数[k]值即为重复率数的最大值RRNmax。按照WSN中事件驱动感知和周期性事件感知共存的应用需求，结合分簇式网络体系结构模型，同时约定时隙块使用“组号?起始索引号?重复率数”的形式表示，则时隙分配的具体方法如下：

（1） 预留时隙设为A?0，B?0，C?0。其中，A?0用于簇首节点与网内汇聚节点Sink精同步；B?0用于网内汇聚节点Sink向簇首节点发送网管信息和新增节点入网精同步；C?0用于簇首节点向簇内成员节点发送网管信息和新增节点接收时隙分配参数。

（2） 除上述预留的A?0，B?0，C?0时隙外，A组其他时隙作为分配给簇内普通节点的固定时隙，用于普通节点向簇首节点传送数据；B组其他时隙作为公共竞争时隙，用于簇内普通节点向簇首节点发送突发/超限数据；C组其他时隙作为簇首节点专用时隙，用于簇首节点向网内汇聚节点Sink传送数据。

（3） 单位时隙长度[TSlot]与簇内节点传送数据的最小时间间隔[Δt]存在约束关系：

[Δt=3×2RRNmax-RRN×Tslot] （2）

式中：RRN是节点占用时隙块的重复率数，其应为整数，因此有如下关系：

[RRN≥RRNmax-log2Δt3×TslotRRNmin=RRNmax-log2Δt3×Tslot] （3）

从式（3）中重复率数RRN与时隙块个数之间的关系可以看出，若簇内节点数满足[N≤2RRNmax-RRNmin]关系，就可以保证簇内每个节点至少占有一个重复率数为RRNmin的时隙块，同时也就使簇内所有节点发送感知数据的时间间隔满足式（2）。

（4） 最大公平性原则。当节点数[N≤2RRNmax-RRNmin]时，将时隙块二叉树中（[2RRNmax-RRNmin-N]）个重复率数为RRNmin+1的时隙块分配给（[2RRNmax-RRNmin-N]）个能量较高的节点，然后将余下的重复率数为RRNmin+1的时隙块包含的重复率数为RRNmin的子时隙块分配给其他节点；当[N>2RRNmax-RRNmin]时，先将时隙块二叉树中（[2RRNmax-RRNmin+1-N]）个重复率数为RRNmin的时隙块依次分配给（[2RRNmax-RRNmin+1-N]）个能量较高的节点，后将余下的重复率数为RRNmin的时隙块包含的重复率数为（RRNmin?1）的子时隙块分配给其他节点。

（5） QoS差异性原则。尽量满足网络中异构节点的不同时延需求，在具体应用中，可根据各节点的不同时延需求，采用更加灵活有效的配置方法。

（6） 以上时隙分配方法将时帧中的全部时隙都分配给了簇内节点，在实际应用中，也可保留一部分时隙供新增节点使用。

2.2 时间同步策略

TC2?MAC协议采用的是基于时间调度的信道接入机制，必须保证簇首与簇内节点之间的时间同步。采用基于“汇聚节点?簇首?普通节点”形式的分级粗同步和按需精同步的时间同步策略。

在网络拓扑形成过程中，汇聚节点会周期性地广播包含汇聚节点当前时间的入网同步信标。簇首节点通过接收到的入网同步信标中的时间完成自身时间的调整，实现粗同步。完成粗同步后，簇首节点通过CSMA/CA竞争机制接入相应信道，然后采用双向报文交换机制实现与汇聚节点的时间精同步。簇内普通节点利用簇首广播的簇信标完成入网被动粗同步。

在网络运行过程中，随着运行时间的增加，簇首和普通节点的时间精度需要再同步。根据时间精度的等级要求，簇首按需在A?0时隙通过双向报文交换机制实现与汇聚节点的时间精同步。普通节点按需在所分配的时隙块内通过双向报文交换机制实现与簇首的时间精同步。

2.3 CSMA/CA竞争接入机制

为提高突发/超限数据的实时性传送要求，TC2?MAC协议在B组时隙内使用CSMA/CA竞争接入机制，其具体执行流程如图1所示。

在每次数据传送过程中，节点都要维护表示本次传输的退避次数的参数NB和表示退避指数的参数BE两个变量。其中NB的初始值为0，BE的最小值由最大值macMin BE和macMax BE设定。退避指数、退避窗口和退避时间之间的关系如下：

式中：[Wi]和[Tibackoff]分别表示第[i]个退避阶段的退避窗口和退避时间；[m]和[σ]分别表示允许的最大退避次数和退避的单位时间长度。

退避时，每经过一个单位时间长度[σ，]退避计数器减1，当退避计数器减为0时执行CCA，如果此时信道空闲，则发送数据；否则通过重置退避参数，执行新的退避阶段。当退避次数达到允许的最大退避次数[m]时，此时信道如果仍非空闲状态，则停止退避过程并缓存未发送的数据，以便在接下来的竞争时隙中继续竞争发送。

3 网络性能分析

3.1 吞吐量分析

由TC2?MAC的工作过程可知，A组时隙中的节点应用TDMA机制将簇内节点数据发送至簇首，B组时隙中的节点应用CSMA/CA竞争机制将簇内节点数据发送至簇首。假设簇首接收到的各节点传送来的数据包需全部发送至汇聚节点Sink，A组时隙和B组时隙节点全部工作在飽和状态，簇首的数据发送队列始终非空，则簇首在C组时隙应用的信道接入机制就决定了系统的饱和吞吐量。此处簇首采用CSMA/CA机制访问信道。由于同一时刻汇聚节点Sink只能成功接收一个簇首发送的数据，若网络中共有[n]个簇首，则网络的饱和吞吐量为：

式中：[Tslot]和[EP]分别表示单位时隙长度和单位时隙长度的平均数据载荷。假设[Tslot=]0.007 812 s，数据速率DataRate=250 Kb/s，数据帧载荷Payload=976 b，则网络饱和吞吐量关系曲线如图2所示。

从图2中可以看出：当网络中簇首数量[n=1]时，网络饱和吞吐量达到最大值，这是因为此时簇首不存在信道竞争所致。随着簇首数量[n]的增加，网络饱和吞吐量呈现下降趋势，这是因为簇首数量[n]的增加会使各簇首间的数据传送冲突概率增加。因此在实际WSN的应用中，通过数据融合算法对数据进行融合，降低冗余数据的发送量，以尽量避免网络工作在饱和状态，这样能够提高网络的吞吐量。

3.2 端到端时延分析

网络端到端时延如式（6）所示：

式中：[τtr，τpr]和[σ]分别表示发送时延、传播时延和处理时延。出于网络节能目的考虑，节点仅在其所分配时隙块的部分子时隙内工作，而在余下时隙进行休眠，所以网络端对端时延本质是一个随机变量，此处仅分析网络最小端到端时延。通过对TC2?MAC二叉树的时隙组功能划分规则的分析可知，普通数据最小端到端时延不大于3个时隙，突发/超限数据的最小端到端时延不应大于2个时隙。

4 系统仿真

由于TC2?MAC适用于分簇网络，为使仿真具有对比性，采用OPNET软件包对TC2?MAC（DSSS）和LEACH?TDMA（DSSS）协议的平均吞吐量和平均端对端时延性能进行仿真分析，仿真中簇内节点数[n]由2逐渐增加至25，簇首个数ch由1逐渐增加至6，突发/超限数据到达时间间隔[λ2]分别取表1中的值，主要仿真参数如表1所示。

当[ch=5，][λ2=10]时，网络平均端到端时延和网络吞吐量随簇内节点数[n]的变化如图3所示。

从图3中可以看出，在ch与[λ2]不变的情况下，在网络平均端到端时延特性方面，TC2?MAC（DSSS）网络的时延随簇内节点数[n]的增加变化较平缓，而LEACH?TDMA（DSSS）网络的时延随簇内节点数[n]的增加快速增加；在吞吐量性能方面，由于TC2?MAC（DSSS）的B组时隙使用了CSMA/CA竞争机制，在仿真条件下突发/超限数据的通信信道冲突概率很小，故TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

当[n=24，][λ2=10]时，网络平均端到端时延和网络吞吐量随簇首数目ch的变化如图4所示。

从图4中可以看出，在[n]与[λ2]不变的情况下，在网络平均端到端时延特性方面，两种协议的时延特性均不随簇首数ch的增加产生明显变化；在吞吐量性能方面，由于TC2?MAC（DSSS）的B组时隙使用CSMA/CA竞争机制，在仿真条件下突发/超限数据的通信信道冲突概率很小，故TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

当[ch=5，n=24]时，网络平均端到端时延和网络吞吐量随突发/超限数据到达时间间隔[λ2]的变化如图5所示。

从图5可以看出，在ch和[n]不变的情况下，在网络平均端到端时延特性方面，两种协议的时延均与[λ2]反方向变化，当[λ2≥1]s时，网络时延的增长趋势较平缓，当[λ2<1]s时，增长趋势开始变大，当[λ2=]0.01 s时，LEACH?TDMA（DSSS）协议的时延特性急剧恶化，而TC2?MAC（DSSS）协议的时延特性对[λ2]的变化却不敏感。在吞吐量方面，当突发/超限数据到达时间间隔[λ2]增加到一定程度时，LEACH?TDMA（DSSS）协议的吞吐性能优于TC2?MAC（DSSS）的协议。

间隔变化曲线

综上分析有如下结论：

（1） TC2?MAC使用的二叉树时隙分割方法和时间同步策略，在保证网络周期性数据正常传输的前提下，能够实现突发/超限数据的实时性传送，也就支持了不同节点的差异性QoS需求。

（2） 在网络时延特性方面，TC2?MAC（DSSS）协议能够良好地适应簇的数目、簇内节点数目和突发/超限数据业务流量的变化，同时其时延特性显著优于LEACH?TDMA（DSSS）協议。

（3） 在网络吞吐量特性方面，在突发/超限数据流量较小的情况下，两种协议的性能基本持平，但当突发/超限数据流量增加到一定数量时，TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

通过以上仿真实验可以看出，提出的TC2?MAC协议在基本不降低网络性能的前提下，解决了目前MAC协议存在的突发/超限数据实时性传送问题、异构传感器节点对传送信道使用的公平性问题及不同传感器节点的差异性QoS需求问题。

5 结 论

本文提出的适用于无线传感器网络的自适应混合MAC协议TC2?MAC能够有效地解决目前无线传感器网络MAC协议中存在的问题。在对目前常用的无线传感器网络体系及能耗分析的基础上，给出了TC2?MAC协议的实现方法并对其网络性能进行了理论分析，最后通过仿真实验证明了所提出协议TC2?MAC的有效性。

参考文献

[1] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005：59?60.

[2] RHEE I， WARRIER A， AIA M， et al. Z?MAC： a hybrid MAC for wireless sensor networks [J]. IEEE/ACM transactions on networking， 2008， 16（3）： 511?524.

[3] WPAN Working Group. Wireless medium access control （MAC） and physical layer specifications for low?rate wireless personal area networks （WPANs）： IEEE Std 802.15.4?2006 [S]. US： C/LM ? LAN/MAN Standards Committee， 2006.

[4] SARVAKAR K， PATEL P S. An efficient hybrid MAC layer protocol utilized for wireless sensor networks [C]// Proceedings of 2008 the Fourth International Conference on Wireless Communication and Sensor Networks. Gujarat： IEEE， 2008： 22?26.

[5] 郑国强，李建东，周志立.无线传感器网络MAC协议研究进展[J].自动化学报，2008，34（3）：305?316.

[6] 李军.无线传感网络自私节点检测的软件设计与仿真[J].计算机仿真，2016，33（6）：246?249.