基于事件驱动型的WSN跨层MAC协议

董 颖，崔梦瑶，周占颖，吴 昊，吕 杨，张 超

(吉林大学 通信工程学院，长春 130012)

基于事件驱动型的WSN跨层MAC协议

董 颖，崔梦瑶，周占颖，吴 昊，吕 杨，张 超

(吉林大学 通信工程学院，长春 130012)

传统的S-MAC(self-organizing medium access control)协议采用了协商一致的睡眠调度机制，在网络中形成虚拟簇的同时引入自适应侦听过程，但是由于增加了睡眠时间而限制了网络吞吐量，导致网络开销较大和端到端传输时延较长。为此，提出一种基于事件驱动型的跨层媒体接入控制协议 (event driven cross layer-media access control，EDC-MAC)。采用跨层优化的方法，同时考虑网络层和MAC层，并且依据网络数据传输的特点将网络分为非事件状态和事件激活状态。有效地节约了能量，并减少了事件汇报时延。此外，当节点被激活处于事件激活状态时，采用分簇的方法将事件区域内的节点动态分簇，有效地减少了传输数据的能量开销。通过理论分析和仿真验证了EDC-MAC协议在相同数量感知节点情况下相对S-MAC协议能够平均减少时延35%左右，提高网络剩余能量10%左右。

无线传感器网络；MAC协议；跨层优化；事件驱动型

0 引 言

21世纪以来无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)[1-5]作为物联网底层的感知网络之一被广泛关注。随着WSN的日益成熟，逐渐出现了各种不同的应用场景。如实现对外界环境进行周期性检测的时间驱动型WSN和对大量突发事件进行实时处理的事件驱动型WSN。本文所研究协议主要是针对事件驱动型的WSN，它的主要特点是网络所监控的事件是小概率事件，当有事件发生时，相关节点会第一时间将提示信息和其他相关参数反馈给sink节点，因此，对网络的最主要的要求是传输的可靠性和实时性。WSN中的媒体接入控制(media access control，MAC)协议[6]是数据链路层的重要协议，负责合理地分配信道资源，同时为网络层提供服务。MAC协议直接影响到WSN的性能，合理地优化MAC协议不仅能够有效提高网络层路由选择的工作效率，而且由于MAC协议中节点在共享信道情况下能够最大限度地减少干扰和碰撞，对于提高传输的可靠性和减少网络的能量消耗具有重大意义。因此，低能耗高效率的MAC协议对建立一个高性能的WSN具有决定性的作用。

WEI Ye等[7]在研究事件驱动型WSN时，为节约网络能量和适应网络拓扑结构的变化，提出了基于周期侦听/睡眠机制的S-MAC(self-organizing medium access control)协议。采用协商一致的睡眠调度机制，在网络中形成虚拟簇，并同时引入自适应侦听机制，通过带内信令减少重传和避免监听不必要的数据。但S-MAC协议由于引入了较大的睡眠而限制了网络吞吐量。为解决S-MAC协议中由于时间同步导致开销较大和端到端传输时延较长等问题，又对S-MAC协议提出了改进。文献[8]在S-MAC协议的时间同步算法基础上，通过引入簇控制和边界节点控制方法提出了一种分簇时间同步算法，既有效控制了网络中的簇数量和边界节点数又节约了能耗并有效延长了网络生存周期。但是，由于WSN的体系结构中各层间是互相关联的，对MAC协议的研究仅局限于MAC层内部并不能更进一步降低能耗和提高网络效率，因此，本文将跨层优化设计方法[9-11]引入MAC协议的设计中。

由于事件驱动型WSN的应用场景决定了事件的发生具有随机性特点，为此文献[12-13]中提出了一种基于竞争的MAC协议，即Sift协议。Sift协议中假定感知事件的节点数相同，且竞争窗口固定，因此Sift协议并不能很好地适应网络节点的变化和流量负载的变更。此外该协议对时间同步要求高，也更适合于局部区域(如簇的内部)。文献[14]设计了一种事件驱动应用感知的无线传感器网络MAC(event driven application-MAC，EDA-MAC)协议。该协议使用了竞争时隙分配算法对优先级最高的事件进行汇报，有利于优先事件的传输，同时提出了一种时隙动态调整算法，即根据已有汇报事件的信息，动态调整非竞争周期和非活动周期的时隙数目，最大程度地使节点处于睡眠状态，有效降低了节点能耗。文献[15]中ED-TDMA(event driven-TDMA)协议对传统的TDMA协议做出了改进，更加适用于事件驱动型无线传感器网络。协议中将没有监测到事件的节点设为冗余节点，冗余节点平时处于睡眠状态以减少能耗，并且能够在适当的时候醒来以完成监测任务。在事件驱动型WSN中，不是每个节点都有数据发送，这会产生许多空闲时隙，浪费带宽和能量。以上文献虽然都做出了很大贡献，但是由于事件驱动型WSN只有在有事件发生时节点才会采集大量的数据并发送给sink节点，没有事件发生时只会产生少量的常规信息。因此网络协议的设计必须能够适应网络拓扑结构和负载的变化。

综合以上因素，提出一种适用于事件驱动型WSN的综合网络层和MAC层的跨层EDC-MAC(event driven cross layer-MAC)协议。相比较S-MAC和ED-TDMA协议，使用EDC-MAC协议既可以节约大部分能耗，同时也减少了数据递交的时延。

1 EDC-MAC协议

1.1 协议思想

根据事件驱动型WSN的数据传输特点，EDC-MAC协议将WSN的工作状态划分为2种：非事件状态和事件激活状态[16]。非事件状态是指没有事件发生，网络持续处于低数据量的监测状态；事件激活状态是指网络中某个区域内有事件发生，此时该区域内相关节点会采集到大量数据，具有一定的突发性。

在非事件状态时，节点由于没有检测到事件发生，只是周期性地向sink节点汇报少量数据，此时网络流量的负载低且数据是可预测的，因此要尽量减少能量消耗。EDC-MAC在非事件状态时采用低占空比的S-MAC协议。协议可以根据不同的网络要求设置不同的占空比，保证节点大部分时间处于睡眠状态以减少能量消耗，少部分时间醒来以传输数据。由于网络的流量负载较低，此时在路由层选择使用非分簇的路由协议。

在事件激活状态，区域内的某些节点被激活由睡眠状态转为事件激活状态。区域内的相关节点同时采集到了大量数据，这些数据需实时传送给sink节点。由于采集到的数据具有不可预测性，因此对区域内的节点采用动态分簇的方法进行分簇。簇内采用TDMA调度分配时隙，每个节点都能够将数据传送给簇头节点，簇头节点将数据压缩融合后再传送给sink节点，这样可以有效减少传输数据所需的能量开销。

1.2 协议描述

1.2.1 EDC-MAC协议工作流程

EDC-MAC协议的工作流程图如图1所示。当网络开启时，网络中采取EDC-MAC协议中非事件状态下的低占空比侦听/睡眠机制S-MAC协议，并且通过判断网络中是否有事件发生，选择网络是否进入事件激活状态。

图1 EDC-MAC协议工作过程流程图Fig.1 Work flow chart of EDC-MAC

1)非事件状态。在此状态下节点传输的数据量少，使用S-MAC协议的周期性侦听/睡眠机制工作。根据所需报告的常规信息多少以及周期的长短设置S-MAC协议的周期长度和占空比，以保证既能按时传送周期性报告信息又能尽量保持睡眠状态以节约能量。在此状态下，为节约能耗路由协议选择采用平面路由协议以减少成簇开销。

2)事件激活状态。当某区域有事件发生时，区域内相关节点采集到大量数据并进入事件激活状态。此时改变路由协议和MAC协议策略，监测到事件发生的相关节点组织成簇，依据节点的剩余能量和距sink节点的距离选出簇头。簇内采用TDMA调度分配时隙，节点在自己的时隙内将采集到的信息传送给簇头节点，簇头节点将数据融合后采用簇间S-MAC协议传给sink节点，此时路由层采用分簇路由协议通信。当所有节点传送完数据，网络又恢复至非事件状态时，解散簇，采用非事件状态MAC协议。

1.2.2 路由层分簇

在非事件状态时，数据包的到达率很慢，当有事件发生时，数据包的到达率会发生突变可能达到很高的值，因此可以依此来判断网络的状态。由于监测区域内不一定所有的节点都会监测到事件的发生，网络分为以下几种工作情况，如图2所示。

节点采集到数据后在路由层进行缓存，当检测到数据包的到达率超过门限阈值时，节点在下一个周期到来时在路由层成簇，并相应改变MAC策略。

1)偶然事件发生。如图2a所示，当某事件的影响范围很小时，只有一个节点监测到事件的发生，感知到事件的节点被激活且不再睡眠。节点广播成簇信息，但由于只有此节点被激活，所以它不会收到来自其他节点的成簇确认信息，无法成簇。该节点仍然使用路由缓存表里的路径信息，将采集到的数据利用簇间MAC协议传送给sink节点。

2)小范围事件发生。如图2b所示，当有某些小范围事件发生时，感知到事件的节点数量较少，节点间相互可以通信，广播成簇信息后即可建立一个簇，此时根据簇内各节点的剩余能量和与sink节点之间的距离，选举出簇头节点，在簇内采用TDMA调度，节点在自己的时隙内将数据传送给簇头节点，簇头节点将数据融合后采用簇间MAC协议传送给sink节点。

3)多事件同时发生。如图2c所示，当监测区域内多个区域同时有事件发生时，感知到事件的节点很多，这种情况最常见。此时，多个节点在簇建立阶段广播成簇信息，网络中各苏醒的节点根据节点的剩余能量和与sink节点之间的距离建立多个簇，各簇头节点对本簇内各节点所搜集到的数据进行融合后，再采用簇间MAC协议传送给sink节点。

图2 感知节点不同的情况Fig.2 Situations of different sensing node

2 协议工作过程

EDC-MAC协议的工作可以分为：没有事件发生时各节点处于睡眠状态，有事件发生时某个节点或某些节点处于激活状态以及节点搜集到数据后传输数据过程。下面将分别对事件激活状态的过程和数据传输过程加以分析。

2.1 EDC-MAC协议在事件激活状态下的工作过程

在有事件发生后网络中相关节点处于事件激活状态，EDC-MAC协议按轮运行，每轮包括成簇阶段，调度阶段和数据传输阶段。帧结构如图3所示。

图3 EDC-MAC协议帧结构Fig.3 Structure of EDC-MAC

从图3可以看到，在成簇阶段，节点采用CSMA MAC(carrier sense multiple access MAC)协议[17]广播HELLO消息对网络进行初始化，消息包括节点剩余能量信息和到sink节点的距离长度，每个监测到事件的节点都记录此信息。现在有很多适用于不同场景的分簇路由协议，本文采用如(1)式的簇头选举公式选出簇头，并确定簇间路由算法。

(1)

(1)式中：r为现在的轮数；p为簇头在节点中所占比重；G为没做过簇头的节点的集合；ω1，ω2，ω3表示这几项参数所占的比重，且ω1+ω2+ω3=1；En_l为节点的剩余能量；En_i为节点的原始能量，LBS_n为节点到基站的距离；Lmax为所有节点和基站的最长距离。

被选为簇头的节点广播自己是簇头的消息，其他节点选择就近加入某簇。这样在事件发生区域就形成了临时簇，如果区域较大则形成多个临时簇，如果区域较小则形成很少的临时簇，甚至可能只形成一个临时簇。

这些临时簇建立后，就进入稳定阶段，簇头为本簇中的节点建立TDMA调度，每一轮分为n个帧，每个帧又分为若干时隙，时隙数与本簇内的节点数相同，每个节点可以分配到一个时隙，每个帧对应一次数据采集。时隙分配好后，簇头节点广播调度，即进入数据传输阶段，簇内节点在分配给它的时隙内将数据传送给簇头节点，在其他时隙则进入睡眠状态，以节约能量消耗，簇头节点收集所有节点的数据并进行融合，然后采用簇间MAC协议将数据传送给sink节点。

当完成n帧数据收集后，就进入下一轮，重新选举簇头，重新进行调度，此时若有节点再也没有监测到事件，则退出分簇而重新采用侦听睡眠机制的S-MAC协议。进行若干轮后若区域内不再有节点监测到事件则解散簇，所有节点又重新恢复到非事件状态，网络仍继续采用侦听/睡眠机制的S-MAC协议。

2.2 簇间MAC协议

网络根据路由算法确定簇间路由并存储在路由缓存表中，因为在选簇头时考虑了节点与sink节点的距离长度，所以在簇头节点距离sink节点较近时可以直接与sink节点通信，当距离sink节点较远时则采用多跳的方式，当感知节点只有一个时也以多跳的形式传给sink节点。

1)当以单跳形式传送给sink节点时，节点判断下一跳为目的sink节点，则使用S-MAC协议的RTS/CTS(request to send/clear to send)帧格式(见图4)向sink节点发送RTS请求，sink节点回复CTS建立握手后接收数据，其他没有感知到事件的节点偷听到此RTS/CTS时知道有大量数据在传送，设置自己的NAV值，进入睡眠进行退避。

2)当以多跳方式传送给sink节点时，使用图4中的RTS/CTS帧格式，并进行自适应侦听，这样在通信路径上的节点可以为此次通信预留信道，下游节点可以及时醒来接收数据，可以有效减少递交数据的时延。

图4 RTS/CTS帧格式Fig.4 Format of RTS/CTS

为了更好地适应事件驱动型WSN的数据传输特性，EDC-MAC协议通过引入跨层优化的方法同时考虑路由层和MAC层，使节点在非事件状态时可以节约大量的能量；在事件激活状态时采用TDMA调度以有效减少碰撞，并且采用分簇机制，对数据进行融合，有效减少开销；在簇间MAC协议中采用预约握手机制，有效减少了时延，并保证了数据传输的可靠性。

3 仿真分析

本文利用OMNET++仿真软件对提出的EDC-MAC协议进行仿真，并与S-MAC协议和ED-TDMA协议进行了能量总消耗、网络剩余能量和时延等参数指标的对比分析。

3.1 参数设置

在100 m×100 m的区域内随机布置60个节点，假定每个节点都可以直接与sink节点相互通信，每个节点所需的发送/接收功率为0.5 W,所需空闲侦听功率为0.45 W，所需睡眠功率为0.05 W。具体所设置的仿真参数如表1所示，利用改变数据包的到达间隔来模拟事件的到来。假设当数据包的到达间隔为10 s时为非事件状态，此时采用周期长度为2 s的S-MAC协议。本文以400 s为一个仿真周期，网络开始运行时，数据包的到达间隔为10 s，即没有事件发生；当网络运行到100 s时，假设在某一个小区域内分别有10～40个节点改变数据包到达间隔为1 s，即此区域有事件发生，此时改变MAC策略。当网络运行到300 s时，事件结束，数据包的到达间隔恢复为10 s的状态。

表1 仿真参数设置

3.2 仿真分析指标

主要对以下几个指标进行仿真分析。

1)能量总消耗。网络在非事件状态周期性传输数据消耗的能量和事件激活状态时传输大量事件数据消耗能量的总和。

2)网络剩余能量。感知节点数一定时，网络在不同的仿真时间时，网络节点总的剩余能量。表明了网络在不同仿真时间能量消耗的快慢。

3)时延。同一数据从源节点产生到递交给sink节点所用的时间。这里指的是在不同感知节点数的情况下，端到端的平均时延。

3.3 仿真分析过程

利用OMNET++软件对此协议进行仿真研究，按表1设置仿真参数，得到网络节点拓扑图5。为便于分析说明，拓扑结构用软件Visio编辑后，标识出当区域内节点感知到事件的发生，采集到数据，数据量变大，在此区域内采用分簇的TDMA调度。

3.3.1 网络拓扑结构

仿真拓扑如图5所示，当区域内有事件发生时，相关节点采集到大量数据而进入事件状态，监测到事件的节点自组织成簇，如图5中圆圈所示区域。簇内采用TDMA调度分配时隙，节点在自己的时隙内将采集到的信息传送给簇头节点(node17)，簇头节点将数据融合后采用簇间MAC协议传给sink节点(node19)，最终监测数据汇总传送到基站。

图5 仿真拓扑图Fig.5 Simulation topology

3.3.2 能量总消耗

图6为感知事件在节点数量不同时网络的总能量消耗仿真结果对比图。

从图6中可以看出，随着感知节点数量的增加，需要传输的数据量增大，3种协议所消耗的总能量也都在逐渐增加。当感知节点数较少时，S-MAC协议的占空比固定，数据发送间隔较小，空闲侦听较少，因而能耗增加缓慢；当感知节点数量进一步增大时，由于碰撞增多，因而能量消耗迅速增加。ED-TDMA协议在调度之前加入了预定阶段，未监测到事件的节点由于没有分配时隙而直接进入了睡眠状态，有效地节约了能量，所以其能量消耗少于S-MAC协议。EDC-MAC协议对感知事件的节点采用分簇的思想，进行数据融合，并且采用TDMA调度，减少了碰撞，同时有效地减少了传输数据的能耗开销；而对未感知事件的节点仍然采用周期侦听睡眠机制，因此，与S-MAC相比节省了较多的能量消耗。EDC-MAC协议在感知节点数增多，由于成簇和调度的开销增大，伴随着其总的能量消耗也将增多。实验仿真中，当感知节点数量超过25个，网络中的总能量消耗速度也将加快；当感知节点数量达到40个时，使用EDC-MAC协议相比于S-MAC协议，可减少网络总能量消耗约13%。在感知节点数较少或当网络处于非事件状态时，EDC-MAC协议未感知到事件的节点使用了S-MAC协议而并未参与分簇，此时较ED-TDMA协议相比减少了分簇所需的能量消耗。

图6 总耗能量对比图Fig.6 Comparison of total energy consumption

3.3.3 网络剩余能量

图7为3种协议网络剩余能量随仿真时间变化的仿真结果对比图，假设感知节点个数为30个。

从图7中可以看出，当仿真时间在少于100 s时，由于网络处于非事件状态，EDC-MAC和S-MAC 2种协议均采用周期侦听睡眠机制的S-MAC协议，所以网络剩余能量基本相同，然而在仿真时间少于100 s时的ED-TDMA协议中，由于仍然采用分簇机制，导致增大了其网络的开销，消耗的能量也将多于其他2种协议，所以网络剩余能量较少。当仿真时间在100 s到300 s之间时，网络进入事件状态，数据量加大消耗的能量也相应增多，所以网络剩余能量下降较快。由于EDC-MAC协议和ED-TDMA协议较S-MAC协议相比可以减少能量消耗，所以网络剩余能量高于S-MAC协议。当仿真时间到达300 s时，使用EDC-MAC协议相比于S-MAC协议可提高网络剩余能量10%，相比于ED-TDMA协议可提高网络剩余能量5%。当仿真时间大于300 s时，不再有事件发生，网络逐渐恢复至非事件状态，数据量减少，所以，网络剩余能量下降缓慢并逐渐趋于平缓。

图7 网络剩余能量对比图Fig.7 Comparison of network surplus energy

3.3.4 时延

图8为不同感知节点数时，数据的端到端平均时延仿真结果对比图。

图8 时延对比图Fig.8 Delay comparison

从图8中可以看出，随着感知节点的增多，数据量的增大，3种协议的传送消息的端到端时延都有所增长。从图8中还可以明显地看出EDC-MAC协议和ED-TDMA协议时延远小于S-MAC协议，其中，EDC-MAC协议相比S-MAC协议节省将近一半的时间，这是由于S-MAC协议采用周期侦听/睡眠机制，存在睡眠时延并且由于存在数据碰撞的原因导致时延较大，而EDC-MAC协议和ED-TDMA协议，不存在睡眠时延，同时使用了分簇机制能够有效地减少碰撞，所以时延较小。当感知节点增多时，簇内TDMA时隙变多，因而EDC-MAC协议和ED-TDMA协议的时延也将增加。EDC-MAC协议在簇间通信时又采用了预约机制，可以及时地把数据发送到sink节点。当网络中感知节点数目到达40个时，使用EDC-MAC协议对比S-MAC协议可减少时延30%，对比ED-TDMA协议可减少时延10%。从图8中可以看出，使用EDC-MAC协议比S-MAC协议平均可减少时延35%左右。

4 结 论

本文提出了基于跨层事件驱动型MAC协议，把网络节点分为2种状态：非事件状态和事件激活状态。非事件状态时仍然使用S-MAC协议，路由层采用平面路由协议，以减少能量的消耗；事件激活状态时，感知事件的节点在网络层组织成簇，改变MAC策略，簇内采用TDMA调度，将数据传送给簇头节点，经过数据融合处理后使用簇间MAC策略再传给sink节点，有效地减少碰撞和能量开销。仿真结果表明EDC-MAC协议在相同数量感知节点情况下，相对于S-MAC协议可平均减少时延35%左右；在感知节点增多的情况下，相对于S-MAC协议可提高网络剩余能量10%左右。

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(编辑：张 诚)

The National Natural Science Foundation of China(61107040)

Cross-layer MAC protocol based on event driven for WSN

DONG Ying, CUI Mengyao, ZHOU Zhanying, WU Hao, LV Yang, ZHANG Chao
(College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun 130012, P.R.China)

Traditional S-MAC protocol adopted the consistent negotiation of sleep scheduling mechanism, forming virtual clusters in the network and introducing the adaptive listening at the same time, but it limited the network throughput due to the introduction of large sleep, leading to the network overhead and the longer end-to-end transmission delay. To solve this problem, a cross-layer MAC protocol based on event driven-EDC-MAC protocol was proposed. Protocol used the method of cross-layer optimization, both taking the network layer and MAC layer into account, and the network was divided into non-event status and event status relying on the characteristics of network data transmission. It could save energy effectively and reduce the event reporting delay. Adopting the method of clustering , nodes in the event area clustered dynamically when a node was activated into the event status, and it would reduce the overhead of data transmission energy effectively. The theoretical analysis and simulation showed that the EDC-MAC protocol can averagely reduce the delay time nearly 35% in the case of the same number of sensing nodes and improve the network surplus energy nearly 10% related to S-MAC protocol.

WSN, MAC protocol, cross-layer optimization, event driven

2016-06-25

2017-04-16 通讯作者：董 颖 dongying@jlu.edu.cn

国家自然科学基金(61107040)

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.03.002

TN915.04;TP393

A

1673-825X(2017)03-0293-08

董 颖(1971-)，女，吉林人，副教授，博士，主要研究方向为无线传感器网络，物联网。E-mail: dongying@jlu.edu.cn.

崔梦瑶(1992-)，女，辽宁人，硕士研究生，研究方向为无线传感器网络。E-mail:1484355390@qq.com.