按需时隙分配的传感器网络多址接入协议研究

张 鑫，焦万果

(南京林业大学，江苏 南京 210037)

0 引言

随着物联网时代的到来，作为智能化产业重要组成的无线传感器网络(WSN)面临更高的网络性能要求[1]，包括更低的功耗和时延。在WSN中，多址接入协议(MAC)作为配置节点信道接入的重要手段，对网络的吞吐量、时延及能量消耗等性能有着非常大的影响，是实现低功耗低时延传感器网络的重要研究对象[2]。

现有MAC协议一般基于时隙分配来实现多用户接入，时隙分配算法极大影响着网络性能[3]。文献[4]论述了随机多址接入协议在负载突增时表现很差，而基于时分多址的协议却能很好地适应网络流量变化。文献[5]提出一种基于时分多址的改进MAC协议(I-MAC)，该协议只适用于规模较小的传感器网络，一旦网络规模扩大，同步误差会迅速增大。文献[6]提出一种面向可移动节点的MAC协议，基于竞争退避算法消除显隐终端问题，并实现了择优选择中继、减少传输跳数的目标，有效降低了传输时延和能耗。文献[7]设计了一种预测唤醒机制，发送节点通过该机制选择唤醒时间，接受节点自适应调整占空比，一次实现降低能耗和时延的目的。本文在文献[5]的基础上设计了一种按需时隙分配的多址接入协议，仿真结果显示，该方案实现了减小功耗的同时降低传输时延并提高网络鲁棒性的目的。

1 I-MAC协议概述

I-MAC协议包含了一种链路质量估计算法，确保链路完整且双向通信质量在一定程度上可靠，并确定节点之间的父子从属关系。在此基础上，进一步设计了时隙需求计算以及相应的时隙分配算法，达到对各层节点的时隙调度和按需分配数据时隙的目的。由于每个节点可以独占被分配的时隙，传输过程中的冲突得到很大程度减少。此外，I-MAC还引入了周期拓扑维护机制和时钟同步机制，使网络具有良好的鲁棒性和可拓展性。但因其采用的同步机制为洪泛时钟同步机制，在多跳网络中存在误差积累效应，且随着跳数的增加，同步误差会迅速增大，进而直接影响时隙分配协议的性能。

此外，为有效获取网内节点的时隙需求，I-MAC采用额外的时隙需求估算包，增大了网络开销[8-10]。

I-MAC协议的超帧结构如图1所示，该超帧结构由网络结构初始化阶段和重复周期构成。在初始链路建立阶段，网络进行初始时隙分配；重复周期分为可靠性控制传输阶段、可靠性数据传输阶段和维护阶段。

图1 I-MAC协议的超帧结构

文献[5]给出了新的链路质量参数linkq的表达式：

(1)

根据网络结构，I-MAC协议采用逐层递归的方法，从叶节点到根节点为各层传感器分配发送控制包和数据包所需要的控制时隙数和数据时隙数。在时隙调度阶段，I-MAC分别采用时隙需求估算包和时隙需求分配包来计算时隙需求以及所需要分配的时隙数量。

2 时钟同步与时隙分配方案设计

2.1 全局时钟同步方案

时钟同步对无线传感器网络系统极为重要，在许多依靠电池供电的WSNs中，大部分节能机制的正常运行都建立在时钟同步的基础上[11]。时钟同步的作用是为整个网络提供统一的时间尺度，是实现无线网络系统的关键之一，是网络运行其他各种应用或可拓展应用的重要前提[12]。时钟同步问题是无线传感器网络的研究热点之一。

本文将sink的时间作为全局标准时间，时间同步从sink节点开始，按照控制包中时间信息达到的顺序层层同步。在无线传感器网络中，控制信号与数据信号占用不同信道，控制信号的传输稳定可靠，控制信号的发送总是成功的[13-14]。基于上述假设，本文设计了一种全局时钟同步方案。

首先，sink节点或某个父节点在自身的本地时刻A1发送控制信号给下一级子节点，子节点在时刻B1收到控制信号后，立即返还一个确认信号ACK，父节点接收到该确认信号的时间记为TiA3，该时间可表示为TA1+2εi，其中i为节点编号。节点间距离不同，则εi的值不同。父节点根据接收到节点i的确认信号时间可以计算出相应的εi=(TiA3-TA1)/2。在数据传输阶段，父节点每成功接收子节点i的数据包，立即返回一个确认信号，该确认信号包含εi的值。在维护阶段，父节点广播自身的本地时间TA4给每一个子节点，子节点根据TA4将本地时间修改为全局时间：

Tlocal=Tglobal=TA4+εi。

(2)

每组父子节点最终都同步到汇聚节点sink的时间，所有活跃的传感器能够保持时钟同步，而这种同步在每个维护阶段结束之前都要进行一次，这种机制使网络所有节点能够及时校准本地时间，有效降低数据融合时产生误差的几率，使网络更加稳定。

2.2 按需分配时隙方案

网络的初始路径建立后，汇聚节点sink拥有所有节点的位置坐标、层号、ID和相互间的连接关系信息[15]。接下来，汇聚节点会根据网络层数和每层子节点最多的那个父节点所需的时隙数，进行数据时隙和控制时隙的分配。网络中节点初始获得的总数据时隙数Stotal计算方法如下：

(3)

式中，L为网络层数，Nulj为第l层第j列节点的子节点数。如图2所示，L=4，最底层叶节点显然是没有子节点的，即max(Nulj)=0。

图2 网络分层结构

I-MAC协议中，根据每个传感器节点数据包的数量进行时隙分配的方法，实现按需分配时隙。在I-MAC协议基础上，提出一种先按层再按需分配数据时隙方法。

在本文提出的时隙分配方案中，需要获得节点缓存区内数据包的数量。根据IEEE802.15.4的MAC和物理层相关标准[16]，需要将队列长度放在上行数据包的第一个字节。这种方式可以使sink获取数据包时也能够获得相应节点的缓存区队列信息，以此判断当前分配的时隙是否足够。

3 仿真验证

仿真中，每个节点产生的数据包长度均是L=8 000 bit，节点发送数据消耗能量为L(Epro+Eamp×d02)，其中，Epro为处理每比特数据消耗的能量，Eamp为放大每比特数据消耗的能量，d0为两点间距离。节点接收数据包消耗能量为LEpro，传感器节点收集数据消耗能量为Epro×Z+Esens，其中Z为1个传感器节点一天收集数据，Esen为传感器进行监测每天固定能耗。仿真中，各参数值Epro为50 nJ/bit，Eamp为100 pJ/bit/m2，Esen为0.02 J。

首先，利用仿真比较了分别采用I-MAC协议和本文所提方案时，网络所能获得吞吐量，结果如图3所示。在图3中，横坐标表示节点每秒产生的数据包个数。

图3 网络的吞吐量对比

从图3可以看出，当网络负载大于等于3个数据包/s时，本文所提方案与I-MAC相比，可以获得更高的吞吐量。这是由于按需分配方案使得相应节点获得了足够多的时隙，即网络能够适应部分区域性的数据流量突增。

进一步对比每层每个节点在不同协议下的平均功耗，结果如图4所示。与I-MAC相比，本文所设计的方案由于不再采用洪泛时钟同步机制，网络初始化后每个节点的εi的值只需计算1次，每次维护阶段的同步开销得到了减少。同时按需分配时隙的方式减少了不必要的信道占用，进而有效减少了节点在空闲信道监听上的能耗。

图4 功耗对比

最后比较了数据包投递率。投递率是指汇聚节点sink收到的数据包数量和其他所有活跃节点发送数据包数量的比值。2种协议的数据包投递率如图5所示。

图5 包投递率对比

图5表明I-MAC协议和本文方案得到的包投递率相差不大。由于I-MAC协议与本文协议均采用按需的时隙分配算法，均可以达到较高的数据包投递率。随着跳数不断增加，不可避免的，路径损耗与信号衰减使得投递率随着跳数增加而不断下降。

4 结束语

针对I-MAC协议的时钟同步算法和时隙分配算法的不足，首先提出了一种改进的全局同步方案，降低同步误差。在此基础上，进一步引入队列长度指示的基础上，设计了一种按需分配时隙机制，使得网络能够具有应对覆盖区域内局部区域包数量突增的能力，提高了网络的鲁棒性。仿真结果证明，与I-MAC协议相比，改进协议具有很好的数据包投递率，且能够有效提高网络吞吐量，降低网络能耗，改善网络的生存期，对传感器网络的发展和应用具有重要意义。