一种面向唤醒无线电WSNs的接入控制协议

臧景才

(青海广播电视大学继续教育学院，青海 西宁 810000)

基于无线传感网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)[1-2]的工业物联网(Internet of Things，IoT)已成为工业自动化、工业监测和控制应用[3-4]的关键技术。而能效、数据包传递率是这些应用的关键[5]。由于IoT设备的电池所存储的能量是固定的，一旦设备能量消耗殆尽，节点就无法继续工作。因此，提高设备能量利用率成为基于WSNs工业应用的关键。

WSNs采用由应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层组成的五层协议体系结构。应用层是面向用户终端；传输层对流量和差错进行控制，其旨在提高数据传输的可靠性；网络层对链路状态进行管理，包括构建链路，维护链路；数据链路层实现数据块的传输，其数据单位为数据包(数据块)；物理层实现比特流在物理介质上的传输。其中数据链路层又可分为逻辑控制层和接入控制层(Medium Access Control，MAC)。逻辑控制层为节点构建链路，而MAC旨在协调多节点间共享资源，在最小化竞争概率前提下提高信道利用率。因此，有效地设计MAC协议可缓解节点间对信道的竞争，提高能量的利用率。

从信道的使用角度考虑，现有的MAC协议可划分为基于竞争类的MAC、基于调度类的MAC以及混合类的MAC。多载波监听接入/无碰撞(Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)技术属于基于竞争类协议。作为最广泛的一类协议，CSMA/CA中的每个用户通过硬件装置侦听信道状态，只有当信道在空闲状态时，节点才能发送数据包。通过侦听信道，CSMA/CA协议提高了信道利用率，降低了传输数据包时发生碰撞的概率。在CSMA/CA协议中，仅活动节点参与竞争，而其他非活动节点不参与接入竞争[6]。尽管CSMA/CA协议提高了资源的利用率，但是增加了数据包传输时延。此外，CSMA/CA协议也不能完全消除竞争冲突。有学者针对碰撞检测的CSMA/CA协议进行了性能分析[7]，并提出了提升吞吐量的改进策略。相比于基于竞争类的MAC，基于调度类的MAC可以使节点有序地使用信道资源。基于时分多址(Time-division Multiple Access，TDMA)的MAC[8-9]广泛应用于工业领域。文献[10]提出了基于网络编码的TDMA移动自组网的MAC协议设计；文献[11]将博弈论应用于TDMA-MAC协议，通过博弈论使各节点有序地作用信道资源；文献[12]采用自适应帧结构的MAC协议，将控制信道分为广播周期和协调周期，不同节点通过协调周期协商信道资源的使用；文献[13]引用共享概念，允许符合条件的车辆共享同一时隙，提高时隙利用率。基于TDMA-MAC协议是从信道资源利用角度设计MAC协议，并没有考虑到节点能量消耗问题。为此，本文将竞争类MAC和TDMA-MAC协议相结合，提出一种面向唤醒无线电WSNs的接入控制协议，对唤醒无线电(Wake-up Radio，WuR)的无线传感网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)中的接入控制协议的能量消耗及时延问题进行研究。

1 传统协议概述

在基于WuR的WSNs中，节点具有两类无线电模式：主无线电(Main Radio，MR)和唤醒无线电WuR。MR主要负责数据传输，WuR用于唤醒MR。MR在多数时间内处于休眠状态，只有收到唤醒呼叫(Wake-up Calls，WuC)时，才进入活动状态。通常，既可用发射节点传输WuC消息，也可由接收节点传输WuC消息。前者称为发射器初始化(Transmitter-Initiated，TI)，后者称为接收器初始化(Receiver-Initiated，RI)。对于IR-WuR，由接收器向发送节点传输WuC消息，进而激活发送节点的MRs。

传统的IR-WuR协议中，接收节点负责启动数据传输阶段。当接收节点准备收集数据时，它就通过MR向邻居节点传输WuC消息，一旦收到WuC消息，节点采用退避机制进行信道竞争，只有竞争成功的节点才可以传输数据包。完成数据包传输后，再由接收节点广播beacon消息启动新一轮的数据包传输。如果发送节点没有数据包需要传输，它就立即关闭MRs。图1为IR-WuR数据传输过程。

图1 IR-WuR数据传输过程示意Fig.1 Data transmission of IR-WuR

由图1可知，将每个周期划分为活动状态和休眠状态，其中活动状态又分多个时隙，每个时隙传输一个数据包。假定节点RN在第1时隙成为竞争成功者，一旦接入成功，RN就向信宿(接收节点)传输一个数据包。然后，第2个时隙再开始传输数据包。节点1和节点2在时隙2发生碰撞，数据包传输失败。一旦完成数据包的传输，就进入休眠状态。信宿每完成一次数据包传输，就发送beacon消息(B)。节点1和节点2在第2个时隙发生碰撞，无法进行数据传输。假定节点1在第3个时隙内成功接入信道，就可以在时隙3内完成数据包传输。

从上述操作过程可知，只有一个竞争成功节点能接入信道。同时，其他未竞争成功节点需要监听数据包的交互。这种策略存在两点不足：由于未竞争成功节点也需要监听，它们与竞争成功节点一样都需要消耗能量；每成功接入一次信道，就只能传输一个数据包，增加了接入信道的频率。为此，本研究提出改进协议。

2 CPT-MAC协议

2.1系统模型考虑典型的IoT数据报告、数据收集场景，信宿从多个传感节点收集感测数据(图2)。假定一个簇有N个传感节点，这些传感节点也称为数据发送节点，信宿称为数据接收节点，当接收节点需要收集数据时，它就向发送节点广播WuC消息。一旦接收了WuC消息，发送节点就以CSMA/CA机制竞争接入信道。竞争成功的节点，称为赢者，然后，由赢者传输数据包。

图2信宿收信数据的系统模型Fig.2System model of receiving data of sink图3CPT-MAC协议的周期结构Fig.3Periodic structure of CPT-MAC图4CPT-MAC数据传输示意Fig.4Data transmission of CPT-MAC

2.2CPT-MAC策略CPT-MAC(Consecutive Packet Transmissions MAC，CPT-MAC)策略允许赢者在每次成功接入信道后可连续传输多个数据包。假定一个周期Tcycle被划分为活动时期和休眠时期，将每个活动时期划分为m个时隙，如图3所示。

当信宿(接收节点)需要收集数据时，它就向簇内的N个传感节点(发送节点)广播WuC消息，即启动数据收集阶段。一旦接收了WuC消息，发送节点就打开MRs，并以CSMA/CA机制竞争接入信道，赢者就向信宿传输数据包{Data+q}，并且在数据包内携带赢者缓存队列里的数据包数[14]。缓存队列里的数据包数表示赢者需要传输的数据包数，假定赢者缓存队列里有q个数据包，同时，假定缓存队列里能存储的数据包数最大值为Q，即q≤Q。当信宿收到数据包后，信宿就回复确认包{ACK+q-1}，其他发送节点(非赢者)就在接下来的q-1个时隙内休眠。赢者可在q-1个时隙内连续传输q-1个数据包。

通过此策略，一方面可以使得赢者连续传输数据包，无需每传输一个数据包就需要竞争接入一次，减少了竞争接入信道的次数；另一方面，非赢者在赢者传输数据时隙内休眠，降低了能耗。此外，每接收一个数据包，信宿就传输一次beacon消息。

图4显示了CPT-MAC协议中节点接入信道的过程，其中N=3，q=3。假定节点在第1时隙竞争信道为赢者，它连续传输3个数据包,当完成第一个数据包后，其他节点在接下来的2个时隙内休眠。因此，在第4个时隙时，就进行一次新一轮竞争。

2.3能量分析为了计算每个时隙内平均能量消耗，考虑以下几个能耗因子：

与k个节点竞争，成功传输数据时所消耗的能量：

(1)

传输失败时所消耗的能量Ef：

(2)

监听时期所消耗的能量Eoh：

(3)

休眠时期所消耗的能量Eina：

(4)

需要注意的是传输失败时所消耗的能量Ef与传输成功时所消耗的能量Es相等。在1个时隙内，当赢者处于活动状态时，假定成功传输的概率为Ps，而传输失败(发生碰撞)的概率为Pf，若赢者处于非活动状态时，它就进行休眠状态。

(5)

(6)

而两个协议在休眠时期内所消耗的能量Esleep：

(7)

因此，节点在一个周期内所消耗的能量E：

E=Esleep+Eactive

(8)

因此，传感节点的网络寿命LT可表示为Einitial/E，其单位为周期。

3 仿真分析

3.1仿真平台为了更好地分析CPT-MAC协议的性能，利用MATLAB软件建立仿真平台。采用M/G/1/K排队理论分析传输数据包的过程，并获取队列长度和传输数据包的丢失率等相关数据。在竞争接入信道阶段，利用二维马尔可夫链建模理论，计算数据包的传输时延，马尔可夫链常用于分析离散事件的随机过程。系统依据概率分布可以从一个状态变到另一个状态。

在仿真分析中，节点数从1至10变化，每个队列的存储空间为5，具体仿真参数如表1所示，这些参数是依据文献[14]设置的。同时选用IR-WuR作为参照，并对比分析能量消耗和网络寿命、时延和传输数据可靠率。其中能量消耗和网络寿命反映了能量利用率，而时延和传输数据可靠率反映了数据传输性能，并对节点能耗性能和数据传输性能进行分析。

表1 仿真参数

3.2能耗性能分析本研究对能耗性能分析时，设置Q=5，节点数N从1至10变化，实验结果如图5和图6所示。

图5 平均每个周期内的能量消耗Fig.5 Average energy consumption per cycle

图6 网络寿命Fig.6 Network lifetime

从图5可知，提出的CPT-MAC协议的能量消耗低于IR-WuR协议。其原因是IR-WuR协议中非赢节点需要在所有时隙内监听赢者，即使发生碰撞，所有节点都需要监听。因此，IR-WuR协议的能耗与节点数呈线性关系。而CPT-MAC协议中非赢者只需要在第1个时隙内监听，在其他时隙内可进入休眠状态，从而降低了能耗。

图6显示了IR-WuR和CPT-MAC协议的网络寿命。由于CPT-MAC协议的能耗低于IR-WuR协议，其网络寿命高于IR-WuR协议。此外，随着节点数N的增加，网络寿命也随之下降。其原因是节点数N越多，分配的时隙数越多，越多的节点数据参以信道竞争，这必然增加了能量消耗，最终降低了网络寿命。

图7 传输时延Fig.7 Transmission delay

图8 数据传输可靠率Fig.8 Reliability of data transmission

从图7可知，CPT-MAC协议的传输时延低于IR-WuR协议，其原因是CPT-MAC协议允许赢者可连续传输多个数据包，减少竞争接入的次数，降低碰撞的概率，提高了数据包传输的成功率，这有利于降低传输时延。

图8显示数据传输可靠率随节点数N的变化曲线。从图可知，节点数N的增加降低了数据传输可靠率，其原因在于节点数越多，网络内要传输的数据包数越多，这必然影响传输碰撞的概率。从而降低了数据传输可靠率。与IR-WuR协议相比，CPT-MAC协议的数据传输可靠率可以得到有效的提升。

4 讨论与结论

基于竞争类的CSMA/CA协议，仅活动节点参与竞争，而其他非活动节点不参与接入竞争[6]，而且CSMA/CA协议也不能完全消除竞争冲突，增加了数据包传输时延。基于TDMA-MAC协议是从信道资源利用角度设计MAC协议，并没有考虑到节点能量消耗问题[10-13]。CPT-MAC协议避免了传统的IR-WuR协议存在的问题。CPT-MAC协议允许节点在成功接入信道一次，可以传输多个数据包，而不是一个数据包。同时，当节点未能成功接入信道，节点就进入休眠状态，降低节点能耗。仿真结果表明，CPT-MAC协议能够有效地保存节点能量，降低数据传输时延，提升数据传输的可靠率。本研究的仿真场景比较简单，只考虑了小型无线网络。后期将扩大网络规模，增加节点数。此外，本研究未能分析将竞争类MAC和TDMA-MAC相结合所带来复杂性能，后期，将研究算法本身的复杂度，提升算法的综合性能。