盧艷宏，掌明，馮源

（1.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣學(xué)院，江蘇連云港222005；2.淮海工學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇連云港222005）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效混合MAC算法?

盧艷宏1，掌明2，馮源2

（1.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣學(xué)院，江蘇連云港222005；2.淮海工學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇連云港222005）

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議中存在的能耗問題，提出了能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)混合MAC（EEH-MAC）算法，采用基于TDMA機(jī)制的時槽系數(shù)動態(tài)調(diào)整簇內(nèi)節(jié)點的時槽大小來降低數(shù)據(jù)的傳輸時延；同時，對部分不需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點不分配時槽來減少能耗；按簇內(nèi)節(jié)點剩余能量系數(shù)形成時槽分配順序來減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能耗；在簇頭之間采用CSMA／CA機(jī)制的隨機(jī)分配策略進(jìn)行通信。仿真結(jié)果表明，EEH-MAC協(xié)議能有效減少能耗并延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；介質(zhì)訪問控制；動態(tài)時隙分配；節(jié)能

1 引言

由大量傳感器節(jié)點構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于數(shù)據(jù)的采集和傳輸，在軍事監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制、智能家居等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署密度大、環(huán)境復(fù)雜、節(jié)點體積小、電池容量有限且節(jié)點更換和能量補(bǔ)充較難實現(xiàn)，因此，節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議決定了節(jié)點之間無線通信資源的分配和無線信道的使用方式。如何在無線通信過程中減少因為數(shù)據(jù)碰撞、重傳和控制開銷等引起額外的開銷已引起很多學(xué)者的廣泛注意，并提出了大量的MAC協(xié)議。其中S-MAC協(xié)議主要采用周期性偵聽和休眠機(jī)制來延長節(jié)點的休眠時間和降低能耗，節(jié)點間通過形成虛擬簇來縮短空閑偵聽時間，結(jié)合使用物理載波和虛擬偵聽機(jī)制來解決信息碰撞和串音問題。其優(yōu)點是可擴(kuò)展性較好，能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；缺點是協(xié)議實現(xiàn)非常復(fù)雜，需要占用大量存儲空間，這對于資源受限的傳感器節(jié)點顯得尤為突出。T-MAC協(xié)議根據(jù)通信流量動態(tài)調(diào)整活動時間，用突發(fā)方式發(fā)送消息。通過采用自適應(yīng)調(diào)度方法，協(xié)議能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化。優(yōu)點是有較好的能量效率性能，缺點是引入了早睡問題，在延遲和帶寬利用率方面性能不好。文獻(xiàn)［1］提出了基于TDMA機(jī)制的MAC協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點被分成多個簇，每個簇的簇頭負(fù)責(zé)為成員節(jié)點分配時槽、收集和處理數(shù)據(jù)、使用多跳通信機(jī)制把數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，其簇頭要有較強(qiáng)的處理和通信能力，其能耗也較大。文獻(xiàn)［2］提出了流量自適應(yīng)混合MAC協(xié)議，通過預(yù)測機(jī)制跟蹤網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和沖突情況實現(xiàn)CSMA和TDMA的自適應(yīng)混合，在降低沖突的同時盡量保持較高的信道利用率。文獻(xiàn)［3］利用現(xiàn)有的MAC協(xié)議構(gòu)造轉(zhuǎn)發(fā)能量消耗公式，提出了一個新的非線性的數(shù)學(xué)公式來最小化數(shù)據(jù)傳輸中的總能量消耗?；跁r隙分片原理的MAC協(xié)議通過規(guī)定節(jié)點參與時隙競爭的順序來避免時隙沖突。多信道CSMA協(xié)議［4］使用基于預(yù)留的多信道機(jī)制實現(xiàn)信道分配，有效減少沖突，但傳輸時延會增大。文獻(xiàn)［5］提出了基于時間槽結(jié)構(gòu)的能量有效的無碰撞的MAC協(xié)議，該協(xié)議可以實現(xiàn)高速傳遞和可忍受的時延，但如果網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點密度太大，將會導(dǎo)致由于碰撞而引起的不完整的鄰居信息或更多的能量消耗。文獻(xiàn)［6］提出了一個基于TDMA的MAC協(xié)議，采用基于簇的集中時間槽分配策略等。

本文在綜合分析基于競爭和基于TDMA協(xié)議的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，從減少能耗和提高信道利用率方面出發(fā)，提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效混合MAC（Energy-efficient Hybrid MAC Protocol for Wireless Sensor Networks，EEH-MAC）算法，在簇內(nèi)采用基于TDMA機(jī)制的動態(tài)時槽系數(shù)調(diào)整簇內(nèi)節(jié)點的時槽大小，從而降低數(shù)據(jù)的傳輸時延；對不需要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點不分配時槽來節(jié)約能量；按簇內(nèi)節(jié)點剩余能量系數(shù)大小形成時槽分配順序來減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能耗。簇間采用基于CSMA／CA機(jī)制的隨機(jī)分配策略進(jìn)行通信。

2 系統(tǒng)模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

文中假定N個傳感器節(jié)點隨機(jī)均勻分布在M ×M的正方形區(qū)域內(nèi)，周期性地采集周圍的環(huán)境信息，并且具有如下性質(zhì)［7］：

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)的、高密度分布的，即所有節(jié)點部署完畢后不再移動；

（2）匯聚節(jié)點（Sink）是唯一的，且位于區(qū)域A以外的一個固定位置；

（3）每個節(jié)點依靠GPS或相關(guān)技術(shù)獲得其具體的物理位置（xi，yi），并且具有唯一的標(biāo)識符ID；

（4）任意兩個節(jié)點i，j的歐氏距離為

（5）所有節(jié)點是同構(gòu)的，且具有相同的初始能量和相似的處理能力（處理／通信），并且地位平等；

（6）采用一定的策略把整個網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個簇，簇內(nèi)成員與簇頭采用單跳通信，簇內(nèi)成員不轉(zhuǎn)發(fā)其他簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)；簇頭對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以后采用多跳方式把數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點。

2.2 能量模型

本文采用文獻(xiàn)［8］所述能量模型，考慮發(fā)射電路的發(fā)射能量、功率放大器消耗的能量以及接收電路消耗的接收能量，且能量損耗與距離有關(guān)。即為了發(fā)送k比特的信息包給距離為dij的節(jié)點，發(fā)送功耗為

節(jié)點i和j之間的距離di，j為

接收節(jié)點的能耗為

其中，Eelec表示無線收發(fā)電路所消耗的能量（單位為J／bit），取值為50 nJ／bit；εamp表示放大器消耗的能量（單位為J／bit／m2），取值為100 pJ／（bit·m-2）。

一般節(jié)點的剩余能量為

為了更好地接近實際情況，考慮簇頭節(jié)點的處理能耗Ep為

式中，k是每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包的長度，m是發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù)。則簇頭節(jié)點的剩余能量為

式中，n1、n2是簇頭分別發(fā)送和接收信息包的次數(shù)，Ep（k，m）是簇頭處理能耗。

3 EEH-MAC算法

3.1 時槽大小和分配順序

當(dāng)簇生成以后，網(wǎng)絡(luò)處于穩(wěn)定的運行階段。設(shè)簇頭向簇內(nèi)成員節(jié)點廣播TDMA通信時槽表，成員節(jié)點j收到廣播以后，只在屬于自己的時槽內(nèi)把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)以及節(jié)點自身的ID、信息流量比特數(shù)的預(yù)約信息lj和剩余能量Eresidual（j）。

對于第i簇，節(jié)點間的初始信道容量為C；協(xié)議假設(shè)簇內(nèi)有Ni個節(jié)點，分別為1，2，…，Ni，各個節(jié)點的剩余能量分別為Eresidual（k），k∈［1，Ni］。某輪中分配給各個節(jié)點的時槽長度分別為tk，k∈［1，Ni］，初始時時槽長度相等，則第i簇中用于節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的總時槽T（i）為

假設(shè)在第r輪中，第i簇內(nèi)的節(jié)點j分配到的時槽為tj，那么節(jié)點j傳輸數(shù)據(jù)的最長時間為tj-σ，則節(jié)點j發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量為C（tj-σ）。節(jié)點j的預(yù)約信息量為lj，在該輪結(jié)束后剩余的數(shù)據(jù)量為lj-C（tj-σ）。

在第r輪中，第i簇內(nèi)的節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量L（i）為

數(shù)據(jù)傳輸時間與信息量成正比，而與信道速率成反比，因此得到該剩余部分的數(shù)據(jù)在下一輪的傳輸時間為lresidual（j）／C。

引入數(shù)據(jù)權(quán)值的概念，此數(shù)據(jù)權(quán)值為k1∈（1，ξ），其中ξ的值根據(jù)具體的應(yīng)用設(shè)定，本文中設(shè)ξ=2。

根據(jù)上面的分析，可以得到節(jié)點nj下一輪的期望時槽為k×lresidual（j）／C+σ，即：

在第r輪中，第i簇內(nèi)的節(jié)點總數(shù)是Ni，假設(shè)需要發(fā)送信息的節(jié)點數(shù)為m（1≤m≤Ni），其節(jié)點集合為Ci，則下一輪中，簇i中需要發(fā)送信息的節(jié)點的期望總時槽Tinest（i）為

如果Tinset（i）＜T（i），則說明第i簇中的總時槽能滿足下一輪中需要發(fā)送信息的節(jié)點的總時槽要求，簇頭在下輪廣播中，按每個節(jié)點的期望時槽值進(jìn)行分配來保證節(jié)點能及時把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭。

如果Tinset（i）＞T（i），則說明無法滿足所有需要發(fā)送信息的節(jié)點的期望時槽要求，此時我們更傾向于對大數(shù)據(jù)量的節(jié)點享有更多的發(fā)送數(shù)據(jù)的時間。因為在傳感器網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)測中，當(dāng)有突發(fā)事件發(fā)生的時候，節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)量會突然大量增加，說明該部分?jǐn)?shù)據(jù)更緊迫，故該節(jié)點應(yīng)該得到較大的時槽。為此，我們引入時槽調(diào)整系數(shù)λ，λ的值為

此時λ＞1，簇頭分別計算需要發(fā)送信息的節(jié)點（Ci集合中的節(jié)點）在下一輪中分配的時隙：

簇頭在下輪廣播中，按照計算得到的需要發(fā)送信息的節(jié)點占用的實際時槽大小來給相應(yīng)的節(jié)點分配時槽，這樣能保證讓需要發(fā)送更多信息的節(jié)點占用更長的時槽來發(fā)送數(shù)據(jù)，避免大量的實時數(shù)據(jù)因為傳輸時延而影響其價值，同時也可以避免節(jié)點緩沖區(qū)的溢出而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失和減少網(wǎng)絡(luò)擁塞的概率。

在廣播時槽時簇內(nèi)的所有節(jié)點都處于偵聽狀態(tài)，而分配到第一個時槽的節(jié)點不需要進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換就可以直接進(jìn)入自己的時槽來發(fā)送數(shù)據(jù)，為了減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換消耗的能量，簇頭從上一輪節(jié)點發(fā)送的信息的報告幀中獲取每個發(fā)送信息的節(jié)點的剩余能量，簇頭按照剩余能量系數(shù)大小排序，并以此順序作為分配時隙的順序。

3.2 簇間通信

簇頭收集到簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，采用一定的策略進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并采用多跳方式傳輸給匯聚節(jié)點，簇頭CSMA／CA機(jī)制實現(xiàn)與鄰居簇頭之間的通信連接，實現(xiàn)無線信道的共享。簇頭i在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，向其路由上的下一跳鄰簇頭先發(fā)送請求幀RTS，其鄰簇頭收到RTS后發(fā)送清除幀CTS進(jìn)行應(yīng)答，簇頭i發(fā)送攜帶自己節(jié)點編號ID、信息流量比特數(shù)l的數(shù)據(jù)包packet。當(dāng)鄰簇頭收到數(shù)據(jù)包packet后，向其鄰簇頭發(fā)送廣播一個應(yīng)答幀（ACK）確認(rèn)數(shù)據(jù)包被正確接收。其他鄰簇頭偵聽到RTS或CTS后等待，直到本次數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束以后再競爭信道。

4 EEH-MAC性能分析

本節(jié)利用MATLAB仿真工具，從能量消耗、網(wǎng)絡(luò)生命周期兩個方面，通過與TDMA、S-MAC和CSMA／CA協(xié)議的比較來驗證EEH-MAC算法的性能。

設(shè)仿真的100個傳感器節(jié)點隨機(jī)部署在200 m ×200 m的方形區(qū)域內(nèi)，匯聚節(jié)點位于角落，其主要參數(shù)如表1所示。

4.1 能耗分析

為了體現(xiàn)EEH-MAC協(xié)議根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點負(fù)載情況動態(tài)調(diào)整時隙長度的特點，我們在一輪循環(huán)中對EEH-MAC、TDMA-WSN和TDMA的能耗進(jìn)行了仿真比較，如圖1所示。在仿真時，簇內(nèi)的每個成員節(jié)點不一定有采集數(shù)據(jù)發(fā)送。

從圖1可以看出：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量較小時，EEHMAC算法的能耗比TDMA的能耗低，這主要是因為即使簇內(nèi)節(jié)點沒有數(shù)據(jù)傳輸，TDMA協(xié)議中的簇頭也要給節(jié)點分配固定時隙來保持偵聽狀態(tài)消耗許多空閑偵聽能量；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點較多時，即節(jié)點通信負(fù)載差別不大時，EEH-MAC算法消耗的能量也比TDMA低，這主要是因為EEH-MAC算法能根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)的實際情況來動態(tài)地調(diào)整分配給成員節(jié)點的時隙，使得某些數(shù)據(jù)量較大的節(jié)點可以占用更多的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)來減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換的次數(shù)，從而節(jié)約能量；對某些沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點則不分配時隙，減少偵聽時間和次數(shù)來減少能量消耗。而TDMA-WSN算法的能耗介于EEH-MAC和TDMA之間，主要是因為TDMA-WSN采用了動態(tài)時隙分配算法，能根據(jù)節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)情況動態(tài)競爭使用時隙，對于優(yōu)先級別低或沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點不分配時隙，其能耗比TDMA略低，但因為TDMAWSN在建立、計算沖突集合和競爭分配時隙時需要消耗額外的能量，故其能耗比EEH-MAC略高。

4.2 生命周期分析

圖2是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為20 packet／s時整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點存活情況，對比4個協(xié)議可以明顯看出，CSMA／CA協(xié)議能量消耗最大，其節(jié)點在300輪左右開始大幅度減少，到1 200輪左右時已經(jīng)沒有節(jié)點存活；SMAC協(xié)議要優(yōu)于CSMA／CA，而TDMA-WSN算法的節(jié)點存活情況在800輪之前和EEH-MAC算法非常接近，在800輪之后節(jié)點存活數(shù)量略微下降得較明顯，而EEH-MAC算法的節(jié)點存活情況最好，在1 600輪之后還有近80%的節(jié)點存活。而圖3說明了當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為60 packet／s時網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的存活情況，其中網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時，CSMA／CA協(xié)議性能下降得非常厲害，S-MAC協(xié)議的性能下降明顯，TDMA -WSN算法在低負(fù)載時的存活節(jié)點數(shù)在400輪之后就有所下降，且下降趨勢較明顯，而我們設(shè)計的EEH-MAC算法的性能僅有微小的下降，這主要是因為EEH-MAC算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點數(shù)據(jù)量大小動態(tài)地分配時隙，沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點會長期處于睡眠狀態(tài)來節(jié)約能量，需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)的節(jié)點因為占用了較長的時隙，能盡快把數(shù)據(jù)發(fā)送出去而節(jié)約能量，所以在同樣情況下，EEH-MAC算法的生命周期明顯優(yōu)于其他兩個協(xié)議。

5 結(jié)論

基于能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)混合MAC（EEH-MAC）算法采用基于TDMA機(jī)制的時槽系數(shù)動態(tài)調(diào)整簇內(nèi)節(jié)點的時槽大小，從而降低數(shù)據(jù)的傳輸時延；同時，對部分不需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點不分配時槽，讓其擁有較長的睡眠時間來節(jié)約能量；在簇頭之間采用CSMA／CA機(jī)制的隨機(jī)分配策略進(jìn)行通信。該方法從減少串音和空閑偵聽兩方面來降低能量消耗，從動態(tài)分配時槽大小來提高信道的利用率。仿真結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大的情況下，EEHMAC協(xié)議節(jié)能效果明顯，具有更小的平均時延和更長的網(wǎng)絡(luò)生命周期。

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LU Yan-hong was born in Lianyungang，Jiangsu Province，in 1979.She received the M.S.degree from East China Normal University in 2010.She is now a lecturer.Her research interests include computer technology and wireless sensor networks.

Email：lyh-lyg＠m(xù)ail.lygtc.net.cn

掌明（1970—），男，江蘇連云港人，2011年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)及其安全；

ZHANG Ming was born in Lianyungang，Jiangsu Province，in 1970.He received the Ph.D.degree from Nangjing University of Posts and Telecommunications in 2011.He is now an associate professor.His research interests include wireless sensor networks，network and information security.

馮源（1978—），男，江蘇連云港人，高級工程師，主要研究方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和軟件工程。

FENG Yuan was born in Lianyungang，Jiangsu Province，in 1978.He is now a senior engineer.His research interests include computer network and information security.

An Energy-efficient Hybrid MAC Algorithm in Wireless Sensor Networks

LU Yan-hong1，ZHANG Ming2，F(xiàn)ENG Yuan2
（1.Electrical Institute，Lianyungang Technical College，Lianyungang 222005，China；2.School of Electronic Engineering，Huaihai Institute of Technology，Lianyungang 222005，China）

Aiming at energy consumption for MAC protocol in wireless sensor networks（WSNs），an energy-efficient hybrid MAC algorithm for WSNs called EEH-MAC is proposed.It adopts time-slot factor based on TDMA to adjust slot size to reduce data transmission delay and allows a longer sleep time for the part of nodes which have no data transmission to save energy.At the same time，a slot order is formed by the residual energy coefficient to reduce the state conversion energy consumption.It uses CSMA／CA mechanism to communicate with cluster heads.Simulation results show that EEH-MAC can reduce energy consumption and prolong network lifetime.

wireless sensor network（WSN）；medium access control（MAC）；dynamic slot allocation；energy saving

The National Natural Science Foundation of China（No.61174013）；The Natural Science Foundation of Jiangsu Province Universities（BK20110398，08KJD520003）

TP393

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.08.026

盧艷宏（1979—），女，江蘇連云港人，2010年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究方向為計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)；

1001-893X（2012）08-1349-05

2011-11-01；

2012-04-24

國家自然科學(xué)基金資助項目（61174013）；江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項目（BK20110398，08KJD520003）