楊遜豪，何加銘，董義旺，吳 剛

(1.寧波大學通信技術研究所，浙江寧波 315211;2.浙江省移動網應用技術重點實驗室，浙江寧波 315211;3.中國電信股份有限公司寧波分公司，浙江寧波 315001)

0 引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSNs)作為新一代傳感器系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測、感知、采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息加以處理，以便獲取詳盡、準確的信息［1］。但由于其受功能、特性及應用背景的影響巨大，因此設計具有最大化生存周期、最小化網絡能耗的無線傳感器網絡，保證網絡的連通性和有效減低能耗具有十分重要的意義。

媒體訪問控制協(xié)議(Medium Access Control，MAC)［2］，處于無線傳感器網絡底層，是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵協(xié)議之一，盡可能延長無線傳感器網絡壽命十分重要。目前無線傳感器網絡的MAC協(xié)議設計中還存在許多缺陷需要去解決［3-4］。因此設計無線傳感器網絡MAC協(xié)議應該在確保低能耗的前提下，具有盡可能高的吞吐量、盡可能小的時延、數據無誤傳輸以及支持多種業(yè)務需要等特性以滿足用戶需求。

1 S-MAC協(xié)議工作機制

針對不同應用場合對無線傳感器網絡要求不盡相同的特點，MAC協(xié)議分為基于競爭協(xié)議、基于調度協(xié)議和混合 MAC 協(xié)議［5］。S-MAC 協(xié)議［6］是一種基于競爭機制的典型MAC協(xié)議，專門針對事件通知應用場景，可以較好地適應這種場景中的數據流變化。在沒有數據時節(jié)點基本處于休眠狀態(tài)，節(jié)省自身的能量;而在突發(fā)事件觸發(fā)大量數據傳輸時，又可以自適應增加節(jié)點喚醒次數，從而加快數據傳輸。S-MAC的主要工作機制如下。

1.1 周期性偵聽/休眠機制

S-MAC協(xié)議最主要的運行機制為周期性偵聽/休眠機制。它將時間分為多個工作周期，每個工作周期又分為偵聽階段和休眠階段。在偵聽階段，節(jié)點完成與相鄰節(jié)點間通信。在休眠狀態(tài)，節(jié)點為了減少能耗，直接關閉發(fā)射接收器。若此時存在需要處理的數據，則執(zhí)行緩存操作，待到節(jié)點處于偵聽狀態(tài)時再進行處理。

1.2 虛擬簇機制

節(jié)點每隔一段偵聽周期廣播一次同步信息，鄰居節(jié)點同樣采用該策略，從而使得整個網絡形成了若干個采用不同策略的虛擬簇。不同的虛擬簇之間通過簇間邊界節(jié)點進行數據交換，通過虛擬簇機制，新節(jié)點很容易加入到現(xiàn)有網絡中去。但是這些邊界節(jié)點為了能夠保證簇與簇之間能夠順利地進行數據傳輸，保存了多個調度，這樣在每個調度規(guī)定的時刻都會被喚醒。但這種機制存在節(jié)點能量過度消耗的情況。

1.3 沖突/監(jiān)聽避免機制

S-MAC使用了802.11的沖突避免機制，即虛擬載波監(jiān)聽和物理載波監(jiān)聽結合的RTS-CTS通告機制，協(xié)議規(guī)定每個節(jié)點控制一個時間幀，當節(jié)點有數據包要發(fā)送時，先進行等待，直到屬于該節(jié)點的幀到來時，先廣播帶有接收節(jié)點和包長度的控制報頭消息，然后傳送數據。收到報頭消息的節(jié)點如果不是接收節(jié)點，則關閉射頻模塊，較好地解決了隱藏終端問題和暴露終端問題。

2 TS-MAC協(xié)議方案

在S-MAC協(xié)議初始化階段，調度的同步十分重要。但是S-MAC協(xié)議的同步只能在較小范圍內完成，導致了在全網范圍內存在多個不同調度表的簇。簇邊界上的節(jié)點，為了能夠順利與鄰簇節(jié)點進行通信，需要在該節(jié)點上保存多個調度信息，因此邊界節(jié)點會在每個調度表的監(jiān)聽時段醒來，相較于其他節(jié)點較少進入休眠階段，能量消耗較大，導致了網絡整體壽命的縮短。

2.1 優(yōu)先級標準

為了解決這個問題，對現(xiàn)有的SS-MAC協(xié)議［7］進行改進，設計了一種算法規(guī)則，采用優(yōu)先級標準作為依據，使得相鄰的虛擬簇進行合并，最終實現(xiàn)整個網絡調度的統(tǒng)一，消除邊界節(jié)點，從而解決了不同虛擬簇間邊界節(jié)點能耗過快的問題。

整個虛擬簇用樹來表示，把創(chuàng)建根節(jié)點稱為樹根，簇中每個節(jié)點都存在一個權值，表示節(jié)點距離根節(jié)點的跳數，根節(jié)點的權值為零，其余節(jié)點在接入網絡之前，權值預設為一個較大的初始值。算法采用從根節(jié)點到虛擬簇邊界的最大權值來表示優(yōu)先級，生成樹統(tǒng)計模型如圖1所示。改進后的 MAC協(xié)議稱為TS-MAC協(xié)議，在每個節(jié)點上保存變量列表ValueList，包括某一虛擬簇全簇節(jié)點總數 Total、最大權值ValueMax、本節(jié)點權值 ValuePoint、父節(jié)點標識Father、子節(jié)點標識 Son［i］、同步包到達時間 ArriveTime［i］以及對應節(jié)點的下級節(jié)點總數SonNum［i］。

2.2 根節(jié)點選舉

在文獻［8］中介紹了一種GAF改進算法，在該算法的基礎上設計了一種根節(jié)點選擇策略。假設每個節(jié)點能夠隨時查詢自身ID以及剩余能量，同時賦予剩余能量最大的節(jié)點為根節(jié)點，剩余能量次大的節(jié)點作為候選根節(jié)點，當根節(jié)點剩余能量達到閾值時，候選根節(jié)點將接替成為根節(jié)點，避免由于根節(jié)點能量耗盡引起節(jié)點間通信質量的下降。

算法初始階段，節(jié)點按照ID依次發(fā)送和接收通知消息 M(N1，N2，Emax，Esub)，其中 Emax 為現(xiàn)有虛擬簇內剩余能量最大值，Esub為剩余能量次大值，N1、N2為與此相對應的ID。

假設某虛擬簇內共有N個節(jié)點，任意一個節(jié)點ID為Nn，能量為En，Tr為初始時間，Ts為發(fā)送消息所需時間，具體根節(jié)點選舉算法實現(xiàn)如下:

圖1 生成樹統(tǒng)計模型

這樣所有節(jié)點均將獲悉根節(jié)點的ID和剩余能量，完成根節(jié)點的選舉。

2.3 創(chuàng)建生成樹

創(chuàng)建生成樹，統(tǒng)計簇內節(jié)點信息，實現(xiàn)虛擬簇內節(jié)點瞬時同步，算法實現(xiàn)如下:

2.4 簇的合并

根據生成樹信息，進行簇的合并，算法實現(xiàn)如下:

2.5 動態(tài)拓撲改進

針對無線傳感器網絡所存在的特性，必須考慮由于網絡拓撲變化造成樹結構變化的情況。對于新加入的節(jié)點，可以通過監(jiān)聽網絡中其余節(jié)點的同步請求報文，獲取周期T(取3～5個同步周期)內收到的具有最小權值的鄰居節(jié)點作為自身父節(jié)點，并將權值加1作為自身權值，保證了生成樹總是擁有最新的拓撲，增強了魯棒性。當節(jié)點因某些原因與網絡失去聯(lián)系時，若該節(jié)點不屬于根節(jié)點，則按照上述方法進行拓撲調整。本算法規(guī)則采用消息開始發(fā)送到無線信道的時刻作為同步消息時間戳，消除了時延誤差，提高了時間同步的精度。

如圖2所示，在實際傳輸中存在著傳輸時延、接收時延等不確定性因素，則 4 個時刻 T1、T2、T3、T4實際應該滿足如下關系:

式中，εtrans12是消息由節(jié)點1傳輸到節(jié)點2的傳輸時延，εrecv2則是節(jié)點2接收消息時產生的隨機誤差;a12為節(jié)點2相對于節(jié)點1的局部誤差。從上式中可以看到，報文間隔時間過長會造成同步精度的影響。因此，要求應答包返回的時間間隔不能太長，同時應答包一次所包含的同步信息也不能太多。

圖2 消息交換機制誤差

3 仿真結果與分析

本文采用OMNET++仿真工具［9-10］對TS-MAC協(xié)議進行仿真分析。OMNET++是一款開源的網絡仿真系統(tǒng)，近年來在科學和工業(yè)領域里逐漸流行，主要用于通信網絡和分布式系統(tǒng)的仿真。

3.1 OMNET++建模

OMNET++進行TS-MAC協(xié)議建模仿真流程如圖3所示。

圖3 TS-MAC仿真建模流程

通過以上對TS-MAC協(xié)議的剖析和對OMNET++編程模式的理解，定義如下仿真環(huán)境。

仿真的節(jié)點拓撲如圖4所示，N個節(jié)點呈線性分布，其中節(jié)點N-1為目標節(jié)點，節(jié)點0為源節(jié)點，相鄰節(jié)點間隔為200 m。從源節(jié)點處開始發(fā)送數據包至目的節(jié)點，發(fā)送速率為n個/s。

圖4 節(jié)點網絡拓撲

3.2 仿真參數選取

主要仿真參數如表1所示。

表1 主要仿真參數

3.3 仿真結果

3.3.1 能耗分析

如圖4所示模型進行仿真，得到邊界節(jié)點消耗能量隨時間變化的曲線，如圖5所示。由于邊界節(jié)點在300 s開始接收到2個調度表信息，因此其能量消耗速率較之前快一倍。而TS-MAC與SS-MAC協(xié)議下邊界節(jié)點始終只有一個調度表，因此其能量消耗速率保持不變。但TS-MAC協(xié)議較SS-MAC協(xié)議在完成全網同步時間上要少得多，因此能量消耗幅度始終低于SS-MAC協(xié)議。從仿真輸出結果可以看出，TS-MAC與SS-MAC協(xié)議下數據流持續(xù)時間都比S-MAC協(xié)議下要長，網絡連通性較好。

圖5 邊界節(jié)點能耗

3.3.2 實時性分析

采用多次仿真取平均值的方法如圖6所示，由圖可以看出，SS-MAC協(xié)議在仿真時間達到3200 s處實現(xiàn)全網同步，TS-MAC協(xié)議在1600 s時實現(xiàn)全網同步，說明TS-MAC協(xié)議較之SS-MAC協(xié)議具有更好的實時性。

圖6 協(xié)議實時性比較

4 結束語

針對 S-MAC協(xié)議中邊界節(jié)點能耗過快，SSMAC協(xié)議中全局同步時間過長，無法快速實現(xiàn)全局同步的問題，提出了一種新的TS-MAC協(xié)議，通過設定優(yōu)先級標準來確定虛擬簇的最大權值，利用生成樹來完成根節(jié)點與下級節(jié)點的時間同步，以達到局部時間同步，并以此為標準在簇間邊界節(jié)點上進行調度表的取舍，從而實現(xiàn)簇的合并和全網調度的同步，消除了邊界節(jié)點。仿真結果驗證了該算法能夠有效地控制節(jié)點的能耗，提高了網絡的連通性。

［1］馬祖長，孫怡寧，梅濤，等.無線傳感器網絡綜述［J］.通信學報，2004，25(4):114-124.

［2］蹇 強，龔正龍，朱培棟，等.無線傳感器網絡MAC協(xié)議研究進展［J］.軟件學報，2008，19(2):389-403.

［3］KUNTZ R，GALLAIS A，NOEL T.From Versatility to Auto-adaptation of the Medium Access Control in Wireless Sensor networks［J］.Journal of Parallel and Distributed Computing，2011，71(9):1236-1248.

［4］BOKAREVA T，HU Wen，KANHERE S，et al.Wireless Sensor Networks for Battlefield Surveillance［C］∥Proc of Land Warfare Conference，LWC-2006，Australia，2006:1-5.

［5］YAHYA B，BEN-OTHMAN J.Towards a Classification of Energy Aware MAC Protocols for Wireless Sensor Networks［J］.Wireless Communications and Mobile Computing，2009，9(12):1572-1607.

［6］YE W，HEIDEMANN J，ESTRIN D.An Energy-efficientMAC Protocol for Wireless Sensor Networks［C］∥Proc of IEEE INFOCOM 2002，New York，USA，2002:1567-1576.

［7］劉 冰，楊 昀，張惠民，等.一種高效的無線傳感器網絡的 MAC層方案［J］.無線電工程，2007，37(3):11-13.

［8］SANTI P.Silenceis Golden with High Probability:Maintaining a Connected Backbone in Wireless Sesor Networks［C］∥Proc of European Workshop on WSN，Berlin，2004:106-121.

［9］馮友宏，關可.基于OMNET的無線傳感器網絡算法的改進［J］.傳感技術學報，2010，23(6):859-862.

［10］楊永康，王永斌，劉宏波.基于Mixim模塊的無線移動網絡仿真［J］.計算機與數字工程，2011，39(9):101-104.