王重英

基于802.11協(xié)議的無線傳感器數(shù)據(jù)流優(yōu)先級模型

王重英

（商洛學(xué)院計算機科學(xué)系，陜西商洛，726000）

本文利用數(shù)學(xué)分析方法做了驗證，結(jié)果表明，該機制對于高優(yōu)先級數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送的作用是非常明顯的，在傳輸過程，數(shù)據(jù)流分組丟失的情況也得到了有效遏制。本文還對該機制的能耗情況進行了分析，結(jié)果表明，高優(yōu)先級的能耗水平低于低優(yōu)先級，并且這種趨勢隨著節(jié)點數(shù)的增加而更加明顯。因此，本文所提出的提高高優(yōu)先級傳輸效率的機制，更適用于節(jié)點數(shù)比較高的網(wǎng)絡(luò)中。

WSN；高優(yōu)先級；MAC協(xié)議；NTS

802.11 MAC協(xié)議是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效傳輸?shù)闹匾獏f(xié)議。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，MAC協(xié)議也得到了發(fā)展和完善，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)內(nèi)就出現(xiàn)了不同的、有針對性的MAC協(xié)議(或者叫升級的MAC協(xié)議)。經(jīng)過文獻資料的搜集，發(fā)現(xiàn)MAC協(xié)議自身還有不足之處，具體應(yīng)用到WSN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，這種問題暴漏的更加明顯，這種不足對于WSN網(wǎng)絡(luò)的推廣和業(yè)務(wù)的發(fā)展是極為不利的。

1 區(qū)分服務(wù)的MAC機制簡介

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有眾多的結(jié)構(gòu)和變異種類，本文討論的是單挑簇狀式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)是由最簡單的簇頭、感知節(jié)點兩部分組成，并作如下假設(shè)：

（1）在半徑為R的圓內(nèi)平均的分布有N個節(jié)點，M代表簇頭的數(shù)目，為了簡單，假設(shè)簇頭和感知兩種節(jié)點的類型是一樣的，那么節(jié)點的綜述可以表示為N/M，其中簇頭數(shù)目是1，感知節(jié)點數(shù)目是N/(M-1)；（2）數(shù)據(jù)采集過程中，每個周期采集到的信息量是k比特，采集后再把這些信息傳到簇頭，簇頭負責把收集上來的信息匯總，再發(fā)送出去(一般是基站)；（3）由于基站自身的能量供應(yīng)是充足的，接收過程中的能耗基本上為0。具體的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示：

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

本文接下來的討論和方案提出都是基于上圖這種簡單的網(wǎng)絡(luò)模型。為了使MAC協(xié)議適應(yīng)WSN網(wǎng)絡(luò)需要，本文在原有802.11 MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上進行了改進和完善，提出改進的控制分組概念，對發(fā)送來的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流進行區(qū)分通過目的節(jié)點來完成，目的節(jié)點可以隨著網(wǎng)絡(luò)變化而動態(tài)調(diào)整接收情況和數(shù)量，這在很大程度上節(jié)約了單個節(jié)點的資源，對業(yè)務(wù)的區(qū)分也得以實現(xiàn)。

當節(jié)點有傳輸信息的需要時，第一要務(wù)就是把各個組按照事先約定的法則進行打標編號。在目的節(jié)點一端，引入處理低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的拒絕服務(wù)組，基于這個結(jié)構(gòu)目的節(jié)點就能夠?qū)Φ蛢?yōu)先級的業(yè)務(wù)有所拒絕。在目的節(jié)點拒絕了發(fā)送的低優(yōu)先級業(yè)務(wù)組后，會自動把這個情況向發(fā)送節(jié)點報告，源節(jié)點通過自身的算法產(chǎn)生隨機的計數(shù)，在合適的實際重新發(fā)送。假設(shè)目的節(jié)點對于低優(yōu)先級拒絕的概率是，記由于網(wǎng)絡(luò)或者目的節(jié)點不接受重傳的次數(shù)是次，則有如下公式：

2 基于區(qū)分服務(wù)的數(shù)學(xué)模型

2.1 基于馬爾科夫鏈的模型

為了模型建立的需要，本文對數(shù)據(jù)流的類型根據(jù)對時延性能要求不同分為Real-Time（實時流，簡稱為RT）和Best-Effort（非實時流，又稱為最大可能性數(shù)據(jù)流，簡稱為BE）兩種。由分類的名稱就可以清晰的看到，實時流對于時間性能的要求更加苛刻，而BE型數(shù)據(jù)相對則寬容一些，在數(shù)據(jù)建模中，把RT和BE兩種模型分別設(shè)置為0和1，優(yōu)先級的類別用i表示。在數(shù)據(jù)流的分組上，兩種數(shù)據(jù)流沒有區(qū)別，運用的都是一種退避方式。

在需要傳輸?shù)趇類的簇頭時，假設(shè)sit代表的是t時刻正處于退避過程當中，bit代表的是時刻t的技術(shù)值，那么引用經(jīng)典的構(gòu)建方式，sit和bit就可以成為一個馬爾科夫鏈的二維模型，于是，很容易有如下的公式存在：

在模型的建立過程中，本文將（1）式中的L1用低優(yōu)先級業(yè)務(wù)組重傳的均值代替，于是可以有如下的結(jié)果：

2.2 吞吐量的定性分析

假設(shè)任意選擇某個較短的時間，這時至少存在一個分組處于發(fā)送過程的概率是，代表的是在選擇的時間，某類分組占用信道的可能性，任何分組占用信道的可能用則用表示，那么就有：

2.3 分組在信道內(nèi)丟棄概率

分組在信道上傳輸時，發(fā)生丟棄的原因是退避技術(shù)器已滿，再次發(fā)送又發(fā)生沖突或遭到目的節(jié)點的拒絕。假設(shè)是第i個數(shù)據(jù)發(fā)生丟棄的可能概率，那么就有

3 基于區(qū)分服務(wù)模型性能分析

上述章節(jié)對于區(qū)分服務(wù)的建模過程已經(jīng)進行了詳細分析，接下來本節(jié)將對以上提出的改進過的MAC層協(xié)議性能進行驗證，在驗證過程中運用了數(shù)學(xué)分析的方法，選用參考文獻[3]中的參數(shù)設(shè)置信息。假設(shè)傳感器的節(jié)點是200，M值從10開始，另外在MAC層中，發(fā)送M0=M1=0.5M的同樣大小分組。

針對實時流和非實時流分別進行模擬測試，兩種數(shù)據(jù)包含吞吐量的模擬結(jié)果如圖2所示。圖中所示的結(jié)果證實了本文提出的引入新的控制分組方式可以有效提高實時流（RT流）的帶寬占用，隨著節(jié)點數(shù)的增加，這種現(xiàn)象更加明顯，具體表現(xiàn)為兩種數(shù)據(jù)流下降的幅度不同，即非實時流（BF）比實時流下降的明顯。通過機制改進以后實時流的表現(xiàn)情況如圖3所示，通過與標準802.11 DCF下飽和吞吐量的對比可以看出，隨著節(jié)點數(shù)的增長，帶寬資源的損失增加幅度是明顯降低。

圖2 實時流和非實時流飽和吞吐量分析

圖3 改進前后吞吐量對比

4 基于區(qū)分服務(wù)模型能量分析

4.1 基于first order的能量模型

Heinzelman在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗方面，吸收電磁和電路能量消耗的相關(guān)理論成果，制定了網(wǎng)絡(luò)能耗的相關(guān)模型，本文的能量分析選用的就是first order模型。接下來，本文將按照選用WSN挽留過模型對能量模型進行建模。

4.1.1 感知節(jié)點能耗建模

在單跳簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，在一個時間周期，感知節(jié)點把采集到的數(shù)據(jù)只發(fā)給簇頭，假設(shè)是k，那么其發(fā)送的能耗可以用下式表示：

由于在上述討論中，節(jié)點的分布是均勻的，那么有

4.1.2 簇頭節(jié)點能耗建模

如前所述，簇頭節(jié)點負責把感知節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送給基站。一個簇有一個簇頭和N/(M-1)個感知節(jié)點，那么，簇頭節(jié)點在一個時間周期就要接收以上節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，假設(shè)k比特，簇頭把收到的數(shù)據(jù)匯聚后傳給基站，所以它的能耗就可以表示為如下形式：

4.1.3 總能耗模型

單個簇的總能耗分為感知節(jié)點能耗和簇頭節(jié)點能耗兩部分，那么由4.1.1和4.1.2中對兩類能耗的建模分析可以得出：

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇的數(shù)量是M個，那么整個網(wǎng)絡(luò)的能耗為：

結(jié)合公式（18），本文選用模型在一個時間周期內(nèi)，每個比特成功傳送所需要的能耗為：

4.2 單跳簇狀網(wǎng)絡(luò)能耗分析

實時流和非實時流兩種數(shù)據(jù)的能耗對比如圖4所示。由圖中曲線可以看出，兩種數(shù)據(jù)的能耗都隨著節(jié)點數(shù)目的增多而線性增加。簇頭節(jié)點較少時，兩種數(shù)據(jù)能耗差別較大，此時實時流的帶寬占用較多，但是仍然低于非實時流的能耗花銷，簇頭節(jié)點數(shù)目越多，兩種數(shù)據(jù)的能耗逐漸縮小，等接近200個節(jié)點時，這種差別已經(jīng)幾乎沒有了。

WSN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點越多，改進的效果越明顯。隨著節(jié)點的增加，網(wǎng)絡(luò)的總能耗盡快也呈現(xiàn)上升趨勢，但是幅度并不大。在數(shù)量較少時，改進機制的能耗相比原有機制大，隨著數(shù)量增多，能耗的差別越來越模糊，等到接近200時，這種差別更是微乎其微。這表明，改進后的機制更適用于節(jié)點數(shù)目較多的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

通過運用數(shù)學(xué)分析的方法，對提及的新機制盡心驗證，驗證結(jié)果表明該機制對于保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)占用多的帶寬資源具有非常明顯的效果，減少了實時性業(yè)務(wù)丟包的可能性。文章最后還對改進的新機制能耗情況進行了驗證，結(jié)果表明高優(yōu)先級由于占用了較多帶寬，其能耗在較少數(shù)目節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中是高于低優(yōu)先級能耗水平的，但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴展、節(jié)點數(shù)目增加，這種差別越來越小，這也充分證明，文中提出的機制更適用于節(jié)點數(shù)較多的WSN網(wǎng)絡(luò)中。

[1] 鄒復(fù)民，蔣新華，王桐森，等.一種基于榕樹型拓撲的鐵路無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).鐵道學(xué)報,2010,3(2):47-48.

[2] 鄭國強，孫若玉，李濟順，等.一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跨層高校MAC協(xié)議[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2009,22(1):95-99.

One kind of priority model based on 802.11 protocol of Wireless sensor data

Wang Chongying
(Shangluo University Dept.of Computer Science，Shaanxi Shangluo，726000)

The thesis using the mathematical analysis method.The results show that,it's obvious of the mechanism for the high priority data. And in the process of transmission,data packet loss condition has been effectively curbed.The thesis analyzes the mechanism’s energy consumption.The result is that the energy consumption of the high priority is lower than the low priority.The more of the nodes number,the obvious of the trend. Therefore,the proposed mechanism is suitable for the network of high node number.

WSN;high priority；MAC protocol;NTS

本文獲陜西省教育廳自然科學(xué)研究項目資助（項目號2013JK1201）

中國計算機學(xué)會會員，會員號：E200033434M