韓帥帥，王寶林，張德海

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與多媒體新應(yīng)用需求的結(jié)合促使了無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］(WMSNs)技術(shù)的產(chǎn)生［1］。WMSNs通常是異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)。WMSNs技術(shù)在給人們提供豐富的媒體信息帶給感官上的享受的同時(shí)也給WMSNs的MAC層帶來(lái)了挑戰(zhàn)，如嚴(yán)格的QoS(Quality of Service)保證和低能耗。

S－MAC協(xié)議［2］是一種典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問(wèn)MAC協(xié)議，它是建立在IEEE802.11協(xié)議基礎(chǔ)上的，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。該協(xié)議具有良好的擴(kuò)展性，不要求嚴(yán)格的時(shí)間同步等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，由于加入了多媒體信息，如音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)可能引起網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的劇烈變化，多媒體對(duì)信息的傳輸和處理又有著特殊的要求，如對(duì)QoS的特殊要求，使SMAC協(xié)議應(yīng)用到無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)存在一定的局限性。

1 S－MAC協(xié)議

S－MAC協(xié)議是一種基于競(jìng)爭(zhēng)的控制協(xié)議，它主要采用“虛擬簇”機(jī)制［3］。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙開(kāi)始時(shí)廣播含有自己調(diào)度信息的同步包，接收到同步數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)按需要調(diào)整時(shí)鐘。這樣具有相同調(diào)度節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)“虛擬簇”。原則上整個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該工作在同一個(gè)“時(shí)隙結(jié)構(gòu)”，但由于移動(dòng)性和調(diào)度機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)中可能包含許多“虛擬簇”。

S－MAC協(xié)議的主要目標(biāo)是減少能耗，為減少數(shù)據(jù)沖突造成的能耗，協(xié)議利用退避機(jī)制來(lái)競(jìng)爭(zhēng)信道，完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。為減少串音偵聽(tīng)?zhēng)?lái)的能耗，協(xié)議采用自適應(yīng)的偵聽(tīng)機(jī)制以及RTS/CTS的通告機(jī)制。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，都要經(jīng)歷 RTS/CTS/DATA/ACK的通信過(guò)程，從而避免串音偵聽(tīng);為減少空閑偵聽(tīng)的能耗，協(xié)議采用周期性睡眠機(jī)制，使不參與發(fā)送或者接收的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而降低能耗。周期睡眠機(jī)制如圖1所示。

圖1 S－MAC的周期性睡眠機(jī)制

(1)碰撞避免。由于多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)可能要同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到同一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，其需要進(jìn)行信道資源的競(jìng)爭(zhēng)，以避免沖突。在S－MAC協(xié)議中繼承了IEEE 802.11中虛擬載波監(jiān)聽(tīng)、物理載波偵聽(tīng)和RTS/CTS交換機(jī)制。這種方法還可以用在S－MAC中來(lái)解決終端隱藏問(wèn)題。

在傳輸?shù)拿總€(gè)數(shù)據(jù)包中有一個(gè)持續(xù)時(shí)間字段，該值指明了剩余傳輸將持續(xù)的時(shí)間。所以，如果節(jié)點(diǎn)串聽(tīng)到不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包，通過(guò)獲取數(shù)據(jù)包的持續(xù)時(shí)間字段，就可以得知自己多長(zhǎng)時(shí)間不能進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。節(jié)點(diǎn)記錄該值的變量，稱為網(wǎng)絡(luò)分配向量(NAV)，并設(shè)置它的計(jì)時(shí)器。每次當(dāng)NAV定時(shí)器觸發(fā)，該值減1，直到0。節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送之前必須確保NAV值為0，如果其值不為零，則節(jié)點(diǎn)確定信道繁忙，即所謂的虛擬載波偵聽(tīng)。其過(guò)程如圖2所示。

圖2 載波監(jiān)聽(tīng)

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)法獲得信道，就轉(zhuǎn)入睡眠并等到接收者再次空閑并進(jìn)行再次聆聽(tīng)時(shí)喚醒。廣播信息包發(fā)送不使用RTS/CTS，在進(jìn)行單播數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)使用RTS/CTS/DATA/ACK機(jī)制。

(2)S－MAC協(xié)議存在的問(wèn)題。S－MAC協(xié)議采用周期性的活動(dòng)/休眠調(diào)度機(jī)制，活動(dòng)時(shí)間通常固定不變，而消息速率是變化的［4］。協(xié)議處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整，不能有效地節(jié)省能量。

通信模塊處于休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，如果檢測(cè)到事件，就必須等到通信模塊轉(zhuǎn)換到活動(dòng)周期才能發(fā)送數(shù)據(jù)，中間節(jié)點(diǎn)要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)。下一跳節(jié)點(diǎn)可能處于休眠狀態(tài)，此時(shí)也必須等到它轉(zhuǎn)換到活動(dòng)周期，這種由于節(jié)點(diǎn)休眠帶來(lái)的延遲會(huì)隨著路徑上跳數(shù)的增加成比例增加。

2 S－MAC協(xié)議的改進(jìn)算法QD－MAC

無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)具有特殊性，對(duì)QoS有特殊要求、傳輸效率、傳輸時(shí)延、服務(wù)多樣化、媒體數(shù)據(jù)具有流量突發(fā)與不均勻性等特點(diǎn)，固定的占空比已經(jīng)滿足不了多媒體業(yè)務(wù)的需求，若監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，網(wǎng)內(nèi)流量較小時(shí)，會(huì)有過(guò)多能量浪費(fèi)在空閑監(jiān)聽(tīng)上。若監(jiān)聽(tīng)時(shí)間較短，網(wǎng)內(nèi)負(fù)載較大時(shí)，緩沖隊(duì)列中很多數(shù)據(jù)堆積，引起隊(duì)列時(shí)延，同時(shí)還會(huì)引起睡眠時(shí)延，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量下降，所需要MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的占空比，占空比能適當(dāng)?shù)馗鶕?jù)網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載大小變化，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量利用率。

文獻(xiàn)［5］通過(guò)統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包的大小，根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小與設(shè)定的幾個(gè)吞吐量的閾值進(jìn)行比較來(lái)調(diào)整空閑時(shí)間的長(zhǎng)短及占空比，監(jiān)聽(tīng)時(shí)間不變;文獻(xiàn)［6］提出的ADC－SMAC協(xié)議通過(guò)計(jì)算上一次數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延，當(dāng)前占空比來(lái)調(diào)整占空比;以上文獻(xiàn)均通過(guò)計(jì)算上一時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大小或時(shí)延來(lái)估計(jì)下一時(shí)刻網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流量或需要的時(shí)延，從而調(diào)整占空比或者同時(shí)調(diào)節(jié)幀周期，無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)包或負(fù)載具有突發(fā)性，上一時(shí)刻數(shù)據(jù)量較小，不能保證下一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小，同樣，上一時(shí)刻網(wǎng)內(nèi)負(fù)載比較大，不能保證下一時(shí)刻的網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載同樣較大，所以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)占空比的前提是正確地估計(jì)下一時(shí)刻網(wǎng)內(nèi)負(fù)載的大小?；诖耍疚奶岢隽嘶卩従雨?duì)列的動(dòng)態(tài)占空比調(diào)整算法(QD－MAC，Queue based Design of MAC)。

QD－MAC算法的基本思想。由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載用鄰居范圍內(nèi)的待發(fā)送數(shù)據(jù)包的總數(shù)來(lái)估計(jì)，能表示下一時(shí)刻網(wǎng)內(nèi)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的數(shù)量，表示將來(lái)時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的大小。定時(shí)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)內(nèi)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)的緩沖隊(duì)列中的待發(fā)送的數(shù)據(jù)量來(lái)估算下一時(shí)刻的網(wǎng)內(nèi)負(fù)載，新時(shí)刻統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)包與上一時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)比較結(jié)果采用相應(yīng)的調(diào)整方案調(diào)整占空比。同時(shí)注意收發(fā)器從睡眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)不是立刻發(fā)生的，因此，希望減少模式切換的頻率。

占空比更新機(jī)制。為節(jié)省能量消耗，新占空比通過(guò)同步幀進(jìn)行交換，在所有鄰居節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都收到同樣的新的占空比，如果節(jié)點(diǎn)收到的新的占空比小于當(dāng)前用的占空比，而此時(shí)節(jié)點(diǎn)的緩沖隊(duì)列中有數(shù)據(jù)待發(fā)送，那么此節(jié)點(diǎn)維持原占空比，在接收到下次新占空比之前，如果節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列緩沖中的數(shù)據(jù)包已經(jīng)發(fā)送完畢，更換占空比。這種方法基本實(shí)現(xiàn)了占空比的同步更換，不存在不同步問(wèn)題和鄰居節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)一個(gè)在發(fā)送消息，而另一個(gè)處于睡眠狀態(tài)。

3 仿真分析

采用由UC Berkeley開(kāi)發(fā)的、面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器NS－2對(duì)S－MAC和QDMAC協(xié)議進(jìn)行了仿真。NS－2仿真軟件［7］以腳本作為輸入，腳本描述了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，以及一些控制參數(shù)。NS－2輸出的是一系列的數(shù)據(jù)，如每個(gè)數(shù)據(jù)源所發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的延遲等。

為對(duì)新協(xié)議QD－MAC與SMAC協(xié)議之間的性能差異進(jìn)行對(duì)比，本文設(shè)置了如圖3所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3 基于流量負(fù)載的動(dòng)態(tài)占空比仿真的拓?fù)鋱D

節(jié)點(diǎn)0發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)2，詳細(xì)設(shè)置參數(shù)如表1所示。

表1 功率控制算法仿真參數(shù)設(shè)置

下面分別對(duì)S－MAC協(xié)議和QD－MAC在時(shí)延、丟包率、吞吐量和能耗的性能方面的對(duì)比進(jìn)行相應(yīng)的分析。

(1)平均時(shí)延。由圖4可以看出，QD－MAC與SMAC協(xié)議相比，數(shù)據(jù)包的傳輸延遲明顯降低，首先QD－MAC與S－MAC協(xié)議的延遲都隨著數(shù)據(jù)包傳輸間隔的增大而降低，最后趨于穩(wěn)定的最小值。

圖4 QD－MAC與S－MAC協(xié)議的時(shí)延性能比較

在開(kāi)始網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)包的發(fā)送間隔比較小，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)量比較大，QD－MAC協(xié)議在負(fù)載特別大的時(shí)候，占空比調(diào)整為最大值100%，而此時(shí)S－MAC是固定占空比30%。由于碰撞，隊(duì)列緩存等原因，引起的時(shí)延比較大;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送間隔＞0.15 s時(shí)，QD－MAC在大占空比下正好可以發(fā)送完緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，S－MAC協(xié)議等到發(fā)送間隔＞0.45 s時(shí)，才來(lái)得及發(fā)送完隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送間隔＞0.15 s后QD－MAC的占空比開(kāi)始減小，等到間隔約為0.45 s時(shí)跟S－MAC的占空比相當(dāng)。

(2)網(wǎng)絡(luò)丟包率。QD－MAC與S－MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)丟包率比較如圖5所示。

圖5 QD－MAC與S－MAC協(xié)議的丟包率性能比較

QD－MAC協(xié)議的丟包率性能要比S－MAC協(xié)議好很多，QD－MAC在最開(kāi)始的發(fā)送間隔趨于0的時(shí)候丟包率為0.52，而S－MAC協(xié)議達(dá)到了0.92，因?yàn)榇藭r(shí)QD－MAC的占空比達(dá)到100%，而S－MAC的占空比固定的30%;在約0.15 s QD－MAC的丟包率已明顯趨于0，而S－MAC協(xié)議等到0.35 s時(shí)才開(kāi)始趨于0。由此可見(jiàn)，在高吞吐量的情況下，QD－MAC的傳輸?shù)目煽啃员萐－MAC協(xié)議強(qiáng)。

(3)網(wǎng)絡(luò)吞吐量。吞吐量對(duì)比如圖6所示，從整體上看，隨著數(shù)據(jù)發(fā)送間隔的減小，網(wǎng)絡(luò)吞吐量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在數(shù)據(jù)發(fā)送間隔＜0.35 s的情況下，QDMAC協(xié)議的吞吐量比S－MAC協(xié)議大，因?yàn)樵诎l(fā)送間隔＜0.35 s的情況下，S－MAC協(xié)議的碰撞嚴(yán)重，丟包率高，導(dǎo)致吞吐量較低。在數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為0.35 s的情況下，QD－MAC協(xié)議的占空比與S－MAC的相同，兩者吞吐量相當(dāng)，發(fā)送間隔＞0.35 s時(shí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的主要決定因素是數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速率，隨著數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率降低，兩者的吞吐量減少。

圖6 QD－MAC與S－MAC協(xié)議的吞吐量性能比較

(4)網(wǎng)絡(luò)能耗。QD－MAC協(xié)議的能耗在數(shù)據(jù)發(fā)送間隔低于0.35 s時(shí)，QD－MAC協(xié)議的占空比比SMAC大，有大量數(shù)據(jù)要發(fā)送會(huì)消耗較大的能量。隨著數(shù)據(jù)發(fā)送間隔的減小，緩存隊(duì)列中待發(fā)送的數(shù)據(jù)減少，節(jié)能需要QD－MAC減小占空比，到數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為0.35 s時(shí)兩者的占空比相當(dāng)，能耗相當(dāng)。只有QDMAC隨著數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率減小繼續(xù)減少占空比，而SMAC保持固定的30%占空比，在緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，會(huì)有一段時(shí)間的空閑監(jiān)聽(tīng)消耗能量，隨著數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率的減小，空閑監(jiān)聽(tīng)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。由于QD－MAC的占空比減小到最小值之后就不會(huì)降低，所以消耗的能量不會(huì)變?yōu)?，只會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)最小占空比情況下消耗的能量值處，具體能耗表現(xiàn)如圖7所示。

圖7 QD－MAC與S－MAC協(xié)議的能耗能比較

4 結(jié)束語(yǔ)

研究了無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議。指出了S－MAC協(xié)議應(yīng)用于無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題，然后提出了改進(jìn)方法。統(tǒng)計(jì)所有鄰居節(jié)點(diǎn)和自身節(jié)點(diǎn)緩沖隊(duì)列中的數(shù)據(jù)量來(lái)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載從而調(diào)整占空比來(lái)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)流量的變化。針對(duì)改進(jìn)算法在NS2上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，QD－MAC協(xié)議不僅能使節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)時(shí)間適應(yīng)通信負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，還能大幅減少節(jié)點(diǎn)休眠帶來(lái)的延遲。

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