林銘瀚，胡永洪，薛毓強(qiáng)，凌飛鴻

(1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建　福州　350116； 2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建　福州　350002)

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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的SMAC協(xié)議跨層優(yōu)化

林銘瀚1，胡永洪2，薛毓強(qiáng)1，凌飛鴻1

(1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350116； 2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建福州350002)

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于個(gè)別節(jié)點(diǎn)因能量消耗大而加快網(wǎng)絡(luò)消亡問(wèn)題。本文采用能量均衡思想對(duì)SMAC協(xié)議進(jìn)行跨層優(yōu)化，提出了b-SMAC協(xié)議，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)路徑能耗來(lái)更新路由表，有效優(yōu)化選擇下一跳的節(jié)點(diǎn)，達(dá)到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗均衡的目的。NS-2軟件仿真結(jié)果表明，b-SMAC比SMAC協(xié)議更有效解決能量非均衡消耗問(wèn)題，減少了網(wǎng)絡(luò)消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存周期。

WSN；熱點(diǎn)問(wèn)題；SMAC；跨層優(yōu)化

1　引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的 “多跳”傳輸?shù)淖越M織網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有易布署，覆蓋范圍廣，可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事、工業(yè)控制等多種領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，WSN因其優(yōu)良特性在未來(lái)將擁有更加廣泛的應(yīng)用空間[1-3]。

因布署環(huán)境限制，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)絕大部分由電池供電。此外，布署節(jié)點(diǎn)的數(shù)量多，環(huán)境復(fù)雜，后期電池更換不便,而節(jié)點(diǎn)能量是有限的，如何在節(jié)點(diǎn)能量有限的情況下，提高節(jié)點(diǎn)的續(xù)航能力成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。在物理層(MAC)當(dāng)中，節(jié)點(diǎn)的主要能耗主要來(lái)自①數(shù)據(jù)發(fā)送；②載波偵聽(tīng)；③數(shù)據(jù)重發(fā)；④協(xié)議開(kāi)銷等[4]。現(xiàn)如今，應(yīng)用較多的MAC協(xié)議有SMAC協(xié)議、TMAC協(xié)議、DMAC協(xié)議等。

本文基于SMAC協(xié)議的特點(diǎn)，提出了b-SMAC(balanced-SMAC)協(xié)議。該協(xié)議的主體思想是節(jié)點(diǎn)根據(jù)路徑能耗來(lái)更新路由表，優(yōu)化選擇了下一跳的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而使網(wǎng)絡(luò)能量均衡，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存周期。

2　SMAC協(xié)議

SMAC協(xié)議是一種基于競(jìng)爭(zhēng)的媒體訪問(wèn)控制協(xié)議，其主要功能是降低節(jié)點(diǎn)的能耗，以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生存周期。其基本思想是每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，就通過(guò)SYNC廣播包以同步調(diào)度表，并結(jié)成同步調(diào)度表虛擬簇。每個(gè)節(jié)點(diǎn)基于同步調(diào)度表進(jìn)入睡眠—偵聽(tīng)的工作機(jī)制以降低節(jié)點(diǎn)能耗[5-6]。節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需先通過(guò)握手機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)到傳輸信道，在其他節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸直至傳輸完成。

2.1周期性的睡眠—偵聽(tīng)

周期性的睡眠—偵聽(tīng)是讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)間歇性的進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)約能量，當(dāng)定時(shí)器時(shí)間到的時(shí)候則喚醒偵聽(tīng)信道。SMAC協(xié)議睡眠機(jī)制如圖1所示。

圖1SMAC協(xié)議睡眠機(jī)制

為了保證數(shù)據(jù)傳輸，SMAC協(xié)議引入調(diào)度表制度用以同步節(jié)點(diǎn)之間的睡眠時(shí)間。每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播同步包(SYNC)來(lái)告知鄰居節(jié)點(diǎn)自己的調(diào)度表，用來(lái)保持相同的喚醒時(shí)間。其中，SYNC中包含的內(nèi)容為節(jié)點(diǎn)ID，以及從發(fā)包時(shí)刻距下次睡眠的時(shí)間Tre。因此節(jié)點(diǎn)在接收到同步包時(shí)應(yīng)減去傳輸時(shí)間Tdu，才為節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間Tsleep。

Tsleep=Tre-Tdu

(1)

SMAC協(xié)議為了避免串音以及沖突，引入NAV定時(shí)器以及RTS/CTS握手機(jī)制。此外，引入能量自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制，能有效降低通信延時(shí)累加效應(yīng)，從而減少數(shù)據(jù)分組的延遲。

2.2虛擬簇機(jī)制

節(jié)點(diǎn)在生成并廣播自己的調(diào)度表后，若又收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的調(diào)度表后，有兩種處理方式。若節(jié)點(diǎn)收與自己調(diào)度相同的其他鄰居的廣播，就在調(diào)度表中記錄該調(diào)度表，以期與非同步節(jié)點(diǎn)通信。若節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到與自己相同的調(diào)度表，則采用鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度表而丟棄自己的調(diào)度表。若節(jié)點(diǎn)采用同一調(diào)度表則形成一個(gè)虛擬簇，邊界節(jié)點(diǎn)則同時(shí)擁有多個(gè)調(diào)度表。如圖2在廣闊的WSN區(qū)域中，可能存在眾多不同的虛擬簇即調(diào)度1與調(diào)度2，中間節(jié)點(diǎn)則同時(shí)擁有2種調(diào)度表，則優(yōu)先選擇更早接收到的調(diào)度表，節(jié)點(diǎn)定期廣播自己的調(diào)度表。這使得SMAC協(xié)議擁有良好的拓展性。

3　SMAC協(xié)議的改進(jìn)

SMAC協(xié)議當(dāng)中引入了周期性的睡眠—偵聽(tīng)，用以節(jié)約傳感器的能量。不足在于節(jié)點(diǎn)之間的不同步會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)延遲會(huì)累加，睡眠機(jī)制也會(huì)有較大差異導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量不均衡。為了更好保持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的能量均衡。利用路由層與物理層之間的數(shù)據(jù)交互，在SMAC協(xié)議的SYNC廣播包中加入路徑能耗以及能量字段，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量信息的共享。最后，收到SYNC廣播包得節(jié)點(diǎn)根據(jù)其能量信息更新其路由表。

圖2　虛擬簇機(jī)制

3.1路徑選擇

在路徑選擇當(dāng)中，引入路徑能耗模型[8]。

E=Ecost〈h〉

(2)

其中

Ecost=ETX+ERX

=2Eelecn+εampnd?

(3)

式(2)～(3)中，E為路徑能耗值，h為跳轉(zhuǎn)數(shù)，Ecost為單跳能耗值。設(shè)相距為d的兩節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為n bit，發(fā)送節(jié)點(diǎn)能耗為ETX，接收節(jié)點(diǎn)能耗為ERX，則發(fā)射和接收的總能耗為Ecost。Eelec表示發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)每發(fā)送單位或接收單位比特的能耗；εamp表示發(fā)射增益電路將每bit傳送單位平方米所耗的能量；?為傳播衰減指數(shù)，2≤?≤5，取值范圍由現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境決定，當(dāng)周圍處于平坦無(wú)障礙環(huán)境時(shí)，?取值為2。

(4)

式(4)中，節(jié)點(diǎn)剩余能量為Ers。Perr為鏈路丟包率；?、β的取值為[0,1]，它們是衡量鏈路能耗和節(jié)點(diǎn)能耗的相關(guān)參數(shù)，式(4)由節(jié)點(diǎn)的鄰居計(jì)算。

3.2SYNC廣播字段更新

原先SYNC廣播字段中的僅包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)和從發(fā)包時(shí)刻距離下次睡眠的時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)層間的數(shù)據(jù)共享，主要通過(guò)修改smac.cc里sendSYNC()子函數(shù)實(shí)現(xiàn)。將式(4)計(jì)算得的單跳路徑能耗參數(shù)r_cost加入到SYNC字段中形成新的字段SYNCenr即：{ID號(hào)，下次睡眠時(shí)間，r_cost，剩余能量}。

在節(jié)點(diǎn)接收到SYNCenr包時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的下一跳路徑能耗進(jìn)行從小到大排列，并將其加入路由表當(dāng)中。

4　仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

在ns-2.34平臺(tái)上[9]，對(duì)SMAC協(xié)議以及b-SMAC協(xié)議進(jìn)行仿真驗(yàn)證比較。

主要仿真參數(shù)如下，節(jié)點(diǎn)數(shù)10個(gè)，初始能量1000J，傳輸耗能1.2J，接收耗能1.0J，數(shù)據(jù)量512kb，方向?yàn)?到9號(hào)節(jié)點(diǎn)，發(fā)包間隔1s，最大通信距離30m。

節(jié)點(diǎn)剩余能量對(duì)比如圖3所示。從10個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況來(lái)看,b-SMAC協(xié)議剩余能量平均值383.5J，極差為15J，標(biāo)準(zhǔn)差為4.88；SMAC協(xié)議剩余能量平均值為363.4J，極差為34J，標(biāo)準(zhǔn)差為10.72。因此使用b-SMAC協(xié)議，剩余能量離散程度低，能量均衡性要好于SMAC協(xié)議。

圖3　剩余能量對(duì)比圖

抖動(dòng)率即延遲時(shí)間變化量，如圖4所示。使用b-SMAC協(xié)議后傳輸路徑的每一跳都要依據(jù)路徑能耗大小進(jìn)行選擇，導(dǎo)致抖動(dòng)率要高于改進(jìn)錢。以節(jié)點(diǎn)0為例，隨著節(jié)點(diǎn)的能量消耗，節(jié)點(diǎn)1與2的能量能量消耗有變化，故存在下一跳節(jié)點(diǎn)選擇的變化。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，端到端延時(shí)的變化稍高對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定影響不大。

圖4　抖動(dòng)率對(duì)比圖

使用b-SMAC協(xié)議與SMAC協(xié)議的吞吐量均在300s左右達(dá)到飽和，二者的吞吐量比較接近如圖5所示。因基于剩余能量機(jī)制的SMAC協(xié)議會(huì)根據(jù)下一跳節(jié)點(diǎn)的位置，優(yōu)化自身調(diào)度表，以最優(yōu)路徑發(fā)送數(shù)據(jù)，減少節(jié)點(diǎn)自身的沖突域，降低節(jié)點(diǎn)間沖突后重發(fā)率。在負(fù)載較低時(shí)，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包減少，兩種協(xié)議的平均吞吐量差不多。

圖5　網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比圖

5　結(jié)論

本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)能耗不均衡而縮短整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存周期，產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”問(wèn)題，提出了引入路徑能耗模型的改進(jìn)SMAC協(xié)議b-SMAC。根據(jù)NS-2仿真平臺(tái)的驗(yàn)證，結(jié)果表明改進(jìn)后的協(xié)議更能降低能耗、均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量、提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存周期。綜合上述分析表明，b-SMAC協(xié)議在能量有效性上明顯超越SMAC協(xié)議。

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Cross Layer Optimization of SMAC Protocol Based on Energy Balanced

LINMing-han1，HUYong-hong2，XUEYu-qiang1，LINGFei-hong1

(1.College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，F(xiàn)ujian China；2.Fujian Electric Power Company Limited，F(xiàn)uzhou 350002，F(xiàn)ujian China)

In wireless sensor network,as for individual nodes energy consumption which accelerate the demise of the network.Based on energy balanced idea to cross layer optimization of SMAC protocol,the b-SMAC protocol is proposed.To achieve the purpose of balancing the energy consumption of nodes,the node can update the routing table on the basis of energy consumption of path,optimal selection of next hop effectively.The NS-2 software simulation result shows that,b-SMAC protocol is more efficient than SMAC to solve the energy consumption problem of non-balanced in the network,extend the network life cycle.

WSN;hotspot problem;SMAC;cross layer optimization

1004-289X(2016)02-0016-03

國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司科技項(xiàng)目(編號(hào)：521309135004)

TP212

B

2015-04-22