張 鑫，焦萬果

(南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，作為智能化產(chǎn)業(yè)重要組成的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)面臨更高的網(wǎng)絡性能要求[1]，包括更低的功耗和時延。在WSN中，多址接入?yún)f(xié)議(MAC)作為配置節(jié)點信道接入的重要手段，對網(wǎng)絡的吞吐量、時延及能量消耗等性能有著非常大的影響，是實現(xiàn)低功耗低時延傳感器網(wǎng)絡的重要研究對象[2]。

現(xiàn)有MAC協(xié)議一般基于時隙分配來實現(xiàn)多用戶接入，時隙分配算法極大影響著網(wǎng)絡性能[3]。文獻[4]論述了隨機多址接入?yún)f(xié)議在負載突增時表現(xiàn)很差，而基于時分多址的協(xié)議卻能很好地適應網(wǎng)絡流量變化。文獻[5]提出一種基于時分多址的改進MAC協(xié)議(I-MAC)，該協(xié)議只適用于規(guī)模較小的傳感器網(wǎng)絡，一旦網(wǎng)絡規(guī)模擴大，同步誤差會迅速增大。文獻[6]提出一種面向可移動節(jié)點的MAC協(xié)議，基于競爭退避算法消除顯隱終端問題，并實現(xiàn)了擇優(yōu)選擇中繼、減少傳輸跳數(shù)的目標，有效降低了傳輸時延和能耗。文獻[7]設計了一種預測喚醒機制，發(fā)送節(jié)點通過該機制選擇喚醒時間，接受節(jié)點自適應調(diào)整占空比，一次實現(xiàn)降低能耗和時延的目的。本文在文獻[5]的基礎上設計了一種按需時隙分配的多址接入?yún)f(xié)議，仿真結(jié)果顯示，該方案實現(xiàn)了減小功耗的同時降低傳輸時延并提高網(wǎng)絡魯棒性的目的。

1 I-MAC協(xié)議概述

I-MAC協(xié)議包含了一種鏈路質(zhì)量估計算法，確保鏈路完整且雙向通信質(zhì)量在一定程度上可靠，并確定節(jié)點之間的父子從屬關系。在此基礎上，進一步設計了時隙需求計算以及相應的時隙分配算法，達到對各層節(jié)點的時隙調(diào)度和按需分配數(shù)據(jù)時隙的目的。由于每個節(jié)點可以獨占被分配的時隙，傳輸過程中的沖突得到很大程度減少。此外，I-MAC還引入了周期拓撲維護機制和時鐘同步機制，使網(wǎng)絡具有良好的魯棒性和可拓展性。但因其采用的同步機制為洪泛時鐘同步機制，在多跳網(wǎng)絡中存在誤差積累效應，且隨著跳數(shù)的增加，同步誤差會迅速增大，進而直接影響時隙分配協(xié)議的性能。

此外，為有效獲取網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的時隙需求，I-MAC采用額外的時隙需求估算包，增大了網(wǎng)絡開銷[8-10]。

I-MAC協(xié)議的超幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，該超幀結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)初始化階段和重復周期構(gòu)成。在初始鏈路建立階段，網(wǎng)絡進行初始時隙分配；重復周期分為可靠性控制傳輸階段、可靠性數(shù)據(jù)傳輸階段和維護階段。

圖1 I-MAC協(xié)議的超幀結(jié)構(gòu)

文獻[5]給出了新的鏈路質(zhì)量參數(shù)linkq的表達式：

(1)

根據(jù)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，I-MAC協(xié)議采用逐層遞歸的方法，從葉節(jié)點到根節(jié)點為各層傳感器分配發(fā)送控制包和數(shù)據(jù)包所需要的控制時隙數(shù)和數(shù)據(jù)時隙數(shù)。在時隙調(diào)度階段，I-MAC分別采用時隙需求估算包和時隙需求分配包來計算時隙需求以及所需要分配的時隙數(shù)量。

2 時鐘同步與時隙分配方案設計

2.1 全局時鐘同步方案

時鐘同步對無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)極為重要，在許多依靠電池供電的WSNs中，大部分節(jié)能機制的正常運行都建立在時鐘同步的基礎上[11]。時鐘同步的作用是為整個網(wǎng)絡提供統(tǒng)一的時間尺度，是實現(xiàn)無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的關鍵之一，是網(wǎng)絡運行其他各種應用或可拓展應用的重要前提[12]。時鐘同步問題是無線傳感器網(wǎng)絡的研究熱點之一。

本文將sink的時間作為全局標準時間，時間同步從sink節(jié)點開始，按照控制包中時間信息達到的順序?qū)訉油?。在無線傳感器網(wǎng)絡中，控制信號與數(shù)據(jù)信號占用不同信道，控制信號的傳輸穩(wěn)定可靠，控制信號的發(fā)送總是成功的[13-14]?；谏鲜黾僭O，本文設計了一種全局時鐘同步方案。

首先，sink節(jié)點或某個父節(jié)點在自身的本地時刻A1發(fā)送控制信號給下一級子節(jié)點，子節(jié)點在時刻B1收到控制信號后，立即返還一個確認信號ACK，父節(jié)點接收到該確認信號的時間記為TiA3，該時間可表示為TA1+2εi，其中i為節(jié)點編號。節(jié)點間距離不同，則εi的值不同。父節(jié)點根據(jù)接收到節(jié)點i的確認信號時間可以計算出相應的εi=(TiA3-TA1)/2。在數(shù)據(jù)傳輸階段，父節(jié)點每成功接收子節(jié)點i的數(shù)據(jù)包，立即返回一個確認信號，該確認信號包含εi的值。在維護階段，父節(jié)點廣播自身的本地時間TA4給每一個子節(jié)點，子節(jié)點根據(jù)TA4將本地時間修改為全局時間：

Tlocal=Tglobal=TA4+εi。

(2)

每組父子節(jié)點最終都同步到匯聚節(jié)點sink的時間，所有活躍的傳感器能夠保持時鐘同步，而這種同步在每個維護階段結(jié)束之前都要進行一次，這種機制使網(wǎng)絡所有節(jié)點能夠及時校準本地時間，有效降低數(shù)據(jù)融合時產(chǎn)生誤差的幾率，使網(wǎng)絡更加穩(wěn)定。

2.2 按需分配時隙方案

網(wǎng)絡的初始路徑建立后，匯聚節(jié)點sink擁有所有節(jié)點的位置坐標、層號、ID和相互間的連接關系信息[15]。接下來，匯聚節(jié)點會根據(jù)網(wǎng)絡層數(shù)和每層子節(jié)點最多的那個父節(jié)點所需的時隙數(shù)，進行數(shù)據(jù)時隙和控制時隙的分配。網(wǎng)絡中節(jié)點初始獲得的總數(shù)據(jù)時隙數(shù)Stotal計算方法如下：

(3)

式中，L為網(wǎng)絡層數(shù)，Nulj為第l層第j列節(jié)點的子節(jié)點數(shù)。如圖2所示，L=4，最底層葉節(jié)點顯然是沒有子節(jié)點的，即max(Nulj)=0。

圖2 網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)

I-MAC協(xié)議中，根據(jù)每個傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)包的數(shù)量進行時隙分配的方法，實現(xiàn)按需分配時隙。在I-MAC協(xié)議基礎上，提出一種先按層再按需分配數(shù)據(jù)時隙方法。

在本文提出的時隙分配方案中，需要獲得節(jié)點緩存區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)包的數(shù)量。根據(jù)IEEE802.15.4的MAC和物理層相關標準[16]，需要將隊列長度放在上行數(shù)據(jù)包的第一個字節(jié)。這種方式可以使sink獲取數(shù)據(jù)包時也能夠獲得相應節(jié)點的緩存區(qū)隊列信息，以此判斷當前分配的時隙是否足夠。

3 仿真驗證

仿真中，每個節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包長度均是L=8 000 bit，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)消耗能量為L(Epro+Eamp×d02)，其中，Epro為處理每比特數(shù)據(jù)消耗的能量，Eamp為放大每比特數(shù)據(jù)消耗的能量，d0為兩點間距離。節(jié)點接收數(shù)據(jù)包消耗能量為LEpro，傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)消耗能量為Epro×Z+Esens，其中Z為1個傳感器節(jié)點一天收集數(shù)據(jù)，Esen為傳感器進行監(jiān)測每天固定能耗。仿真中，各參數(shù)值Epro為50 nJ/bit，Eamp為100 pJ/bit/m2，Esen為0.02 J。

首先，利用仿真比較了分別采用I-MAC協(xié)議和本文所提方案時，網(wǎng)絡所能獲得吞吐量，結(jié)果如圖3所示。在圖3中，橫坐標表示節(jié)點每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個數(shù)。

圖3 網(wǎng)絡的吞吐量對比

從圖3可以看出，當網(wǎng)絡負載大于等于3個數(shù)據(jù)包/s時，本文所提方案與I-MAC相比，可以獲得更高的吞吐量。這是由于按需分配方案使得相應節(jié)點獲得了足夠多的時隙，即網(wǎng)絡能夠適應部分區(qū)域性的數(shù)據(jù)流量突增。

進一步對比每層每個節(jié)點在不同協(xié)議下的平均功耗，結(jié)果如圖4所示。與I-MAC相比，本文所設計的方案由于不再采用洪泛時鐘同步機制，網(wǎng)絡初始化后每個節(jié)點的εi的值只需計算1次，每次維護階段的同步開銷得到了減少。同時按需分配時隙的方式減少了不必要的信道占用，進而有效減少了節(jié)點在空閑信道監(jiān)聽上的能耗。

圖4 功耗對比

最后比較了數(shù)據(jù)包投遞率。投遞率是指匯聚節(jié)點sink收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量和其他所有活躍節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量的比值。2種協(xié)議的數(shù)據(jù)包投遞率如圖5所示。

圖5 包投遞率對比

圖5表明I-MAC協(xié)議和本文方案得到的包投遞率相差不大。由于I-MAC協(xié)議與本文協(xié)議均采用按需的時隙分配算法，均可以達到較高的數(shù)據(jù)包投遞率。隨著跳數(shù)不斷增加，不可避免的，路徑損耗與信號衰減使得投遞率隨著跳數(shù)增加而不斷下降。

4 結(jié)束語

針對I-MAC協(xié)議的時鐘同步算法和時隙分配算法的不足，首先提出了一種改進的全局同步方案，降低同步誤差。在此基礎上，進一步引入隊列長度指示的基礎上，設計了一種按需分配時隙機制，使得網(wǎng)絡能夠具有應對覆蓋區(qū)域內(nèi)局部區(qū)域包數(shù)量突增的能力，提高了網(wǎng)絡的魯棒性。仿真結(jié)果證明，與I-MAC協(xié)議相比，改進協(xié)議具有很好的數(shù)據(jù)包投遞率，且能夠有效提高網(wǎng)絡吞吐量，降低網(wǎng)絡能耗，改善網(wǎng)絡的生存期，對傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展和應用具有重要意義。