衛(wèi)小偉

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系　西安　710018)

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WSN中一種節(jié)能的按需調(diào)度協(xié)作式MAC協(xié)議研究*

衛(wèi)小偉

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系西安710018)

摘要能量空洞問(wèn)題影響了由電池供電的多跳無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。為此,論文提出一種按需調(diào)度協(xié)作式MAC協(xié)議(ODSC-MAC),綜合采用按需策略及可擴(kuò)展(傳輸)范圍的傳感器協(xié)作機(jī)制,ODSC-MAC協(xié)議解決了多跳WSN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)作式傳輸(CT)時(shí)存在的時(shí)空問(wèn)題,延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。另外,采用正交管線(xiàn)占空比調(diào)度以緩解流量競(jìng)爭(zhēng),同時(shí)設(shè)計(jì)了一種基于預(yù)定策略的喚醒機(jī)制以使協(xié)作節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步,并為CT傳輸范圍擴(kuò)展提供支持。與現(xiàn)有的MAC協(xié)議相比,基于REACT的NS-2仿真結(jié)果表明,該協(xié)議既明確考慮了CT傳輸?shù)拈_(kāi)銷(xiāo)及流量密集時(shí)控制報(bào)文的實(shí)際故障,又使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間提升了近80%。

關(guān)鍵詞無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò); 能量空洞; 協(xié)作傳輸; 按需調(diào)度; 網(wǎng)絡(luò)壽命

An Energy-saving On-demand Scheduling Cooperative MAC Protocol in Wireless Sensor Networks

WEI Xiaowei

(Department of Information Engineering, Shanxi College of Communication Technology, Xi’an710018)

AbstractThe energy hole problem limits the lifetime of battery powered multi-hop wireless sensor networks(WSNs). To solve this problem, An On-demand Scheduling Cooperative MAC protocol(ODSC-MAC) is proposed. By combining an on-demand strategy and sensor cooperation intended to extend range, ODSC-MAC tackles the spatio-temporal challenges for performing cooperative transmission(CT) in multi-hop WSN, to prolong the lifetime of the network. In addition, orthogonal and pipelined duty-cycle scheduling are used for reducing the traffic contention, and a reservation-based wake-up scheme is devised to bring cooperating nodes into temporary synchrony to support CT range extension. Compared with existing MAC protocols, our NS-2 simulations with REACT show that while explicitly accounting for the overhead of CT and practical failures of control packets in dense traffic, ODSC-MAC still gives almost 80% increase in network lifetime.

Key Wordswireless sensor networks, energy hole, cooperative transmission, on-demand scheduling, lifetime of the network

Class NumberTP393

1引言

眾所周知,能量空洞問(wèn)題影響了由電池供電的多跳無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命[1~2]。Sink附近的節(jié)點(diǎn)由于負(fù)載較重,能量耗盡較早,容易出現(xiàn)能量空洞問(wèn)題:Sink附近的節(jié)點(diǎn)既要傳輸自己的報(bào)文,又要為距離Sink較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。文獻(xiàn)[3]已經(jīng)證明,殘余能量激活式協(xié)作傳輸(REACT)轉(zhuǎn)發(fā)策略可糾正能量不均衡現(xiàn)象,將網(wǎng)絡(luò)壽命延長(zhǎng)2倍甚至更多。然而,該策略沒(méi)有考慮協(xié)作式傳輸(CT)導(dǎo)致的額外控制開(kāi)銷(xiāo)。同時(shí)也沒(méi)有考慮如何將REACT與占空比結(jié)合起來(lái),而占空比是節(jié)約能量、提升WSN網(wǎng)絡(luò)壽命的常用方法。

文獻(xiàn)[4]的研究表明,MAC協(xié)議的能量消耗主要集中于空閑偵聽(tīng)、開(kāi)銷(xiāo)和沖突及數(shù)據(jù)傳輸和接收?？臻e偵聽(tīng)意味著即使沒(méi)有入向報(bào)文,節(jié)點(diǎn)也需不斷地對(duì)信道進(jìn)行偵聽(tīng),IEEE 802.11內(nèi)的許多MAC協(xié)議均沒(méi)有考慮這一情況,而WIFI基站也必須偵聽(tīng)可能的流量。很顯然,對(duì)WSN來(lái)說(shuō),空閑偵聽(tīng)是災(zāi)難性的,因?yàn)檫@種模式下的節(jié)點(diǎn)消耗的能量與接收數(shù)據(jù)時(shí)的能耗相同。許多文獻(xiàn)已經(jīng)研究了占空比MAC協(xié)議[5~7],并允許節(jié)點(diǎn)在活躍狀態(tài)和睡眠狀態(tài)間進(jìn)行切換。這些協(xié)議顯著降低了空閑偵聽(tīng)的周期和開(kāi)銷(xiāo)。具體來(lái)說(shuō),文獻(xiàn)[5]中的DW-MAC協(xié)議具有出色的傳輸比、延時(shí)和節(jié)能表現(xiàn)。然而,DW-MAC和其他協(xié)議均沒(méi)有解決多跳WSN網(wǎng)絡(luò)的能量空洞問(wèn)題。

同時(shí),許多文獻(xiàn)還提出支持CT傳輸?shù)腗AC協(xié)議[8~9]。多個(gè)單天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)設(shè)備經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)而形成一個(gè)虛擬的天線(xiàn)陣列時(shí),即可進(jìn)行CT傳輸,可有效提升接收器的信噪比。然而,這些研究既沒(méi)有解決網(wǎng)絡(luò)壽命問(wèn)題,也沒(méi)有緩解能量空洞問(wèn)題。此外,這些研究均做出如下空間假設(shè):數(shù)據(jù)源、合作節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)均位于同一沖突域中(即:互相位于對(duì)方的傳輸范圍內(nèi)),同時(shí)做出如下時(shí)間假設(shè):在CT傳輸期間,所有節(jié)點(diǎn)保持活躍狀態(tài)。一般地,多跳網(wǎng)絡(luò)不滿(mǎn)足空間假設(shè),而且異步占空比網(wǎng)絡(luò)也難以滿(mǎn)足時(shí)間假設(shè)。

與大部分重點(diǎn)研究能量節(jié)約或能量均衡策略的MAC協(xié)議文獻(xiàn)不同,本文提出一種按需調(diào)度協(xié)作式MAC協(xié)議,集成了MAC協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)的能量節(jié)約和能量均衡啟發(fā)式策略,既提高了能耗的均衡性,又延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。具體來(lái)說(shuō),通過(guò)利用可對(duì)CT范圍擴(kuò)展進(jìn)行無(wú)縫調(diào)度的MAC協(xié)議,解決了能量空洞問(wèn)題,同時(shí)通過(guò)一種按需喚醒機(jī)制放松了時(shí)間假設(shè)。為了給上述方法提供支持,提出在MAC中集成管線(xiàn)和正交調(diào)度機(jī)制,以實(shí)現(xiàn)按需CT傳輸,并緩解流量競(jìng)爭(zhēng)。

NS-2仿真結(jié)果表明,即使考慮了開(kāi)銷(xiāo),基于REACT的MAC協(xié)議仍然將網(wǎng)絡(luò)壽命延長(zhǎng)了80%。

2網(wǎng)絡(luò)模型和占空比設(shè)計(jì)

REACT協(xié)議需要假設(shè)一種基于樹(shù)的路由協(xié)議?？紤]時(shí)分CT傳輸(TDCT)包括一個(gè)多播階段和多個(gè)單播階段。在首個(gè)多播階段,數(shù)據(jù)源與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)共享報(bào)文的一份拷貝。然后,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在正交時(shí)隙期間把報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給目的地。為了擴(kuò)展CT范圍,當(dāng)數(shù)據(jù)源把報(bào)文多播給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)時(shí),源節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和目的地的無(wú)線(xiàn)設(shè)備必須開(kāi)啟。目的地的無(wú)線(xiàn)設(shè)備開(kāi)啟之后,即可對(duì)數(shù)據(jù)源發(fā)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ),然后與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的報(bào)文拷貝進(jìn)行融合。文獻(xiàn)[10]提出的SCT-MAC協(xié)議通過(guò)使節(jié)點(diǎn)在其母節(jié)點(diǎn)和兩跳母節(jié)點(diǎn)調(diào)度期間(即Sched1和Sched2)喚醒并在Sched2期間發(fā)起CT傳輸,以實(shí)現(xiàn)喚醒交匯。然而在該機(jī)制中,距離Sink較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn),其調(diào)度次數(shù)往往多于Sink附近的節(jié)點(diǎn),因此空閑偵聽(tīng)時(shí)消耗更多的能量。另外,候選輔助節(jié)點(diǎn)局限于共享相同母節(jié)點(diǎn)的兄弟節(jié)點(diǎn)或母節(jié)點(diǎn)的兄弟節(jié)點(diǎn)。為此,本文提出一種方法通過(guò)按需方式使協(xié)作節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。具體來(lái)說(shuō),每個(gè)節(jié)點(diǎn)自身維護(hù)一個(gè)永久調(diào)度,以接收入向報(bào)文,只在需要支持CT傳輸時(shí)按需喚醒,本文將其稱(chēng)為時(shí)間調(diào)度。

一個(gè)占空比包括調(diào)度周期、數(shù)據(jù)周期和睡眠周期。超級(jí)幀定義為調(diào)度周期和數(shù)據(jù)周期的串接。本文將工作循環(huán)(cycle)的長(zhǎng)度定義為Ns個(gè)超級(jí)幀。在超級(jí)幀期間,利用調(diào)度周期進(jìn)行協(xié)作喚醒請(qǐng)求和傳輸預(yù)約。在數(shù)據(jù)周期期間,根據(jù)先前調(diào)度周期提供的調(diào)度信息進(jìn)行非CT數(shù)據(jù)傳輸和CT數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點(diǎn)在整個(gè)睡眠周期及“未被使用的”數(shù)據(jù)周期部分時(shí)間內(nèi)處于睡眠狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)使用與SCT-MAC相同的貪婪算法和廣播策略,以建立永久超級(jí)幀調(diào)度,如算法1所示。與文獻(xiàn)[5]中的DW-MAC相同,假設(shè)由一種專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議來(lái)傳播占空比信息。在圖1給出的調(diào)度算法示例中,50個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)且Ns=12。方塊中的數(shù)字表示對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的永久調(diào)度。請(qǐng)注意,葉節(jié)點(diǎn)服從其母節(jié)點(diǎn)的調(diào)度。

算法1:超級(jí)幀調(diào)度

1:輸入:

2:pt=節(jié)點(diǎn)t的直接母節(jié)點(diǎn)

3:It=節(jié)點(diǎn)t的干擾母節(jié)點(diǎn)集合

4:Sa={s∈[1,Ns]:s≠si?i∈It,si表示結(jié)點(diǎn)i的調(diào)度}

5:輸出:st

6:開(kāi)始

9:ifs

12: end

13:end

14:返回st

15:end

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行CT傳輸?shù)碾y度很大,因?yàn)閿?shù)據(jù)源、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和目的地必須就進(jìn)行CT傳輸?shù)膯拘阎芷谶_(dá)成一致。本文研究通過(guò)明確的請(qǐng)求步驟,使協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和單跳母節(jié)點(diǎn)會(huì)集于共同的喚醒交Sink,下一節(jié)對(duì)此做詳細(xì)描述。

圖1　隨機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)度示例

3按需調(diào)度協(xié)作式MAC協(xié)議

(ODSC-MAC)

3.1概述

在ODSC-MAC協(xié)議中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)永久調(diào)度,并在線(xiàn)決定時(shí)間調(diào)度。為了支持CT傳輸,可按需激活時(shí)間調(diào)度,然后關(guān)閉。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)知道其單跳相鄰節(jié)點(diǎn)及兩跳母節(jié)點(diǎn)的永久調(diào)度。因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)可能是接收節(jié)點(diǎn),所以它在其自身永久調(diào)度期間始終喚醒,以接收CT或非CT傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)決定向其母節(jié)點(diǎn)直接傳輸一個(gè)非CT數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí),則該節(jié)點(diǎn)在其母節(jié)點(diǎn)的永久調(diào)度期間喚醒,并按照第4小節(jié)的步驟傳輸數(shù)據(jù)。另一方面,當(dāng)源節(jié)點(diǎn)決定進(jìn)行CT傳輸時(shí),如圖2所示,則它將會(huì)按照第2小節(jié)的準(zhǔn)則過(guò)濾候選協(xié)同節(jié)點(diǎn)。本文使用與REACT相同的CT傳輸決策準(zhǔn)則。在該準(zhǔn)則下,需要比較源節(jié)點(diǎn)的殘余能量Ei及其母節(jié)點(diǎn)的能量Ep。如果Ep>Ei,則進(jìn)行非CT傳輸。否則,做出CT決策以保護(hù)母節(jié)點(diǎn)。然后,協(xié)同節(jié)點(diǎn)將會(huì)在線(xiàn)決定時(shí)間調(diào)度,在此期間這些節(jié)點(diǎn)將會(huì)喚醒,第3小節(jié)給出一種算法以落實(shí)這些步驟。本文定義了三種類(lèi)型的積極調(diào)度以支持ODSC-MAC協(xié)調(diào)中的調(diào)度機(jī)制,相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的職責(zé)如下所示:

1) 永久調(diào)度(類(lèi)型1):由每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置,以偵聽(tīng)入向報(bào)文。

2) 臨時(shí)調(diào)度(類(lèi)型2):由初始化CT傳輸?shù)脑垂?jié)點(diǎn)設(shè)置,以便對(duì)協(xié)同節(jié)點(diǎn)做出喚醒請(qǐng)求。

3) 臨時(shí)調(diào)度(類(lèi)型3):由協(xié)同節(jié)點(diǎn)設(shè)置為喚醒交Sink,以進(jìn)行CT傳輸。

圖2　源節(jié)點(diǎn)的CT決策和喚醒調(diào)度

3.2協(xié)同節(jié)點(diǎn)的選擇

SCT-MAC協(xié)議在設(shè)計(jì)調(diào)度機(jī)制時(shí)要求協(xié)同節(jié)點(diǎn)必須為源節(jié)點(diǎn)的兄弟節(jié)點(diǎn)或母節(jié)點(diǎn)的兄弟節(jié)點(diǎn)。與該協(xié)議相反,ODSC-MAC沒(méi)有類(lèi)似約束。相反,每個(gè)節(jié)點(diǎn)可從其單跳相鄰節(jié)點(diǎn)中選擇協(xié)同節(jié)點(diǎn)。本文選擇如下協(xié)同節(jié)點(diǎn): 1) 殘余能量最大, 2) 能量大于源節(jié)點(diǎn)。通過(guò)周期性地插入共同的信息共享廣播時(shí)隙,即可獲得能量信息。廣播期間傳輸?shù)膱?bào)文也可用于重新調(diào)整調(diào)度,并更新其相鄰節(jié)點(diǎn)信息,以適應(yīng)可能發(fā)生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。

圖3　喚醒機(jī)制

3.3按需喚醒

CT傳輸時(shí),我們提供在線(xiàn)喚醒機(jī)制,通過(guò)在線(xiàn)管理臨時(shí)調(diào)度以使相同節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)臨時(shí)同步。具體來(lái)說(shuō),本文要求在兩跳母節(jié)點(diǎn)的永久調(diào)度期間進(jìn)行CT傳輸,該調(diào)度也是可能發(fā)生的兩跳非CT傳輸?shù)恼{(diào)度。因此,本文的目標(biāo)是使所有協(xié)同節(jié)點(diǎn)會(huì)聚于該CT交Sink。

因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的永久調(diào)度可能完全不同,本文提出一種明確的喚醒請(qǐng)求步驟,以設(shè)置協(xié)同節(jié)點(diǎn)的喚醒交Sink。如圖3所示,源節(jié)點(diǎn)i設(shè)置類(lèi)型2調(diào)度,以便在每個(gè)協(xié)同節(jié)點(diǎn)及單跳母節(jié)點(diǎn)的調(diào)度sj期間臨時(shí)喚醒。請(qǐng)注意,每個(gè)sj是調(diào)度周期和數(shù)據(jù)周期的串接。源節(jié)點(diǎn)將向協(xié)同節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)喚醒請(qǐng)求報(bào)文,以表明CT交Sink的預(yù)期時(shí)間β,并等待喚醒回復(fù)。視生成報(bào)文的時(shí)間隙α和協(xié)同節(jié)點(diǎn)的調(diào)度不同,為協(xié)同節(jié)點(diǎn)提供一種方法以便協(xié)同節(jié)點(diǎn)自行決定何時(shí)喚醒進(jìn)行CT傳輸,如算法2所示。這一協(xié)調(diào)過(guò)程請(qǐng)見(jiàn)第4小節(jié)將要描述的MAC協(xié)議非CT傳輸步驟,即:使用調(diào)度周期交換喚醒請(qǐng)求/回復(fù)。

算法2:在線(xiàn)喚醒調(diào)度算法

輸入:協(xié)同節(jié)點(diǎn)集合(包括母節(jié)點(diǎn))Γ

報(bào)文到達(dá)時(shí)的時(shí)隙,α

兩跳母節(jié)點(diǎn)的調(diào)度,β

輸出:喚醒交Sink的調(diào)度

1:源節(jié)點(diǎn):(進(jìn)行喚醒請(qǐng)求)

2:maxTime←0;

3:for 每個(gè)j∈Γdo

4:ifsj≡βthen 設(shè)置WakedStatus[j];

5:else

6:d1←(sj-α)modNs;

7:d2←(β-sj)modNs;

9:scheduleTxRequest[j];

10:end

11:end

12:每個(gè)協(xié)同節(jié)點(diǎn):(當(dāng)接收到喚醒請(qǐng)求時(shí))

13:d←(β-sj)modNs;

14:TimeToWake←startofSlot+d*superFrameLen;

15:ifTimeToWake

16:else

17:scheduleWakeup();

18:end

19:sendWakeupReply();

注意,該算法存在兩種延時(shí): 1) 鏈路延時(shí)(從數(shù)據(jù)源到下一跳節(jié)點(diǎn),要么是單跳母節(jié)點(diǎn),要么是兩跳母節(jié)點(diǎn))。 2) 協(xié)同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)可能導(dǎo)致的“額外”延時(shí)。請(qǐng)注意,如果被選協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)過(guò)程準(zhǔn)時(shí)發(fā)生于兩跳母節(jié)點(diǎn)之用(稱(chēng)為提前協(xié)調(diào)),則協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)過(guò)程不會(huì)有任何額外延時(shí),這主要是由于永久型調(diào)度的管線(xiàn)特征。實(shí)際上,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的選擇過(guò)程可以采用第3種準(zhǔn)則(即sj<β),以保證提前協(xié)調(diào)。

3.4CT和非CT傳輸?shù)臒o(wú)縫調(diào)度及傳輸

本小節(jié)對(duì)母節(jié)點(diǎn)調(diào)度期間的非CT傳輸和圖3中CT傳輸交匯期間CT傳輸?shù)臒o(wú)縫調(diào)度和傳輸進(jìn)行詳細(xì)描述。與SCT-MAC相同,使用調(diào)度周期來(lái)在下一數(shù)據(jù)周期內(nèi)預(yù)留數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)周期未被使用的時(shí)間內(nèi)處于睡眠狀態(tài)。接收器將跟蹤自身數(shù)據(jù)周期內(nèi)已經(jīng)預(yù)留的非CT和CT傳輸次數(shù)。

1) 非CT情況:在調(diào)度期間,源節(jié)點(diǎn)S向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送一個(gè)調(diào)度幀(SF),目的節(jié)點(diǎn)D將返回一個(gè)調(diào)度幀,且返回的調(diào)度幀中包含數(shù)據(jù)周期內(nèi)已經(jīng)預(yù)留的非CT(Nnon-CT)和CT(NCT)數(shù)量。節(jié)點(diǎn)S和D根據(jù)下式計(jì)算從后續(xù)數(shù)據(jù)周期開(kāi)始的相應(yīng)喚醒時(shí)間點(diǎn)TWakeup:

TWakeup=Tnon-CT×Nnon-CT+TCT×NCT

(1)

其中Tnon-CT=TPkt+TAck+SIFS且TCT=2TPkt+2TAck+3SIFS。很容易看出,對(duì)一個(gè)接收器來(lái)說(shuō),在后續(xù)數(shù)據(jù)周期內(nèi)不會(huì)發(fā)生調(diào)度沖突,因此避免了不同發(fā)射機(jī)間的數(shù)據(jù)沖突。在數(shù)據(jù)周期內(nèi)的調(diào)度時(shí)間TWakeup喚醒后,節(jié)點(diǎn)S和D進(jìn)行DATA-ACK(數(shù)據(jù)確認(rèn))過(guò)程,然后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

2) CT傳輸情況:與SCT-MAC相同,使用一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)來(lái)使(傳輸)范圍翻倍。以圖4(b)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例,在CT交匯時(shí)間內(nèi),節(jié)點(diǎn)S向兩跳之外的目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送一個(gè)SF。招募的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)C在下一時(shí)隙期間于SIFS之后向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送SF。基于最大比例組合準(zhǔn)則(MRC)對(duì)SF解碼后[11],節(jié)點(diǎn)D向源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送一個(gè)包含Nnon-CT和NCT的SF。因?yàn)槟康墓?jié)點(diǎn)傳輸時(shí)沒(méi)有使用CT傳輸,所以該SF必須由源節(jié)點(diǎn)的單跳母節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)(將被保護(hù)的節(jié)點(diǎn)P)。接收到轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的SF后,源節(jié)點(diǎn)S和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)C將會(huì)根據(jù)式(1)調(diào)度一個(gè)喚醒時(shí)間。然后,在數(shù)據(jù)周期內(nèi)的喚醒時(shí)間,源節(jié)點(diǎn)S在首個(gè)時(shí)隙期間發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文,由節(jié)點(diǎn)C在第2個(gè)時(shí)隙期間于SIFS之后對(duì)該報(bào)文進(jìn)行解碼和轉(zhuǎn)發(fā)。在根據(jù)MRC準(zhǔn)則解碼CT報(bào)文時(shí),兩跳目的節(jié)點(diǎn)D通過(guò)兩跳方式向節(jié)點(diǎn)S傳輸ACK。同時(shí),由節(jié)點(diǎn)P代表節(jié)點(diǎn)D轉(zhuǎn)發(fā)ACK。為了避免監(jiān)聽(tīng)節(jié)點(diǎn)S和C的數(shù)據(jù)報(bào)文,節(jié)點(diǎn)P應(yīng)該在節(jié)點(diǎn)D傳輸ACK前調(diào)度一個(gè)喚醒時(shí)間Tp,即Tp=TWakeup+2TPkt+2SIFS。因此,本文無(wú)法完全避免使用將被保護(hù)的節(jié)點(diǎn)P,只使用該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā),其他情況下允許其進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

CT和非CT重傳包括SF握手重試和數(shù)據(jù)傳輸。前一種情況發(fā)生于調(diào)度周期內(nèi),可以進(jìn)行多次嘗試直至到達(dá)周期的邊界。然而,如果SF握手成功但是被調(diào)度的數(shù)據(jù)傳輸在數(shù)據(jù)周期內(nèi)失敗,則節(jié)點(diǎn)必須等待下一工作循環(huán)。

3.5單跳節(jié)點(diǎn)處理及向Sink快速轉(zhuǎn)發(fā)

因?yàn)榕cSink相距單跳距離的節(jié)點(diǎn)的調(diào)度具有正交性(因?yàn)樗鼈兓ハ辔挥趯?duì)方的干擾范圍內(nèi)),所以它們可在分裂時(shí)間(split time)內(nèi)見(jiàn)到Sink,因此可向源節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送回復(fù)SF,而不是使Sink通過(guò)兩跳方式向源節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。有三種類(lèi)型的流量可能會(huì)通過(guò)單跳節(jié)點(diǎn),如圖4所示:圖(a)和(b)中以自己作為MAC層目的地的非CT傳輸和CT傳輸,圖(c)中從其葉節(jié)點(diǎn)直接傳向Sink的CT傳輸。在前兩種情況下,節(jié)點(diǎn)多預(yù)留一個(gè)Tnon-CT,用于立刻把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)往Sink。在第3種情況下,它代表Sink回復(fù)SF。

圖4　單跳節(jié)點(diǎn)的流量

4仿真實(shí)驗(yàn)

下面給出了NS-2.29的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)ODSC-MAC協(xié)議的詳細(xì)評(píng)估結(jié)果。假設(shè)有100個(gè)隨機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),50個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署于1000m*1000m面積上。Sink位于中心。與SCT-MAC和DW-MAC不同,使用隨機(jī)相關(guān)事件(RCE)流量模型分析ODSC-MAC,以模擬空間相關(guān)事件觸發(fā)的突發(fā)流量。每200s隨機(jī)選擇事件位置。以事件位置為中心、半徑為R的圓內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)報(bào)文發(fā)給Sink。半徑R逐漸增加,以便向網(wǎng)絡(luò)輸入更多流量。表1給出了主要仿真參數(shù)。節(jié)點(diǎn)的初始能量為50J,Sink沒(méi)有能量約束。路由層使用最小距離指標(biāo),路由層的能耗忽略。同時(shí),還忽略O(shè)DSC-MAC協(xié)議在構(gòu)建永久型調(diào)度時(shí)網(wǎng)絡(luò)初始化階段的能耗。將ODSC-MAC協(xié)議與合作式協(xié)議SCT-MAC[10]和非合作式占空比協(xié)議DW-MAC[5]進(jìn)行比較。

表1　仿真參數(shù)

4.1網(wǎng)絡(luò)壽命評(píng)估

本節(jié)評(píng)估了不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)壽命。網(wǎng)絡(luò)壽命定義為首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)成功發(fā)送到Sink的報(bào)文數(shù)量。圖5給出了事件感知范圍R上升時(shí),平均壽命的增長(zhǎng)情況,此時(shí)置信區(qū)間為95%(它們非常小)。研究發(fā)現(xiàn),ODSC-MAC的壽命遠(yuǎn)優(yōu)于SCT-MAC和DW-MAC。例如,當(dāng)R=400m時(shí),ODSC-MAC的平均壽命比SCT-MAC高77.8%。這是因?yàn)殡m然進(jìn)行CT傳輸,但是ODSC-MAC花費(fèi)在空閑偵聽(tīng)上的時(shí)間很少。當(dāng)流量增加時(shí),交錯(cuò)的占空比降低了多個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)媒介的沖突現(xiàn)象。

圖5　網(wǎng)絡(luò)壽命與事件感知范圍的關(guān)系

圖6以很小的標(biāo)度給出了3種協(xié)議的平均輸送比,置信區(qū)間為95%。除了輸送比最高外,ODSC-MAC對(duì)所有事件感知范圍的置信區(qū)間也最小。

圖6　輸送比與事件感知范圍的關(guān)系

4.2殘余能量情況

圖7　當(dāng)首個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量耗盡時(shí)網(wǎng)絡(luò)的殘余能量情況

本節(jié)給出在事件感知范圍為100m和300m條件下,首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的殘余能量情況。圖7表明,SCT-MAC協(xié)議使Sink周?chē)写罅磕芰课幢焕?。這是因?yàn)镾CT-MAC協(xié)議的調(diào)度要求節(jié)點(diǎn)在母節(jié)點(diǎn)和兩跳母節(jié)點(diǎn)調(diào)度時(shí)喚醒,以便支持CT傳輸,因此距離Sink較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)多達(dá)3個(gè)喚醒調(diào)度,消耗的能量大于空閑偵聽(tīng)時(shí)的能耗。從圖7中還可以看出,DW-MAC的殘余能量比較均衡,因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)調(diào)度經(jīng)過(guò)同步,所以許多能量消耗于空閑偵聽(tīng)時(shí)的調(diào)度周期及信道競(jìng)爭(zhēng)。另一方面,ODSC-MAC的能量之所以比SCT-MAC均衡,是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)需要在線(xiàn)維護(hù)一個(gè)永久調(diào)度并管理多個(gè)臨時(shí)調(diào)度,因此針對(duì)可能發(fā)生的CT流量而花費(fèi)的空閑偵聽(tīng)時(shí)間有所降低。

4.3飽和壽命

為了量化CT傳輸對(duì)ODSC-MAC協(xié)議的影響,將感知范圍從100m增加到1200m,然后比較ODSC-MAC協(xié)議支持CT傳輸和不支持CT傳輸時(shí)的壽命(置信區(qū)間為95%)。“不支持CT傳輸”是指,按照第2節(jié)內(nèi)容進(jìn)行占空比分配,但是每個(gè)報(bào)文必須進(jìn)行非CT傳輸。當(dāng)感知范圍為1200m時(shí),幾乎每個(gè)節(jié)點(diǎn)均將進(jìn)行周期性傳輸,因此有50個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)往Sink,大大增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。從圖8中可以發(fā)現(xiàn),感知范圍到達(dá)600m之前出現(xiàn)上升趨勢(shì)后,壽命開(kāi)始緩慢降低,直至到達(dá)穩(wěn)定水平。Bianchi等人研究[12]發(fā)現(xiàn),在WIFI網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)流量增加時(shí)吞吐量有類(lèi)似趨勢(shì)。類(lèi)似地,本文將該穩(wěn)定水平定義為網(wǎng)絡(luò)飽和壽命。圖8表明,即使在兩種情況下細(xì)致設(shè)計(jì)了占空比調(diào)度且考慮了CT傳輸?shù)耐ㄐ砰_(kāi)銷(xiāo),與非CT傳輸相比,CT傳輸仍然會(huì)增加飽和壽命。

圖8　飽和壽命:CT模式和非CT模式

4.4CT傳輸控制握手導(dǎo)致的實(shí)際缺陷

圖9　CT取消頻率

圖9給出了事件感知范圍為200m和600m時(shí),每個(gè)源節(jié)點(diǎn)的CT取消頻率。請(qǐng)注意,Sink周?chē)膯翁?jié)點(diǎn)無(wú)需初始化CT傳輸。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的流量負(fù)載較高時(shí),CT取消的頻率顯著上升。這一現(xiàn)象有兩個(gè)原因: 1) 若網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大,則CT交匯期間進(jìn)行CT數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度時(shí)SF握手的沖突加劇。沖突既來(lái)自于非CT握手競(jìng)爭(zhēng)也來(lái)自于CT握手競(jìng)爭(zhēng)。 2) 當(dāng)我們?yōu)榱说竭_(dá)CT交匯處而部署明確的喚醒請(qǐng)求/回復(fù)步驟時(shí),由于存在競(jìng)爭(zhēng),導(dǎo)致該喚醒步驟發(fā)生故障的頻率加劇。因此,必須放棄CT傳輸企圖,然后采用非CT傳輸。

5結(jié)語(yǔ)

本文提出一種按需占空比MAC協(xié)議(ODSC-MAC)以支持REACT協(xié)議;該協(xié)議利用網(wǎng)絡(luò)層的CT傳輸范圍擴(kuò)展來(lái)解決多跳WSN網(wǎng)絡(luò)的能量空洞問(wèn)題。通過(guò)綜合利用在線(xiàn)調(diào)度和CT傳輸范圍擴(kuò)展機(jī)制,解決了多跳WSN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行CT傳輸時(shí)的時(shí)空挑戰(zhàn),顯著延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。即使考慮控制報(bào)文的能量,支持REACT的ODSC-MAC協(xié)議仍然可將網(wǎng)絡(luò)壽命提升80%左右。

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中圖分類(lèi)號(hào)TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.028

作者簡(jiǎn)介:衛(wèi)小偉,男,博士,副教授,研究方向:無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)、移動(dòng)計(jì)算。

*收稿日期:2015年8月4日,修回日期:2015年9月12日