徐 震，雷利紅，宋華華，夏靜山

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430023）

低占空比無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)非對(duì)稱鏈路MAC協(xié)議研究*

徐 震，雷利紅，宋華華，夏靜山

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430023）

低占空比無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以提高網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的生存周期，但卻帶來(lái)一些額外的問題，如較長(zhǎng)的等待延時(shí)等。低占空比無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)接收端啟動(dòng)的MAC協(xié)議，能夠很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。然而，當(dāng)鏈路高度不對(duì)稱時(shí)，接收端啟動(dòng)的MAC協(xié)議卻不盡人意。因此，提出一種新穎的MAC協(xié)議（AL-MAC），即在接收端發(fā)起協(xié)議表現(xiàn)不佳時(shí)，自動(dòng)切換到發(fā)送端發(fā)起協(xié)議，使兩種協(xié)議都能發(fā)揮出自身優(yōu)點(diǎn)，從而減少由于非對(duì)稱鏈路而導(dǎo)致的性能下降。仿真結(jié)果表明，相對(duì)于A-MAC協(xié)議，這種協(xié)議能更好地提高數(shù)據(jù)包成功接收率和降低數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延。

低占空比；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；非對(duì)稱鏈路；MAC協(xié)議

0 引 言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN：Wireless Sensor Network）由許多具有信息采集功能的節(jié)點(diǎn)組成。這些節(jié)點(diǎn)體積微小，部署在需要監(jiān)測(cè)的范圍內(nèi)，可以采集需要的信息并發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)使用方便，價(jià)格低廉，因此得到了醫(yī)學(xué)界﹑學(xué)術(shù)界以及軍事領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。傳感器節(jié)點(diǎn)大多數(shù)都是依靠電池供電，節(jié)點(diǎn)的能量通常有限，如何提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的壽命是一個(gè)非常重要的問題。傳感器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，消耗的能量是最多的；而睡眠狀態(tài)下所消耗的能量是最低的。因此，讓節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，可以大大節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。在MAC協(xié)議中加入睡眠機(jī)制，是一種行之有效的方法。于是，這種情況下，出現(xiàn)了低占空比無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議不僅有發(fā)送端發(fā)起模

式，還有接收端發(fā)起模式。發(fā)送端發(fā)起的MAC協(xié)議如X-MAC[1]和BoX-MAC-1[2]，需要傳輸先導(dǎo)控制幀；接收端發(fā)起的MAC協(xié)議如R-MAC[3]和A-MAC[4]。每當(dāng)接收端從睡眠狀態(tài)被喚醒時(shí)，會(huì)廣播探測(cè)幀，但傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)送端需處于偵聽狀態(tài)并等待，直到收到探測(cè)幀。可見，接收端發(fā)起的優(yōu)勢(shì)是不需要發(fā)送先導(dǎo)控制幀。

在對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究與探索中，很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析表明：非對(duì)稱鏈路是普遍存在的。一般情況下，節(jié)點(diǎn)的使用率不同，節(jié)點(diǎn)電池所消耗的能量也會(huì)有所不同。節(jié)點(diǎn)通信所覆蓋的范圍也會(huì)受到環(huán)境的影響。當(dāng)節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境出現(xiàn)差異時(shí)，會(huì)導(dǎo)致覆蓋范圍不對(duì)稱（鏈路不對(duì)稱），從而影響數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延和成功接收率。接收端發(fā)起的MAC協(xié)議的性能受到非對(duì)稱鏈路的影響，因?yàn)榘l(fā)送端需要收到來(lái)自接收端的探測(cè)幀，只有接收到該探測(cè)幀，發(fā)送端才開始數(shù)據(jù)傳輸。由于鏈路是不對(duì)稱的，可能會(huì)引起兩個(gè)潛在的問題發(fā)生：（1）當(dāng)探測(cè)幀未能傳輸給發(fā)送端時(shí)，接收探測(cè)幀的發(fā)送端必須保持偵聽狀態(tài)等待下一個(gè)探測(cè)幀，這個(gè)過(guò)程會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和能量消耗；（2）由于下行鏈路質(zhì)量較差，發(fā)送端不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。

本文針對(duì)存在非對(duì)稱鏈路的低占空比無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，提出了一種新的非對(duì)稱鏈路MAC協(xié)議——AL-MAC協(xié)議。該協(xié)議綜合了接收端發(fā)起模式和發(fā)送端發(fā)起模式兩種MAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)鏈路的不對(duì)稱性，使節(jié)點(diǎn)在發(fā)射端發(fā)起和接收端發(fā)起之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換。

1 相關(guān)研究

在低占空比無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，占空比機(jī)制主要分為同步占空比和異步占空比。在同步占空比情況下，鄰居節(jié)點(diǎn)之間有相同的時(shí)間調(diào)度，可以在工作和睡眠上實(shí)現(xiàn)同步。而在異步占空比情況下，節(jié)點(diǎn)有自己的占空比，并且能夠獨(dú)立分配自己的工作時(shí)隙。因?yàn)橥秸伎毡刃枰獣r(shí)間完全同步，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)具有難度，所以異步占空比使用較為廣泛。目前，提出了異步占空比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種協(xié)議。例如，在S-MAC[5]協(xié)議中，偵聽和睡眠的周期都是固定的。在此機(jī)制中，時(shí)間被分為多幀，每幀都包含活動(dòng)狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。在活動(dòng)狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)能夠傳輸數(shù)據(jù)分組，跟鄰居節(jié)點(diǎn)通信交互信息。而在睡眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)為降低能量損耗，從而關(guān)閉發(fā)射接收模塊。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)而需要處理數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)緩存數(shù)據(jù)直到活動(dòng)狀態(tài)時(shí)再處理。在此調(diào)度機(jī)制下，減少了空閑監(jiān)聽，實(shí)現(xiàn)了降低能量損耗的目標(biāo)。L-MAC[6]協(xié)議采用調(diào)度機(jī)制，將節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期的時(shí)間劃分為發(fā)送時(shí)間﹑睡眠時(shí)間和接收時(shí)間。其中，接收時(shí)間與發(fā)送時(shí)間是相同的，下一層節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間能夠與上一層節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)間相對(duì)應(yīng)，這樣數(shù)據(jù)就能夠順利從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，并且降低了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的時(shí)延。

最近，MAC協(xié)議研究的方向主要有發(fā)送端發(fā)起機(jī)制和接收端發(fā)起機(jī)制。發(fā)送端發(fā)起的MAC協(xié)議如X-MAC，需要傳輸先導(dǎo)控制幀，從而產(chǎn)生了能量浪費(fèi)；另一方面，接收端發(fā)起的MAC協(xié)議如R-MAC和A-MAC，每當(dāng)從睡眠狀態(tài)醒來(lái)時(shí)，接收端會(huì)廣播一個(gè)探測(cè)幀，但傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)送端需處于偵聽狀態(tài)并等待，直到探測(cè)幀被接收；在發(fā)送端沒有接收到探測(cè)幀時(shí)，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。與發(fā)送端發(fā)起的MAC協(xié)議相比，這種MAC協(xié)議方式避免了發(fā)送先導(dǎo)控制幀的能量消耗。然而，根據(jù)之后的顯示，接收端發(fā)起的MAC協(xié)議在非對(duì)稱鏈路網(wǎng)絡(luò)中的表現(xiàn)效果并不好。當(dāng)發(fā)送端等待超時(shí)無(wú)法接收探測(cè)幀或者探測(cè)幀由于鏈路的不對(duì)稱而無(wú)法傳輸時(shí)，接收探測(cè)幀的一端必須一直處于偵聽狀態(tài)，直到探測(cè)幀到達(dá)并被接收，這樣就會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)和延時(shí)增加。在高度非對(duì)稱鏈路中，探測(cè)幀容易被丟棄，降低了數(shù)據(jù)包成功接收率。

2 AL-MAC協(xié)議

2.1 AL-MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

為設(shè)計(jì)一種低占空比MAC協(xié)議，使無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在鏈路高度不對(duì)稱的情況下也能很好工作，本文提出了一種新穎的協(xié)議——AL-MAC協(xié)議。該協(xié)議綜合發(fā)送端發(fā)起模式和接收端發(fā)起模式的優(yōu)點(diǎn)，以接收端啟動(dòng)的MAC協(xié)議為基礎(chǔ)，減少先導(dǎo)控制幀的發(fā)送次數(shù)，同時(shí)把發(fā)送端發(fā)起模式的設(shè)計(jì)思想整合到接收端發(fā)起模式的MAC協(xié)議里，以解決非對(duì)稱鏈路問題。

AL-MAC協(xié)議有兩種操作模式：接收端模式及發(fā)送端模式。接收端模式為默認(rèn)模式，此時(shí)協(xié)議使用接收端發(fā)起的MAC協(xié)議。當(dāng)發(fā)送端在一個(gè)探測(cè)周期內(nèi)無(wú)法從接收端接收到探測(cè)幀時(shí)，就會(huì)切換到發(fā)送端模式。在發(fā)送端模式下，發(fā)送端發(fā)出一系列小的先導(dǎo)控制幀去通知數(shù)據(jù)的接收端，接收端一旦接收到先導(dǎo)控制幀中傳輸數(shù)據(jù)的消息，就會(huì)開始數(shù)據(jù)傳輸。

如果發(fā)送端超時(shí)收不到探測(cè)幀，將從接收模式切換到發(fā)送端發(fā)起模式，接收端也需要切換到發(fā)送端發(fā)起模式。因此，接收端發(fā)送的探測(cè)幀之間要留出一個(gè)時(shí)間間隔。在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，接收端根據(jù)收到的先導(dǎo)控制幀中的消息，切換其工作模式為發(fā)送端發(fā)起模式。這樣，雙方就同時(shí)處在發(fā)送端發(fā)起模式下，從而順利地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了，如圖1所示。

圖1 AL-MAC協(xié)議操作

2.2 AL-MAC算法分析

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)（發(fā)送端）發(fā)來(lái)的消息后，接收消息的節(jié)點(diǎn)會(huì)從睡眠狀態(tài)醒來(lái)并廣播探測(cè)幀。此時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：（1）接收消息的節(jié)點(diǎn)發(fā)出的探測(cè)幀被源節(jié)點(diǎn)接收，數(shù)據(jù)就會(huì)成功由源節(jié)點(diǎn)到達(dá)接收消息的節(jié)點(diǎn)；（2）探測(cè)幀沒有被源節(jié)點(diǎn)接收，源節(jié)點(diǎn)需一直處于等待狀態(tài)；當(dāng)?shù)却龝r(shí)間超過(guò)一個(gè)探測(cè)幀的發(fā)送周期，此時(shí)MAC協(xié)議由接收端啟動(dòng)切換為發(fā)送端啟動(dòng)模式；源節(jié)點(diǎn)給接收消息的節(jié)點(diǎn)發(fā)送先導(dǎo)控制幀，但是發(fā)送的先導(dǎo)控制幀可能會(huì)與探測(cè)幀之間存在碰撞；當(dāng)兩者發(fā)生碰撞時(shí)，源節(jié)點(diǎn)需要在第二個(gè)時(shí)間間隔期間發(fā)送先導(dǎo)控制幀，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，如圖2所示。

圖2 探測(cè)幀與先導(dǎo)控制幀之間的碰撞

3 性能評(píng)價(jià)及仿真結(jié)果

為了評(píng)價(jià)AL-MAC協(xié)議的性能，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)對(duì)AL-MAC以及A-MAC進(jìn)行了性能比較。仿真平臺(tái)采用2.30版的NS2。仿真實(shí)驗(yàn)中共布置7個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中1個(gè)節(jié)點(diǎn)為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，其余6個(gè)節(jié)點(diǎn)為接收接收分布在發(fā)送節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)每隔1 s發(fā)送一個(gè)15 Bytes的數(shù)據(jù)包到接收節(jié)點(diǎn)，發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包。

對(duì)于AL-MAC協(xié)議，主要從數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)包成功接收率兩個(gè)方面來(lái)評(píng)估其性能。

3.1 數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延

圖3顯示了兩種MAC協(xié)議的單個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延隨著非對(duì)稱性變化的曲線。由仿真結(jié)果可知，傳輸時(shí)延隨著不對(duì)稱性程度的增加而增大。這主要是因?yàn)楫?dāng)非對(duì)稱性很高時(shí)，發(fā)送端接收不到探測(cè)包的可能性就會(huì)增加。當(dāng)發(fā)送端收不到探測(cè)幀時(shí)，它就會(huì)等待下一個(gè)探測(cè)幀，從而增加數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延。AL-MAC協(xié)議的傳輸時(shí)延不會(huì)超過(guò)1 s，因?yàn)楫?dāng)連續(xù)兩次未能收到探測(cè)包時(shí)，將自動(dòng)切換為發(fā)送端發(fā)起模式。例如，當(dāng)鏈路非對(duì)稱性為70%時(shí)，A-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延為1 100 ms，而AL-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延為520 ms?？梢?，AL-MAC協(xié)議能夠降低數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延。

圖3 非對(duì)稱性和數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延

3.2 數(shù)據(jù)包成功接收率（PRR）

在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，接收端每隔500 ms發(fā)送一個(gè)探測(cè)幀。從圖4（a）的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)不對(duì)稱性較低時(shí)，兩種協(xié)議都能產(chǎn)生好的效果。然而，當(dāng)不對(duì)稱性較高時(shí)，兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)包成功接收率都會(huì)隨著不對(duì)稱的增加而減小。這主要是因?yàn)榘l(fā)送端每隔1 s發(fā)送數(shù)據(jù)包，而接收端發(fā)送探測(cè)幀的間隔為500 ms，導(dǎo)致發(fā)送端可能在兩次連續(xù)的時(shí)間內(nèi)有一個(gè)探測(cè)幀收不到，進(jìn)而致使發(fā)送端的數(shù)據(jù)包被丟棄，減少數(shù)據(jù)包被成功接收的次數(shù)。當(dāng)不對(duì)稱性很高時(shí)，發(fā)送端在連續(xù)時(shí)間內(nèi)錯(cuò)過(guò)探測(cè)幀的可能性就會(huì)增加。AL-MAC協(xié)議如果在1 s內(nèi)檢測(cè)不到探測(cè)幀，會(huì)自動(dòng)切換到發(fā)送端模式，且直接通過(guò)下行鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明，AL-MAC的數(shù)據(jù)包接收成功率高于A-MAC。如果把接收端發(fā)送探測(cè)幀的頻率調(diào)整為1 s，圖4（b）仿真結(jié)果顯示，在不對(duì)稱性增加的情況下，兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)包成功接收率都會(huì)降低。AL-MAC在第一次丟棄探測(cè)幀后，由于超時(shí)時(shí)限為1 s，發(fā)送端不會(huì)再等待第二次探測(cè)幀，而是切換到發(fā)送端發(fā)起模式。因此，ALMAC的數(shù)據(jù)包接收率成功仍然明顯高于A-MAC。

圖4 非對(duì)稱性和數(shù)據(jù)包成功接收率

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)于低占空比無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)存在非對(duì)稱鏈路問題提出了一種AL-MAC協(xié)議。該協(xié)議能夠在接收端發(fā)起模式和發(fā)送端發(fā)起模式間動(dòng)態(tài)切換，綜合了兩種協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，減少了因鏈路不對(duì)稱造成的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延，提高了數(shù)據(jù)包成功接收率。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議比A-MAC協(xié)議更適用于存在非對(duì)稱鏈路的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

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Asymmetric Links MAC Protocol for Low-Duty-Cycled W ireless Sensor Networks

XU Zhen, LEI Li-hong, SONG Hua-hua, XIA Jing-shan

(School of Electrical and Electronic engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan Hubei 430023, China)

Low-duty-cycle wireless sensor networks can prolong life time of the node in the network, but also brings some extra problems, such as long waiting delay. Recently-proposed low duty-cycled receiver-initiated MAC protocols could well realize the purpose of energy saving, and however, these protocols would perform poorly when highly asymmetric links occur. A hybrid MAC protocol called AL-MAC and incorporating the advantages of both receiver-initiated and sender- initiated MAC protocols is proposed. The protocol would switch to sender-initiated MAC protocols when receiver-initiated MAC protocols perform poorly due to asymmetric links. Experimental results indicate that the proposed AL-MAC protocol could fairly increase packet reception ratio and reduce packet transmission delay as compared with A-MAC protocol.

low-duty cycle; wireless sensor network; asymmetric link; MAC protocol

TP393

A

1002-0802(2016)-11-1482-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.013

徐 震（1974—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)；

雷利紅（1993—），女，學(xué)士，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信；

宋華華（1992—），男，學(xué)士，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信；

夏靜山（1994—），男，學(xué)士，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信。

2016-07-15；

2016-10-16 Received date:2016-07-15;Revised date:2016-10-16