單 洪，馬 濤

(解放軍電子工程學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程系，合肥230037)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，睡眠機制是節(jié)點最常用的節(jié)能方法。但在使用睡眠機制的同時，會增加數(shù)據(jù)包的發(fā)送延遲，因為當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，節(jié)點必須等待下一跳節(jié)點喚醒，才能發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就產(chǎn)生了額外的延遲［1］。目前，睡眠機制分為兩類［2］:異步睡眠機制和同步睡眠機制。異步睡眠機制是每個節(jié)點的喚醒時間獨立于其他節(jié)點，會造成很大的延遲，如RI-MAC［3］和 PA-MAC［4］。同步睡眠機制要求節(jié)點的睡眠和活動狀態(tài)是時間同步的，然而時間同步的開銷較大，當(dāng)節(jié)點在同一個時間槽喚醒，容易造成沖突，如S-MAC［5］、RLL-MAC［6］、EP-MAC［7］、DW-MAC［8］、WiseMAC［9］、XMAC［10］協(xié)議?？梢钥闯?，現(xiàn)有的睡眠調(diào)度機制主要是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用進行時延或能耗的改進，并不具有普適性。

本文結(jié)合所設(shè)計無線傳感器具有層次性、節(jié)點密度大、傳輸數(shù)據(jù)流差異大等特點，為了達到能量消耗和時延均衡提出了一種交錯的周期倍增同步休眠調(diào)度方案。通過與現(xiàn)有的同步方案和交錯同步方案仿真比較，該方案使節(jié)點盡量多的處在休眠狀態(tài)以降低能耗，同時能以解決同步休眠調(diào)度帶來的時延增大問題。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由匯聚節(jié)點(Sink)、高級節(jié)點(H-Sensor)和普通節(jié)點(L-Sensor)組成。節(jié)點依據(jù)不同的感知任務(wù)和地理位置劃分為多個簇，每個簇形成一個子組。H-Sensor因為具有較高的存儲、計算和傳輸能力、能量大或者可以補充，所以選定其作為簇首，L-Sensor將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過H-Sensor傳輸?shù)絊ink。網(wǎng)絡(luò)有兩層:所有H-Sensor構(gòu)成一個組(HSensor Group，HG)，為骨干層;每個簇構(gòu)成一個子組(L-Sensor Group，LG)，為基礎(chǔ)層。本文的研究重點是基礎(chǔ)層中的MAC協(xié)議休眠調(diào)度方案。

該層次網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中還存在自身的一些特點:①沒有基礎(chǔ)設(shè)施，部署之后自動運行，組織成網(wǎng)絡(luò);②節(jié)點數(shù)量多、密度大、分布隨機，拓撲不能事先確定;同時節(jié)點不具有移動性，故網(wǎng)絡(luò)部署后覆蓋范圍在一段時間內(nèi)不會發(fā)生變化;③兩層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流有不同的特點:基礎(chǔ)層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分組較小，以周期性數(shù)據(jù)為主，具有時間相關(guān)性;同時通信信號活躍區(qū)域可產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，具有空間相關(guān)性。另外，基礎(chǔ)層數(shù)據(jù)有明顯的方向性，向簇首及骨干節(jié)點匯集，并以流向這兩類節(jié)點的數(shù)據(jù)為主。骨干層網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分組較大，通訊信號活躍區(qū)域網(wǎng)絡(luò)負載較重，同時數(shù)據(jù)流不存在向某些節(jié)點匯聚的現(xiàn)象。

圖1給出了簇結(jié)構(gòu)的分層示意圖。

圖1 簇結(jié)構(gòu)的分層示意

在簇狀結(jié)構(gòu)中，根據(jù)到簇首節(jié)點的最小跳數(shù)對簇內(nèi)節(jié)點進行分層，簇首節(jié)點為第0層，距簇首節(jié)點k跳的簇成員節(jié)點為第k層，一個簇最多有h層。從簇成員節(jié)點發(fā)往簇首節(jié)點的數(shù)據(jù)稱為上行數(shù)據(jù)，上行數(shù)據(jù)經(jīng)歷的平均休眠等待時延用ti(i代表第i層)表示。從簇首節(jié)點發(fā)往簇成員節(jié)點的數(shù)據(jù)稱為下行數(shù)據(jù)，下行數(shù)據(jù)經(jīng)歷的平均休眠等待時延用si表示。假設(shè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的過程服從泊松過程。

2 問題描述

基礎(chǔ)層使用分簇結(jié)構(gòu)來降低網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的密度，減少跳數(shù)過多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，用輪換簇首的方法平衡能量消耗。基礎(chǔ)層的數(shù)據(jù)具有明顯的方向性，但存在兩個方向的數(shù)據(jù)流向。

有固定周期的同步休眠調(diào)度在節(jié)約節(jié)點能量的同時會帶來一定的休眠等待時延，而基礎(chǔ)層的數(shù)據(jù)是時延敏感的，如果經(jīng)過很長時間才到達骨干節(jié)點，可能數(shù)據(jù)已經(jīng)失去了意義?；A(chǔ)層的MAC協(xié)議在節(jié)約能量的同時要保證較小的時延，并且對從簇成員節(jié)點到簇首節(jié)點的數(shù)據(jù)，以及簇首節(jié)點到骨干節(jié)點的數(shù)據(jù)都要保證較小的時延。此時，優(yōu)化一個方向的數(shù)據(jù)的時延而犧牲另一個方向的數(shù)據(jù)時延是不可取的，需要努力同時降低簇狀拓撲中上行和下行兩個方向的數(shù)據(jù)時延。

在簇狀結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)從簇成員節(jié)點向簇首節(jié)點匯聚的特點導(dǎo)致處于中間層的節(jié)點不僅需要發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，還要承擔(dān)大量的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，而大部分休眠調(diào)度中節(jié)點的激活/休眠周期都是相同的，容易造成大量的數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點處累積，加劇了轉(zhuǎn)發(fā)過程中競爭的激烈程度，也使數(shù)據(jù)時延較長。因此，不同層節(jié)點的激活/休眠周期應(yīng)該適應(yīng)它們不同的接收、發(fā)送任務(wù)，簇首以及靠近簇首的成員節(jié)點由于接收、發(fā)送的任務(wù)較重，可以增加它們的激活/休眠的頻率，使其他節(jié)點有更多的接入機會，降低多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)歷的休眠等待時延，同時這樣也可以減輕每次競爭信道時的激烈程度。雖然這樣會增加一部分節(jié)點的能耗，但由于簇是周期輪轉(zhuǎn)的，節(jié)點在不同的時期會處在不同簇內(nèi)的不同層，能夠使得節(jié)點間的能耗平衡。出于以上的考慮，提出了一種交錯的周期倍增同步休眠調(diào)度方案，該方案主要應(yīng)用在基礎(chǔ)層MAC協(xié)議。

3 交錯的周期倍增同步休眠調(diào)度

3.1 休眠調(diào)度方案

圖2 交錯的周期倍增同步休眠調(diào)度

3.2 平均休眠等待時延

交錯的周期倍增同步休眠調(diào)度中的上下行數(shù)據(jù)經(jīng)歷的平均休眠等待時延是不同的，對上行數(shù)據(jù)的平均休眠等待時延有式(1)，下行數(shù)據(jù)的平均休眠等待時延有式(2)。

推導(dǎo)過程如下。

(1)上行數(shù)據(jù)

圖3 交錯的周期倍增休眠調(diào)度上行數(shù)據(jù)時延分析

(2)下行數(shù)據(jù)

圖4 交錯的周期倍增休眠調(diào)度下行數(shù)據(jù)時延分析

4 仿真實驗與分析

將交錯的周期倍增同步休眠調(diào)度機制應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層MAC層協(xié)議(GFN-MAC)中，具體仿真分析如下。

4.1 參數(shù)配置

利用QualNet5對GFN-MAC進行建模及仿真。在仿真實驗中，節(jié)點的能耗計算使用TR1000技術(shù)手冊的參數(shù)值，見表1。其中Itx、Irx、Isleep分別代表節(jié)點通信模塊處在發(fā)送、接收和休眠三個狀態(tài)時的工作電流，U代表通信模塊的工作電壓，并且通信模塊空閑狀態(tài)時的電流等于接收狀態(tài)時的電流，即Iidle=Irx。

基礎(chǔ)層節(jié)點分布密集，平均鄰居節(jié)點數(shù)目大約為10，因此固定的競爭窗口設(shè)置為32。通信距離較短，帶寬較窄，分別設(shè)為40 m和40 kbit/s，其它實驗參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 GFN-MAC仿真實驗主要參數(shù)設(shè)置

4.2 仿真實驗

(1)實驗1

在一個到簇首節(jié)點最大5跳的拓撲中(圖5)，相鄰節(jié)點相距40 m。節(jié)點6為簇首節(jié)點，節(jié)點1～5分別在簇中的第1～5層。完全同步和交錯同步的節(jié)點激活/休眠周期為1 s，GFM-MAC簇首節(jié)點的激活/休眠周期為62.5 ms，那么第5層節(jié)點的激活/休眠周期為2 s。

圖5 GFN-MAC實驗一拓撲

對上行數(shù)據(jù)，依次仿真每層簇成員節(jié)點向簇首節(jié)點發(fā)送1 000個大小為40字節(jié)數(shù)據(jù)分組，對下行數(shù)據(jù)，依次仿真簇首節(jié)點向每層節(jié)點發(fā)送100個大小為1 000字節(jié)分組。

在仿真試驗中，簇成員節(jié)點從第10 s開始發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為5.01 s，發(fā)送多個分組時可以使數(shù)據(jù)的發(fā)送的時間較均勻的分布在節(jié)點的激活/休眠周期中。仿真時間為5 020 s。簇首節(jié)點從第10 s開始發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔5.01 s，仿真時間512 s。

對使用完全同步［11］、交錯同步［12］和交錯的周期倍增同步三種休眠調(diào)度方案時數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)歷的平均休眠等待時延進行比較，仿真結(jié)果如圖6所示。由于沒有沖突重傳和排隊等待，影響時延的主要因素是等待目的節(jié)點激活的休眠等待時延。從圖中可以看出，由于下行的數(shù)據(jù)分組較大，傳輸時間較大，因此完全同步和交錯同步兩種休眠調(diào)度的下行數(shù)據(jù)時延沒有和上行數(shù)據(jù)時延重合，而是略大于上行數(shù)據(jù)的時延。在GFN-MAC中，最外層簇成員節(jié)點上行數(shù)據(jù)的時延能保持在1 s左右，從簇首節(jié)點發(fā)到第外層成員節(jié)點的數(shù)據(jù)經(jīng)歷的時延大約1.7 s，而交錯同步此時的時延已達2.5 s以上，完全同步的調(diào)度更是達到了4.5 s。

圖6 不同休眠調(diào)度時延仿真驗證

(2)實驗2

實驗二是比較負載不同時GFN-MAC與完全同步的、交錯同步的休眠調(diào)度協(xié)議的時延、吞吐量和每字節(jié)能耗三個方面的性能。實驗拓撲為扇形區(qū)域，如圖7所示。圓心為簇首節(jié)點，簇最外層節(jié)點距簇首5跳。

圖7 GFN-MAC仿真拓撲結(jié)構(gòu)

所有簇成員節(jié)點從第10 s開始同時向簇首節(jié)點發(fā)送大小40字節(jié)的恒定比特速率數(shù)據(jù)，仿真時間1 000 s。為保證數(shù)據(jù)到達時間在休眠周期中均勻分布，發(fā)送間隔分別為1.01 s和5.01 s。完全同步和交錯同步的節(jié)點激活/休眠周期為1 s，GFN-MAC簇首節(jié)點的周期為62.5 ms和125 ms，此時簇的最外層成員節(jié)點的激活/休眠周期為2 s和4 s。實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同負載下各休眠調(diào)度協(xié)議的性能比較

從圖8可以看出，兩種不同休眠調(diào)度的GFNMAC在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送間隔下，比完全同步和交錯同步的休眠調(diào)度方案，具有更高的吞吐量，更低的時延和能耗。這是由于GFN-MAC中使用的的休眠調(diào)度通過使靠近簇首的節(jié)點的更頻繁的激活給其他節(jié)點更多的接入機會，讓數(shù)據(jù)能夠更快的轉(zhuǎn)發(fā)。由于減輕了數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的堆積，降低了沖突碰撞的概率，減少了因沖突重發(fā)帶來的能耗，因此GFNMAC的平均每個成功收發(fā)字節(jié)消耗的能量也小于其他兩種休眠調(diào)度的。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)基礎(chǔ)層數(shù)據(jù)以周期性短數(shù)據(jù)為主的特點選擇使用同步的休眠調(diào)度，使節(jié)點盡量多的處在休眠狀態(tài)以降低能耗。又提出了一種交錯的周期倍增的同步休眠調(diào)度，以解決同步休眠調(diào)度帶來的時延增大的問題。最后通過仿真實驗，驗證了GFNMAC可以保證簇中上下行兩個方向的數(shù)據(jù)都有較低的時延，適合基礎(chǔ)層的數(shù)據(jù)特點，并且由于降低了沖突碰撞和快速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，協(xié)議在節(jié)能和降低時延的同時擁有較大的吞吐量，能夠較好的滿足群系統(tǒng)基礎(chǔ)層的要求。

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