田 驥， 蔣鈴鴿

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

為滿足應(yīng)用需求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN,Wireless Sensor Network)節(jié)點(diǎn)一般由電池供電；而由于節(jié)點(diǎn)體積、成本有限，只能配置容量較小的電池；當(dāng)電池能量耗盡又不能及時補(bǔ)充時，節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，而對大量隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)用頻繁更換電池的方式來維持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行和完成預(yù)定任務(wù)顯然不易實現(xiàn)，因此降低節(jié)點(diǎn)功耗成為延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，提高網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可靠性的重要技術(shù)措施。進(jìn)一步的分析和測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，WSN節(jié)點(diǎn)功耗的80%用于數(shù)據(jù)收發(fā)，由此可知減少節(jié)點(diǎn)的無效收發(fā)是降低節(jié)點(diǎn)功耗的主要途徑[1-6]。

WSN的另一個特點(diǎn)是其通常工作在未授權(quán)2.4 G頻段，與其他用戶平等或近似平等地共享這個頻段。在這個頻段內(nèi)各用戶按自身需求“旁若無人”地使用頻率資源，這就可能產(chǎn)生用戶間沖突，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸會因這些干擾而中斷并帶來一些潛在的新問題（如節(jié)點(diǎn)無效功耗問題）。在WSN軟硬件設(shè)計開發(fā)中需要關(guān)注解決這些問題。

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中媒體接入控制(MAC,Medium Access Control)協(xié)議處于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層，對整個網(wǎng)絡(luò)的性能有較大的影響，通過合理設(shè)計對降低節(jié)點(diǎn)功耗有顯著作用，所以本文以降低節(jié)點(diǎn)平均功耗為目標(biāo)對MAC協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。

1 802.15.4協(xié)議及常用握手機(jī)制評述

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是面向低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的物理層和 MAC層標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為對網(wǎng)絡(luò)的主要要求。目前常用的2.4 G頻段的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用的就是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，因此本文在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)MAC協(xié)議基礎(chǔ)上研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略。

初始的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)沒有加入請求發(fā)送（RTS,Request to Send）-清除發(fā)送（CTS, Clear to Send）握手機(jī)制，但在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中，可能存在的隱藏終端收發(fā)、外部設(shè)備干擾都可能引起數(shù)據(jù)傳輸中斷，為此，文獻(xiàn)[7]將 802.11握手機(jī)制引入802.15.4標(biāo)準(zhǔn)MAC協(xié)議，每傳輸一次數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次完整的RTS-CTS握手（簡稱全握手機(jī)制）；而問題的另一面是，當(dāng)傳輸中斷概率不大時，每次傳輸都全握手顯然是不必要的而只會增加網(wǎng)絡(luò)的控制開銷。為此，文獻(xiàn)[7]提出了一種多跳網(wǎng)絡(luò)的簡化RTS-CTS機(jī)制（簡稱半握手機(jī)制），如圖1所示。中繼節(jié)點(diǎn)通過偵聽鄰居節(jié)點(diǎn) CTS包獲得將有數(shù)據(jù)包到達(dá)該鄰居節(jié)點(diǎn)，并經(jīng)此中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)傳輸?shù)男畔?。一旦偵聽到CTS包，中繼節(jié)點(diǎn)就會初始化一個要求該鄰居節(jié)點(diǎn)傳遞中繼數(shù)據(jù)的請求。 同時引入一個計時器TW來估算數(shù)據(jù)包傳輸至該鄰居節(jié)點(diǎn)所需的時間，并在估算時間到后直接向這個鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送 CTS包，這樣，就節(jié)省了鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS包的額外開銷。

在全握手機(jī)制中，RTS包在含有發(fā)送請求等內(nèi)容的同時，發(fā)送RTS包這個行為本身還隱含著數(shù)據(jù)包已準(zhǔn)備就緒，一旦收到CTS包即可發(fā)送的信息。而在半握手機(jī)制中，后續(xù)節(jié)點(diǎn)僅僅靠監(jiān)聽前面節(jié)點(diǎn)的 CTS包不能得到這個信息，因此無法知道發(fā)送CTS包的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包是否已準(zhǔn)備就緒可以發(fā)送。這就產(chǎn)生了一個問題，本來在數(shù)據(jù)傳輸路徑上的某個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送失敗（例如數(shù)據(jù)傳輸過程被共享頻段內(nèi)其他用戶干擾），后續(xù)進(jìn)程應(yīng)該中斷；但在半握手機(jī)制中，傳輸路徑上的后續(xù)節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽到這個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的CTS包后，不論前面的收發(fā)成功與否，仍然會進(jìn)行時間估算，并發(fā)出自己的 CTS包，進(jìn)而傳輸路徑上后面所有節(jié)點(diǎn)都會照此運(yùn)行。而這些節(jié)點(diǎn)發(fā)送 CTS包和進(jìn)行時間估算實際上沒有任何意義，且會造成相當(dāng)程度的能量浪費(fèi)。

2 改進(jìn)的握手機(jī)制

由上可知，上述兩種握手機(jī)制都有局限性，單一應(yīng)用不能很好適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸過程中的各種情況，如果把兩種握手機(jī)制結(jié)合起來，分段插入請求包RTS，即對整個數(shù)據(jù)傳送路徑進(jìn)行分段，段內(nèi)采用半握手機(jī)制，段間采用全握手機(jī)制，且分段長度可根據(jù)傳輸中斷概率調(diào)整，則有望克服它們的不足，降低節(jié)點(diǎn)無效能耗。為此，本文提出一種混合式握手機(jī)制，既減少過多的控制開銷；也避免一次握手后，后續(xù)進(jìn)程不可控的情況；從而達(dá)到節(jié)點(diǎn)節(jié)能的目的。具體做法是：每個節(jié)點(diǎn)將收到的CTS包中的計數(shù)+1，作為本節(jié)點(diǎn)發(fā)送的CTS包的計數(shù)。若某個節(jié)點(diǎn)收到的 CTS包中計數(shù)達(dá)到某個預(yù)先設(shè)定的閾值，則在數(shù)據(jù)包到達(dá)后，該節(jié)點(diǎn)向下一節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS包進(jìn)行發(fā)送請求；相應(yīng)地，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)偵聽到的CTS包中的計數(shù)值為預(yù)定閾值+1時，必須等待，直到接收到上一節(jié)點(diǎn)的 RTS包后才可以發(fā)送 CTS包，并把CTS包中的計數(shù)歸零，混合式握手機(jī)制如圖2所示。這樣，對于跳數(shù)較大，傳輸中斷概率較大的情況（例如未授權(quán)頻段內(nèi)用戶比較多的情況），即使前面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸失敗，也可以通過周期性的檢驗，把后面節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無用CTS包數(shù)量控制在一定范圍以內(nèi)。達(dá)到降低平均功耗的目的；并且通過改變閾值，還可以量化地調(diào)整分段長度，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

3 仿真試驗及分析

如前所述，WSN通常與多個用戶各自獨(dú)立平等地工作在未授權(quán)2.4 G頻段，導(dǎo)致用戶間可能發(fā)生沖突并產(chǎn)生無效節(jié)點(diǎn)功耗。近年來，針對這個方面國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究[8-13]。本文即在此具有普遍性意義的應(yīng)用場景下對三種握手機(jī)制的能量消耗情況進(jìn)行仿真、分析、比較。

由于本文主要研究MAC協(xié)議的改進(jìn)，不涉及路由設(shè)計，所以將仿真對象設(shè)置為由19個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的線型網(wǎng)絡(luò)，編號依次為1到19號節(jié)點(diǎn)，19號節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)只能同編號相鄰的兩個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，如果要與更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)通信，須經(jīng)鄰居節(jié)點(diǎn)中繼。除匯聚節(jié)點(diǎn)外，每個傳感器節(jié)點(diǎn)任一時刻發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為P。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1 節(jié)點(diǎn)小概率發(fā)送數(shù)據(jù)試驗

仿真參數(shù)如表1所示，仿真曲線是不同握手機(jī)制下控制開銷關(guān)于用戶沖突概率的一族曲線（如圖4所示），由于節(jié)點(diǎn)功耗與控制開銷是正相關(guān)關(guān)系，所以仿真曲線實際上也反映了不同用戶沖突概率下節(jié)點(diǎn)功耗與握手機(jī)制的關(guān)系。

表1 試驗一參數(shù)

3.2 節(jié)點(diǎn)較大概率發(fā)送數(shù)據(jù)試驗

仿真參數(shù)見表2，仿真曲線如圖5所示。

由仿真曲線可以看出，對于半握手機(jī)制，當(dāng)用戶沖突概率增加時，控制開銷變化不大，略有增加；而對于混合式握手機(jī)制，隨著用戶沖突接入概率增加，控制開銷迅速下降。兩相比較，說明前者在數(shù)據(jù)傳輸中斷后有較多無意義控制開銷，而后者顯著減少了這種開銷。如圖，當(dāng)閾值在2～∞間取值時，混合式握手機(jī)制也就在全握手機(jī)制和半握手機(jī)制間演變，實際上，當(dāng)閾值分別取2和16時，混合式握手機(jī)制已非常接近全握手機(jī)制和半握手機(jī)制；這樣就為應(yīng)對不同的用戶沖突概率提供了很大的靈活性。因此，不論用戶沖突概率為何值，都可以采用混合式握手機(jī)制，只需針對不同情況選擇不同的閾值即可。

表2 試驗二參數(shù)

圖中取不同閾值的混合式握手機(jī)制的曲線都與半握手機(jī)制的曲線相交，且閾值不同，交點(diǎn)位置不同，對應(yīng)的用戶沖突概率也不同； 在交點(diǎn)右側(cè)，混合式握手機(jī)制的控制開銷小于半握手機(jī)制的控制開銷，在交點(diǎn)左側(cè)則反之；所以，如果有關(guān)于用戶沖突概率的先驗知識，就可以根據(jù)它處于交點(diǎn)右側(cè)還是左側(cè)來選擇閾值；使混合式握手機(jī)制逼近半握手機(jī)制或反之。

在試驗二中，增大了節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，由曲線圖可知，幾種握手機(jī)制的控制開銷都相應(yīng)增大，但各曲線變化趨勢仍然與試驗一相似,所以上述結(jié)論在此仍然成立。

通過仿真結(jié)果可以預(yù)見，隨著傳輸中斷概率的增加，本文提出的改進(jìn)握手機(jī)制節(jié)能效果更好。

4 結(jié)語

針對多用戶共享未授權(quán)頻段背景下無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能問題，本文提出了一種IEEE802.15.4 MAC協(xié)議改進(jìn)方案。并在典型應(yīng)用背景下進(jìn)行了仿真與分析，得到以下結(jié)論：①降低節(jié)點(diǎn)能耗，對提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)生存周期和應(yīng)用可靠性有重要意義；②混合式握手機(jī)制完全兼容全握手和半握手機(jī)制；根據(jù)有關(guān)先驗知識，可以通過調(diào)整閾值的方法，設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸過程中插入請求包 RTS的分段長度，對不同的應(yīng)用場景具有很高的靈活性；③混合式握手機(jī)制綜合了全握手和半握手機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，平衡了提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性和節(jié)點(diǎn)節(jié)能的需求；在共享頻段內(nèi)多用戶互相干擾情況下，顯著減少了網(wǎng)絡(luò)無效開銷。

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