吳 戈， 紀(jì)鵬菲， 張 錚， 陳佳品， 丁 凱

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240;2.無(wú)錫近地面感知與探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214035)

0 引 言

智能障礙場(chǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(intelligent obstacle field wireless network，IOFWN)是通過(guò)預(yù)先投放智能雷形成雷場(chǎng)，對(duì)經(jīng)過(guò)雷場(chǎng)的敵方作戰(zhàn)單位進(jìn)行準(zhǔn)確打擊、阻礙其通行的自主防御系統(tǒng)，IOFWN中MAC協(xié)議的選取，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能和生命周期有著舉足輕重的影響。傳統(tǒng)基于時(shí)間同步調(diào)度的MAC層協(xié)議，需要采用精度較高的時(shí)間同步措施以及周期性地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。利用全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)模塊等方法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間同步能獲得較高的時(shí)間同步精度，但周期性的重同步會(huì)消耗大量電能，降低了節(jié)點(diǎn)的生命周期。

基于前導(dǎo)碼采樣的MAC層協(xié)議，不需要維護(hù)同步調(diào)度，具有協(xié)議復(fù)雜度低，空閑偵聽能耗低等優(yōu)點(diǎn)[1]。B-MAC是基于前導(dǎo)碼采樣的MAC層協(xié)議，具有協(xié)議復(fù)雜度低、空閑偵聽能耗低等優(yōu)點(diǎn)，不需要維護(hù)同步調(diào)度，但其需要發(fā)送長(zhǎng)且連續(xù)的長(zhǎng)度可變的前導(dǎo)序列。這和目前流行的基于IEEE 802.15.4的射頻芯片[2]不兼容，其只能發(fā)送短的固定長(zhǎng)度的前導(dǎo)碼。

本文提出一種EB-MAC協(xié)議，采用重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)包或包含目標(biāo)地址的短前導(dǎo)包來(lái)替代過(guò)長(zhǎng)的前導(dǎo)碼[4]。由此縮短了前導(dǎo)序列的傳輸長(zhǎng)度，提高了能效性。

1 EB-MAC協(xié)議策略設(shè)計(jì)

智能障礙場(chǎng)中所有智能雷節(jié)點(diǎn)具有相同的信道采樣間隔，智能雷節(jié)點(diǎn)的時(shí)間模塊根據(jù)協(xié)議預(yù)設(shè)的采樣間隔，通過(guò)定時(shí)控制，保證節(jié)點(diǎn)喚醒檢測(cè)信道的時(shí)間間隔不變。節(jié)點(diǎn)喚醒后檢測(cè)信道狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)中時(shí)間模塊開始計(jì)時(shí)，若監(jiān)測(cè)到信道有需要接收的數(shù)據(jù)，則讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)模式，同時(shí)時(shí)間模塊停止計(jì)時(shí)，等數(shù)據(jù)接收完畢，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)；若信道空閑，沒(méi)有數(shù)據(jù)需要接收，則在時(shí)間模塊到達(dá)預(yù)置的信道檢測(cè)持續(xù)時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)；當(dāng)時(shí)間到達(dá)預(yù)設(shè)的喚醒周期后，節(jié)點(diǎn)再次喚醒開始檢測(cè)信道狀態(tài)，時(shí)間模塊重新開始計(jì)時(shí)[3]。

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于智能障礙場(chǎng)制作的模擬智能雷采用德州儀器公司生產(chǎn)的CC2520芯片，CC2520芯片兼容IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，該芯片附加發(fā)送節(jié)點(diǎn)自身的時(shí)間模塊的數(shù)值，此附加過(guò)程開銷很小。圖1為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過(guò)程。發(fā)送過(guò)程中，前導(dǎo)序列的頭部是數(shù)據(jù)幀的起點(diǎn)，幀開始符(SFD)緊隨其后，當(dāng)SFD發(fā)送后，節(jié)點(diǎn)的微處理器會(huì)獲取節(jié)點(diǎn)時(shí)間模塊中計(jì)時(shí)器的時(shí)間，將時(shí)間值記錄在本地，并添加到數(shù)據(jù)幀的尾部。在接收過(guò)程中，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)接收到幀開始符時(shí)，節(jié)點(diǎn)的微處理器也會(huì)獲取計(jì)時(shí)器輸出的時(shí)間值，將其記錄下來(lái)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在空間中信號(hào)的傳播延時(shí)很短，而幀開始符位于數(shù)據(jù)幀的頭部位置，因此，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)所記錄的時(shí)間差值在微秒(μs)級(jí)[6]。

圖1 數(shù)據(jù)幀的時(shí)間同步

當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收完數(shù)據(jù)后，獲得數(shù)據(jù)幀尾記錄的發(fā)送時(shí)間值，可以得到發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間模塊的差值，則數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)先將該差值減去，此時(shí)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間理論上幾乎一致。但數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在喚醒后需先進(jìn)行信道檢測(cè)，此時(shí)數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)在信道中檢測(cè)不到數(shù)據(jù)，會(huì)造成空閑偵聽，產(chǎn)生多余能耗。因此接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間模塊需減去一個(gè)退讓時(shí)間τ，使得數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間滯后于數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間，由此可以減少數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)[5]。在多跳通信中，中繼節(jié)點(diǎn)只有完全接收完上一節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，才會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送模式，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一節(jié)點(diǎn)，退讓時(shí)間τ需要大于載波偵聽時(shí)間、數(shù)據(jù)確認(rèn)報(bào)文接收時(shí)間、數(shù)據(jù)接收時(shí)間和節(jié)點(diǎn)睡眠延時(shí)之和。數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)接收以后，繼續(xù)檢測(cè)信道，若在預(yù)置的時(shí)間范圍內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)需要處理，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠。

如圖2(a)所示，多跳路徑上的數(shù)據(jù)傳輸情況也采取這種策略[6]，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的喚醒總是比數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)晚一個(gè)退讓時(shí)間τ。

智能障礙場(chǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸是雙向進(jìn)行的，其時(shí)間調(diào)度如圖2(b)所示。智能雷節(jié)點(diǎn)雙向通信時(shí)，在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，會(huì)加入換向標(biāo)志。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí)，若有換向標(biāo)志，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，節(jié)點(diǎn)將喚醒調(diào)度時(shí)間加2τN，其中N為中繼節(jié)點(diǎn)距離遠(yuǎn)程上位機(jī)的傳輸跳數(shù)[7]。當(dāng)節(jié)點(diǎn)0發(fā)送完數(shù)據(jù)后，通過(guò)喚醒調(diào)度時(shí)間的疊加，當(dāng)最后一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)完數(shù)據(jù)時(shí)，該條路徑已經(jīng)完成了反向傳輸?shù)膯拘颜{(diào)度時(shí)間準(zhǔn)備，且路徑上各個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)需再根據(jù)數(shù)據(jù)幀時(shí)間字段調(diào)整自己的喚醒時(shí)間，節(jié)省了節(jié)點(diǎn)開銷，降低了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。

圖2 多跳路徑數(shù)據(jù)傳輸與雙向通信的時(shí)間調(diào)度

2 EB-MAC協(xié)議能耗分析

使用B-MAC策略，第n個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)趈次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)求和函數(shù)可以得到該路徑上節(jié)點(diǎn)消耗的總能量，即

Ptxtack-PsLdtb-Pstack-Pstc-Pstl)

(1)

同理使用EB-MAC策略該路徑上節(jié)點(diǎn)消耗的總能量為

(Prx-Ps)(Ld+2)tb+Ptxtack-Pstack-Pstc-Pstl]

(2)

求差可以得到總消耗能量差為

(3)

對(duì)ΔE求期望得到

(4)

兩者的總消耗能量差由前導(dǎo)碼序列的長(zhǎng)度決定，而由于EB-MAC的調(diào)度機(jī)制τ遠(yuǎn)小于前導(dǎo)碼序列的長(zhǎng)度，故在多跳路徑下，EB-MAC的整體能耗要小很多[9]。

3 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

仿真實(shí)驗(yàn)采用基于CC2520的模型，在MATLAB上進(jìn)行仿真，也直接與B-MAC的各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)比，仿真時(shí)設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸為典型值100 kb，路徑上共設(shè)置10個(gè)節(jié)點(diǎn)，喚醒周期為1 s，相鄰節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間調(diào)度間隔為0.1 s。

如圖3(a)為匯聚節(jié)點(diǎn)端到端延時(shí)隨數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔的變化，數(shù)據(jù)傳輸間隔減小，網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載增加，端到端延遲也隨之增加。數(shù)據(jù)傳輸間隔為2 s時(shí)，端到端延遲隨時(shí)間變化如圖3(b)，在數(shù)據(jù)傳輸頻率不變時(shí)，EB-MAC協(xié)議端到端延時(shí)幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)，而B-MAC協(xié)議端到端延時(shí)迅速增長(zhǎng)。

圖3 端到端時(shí)延與傳輸間隔及2 s間隔下隨時(shí)間變化

如圖4所示為多路徑節(jié)點(diǎn)能耗隨數(shù)據(jù)傳輸頻率的變化，隨著數(shù)據(jù)傳輸頻率的增加，節(jié)點(diǎn)能耗隨之迅速增加，仿真曲線驗(yàn)證了兩者的關(guān)系，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸頻率為2 s時(shí)，EB-MAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)能耗為0.38 mW，B-MAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)能耗為1.36 mW，此時(shí)B-MAC協(xié)議的能耗已經(jīng)不滿足智能障礙場(chǎng)的應(yīng)用要求。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸為雙向，同時(shí)加入ACK確認(rèn)報(bào)文保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，再模擬端到端延時(shí)隨數(shù)據(jù)傳輸間隔的變化，結(jié)果如圖5所示，加入了ACK確認(rèn)報(bào)文后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性提高，傳輸延時(shí)降低，加入了ACK確認(rèn)報(bào)文的B-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)延時(shí)，比未加入ACK確認(rèn)報(bào)文的EB-MAC協(xié)議大。

圖5 加入確認(rèn)報(bào)文時(shí)端到端延時(shí)隨數(shù)據(jù)傳輸頻率的變化

如圖6為多路徑下節(jié)點(diǎn)丟包率隨數(shù)據(jù)傳輸頻率的變化，在網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載較低時(shí)，即數(shù)據(jù)傳輸頻率大于10 s時(shí)，B-MAC協(xié)議和EB-MAC協(xié)議丟包率都處于較低水平；當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸頻率小于5 s時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信道的競(jìng)爭(zhēng)更頻繁，數(shù)據(jù)碰撞概率增加，丟包率上升。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸頻率為2 s時(shí)，B-MAC協(xié)議丟包率接近60 %，已無(wú)法滿足智能障礙場(chǎng)性能需求。

圖6 節(jié)點(diǎn)丟包率隨數(shù)據(jù)傳輸頻率的變化

如圖7所示為不同的數(shù)據(jù)傳輸間隔，成功完成50次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎?，和單路徑?shù)據(jù)傳輸相似，EB-MAC協(xié)議完成50次數(shù)據(jù)傳輸能耗穩(wěn)定，B-MAC協(xié)議，隨數(shù)據(jù)傳輸間隔的減少，節(jié)點(diǎn)丟包率上升，數(shù)據(jù)重傳增加，節(jié)點(diǎn)能耗隨著數(shù)據(jù)傳輸間隔的減少而增加。

圖7 能耗隨傳輸頻率的變化

由如圖8可見，采用EB-MAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)剩余電量，始終比采用B-MAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)電池容量要多，驗(yàn)證了EB-MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)生命周期上的優(yōu)勢(shì)。

圖8 節(jié)點(diǎn)剩余電量隨時(shí)間的變化

4 結(jié) 論

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：EB-MAC協(xié)議策略有效地減小了前導(dǎo)碼序列的長(zhǎng)度，在保持低占空比的同時(shí)，降低了端到端的通信延時(shí)，無(wú)需全網(wǎng)時(shí)間同步，能滿足智能障礙場(chǎng)的應(yīng)用需求。