论文研究-基于预约调度的无线传感器网络的MAC协议.pdf

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提出了一种基于预约调度的用于无线传感器网络的MAC协议——SSMAC。该协议采用分布式竞争接入和预约调度发送,提供高能量效率的信道接入和支持QoS业务的传输,较好地解决了隐藏终端和暴露终端问题。仿真结果表明SSMAC协议在保持节能的同时,在降低媒体接入时延、提高报文投递成功率和提供QoS保障上较TRAMA协议性能有很大的提高。
第3期 杨双懋,等:基于预约调度的无线传感器网络的MAC协议 ·857 和解决方式。因此 SSMAC协议主要实现上述两种功能,而 下面是其算法的主要工作步骤。 TDMA系统中的信道分配就是为网络中的节点分配发送时隙, 1)预约请求阶段( reservation rex uesl phase,RR) 用多次握手预约的方式实现相邻节点之间分组的无碰撞的传 当节点处于预约时隙的Ⅰ部时,在该阶段中,当节点缓冲 送,获得尽可能高的无线信道的利用率和空间重用,同时与本区内实时业务数据报文或者K个普通业务数据报文时,节点 次通信无关的节点将进入睡眠状态以节约能量。 需要预约资源,此时分为三种情况:a)当节点已经通过软预留 22100S保障杌制 的方式得到了对当前时隙的使用权,节点将向一跳邻节点广播 QoS是网络为用户传送端到端数据时必须满足的一套可个预约请求RR分组,在RR分组屮必须包括发送节点的 制量的预先定义的基于端到端性能的服务属性,一般包括时、k个数据报文的日的节点的Ⅲ和标志位(表明节点是通过 延、时延抖动、可用带宽和分组丢包率等。区分服务优先级和软预留得到此时隙的使用权的);b)节点通过侦听软预留部 资源预留是无线网络中主要使用两种保障QoS的方法,只要分,发现此时隙已经被别的节点软锁留,此时它将尊重另外节 能够使用户业务的性能达标的方法,均可以视为QoS保障。点的预留,转而进入RX状态侦听别的节点发出的RR分组 Q0S保障需要在每一层都实现,多层协调来完成业务的需求。c)没有节点软预留该时隙并且也没有节点在前面的预约循环 区分服务优先级主要是把所支持的业务归纳为几类,分配不同中成功预留该时隙,此时节点以接人概率Pm向一跳邻节点厂 的接人优先级别,采用发送概率或者退避算法等方式来实现,播一个预约请求RR分组,接入慨率Pμk由多跳 pseudo- Baysian 保证高优先级别的业务能够高概率地优先占用信道;资源预留算法确定,在RR分组中必须包括发送节点的D和K个数 的方式主要是把信道的一部分资源进行保留,可以保证恒比特据报文的目的节点的ID。而没有发送RR分组的节点转入RX 率高优先级业务的信道使用权,对于实时业务总是能够提供传状态在该阶段进行侦听,发送RR分组的节点在协议中称为预 输的信道。 约节点( reservation node,RN SMAC协议采用区分服务的方式实现QS保障,对于上 当节点处于预约时隙的Ⅱ部时,由于经过预约时隙Ⅰ部的 层给予的数据报文分成两种类型分别放在两个不同的数据缓M次循环预约,已经有节点成功预留该时隙或者还没有节点 冲区内。这两个数据缓冲区分别是实时业务区和普通业务区。成功预留该时隙,节点拥有了本地的时隙表,记录了节点及其 办议在为数据报文进行预约时,将根据白身队列中不同缓冲区邻居对当前时隙的使用预留情况。此时如果节点有数据报文 内的报文采用不同的策略,对于实时业务是只要存在即高概率需要发送,它将检查所有邻居的状态,当欲发送节点的所有邻 地去占用信道,一旦失败则反复去预约。如果在下一个时帧到居节点不处于RX状态且欲发送报文的目的节点不处于RX 来时,缓冲区内依然存在实时业务的报文,则启动软预留机制状态时才发送RR分组。 去占用同序号的时隙。普通业务要达到K个数据报文才能激 2)传输报告阶段( transmission report phase,TR) 活预约过程,并且缓冲区内的报文要达到一定的数量才能启动 如果节点在阶段1收到两个或两个以上的预约请求分组 软预留机制。 则节点检测到冲突,就知道在该预约周期中有多个预约节点同 2.2.2启动软预留机制 时进行竞争预约。当节点处于预约时隙的Ⅰ部的传输报告阶 在每个时帧的第一部分是一个N比特长度的软预留时段时,如果检测到KR分组冲突,则该节点在阶段2广播一个 隙,分别对应其后N个信息时隙。软预留部分主要是供上次冲突报告CR分组;否则保持沉默:当节点处于预约时隙的Ⅱ 成功预留了时隙的节点按照一定的算法不经过竟争接入,再次部的传输报告阶段时,如果检测到RR分组冲突,则该节点同 顶留同序号的时隙。其工作方式为:节点在新的时帧开始时,样广播一个冲突报告CR分组,而当节点只收到一个R分组 发现自己的实时业务缓冲区内存在待发的实时数据报文或者时,节点将分析其中的内容,只有当自己是RR分组中的目的 其待发的普通数据报文超过3×K个了,并且上次成功预留过地址域中的一个时,根据邻居节点和自己在当前业务时隙的状 某个时隙,节点就将对应序号的软预留部分的比特位置1,此态判断,只有自己所有邻居节点不处于TX状态,且自己处于 时节点软预留成功。当其他节点发现有比特位被置1后,就不空闲状态时,才同意对方的预约请求;否则就广播CR分组。 再预约被置位的时隙转而只在对应的预约时隙的第一个预约通过在该阶段对CR的侦听,RN判断它的RR是否和别人的 循坏接收来自软预留成功节点的广播报文,确认自己是否是它R或者别人先前的预约发生碰撞。如果未接收到CR,RN认 的接收方。为了节点接入信道的公半性,只能允许节点连续一为它所发送的RR被每个邻节点正确接收。这样,一个RN节 次通过软预留的方式预留时隙,超过三次以后节点只能通过预点就变成了一个传递节点( ransmission node,TN),在下面的预 约来实现对时隙的占用。 约证实阶段就可以预约时隙。很明显,RRCR交互消除了隐 2.2.3四次握手的预约机制 藏终端问题,并且两部分的预约过程的交互充分利用暴露节点 SMAC协议采纳了FPRP五次握手的思想,通过多次握手可以与邻居节点并行传输的能力,提高空间复用率。 使其能够预约单播、组播和广播以及支持QsS,其预留过程只 3)预约证实阶段( reservation confirmation phase,RC) 涉及两跳范围内的站点,是一个本地过程,能够攴持信道在空 在这个阶段里,预约被建立。TN在这个状态里广播一个 间上的重用。节点在协议中可能的状态为传递状念(1X)、接预约证实RC分组通知跳邻居节点相应的时隙被预约,每一 收状态(RX)和睡眠状态(SL)。在网络初始时,节点处于TX个正确接收到这个RC的一跳邻节点都知道了该时隙已被预 或者RX状态,自行组网,协议主要考虑网络处十稳态以后的约,北传输节点将更新自己的时隙表,它们将在时隙表的相应 预约过程,如图3,是竞争报文的报文格式 时隙里加上RC分组的源节点ID,它们将在业务信道的相应时 type addr destAddr 1 destAddr 2 destaddr k 隙里从TN接收信息,并且不再竞争该时隙。 图3竞争报文格式 4)预约确认阶段( reservation acknowledgement phase,RA) 858 计算机应用研究 第25卷 收到预约证实RC分纠的节点发送预约确认RA分组通知的短距离、低功耗和低数据率(最大115.2ks)底层模块,其 TN皮TN的两跳邻居节点,从而两跳邻片节点知道两跳远处传输、接收和睡眠的半均功耗分别为24.75、13.5和15μW,最 有节点预约资源成功。如果TN没有相连节点,它就收不到预大状态转换时间为20μs网络中有50个节点均匀分布在 约确认分组,由此可知T是一孤立节点,TN就没必要进行信500m×500m试验场景中,每个节点的传输半径为100m,这 息的发送。 样每个节点的平均邻居个数是6个,平均两跳邻居个数是17 在四次握于阶段过后,节点完成了一次预约循环,将进入个。仿真时长为400s,经过多次仿真得到协议在单播(uni 下一次预约循环。如果有节点已经预约成功,则可以进入 sL cast)和广播模式( broadcast)下的性能。 状态以节约能量,直到进入预约时隙Ⅱ部或者进入下一个预 图4~6分别是报文接收成功率、休眠时间比例和媒体接 时隙。经过上述的一个完整预约过程后,节点的可能状态为:入时延的仿真结果图。 预约成功的节点将在对应的信息时隙里为TX状态,其一跳邻 居节点中的目的节点将在对应的信息时隙甲为RX状态,其余 节点在对应的信息时隙里的状态为SL状态。只有处于TX状 态的节点才能在相应的信息时隙里进行数据传送。 协议的节能性能 SSMAC协议采用的是分布式的调度接入方式,其数据报 图4报文接收成功率 图5休眠时间比例 文的冲突和重传均发生在随机接入阶段,在进人了调度接入阶 仿真结昊图 仿真结果图 段以后,节点严格按照时隙表的安排,控制自已在TX、RX和 SL状态之间转换,以完成数据报文交换。随机接入阶段所发 送的数据报文冲突和重传主要是RR分组,这主要是由多跳 Pseudo- Baysian算法来控制的,采用分布和分散冲突的方 ,该算法在上PP2中的使用被证明是有效的,并且预约时 隙中的四次握于的报文长度是不同的,TR、RC和RA报文的长 度均可以简化到只使用报文类型和源地址这两个报文域。根 据上层业务的需求和变化,可以设置 SSMAC协议的参数,改变 随机接入部分占用的时帧的比例,以适应不同类型的网络业务。 图6媒体接入时延仿真结果图 仿真结果表明,得益于高握手次数的预约循环,SSⅥAC的 3仿真结果 报文接收成功率始终稳定在90%左右,而 TRAMA在轻负载的 文献[12的仿真结果表明,在总节点数目为100、分布总情况下才有比较高的接收成功率。在能量消耗方面,由于ss 面积S=10×10单位面积、节点通信半径R=1.5单位长度的MAC的随机接入竞争部分的开销在轻负载时相对 TRAMA较 网络拓扑下,为N=16个时隙分配通信任务时,最多只需要大,RAMA在轻负载时节能性好于 SSMACO但是SMAC的 M-9次预约循环就可以高于99%的概率为节点成功分配时随机接入周期和调度接入周期所卢的比例主要由N和K这两 隙。作为参照,为了保证节点预约成功率,仿真中采用M1=6个参数调节,当N和K一定时,SMAC协议的耗能就基本 和M2=3。其中N值主要与节点密度有关;K值主要与节点的致,所以 SSMAC协议的能耗在轻重负截下基本相当。 SSMAC 业务模型相关,这两个参数的调节可以控制随机接入周期和调和 TRAVA协议都是基于调度发送的协议,由于隐藏终端的存 度接入周期所占的比例,从而影响和控制时延及耗能,以适应在,基于竞争的传统报文接收成功率均较基于调度的协议低 不同类型的业务需求,提供QS支持。实验主验证报文的平但是基于竞争的协议报文发送时延较短,如CSMA协议的报文 均媒体接人时延、休眠时间比例、平均报文接收成功率等性能。发送时延通常在10-的数量级",从图6可以看出SMAC 定义报文的媒体接入时延( medium access delay)为报文正协议与 TRAMA协议的媒体接人时延均较基于竞争的协议大 确接收的时刻与MAC层接收到上层递交报文的时刻之差,单但是基于调度协议的高报文接收率可以减少高层的报文重传 位是秒;定义体眠时间比例( percentage sleep time)为节点在全减少重传意味着能够减少能量的消耗,所以调度算法带来的时 部时隙数中处于SL状态的时隙数目;定义平均报文接收成功延增加也能被一些业务环境所接纳。SMAC协议的媒体接入 率( percentage received)为全部发送报文数目中所正确接收的时延在重鱼载时有较大优势,而当网络鱼载较轻时, TRAMA的 报文数,即当广播发送报文时,只有所有邻居节点均正确接收时延也是能够接收的。另一方面 SSMAC协议要求数据报文要 该报文时,该报文才能统计为正确接收的报文。 达到一定数量才参与竞争预约,所以在参数K一定的情况下, 仿真的目的是验证 SSMAC协议的性能,因此网络中所有网络负载较轻时,报文在节点缓冲区内要等待更长的时间才能 的节点都处在有业务报文要传输的状态。假定节点业务报文达到参与预约的报文数,这将导致时延增大;单播模式时暴露 产生满足指数分布,并且报文平均到达时间间隔为04~2.5终端将允许参与竞争,暴露终端将增加网络并行传输能力,而 s。MAC协议主要关心本地节点的数据报文传输,所以节点传在广播模式下由于邻居节点都是目的地址,暴露终端将不能参 输报文时在邻居当中随机选择一个作为下一跳的目的地址。与竞争大大限制了两部分握手竞争的优势,整个网络的并行 本文所设计的协议采用 OPNET仿真平台实现。参照文献传输将减少,网络吞吐率将比单播模式低报文时延因此而大 「11,假定物理层的无线通信模块采用RFM公司的网络控制单播模式。 芯片TR100061。该心片是一款在无线传感器网络广泛使用 SSMAC协议是为无线传感器网络所设计的MAC协议,因 第3期 杨双懋,等:基于预约调度的无线传感器网络的MAC协议 ·859 此它除了要支持传统的对等通信模式,还要支持江聚发送的模数据链路层上提供一种区分服务的Q③S保障。实验结果说 式,这种模式可以抽象为一棵数据江聚树的模型,sink节点看明:在使用相同物理层和仿真的设置下, SSMAC协议性能比l同 做根节点,其余节点看做树的节点,如图7所示。Sink节点作样基丁调度的AMA协议有所提高,特别在负载较大的情况 为最终的数据汇聚点,其他传感器节点的数据以sink节点为下,能够提供稳定的报文接收成功率和休眠时间比例以及较低 目的地址,通过多跳转发的形式周期性地把感应到的数据向这的媒体接入时延。研究 SSMAC协议如何在低负载的情况下更 个根节点汇聚。假定在仿真场景中有一个sink节点,其余传加有效地降低能耗和降低时延;如何将MAC层协议与无线传 感器节点的数据使用简单的最短路径路由方式向sink节点逐感器网络中其他层结合在一起,设计基于跨层的数据链路层协 跳发送,传感器节点的业务数据采用周期性的生成方式,每隔议是笔者下一步的研究工作。 一定的周期产生一个数据报文。仿真时长依然采用400s,考参考文献 察SMNC协议的报文成功接收率和平均时延。图8和9分别[1 ABOELAZe M, ALOUL. Current and future trends in sensor net 是报文接收成功率和媒体接入时延的仿真结果图 works: a survey[ C]//Proc of the 2nd IFIP International Conference on Wireless and Optical Communications Networks. 2005: 551-555 [2]任丰原,貴海宁,林闯.无线传感器网络[J].软件学报,2003,14 [3]崔莉,鞠海玲,苗剪,等.无线传感器网络研究进展[J.计算杌研 究与发展,2005,42(1):163-174 ]唐勇,周明天,张欣,元线传感器网络路由协议研究进展[J,软件 图7Sink通信模式 图8snk模式下的报文 学报,2006,17(3):410-421 接收成功率仿真结果图 15 DEMIRKOL L, ERSOY C, ALAGOZ F MAC protocols for wireless 仿真结果表明,在汇聚发送模式下, SSMAC协议依然保持 sensor networks: a survey.J. Communications Magazine 数据接入时延在负载较重时比较低的特点,并且 SSMAC协议 EEE,2006,44(4):115-121 能保持铰高的报文接收成功率。作为比较的 TRAMA协议在16| KULKARNIS S. TDMA service for sensor networks C/ Proc of the 汇聚发送模式时的媒体接人时延也较低,并且在轻负载时能迅 24th Distributed Computing Systems Workshops, International Confe 速地把数据报文向sink节点转发。通过调节 SSMAC协议参 rence.2004:604-609 数K,能够很明显地降低报文时延,因为这个参数决定了SS I 7 WEI Ye, HEIDEMANN J, ESTRIN D. Medium access control with co MAC协议启动预约过程的判次门限,K越小,调度接入周期所 ordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks[J]. IEEE/ ACM Transactions on Networking, 2004, 12(3): 493-506 占全部时隙的比例越小, SSMAC协议启动预约过程越频繁,报 8 DAM T V, LANGENDOEN K. An adaptive energy-efficient MAC 文时延也就越小。由于SMAC协议在K值较小时,能够取得 orotocol for wireless sensor networks Cl//Proc of the I st ACM Con 比 TRAMA协议更小或相当的报文时延,结果表明 SSMAC协 ference Embedded Networked Sensor System. Los Angeles, CA: [s 议能够适合在无线传感器网络的汇聚发送模式下工作 n.J,2003:171-180 SMAC协议引入了区分服务的QS保障机制和软预留机9ENCC, HOIYDIE A, DECOTIGNIE J D,a. WiseNt:anl 制,仿真场景依然采用节点传输报文时在邻居当中随机选择 tralow-power wireless sensor network solution[ J]. Computer, 2004 个作为下一跳的目的地址,并且实时业务占总业务量的20%, 如图10所示。仿真结果表明了在不同的网络负载情况下,实10-LUC, KRISHNAMACHARI B, RACHAVENDRA C S. An adaptive energy-efficient and low-latency MAC for data gat hering in wireless 时业务的时延能比晋通业务有10%的领先,并且K值减小,调 sensor networks[C //Proc of the: 18th Parallel and Distributed Pro- 度周期变短,媒体接入时延将降低。SMAC协议对满足无线 cessing Symposium. 2004, 224: 26-30 传感器网终中实时业务的传输提供∫在数链路层面上的支持。[1 RAJENDRAN V, OBRACZKA K, GARCIA-LUNA- ACEVES J J En- ergy-efficienl collision-free medium access control for wireless sensor networks[C//Proc of the I st International Conference on Embedded Networked Sensor Systems. Los Angeles, California: L s n1, 2003 181-192 12. ZHU Chen -xi, CORSON M S. A five- phase reservation protocol FPRP) for mobile Ad hoc networks[C]//Proc of the 17th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societie 图9Sink模式下的媒体 图10不同业务的媒体 EEE,1998:322331. 接入时延仿真结果图 接入时延仿真结果 [13 ZHU Chen-xi, CORSON M S. An evolutionary-TDM A scheduling pro- 4结束语 tocol( E-TDMA) for mobile Ad hor networks R].[S1.:ISR CSHCN TR Marvland, 2001: 98-114 本文研究了无线传感器网络中的MAC协议,在分析了现[14.EIS0NJ, ESTRIN D. Time synchronization for wireless sensor net- 有MAC层协议的基础上,提出了一种基于调度的用于无线传 works[ C]//Proc of the 15th Int'I Parallel and Distributed Processing Symposium. San Francisco: s.n., 2001 感器网络的MAC协议—SMAC协议。该协议结合了WSN[5:于宏设.无线移动自组织网[ 北京:人民邮电出版社,2005: 中的能量约束与预约调度,一方面充分考虑协议的节能性,并 97-102 且有较低的媒体接入时延,不同负载下表现基本一致的报文接16ProductspecificationEB/oL.htp:;/w.dm.com/products/da 收成功率;另一方面解决了隐藏终端和暴露终端问题,并且在 ta/trlO00 pdf

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