论文研究-一种基于节点重要性和空间相关性的无线传感器网络MAC协议.pdf

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提出了一种新的基于节点重要性和空间相关性的MAC协议(NISC-MAC),该协议将数据相关性小的节点,即数据差异大的节点定义为重要节点,并赋予其高的优先权。优先权高的节点发送数据的概率大,退避时间短,从而能优先地竞争到信道。把这些重要性节点选定为代表性节点,确保这些重要的数据发送到sink节点,这样可保证数据的整体有效性,使收到的数据能更好地反映出物理现象。NISC-MAC协议在去除数据空间相关性的同时确保了数据的整体有效性,仿真实验表明此协议在较低的能耗和传输延时下确保了数据的整体有效性。
666 计算机应用研究 竞争信道,各节点发送数据的概率都一样。在基于窗口的竞争 CTS/DATA包的结构图。 协议中,所有节点会在0,CW-1中随机挑选一个竞争时隙传 frame control duration ra ta| KIND PRIFCS 输。若两个或多个节点随机挑选到同一个时隙,就会造成冲 16 48 突。为了避免冲突,它们通过调整CW大小来重新选择时隙。 (a)RTS包结构 在二进制指数退避算法中,随机退避时间按以下公式计算: 退避时间=int(CW* random()) x slot time duration RA KIND FCS KIND FCS control header body 其中:int是取整函数;CW是指数竞争窗口参数,取值为CW bit 16 CWna,在初始化时,CW值为CWm。当要发生重传时,CW按 (b)CS包结构 e)DAA包结构 指数级别逐次增大,直到最大值CWm为止。当CW达到CWm 图4RTS/CTS/DATA包结构图 时,它不再变化,尽管这时会发生较多的冲突。各节点在传输成2.4 NS C-MAC协议的思想 功后,其CW值恢复到初始值CWm。 Random()是产生(0,1) NISC-MAC协议的核心思想是:通过IS算法确定代表性 之间的一个随机数; slot time是一个时糟时间,包括发射启动时节点的数量,去除节点数据的空间相关性;同时把重要性的节 问、媒体传播时延、检测信道的相应时间等。 点设置高的优先级,使其发送数据的概率大,从而更易竞争到 本文希望在确保数据一定失真度的情况下,节点在争用信信道,优先被选为代表性节点,发送数据到sink节点,确保整 道时,优先级高的节点拥有媒体接入的优先权。当CW越小,个监测数据的有效性。在竞争时,本协议采用了本文定义的二 节点退避的时间就越短,接人的机会更大。为了让不同的节点进制退避算法。 获取信道的概率不同,建立了一个发送概率与退避窗口的函数 在网络初始化的过程中,先传输很短一段时问t(这个时 关系。发送概率最高的节点,其初始窗口为CW,而其他节间可根据具体的实验选定)的数据到sink节点,ink节点取每 点i的初始窗口为 个节点的一个数据流进行分析,计算出K值;然后通过预置或 CWm(i)=2-PXCW 定期广播通知的方式将K值传播到监测区域内的所有节点。 其中:P为节点i的发送概率 节点通过接收到的K值计算出自己的优先级、P和CWm(i) 那么在新的二进制退膣算法中,随机退避时间按以下公式同时运行IS算法计算出相关半径并广播给各个节点;然后节 点开始竞争信道。所有事件节点使用RTS/CTS/ DATA/ACK 退避时间=in(CWm(i) X randam())× slot time 第一次竞争信道,节点发送巛S包,其相关邻居节点监听到这 这样发送概率高的节点的初始窗口将较小,在退避时,退个包,取出包中的PRI域,与自已的比较。若比自已的大,则放 避时间短,能优先于竞争到信道。 弃竞争信道;否则继续竞争。竞争过程中将运行本文定义的 2.3NC-MAC协议的包结构 进制退避算法。 在这个最初的竞争阶段之后,竞争到信道的节点i根据相 在RTS/CIS/DATA预留的空间内划出1Mt作为KIND域,另关半径形成相关区域,节点继续发运信息到snk节点,作为 外划出32bit用来作为PRI域(发送概率域)。KND域帮助传相关区域的惟一代表。当消息在发送时,节点m根据听到的 感器节点区分数据包的类别并依此来判定数据包是原始数据信息计算出它到i的距离d(i)。如果d(i,)小丁rm,则j为 包还是要路由的包,节点据此来执行源发送操作还是路由转发 的相关邻居节点。如果大于rmm并且有包发送,则竞争信道。 操作;源发送操作就是节点发送自己产生的原始数据包,路由 相关区域确定后,代表性节点发送数据,为了节省能量,其 转发操作就是转发其他节点的路由包。PR域保存了节点的他节点进入睡眠状态(s)。在Ss传输期间,相关邻居节点 发送慨率数值,月来表示节点的发送慨率大小,并以此来选定进入睡眠状态;然而,为了能够转发路由的数据包和维持网络 代表性节点。 的连通性,在一个随机睡眠间隔时间T后,相关邻居节点开始 节点在采集事件信息时,设置自己的RTS、CIS和DATA监听信道。当一个相关邻居节点收到一个关于路由的RTs 包的KND域为0,说明这是节点的原始数据包。当某节点侦包,它从S状态转到接收状态并接收数据包再转发。若代表 听到某个RTS包中的KND域为0时,它就认为这是一个原始性节点接到一个数据包,则奋看其KIND域,若其值为1则优 数据包。接收这个RTS包的节点将CIS包的KIND域设为0, 先路由转发这个数据包,抑制源发送操作。在SS之后,节点再 并发送回源节点。这样,数据的发送者和接收者的邻居都知道进入网络初始化过程,重复整个过程。 了需要发送的DAA包的类型。它们的某个邻居节点收到3仿真实验 DATA包时,将其KIND域设置为1,显示此包以后为过路数据 包。此节点转发这个路由数据包到下一跳的节点。而其他节 本章利用仿真实验和分析的方法对本文提出的NS 点接收到DATA包时,它检查其KND域,若KIND域为1则执MAC协议进行性能分析,并与IEE802.11、SMAC和CC 行路山转发操作,此时若节点有源发送操作,则抑制源发送操MAC协议进行了性能的比较分析。 作,先执行路由转发操作。 笔者选择国际上流行的无线传感器网络仿真软件 在最初竞争信道时,节点发送RTS包,相关区域的邻居节 OMNET++m来模拟本协议。在200m×200m的区域内随 点监听到这个数据包,取出RTS包中的PR域,并与自己的比机部署了50个节点,并将其中一个节点设置为sink节点,其位 较大小,若自己的小,则放弃竞争信道,这样PRI大的节点将优置坐标没为(199,0)。通过改变节点采集和发送数据的周期, 先竞争到信道,并通过相关半径确定相关区域。图4为RTS从而产生不同的网络负载,来验证分析 NISC-MAC协议的性 第2期 刘放彩,等:一种基于节点重要性和空间相关性的无线传感器网络MAC协议 ·667 能,仿真时间为600s。主要考察协议的两个性能指标 CC-MAC协议是随机选择的,只随机地选到了小部分或没有选 a)半均能耗。每个节点的半均能耗,单位为毫焦耳( 到重要性节点。这说明,本文方案将重要性节点优先选择为代 表性节点,让重要性数据发送到了sink节点,确保了数据的整 b)媒休接入延时。从发送节点将数据包交给MAC层到体有效性,与笔者的理论分析是一致的。 下一跳接收节点收到数据包的平均时间差。这个性能参数在 基于竞争的MAC协议中主要用来衡量竞争时延。 4结束语 仿真实验初始化的主要参数配置如表1所示。仿真实验 节点数量众多且分布稠密的传感器网络产生的数据中存 结果分析如图5所示。 表1实验参数 70 在着很强的空间相关性。基于空间相关性的MAC协议能减轻 网络中数据传输量和减轻网络冲突,从而达到节省能量的目 参数名 50 接收能量消耗 14 mw 的;同时将一些重要性节点优先选择为代表性节点,将数据发 发送能量消耗 25m 30 送到sink节点,能够确保监测数据的整体有效性。本文将空 睡眠能量消耗 0.05mW 空闲能量消耗 0.1mW 间相关性与节点重要性结合起来,提出了一个新的基于节点重 区域大小 200m×200m 345678910112要性和空间相关性的MAC协议( NISC-MAC)。仿真实验表 节点个数 图5不同发送周期下各种 明,NISC-MAC协议在延时不大的情况下,不仅大大地节省了 协议的平均能量消耗 网络的能量,而且确保了监测数据的整休有效性,使监测的数 图5指述了四种MAC协议在不同网络负载情况下的平均据更能反映出实际的物理现象。 能量消耗。从屮可以看出,NISC-MAC协议的平均能耗略小于 下一步将研究相关性区域的重要性,在重要的相关区域中 CMAC,这是因为 NISC-MAC协议在节点竞争媒体时给节点选择k个代表性节点,根据具体的应用要求来确定k值。 设詈了优先级,各节点有不同的发送概率,诚少了相关区域的 参考文献: 节点的竞争;同时当节点在退避状态时,NSC-MAC协议每个 节点的初始化窗口不一样,从而各个节点的退避时间不一样, [1 VURAN M C, AKYILDIZ I F Spatial correlation based collaborative medium access control in wireless sensor networks J. IEEE/ACM 减少了节点发送冲突的可能。与其他的两个协议相比,NSC Trans on Networking, 2006, 14(2): 316-329 MAC显著地节约了大量的能量,这是因为它利用了空间相关[2]塞恐,操正虎,培栋,等。兀线告感器网络MAC协议研究进展 性,大大地减少了数据的发送量。 「J.软件学报,2008,19(2):389-403 图6描述了四种MAC协议在不同网络负载的情况下媒体[3]孙利民,李建中,陈渝,等,无线传感器网络[M].北京:清华大学 访问延时。从中可以看出,四种MAC协议的延时时间都很小 出版社,2005:59-88 NISC-MAC的延时略小丁 CC-MAC,这是因为 NISC-MAC协议41 JA MESON K, BALAKRISHNAN,TAYY.: a MAC protocol for 相关区域的节点克争减少。 event: driven wireless seneor networks, LCS-TR-894[R]. [S1.I MIT.2003 本文用采集到的原始数据在文献[和本文方案下接收到51YEW, EIDEMANN J, ESTRIN D. Medium access control with coor 的数据作一个比较。为了进行更好的比较,引入以下方差概念: dinated adaptive sleeping for wireless sensor networks [ J]. IEEE D(S)=E「(S;-E(S)21(i=1,2) Trans on Networking 2004, 12(3): 493-506 其中:D(S)为方差;S代表两种方案收到的数据;S代表所有6] DAM T van, LANGENDOEN K, An adaptive energy-efficient MAC 节点采集的原始数据。本数值实验中,S的原始数据是50个 protoeol for wireless sensor networks[C]//Proc of Conference on Em 节点采集到的数据,S1的数据是两种方案下选择不同个数的 bedded Networked Sensor Systerns. New Y ork: ACM Press, 2003 代表节点分别采集到的数据。i=1代表文献[1]中的方案,= 171-180 17 RAJENDRAN V OBRACZKA K, CARCIA-LUNA-ACEVES J J En 2代表本文方案。方差的大小代表S与E(S)的偏离值。偏离 ergy-efficient, collision-free medium access control for wireless sensor 值越大,说明S与S的差异越大。理论上将重要性节点,即数 networks[C//Prue of the I sl A CM InlernaLiunal Conference un Eum 据差异大的节点选为代表性节点,那么收到的数据的方差比随 bedded Networked Sensor Systems. New York. ACM Press, 2003 机选择的要大,可以用这个方差来衡量重要性节点是否被选 181-192 择。数值模拟实验结果如图7所示。 [8 CARLEY TW, BA MA, BARUA R, et al. Cunllentiun-free periodic message sc heduler medium access control in wireless sensor/actuator ∞0.045 networks[C]//Pror of the 24 th IEEE Real-time Systems Symposium 弓0.035 C-MAC NISC MAC 0.03 Washington DC: IEEE Computer Society, 2003 298-307 0.025 0.02 98765432 19 ZHOU Xi, XUE Cuang-tao, QIAN C, ct al. Efficient data suppres 0.015 0.0l sion for wireless sensor netwarks[ C]//Proc of the 14 th IEEE Intera o345678910112 national Conference on Parallel and Distributed Systems. Washington 15101520253035404550 DC: IEEE Computer Society, 2008: 599-606 图6不同发送周期下各种MAC图7代表性节点的个数与D(S) 协议的媒体访问延时 (均方差)的关系 [10 ZOGH M R, KAHAEI M H. Sensor selection for target tracking in 图7中,横坐标为选择的代表性节点个数,纵坐标为 WSN using modified INS algorithm[ C]//Proc of the 3rd Information Technologies: From Theory to A pplications D(S)。从图7中看出,在选择的代表性节点少于30个时 2008:1-6 NISC-MAC协议的D(S)明显大于 CC-MAC。这是因为,[11石为人,黄河,鲜跷东,等 OMNET++与NS2在无线传感器网络 NISC-MAC协议将大部分重要性节点选择为代表性节点,而 仿真中的比较硏究「J,计算杌科学,2008,35(10):53-57

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