支持区分服务的无线传感器网络802.11 MAC协议*

靳 勇，乐德广，吴志刚 ，白光伟

（1.常熟理工学院 计算机科学与工程学院,江苏 常熟 215500;2.南京理工大学 紫金学院,江苏 南京 210094;3.南京工业大学 计算机科学与技术系,江苏 南京 210009）

在无线传感器网络体系结构中，MAC(Medium Access Control)协议是保证网络高效通信的重要协议。目前，已有大量针对WSN(Wireless Sensor Networks)不同特点和具体应用的MAC协议相继提出[1-5]。参考文献[1]通过对现有各种WSN MAC协议进行分析和比较，发现MAC协议在扩展性、稳定性、健壮性和安全性等方面存在诸多问题，WSN MAC协议要具有实用性，还有许多基础性问题和关键技术需要解决。参考文献[2]介绍了目前主流的几种传感器网络MAC协议的工作原理，包括Sensor-MAC、Timeout-MAC、Wise-MAC、BMA、Datagathering-MAC、IEEE 802.15.4等。参考文献[3]分析了多媒体传感器网络MAC协议的特点与面临的挑战，从信道接入、调度、差错控制以及数据包大小4个方面深入讨论了国内外现有的代表性协议及算法。参考文献[4]针对无线Ad Hoc网络不能提供数据流优先级区分的问题,提出了一种适用于无线Ad Hoc网络的基于IEEE 802.11MAC协议的改进机制。但是并未考虑该机制区分服务之后不同优先级业务流的能耗问题以及整个网络通信的能耗问题。参考文献[5]基于跨层的方法提出了一种能量高效CLEE2MAC(Cross Layer Energy Efficient)协议。但是该机制并未考虑如何确保高优先级数据业务的服务质量。

本文主要通过引入新的控制分组，使目的节点以一定的概率拒绝接收来自低优先级节点的数据，从而确保高优先级数据业务的服务质量，达到对数据业务区分服务的目的。本文还利用相关数学模型对所提出的区分服务机制进行建模分析，得出了两种优先级数据流的饱和吞吐量、分组丢弃概率的计算方法。同时建立能量模型，对该机制进行能耗分析。

1 一种支持区分服务的MAC控制机制

本文采用图1所示的单跳簇状无线传感器网络的网络模型，系统模型由感知节点和簇头组成。假设(1)N个传感器节点均匀地分布在半径为R的圆形区域，簇头数为M，则一个簇内的节点数为N/M(包括一个簇头和N/(M-1)个感知节点),并假设簇头节点和感知节点是同种类型的节点；(2)假设在一个数据采集周期内，所有感知节点采集信息都为k比特并将这k比特信息发送到各自的簇头节点，簇头节点分别将各自簇内的感知节点发送来的信息汇聚后发送给基站；(3)基站接收簇头数据的接收能耗忽略不计，因为基站本身并不受能量限制。

对图1所示的单跳无线传感器网络模型研究一种支持区分服务的MAC协议机制。在原有标准802.11MAC协议基础上引入了新的控制分组，使目的节点能够对数据业务进行选择，这样目的节点可以根据网络的状态决定是否接收本次申请的数据分组，解决了无线传感器网络不能对数据业务进行区分服务的问题，进一步节省了节点能量。

在节点传输数据分组之前，首先需要对所传输的数据分组按照某种规则进行优先级标记,然后在目的节点引入拒绝服务分组NTS(Not To Serve)，该拒绝服务分组只针对低优先级数据业务，目的节点可以根据网络的状态以一定的概率拒绝接收低优先级数据分组。一旦分组被拒绝接收则立即丢弃，而目的节点会向源节点发送一个NTS分组。源节点接收到NTS分组后，将其竞争窗口加倍，并再次产生一个随机退避计数器值，进行下一次信道竞争。

对于目的节点拒绝接收低优先级数据分组的概率pr，本文用该分组的MAC层重传次数来表示。如该低优先级分组由于冲突或者被拒绝接收而重传了L1次，则pr表示为：

2 区分服务机制的数学建模分析

2.1 马尔科夫链分析模型

本文将无线传感器网络中的数据流分为两种，一种为对时延敏感的数据流，简称RT(Real-Time)流；另一种为对时延不敏感的数据流，简称BF(Best-Effort)流。显然RT流的优先级高于BF流。另外本文定义i为数据流的优先级类别，取值为 0或 1，其中 0表示 RT流，1代表BF流。两种数据流的分组都采用相同的退避机制竞争信道。

令pi,c为第i类数据分组发送时产生冲突的概率，pi,b表示第i类数据分组在退避阶段检测到信道忙的概率。pi为第i类数据分组由于冲突或被拒绝接收而发送不成功的概率。pr表示低优先级数据分组被拒绝接收的概率。可以得出以下结论：

对于传输第i类数据分组的簇头，设B(i,t)表示其在时刻t的退避计数器值，S(i,t)表示其在时刻 t的退避阶段。根据参考文献[9-10]，{S(i,t),B(i,t)}构成了一个离散的二维马尔科夫链模型，依据其单步状态转移概率和马尔科夫链的相关性质可以得到如下关系：

本文中用低优先级的MAC层平均重传次数来代替上节讨论的单个数据分组的重传次数，因此有：

设发送属于数据流i的数据分组的簇头为Mi个,根据相关假设可以得出：

2.2 饱和吞吐量分析

设Ptr为在一个随机选择的时隙内网络中至少有一次分组发送的概率；Pi,s表示在一个随机选择的时隙中某一类(0或者1)数据分组成功占用信道的概率。Ps表示在一个随机选择的时隙中任何一种数据分组成功占用信道的概率。则有以下结论：

设S为归一化的系统饱和吞吐量，Si表示数据流i所占有的饱和吞吐量的份额，可以得出：

2.3 分组丢弃概率分析

令pi,drop为数据流i的分组的丢弃概率，分组丢弃只会发生在退避计数器达到最大重传次数，再次发送分组时产生分组冲突或者低优先级分组遭到拒绝接收，该数据分组将会丢失。所以有：

3 区分服务模型的性能分析与评价

为验证上述分析的正确性，本节将采用数学分析的方法对在基本接入机制下改进的具有区分服务功能的MAC层协议进行性能分析。本文所采用的参数如表1所示。传感器节点N=200，M从10递增至200。假设MAC层发送的数据分组大小恒定，且有M0=M1=0.5 M。

表1 区分服务模型的性能分析实验参数设置

图2给出了两种数据流所占有的饱和吞吐量分析。从中可以很明显地看出本文提出的方法能够使RT流占用较多的带宽资源，且随着节点数量的增多，BF流的吞吐量会有所下降，而RT流占用的吞吐量有所减小，但下降幅度较小。图3为改进后的系统饱和吞吐量与标准802.11 DCF机制下的饱和吞吐量的变化情况，从中可以看出,随着节点数量的增多,损失的带宽资源会加大，但增加的幅度不大。图4是RT流和BF流在MAC层的分组丢弃概率对比分析。在节点数量较多的情况下，高优先级RT流的分组丢弃概率有所增加，但上升幅度很小，基本维持在一个较小的范围内。

4 区分服务模型能量分析

4.1 能量模型

[6]针对单跳无线传感器网络系统能量消耗问题，采用电磁场能量扩散理论、电路能量消耗理论和技术，得到其普通节点、数据汇聚和簇头节点的能量模型，以及网络系统能量模型。本文选用的无线传感器网络的节点通信能量模型是Heinzelman的改进first order射频模型。依据图1所示单跳无线传感器网络模型建立以下能量模型。

4.1.1 感知节点能耗

在单跳簇状网中，感知节点在一个周期内只需向簇头节点发送其所采集的数据(假设为k比特)。所以感知节点的发送功耗可以由式(18)表示：

式中，dto-ch为感知节点到簇头节点的距离。

由图1可知，每簇所占的面积为(πR2)/M，如果簇是圆形区域，那么簇内的半径为假设分布概率密度函数为ρ(x，y),那么感知节点到簇头距离的期望为：

因为假设簇内节点是均匀分布，则

ρ=1/((πR2)/M)，代入式(19)可得：

所以，在以后的讨论中，dto-ch=R2/2M。

4.1.2 簇头节点能耗

簇头节点的主要作用就是将感知节点采集的信息汇聚后发送到基站。因为一个簇包括一个簇头节点和N/(M-1)个感知节点,则一个周期内簇头节点必须接收N/(M-1)个节点发送来的k比特数据，然后将接收的数据进行汇聚后发送到基站，则簇头节点在一个周期内的能耗可由式(21)表示：

式中，ERX(k)为簇头节点接收感知节点所采集数据所消耗的能量；k为簇头融合一个数据包所消耗的能量；ETX_BS是簇头发送一个数据包到基站所消耗的能量，在此本文假设是最理想的汇聚，即簇头将接收的数据包汇聚成1个数据包后发送到基站。

4.1.3 网络总能耗模型

整个簇的能耗由N/(M-1)个感知节点能耗和1个簇头节点能耗相加组成，则由式(18)和式(21)可知，单个簇的总能耗为：

又因为，整个单跳簇状网络中包括M个这样的簇，则单跳簇状网的总能耗为：

由式(18)可得，单跳簇状网在一个采集周期内成功传输每比特的能量消耗为：

4.2 能耗分析

根据参考文献[7],假设信道条件为AWGN信道加上BPSK调制。 频率 f=1 GHz，则波长 λ=c/f=0.3 m，发射天线高度ht=1 m,接收天线高度hr=2.5 m,关键距离dc=33 m。假设节点数 N=200、分布半径R=100 m，簇头到基站距离 dto_bs=125>dc(满足距离的四次方衰减-γ=4)，其他相关参数的描述与取值如表2所示。

表2 能量分析仿真参数设置

图5是RT流和BF流的能耗对比分析。可以清楚地看到，RT流和BF流的能耗随着节点密度的增加而增大，当簇头节点数目较少时，二者的能耗相差较大，但是高优先级的RT流在占有较多带宽、保证传输性能的同时，消耗的能量比低优先级的BF流低。随着节点数目的增加，RT流和BF流的能耗越来越接近，当节点数目为200时，二者的能耗非常接近。

图6为改进后的单跳簇状网总能耗与标准802.11 DCF机制下的总能耗的变化情况。从中可以看出无线传感器网络节点密度越高，改进后的机制节能效果越好。随着节点数量的增多，单跳簇状网总能耗逐渐增大，但增加的幅度不是很大。在簇头节点数目为10时，改进后的机制总能耗比标准802.11 DCF机制要大，但是，随着簇头节点数目的增加，两个协议的总能耗逐渐接近，当簇头节点数目为200时，二者非常接近，表明改进后的机制适合于节点密度高的无线传感器网络。

针对无线传感器网络不能提供数据流优先级区分的问题，本文提出了一种基于802.11MAC协议的改进机制，该机制通过引入新的控制分组，使目的节点以一定的概率拒绝接收来自低优先级节点的数据，从而确保了高优先级数据业务的传输性能，避免了不必要的能量消耗。相关分析结果表明，该区分服务机制能够使高优先级数据流占用更多的带宽，并且降低了高优先级业务的分组丢弃概率，从而确保了高优先级业务流的传输性能。最后，进行了改进机制的能耗分析，高优先级业务流在占有较多带宽、保证传输性能的同时，消耗的能量比低优先级业务流低，而且进一步证明了该改进机制适合于节点密度高的无线传感器网络通信。

参考文献

[1]蹇强,龚正武，朱培栋,等.无线传感器网络 MAC协议研究进展[J].软件学报,2008,19(2):389-403.

[2]崔莉,鞠海玲,苗勇,等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与进展,2005,42(1):163-174.

[3]李瑞芳，李仁发，罗娟,等.无线多媒体传感器网络MAC协议研究综述[J].2008,29(8):111-123.

[4]吴志刚,白光伟,吴艳洁,等.基于区分服务的802.11MAC层协议及其性能分析[J].东南大学学报(自然科学版),2008,38:217-221.

[5]郑国强,孙若玉，李济顺,等.一种适用于无线传感器网络的跨层高效MAC协议[J].传感技术学报,2009,22(1):95-99.

[6]STREAM M,KATZ IL H.Measuring and reducing energy consumption of network interfaces in Hand-Held devices.IEICE Transactions on Communications.Special Issue on Mobile Computing,1997,ES0-B(8)：1125-1131.

[7]徐其飞.无线传感器网络差错控制技术研究[D].南京：南京理工大学学位论文,2008.