基于分簇的无线传感器网络协议

张俊

（南京邮电大学 通信与信息工程学院， 江苏 南京 210003）

0 引言

无线传感器网络(WSN)[1]是大量的传感器节点通过无线通信的方式构成的自组织的多跳网络结构，因为其应用的广泛性而得到越来越多的高度重视。路由协议是无线传感器网络应用的基础技术，而且数据的收发是网络能量消耗的主要部分，所以对传感器网络路由协议的研究就很有意义。在WSN中，决定无线信道方式在于介质访问控制(MAC)，把有限的无线信道资源分配到各个传感器之间，从而构建出传感器网络协议的底层。节能问题一直是WSN设计中首先考虑的问题，WSN各层协议设计中，节能都是重点考虑的方面，MAC协议也不例外。然而由于WSN经常被应用在医疗、军事等对实时性要求很高的领域，这些领域要求及时监测、处理和传递信息，因此设计适合这些领域的MAC协议实时性就十分必要。目前WSN中的MAC协议通常假设节点都是静止的，并不适合存在移动节点的WSN。而即使是静止的WSN同样具有动态性，例如增加新的节点，节点因为外部因素发生位移等，都会使WSN的拓扑结构发生变化。传统的MAC协议对实时性和移动性都没有考虑，势必会影响这些协议在应用中的性能。

1 无线传感器网络MAC协议分析

现有的WSN中的MAC协议一般可以分为基于竞争类和固定分配类。TAMC(Timeout-MAC)[2]、SMAC(Sensor-MAC)[3]、CSMA(Carrier Sense Multiple Access)[4]是基于竞争类中几个比较有代表性的MAC协议。其中单纯基于竞争的协议是CSMA，通过节点不断地监测信道的使用状况，在信道空闲时发送数据，信道忙时就等待，如果数据在传输时发生冲突，则发生冲突的节点需要在等待一段时间后重新发送数据。SMAC采用时间帧(Frame time)，每个时间帧分为工作和休眠2个阶段，通过2个状态的周期性交替来节省能量，如图1(a)所示。但是每个节点的占空比(工作时间和总时间的比例)是相同的，因此在负载可变的情况下，性能会有所下降。TMAC是在SMAC的基础上，引入自适应占空比来适应负载可变的情况，如图1(b)所示。但是节点在发送前加入唤醒前导，增加了发送和接收的能量和时延。TRAMA[5]是基于固定分配类的MAC协议，该协议将时间帧分成更小的时隙，如图2(a)所示。采用各节点流量信息的分布式选举算法来决定某个特定时隙中节点的传输选择。但TRAMA时延长，不适合实时性要求高的应用。

图1 SMAC与TMAC时间帧

图2 TRAMA与AMAC时间帧

以上这几种MAC协议均没有考虑WSN的动态性。在实际应用中，传感器传输数据时，各个节点产生数据的速率是不同的。本文借鉴了分簇的思想，簇内节点成员提出申请，簇首节点经过判断使时隙合理分配，从而既提高了WSN的实时性，又兼顾其动态性。

2 AMAC协议描述

AMAC协议采用LEACH[6]作为分簇和簇首选协议。簇内节点之间是单跳模式，如图3(a)所示。在开始阶段，簇首产生一个时间帧，它由若干时隙调度和仲裁(mediation)广播组成，如图3(b)所示。定义该时间帧在簇内执行一次为一轮。每个成员节点均分得一个时隙，只有在该时隙内的成员节点才能占有信道并与簇首节点进行通信，其他成员节点在该时隙无法与簇首节点进行通信。每个时隙包括一个固定时间长度τ，在slot-τ内，该成员节点与簇首进行通信，该节点可以根据数据剩余量和数据产生速率向簇首节点提出下一轮时隙申请，在时间τ内把该申请提交给簇首节点。当簇内节点这一轮通信完毕，簇首节点会根据申请信息进行仲裁，并将仲裁后的时隙调度在仲裁广播时间内发给簇内各个成员节点。这样在下一路簇内通信时成员节点可以根据新的时隙调度合理分配时间。

图3 初始时刻簇内拓扑结构与时间帧

2.1 簇内成员申请时隙过程

WSN的信道容量已知为C，假设簇内有n个成员节点，分别为S1，S2，…，Sn，它们各自的时隙分别为t1，t2，…，tn，数据产生速率为k1，k2，…，kn。初始阶段簇内成员节点分得的时隙是相同的，即t1=t2=…=tn，如图3(b)所示。设簇内第i个节点si在某轮的时隙为ti，则发送数据时间为ti– τ，设当前的数据长度为li，在该时隙内发送的数据长度为C(ti– τ)，本轮过后si中剩余的数据为li– C(ti– τ)。如果li– C(ti– τ) > 0，说明si在时间ti内没有将数据发送完，那么si在下一轮期望分得的时隙为：e(ti) = [li– C(ti– τ) + kiti]/C + τ；如果li–C(ti– τ) ≤ 0，说明数据已发送完毕，e(ti) = kiti/C +τ。

2.2 簇首节点仲裁过程

簇首节点对一轮接收到的数据信息融合后转发到基站，然后对成员节点申请时隙的请求进行仲裁。具体规则如下：当成员节点si无数据发送时，e(ti) 取其下限为e(ti)min = τ，同时设定时隙上限e(ti)max = η，即成员节点的时隙范围是[τ，η]。如果满足条件τ ≤e(ti) ≤η，那该成员节点在下一轮的时隙为e(ti)；否则若e(ti) >η，那它下一轮时隙为η。考虑到WSN的移动性，如果簇首节点没有接收到某个成员节点在该时隙内的数据信息时，我们可以认为该节点已经不属于该簇（死亡或已移出该簇）。这是因为在正常情况下簇内成员节点分得的最小时隙为τ，该节点至少会在τ内发送申请信息。我们以e(ti)是否为空作为节点si是否属于该簇的先决条件，当e(ti)为空，该节点时隙就会从时间帧中移除。当该簇加入某个新成员节点时，该节点必须先向簇首节点注册，簇首节点才能在下一轮时间帧时为这个节点分配一个新的时隙，然后通过广播把新的时间帧发送给簇内成员节点。

3 性能分析

在NS2平台上对AMAC协议进行仿真实验，并与TRAMA、CSMA、SMAC协议的性能进行比较。仿真条件设定：传感器节点随机分布在10000m×10000m区域内，每个节点通信范围是100m，数据产生速度满足泊松分布，网络传输速率为50Kb/s，仿真时间为500s。

图4、图5分别描述了4种协议的网络平均时延与网络负载和网络动态性的关系。图4中，当负载较小时，因为CSMA是完全基于竞争的协议，不需要额外的控制信息，数据传输时延最小。同样SMAC是基于竞争的协议，只不过它需要增加一些同步开销，平均时延比CMAC大一些。以上2种协议时延都小于TRAMA、AMAC协议。但随着网络负载的增多，CSMA和SMAC协议数据包冲突开始增加，平均时延也跟着增大，TRAMA、AMAC协议的平均时延反而因为信道利用率的提高而减小。由图5可以看出，AMAC协议的时间帧能随网络拓扑结构的变化而自动调整，因此在动态网络中的平均时延变化不大，而其他3种协议的平均时延会随着网络中的动态性的增强而急剧增大。

图4 不同负载下数据包的平均时延

图5 动态网络中数据包的平均时延

图6，图7分别说明了4种协议的数据包到达率与网络负载和网络动态性的关系。图6中，CSMA、SMAC协议的数据包传输过程中会有冲突导致数据包丢失，随着负载增大，丢失率很严重。而TRAMA、AMAC协议的优势就十分明显。图7中，TRAMA、SAMC、CSMA协议都是依据静态WSN设计的，因此数据包到达率会随着网络动态性的增强而下降。AMAC协议因为会自适应网络拓扑结构的变化而自动调整时间帧，因此数据包的到达率仍然很高且变化得比较平稳。

4 结语

本文分析了现存WSN中MAC协议的不足，提出了一种实时性较强的MAC协议，能够很好地适用于动态WSN。AMAC根据节点的不同情况合理调整时隙分配，提高了信道利用率。仿真结果表明，AMAC协议较其他MAC协议在实时性和动态性上性能提高显著。下一步我将会对设定的时隙上限η进一步优化，以提高节点占有信道的公平性和信道利用率。

图6 不同负载下数据包的到达率

图7 动态网络中数据包的到达率

[1] 任丰原. 无线传感器网络[J]. 软件学报，2003,14(7):1282-1291.

[2] 郑增威，金水祥. 无线传感器网络及其应用[J]. 计算机科学，2003,30(10):138 -140.

[3] EDGAR H，CALLAWAY JR，Wireless Sensor Networks: Architechures and Protocols[M]. New York: Auer Bach Publications, 2003: 74-84.

[4] WALRAND J. Communication Networks[M]. Second edition. New York:McGraw-Hill, 1998.

[5] HEIDEMANN J，ESTRIN D. An energy efficient mac protocol for wireless sensor networks[A]. Proceeding of the INFOCOM[C]. San Francisco: IEEE Computer Society，2002: 1567-1576.

[6] HEINZELMAN W，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHNAN H. An application-specific protocol architecture for wireless micro sensor networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communication，2002，1(4):600-670.

[7] Akyildiz IF,Su W, Sankarasubramaniam Y, Cayirci E. Wireless sensor networks: A survey[J].Computer Networks, 2002,38(4):393-422.

[8] S.Hedetniemi, A.Liestman. A survey of gossiping and broadcasting in communication networks[J]. Networks,1998,18(4):319-349.

[9] Sohrabi K, Gao J, Ailawadhi V, Pottie GJ. Protocols for self-organization of a wireless sensor network[J]. IEEE Personal Communications, 2000, 7(5): 16-27.