层次传感器网络的交错同步休眠调度方法研究*

单 洪，马 涛

(解放军电子工程学院网络工程系，合肥230037)

在无线传感器网络中，睡眠机制是节点最常用的节能方法。但在使用睡眠机制的同时，会增加数据包的发送延迟，因为当节点有数据要发送时，节点必须等待下一跳节点唤醒，才能发送数据，这样就产生了额外的延迟［1］。目前，睡眠机制分为两类［2］:异步睡眠机制和同步睡眠机制。异步睡眠机制是每个节点的唤醒时间独立于其他节点，会造成很大的延迟，如RI-MAC［3］和 PA-MAC［4］。同步睡眠机制要求节点的睡眠和活动状态是时间同步的，然而时间同步的开销较大，当节点在同一个时间槽唤醒，容易造成冲突，如S-MAC［5］、RLL-MAC［6］、EP-MAC［7］、DW-MAC［8］、WiseMAC［9］、XMAC［10］协议。可以看出，现有的睡眠调度机制主要是针对无线传感器网络的具体应用进行时延或能耗的改进，并不具有普适性。

本文结合所设计无线传感器具有层次性、节点密度大、传输数据流差异大等特点，为了达到能量消耗和时延均衡提出了一种交错的周期倍增同步休眠调度方案。通过与现有的同步方案和交错同步方案仿真比较，该方案使节点尽量多的处在休眠状态以降低能耗，同时能以解决同步休眠调度带来的时延增大问题。

1 网络模型

无线传感器网络由汇聚节点(Sink)、高级节点(H-Sensor)和普通节点(L-Sensor)组成。节点依据不同的感知任务和地理位置划分为多个簇，每个簇形成一个子组。H-Sensor因为具有较高的存储、计算和传输能力、能量大或者可以补充，所以选定其作为簇首，L-Sensor将监测数据通过H-Sensor传输到Sink。网络有两层:所有H-Sensor构成一个组(HSensor Group，HG)，为骨干层;每个簇构成一个子组(L-Sensor Group，LG)，为基础层。本文的研究重点是基础层中的MAC协议休眠调度方案。

该层次网络在应用中还存在自身的一些特点:①没有基础设施，部署之后自动运行，组织成网络;②节点数量多、密度大、分布随机，拓扑不能事先确定;同时节点不具有移动性，故网络部署后覆盖范围在一段时间内不会发生变化;③两层网络的数据流有不同的特点:基础层网络节点产生的数据分组较小，以周期性数据为主，具有时间相关性;同时通信信号活跃区域可产生大量数据，具有空间相关性。另外，基础层数据有明显的方向性，向簇首及骨干节点汇集，并以流向这两类节点的数据为主。骨干层网络产生的数据分组较大，通讯信号活跃区域网络负载较重，同时数据流不存在向某些节点汇聚的现象。

图1给出了簇结构的分层示意图。

图1 簇结构的分层示意

在簇状结构中，根据到簇首节点的最小跳数对簇内节点进行分层，簇首节点为第0层，距簇首节点k跳的簇成员节点为第k层，一个簇最多有h层。从簇成员节点发往簇首节点的数据称为上行数据，上行数据经历的平均休眠等待时延用ti(i代表第i层)表示。从簇首节点发往簇成员节点的数据称为下行数据，下行数据经历的平均休眠等待时延用si表示。假设数据产生的过程服从泊松过程。

2 问题描述

基础层使用分簇结构来降低网络中数据流的密度，减少跳数过多的数据转发，用轮换簇首的方法平衡能量消耗。基础层的数据具有明显的方向性，但存在两个方向的数据流向。

有固定周期的同步休眠调度在节约节点能量的同时会带来一定的休眠等待时延，而基础层的数据是时延敏感的，如果经过很长时间才到达骨干节点，可能数据已经失去了意义。基础层的MAC协议在节约能量的同时要保证较小的时延，并且对从簇成员节点到簇首节点的数据，以及簇首节点到骨干节点的数据都要保证较小的时延。此时，优化一个方向的数据的时延而牺牲另一个方向的数据时延是不可取的，需要努力同时降低簇状拓扑中上行和下行两个方向的数据时延。

在簇状结构中，数据从簇成员节点向簇首节点汇聚的特点导致处于中间层的节点不仅需要发送自己的数据，还要承担大量的转发任务，而大部分休眠调度中节点的激活/休眠周期都是相同的，容易造成大量的数据在转发节点处累积，加剧了转发过程中竞争的激烈程度，也使数据时延较长。因此，不同层节点的激活/休眠周期应该适应它们不同的接收、发送任务，簇首以及靠近簇首的成员节点由于接收、发送的任务较重，可以增加它们的激活/休眠的频率，使其他节点有更多的接入机会，降低多跳数据转发经历的休眠等待时延，同时这样也可以减轻每次竞争信道时的激烈程度。虽然这样会增加一部分节点的能耗，但由于簇是周期轮转的，节点在不同的时期会处在不同簇内的不同层，能够使得节点间的能耗平衡。出于以上的考虑，提出了一种交错的周期倍增同步休眠调度方案，该方案主要应用在基础层MAC协议。

3 交错的周期倍增同步休眠调度

3.1 休眠调度方案

图2 交错的周期倍增同步休眠调度

3.2 平均休眠等待时延

交错的周期倍增同步休眠调度中的上下行数据经历的平均休眠等待时延是不同的，对上行数据的平均休眠等待时延有式(1)，下行数据的平均休眠等待时延有式(2)。

推导过程如下。

(1)上行数据

图3 交错的周期倍增休眠调度上行数据时延分析

(2)下行数据

图4 交错的周期倍增休眠调度下行数据时延分析

4 仿真实验与分析

将交错的周期倍增同步休眠调度机制应用到无线传感器网络的基础层MAC层协议(GFN-MAC)中，具体仿真分析如下。

4.1 参数配置

利用QualNet5对GFN-MAC进行建模及仿真。在仿真实验中，节点的能耗计算使用TR1000技术手册的参数值，见表1。其中Itx、Irx、Isleep分别代表节点通信模块处在发送、接收和休眠三个状态时的工作电流，U代表通信模块的工作电压，并且通信模块空闲状态时的电流等于接收状态时的电流，即Iidle=Irx。

基础层节点分布密集，平均邻居节点数目大约为10，因此固定的竞争窗口设置为32。通信距离较短，带宽较窄，分别设为40 m和40 kbit/s，其它实验参数设置见表1。

表1 GFN-MAC仿真实验主要参数设置

4.2 仿真实验

(1)实验1

在一个到簇首节点最大5跳的拓扑中(图5)，相邻节点相距40 m。节点6为簇首节点，节点1～5分别在簇中的第1～5层。完全同步和交错同步的节点激活/休眠周期为1 s，GFM-MAC簇首节点的激活/休眠周期为62.5 ms，那么第5层节点的激活/休眠周期为2 s。

图5 GFN-MAC实验一拓扑

对上行数据，依次仿真每层簇成员节点向簇首节点发送1 000个大小为40字节数据分组，对下行数据，依次仿真簇首节点向每层节点发送100个大小为1 000字节分组。

在仿真试验中，簇成员节点从第10 s开始发送数据，数据发送间隔为5.01 s，发送多个分组时可以使数据的发送的时间较均匀的分布在节点的激活/休眠周期中。仿真时间为5 020 s。簇首节点从第10 s开始发送数据，数据发送间隔5.01 s，仿真时间512 s。

对使用完全同步［11］、交错同步［12］和交错的周期倍增同步三种休眠调度方案时数据传输经历的平均休眠等待时延进行比较，仿真结果如图6所示。由于没有冲突重传和排队等待，影响时延的主要因素是等待目的节点激活的休眠等待时延。从图中可以看出，由于下行的数据分组较大，传输时间较大，因此完全同步和交错同步两种休眠调度的下行数据时延没有和上行数据时延重合，而是略大于上行数据的时延。在GFN-MAC中，最外层簇成员节点上行数据的时延能保持在1 s左右，从簇首节点发到第外层成员节点的数据经历的时延大约1.7 s，而交错同步此时的时延已达2.5 s以上，完全同步的调度更是达到了4.5 s。

图6 不同休眠调度时延仿真验证

(2)实验2

实验二是比较负载不同时GFN-MAC与完全同步的、交错同步的休眠调度协议的时延、吞吐量和每字节能耗三个方面的性能。实验拓扑为扇形区域，如图7所示。圆心为簇首节点，簇最外层节点距簇首5跳。

图7 GFN-MAC仿真拓扑结构

所有簇成员节点从第10 s开始同时向簇首节点发送大小40字节的恒定比特速率数据，仿真时间1 000 s。为保证数据到达时间在休眠周期中均匀分布，发送间隔分别为1.01 s和5.01 s。完全同步和交错同步的节点激活/休眠周期为1 s，GFN-MAC簇首节点的周期为62.5 ms和125 ms，此时簇的最外层成员节点的激活/休眠周期为2 s和4 s。实验结果如图8所示。

图8 不同负载下各休眠调度协议的性能比较

从图8可以看出，两种不同休眠调度的GFNMAC在不同的数据发送间隔下，比完全同步和交错同步的休眠调度方案，具有更高的吞吐量，更低的时延和能耗。这是由于GFN-MAC中使用的的休眠调度通过使靠近簇首的节点的更频繁的激活给其他节点更多的接入机会，让数据能够更快的转发。由于减轻了数据在转发节点的堆积，降低了冲突碰撞的概率，减少了因冲突重发带来的能耗，因此GFNMAC的平均每个成功收发字节消耗的能量也小于其他两种休眠调度的。

5 结束语

本文根据基础层数据以周期性短数据为主的特点选择使用同步的休眠调度，使节点尽量多的处在休眠状态以降低能耗。又提出了一种交错的周期倍增的同步休眠调度，以解决同步休眠调度带来的时延增大的问题。最后通过仿真实验，验证了GFNMAC可以保证簇中上下行两个方向的数据都有较低的时延，适合基础层的数据特点，并且由于降低了冲突碰撞和快速转发数据，协议在节能和降低时延的同时拥有较大的吞吐量，能够较好的满足群系统基础层的要求。

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