一种M2M网络中的能量有效媒体访问控制协议

徐 昶，王 聪，刘灵雅，李 宁

(解放军理工大学 通信工程学院，南京 210007)



一种M2M网络中的能量有效媒体访问控制协议

徐 昶，王 聪，刘灵雅，李 宁

(解放军理工大学 通信工程学院，南京 210007)

为了减小M2M网络中MAC(媒体访问控制)层接入冲突，提高数据传输效率和节点能量利用效率，提出了一种新的混合分组协议HG-MAC(Hybrid and Grouping MAC);HG-MAC混合利用基于调度与基于竞争的两种接入方式；对节点进行分组分层管理，减少冲突和提供QoS保障；采用休眠机制提高能量利用效率；引入动态调整机制和可变帧长度提高协议灵活性;通过建立二维马尔可夫链，对竞争时长与数据传输速率之间的关系进行了理论分析;利用OPNET仿真工具，将HG-MAC与CSMA/CA和TDMA的性能进行了仿真比较;结果表明HG-MAC在数据传输速率、能量效率和信道利用率上具有一定的优势。

媒体访问控制；能量有效；M2M网络；休眠机制

0 引言

M2M(machine-to-machine)通信是指机器在没有人干预的情况下自动的进行通信。它在战场信息监控、车联网、工农业控制等领域发展迅速，并且已经成为优先解决方案。像所有的共享信道网络一样，媒体访问控制(medium access control，MAC)是网络正常运行的基础[1]。M2M网络与传统网络有很大区别，所以针对M2M网络的具体场景设计新的MAC层协议十分必要。为了设计适合M2M网络的MAC协议，需要考虑以下三个方面。第一是能量有效性。绝大部分是M2M网络是由电池供电的设备组成，这些设备一旦部署后很难更换电池或者对其充电。实际上，在大多数M2M网络应用中设备都是一次性的。能量消耗最主要的部分是无线通信，而这一部分同MAC层关系很大。第二是冲突问题。在M2M网络中，节点数目巨大，存在大量的并发接入请求，这些都会导致网络冲突加剧。冲突会导致能量的浪费和发送失败等问题，减少冲突能全方位提高网络性能。第三是灵活性问题。M2M网络中节点的数量和负载随时间不断变化，这对MAC层协议的灵活性提出更高的要求。考虑到以上3个方面，本文提出了一种新的混合协议——HG-MAC。HG-MAC混合了基于竞争和基于调度的两种接入方式，通过分层和分组来减少冲突，通过设计休眠机制提高能量效率，为了提高灵活性引入了动态调整机制。本文结构安排如下：第一节介绍关于MAC协议的相关研究工作，第二节描述了系统模型和假设，第三节描述了HG-MAC的设计，第四节分析了数据传输速度与COP时长的关系并提出了动态调整机制，第五节进行仿真分析，最后在第六节给出总结。

1 相关工作

M2M网络中的MAC协议，现在还没有一个统一的分类。一般意义上，MAC协议可以按照接入方式分为3类：基于竞争类型、基于调度类型和有限竞争类型。也可以按照同步要求分为：异步型、局部同步型和全局同步型[2]。基于竞争型的协议允许节点自由竞争信道使用权，不需要节点时钟同步，是一种异步协议。基于竞争型协议具有灵活性、健壮性和低开销的优点，但是当网络节点数目较多和负载较重的情况下，大量冲突会使网络性能急剧恶化。典型的基于竞争协议为CSMA/CA。有限竞争协议对节点进行划分或者对时间分片，允许部分节点在同一时间竞争信道，有限竞争协议一般也是局部同步协议。基于调度型协议，每个设备按照实现约定的顺序交换数据，所有节点都要保持严格的时间同步，所以一般也是全局同步协议。由于基于调度协议中不会发生冲突，所以在重负载情况下表现很好，但是由于要求同步，所以设备节点的成本和网络开销都大幅增加，同时网络灵活性也比较差[3]。除了按照以上两种一般化方法分类，也可以将MAC协议按照通信发起方来划分为：发送方初始化通信型和接收方初始化通信型[4]。典型的发送方初始化通信协议如CSMA，接受方初始化通信协议为A-MAC[5]，RI-MAC[6]和RC-MAC[7]。

下面对几个具体MAC协议进行介绍。RMAC[8]中，一个发送周期分为三个部分：SYNC，DATA和SLEEP。SYNC阶段发送的先锋帧通知在传输路径上的节点其苏醒与睡眠的顺序并充当RTS帧避免空闲侦听与隐藏站。在DATA阶段，数据帧被发送。在SLEEP阶段，节点进入睡眠。TreeMAC[9]中，网络拓扑为树状，时间被分为一个个包含三个时隙的时间帧。在树状拓扑中同一深度的节点被分配到不同的时间帧中，被分配到同一帧中的节点，按照(L-1) mod 3的计算公式分配三个时隙，其中L为节点深度。通过此种划分，可以避免冲突并且让数据在树状拓扑中形成连续接力传输的效果。Z-MAC[10]混合了CSMA与TDMA协议来提高信道利用率。协议为每个节点固定分配时隙用以传输数据，节点可以以CSMA方式竞争没有被利用的时隙。

M2M网络与业务高度相关，不同MAC协议关注的网络特性、优化的性能指标和采取的技术手段各不相同，协议栈各层交互处理的范围和程度也不尽相同。M2M网络MAC协议的发展趋势并没有呈现收敛性，不存在通用MAC协议。在设计MAC层协议的时候，需要根据具体业务对不同性能进行取舍和折衷。

2 系统模型与假设

本文场景为M2M网络中的数据汇集业务。如图1所示，整个网络有一个中心节点(center node, CN)和N个数据节点(data node, DN)。网络由CN控制，所有DN收集数据并只需一跳发送给CN，发送的数据包大小均相同。DN被分为两层，在高优先级层内的节点可以在任何一个帧内竞争发送机会。普通优先级的节点被分为不同组，节点以组为单位在特定的帧中竞争发送机会。

图1 网络结构图

3 HG-MAC协议设计

HG-MAC的发送过程由一个个帧组成，每个帧分为以下四个部分：通知信标帧期(notion beacon period, NBP)、竞争期(contention only period, COP)、传输信标帧期(transmission beacon period, TBP)和传输期(contention free period, CFP)，帧结构如图2所示，下面给出各部分的具体描述。

图2 帧结构示意图

3.1 通知信标帧期

CN向所有DN广播信标帧，宣告一个帧的开始。信标帧包含COP阶段的时长和允许竞争发送机会的组号，没有被允许竞争的节点进入休眠状态，休眠时间为COP阶段的时长。

3.2 竞争期

允许竞争的DN以CSMA/CA的方式竞争发送机会。DN向CN发送请求帧， CN成功收到后就会向此DN发送应答帧，应答帧包含了DN在CFP阶段的发送顺序。当DN成功竞争到发送机会后进入休眠状态直到COP阶段结束。HG-MAC中节点被分层，高优先级层的节点可以再任意帧的COP阶段竞争发送机会。

3.3 传输信标帧期

在此阶段中，所有节点均苏醒来接受传输信标帧。信标帧包含CFP阶段的时长，时长可由CN维持的计数器计算可得。

3.4 传输期

竞争到发送机会的节点以TDMA的方式发送数据，数据帧中包含了节点当前发送队列中的待发送数据包的数量，此信息被用于中心节点调整COP阶段时长。节点在发送完成后进入休眠，其余节点在整个传输期均休眠，所有节点均在传输期结束后醒来，以接受通知信标帧，开始下一个帧。

4 COP时长与数据发送速率的关系

节点在COP阶段以CSMA/CA方式竞争发送机会。节点需要发送的数据越多，节点竞争概率也就越大，也就越容易发生冲突。COP阶段时长越长，发生冲突的概率就越小。我们假设在一个时隙内发生冲突的概率p同待发送数据数量成正比，同COP时长成反比，如下式所示：

(1)

其中：A为待发送数据数量，TCOP为COP阶段时长，K为比例系数。msuc为COP阶段成功竞争到发送机会的节点数量，D为节点发送数据的大小，TCOP为COP阶段时长，Ttra表示发送一个数据所需时间，Tbea表示发送所有信标帧所需时间，可得数据传输速率P如下式所示：

(2)

COP阶段，节点在竞争发送机会时遵循指数退避原则，令W为最小退避时间，Wi表示发生i次冲突后的第i次退避时间，Wi=2iW，i的取值范围为0到m，m最大退避阶数。b(t)为离散时间的随机过程，表示节点在时隙t时的退避时间长度， b(t)=2iW，i∈[0,m]。s(t)表示时隙t时退避的阶数，s(t)=i，i∈[0,m]。令二维随机过程{s(t),b(t)}表示COP阶段的退避过程，其一步转移概率公式如式(3)所示：

(3)

(4)

ptr为任意时隙内至少一个节点试图发送数据的概率，n为节点的数量，可得

(5)

ps为任意时隙内节点成功传送的概率，可得

(6)

COP阶段中节点竞争发送机会是采用的是ASK/ACK模式，节点成功竞争发送机会所需的时间TS如式(7)所示：

TS=DIFS+ASK+SIFS+ACK+2δ

(7)

式(7)中，DIFS和 SIFS是CSMA/CA中的两种帧间距，ASK和ACK分别是节点发送请求和中心节点发送回复所需时间，δ为数据传输时延。

同理COP阶段一次冲突发生所需时间TC如下式所示：

(8)

通过以上公式可得成功竞争到发送机会节点的数量msuc如式(9)所示：

(9)

其中σ为COP中一个时隙的长度。求得msuc后，就可以得到HG-MAC的数据传输速率表达公式。

由以上数学推导可知COP时长与负载情况同数据传输速率有着密切关系，根据网络负载情况来调整COP阶段时长可以进一步提高数据传输速率。我们在HG-MAC中设计了COP时长动态调整机制。数据帧中保存节点发送数据前的MAC层发送队列长度。每一轮结束后，CN根据成功发送数据节点的数量和节点平均队列长度的变化来调整下一轮中的COP长度。调整机制分为以下5种情况：(1)节点发送队列长度与成功发送节点数量均增大，这种情况说明本组负载正在增大，但是冲突程度还较低，中心节点在下一轮中小幅度增加COP时长。(2)节点发送队列长度减小，成功发送节点数量增大，这种情况说明本组的负载正在降低，中心节点在下一轮中小幅度减小COP时长。(3)节点发送队列长度增加，成功发送节点数量减小。这种情况说明本组负载正在变大，同时冲突也在加剧，中心节点在下一轮中大幅度增加COP时长。(4)加点发送队列长度和成功发送节点数量均减小。这种情况说明本组负载水平较低，中心节点在下一轮中大幅度减小COP时长。(5)成功发送节点的数量为零，中心节点在下一轮中小幅度减小COP时长。为了防止COP时长的剧烈波动，COP时长变化范围存在上界和下界。

5 实验与仿真

本文采用OPNET软件进行网络仿真，在数据传输速率、信道利用率和能量效率三个方面同固定COP时长的HG-MAC、CSMA/CA协议和TDMA协议进行对比， HG-MAC的初始COP时长为0.002秒，固定COP时长的HG-MAC中COP时长也为0.002秒。仿真拓扑为星形拓扑，一个中心节点负责数据传输，300个数据节点负责数据采集工作。仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

5.1 数据传输速率

数据传输速率定义为中心节点收到有用数据的速率。本文用在一个固定时间间隔内一个节点试图接入信道的平均尝试次数表示不同的负载，时间间隔为产生间隔。尝试次数越多网络的负载就越重，产生间隔越短负载越重。图3和图4为在产生间隔为0.004秒和0.2秒两种情况下的仿真结果图，其中横坐标为尝试次数，纵坐标为数据传输速率。如图3所示，产生间隔为0.004秒时，由于网络负载非常大，TDMA的表现最好，CSMA/CA由于冲突表现最差，HG-MAC表现在前两者之间且COP时长可动态调整的要比固定COP时长的表现要好。如图4所示，当产生间隔为0.2秒时，HG-MAC表现比固定COP时长的HG-MAC、TDMA和CSMA/CA均好。CSMA/CA由于冲突的加剧，数据传输速率先上升，后在横坐标1.7之后开始下降。

图3 在重负载情况下的数据传输速率对比图

图4 在中等负载情况下的数据传输速率对比图

5.2 能量效率

能量效率为中心节点完成固定数据收集任务所消耗的能量的倒数，为了方便比较我们对其数值进行了标准化。在M2M网络通信过程中，无线发送、无线接收、空闲侦听和休眠所耗能量比为15:13:13:1[10]。

图5为产生间隔为0.2秒情况下的能量效率仿真结果，图中横坐标为尝试次数，纵坐标为能量效率。因为HG-MAC中的休眠机制，能量效率随负载变化波动不大，在不同负载情况下的能量效率均优于固定COP时长的HG-MAC、TDMA和CDMA/CA。

图5 能量效率对比图

5.3 信道利用率

图6为产生间隔为0.2秒情况下的信道利用率仿真结果，其中横坐标为尝试次数，纵坐标为信道利用率。从图中可以看出，HG-MAC的比固定COP时长的HG-MAC、TDMA与CSMA/CA均要高。

图6 信道利用率对比图

6 结论

本文提出了一种新的HG-MAC协议，该协议可以应用在以数据传输业务为主的M2M网络中。在HG-MAC中，基于竞争的协议和基于调度的协议被组合在一起。时间帧被分为NBP、COP、TBP和CFP四个阶段，数据节点在COP阶段竞争发送机会，在CFP阶段进行数据传输。分组机制被引入HG-MAC以减少冲突。数据节点被分为不同优先级，高优先级节点有更多竞争机会以提供QoS保障。为了提高能量效率，HG-MAC中设计了休眠机制。对COP时长与数据传输速率的关系进行了理论分析，并提出了一种COP动态调整机制。仿真结果表明HG-MAC在数据传输速率、能量效率和信道利用率上都优于CSMA/CA和TDMA。

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A Energy-Efficient MAC Protocol for M2M Network

Xu Chang, Wang Cong, Liu Lingya, Li Ning

(Institute of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007，China)

To decrease collision in MAC layer and improve energy efficiency in M2M network, a Hybrid and Grouping MAC (HG-MAC) is proposed. Through consisting of contention-based protocol and schedule-based protocol, dormancy mechanism is used to save energy. Devices are grouped and graded to reduce collision and offer QoS guarantee. To improve flexibility, dynamic adjustment is used. To research the influence of COP duration on HG-MAC, two dimensions Markov chain is used to analyze the relationship of data transmission rate and COP duration. Through the simulation used OPNET, HG-MAC is contrasted with CSMA/CA and TDMA. The simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed HG-MAC protocol. The simulation results demonstrate the HG-MAC protocol is better than others in data transmission rate, energy efficiency and utility.

medium access control (MAC); energy efficiency; machine-to-Machine network; dormancy mechanism

2015-12-23；

2016-01-25。

国家自然科学基金(61371123)。

徐 昶(1990-)，男，黑龙江绥化人，硕士研究生，主要从事计算机网络方向的研究。

1671-4598(2016)03-0277-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.076

TP393

A