低占空比无线传感网络非对称链路MAC协议研究*

2017-01-16雷利红宋华华夏静山

通信技术 2016年11期

关键词：接收端传感数据包

徐震，雷利红，宋华华，夏静山

（武汉轻工大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430023）

低占空比无线传感网络非对称链路MAC协议研究*

徐震，雷利红，宋华华，夏静山

（武汉轻工大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430023）

低占空比无线传感网络可以提高网络中节点的生存周期，但却带来一些额外的问题，如较长的等待延时等。低占空比无线传感网络接收端启动的MAC协议，能够很好地实现节能目的。然而，当链路高度不对称时，接收端启动的MAC协议却不尽人意。因此，提出一种新颖的MAC协议（AL-MAC），即在接收端发起协议表现不佳时，自动切换到发送端发起协议，使两种协议都能发挥出自身优点，从而减少由于非对称链路而导致的性能下降。仿真结果表明，相对于A-MAC协议，这种协议能更好地提高数据包成功接收率和降低数据包传输时延。

低占空比；无线传感器网络；非对称链路；MAC协议

0 引言

无线传感网络（WSN：Wireless Sensor Network）由许多具有信息采集功能的节点组成。这些节点体积微小，部署在需要监测的范围内，可以采集需要的信息并发送给汇聚节点。由于无线传感网络使用方便，价格低廉，因此得到了医学界﹑学术界以及军事领域的广泛关注。传感器节点大多数都是依靠电池供电，节点的能量通常有限，如何提高无线传感网络的寿命是一个非常重要的问题。传感器节点通信时需要发送和接收数据，消耗的能量是最多的；而睡眠状态下所消耗的能量是最低的。因此，让节点空闲时进入睡眠状态，可以大大节省节点能量，延长整个网络的寿命。在MAC协议中加入睡眠机制，是一种行之有效的方法。于是，这种情况下，出现了低占空比无线传感网络。无线传感网络MAC协议不仅有发送端发起模

式，还有接收端发起模式。发送端发起的MAC协议如X-MAC[1]和BoX-MAC-1[2]，需要传输先导控制帧；接收端发起的MAC协议如R-MAC[3]和A-MAC[4]。每当接收端从睡眠状态被唤醒时，会广播探测帧，但传输数据的发送端需处于侦听状态并等待，直到收到探测帧。可见，接收端发起的优势是不需要发送先导控制帧。

在对无线传感网络的研究与探索中，很多实验结果与理论分析表明：非对称链路是普遍存在的。一般情况下，节点的使用率不同，节点电池所消耗的能量也会有所不同。节点通信所覆盖的范围也会受到环境的影响。当节点所处的环境出现差异时，会导致覆盖范围不对称（链路不对称），从而影响数据的传输时延和成功接收率。接收端发起的MAC协议的性能受到非对称链路的影响，因为发送端需要收到来自接收端的探测帧，只有接收到该探测帧，发送端才开始数据传输。由于链路是不对称的，可能会引起两个潜在的问题发生：（1）当探测帧未能传输给发送端时，接收探测帧的发送端必须保持侦听状态等待下一个探测帧，这个过程会增加网络延时和能量消耗；（2）由于下行链路质量较差，发送端不会发送数据。

本文针对存在非对称链路的低占空比无线传感网络，提出了一种新的非对称链路MAC协议——AL-MAC协议。该协议综合了接收端发起模式和发送端发起模式两种MAC协议的优点，能够根据链路的不对称性，使节点在发射端发起和接收端发起之间进行动态切换。

1 相关研究

在低占空比无线传感网络中，占空比机制主要分为同步占空比和异步占空比。在同步占空比情况下，邻居节点之间有相同的时间调度，可以在工作和睡眠上实现同步。而在异步占空比情况下，节点有自己的占空比，并且能够独立分配自己的工作时隙。因为同步占空比需要时间完全同步，而实现这一目标具有难度，所以异步占空比使用较为广泛。目前，提出了异步占空比无线传感器网络的各种协议。例如，在S-MAC[5]协议中，侦听和睡眠的周期都是固定的。在此机制中，时间被分为多帧，每帧都包含活动状态和睡眠状态。在活动状态，节点能够传输数据分组，跟邻居节点通信交互信息。而在睡眠状态，节点为降低能量损耗，从而关闭发射接收模块。当节点处于睡眠状态而需要处理数据时，会缓存数据直到活动状态时再处理。在此调度机制下，减少了空闲监听，实现了降低能量损耗的目标。L-MAC[6]协议采用调度机制，将节点一个周期的时间划分为发送时间﹑睡眠时间和接收时间。其中，接收时间与发送时间是相同的，下一层节点的发送时间能够与上一层节点的接收时间相对应，这样数据就能够顺利从数据源节点传送到汇聚节点，并且降低了数据在网络传输中的时延。

最近，MAC协议研究的方向主要有发送端发起机制和接收端发起机制。发送端发起的MAC协议如X-MAC，需要传输先导控制帧，从而产生了能量浪费；另一方面，接收端发起的MAC协议如R-MAC和A-MAC，每当从睡眠状态醒来时，接收端会广播一个探测帧，但传输数据的发送端需处于侦听状态并等待，直到探测帧被接收；在发送端没有接收到探测帧时，不能进行数据传输。与发送端发起的MAC协议相比，这种MAC协议方式避免了发送先导控制帧的能量消耗。然而，根据之后的显示，接收端发起的MAC协议在非对称链路网络中的表现效果并不好。当发送端等待超时无法接收探测帧或者探测帧由于链路的不对称而无法传输时，接收探测帧的一端必须一直处于侦听状态，直到探测帧到达并被接收，这样就会导致能源浪费和延时增加。在高度非对称链路中，探测帧容易被丢弃，降低了数据包成功接收率。

2 AL-MAC协议

2.1 AL-MAC协议设计

为设计一种低占空比MAC协议，使无线传感网络在链路高度不对称的情况下也能很好工作，本文提出了一种新颖的协议——AL-MAC协议。该协议综合发送端发起模式和接收端发起模式的优点，以接收端启动的MAC协议为基础，减少先导控制帧的发送次数，同时把发送端发起模式的设计思想整合到接收端发起模式的MAC协议里，以解决非对称链路问题。

AL-MAC协议有两种操作模式：接收端模式及发送端模式。接收端模式为默认模式，此时协议使用接收端发起的MAC协议。当发送端在一个探测周期内无法从接收端接收到探测帧时，就会切换到发送端模式。在发送端模式下，发送端发出一系列小的先导控制帧去通知数据的接收端，接收端一旦接收到先导控制帧中传输数据的消息，就会开始数据传输。

如果发送端超时收不到探测帧，将从接收模式切换到发送端发起模式，接收端也需要切换到发送端发起模式。因此，接收端发送的探测帧之间要留出一个时间间隔。在这个时间间隔内，接收端根据收到的先导控制帧中的消息，切换其工作模式为发送端发起模式。这样，双方就同时处在发送端发起模式下，从而顺利地进行数据传输了，如图1所示。

图1 AL-MAC协议操作

2.2 AL-MAC算法分析

当一个节点收到源节点（发送端）发来的消息后，接收消息的节点会从睡眠状态醒来并广播探测帧。此时，会出现两种情况：（1）接收消息的节点发出的探测帧被源节点接收，数据就会成功由源节点到达接收消息的节点；（2）探测帧没有被源节点接收，源节点需一直处于等待状态；当等待时间超过一个探测帧的发送周期，此时MAC协议由接收端启动切换为发送端启动模式；源节点给接收消息的节点发送先导控制帧，但是发送的先导控制帧可能会与探测帧之间存在碰撞；当两者发生碰撞时，源节点需要在第二个时间间隔期间发送先导控制帧，以确保数据的准确传输，如图2所示。

图2 探测帧与先导控制帧之间的碰撞

3 性能评价及仿真结果

为了评价AL-MAC协议的性能，通过网络仿真平台对AL-MAC以及A-MAC进行了性能比较。仿真平台采用2.30版的NS2。仿真实验中共布置7个节点，其中1个节点为发送节点，其余6个节点为接收接收分布在发送节点一跳范围内的节点。发送节点每隔1 s发送一个15 Bytes的数据包到接收节点，发送1 000个数据包。

对于AL-MAC协议，主要从数据包传输时延和数据包成功接收率两个方面来评估其性能。

3.1 数据包传输时延

图3显示了两种MAC协议的单个数据包的传输时延随着非对称性变化的曲线。由仿真结果可知，传输时延随着不对称性程度的增加而增大。这主要是因为当非对称性很高时，发送端接收不到探测包的可能性就会增加。当发送端收不到探测帧时，它就会等待下一个探测帧，从而增加数据包的传输时延。AL-MAC协议的传输时延不会超过1 s，因为当连续两次未能收到探测包时，将自动切换为发送端发起模式。例如，当链路非对称性为70%时，A-MAC协议的数据包传输时延为1 100 ms，而AL-MAC协议的数据包传输时延为520 ms。可见，AL-MAC协议能够降低数据包的传输时延。

图3 非对称性和数据包传输时延

3.2 数据包成功接收率（PRR）

在本次仿真实验中，接收端每隔500 ms发送一个探测帧。从图4（a）的仿真实验结果可以看出，当不对称性较低时，两种协议都能产生好的效果。然而，当不对称性较高时，两种协议的数据包成功接收率都会随着不对称的增加而减小。这主要是因为发送端每隔1 s发送数据包，而接收端发送探测帧的间隔为500 ms，导致发送端可能在两次连续的时间内有一个探测帧收不到，进而致使发送端的数据包被丢弃，减少数据包被成功接收的次数。当不对称性很高时，发送端在连续时间内错过探测帧的可能性就会增加。AL-MAC协议如果在1 s内检测不到探测帧，会自动切换到发送端模式，且直接通过下行链路发送数据。实验表明，AL-MAC的数据包接收成功率高于A-MAC。如果把接收端发送探测帧的频率调整为1 s，图4（b）仿真结果显示，在不对称性增加的情况下，两种协议的数据包成功接收率都会降低。AL-MAC在第一次丢弃探测帧后，由于超时时限为1 s，发送端不会再等待第二次探测帧，而是切换到发送端发起模式。因此，ALMAC的数据包接收率成功仍然明显高于A-MAC。

图4 非对称性和数据包成功接收率

4 结语

本文对于低占空比无线传感网络存在非对称链路问题提出了一种AL-MAC协议。该协议能够在接收端发起模式和发送端发起模式间动态切换，综合了两种协议的优点，减少了因链路不对称造成的数据包传输时延，提高了数据包成功接收率。仿真结果表明，该协议比A-MAC协议更适用于存在非对称链路的无线传感网络。

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YANG Hao,YI Ping.X-MAC:A New MAC Protocol for W ireless Sensor Network[J].Communications Technology,2013,46(04):34-36.

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LI Hui,GUO Chang-shun.Study and Imp rovement of MAC Protocol for W ireless Sensor Network[J]. Communications Technology,2011,44(09):108-110.

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[5] 胡玉鹏,林亚平.面向异步通信机制的无线传感网络及其MAC协议研究[J].计算机学报,2011,34(08):1163-1477.

HU Yu-peng,LIN Ya-ping.Asynchronous Communication Mechanism Oriented Wireless Sensor Networks and MAC Protocol[J].Journal of Computers,2011,34(08):1163-1477.

[6] 赛强,龚正虎.无线传感网络MAC协议研究进展[J].软件学报,2008,19(02):389-403.

SAI Qiang,GONG Zheng-hu.Overview of MAC Protocols in Wireless Sensor Networks[J].Journal of Software,2008, 19(02):389-403.

[7] Myounggyu Won,Taejoon Park.Asym-MAC:A MAC Protocol for Low-power Duty-cycled Wireless Sensor Networks with Asymmetric Links[J].IEEE Communications Letters,2014,18(05):809-812.

Asymmetric Links MAC Protocol for Low-Duty-Cycled W ireless Sensor Networks

XU Zhen, LEI Li-hong, SONG Hua-hua, XIA Jing-shan

(School of Electrical and Electronic engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan Hubei 430023, China)

Low-duty-cycle wireless sensor networks can prolong life time of the node in the network, but also brings some extra problems, such as long waiting delay. Recently-proposed low duty-cycled receiver-initiated MAC protocols could well realize the purpose of energy saving, and however, these protocols would perform poorly when highly asymmetric links occur. A hybrid MAC protocol called AL-MAC and incorporating the advantages of both receiver-initiated and sender- initiated MAC protocols is proposed. The protocol would switch to sender-initiated MAC protocols when receiver-initiated MAC protocols perform poorly due to asymmetric links. Experimental results indicate that the proposed AL-MAC protocol could fairly increase packet reception ratio and reduce packet transmission delay as compared with A-MAC protocol.

low-duty cycle; wireless sensor network; asymmetric link; MAC protocol