传感器网络中异步广播MAC协议的研究

颜 光

（南京审计大学金审学院，江苏 南京 210023）

传感器网络中异步广播MAC协议的研究

颜 光

（南京审计大学金审学院，江苏 南京 210023）

文章在论述节点休眠调度算法中加入了能量感知，这样做主要是控制剩余能量值低的节点的唤醒次数，使其尽可能地处于休眠状态以节省能量。不过这样可能会增加网络的延迟，但是换来的是网络中的节点均匀地消耗能量，从网络的整体来说，可以增加其工作时间。

异步MAC；广播；能量感知；负载均衡

1 WSN的MAC协议

MAC协议是在网络协议的底层，会影响WSN的性能，MAC协议对WSN的高效率通信具备一定的保障作用。

WSN节点的存储、能量以及通信带宽等资源是有限的，单个节点的功能较弱，而WSN众多节点的协作使其具有强大的功能。在局部范围多点通信的无线信道分配是需要MAC协议来为其协调的，在全体网络范围内需要路由协议去选择通信路径。

2 建模和问题描述

2.1 网络模型

无线传感器网络中的节点主要包括两种，即工作状态和休眠状态。WSN的节点在工作状态时，一方面提供基本的感知功能，另一方面还需数据发送、接收等通信功能，在不发送数据时，节点处于空闲侦听；如果节点休眠，那么其会关闭所有功能，但定时功能除外。

假设以ΓA表示WSN节点i工作调度表的一个周期，即整个网络为有限的工作状态和休眠状态共同构成的集合，用T来表示WSN节点在周期内所需的时间。所以至于节点i，其第j次的工作状态可以用结构（来表示，其中表示节点i第j次处于工作状态的开始时间; τ表示第j次的工作状态需要的时间，即时隙个数，节点是工作状态还是休眠状态，时隙大小固定。其节点i 的一个周期工作调度表的公式为：

节点占空比（Duty Cycle，DC）是指传感器节点所有处于工作状态所持续时间之和与节点从开始到失效所持续时间的比值.如果节点是周期性的，那么WSN节点的占空比可表示为周期内工作状态的时间去除以总时间。

表1说明了节点i的一个周期。表中灰色填充的部分代表WSN节点是工作状态，白色部分则说明节点处于休眠状态，每个方框代表一个时隙。这样就可以计算出WSN节点i在每个工作周期内的工作调度表：ΓA={（4，1），（5，1），（8，1），（10，1）}。

表1 节点i的工作调度表

WSN网络可以通过一个有向连通图G（V，E）表示。每个节点通过一个传输范围Rt（v）和一个接收范围Rh（v）。在本文中对此作了简化处理，即所有的节点分别具有相同的传输范围和相同的接收范围。另外一方面，在节点v的传输中，所以在传输范围内的节点可以以大概率正确解码。

在离散数学中，连接图由连接矩阵表示。根据节点vn和vm是否直接连接，有向连接图的矩阵的元素（m，n）规定为1或者0。在本文中，所有的结点周期性的向汇聚节点S汇报数据。单位时间内由节点v发送的平均数据包数由D（v）表示。

2.2 存在问题

对于能量不平均现象，因为目前针对WSN的研究多集中于最小功耗问题，单个节点的性能是需要更多关注的，类似能否找出一种让单个节点耗能少的方法。但事实上人们并没有更多地去关注能耗均衡的问题以及这个问题是否会影响网络的寿命。假如某个网络的寿命是其中某一个节点死亡的时间，那对路由协议的要求则是其应该能够保持整个网络中的节点消耗能量平均，这样来控制所有节点在差不多的时间死亡。但是大部分的机制都是：针对某个节点收发数据包来节省能量，尽量少重传，信息的发送都是考虑质量较好的节点，导致每次广播包的发送会分配到固定的节点，这样就会使整个节点快速死亡，严重的是影响整个网络。

3 能量感知路由算法分析

3.1 算法的前提

该算法方案是需具备某些条件的，如下所述：

（1）网络中节点的工作调度表应符合周期特性。（2）节点在部署前随机选择其工作调度表，在节点之间进行邻居发现后会共享其工作调度表。节点在更新其工作调度表之前会通知所有邻居节点，在确定其所有邻居节点都知道新的工作调度表后，该节点会在下一次苏醒时启动新的工作调度表。

（3）WSN节点间的链路质量能维持不变。（4）WSN中节点应该是时钟同步的，这里使用FTSP协议确保同步。（5）至于冲突的问题不去考虑。

在所有节点都一直处于工作状态的网络中，邻居节点之间可以随时发送或接收信息.这时，节点之间数据传输延迟一般都是毫秒级别，可以忽略。但是在LDC-WSN中，发送节点必须要等到其邻居节点处于工作状态才能向其发送数据，而这个需要等待的时间可能是几秒甚至几十秒。

在该文章中，要定义一个概念，休眠延迟，即将发送节点收到准备传输给其邻居节点的数据信息到邻居节点苏醒处于工作状态所持续的时间。LDC-WSN中，休眠延迟会较大。所以，通信延迟应忽略，端到端通信我们只去关注休眠延迟。

3.2 算法设计

在现实无线传感器网络中，因为节点许多因素的影响，比如节点初始能量值不同等，这都会影响节点的剩余能量，所以再继续去使用该节点的话，就会出现因能耗不足而死亡，如果类似节点数量增多那肯定就影响了整个网络性能。针对上文所述问题考虑，改进了某些缺点，增加了能量感知，这样做主要是控制剩余能量值低的节点的唤醒次数，使其尽可能地处于休眠状态以节省能量。不过这样可能会增加网络的延迟，但是换来的是网络中的节点均匀地消耗能量，从网络的整体来说，可以增加其工作时间。

本文改进了能量感知路由算法。该算法相较于之前的算法最大的改进在于，它没有选择单条最优的路径，而是记录一组“良好”的路径，然后基于概率的方式选择其中一条。根据仿真结果显示，当通信不再选择单一的路径，而是选择多跳路径，单一的节点不会遭遇能量耗竭，从而延长了网络的平均寿命。

能量感知路由协议是一种接受者发起的协议，数据的使用者，也就是接收端发起路由请求，并且持续维护路由表。

算法如下：

建立阶段：通过局部泛洪来获取从源节点到汇聚节点的路由信息和能量消耗信息。以此建立路由表。

数据传输阶段：根据从建立阶段获得的信息来进行数据从源节点向汇聚节点传输。路径根据前面计算的能量消耗进行基于概率的选择。

路由维护：通过不频繁的局部泛洪机制保持局部路由信息的更新。

3.2.1 建立阶段

（1）目的节点通过泛洪网络向源节点的方向发起连接，同时在发送请求之前将“Cost”域置零。

（2）接收到请求的节点计算发送节点到接收节点的传输能耗，然后把该值加到路径的总能耗。所以如果有请求从节点Ni发送到Nj，节点Nj会按照以下公式计算路径功耗：

3.2.2 数据传输阶段

（1）源节点按照路由表中存储的路由概率选择接收邻节点。

（2）每个中间节点按照路由表中存储的路由概率选择接下一个收邻节点。

（3）重复步骤2知道数据包到达汇聚节点。

4 结语

通过研究分析节点休眠调度算法，改进了某些缺点，增加了能量感知，这样做主要是控制剩余能量值低的节点的唤醒次数，使其尽可能地处于休眠状态以节省能量。不过这样可能会增加网络的延迟，但是换来的是网络中的节点均匀地消耗能量，从网络的整体来说，可以增加其工作时间。

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[5]张强，付敬奇.无线传感器网络通信协议能耗分析[C].北京：中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集，2007.

Research on asynchronous broadcast MAC protocol in w ireless sensor networks

Yan Guang
（Jinshen College, Nanjing Audit University, Nanjing 210023, China）

This paper has added the energy perception to the node scheduling algorithm w ith energy aware, which is mainly used to control the wake times of the node w ith low residual energy value, making it in a dormant state to save energy as much as possible. This may delay the network although it can make the nodes consume energy evenly in the network and increase its working time from the overall network.

asynchronous MAC; broadcasting; energy perception; load balance

颜光（1982— ），男，江苏宿迁。