分簇无线传感器网络动态时隙分配MAC协议

周 伟

(上海市信息网络有限公司，上海 200081)

分簇无线传感器网络动态时隙分配MAC协议

周 伟

(上海市信息网络有限公司，上海 200081)

为降低大规模无线传感器网络的平均能耗，提出了一种基于动态分配的调度型无线传感器网络MAC协议(SDC-MAC)。该协议簇间使用FDMA方式分配无线信道，簇内通过TDMA方式给各个节点分配可变长的时隙。随着簇结构的变化，簇头通过时隙分配通知，对簇内节点的时隙分配进行动态调整，簇成员节点则根据控制信息进行休眠和唤醒。仿真结果显示，该算法有效地降低了网络的平均能耗，当网络流量高时还可降低平均数据包时延。

无线传感器网络；MAC协议；分簇；时隙

随着大规模无线传感器网络的应用范围越来越广[1-2]，网络通信的复杂程度也日益加剧，采用分层结构[3]可有效解决无线传感器网络拓扑结构的复杂化，以及网络局部能量消耗过大的关键性问题。然而，传统的MAC协议在用于具有分簇结构的大规模无线传感器网络时，会体现出一定的局限性。

对于S-MAC[4]、T-MAC[5]等基于竞争的MAC协议[6]，它们的主要特点是当传感器节点需要发送数据时，需通过竞争来获取信道使用权。在网络中数据流量较小的情况下，这种模式可避免信道闲置，从而提升信道利用率。但在应用于分簇型无线传感器网络[7]时，面对较大的网络规模和较多的网络数据流量，此时竞争中的冲突会频繁出现，从而加剧了网络的拥塞程度。对于TRAMA[8]、DMAC[9]、PEDAMACS[10]等基于调度的MAC协议，它们能够有效地避免信道中的冲突。但是在用于具有复杂簇结构的大型网络时，较高的同步和控制要求则难免会降低协议的使用效率。Z-MAC[11]是混合型MAC协议的代表，它在不同的竞争情况下分别采用TDMA和CDMA等方式，美中不足的是，当网络竞争状态变化较大的时候，TDMA和CDMA的频繁变换和同步，易导致系统效率的随之降低。

本文提出一种基于调度的分簇无线传感器网络MAC协议(SDC-MAC)，它在簇间使用FDMA，在簇内使用TDMA，并采用动态时隙分配等措施以实现对网络性能的有效提升。

1 簇结构的建立

无线传感器网络常用的簇结构为单一汇聚节点控制的方式，并在簇内采用单跳的基本结构[12]。网络的汇聚节点具有较高的处理能力，同时具备可持续的能量接续能力，因此在整个无线传感器网络中能够承担起中心控制的角色。这种网络拓扑结构就类似于典型的LEACH协议[13]所适用的网络情况。

在网络的初始阶段，通过汇聚节点的控制，所有传感器节点按照特定的分簇算法[14]形成稳定的簇结构，并在每个簇内建立起一个簇头和多个簇成员节点的组合。

在簇建立阶段，每个节点都保存一张频率表，表中包含了可选的频率。当节点i当选为簇头以后，它会在频率表中随机选择频率fx，并在公共频率中发出簇头公告N(fx,i) 。如果发生这样一种情况，节点i收到其它簇的簇头j所发出的公告N(fy,j)，则它会将频率表中的fy标记为已使用。另一种情况，当节点i收到其它簇发出的簇头公告，发现对方使用的频率fx与本簇的频率相同，则会根据节点号进行优先级判断，其中优先级低的节点必须重新选择空闲频率并再度发出公告。当簇的结构建立完成以后，且完成了频率选择和公告，随后需要进行的工作则为簇内的时隙分配和调度。

2 簇内可变长时隙分配及调度

2.1 初始状态时隙分配

本协议在簇内采用TDMA方式，由簇头承担起时隙的分配和调度任务。在簇结构建立的初始阶段，簇头根据簇成员情况，按照等长时隙的规则分配时隙，并广播时隙分配表，同时簇内各节点完成时间的同步。

图1 初始状态时隙分配

传感器节点收到时隙分配表以后，会根据时隙分配表的安排，按需进行数据发送。如果节点暂时没有数据需要发送，那么其无线模块则始终保持休眠。当节点采集到信息后而需要发送数据时，则在它所分配的时隙中进行数据发送准备，并将无线模块唤醒。

在所分配时隙的开始，传感器节点先发送一个“开始发送”的控制信息，然后启动数据发送。如果节点在时隙内完成了数据发送，则在结尾时发送一个“发送完成”的控制信息，随后节点进入休眠状态而关闭无线模块。如果节点在所分配的时隙内没有完成数据发送，则会在时隙结尾时发送一个“申请继续发送”的控制信息。

如果传感器节点暂时没有生成需要发送的数据，那么它的无线模块则始终保持休眠，直至下一时间帧的开始。同样，若簇头没有收到节点的“开始发送”信息，则簇头的无线模块会进行休眠，直至下一个时隙开始。

图2 节点发送信息时的时隙内分配

(1)

2.2 时隙调整

每一帧结束后，簇头会根据各个时隙的使用情况，进行时隙分配调整。针对时隙的忙闲情况，定义：对于前一时间帧发送了“申请继续”请求的时隙，可称为繁忙时隙；对于前一时间帧发送完数据后并没有发送“申请继续”请求的时隙，可称为工作时隙；而对于前一帧没有发送过任何数据的时隙，则可称为空闲时隙。

针对两种特殊情况，如果前一帧一直都没有出现过繁忙时隙，或者前一帧的所有时隙都是繁忙时隙，则保持前一时间帧的时隙分配状态不变。

如果前一时间帧有部分时隙为繁忙时隙，则需对所有时隙进行重新分配。设簇头编号为0，簇成员节点编号分别为1～n，则该簇共计有n+1个节点。可以用Tc来表示控制时隙的时长，对于第i个时间帧的第j个时隙长度则表示为Ts(i,j) 。针对不同节点，需要设置参数As来进行时隙长度的控制。对于有繁忙时隙的节点A，设定As(i+1,a)=1.5；对于有工作时隙的节点B，可设定As(i+1,b)=1；对于有空闲时隙的节点C，则设定As(i+1,c)=0.5。这样的参数As设置，可以有区分性地改变不同忙闲程度节点的时隙使用情况，增大繁忙节点的时隙分配所得，减小空闲节点的占用时隙长度。此时

(2)

经过时隙调整，发送需求较多的节点，所分配时隙的时长得到延长；而无数据发送需求的节点，分配所得的时隙时长被缩短。为防止时隙的时长被无限延长或缩短，可以根据实际应用的需求，制订Ts的上限Tsmax和下限Tsmin，当Ts(i,j)≥Tsmax时，As(i+1,j)的上限为1；而当Ts(i,j)≤Tsmin时，As(i+1,j)的下限为1 。

为简化起见，设繁忙时隙、工作时隙和空闲时隙出现的概率相等。如果在前一个时间帧的时隙内，节点没有发送完毕数据，而需要在本时间帧内继续发送数据，那么前一个时间帧的时隙开始到本时间帧时隙开始的平均时延为Tframe，已发送数据时长为Tslot-Ta-Tc，而剩余需发送数据时长为td-(Tslot-Ta-Tc)=td-Tslot+Ta+Tc，则可算出在此情况下数据发送平均时延为

(3)

由此增加的时延为

ΔD(i)=D′(i)-D(i)=Tframe-Tslot+Tc

(4)

在实际情况下，若繁忙时隙出现的概率为pb，那么全网的数据发送平均时延为

(5)

(6)

3 仿真性能分析

为了对本协议进行分析，设置仿真环境[15]：在100 m×100 m的正方形区域里，随机分布着55个传感器节点。这些传感器节点分为5个簇，每个簇包含1个簇头和10个簇成员节点，簇半径为30 。传感器节点采集所得的数据包大小为512 kB，数据传输速率为24 kbit·s-1。每个传感器节点的发送功耗为462 mW，接收功耗为346 mW，侦听功耗为330 mW。初始状态下，控制时隙为20 ms，其余每个时隙为200 ms，每个TDMA帧约2.1 s，每轮持续100个TDMA帧，共历时210 s。仿真过程将本协议和基于LEACH算法的TDMA MAC协议[16]、TC-MAC协议[17]进行了比较。

图3 平均能耗比较

图3根据每秒监测事件发生概率的不同值，比较了几种协议的每节点平均能耗。TC-MAC采用了各种机制以减少簇头的空闲侦听，因此节点的平均能耗显著下降。本协议(SDC-MAC)在TC-MAC的基础上进一步降低了能耗。从原理上分析，主要是由于本协议对节点发送接收数据采用了忙闲控制，在闲时节点处于休眠状态，这样可以大幅降低网络的平均能耗。

图4根据每秒监测事件发生概率的不同值，比较了几种协议的数据包传输时延。当信息采集概率较小时，网络的数据流量稀少，SDC-MAC的控制机制复杂，因此平均时延反而较大。而当信息采集概率增大时，网络的数据流量随之增大，传感器节点在监测中得到数据后保存在缓存中等待发送的概率也增大，因此SDC-MAC根据节点的数据发送需求动态调整时隙，使得缓存中数据量交多的节点分配到的时隙也会更长，因此有效减少了平均时延。从仿真结果中可以看出，当数据流量较小时，SDC-MAC并不具有优势。随着数据流量的逐渐增大，本协议可以在较高数据流量的情况下有效地减少数据包传输时延。

图4 数据包传输时延比较

4 结束语

SDC-MAC是一种基于调度及动态时隙分配的无线传感器网络MAC协议，它使用FDMA对簇间的无线信道进行分配，同时采用可变长时隙分配解决每个簇的通信。簇头根据前一帧的时隙使用情况，设置参数AS来进行时隙长度的控制，对于繁忙时隙、工作时隙和空闲时隙，分别给予不同的AS值，据此动态调整时隙的长度，并调整时隙分配表。节点的无线模块根据时隙的安排情况决定休眠或唤醒，以实现能耗的节省。仿真结果表明，该算法有效地降低了网络的平均能量消耗，网络流量高时，平均数据包延迟减少。因此，对于节点数量较多的无线传感器网络，若网络的监测数据上传频率较高且上传的数据量较大时，会带来较高的网络流量，使用SDC-MAC可以很好地实现全网的能耗和传输性能的优化。

[1] Quang P T A, Kim D S. Clustering algorithm of hierarchical structures in large-scale wireless sensor and actuator networks[J]. Journal of Communications & Networks, 2015, 17(5):473-481.

[2] 王明伟,陈立万,李洪兵,等.基于ZigBee协议WSN在智能家居中的控制实现[J].电子科技,2016,29(3):114-117.

[3] 黄廷辉,伊凯,崔更申,等.基于非均匀分簇的无线传感器网络分层路由协议[J].计算机应用,2016,36(1):66-71.

[4] Yang O, Heinzelman W B. Modeling and performance analysis for duty-cycled MAC protocols with applications to S-MAC and X-MAC[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2012, 11(6):905-921.

[5] Munadi R, Sulistyorini A E, Ulfah F S F, et al. Simulation and analysis of energy consumption for S-MAC and T-MAC protocols on wireless sensor network[C].Wireless and Mobile. IEEE, 2015.

[6] Vikas,Nand P.Contention based energy efficient wireless sensor network - A survey[C]. Greater,Noida:2015 International Conference on Computing,Communication & Automation,2015.

[7] 张智超.基于不均等分层分簇的无线传感器网络协议[J].电子科技,2015,28(3):83-86.

[8] Rajendran V,Obraczka K,Garcialunaaceves JJ.Energy-efficent collision-free medium access control for wireless sensor networks[J].Wireless Networks,2006,12(1):63-78.

[9] Lu G, Krishnamachari B, Raghavendra C S. An adaptive energy-efficient and low-latency MAC for data gathering in wireless sensor networks[J].Wireless Communications & Mobile Computing,2007,7(7):863-875.

[10] Ergen S C,Varaiya P.PEDAMACS: Power efficient and delay aware medium access protocol for sensor networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2006,5(7):920-930.

[11] Rhee I,Warrier A,Aia M,et al.Z-MAC:a hybrid MAC for wireless sensor networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2008,16(3):511-524.

[12] Li Mo,Li Zhenjiang,Athanasios V Vasilakos.A survey on topology control in wireless sensor networks:taxonomy,comparative study,and open issues[J].Proceedings of the IEEE,2013,101(12):2538-2557.

[13] Illsoo Sohn,Jong-Ho Lee,Sang Hyun Lee.Low-energy adaptive clustering hierarchy using affinity propagation for wireless sensor networks[J].IEEE Communications Letters,2016,20(3):558-561.

[14] Jiang Changjiang,Xiang Min,Shi Weiren.Overview of cluster-based routing protocols in wireless sensor networks[C].Wuhan:International Conference on Electric Information and Control Engineering,2011.

[15] Omari M,Laroui S.Simulation, comparison and analysis of wireless sensor networks protocols:LEACH, LEACH-C, LEACH-1R and HEED[C].Boumerdes:2015 4th International Conference on Electrical Engineering,2015.

[16] Alvi A N,Bouk S H,Ahmed S H,et al.Enhanced TDMA based MAC protocol for adaptive data control in wireless sensor networks[J].Journal of Communications and Networks,2015,17(3):247-255.

[17] 谢茂涛.一种基于超时机制的分簇无线传感器网络MAC协议[J].计算机时代,2008(8):16-17.

Dynamic Time Slot Allocation MAC Protocol for Clustered Wireless Sensor Networks

ZHOU Wei

(Shanghai Information Network Co.,Ltd.,Shanghai 200081,China)

In order to reduce the average energy consumption of large scale wireless sensor networks, a scheduling based MAC protocol with dynamic time slot allocation (SDC-MAC) is presented for clustered wireless sensor networks. Among different clusters, the wireless channel is allocated with FDMA, and time slots with variable length are allocated to each node in clusters. With the change of cluster structure in the network, cluster heads dynamic adjust the length of time slots by means of time slot allocation notification, and the cluster members decide to sleep or wake according to control signals. Simulation results show that with the proposed algorithm, average energy consumption of the networks is effectively reduced, and the average packet delay is decreased when the network data flow is high.

wireless sensor networks;MAC protocol;clustering; time slot

2016- 11- 08

周伟(1972-)，男，博士，高级工程师。研究方向：数据通信。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.034

TN915.04;TP393.0

A

1007-7820(2017)09-126-04