基于跨层竞争的同步MAC协议研究*

冯雪丽， 颜伏伍， 胡 杰

(1.杭州科技职业技术学院 机电工程学院，浙江 杭州 311402； 2.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070)

基于跨层竞争的同步MAC协议研究*

冯雪丽1,2， 颜伏伍1， 胡 杰1

(1.杭州科技职业技术学院机电工程学院，浙江杭州311402；2.武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070)

在无线传感器网络(WSNs)中，基于跨层竞争的同步媒体接入控制(MAC)在一周期内可安排多个数据包的多跳传输，传统的协议在同一个数据窗口传输请求数据包和确认数据包，降低了数据窗口的多跳流量的建立，也降低了在多跳场景中的数据包传输率和传输时延性能。本文提出了基于新的基于跨层竞争的同步MAC(CLC-MAC)协议，CLC-MAC协议引用新的周期结构，且其包含两个独立窗口，并由该窗口分别传输数据请求包和确认包，即请求包在数据窗口传输，而确认包在休眠窗口传输。实验数据表明：与先锋路由帧MAC(PRMAC)协议相比，CLC-MAC协议的端到端传输时延和数据包传输率的性能均得到了提高。

无线传感器网络； 媒体接入控制协议； 跨层竞争； 周期结构； 窗口

0 引 言

检测并报告偏远地区或危险区域的异常事件成为无线传感网络(wireless sensor networks, WSNs)的重要应用[1～2]。在监测区域内，一旦检测到异常事件，传感节点即将数据包传输到基站[3，4]。为了实时、快速地检测异常事件，需降低数据传输时延。与异步媒体接入控制(medium access control,MAC)协议相比，同步MAC协议无竞争且具有更低的端到端传输时延。因此，基于竞争的同步MAC是这些应用的不错选择。

目前，研究人员对同步MAC协议进行了较深入的研究。文献[5]提出了传感器MAC(sensor MAC,SMAC)协议，其采用了周期的休眠—唤醒策略控制空闲监听时间。文献[6]提出了路由MAC(routing MAC,RMAC)协议。RMAC协议引用交互层(路由层)信息。致使一旦完成媒体竞争，节点就在数据仓库(data warehouse,DW)内计划数据包的多跳传输。然而与文献[7～10]相同，RMAC协议在一周期内仅安排一个数据包，即使节点向同一个目的节点传输多个数据包。文献[11]提出了先锋路由帧MAC(pioneer routing frame MAC,PRMAC)协议。允许在一个周期内传输多个数据包。相比于RMAC协议PRMAC协议提高了端到端传输时延和数据包传输率。

本文以PRMAC协议为基础，并面向多跳场景，提出了跨层竞争的同步媒体接入控制(cross layer competition MAC,CLC-MAC)协议。CLC-MAC协议引用新的周期策略，将请求发送数据(request to send data,RTSD)包在DW内传输，而确认发送数据(confirm to send data,CTSD)包放在休眠窗口(sleep window,SlpW)中传输，进而提高了DW中的多跳数据流的长度，并减少了端到端传输时延和数据包传递率。

1 PRMAC协议

考虑如图1所示的网络拓扑图，节点A离基站(base station,BS)有2跳距离，而节点B位于两者中间，即节点B成为节点A的下一跳转发节点。

图1 网络拓扑图

假定节点A需要向基站传输2个数据包。数据包传输过程如图2所示。在DW中，当接入媒介后，节点即向下一跳接收节点发送先遣(PION)包。PION包的格式如表1所示。

表1 PION包格式

节点A向节点B发送PION包PION(A)，其包含了2项信息：节点A需要向B传输的数据包数Num_transmittedpackets=2和节点A离数据包源节点的距离Hop_source=0。由于源节点就是A，则此项距离为0跳。 当接收PION(B)包，节点B即向其基站传输PION包PION(B)，请求数据包传输。PION(B)也包含了其需要向基站传输的数据包数Num_transmittedpackets=2以及与源节点的距离Hop_source=1，此时，距离为1跳。

当节点A监听到PION(B)，节点A即进入休眠状态。如图2所示，由于DW的剩余时间不足于传输PION包，则节点B和C休眠。

休眠时间结束后，节点A和B被唤醒，并开始传输和接收数据包。

尽管PRMAC降低了端到端传输时延并提高了数据包传递率，但存在一些不足：1)PRMAC协议仅当DW的剩余时间不小于TPION+SIFS时，PRMAC协议才传输PION包；2)请求数据包和确认数据包均在DW内传输。

图2 PRAMR协议的数据包传输过程

2 CLC-MAC算法

2.1 周期结构

CLC-MAC算法的周期结构如图3所示。每个周期由两个窗口构成：唤醒窗口(wake window,WW)和SlpW。在WW，所有节点保持唤醒状态。而WW由SW和DW构成。在SW中，每个节点周期广播SYNC包，其包含了发送节点的当前唤醒—休眠策略，进而保持同步。

图3 CLC-MAC算法的周期结构

在DW中，先通过CW完成媒体竞争，节点再请求下一跳节点接收数据包，并转发RTSD包[12]，进而完成数据包的多跳传输。RTSD包含发送节点的地址、接收节点的地址、离源节点跳距、需要发送的数据包数Num_Packets和目的节点地址Add_Des。RTSD的格式如表2所示。

表2 RTSD格式

而在SlpW窗口，所有节点保持休眠状态。同时，Slpw窗口进一步划分为2个子窗口：SlpW1和SlpW2。而SlpW1包含了N个确认窗口(confirm window,CFW)和一个请求窗口(request window,RQW)，其中,N可由式(1)计算

(1)

式中TRTSD,TDW分别为传输RTSD、窗口DW的时长;SIFS为帧间间隔。

如图4所示，CFWi表示第i个CFW，且I≤i≤N。而RQW和CFW的窗口分别等于SIFS+TRTSD,SIFS+TCTSD，其中,TCTSD为传输CTSD包[12]的时长。如果一个节点接收RTSD包，且其包含发送节点离源节点的跳距。如果跳距为i，则节点就在CFWi+1窗口开始唤醒，并向其上游节点传输CTSD包。传输的CTSD包含了发送节点地址、接收节点地址，需要传输的数据包数。

2.2 数据包传输

仍以图1的网络拓扑为例，描述数据包传输过程。仍假定节点A需通过节点B向信宿S传输2个数据包。

在节点A的DW中，一旦接入媒介，节点A就向节点B发送数据请求包RTSD，发送完成，即进入休眠状态。RTSD包包含了节点A，B和目的节点S的地址，也包含了A欲向信宿S发送的数据包数，即Num_Packets=2，如表2所示。

一旦节点B接收到RTSD包，节点B即向信宿S发送数据请求包RTSD。与节点A类似，传输完RTSD包后即进入休眠状态。最终，信宿S将接收到RTSD包，随后进入休眠状态。然后，信宿S在CNF2窗口开始时唤醒，并接收来自节点B的数据包，并向节点B回复CTSD包。CTSD包包含了节点S能够接收的数据包数，整个数据转发流程如图4所示。

图4 数据包传输过程示意

通过这种方式，使得RTSD和CTSD在2个不同窗口传输。相比于PRMAC协议，CLC-MAC协议在不增加TDW的同时，提高了流量窗口的长度。

3 性能仿真

3.1 仿真参数

为了更好地分析CLC-MAC协议性能，利用NS2.3.5仿真软件建立仿真平台[13,14]，分析CLC-MAC性能，并与PRMAC协议性能进行比较。考虑1 800 m×1 800 m的监测区域，且900个节点均匀分布于监测区域。同时，信宿位于区域中心，即信宿位于(900,900)m。

为了性能分析，改变源节点离信宿的跳距 ，在仿真过程中，h从1至6变化。在每一跳，随机选择一个节点作为源节点。源节点产生CBR流量，且数据包间隔为1s。此外，每个传感节点包含一个全向天线。而PRMAC协议和CLC-MAC协议相关的数据包和控制包尺寸如表3所示。

表3 数据包尺寸

周期时间时长分别如表4所示。

表4 周期时长

3.2 性能分析

分析数据包传输时延随跳距h的影响，如图5所示。从图5可知，随着跳距h的增加，数据包传输时延也随之增加。这主要是：跳距增加了数据包传输路径，必然增加传输时延。与PRMAC协议相比，提出的CLC-MAC的传输时延得到有效地控制。当跳距为4时，PRMAC协议的传输时延约30 s，而CLC-MAC的传输时延为18 s，降低了约40 %。随着跳距的增加，CLC-MAC协议的控制时延的性能越好。当跳距为6时，CLC-MAC协议的端到端传输时延较PRMAC协议时延降低了约50 %。

图5 数据包传输时延

图6显示了数据包传输率随跳距的变化曲线。从图6可知，与PRMAC协议相比，提出的CLC-MAC协议的数据传输率得到了有效提高，并且随跳距的增加，两者的性能差距越大。原因在于：在同一个DW窗口，CLC-MAC协议能够通过多跳传输其数据包。当跳距为6时，CLC-MAC协议的数据包传输率较PRMAC协议提高了近38.0 %。

图6 数据包传递率

最后，分析了PRMAC协议和CLC-MAC协议的平均能耗，实验数据如图7所示。从图7可知，CLC-MAC协议的能耗高于PRMAC协议，换言之，CLC-MAC协议是以略高的能耗换取高的数据包传输率和低时延。

图7 平均能耗

4 结束语

针对多跳的无线传感器网络的MAC协议，提出了基于跨层竞争的同步媒体接入控制协议CLC-MAC。CLC-MAC协议通过采用2个不同调度窗口分别传输请求包和确认包，增加了数据窗口的流量。实验数据表明：提出的CLC-MAC协议降低了传输时延，也提高了数据包传递率。然而，与PRMAC协议相比，CLC-MAC协议的能耗较高，亦为后期研究工作的重点。

[1] Papadopoulos G Z,Kotsiou V,Gallais A,et al.Wireless medium access control under mobility and bursty traffic assumptions in WSNs[J].Mobile Networks and Applications,2015,20(5):649-660.

[2] Ye W,Heidemann J,Estrin D.Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking，2014,12(3):493-506.

[3] Koutsakis P.On increasing energy conservation for wireless sensor networks[C]∥International Conference on Wireless and Mobile Communications,2016:4-14.

[4] Van Dam T,Langendoen K.Energy-efcient MAC:An adaptive energy-efcient MAC protocol for wireless sensor networks[C]∥Proceedings of the International Conference on Embedded Networked Sensor Systems(Sen Sys),2013:23-31.

[5] Ye W,Heidemann J,Estrin D.Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks[J].IEEE/ACM Trans on Netw,2014,12(3):493-506.

[6] Du S,Saha A,Johnson D.RMAC:A routing enhanced duty cycle

MAC protocol for wireless sensor networks[C]∥Proc INFOCOM,2016:1478-1486.

[7] Sun Y,Du S,Gurewitz O.DW-MAC:A low latency energy efficient demand-wakeup MAC protocol for wireless sensor net-works[C]∥Proc Mobi Hoc,2013:53-62.

[8] Liu G,Yao G.SRMAC:Staggered routing-enhanced MAC protocol for wireless sensor networks[C]∥Proc Wi COM,2014:1-6.

[9] Cho K T,Bahk S.HE-MAC:Hop extended MAC protocol for wireless sensor networks[C]∥Proc GLOBCOM,2015:1-6.

[10] Cho K T,Bahk S.Optimal hop extended MAC protocol for wireless sensor networks[J].Comput Netw,2013,56(4):1458-1469.

[11] Canli T,Khokhar A.PRMAC:Pipelined routing enhanced MAC protocol for wireless sensor networks[C]∥Proc ICC,2013:1-5.

[12] Singh R,Chouhan S.A cross-layer MAC protocol for contention reduction and pipelined flow optimization in wireless sensor networks[C]∥Proc RETIS,2015:58-63.

[13] Hefeida M S,Canli T,Khokhar A.CL-MAC:A cross-layer MAC protocol for heterogeneous wireless sensor networks[J].Ad Hoc Netw,2013,11(1):213-225.

[14] Ripudaman Singh,Brijesh Kumar Rai,Sanjay K Bose.A novel framework to enhance the performance of contention-based synchronous MAC protocols[J].IEEE Sensors J,2016,16(16):6447-6457.

ResearchonsynchronousMACprotocolbasedoncrosslayercompetition*

FENG Xue-li1,2, YAN Fu-wu1, HU Jie1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HangzhouPolytechnic,Hangzhou311402,China;2.AutomotiveEngineeringInstitute,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Synchronous medium access control(MAC)protocols based on cross-layer competition for wireless sensor networks(WSNs)enable multi-hop transmission of multiple data packets in a cycle.Traditional protocols transmit both the request-to-send data(RTSD)process and the conrm-to-send data(CTSD)process in the same data transmission scheduling window(i.e.data window),this reduces the length of the multi-hop flow setup in the data window.In a multi-hop scenario,this degrades both the packet delivery ratio and the end-to-end transmission delay.Therefore,a new cross-layer competition based synchronous MAC(CLC-MAC)protocol is proposed.The proposed protocol uses a novel cycle structure,which contains two separate windows for transmitting data request and confirmation packets.It accommodates the request-to-send data process in the data window and the conrmation-to-send data process in the sleep window.Simulation results show that proposed protocol outperforms pioneer routing frame MAC(PRMAC)both in terms of the end-to-end delay and the packet delivery ratio.

wireless sensor networks(WSNs); medium access control(MAC) protocol; cross layer competition; cycle structure; window

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0028—04

TN 929.5

A

1000—9787(2017)11—0028—04

2017—09—05

国家自然科学基金资助项目(E060407); 浙江省教育厅科研资助项目(Y201636781)

冯雪丽(1981-)，女，硕士，副教授，主要研究领域为汽车电子电控技术。

颜伏伍(1967-) ，男，博士，教授，博士生导师，主要研究领域为汽车排放控制及电控技术。