区分优先级的无线传感器网络MAC协议分析与实现研究

谢显杰，何亚南，袁建明，刘发稳，黄智睿，方 芳

(昆明冶金高等专科学校计算机信息学院，云南 昆明 650033)

0 引 言

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是目前在现实生活中应用较为广泛的热点技术，通过将一系列传感器放入到监测区域，实现对监测对象数据的采集，将采集到的数据通过无线传输的方式传输至汇聚节点，最终以报表等形式展现在人类面前，实现物理、计算机、人类社会3方面的衔接[1]。而无线传感器网络MAC协议直接影响无线传输过程中无线信道的传输方式[2]，研究和优化MAC协议就是研究如何对节点的资源进行合理的配置。无线传感器网络最典型的特点就是资源的有限性。放入监测区域的无线节点由于监测环境的制约，能量往往难以得到及时补充，因此我们需要减少节点能量的无谓开销以保证节点能够更长久地运行，而在相同情况下节点的平均排队队长越小代表着节点能量的开销越少。本文提出的一种区分优先级的无线传感器网络MAC协议，无线传感器网络操作系统TinyOS实现与传统的S-MAC、T-MAC、Z-MAC协议相比较，在负载较低时其平均排队队长有着较好的表现，负载较高时也有着较好的QoS保障。

1 区分优先级的无线传感器网络MAC协议设计

1.1 区分优先级的无线传感器网络MAC协议模型

图1 区分优先级的无线传感器 网络MAC协议模型Fig.1 Prioritized MAC protocol model of wireless sensor network

区分优先级的无线传感器网络MAC协议模型如图1所示，其工作原理为：在无线传感器网络中有2个优先级，一个站点被标识为高优先级站点，记为h站点，其余站点标识为低优先级站点。该协议模型的控制流程为：服务器首先对站点h采用完全服务策略进行服务，当站点h中的信息为空时转入一个普通站点进行服务，对普通站点中的某个队列i使用门限服务策略进行服务，在此服务期间到达的信息则转入到下一个服务期间进行服务，服务器对普通站点i服务完成后，再转入站点h进行服务，之后按照相同的方式对下一站点进行服务，依此方式周期性地进行服务。

为了能够有效地对无线传感器网络内节点优先级进行控制，本研究将动态组织的无线传感器网络划分为相对稳定的簇结构，以确保大规模的无线传感器网络能够在不降低通信质量的情况下正常工作。

1.2 MAC帧结构设计

本文对对系统模型内的 MAC帧结构进行设计，如图2所示，在IEEE 802.15.4 MAC命令帧的基础上加入优先级字段，在开始传输时簇头节点首先对无线传感器网络中的节点广播该命令帧，用于告知网络中各簇内节点的优先级。

图2 MAC命令帧结构设计Fig.2 MAC command frame structure design

在无线传感器网络MAC协议的设计过程中，根据所设计的MAC协议模型的运行机制及流程，采用以超帧为周期的MAC帧结构进行通信。具体的MAC帧结构如图3所示。

图3 以超帧为周期的MAC帧结构设计Fig.3 MAC frame structure design with superframe as the period

由于服务器的服务时间是视服务站点中的信息分组数所决定的，因此采用的超帧结构并不规定拥有时隙的数目，其时隙是一个动态变化的数目。本研究所设计的帧结构以超帧为一个周期对某个站点进行服务，以信标帧作为其转换的间隔。信标帧中添加服务地址和轮询方式2个字段，服务地址从存储器中的轮询表中按序读取出来，用于告知下一个进行服务的地址；轮询方式字段的添加用于告知选择何种轮询方式进行服务。在数据帧中添加收发器状态、节点号和剩余包数目计数3个字段，收发器状态字段用于控制节点的收发器状态；节点号字段用于对节点发送来的数据进行标识；剩余包数目计数字段用于计算未发送的包数目，如果剩余包数目计数为0则结束此次超帧，继续发送信标帧对下一个站点进行服务。

1.3 模型工作流程

在MAC命令帧广播完成之后，以超帧为周期进行通信，簇头节点内存储着服务器服务节点的顺序，以此实现对系统工作流程的控制。在服务器对站点进行服务的过程中，建立轮询表以分辨服务过程中的优先级且记录查询顺序。表1中列出了簇内节点查询顺序、节点地址以及优先级别之间的关系。由于模型中有2种不同优先级的站点，采用优先级1、2来代表站点的优先级，1代表高优先级别的站点，2则代表低优先级别的站点。

表1 区分优先级的MAC协议模型轮询表Tab.1 Priority MAC protocol model polling

为了方便对模型的控制，本研究将高优先级2号节点放于第一位，服务器首先对2号节点进行访问和完全服务，之后对查询顺序号为2的6号节点进行访问和门限服务，服务器依查询顺序对节点进行周期性的服务。当服务器对5号节点服务后转入下一个低优先级节点即6号节点，以此类推循环完成节点的访问。

具体的模型工作流程如下：

1)启动系统，建立簇结构，簇头节点发布轮询表；

2)判断节点是否为簇头节点，如果是则开始按照轮询表向查询顺序为1的节点发送信标帧用于唤醒节点，依次进行对节点数据的接收，否则等待接收簇头节点发送的信标帧；

3)簇内节点是否收到信标帧，如收到则开始向簇头节点按照轮询方式(门限、完全、限定)发送数据到簇头节点，未收到则继续等待信标帧信号；

4)数据发送完毕之后如需继续采集信息则转向下一节点，否则结束数据采集。

2 区分优先级的无线传感器网络MAC协议的实现方式

区分优先级的无线传感器网络MAC协议的实现需要无线传感器网络节点、平台来搭建实际的实验环境。本研究选用的CC2538节点作为以MAC协议实现的无线传感器网络节点，是一款由TI公司研发的高性能SoC，能够适用于要求严格的实际应用环境。作为MAC协议模型实现的平台，TinyOS是一款开源的嵌入式操作系统，也是一种基于事件驱动的微型操作系统。其所开发的应用程序编译后所占的空间比较小(大多在 30 kB 以下)，针对传感器存储空间小、资源量少的问题能够予以解决。

2.1 节点工作方式

区分优先级的MAC协议，优先级别有不同的节点，针对于不同的节点有不同的工作方式，各类节点工作方式如下：

1)簇头节点工作方式。

①初始化簇头节点；

②对高优先级节点h进行服务；

③接收数据后判断节点h中剩余信息分组数是否为0；

④如果信息分组数为0则查询轮询表，查询轮询表对下一个低优先级节点发送通知并进行服务，否则继续接收信息分组；

⑤判断当前低优先级节点中剩余信息分组数是否为0，如果是重复步骤②—⑤，否则继续接收信息分组。

2)簇内节点工作方式。

由于簇内节点优先级别不同，传感器的网络MAC协议有着不同的服务方式。定义优先级别为1的节点按照完全服务的方式进行，优先级别为2的节点按照门限服务方式进行服务，并依据轮询表周期性进行服务。由于TinyOS是一种基于事件驱动的系统，簇内节点工作方式如下：

优先级别为1的节点工作方式

①初始化簇内节点；

②接收到簇头节点的唤醒通知，开始向簇头节点发送信息分组，发送期间到达的信息分组也将一同发送给簇头节点，直至该簇内节点内信息分组数为空。

优先级别为2的节点工作方式

①初始化簇内节点；

②接收到簇头节点的唤醒通知，开始向簇头节点发送信息分组，发送期间到达的信息分组转入下一次服务再发送。

3 实验结果

图4 4类MAC协议平均排队队长比较Fig.4 Comparison of the average queue length of the four types of MAC protocols

将CC2538节点放入监测环境中，设定节点到达的信息分组数满足泊松分布，信息分组长度为 100 bits，数据率为 54 Mbit/s，在此实验条件下对S-MAC协议、T-MAC协议、Z-MAC协议以及区分优先级的无线传感器网络MAC协议进行实验研究。图4是每类MAC协议经过10次实验之后取的平均排队队长平均值所绘制的曲线。

从图4中可以得到以下实验结果：

1)4类MAC协议的平均排队队长均随着节点负载的增加而增加，S-MAC协议相比较于其它3类MAC协议其平均排队队长增长更为明显。

2)总体来说平均排队队长的关系为S-MAC>T-MAC>Z-MAC>区分优先级的MAC协议。区分优先级的MAC协议中在负载较低时高于Z-MAC协议，低于T-MAC协议，负载较高时低于Z-MAC协议，可见所设计的区分优先级的MAC协议相比较于传统的MAC协议平均排队队长更小，能够减少节点的能量开销，有着较好的QoS保障。

3)基于TinyOS的4类MAC协议实现，发现本文对帧结构、系统工作流程的设计以及工作节点功能的设计能有效地对4类MAC协议实际性能进行验证。

4 结 论

本文基于TinyOS系统对Corte-M3为处理器的CC2538节点进行研究，提出一种区分优先级的无线传感器网络MAC协议，对该MAC协议在TinyOS系统上的实现进行了详细的设计，最终在实际的应用环境中进行实验。与传统的MAC协议相比较，区分优先级的无线传感器网络MAC协议在负载较低时其平均排队队长有着较好的表现，效率略高于Z-MAC协议。在负载较大时，其区分优先级的优势能充分体现出来，相同负载情况下在4类MAC协议中其平均排队队长是最小的，说明在负载较高时区分优先级的无线传感器网络MAC协议有着更好的QoS保障，能够有效降低节点的能量开销，从而使无线传感器网络中的节点能更持久地工作。