WSN中状态轮换分组的数据收集MAC协议.doc

WSN中状态轮换分组的数据收集MAC协议 计算机研究与发展Journal ofComputer Researchand DevelopmentDOI107544issn10001239xxxx073851 (6)1167-1175，2O14WSN中状态轮换分组的数据收集MAC协议李哲涛王志强朱更明李仁发(湘潭大学信息工程学院湖南湘潭411105)(国防科学技术大学计算机学院长沙410073)。 (智能计算与信息处理教育部重点实验室(湘潭大学)湖南湘潭411105)(湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南湘潭411201)(湖南大学信息科学与工程学院长沙410082)(gengmingzhugmailcor n)A DataGathering M AC ProtocolBased onState Translationand Groupingfor W SN LiZhetao，W angZhiqiang，Zhu Gengming，and LiRenfa(College ofInformation Engineering，Xiangtan University，Xiangtan，Hunan411105)(College ofComputer，National Universityof Deferise Technology，Changsha410073)。 (Key Laboratoryof IntelligentComputing&In rmationProcessing(Xiangtan University)，M inistryof Education，Xiangtan，H unan411105)(School ofComputer ScienceEngineering，Hunan Universityof Science and Technology，Xiangtan，Hunan411201)(School ofInformation Science&Engineering，Hunan University，Changsha410082)Abstract Inorder todecrease the delivery latency，increase thethroughput andlower thetraffic loads。 this paperpresents M D M AC(m ultidivided deliverM AC)，a newsynchronous M AC protoco1with low delivery1atency and1ow traffic1oadsM DI)_M ACminim izescollisions andoverhearing bydividing datatransmission cycleinto twotime slots，iedata sendingslot anddata receivingslotTo achievelow latency and energyefficiency，M DD-M ACintroduces anefficient groupdeliver mechanism bybining thetopology information of workW eevaluate M DD-M ACon OMNet+and pareit withDWM ACand TM AC，two previousenergyefficient M AC protocols，under thescenarios of cross work，random worksand grid worksIn allexperim entsM DDMAC significantlyoutperform sthose otherprotocolsFor example，on scenariosofcrosswork with43nodesthedeliverylatencyandmaxim umbuffer loadfor MDI)-M AC is6759and8916961ess thanthat ofDWMAC，and7249and89801ess thanthat ofTMAC respectivelySpecially，the averagecollision times forDWM ACand TM ACis8and34respectively whi1e theM DDM ACjs a1most zeroKey wordslowdeliverylatency；state translationand grouping；data gathering；MACprotocol；wireless sensorwork摘要为了减少数据传递延迟，增加网络吞吐量和减少网络负载，提出一种状态轮换分组的MDD-MAC(multidivided deliverMAC)协议将数据的发送和接收分开进行以减少碰撞和串音，并结合网络拓扑信息，实现节点分组状态轮换，降低网络延迟，减少耗能OMNet+仿真结果表明分组数为4的xx0527；修回日期xx1220基金项目国家自然科学基金项目(61379115，61100215，61311140261，61070180，61372049)；湖南省自然科学基金项目(12JJ9021，12JJ5025，12JJ6O63)；湖南省重点学科建设项目通信作者朱更明(gengmingzhugmail)计算机研究与发展xx，51 (6)MDDMAC在十字型网络中的端到端延迟和最大消息负载量分别比DWMAC少6759和8916，比TMAC少7249和898O96在网格网络和随机网络中MDD MAC的性能也优于DWMAC和TM AC关键词低延迟；状态轮换分组；数据收集；MAC协议；无线传感器网络中图法分类号TP393无线传感器网络(wireless sensorworks，WSN)是一种无线多跳分布式自组织网络，常用于危险场景和关键对象监控因此，要求网络生存周期长、数据收集实时性强由于节点能量受限和信道时变的不确定性，设计低能耗、低延迟的WSN极具挑战性WSN的主要目的是收集节点感知的环境信息，并通过众多节点的协作将其发送到面向用户的汇聚节点(即Sink节点)进行处理因此，向Sink节点传送节点感知的数据信息是WSN的一项基本功能媒体访问控制(medium aesscontrol，MAC)协议处于无线传感器网络底层，直接控制节点的射频模块，是保证无线传感器网络高效通信的关键协议之一，对延长无线传感器网络寿命至关重要l5_6_另一方面，MAC协议决定节点何时、以何种方式接人信道，也影响着包括网络延时和吞吐量在内的多种网络性能因此，设计高效信道管理和实时性信道接人的MAC协议具有十分重要的意义在MAC层中，减少能量消耗的方式主要有减少空闲侦听、减少控制信息、减少串音造成的数据干扰、减少碰撞引起的数据重发l7减少延迟的方式主要有增加节点占空比、增加多跳转发、降低负载、减少与目标建立连接的时间在已有研究的基础上7。 ，本文提出一种采用状态轮换分组方式减少延迟、增加网络吞吐量的MDDMAC(multidivided deliverMAC)同步协议该协议通过全网节点周期分组轮换地发送和接收数据，增加多跳转发、减少节点碰撞和减轻负载，实现低延迟和低耗能1相关工作同步协议由于节点同步工作，信道利用率较高，容易实现多跳转发，实时性较强WSN中同步MAC协议主要有S-MAd，TMACE引，SCPMACE。 和DW-MACE等SMAC协议是一种典型的基于竞争的同步MAC协议该协议在IEEE80211的基础上，引入周期性侦听和睡眠的低占空比工作方式，使得节点在大部分时间里处于睡眠状态，降低了节点的能耗，但却牺牲了延迟和吞吐量TMAC对SMAC中的固定占空比进行了改进，其思想是节点醒来后不再固定等待一段较长的时间再进入睡眠，而是根据当前数据通信量来动态地调整其处于活动状态的时间，大幅减少空闲侦听时间但动态的活动时间可能带来节点早睡的问题，导致数据堆积在链路上，不能及时到达目的节点此外，由于链路的下游节点不可能侦听2跳以上的上游节点的通信，该协议在单周期内数据最多传输2跳SCPMAC采用一种称为预定信道轮询检测技术来减少侦听耗能它在节点竞争信道时以发送长度极小的信道激活指针代替轮询机制，将轮询机制与预约机制有效地结合起来发送节点在等待接收节点的周期轮询时间到达后发送唤醒帧，并在发送之前持续侦听一段时间来减少碰撞；当发送节点唤醒接收节点后，只有再次检测到信道空闲才发送数据这种将竞争占用信道与发送数据分开有效减少了冲突的发生，但由于信道激活指针同步周期等参数都要依赖传输负载而预先设定，不能适应动态流量网络DWMAC是类似于SCPMAC的同步MAC协议DWMAC将周期分为同步期、数据期和睡眠期在同步期同步时间、数据期与目标建立数据传输映射、睡眠期按该映射协定醒来发送和接收数据协议对多跳转发进行了改进，但单周期内同一链路上的节点只能接收单个上游邻居节点的数据，当有多个上游邻居节点同时竞争同一下游邻居节点时，节点可能会长时间竞争不到信道而导致大量数据的堆积，难以实现2跳以上的数据转发，信道利用率低，在高密度网络中容易带来网络拥塞针对TMAC的早睡问题和DwMAC在高密度网络中的缺陷，本文提出一种适应大规模高密度李哲涛等WSN中状态轮换分组的数据收集MAC协议证明设周期内可传输的数据量为L，L为单时隙最大数据传输时间除以成功传送单位数据耗时，即L= (4)式 (4)表明L随的增加而减少，故单周期传输的数据量随着分组数的增加而减少证毕推理2结合定理1和定理4可知，当n一3时，L取最大值L?为L一 (5)定理5网络节点消息负载量随数据产生量和平均上游邻居节点数的增加而线性增加证明由数据传递的累积性可知，第(zk)跳上的节点最大消息负载量C()?为C(z)?一(k+1)，zX a (6)式 (6)表明C(z)?随和a的增加而增加，故网络节点消息负载量随数据产生量和平均上游邻居节点数的增加而增加证毕推理3要使每个节点在单时隙内不出现数据滞留的必要条件为C (1)?L? (7)证明显然C (1)?一max(C (1)，C (2)，?，C()，即最靠近基站的节点消息负载量最大，只有当数据的产生量小于最大数据传输量节点消息时才可能不会滞留例如在均匀分布的线形网络中(。 1)，当一1时，据式 (5) (7)可知网络不出现拥塞的最大跳数k需满足尼 (8)从以上分析可知，节点最大消息负载量与分组模型无关，最大消息传输量与分组数成反相关证毕3算法设计31算法流程首先，在第1个周期初由基站发出一条路由广播信息；节点根据收到的路由信息记录自己最小跳数，然后转发给其他节点；其次，在第2个周期开始时，节点根据分组轮换模型汁算首次醒来接收数据的时间TR和首次醒来发送数据的时间T；最后，节点在时刻T+kT醒来接收数据，在时刻T+kT醒来发送数据(是为自然数)，直到网络运行结束32计算节点轮换醒来时间算法算法1计算节点轮换醒来算法步骤1若全网路由信息不确定(孤立节点)则结束，否则执行步骤2步骤2节点根据当前获取的到基站的最小跳数对网络时隙划分数n求余，得到值P步骤3在(n一1一)，z个时隙后第1次醒来接收数据，在()个时隙后第1次醒来发送数据步骤4结束节点执行算法1获得和T后，依31节所示算法流程继续运行33单时隙最大交付策略单时隙最大交付是指协议保证节点在每个接收数据时隙内，尽最大可能把该节点同一链路上游邻居节点的所有数据接收完毕；保证节点在每个发送数据时隙内尽最大可能将数据传递到同一链路下游邻居节点接收数据时隙和发送数据时隙节点传输数据的具体算法如下算法2接收数据时隙节点接收数据算法步骤1等待1个发送节点的最大退避时间步骤2检测信道RTS请求帧，收到请求则发送CTS确认帧，否则马上睡眠步骤3检测信道数据，收到则接收完发送确认ACK；否则返回步骤1步骤4若接收数据完毕返回步骤1否则马上进入睡眠算法3发送数据时隙节点发送数据算法步骤1若有数据发送则等待随机退避窗口，否则马上进入睡眠步骤2检测信道是否繁忙，如果繁忙则返回步骤l，否则马上向目标发送RTS请求帧步骤3若收到CTS确认帧，马上发送数据；否则返回步骤1步骤4若发送数据完毕马上进入睡眠，否则返回步骤1算法2和算法3在网络不出现严重拥塞和丢包的情况下能保证在发送数据时隙将数据在发送数据时隙交付给目标接收节点，在接收数据时隙将上游邻居节点数据接收完毕4仿真与分析41仿真参数与环境说明本文采用OMNet+仿真工具对MDD-MAC3，MDD-MAC，DWMAC和TMAC进行仿真分析，计算机研究与发展2O14，51 (6)用Matlab辅助分析实验数据其中MDDMAC。 ，MDDMAC为采用分组数”一3和一4的MDD-MAC协议协议基于RTSCTSDataACK的通信机制(DWMAC使用SCH，SIFS代替RTS，CTS)，采用载波监听和碰撞检测机制为简化评估，未包含路由流量，并假设已存在一个路由协议能够提供任意两个节点之间的最短路径；同样假设所有网络都是连通的网络另外，网络中也不含任何同步信息流量并且假设所有的节点的唤醒和睡眠时间表已经同步网络参数设置为传输时延t一2ms，节点启动耗时t一0ms，数据处理时延th一01ms，周期T一1500ms，在遇到丢包重发时均采用0ms，16ms随机退避策略，网络仿真时长500S仿真中测量以下指标1)平均占空比，节点处于侦听状态占整个实验时间的比率；2)数据传递率，基站接收到的数据总量占所有节点产生的数据总量的比率；3)端到端的数据延迟，从节点产生数据或者收到数据开始到该数据成功被下一跳节点接收的平均时间；4)消息负载量，节点在整个实验时间中消息队列中的最大数据量；5)发送耗能，发送消息消耗的能量，以发送单位数据消耗1个单位的能量来计量；6)碰撞次数，节点在侦听状态同时收到2个及以上数据的次数42-t-宇型网络评估十字型网络由2条均匀分布的线型网络垂直相交组成，基站为对称中心十字型网络由134共42个节点加上1个基站组成，每个节点在E1000ms，2000ms中随机产生2个单位的数据包，数据通信范围为1跳实验结果如表1所示，表1为MD【)_MAC，DwMAC和TMAC在消息传递率、占空比、端到端延迟、最大消息负载量、发送数据耗能和平均碰撞次数性能的对比结果Table1Perform anceof CrossNetwork表1十字型网络性能对比Protocol。 el iveryRati oDut e，End toend。 eas BMa l|E yS“c。 MDDMAC99641088056389268830MDMAC99881092047369285890DWMAC981110411453329278658TM AC9740225317135394025034理论分析表明，当n一3时，节点成功建立连接的最大时间为t。 =202ms，基站周围有4个上游邻居节点，每个节点在接收数据时隙需占用最大为tlink+2C (2)?(tM4-t de1)的时间接收数据，根据式 (4)可求基站周围节点最大消息传输量L?一4213同理，当一4时，L?一5195又结合式 (6)可得节点理论最大负载量C (1)一39满足推理3，故理论上MDD-MAC。 和MDI)-MAC协议都不会出现拥塞实验结果验证了理论分析中定理2和推理3的正确性MDDMAC比MDDMAC。 具有更低的端到端延迟；消息最大负载量为38和36，分别比理论分析的最大值4213和5195小，并且网络未出现拥塞表1表明，MDDMAC保持着较高传递率、较低延迟和负载以及0碰撞其中MDDMAC的端到端延迟和最大消息负载量分别比DW-MAC少6759和8916，比TMAC少7249和8980DWMAC协议通过将建立连接和发送数据分开，减少了碰撞的次数，而网络中节点的上游邻居节点除基站外均为1，多跳转发容易实现，保持较低的占空比和较TMAC更小的延迟TMAC由于没有高效的管理策略，导致大量的碰撞，使得传输质量降低，占空比较高43网格网络评估在网格网络中，基站处于网络的中央位置，每个节点与其邻居节点的距离为100ITI，每个节点在E1000ms，2000ms中随机产生1个单位的数据包，节点通信半径为100m网格规模从33(9节点)逐步扩大到1313(169节点)图4是MDDMAC，DWMAC和TMAC在网格网络环境中的性能对比图图4(a)为MDD-MAC，李哲涛等WSN中状态轮换分组的数据收集MAC协议DWMAC和TMAC协议的占空比性能对比图由于网格网络中节点有多个上游节点，当节点数据量较大时，MDD-MAC采用单时隙最大交付策略，空闲等待的时间较长，占空比较高DWMAC采用建立连接与数据传输分开的机制，在数据期空闲等待时间少，占空比最低TMAC中节点一直向目标节点发起建立连接直到数据传输完成为止，因而占空比最高MDDMAC。 节点占空比较MDDMAC低，验证了理论分析中的推理1图4(b)为MDDMAC，DWMAC和TMAC协议的端到端延迟性能对比图MDDMAC采用全网董占占芝9墓苎舌l童薯U I姜暑Number ofNodesalong Edge of Grid(a)Average dutycycle Nu m berofNodesa10ngEdge ofGrid(c)Delivery ratioNu mber ofNodesalong Edgeof Grid(e)Average andmaximum collisiontimes统一状态轮换调度策略和单时隙最大交付策略，保证了数据的多跳转发，端到端延迟基本维持在1S以内，MDDMAC节点延迟较MDDMAC。 略低，验证了定理2的正确性DWMAC由于在通信半径内单周期仅有一对节点可传输数据，消息传递缓慢，随着网络规模增大，消息长久滞留，延迟急剧增加TMAC不断向目标节点发起建立连接，直到数据传输完毕的机制使得其延迟比DWMAC要低，但缺乏优越调度策略，交付混乱，延迟较高图4(c)为MD【)_MAC，DWMAC和TMAC协议的包传递率对比图MDDMAC由于多跳转发的宣古专车蛋Number ofNodesalong EdgeofGrid(b)Average endto-end delayNumber ofNodesalong EdgeofGrid(d)Energy consumptionofsend dataNumber ofNodesa longEdgeofGrid(f)Averagea ndmaximumbuf ferloadFig4Performance ingridworks图4网格网络性能参数对比案0口00(1蜀In0u矗矗岫0_【0_I；量鲁【窆勺毫0BJ计算机研究与发展2O14，51 (6)优越性，始终保持着最高的传递率DWMAC在99网格规模后就开始出现严重拥塞，多跳转发难以实现，包传递率降低，与理论分析一致TMAC在DWMAC未出现网络拥塞时传递率较DWMAC低，随着网络规模增大，DWMAC出现拥塞后TMAC包传递率超过DwMAC图4(d)为MDI)_MAC，DWMAC和TMAC协议中节点的平均发送消息耗能性能对比图总体来看，所有协议的节点耗能基本随网络规模线性增长且相差不大MDD-MAC由于传递率最高，耗能较大，MDDMAC与MDDMAC。 耗能无差别，验证了定理3的正确性DWMAC保持着最低的能耗，是因为该调度策略在轻流量网络下碰撞较少(如图4(f)所示)，而重传的次数较少；网络规模较大时包传递率降低，发送耗能同样较低TMAC相比MDDMAC略大，这是因为TMAC发送过多无效的请求包所致图4(e)为MDDMAC，DWMAC和TMAC协议的平均和最大碰撞次数对比图可以看出DWMAC的碰撞次数最少，与之前分析一致TMAC最多，同样是由于混乱传输所致而MDDMAC碰撞较高，这是由于网格网络的上游节点数目最高达3个，采用最大时隙交互策略易产生大量碰撞图4