无线传感器网络多信道接入控制协议

1、收稿日期:2006206227收修改稿日期:2006211213作者简介:陈迅,男,1976年生,博士研究生,研究方向为无线传感器网络,嵌入式系统;陈闻杰,男,1976年生,博士研究生,研究方向为无线传感器网络,嵌入式系统;韩鹏,男,1977年生,博士研究生,研究方向为无线传感器网络;涂时亮,男,1947年生,教授,博士生导师,研究方向为嵌入式系统,无线传感器网络;陈章龙,男,1946年生,教授,研究方向为为嵌入式系统,无线传感器网络.无线传感器网络多信道接入控制协议陈迅1,2,陈闻杰1,韩鹏1,涂时亮1,陈章龙11(复旦大学计算机科学与工程系,上海2004332(江苏科技大学电子与信息学院,

2、江苏镇江212003E 2m ail:xunchenfudan .edu .cn摘要:在现有的无线传感器网络和A d 2Hoc 网络中的M A C 协议基础上,并考虑到无线传感器网络的条件约束和多信道通信的特性,本文提出了一种适用于无线传感器网络的多信道媒介接入控制协议(M C M A C .仿真结果表明该协议提高了网络的吞吐量、能量的有效性,并延长了网络寿命.关键词:无线传感器网络;M A C ;多信道;能耗中图分类号:T P 393文献标识码:A 文章编号:100021220(20071021729206M ulti -channel M ed i a Access Con trol Pr

3、otocol for W ireless Sen sor NetworksCH EN Xun1,2,CH EN W en 2jie 1,HAN Peng 1,TU Sh i 2liang 1,CH EN Zhang 2long 11(D ep a rt m en t of Co mp u ter S cience &E ng ineering ,F ud an U n iversity ,S hang ha i 200433,Ch ina 2(S chool of E lectron ics &Inf or m a tion ,J iang su U n iversity of

4、 S cience &T echnology ,Z henj iang 212003,Ch ina Abstract :Based on the p resent M A C p ro toco ls fo r w ireless senso r netw o rk s and A d 2hoc netw o rk s and taken into account the restricti ons in w ireless senso r netw o rk s and the characteristic of the m ulti 2channel comm unicati on

5、 .T h is paper p ropo ses a si m 2p le and effectiveM ulti 2ChannelM A C p ro toco l fo r ireless senso r netw o rk .T he si m ulati on result show s that p ro toco l i m p roves th roughput and energy efficiency ,at the sam e ti m e ,p ro longs the netw o rk lifeti m e .Key words :w ireless senso r

6、 netw o rk s ;m ulti 2channel ;edia access contro l (M A C ;th roughput ;energy efficiency1引言许多研究表明在无线传感器网络中节点用于通信的能量消耗远远高于用于CPU 及其他电路能量的消耗1.通信协议的好坏直接影响到网络的寿命,一个简单有效的通讯协议可以大大减少能量的消耗,延长网络的使用寿命.媒介接入控制(M A C 协议是通信协议栈中重要的一层协议,对于无线传感器网络,该层协议设计首要考虑的也是能量有效性的问题,其次才是可扩展性和公平性.M A C 协议必须能够在保障网络正常通信的前提下,使无线传感器节

7、点的电能消耗达到最小,从而延长无线传感器节点的工作时间和整个网络的使用寿命.2技术背景无线传感器网络通信过程中节点除了用于数据收发所必须消耗的能量外,还有因为数据碰撞和控制开销等因素引起的其它方面的能量消耗.我们一般将造成这种能量的消耗的原因分成4种类型:1.数据碰撞(data co llisi on :当一个接收节点同时处于两个发送节点的覆盖范围之内时,若这两个发送节点同时向接收节点发送消息包,则消息包会在空中发生碰撞,从而导致该消息无法被接收方节点正确接收.为了完成数据的成功发送,发送方必须重新发送消息包,数据包的重发必然造成节点能量过多的消耗.研究者往往采用基于竞争的退避算法来减小这种碰

8、撞情况的发生几率,例如二进制指数退避算法、倍数增线性减避退算法等.2.串音(overhearing :当一个节点接收和处理的不是发送给该节点的数据包时,就造成了无效的数据接收和处理,带来了不必要的能量消耗.小型微型计算机系统Journal of Ch inese Computer System s 2007年10月第10期V o l 128N o .1020073.空闲侦听(idle listening:节点在不需要发送数据时仍然要保持对无线信道的侦听,以便接收可能传输给自己的数据,但是过度的空闲侦听必然造成节点能量的浪费.所以必须采取有效的措施,以尽量减少网络空闲侦听,节约能量.4.控制开销

9、(contro l overhead:用于协调各节点工作的各种控制包(如R T S CT S A CK,而非有效数据传送所消耗的能量开销.无线传感器节点的通信模块通常有发送、接收、空闲和睡眠几种工作模式.前三种模式电能的消耗相差不多,最后一种睡眠模式的电能消耗大约比前三种模块式低三到四个数量级,由此可见在设计M A C协议时可以通过延长节点睡眠时间的方法来提高节点的工作时间和网络寿命.2.1无线传感器网络中的M AC协议为了能够在无线传感器网络能量约束和硬件资源约束的条件下实现有效的通信,人们针对无线传感器网络的特点已经设计并提出了许多新颖的M A C协议,这些协议可以被简单的分成以下四种类型

10、.S2M A C2协议既是最早被提出应用于无线传感器网络的M A C协议之一,也是典型的基于竞争的随机接入协议.S2 M A C协议为了节省能量,使无线传感器网络中的各节点实行间歇的工作模式,一个通信周期分成活跃期和睡眠期.只有在活跃期,各节点之间才可以通过R ST CST A CK等控制信息包进行握手,然后相互发送数据,从而进行有效的数据通信.一旦进入睡眠期各节点关闭电源进入睡眠状态,以达到节约能量的目的.邻居节点之间需要一定的同步控制机制,使得邻居节点的活跃期能够做到同步.T2M A C7协议是S2M A C 改进版本,其进一步缩短了传感器节点的空闲侦听时间,减少了无线传感器网络中的能量消

11、耗,延长了网络的寿命.为了完全避免数据包的碰撞,许多基于TDM A机制的M A C协议被提出来.TRAM A3是其中具有代表性的协议, TRAM A协议主要由邻居协议、调度交换协议和自适应时隙选择算法三部分构成.其原理是将通信时间分成连续的时隙,然后根据两跳内邻居节点的信息,采用分布式选举机制为每个时隙,选择一个唯一的发送者,并避免把时隙分给无数据发送的节点.与此同时让无数据发送和接收的节点处于睡眠状态以达到节约能源的目的.该类协议要求节点除了具有用于传输有效数据的数据收发器外,还需要一个专用于唤醒目的节点的低功耗收发器(称为唤醒收发器.该收发器只能发送和接收唤醒信号,不能够传送具有实质性内容

12、的数据信息.当节点平时无数据发送时,各节点关闭高能耗高速率的数据收发器,同时间歇的打开低能耗的唤醒收发器.如果节点有数据要发送,则就通过唤醒收发器发送一定时间长度的唤醒脉冲,以便周围节点都能够接收到唤醒信号.一旦目的节点收到唤醒信号就选择合适的时机将数据收发器打开,然后通过数据收发器进行握手联系从而实现有效的数据交换.最近出现了一种基于多信道的M A C协议MM SN6,该协议基于通信频道固定分配机制和竞争接入机制,实现了多信道环境下的媒介的接入控制.MM SN协议需要节点间的时间同步机制,以便相邻节点的通信周期同步.MM SN协议首先给无线传感器网络中的节点分配固定的信道资源.相邻节点分配到

13、不同的信道资源,从而避免相邻节点的通信冲突.然后MM SN协议将每个通信周期分成广播竞争阶段和单播竞争阶段.在广播竞争阶段所有节点竞争同一个广播通信频道,而在单播竞争阶段节点竞争各自目标节点的通信频道.该协议由于基于竞争方式不可避免的会出现数据的碰撞和一定的隐藏终端的问题,同时它在频道资源的利用率和能量有效性上有待进一步提高.2.2Ad-Hoc网络中的多信道M AC协议在A d2Hoc网络中已经提出了很多基于多信道的M A C 协议,在此我们只作简单介绍.这些协议根据无线收发器性能和数量大致可以分成两个大类.这类协议要求每个节点至少装有两个或两个以上的半双工的无线收发器,并且节点可以同时在多个

14、信道上进行数据的发送或接收.PCAM8,DCA10,都属于这样的类型.这种类型对硬件资源有较高的需求,节点需要装配多个无线收发器,提高了节点的复杂度和成本.这类协议中每个节点只装配了一个半双工的无线收发器,无线收发器可以动态的在各通信频道之间切换.由于是半双工,所以节点不能同时进行数据的发送和接收.MM A C9协议就是基于多信道单收发器的协议,但是该协议用于接入控制的开销过大,难于满足无线传感器网络能量受限的要求.总的来说,针对A d2Hoc网络设计的多信道M A C协议,不能直接应用于无线传感器网络的原因主要有以下三点.首先,针对A d2Hoc网络设计的M A C协议首要考虑的是吞吐量、接

15、入延时、公平性等性能参数,能量的消耗往往处于次要考虑的位置.但是能量有效性是无线传感器网络中首要考虑的问题,它直接关系到无线传感器网络的实用性.如果将A d2Hoc网络中的多信道M A C协议直接用到无线传感器网络中,必导致节点能量在短时间内迅速被耗尽,造成网络瘫痪.其次,一些多信道M A C协议需要每个节点装配多个无线收发器.由于收发器数目的增加不但增加了节点的能量消耗,而且增加的了单个节点的成本.对于一个大规模的无线传感器网络来说,传感器节点的成本是一个重要而且敏感的因素,过高的节点成本必然会限制无线传感器网络的应用和发0371小型微型计算机系统2007年展.而实践证明单收发器提供多信道的

16、功能不会对无线收发器成本有明显提高,这也为多信道收发器在无线传感器网络中的使用提供的了经济上的可能性.最后,由于无线传感器网络中的数据包尺寸相对比较小,而传统A d2Hoc网络的多信道M A C协议中的控制包开销比较大.若将这些协议直接应用到无线传感器网络中,将严重影响网络的通信性能,降低网络中能量使用的效率.因此我们需要针对无线传感器网络自身特点,设计一个简单有效的多信道M A C协议.3多信道M AC协议(M C M AC的设计框架本文提出一个基于簇的多信道M A C协议,其提高了节点在通信过程中的能量有效利用率和网络的吞吐量,减少了能量的消耗,延长了节点和网络的寿命.3.1假设条件在提出

17、本多信道M A C协议之前,本节先给出无线传感器网络和节点实现本协议所需要具备的几个假设条件.无线传感器节点装备有一个可支持多信道通信的半双工无线收发器,其每个信道的带宽都是相同的,信道之间频谱相互不重叠.目前具有多信道功能的无线收发器很多,其中常见的有ch i pcon的CC2420,freescale的M C13192等.多信道被分成多个数据信道和一个控制信道,数据信道只能够传输数据包,控制信道可用于传输控制包和数据包.无线收发器信道切换的时间延时低于200微秒,无线收发器的发送延时低于200微秒(从关闭状态到正常发送状态的切换时间13.通过一定的时钟同步协议可以使簇内的各成员节点的时钟同

18、步精度达到0.1毫秒11.根据一定的分簇算法将无线传感器网络分成多个重叠的簇,假设每个簇的成员最多不超过32个,且所有成员节点都是其簇头节点的一跳邻居节点.为了便于簇头节点之间进行同步和控制信息的交换,要求簇头节点之间的通信距离是普通成员节点之间通信距离的两倍.文中将源节点和目的节点称为节点对或通信对,其之间构成的是一条通信链路.3.2协议框架 .图1通信帧结构F ig.1Comm unicati on fram e structure网络在分成多个相互有重叠的簇后,相邻簇头节点之间协商各簇的活跃期和睡眠期的时机,使相邻簇交替的进入活跃期,以避免相邻簇互相干扰.因为每个簇的活跃期都很短而睡眠周

19、期相对较长,所以相邻的各簇头可以在共同的簇内通信睡眠期内,选择一个时间进行簇间同步信息和控制信息的通信,文章中称这时间为簇头会晤时间.簇头之间的通信是在控制信道上完成的.4协议描述一旦簇建立后,各簇头节点和簇的成员节点可以获取并保存有关本簇和邻居节点的一些信息,例如簇号,簇内节点的数量,节点的I D列表,邻居节点I D号和其归属簇的簇号以及簇内的时间同步信息等.各节点可以根据时间同步信息来设置自己的唤醒时钟,协调控制节点的工作状态的切换 .图2多信道M A C协议实现过程示意图F ig.2P ro toco l demonstrate现在对照图2详细描述协议实现的过程.4.1同步信标窗口137

20、110期陈迅等:无线传感器网络多信道接入控制协议4.2信道预约窗口信道预约包中标志信息字段包括两个特殊的标志位.1.广播包标志,其占一个比特位,当其设为“1”时,表示节点将要发送的是一个广播数据包,反之为“0”时表示将要发送的是单播数据包,以此在M A C层实现对广播的简单支持.2.数据包优先级标志,其占两个比特位,可以表示四个不同的优先级,从而在M A C层实现对Q oS的一些支持,为上层协议的设计提供了便利.经过信道预约窗口阶段后,簇头节点收集到簇内各节点发送的预约信息,开始进行信道和资源的分配,并将结果通过信道分配调度窗口在簇内进行广播.4.3信道分配调度窗口当信道预约窗口结束,进入到信

21、道分配调度窗口,所有簇的成员节点在各自内部的定时时钟的控制下醒来,并且依旧工作在控制信道上,监听并准备接收簇头节点发送的信道调度信息包(以下简称调度控制包.当成员节点接收到调度控制包后,根据调度包中信道分配信息,将无线收发器切换到指定的频道,以便在数据传输窗口期完成各自的数据通信工作.信道调度信息包由包类型、节点请求状态位图、附加信息、调度控制块数目、调度控制块、校验和等字段组成.下面详细介绍信道分配和广播支持机制以及调度控制包中各字段的含义.调度控制包中调度块数目字段和调度控制块字段是用来指明信道调度的具体信息,调度控制块的数目与实际分配的信道数量一致的,总数不超过系统可用的信道总数.每个调

22、度控制块主要有源节点标识字段,目的节点标识字段和分配的信道编号字段.各源、目的节点就是根据控制块的信息,来调整各自的动作和状态.调度控制包中的附加信息字段也是可选项,具体含义和用途在下面的文字中介绍.4.4数据传输窗口在数据传输窗口阶段,分配到信道资源的节点对可以在指定信道上直接进行数据交换,数据交换完成后源、目的节点立刻关闭无线收发器并进入睡眠状态.若节点未分配到信道资源或者无数据发送,则其在整个数据通信窗口期关闭无线收发器保持睡眠状态,从而最大可能的节约节点能量.本文中的多信道M A C协议提供了对广播包的简单支持.当某个节点有广播包需要发送时,将信道预约包内的广播标志位置“1”.当簇头节

23、点收到信道预约包后,优先给该广播源节点分配信道资源.在数据传输窗口期,由簇头节点接收该广播源节点发送的广播数据包,然后簇头节点在簇间通信会晤时间内,将该广播包发送给其他簇头节点.在下一个通信活跃期,各簇头节点采用捎带技术,将该广播信息包作为附加信息字段嵌入到调度控制包中,在信道调度控制窗口期随同调度信息在簇内广播.这种方式既实现了M A C层对广播消息发送的支持,又不影响其他节点单播信息的发送.与其他M A C协议相比,只有簇头节点才参与广播消息的转发,大大减少的广播包的发送数量,节约节点的能量延长了节点寿命.图2中显示了一个具体的协议工作流程.节点1、2需要分别与节点7和8进行通信,首先在经

24、过同步信标窗口后,两源节点分别向簇头节点预约信道资源并指定目的节点,然后簇头分配1号信道给源节点1和目的节点7,分配2号信道给源节点2和目的节点8.这样在数据传输窗口,各通信对在各自拥有的信道上完成通信.2371小型微型计算机系统2007年5仿真结果及讨论为了研究协议的性能,在OM N ET +环境下进行该协议的性能仿真,各初始参数根据表1中的默认值进行设置.表1仿真参数T able 1Si m ulati on param eter参数项参数值网络面积200米×200米正方形区域节点数目400节点布置随机散布通信速率250Kbp s工作电流:收 发17.4毫安 19.7毫安睡眠模式

25、电流20微安通信半径30米通信负荷2包 节点 秒数据包长322256字节5.1能量有效性与信道数之间的关系在本实验中,我们将每发送一个字节有效数据的能量消耗作为考核的一个指标.该数值可以通过将系统中通信所消耗的总能量除以通过M A C 层发送出去的有效数据字节数计算出.本实验中我们设计数据包长度固定为100字节,实验结果如图3所示,随着信道的增加, 我们的多信道M A C 协议的图3能量有效性与信道数之间的关系F ig .3Energy efficiency vs channel variety5.2能量有效性与包长度的关系本实验项目中,我们在信道数为8个,数据包的长度从32字节增加到256字

26、节的条件下,研究协议能量有效性与数据包长度之间的关系,并与MM SN 协议进行性能比较. 仿真结果如图4所示,整体来说本协议的能量有效性明显优于图4能量有效性与数据包长度之间的关系F ig .4Energy efficiency vs packet lengthMM SN 协议.这是由于协议利用簇头节点来协调簇内的通本实验中,我们在不同的包长度和不同的网络负载的情况下研究协议的吞吐量. 实验中信道的数目仍为8个信道,同时通过改变网络中数据源节点的数量来实现不同网络负载的情况来考察网络的吞吐性能.图5吞吐量与数据源节点之间的关系F ig .5T h roughput vs source node

27、从图5可以看出网络的数据吞吐量开始会随着数据源的增加而提高,这是因为有更多的节点参与了通信.由于多信道条件下,在同一个通信空间范围内,允许多个节点对构成的多个通信链路同时工作,从而增加了网络的吞吐量.同时从图5337110期陈迅等:无线传感器网络多信道接入控制协议1734 小型微型计算机系统 2007 年 我们可以发现, 网络的吞吐量不会随着数据源的增加, 无限制 的提高. 这是由于信道资源必定是有限的, 过多的数据源或过 重的负荷会在网络中形成拥塞的现象, 使得网络吞吐量达到 饱和, 无法进一步提高. 本协议不会出现一些基于竞争的随机 接入协议中出现的那种由于拥塞现象而导致吞吐量的下降的 情

28、况, 这是由于簇头节点起到了信道分配协调作用. 源节点发 送信道预约请求后, 一旦簇头分配了信道资源给该节点, 其就 可以在数据传送窗口时间内, 独占该信道进行数据传输, 不会 发生数据包的碰撞. 而且信道预约包也是在各自独占的时隙 槽内进行, 同样避免了碰撞. 因此网络可以充分利用信道资 源, 不会由于数据包的碰撞降低网络性能. 5. 4消息广播的能量消耗和网络寿命 在此项实验中我们研究本协议在实现消息广播时的能量 消 耗和网络的寿命 , 并与MM SN 协议做了比较研究. 如图 6 所示 , 在采用MM SN 协议的网络中广播一个消息包的能量 得到了节约, 延长了网络的寿命. 并且该协议利

29、用动态的信道 分配方式, 提高了多信道的利用率, 避免了数据包碰撞冲突, 提高了网络的吞吐量. 仿真实验结果表明我们的协议达到了 较好的能量有效性和较高的吞吐量. 最后本协议还对数据包 广播提供了有效的支持, 减少网络进行广播时的能量消耗. 将 来我们将进一步研究多信道M A C 协议对 Q oS 和高层协议的 支持, 从而能够进一步提高无线传感器网络的性能和寿命. References: 1 A kyild iz I F , Su W , Cayirci E, et al W ireless sen so r net2 . w o rk s: a su rvey J . Com p u te

30、r N etw o rk s ( E lsevier Jou rnal, 2002, 38 (4 : 3932422. 2 Ye W , H eidem ann J , E strin D. M ed ium access con tro l w ith co 2 o rd inated adap tive sleep ing fo r w ireless sen so r netw o rk s J . 506. 3 R ajend ran V , O b raczka K, J J , et al Energy 2efficien t, co lli2 . 4 Bao L , J J ,

31、Garcia 2 una2 ceves. A new app roach to channel L A ternational Conference on M ob ile Com p u ting and N etw o rk ing, w o rk energy con sum p tion u sing a w akeup rad io J . 7 D am T V , L angendoen K. A n adap tive energy2efficien t M A C 180. Hoc N etw o rk ing and Com p u ting, M ay 2004. m un

32、 ication p ro toco l fo r w ireless m icro sen so r netw o rk s C . System Sciences, 2000, 1210. fo r m u lti2hop w ireless netw o rk sC . In: P roc. IEEE W CN C, 2004, 111021115. . ing and M ob ile Com p u ting, vo l 2, 2005, 9802984. A rch itectu res, A lgo rithm s and N etw o rk s, 2000, 2322237.

33、 10 W u S 2 , L in C 2Y, T seng Y 2C, et al A new m u lti2channel . L hop m ob ile ad hoc netw o rk s C . In t Sym po sium on Parallel l IEEE P roceed ing s of the H aw aii In ternational Conference on w o rk s: hand ling m u lti2channel h idden term inals u sing a sing le tran sceiver C . A CM In t

34、ernational Sym po sium on M ob ile A d T ran saction s on M ob ile Com p u ting, M ay 2005, 4 (3 : 2282242. C . IEEE Infocom , A p ril, 2006. frequency m ed ia access con tro l fo r w ireless sen so r netw o rk s signm en t based M A C ( PCAM 2a m u ltichannel M A C p ro toco l 2000, 21022211. IEEE

35、5 M iller M J , V aidya N H. A M A C p ro toco l to reduce sen so r net2 9 J ungm in So, N itin V aidya. M u lti2channelM A C fo r ad hoc net2 sion 2free m ed ium access con tro l fo r w ireless sen so r netw o rk s C . In: P roc. A CM SenSys 03, N ovem ber 2003, 1812192. 图 6一次数据广播 的能量消耗 F ig. 6Energy con sum p tion p er b roadca st 图 7网络 寿命 F ig. 7N etw o rk lifeti e m 消耗大约为 0. 6 焦耳 , 而采用本协议的网络能量消耗约为 0. 01 焦耳, 两者相差的大约 40 倍. 其原因是在本协议中通过 簇头节点代替普通节点转发广播包, 很大程度上降低了广播 包的收发数