傳感器網絡中異步廣播MAC協議的研究

顏 光

（南京審計大學金審學院，江蘇 南京 210023）

傳感器網絡中異步廣播MAC協議的研究

顏 光

（南京審計大學金審學院，江蘇 南京 210023）

文章在論述節點休眠調度算法中加入了能量感知，這樣做主要是控制剩余能量值低的節點的喚醒次數，使其盡可能地處于休眠狀態以節省能量。不過這樣可能會增加網絡的延遲，但是換來的是網絡中的節點均勻地消耗能量，從網絡的整體來說，可以增加其工作時間。

異步MAC；廣播；能量感知；負載均衡

1 WSN的MAC協議

MAC協議是在網絡協議的底層，會影響WSN的性能，MAC協議對WSN的高效率通信具備一定的保障作用。

WSN節點的存儲、能量以及通信帶寬等資源是有限的，單個節點的功能較弱，而WSN眾多節點的協作使其具有強大的功能。在局部范圍多點通信的無線信道分配是需要MAC協議來為其協調的，在全體網絡范圍內需要路由協議去選擇通信路徑。

2 建模和問題描述

2.1 網絡模型

無線傳感器網絡中的節點主要包括兩種，即工作狀態和休眠狀態。WSN的節點在工作狀態時，一方面提供基本的感知功能，另一方面還需數據發送、接收等通信功能，在不發送數據時，節點處于空閑偵聽；如果節點休眠，那么其會關閉所有功能，但定時功能除外。

假設以ΓA表示WSN節點i工作調度表的一個周期，即整個網絡為有限的工作狀態和休眠狀態共同構成的集合，用T來表示WSN節點在周期內所需的時間。所以至于節點i，其第j次的工作狀態可以用結構（來表示，其中表示節點i第j次處于工作狀態的開始時間; τ表示第j次的工作狀態需要的時間，即時隙個數，節點是工作狀態還是休眠狀態，時隙大小固定。其節點i 的一個周期工作調度表的公式為：

節點占空比（Duty Cycle，DC）是指傳感器節點所有處于工作狀態所持續時間之和與節點從開始到失效所持續時間的比值.如果節點是周期性的，那么WSN節點的占空比可表示為周期內工作狀態的時間去除以總時間。

表1說明了節點i的一個周期。表中灰色填充的部分代表WSN節點是工作狀態，白色部分則說明節點處于休眠狀態，每個方框代表一個時隙。這樣就可以計算出WSN節點i在每個工作周期內的工作調度表：ΓA={（4，1），（5，1），（8，1），（10，1）}。

表1 節點i的工作調度表

WSN網絡可以通過一個有向連通圖G（V，E）表示。每個節點通過一個傳輸范圍Rt（v）和一個接收范圍Rh（v）。在本文中對此作了簡化處理，即所有的節點分別具有相同的傳輸范圍和相同的接收范圍。另外一方面，在節點v的傳輸中，所以在傳輸范圍內的節點可以以大概率正確解碼。

在離散數學中，連接圖由連接矩陣表示。根據節點vn和vm是否直接連接，有向連接圖的矩陣的元素（m，n）規定為1或者0。在本文中，所有的結點周期性的向匯聚節點S匯報數據。單位時間內由節點v發送的平均數據包數由D（v）表示。

2.2 存在問題

對于能量不平均現象，因為目前針對WSN的研究多集中于最小功耗問題，單個節點的性能是需要更多關注的，類似能否找出一種讓單個節點耗能少的方法。但事實上人們并沒有更多地去關注能耗均衡的問題以及這個問題是否會影響網絡的壽命。假如某個網絡的壽命是其中某一個節點死亡的時間，那對路由協議的要求則是其應該能夠保持整個網絡中的節點消耗能量平均，這樣來控制所有節點在差不多的時間死亡。但是大部分的機制都是：針對某個節點收發數據包來節省能量，盡量少重傳，信息的發送都是考慮質量較好的節點，導致每次廣播包的發送會分配到固定的節點，這樣就會使整個節點快速死亡，嚴重的是影響整個網絡。

3 能量感知路由算法分析

3.1 算法的前提

該算法方案是需具備某些條件的，如下所述：

（1）網絡中節點的工作調度表應符合周期特性。（2）節點在部署前隨機選擇其工作調度表，在節點之間進行鄰居發現后會共享其工作調度表。節點在更新其工作調度表之前會通知所有鄰居節點，在確定其所有鄰居節點都知道新的工作調度表后，該節點會在下一次蘇醒時啟動新的工作調度表。

（3）WSN節點間的鏈路質量能維持不變。（4）WSN中節點應該是時鐘同步的，這里使用FTSP協議確保同步。（5）至于沖突的問題不去考慮。

在所有節點都一直處于工作狀態的網絡中，鄰居節點之間可以隨時發送或接收信息.這時，節點之間數據傳輸延遲一般都是毫秒級別，可以忽略。但是在LDC-WSN中，發送節點必須要等到其鄰居節點處于工作狀態才能向其發送數據，而這個需要等待的時間可能是幾秒甚至幾十秒。

在該文章中，要定義一個概念，休眠延遲，即將發送節點收到準備傳輸給其鄰居節點的數據信息到鄰居節點蘇醒處于工作狀態所持續的時間。LDC-WSN中，休眠延遲會較大。所以，通信延遲應忽略，端到端通信我們只去關注休眠延遲。

3.2 算法設計

在現實無線傳感器網絡中，因為節點許多因素的影響，比如節點初始能量值不同等，這都會影響節點的剩余能量，所以再繼續去使用該節點的話，就會出現因能耗不足而死亡，如果類似節點數量增多那肯定就影響了整個網絡性能。針對上文所述問題考慮，改進了某些缺點，增加了能量感知，這樣做主要是控制剩余能量值低的節點的喚醒次數，使其盡可能地處于休眠狀態以節省能量。不過這樣可能會增加網絡的延遲，但是換來的是網絡中的節點均勻地消耗能量，從網絡的整體來說，可以增加其工作時間。

本文改進了能量感知路由算法。該算法相較于之前的算法最大的改進在于，它沒有選擇單條最優的路徑，而是記錄一組“良好”的路徑，然后基于概率的方式選擇其中一條。根據仿真結果顯示，當通信不再選擇單一的路徑，而是選擇多跳路徑，單一的節點不會遭遇能量耗竭，從而延長了網絡的平均壽命。

能量感知路由協議是一種接受者發起的協議，數據的使用者，也就是接收端發起路由請求，并且持續維護路由表。

算法如下：

建立階段：通過局部泛洪來獲取從源節點到匯聚節點的路由信息和能量消耗信息。以此建立路由表。

數據傳輸階段：根據從建立階段獲得的信息來進行數據從源節點向匯聚節點傳輸。路徑根據前面計算的能量消耗進行基于概率的選擇。

路由維護：通過不頻繁的局部泛洪機制保持局部路由信息的更新。

3.2.1 建立階段

（1）目的節點通過泛洪網絡向源節點的方向發起連接，同時在發送請求之前將“Cost”域置零。

（2）接收到請求的節點計算發送節點到接收節點的傳輸能耗，然后把該值加到路徑的總能耗。所以如果有請求從節點Ni發送到Nj，節點Nj會按照以下公式計算路徑功耗：

3.2.2 數據傳輸階段

（1）源節點按照路由表中存儲的路由概率選擇接收鄰節點。

（2）每個中間節點按照路由表中存儲的路由概率選擇接下一個收鄰節點。

（3）重復步驟2知道數據包到達匯聚節點。

4 結語

通過研究分析節點休眠調度算法，改進了某些缺點，增加了能量感知，這樣做主要是控制剩余能量值低的節點的喚醒次數，使其盡可能地處于休眠狀態以節省能量。不過這樣可能會增加網絡的延遲，但是換來的是網絡中的節點均勻地消耗能量，從網絡的整體來說，可以增加其工作時間。

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Research on asynchronous broadcast MAC protocol in w ireless sensor networks

Yan Guang
（Jinshen College, Nanjing Audit University, Nanjing 210023, China）

This paper has added the energy perception to the node scheduling algorithm w ith energy aware, which is mainly used to control the wake times of the node w ith low residual energy value, making it in a dormant state to save energy as much as possible. This may delay the network although it can make the nodes consume energy evenly in the network and increase its working time from the overall network.

asynchronous MAC; broadcasting; energy perception; load balance

顏光（1982— ），男，江蘇宿遷。