拓扑链官网 [LC-MAC：一种针对长链拓扑的无线传感器网络MAC协议]

　　摘要：在无线传感器网络的实际应用中，传感器节点常用于监测一条直线上的物体，如电力电缆监测系统、水道监测系统等。在长链拓扑下，随着中继节点越来越靠近接收节点，多跳传输的负载和延迟将会不断增大，导致剧烈的碰撞和冲突，从而影响接收节点处测量数据的准确性，甚至导致整个网络的崩溃。该文提出了一种带占空比机制的MAC协议，称为LC-MAC（the Long-Chain MAC）协议，在LC-MAC协议下，超级同步帧（super SYNC，SSYNC）为后面的数据传输进行预约；预约完成后，各中继节点都在预约时间醒来，接收上游节点的数据包，并且立即转发给下游节点。NS-2的仿真实验结果表明，相比于SMAC协议，LC-MAC协议在保证能耗和吞吐率性能的情况下，极大地降低了长链拓扑的端到端延迟。
　　关键词：LC-MAC；长链；无线传感器；MAC；多跳
　　中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)13-3030-05
　　1概述
　　目前，在无线传感器网络的许多实际应用当中，数据流都是由通过单向骨干网同接收节点相连的若干源节点收集的数据组成的，而这些由几十个节点组成的骨干网在一些应用中都形成了一种长链的拓扑，如对电缆系统的监控、水道船只的监控、道路交通的监控等等。同其他无线传感器网络的应用类似，除了接收节点以外，其他节点都有着有限的能量资源、相对弱的运算能力和相对少的存储空间。
　　在长链网络中，中继节点首先监测到事件，然后将事件通过数据包的方式发送给接收节点。假设事件发生地点沿着长链拓扑平均分布，数据包将采用一种多对一的方式逐跳发送至接收节点。在这种情况下，随着中继节点越来越靠近接收节点，多跳传输的负载和延迟将会不断增大，从而导致剧烈的碰撞和冲突，甚至丢包。在理想情况下，这仅仅影响接收节点处测量数据的准确性，在严重情况下，可能会导致整个网络的崩溃。
　　众所周知，南加州大学的叶伟小组提出了SMAC[1]协议，其目标是降低IEEE 802.11协议的能耗。为了进一步降低能耗和延迟，基于SMAC协议的占空比机制，随后出现了一系列的MAC协议，如U-MAC[2]、T-MAC[3]和DSMAC[4]等，这些协议都提出了不同的占空比机制，为不同节点和不同的负载分配不同的占空比。然而，采用占空比机制的MAC协议都面临一个数据转发干扰问题，位于多跳路由上的节点并不知道数据的发送时间，从而导致了剧烈的睡眠延迟。其他基于TDMA[5-7]和多信道[8-10]的MAC协议也不适用于这种情况。以上所有的MAC协议能够降低无线传感器网络的能耗和端到端延迟，但是都不适用于特定的长链拓扑。
　　为了降低特定长链拓扑的传输延迟，延长节点的生命周期，该文提出了LC-MAC协议，一种低延迟和低能耗的MAC协议。LC-MAC协议利用位置检测技术（Location Detection technique）来实现节点定位，并采用SSYNC传输技术为数据发送进行预约，最后采用突发传输技术（Burst transmission technique）实现数据包的传输。该文的剩余章节安排如下：第二节分析长链拓扑中遇到的问题，第三节是协议设计细节，第四节给出协议的性能评估，最后在第五节给出结论。
　　2问题分析
　　这一类的实际应用可以抽象为一个长链传输问题，如图1所示，除了接收节点以外的所有中继节点都需要监测事件，并向接收节点发送数据，此外，除了Rn以外的所有中继节图1电缆监测系统
　　点都需要转发其他节点发送而来的数据包。假设节点R1的负载是每秒λ1个数据包，节点R2是每秒λ2个数据包，则节点i的负载如（1）式所示，其中TLi记为节点i的负载。
　　(1)
　　在采用占空比机制的MAC协议下，需要发送的数据包为：
　　(2)
　　其中Ntotal是需要发送总的数据包个数，Nip是节点i在T时间内收集的数据包个数。通过（2）式，我们可以发现，i越小，负载强度越大，需要发送的数据包个数也越多。这就意味着，在靠近接收节点的中继节点处，接收到的数据包将会增大负载强度，同时延迟也会增大。在仅仅只有若干节点组成的长链拓扑中，这会导致极大的数据冲突和数据包丢失，在严重情况下甚至可能导致整个网络的崩溃。
　　3协议设计
　　3.1节点定位
　　假设所有中继节点都是等间距地排列在一条直线上，每个中继节点调整自己的发送功率，保证仅仅只有自己的邻居节点能够接收到本节点发送的数据包。在初始化阶段，各个中继节点对自身邻居节点进行监测，只有一个邻居节点的中继节点即为长链拓扑的末端节点，标记为Rn，随后节点Rn将会向其邻居节点发送一个包含了自身位置信息的位置检测包（Location Detect Package，LDP）。邻居节点在接收到LDP后，向其中添加自身的位置信息，随后再将LDP转发给另外一个邻居节点，通过这种方式，LDP最终发送至接收节点。接收节点接收到LDP后，将会沿着该LDP来的路由路径回复一个包含地址表的LDP。通过这种方式，各个中继节点能够获取自身的位置信息。如图2所示，长链拓扑的末端节点标记为Rn，最接近接收节点的中继节点标记为R1。
　　图2节点位置检测
　　3.2 SSYNC发送
　　经过上述步骤后，每个中继节点都能获取自身在长链中的位置信息，从而获取一个分配好的时槽（Staggered Wakeup Schedule，SWS）用于转发SSYNC。每m（m≥1）个周期，节点在唤醒阶段转发一次SSYNC，如图3所示，节点转发SSYNC的时槽由节点在长链图3 SSYNC的转发
　　中的位置决定。总的转发时间Trelay由（3）式计算。
　　其中Ts是转发一次SSYNC所需的时间。
　　SSYNC的帧结构由两部分组成，如图4所示，一部分是包含传输信息的部分，另一部分是注册表格部分。前者包含了节点的睡眠调度和位置信息，后者则被分成了若干个大小为p（p≥1）个字节的片段，每个片段中记录了节点需要发送的数据包个数。一旦端点确定下来，SSYNC的长度就确定了。SSYNC由Rn产生，发送给Rn-1，节点接收到SSYNC后都对其进行更新，记录自身需要发送的数据包个数，直到SSYNC最终到达接收节点。SSYNC的生存期由（4）式计算：
　　其中Tss是固定长度的传输信息部分的传输时间，而Tr是每个小的片段的传输时间，整个注册表格部分的传输时间由Tr×n表示。由（4）式可知，Ts由长链的长度决定。假如某个长链拓扑中包含20个节点，注册表格部分占用5个字节，并且p=2，相比于SMAC协议中的同步帧，SSYNC的尺寸仅仅增大了一点点。
　　3.3突发传输
　　经过3.1和3.2后，每个中继节点都能够知道其他中继节点需要转发的数据包个数，因此每个中继节点都能够根据SSYNC中的信息计算自身的唤醒时间。突发传输所需要的时间Tburst由（5）式计算，为了便于理解，在（5）式中，我们省略了SIFS（Short Inter Frame Space）。
　　其中Nn表示节点Rn需要发送的数据包个数，Tdata表示发送一个数据包所需的时间（假设素有的数据包的尺寸都相同），Tack表示接收一个ACK需要的时间。
　　3性能评估
　　在本节中，我们在NS-2.29下对LC-MAC进行了仿真性能评估。节点采用Two RayGround的无线电传播模型和单向增益的全向天线，并采用NOAH路由协议，其余参数均为NS-2.29默认参数。负载由CBR数据流产生，并且所有的数据包大小均为50bytes，各个中继节点不对数据做融合处理。此外，我们还假设所有节点都能够够在一个SIFS的时间内完成对数据的处理，因此数据处理不引入任何延迟。此外，我们假设网络中的所有节点已经由一个独立的同步协议完成了同步。仿真实验中对比了LC-MAC、无自适应侦听的SMAC协议以及带自适应侦听的SMAC协议[11]的性能，各个协议均采用10%的占空比。
　　4.1仿真场景
　　实验场景为长链拓扑，节点之间相距200米。在如图6所示拓扑的仿真实验中，长链的长度固定为9跳，我们随机选取了三个节点加载CBR数据流；如图7所示拓扑的仿真实验中，长链的长度由4跳逐步增加至9跳，我们选取了最末端的两个节点加载CBR数据流。这两个长链拓扑下的仿真实验有助于我们研究LC-MAC协议的多跳传输性能。
　　图7长链拓扑b
　　4.2延迟性能评估
　　在本节中，我们在无线传感器网络典型的轻负载下评估了LC-MAC的延迟性能。对图6所示的长链拓扑，每个CBR数据流的发送间隔从4s逐步增大为10s；对图7所示的长链拓扑，每个CBR数据流的发送间隔固定为10s。两个仿真实验均进行5050s。
　　图8（a）是数据包的平均延迟随着发送间隔变化的图像。对LC-MAC协议而言，随着发送间隔的增大，数据包的平均延迟始终维持在一个很低的水平上；而对SMAC协议而言，不管是无自适应侦听机制的SMAC协议，还是带自适应侦听的SMAC协议，随着发送间隔的增大，数据包的延迟都比LC-MAC协议要大上几十倍，甚至上百倍。这体现了LC-MAC协议在多跳传输上的优越性，这是由于LC-MAC协议采用了定位监测来建立路由，采用SSYNC来预约信道，最后采用突发传输在短时间内无冲突地发送数据。LC-MAC协议在多跳传输上的优点可以由表2进一步说明。图8（b）是数据包的平均延迟随着长链拓扑的长度变化的图像。从图中可见，随着长链拓扑长度的增加，SMAC协议的延迟剧烈增大，而LC-MAC协议的延迟一直保持在一个比较低的水平上，这再次表明了LC-MAC协议在多跳传输上的优越性。
　　4.3能耗性能评估
　　在本节中，我们同样在典型的轻负载下评估了LC-MAC协议能耗性能。与延迟性能评估相同，对图6所示的长链拓扑，每个CBR数据流的发送间隔从4s逐步增大为10s；对图7所示的长链拓扑，每个CBR数据流的发送间隔固定为10s。两个仿真实验均进行5050s。
　　图9长链拓扑的节点平均能耗图像
　　图9为长链拓扑中所有节点的平均能耗曲线，图中所示的节点平均能耗是由节点总的能耗除以仿真总时间得出的。由图9（a）可以看出，在长链拓扑的长度固定为9跳时，LC-MAC协议的能耗要低于SMAC协议；从图9（b）可以看出，在长链拓扑的跳数由4跳逐步增大为9跳时，LC-MAC协议的能耗仍然低于SMAC协议。但是，在跳数比较少的情况下，LC-MAC协议和SMAC协议的能耗几乎相同，这是由于LC-MAC协议和SMAC协议都采用了10%的占空比。随着发送间隔的增大，LC-MAC协议和SMAC协议的能耗都逐步增加，但是LC-MAC协议的增长幅度比SMAC协议要小。
　　4.4吞吐率性能评估
　　在本节中，我们评估了LC-MAC协议的吞吐率性能。虽然对于无线传感器网络而言，吞吐率并不是一个至关重要的参数，但是在数据流量是突发性的时候，吞吐率性能就显得比较重要了。我们仍然采用了图6和图7所示的长链拓扑，对于图6所示的长链拓扑，负载强度由每10秒2.5个数据包逐步降低为每10秒1个数据包，吞吐率性能如图10（a）所示，LC-MAC的吞吐率要比SMAC协议大几倍，甚至几十倍；对图7所示的长链拓扑，每个CBR数据流的发送间隔固定为10s，吞吐率性能如图10（b）所示，在多跳传输的情况下，LC-MAC的吞吐率性能优于SMAC协议，对于LC-MAC和带自适应侦听的SMAC协议而言，在长链跳数为4的情况下，两者的吞吐率相同，这是由于带自适应侦听的SMAC协议在一个周期内能够将数据包传输两跳，从在长链长度比较短的情况下，能够保持比较高的吞吐率，而LC-MAC协议在跳数增大的情况下，仍然能够保持比较高的吞吐率。这表明了LC-MAC协议比SMAC协议能够更好地适应重负载。
　　4结论
　　本文的目标是专门针对无线传感器网络长链拓扑，设计一种更为有效地的MAC协议。从仿真结果中，我们可以看到，LC-MAC协议显示了极其优越的低延迟性能，最多降低了99%的传输延迟；此外，LC-MAC协议也降低了部分能耗，在多跳场景和重负载情况下提高了吞吐率。对于网络拓扑是长链，并且对延迟比较敏感的应用而言，LC-MAC提升了网络的性能。从仿真实验结果来看，LC-MAC协议全面优于SMAC协议。
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