李道德

（轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院），陕西西安 710043）

无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由大量传感节点以自组织方式分布，且节点间能相互通信的无线网络[1]。目前，WSNs 已在多个领域内广泛使用，如智慧交通物联网、野外环境监测等。WSNs 中的多数节点是由电池供电。由于多数WSNs部署于恶劣和偏远地区，给节点补给电能的可操作性低。因此，提高能量效率是延长WSNs网络寿命[2-4]的关键。

目前，影响能量效率的因素主要有：数据包传输碰撞、开销、控制数据包开销和空闲侦听时长。在IEEE 802.11 协议标准中，空闲侦听所消耗的能量几乎与数据所消耗的能量一样，占总能量消耗的30%。因此，有效地控制空闲侦听可改善能量效率低的问题。

为此，文中针对存在的问题基于周期的激活/休眠方案，提出基于双重侦听时长的多层MAC(Dual-Listening periods-based Multi-Layer MAC protocol,DL-ML-MAC)。DL-ML-MAC 协议先将侦听时间划分为不同的层，且保证每个节点处于不同层，且互不重叠。同时，引用双重侦听时长策略。仿真数据表明，提出的DL-ML-MAC 协议有效地提高了能量利用率。

1 相关工作

MAC 协议必须具有以下特性[3]：能量有效性、可扩展性和自适应性。依据接入方式的不同，可将这些MAC 协议划分为基于预设和基于竞争两类[5-6]。这两类接入方式有各自的优劣。在基于预设的MAC 协议中，预先给节点分配信道，即给节点预先分配固定的接入时隙。这种方式操作简单，且无碰撞、DC 短，但可扩展性低[7-8]且具有时钟同步难的问题。文献[9]提出的(TRaffic Adaptive Medium Access,TRAMA)是属于基于预设的MAC 协议。

在基于竞争的MAC 协议中，节点共享信道，并通过竞争方式接入信道。与基于预设的MAC 协议相比，基于竞争的MAC 协议的能耗更多。如IEEE 802.11[10]是无线网络的物理层标准，其引用无碰撞的多载波侦听(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)。尽管IEEE 802.11广泛应用传统的自组网络，但它并不适合传感网络。然而，由于IEEE 802.11 简单、可靠，许多研究人员还是试图修改和优化IEEE 802.11，致使其适用于传感网络。

文献[2-3]引用的MAC协议就是基于IEEE 802.11的修改方案。它将时间划分为多个帧，每个帧又划分为激活和休眠时期。节点只在激活时期通信。先缓存在休眠时期产生的数据包，待下一个周期的激活时期才传输该数据。

2 DL-ML-MAC协议及问题描述

在激活/休眠周期方案中，传感节点周期地关掉无线电，进入休眠模式，减少空闲侦听时间，如图1所示。一个帧内由激活和休眠两个时期构成。在激活期，节点处于侦听状态。若整个帧长为Tf，侦听时长为Tlistening，则将Tlistening的比值称为工作周期(Duty Cycle，DC)。DC 越短越有利于能量的保存。如休眠机制的MAC 协议(Sleep MAC,S-MAC)[2-3]和能效(Energy MAC,E-MAC)[5]协议均试着降低节点的DC，获取高的能量效率。

图1 周期的激活/休眠方案

DL-ML-MAC 协议是基于分布式竞争的MAC 协议，它将时间划分为不同的时间帧，每个帧由工作期(激活)和休眠期组成。同时，将工作期划分为L层，如图2 所示。

图2 DL-ML-MAC协议的多层结构

通过L层的划分，使节点处于不同层，进而获取不同的工作时间，如图3 所示。通过这种策略，致使节点的工作周期不重叠，并且保证在同一个时间段，只有一个节点是处于工作状态，其他节点处于休眠状态。通过这种方式，可以减少节点能耗。

图3 DL-ML-MAC协议的信道接入时隙

2.1 层次L 的优化

从图3 可知，L值影响了传感节点的侦听时间(Listen)。因此，需要对L值进行优化。

首先，计算帧时长Tf。Tf必须要小于TR，即Tf≤TR，其中TR为最大的响应时间。同时，Tf必须满足式（1）：

式中，t1表示每一层的侦听(侦听)时长，如图3所示。

其次，计算每层内侦听时长t1。时长t1受电池量C和平均能量消耗ρ的影响。依据能量供应关系可得：

其中，Nf表示帧数，而ϑ表示电池的平均输出量。

依据式(2)可得：

式（3）约束了时长t1的上限值，但时长t1也必须要大于传输一个数据包所需要的时间，如式（4）所示：

式中，τt、τρ分别表示数据包传输时延、传播时延，τd表示时钟漂移时延，W是指最大的窗口数。

因此，依据式（3）和式（4）可得：

然后，优化层数。层次L受每帧内的平均流量λavg影响。因此，λavg的定义如式（6）所示：

式中，n表示网络内节点数。

而总的工作时间应大于发送数据包所需的时间，即：

将式（7）转换后，可得：

此外，保护间隔t2应满足式（9）:

因此，L的上限值：

最后，便可得L的取值区间：

2.2 双重侦听时长

2.1节的推导过程中假定每个节点的侦听时长是相同的，且为t1。这是不合理的，该假定并没有考虑节点剩余能量的差异，而进行差别化对待。剩余能量较小的节点，应选择更小的侦听时长。反之剩余能量多的节点，要选择更长的侦听时长。这有利于网络能量的平衡，能够延长网络寿命。

为此，DL-ML-MAC 协议采用两种不同的侦听时长：和，如图4 所示。当节点剩余能量大于预定的能量阈值，就选择，否则就选择。

图4 不同侦听时长的划分

图5 侦听时长划分的伪代码

2.3 能耗模型

考虑如图6 所示的能耗模型。节点传输mbit 的数据所消耗的能量为：

图6 能耗模型

式中，d表示传输距离；Eelec表示发送数据电路传输单比特数据所消耗的能量；ξfs、ξamp分别表示在自由空间、双径衰落传输模型下的能量消耗因子。d0表示切换传输模型的距离阈值因子。

节点接收mbit数据所消耗的能量为：

3 性能仿真

3.1 仿真参数

为了更好地分析DL-ML-MAC 协议性能，建立仿真平台，并分析DL-ML-MAC 性能。文中利用NS3[11]网络仿真器建立仿真平台。n=100 节点，节点在传输数据、侦听和休眠时所消耗的能量分别为24.75 mW、13.5 mW、15 μW。此 外，Eelec=50 nJ/bit、ξfs=10 pJ/bit/m2、ξamp=0.013 pJ/bit/m4，数据传输率和接收率均为19.2 kbps，剩余的仿真参数如表1 所示。

表1 仿真参数

此外，选择能耗和数据包传输时延作为性能指标，其中能耗是指每传输一个数据包所消耗的能量。同时，选择S-MAC 协议和ML-MAC[12]协议进行同步仿真，并进行性能比较。

3.2 性能分析

首先，分析能耗随数据到达间隔的变化情况，如图7 所示。从图7 可知，与S-MAC 和ML-MAC 协议相比，DL-ML-MAC 的能耗下降了，且分别比S-MAC和ML-MAC 下降了66.2%和34.1%。这主要归功于DL-ML-MAC 协议的侦听时长大于S-MAC 和MLMAC 协议，从而降低了能耗。

图8 显示了3 个协议的节点休眠时间。从图8可知，DL-ML-MAC 协议中节点的休眠时间最长，它的休眠时间比例为90.4%，而S-MAC 协议和MLMAC 协议的休眠时间比例分别约为85%和70%。这与图7 的能耗数据相吻合，休眠时间越长，越有利于节点能量的保存。

图8 休眠时间数据到达间隔的变化情况

然后分析数据包传输时延，如图9 所示。

从图9 可知，数据包传输时延随数据包间隔时时长的增加而下降。在整个间隔变化区间，DL-MLMAC 协议的数据包传输时延最高，分别比S-MAC 协议和ML-MAC 协议提高了25.8%和1.9%。该结果表明，DL-ML-MAC 协议是以传输时延为代价，换取低能耗[13-16]。

图9 数据包传输时延数据到达间隔的变化情况

4 结束语

为了提高物联网节点电力能量利用率，文中对无线传感网络的MAC 协议进行了研究，并提出基于双重侦听时长的多层MAC 协议。DL-ML-MAC 协议引用多层机制，缩小节点的侦听时间，并使用双重侦听时长策略。仿真数据表明，提出的DL-ML-MAC协议能有效地降低电力能耗。但DL-ML-MAC 协议的数据包传输时延较大，后期将优化DL-ML-MAC协议，控制传输时延，这将是后期工作的研究重点。