一种高性能的异步类MAC协议

摘要

本发明涉及一种高性能的异步类MAC协议，采用连续短前导和接收节点提前确认的机制，在发送节点和接收节点实现握手前，使用协作机制，使具有较高递送率的邻居节点提前与发送节点进行数据交换；利用串音现象进行自适应侦听，使串音节点在当前传输结束后，立即唤醒进行信道竞争，节点根据数据队列的使用情况，进行睡眠时间自适应调整，使缓存数据较多的节点更容易接入信道；本发明通过协作机制、自适应侦听机制、睡眠时间自适应机制使MAC协议在提高信道利用率的同时，实现了低碰撞、低功耗和自适应的优点。HP-MAC实现了高性能的目标，通过理论分析和仿真实验证明，数据递送率、时延和能量消耗等性能指标均优于B-MAC和X-MAC。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体的说是一种高性能的异步类MAC协议。

背景技术

无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是一个由传感器节点组成的多跳自组织网络系统，目前具有较广泛的用途。信道接入协议(MediaAccessControl,MAC)直接决定节点如何接入信道，对上层协议有着决定性的影响，所以优化MAC协议是提高WSN性能重要的手段之一。

根据MAC协议对时钟的不同要求，MAC协议可以被分为同步类和异步类。同步类MAC协议要求在WSN内实现一定程度的时间同步，如S-MAC需要实现同一虚拟簇的时间同步，而TDMA需要实现整个WSN的时间同步。同步类MAC协议一般具有较好的网络性能，但时间同步实现的过程一般比较复杂，导致网络的扩展性较差并增加了网络的额外能耗。

异步类MAC协议对时间同步没有任何要求，如B-MAC，该协议使用低功耗侦听技术(LowPowerListening,LPL)实现低功耗通信，并采用空闲信道评估机制(ClearChannelAssessment,CCA)进行信道裁决，发送节点在发送数据包前需要先发送一段固定长度的前导，如果接收节点唤醒后侦听到前导，则保持活跃状态，直到接收到数据或信道变得再次空闲为止，B-MAC不需要任何时间同步信息，但存在着前导过长和邻居节点串音等问题。针对B-MAC前导长度固定的问题，X-MAC将B-MAC的长前导修改为一系列固定间隙的短前导，并利用由接收节点主动发送提前确认帧(EarlyACK,EACK)进行数据交换的方法进一步减少前导的长度，X-MAC明显减少了前导的长度，经过仿真验证其传输性能优于B-MAC，但X-MAC在网络流量较大时，对网络的信道利用率较低。

异步类MAC协议具有操作简单、动态性强、扩展性好等优点，是WSN一个较好的选择。但此类MAC协议缺乏时间同步，导致信道会间断地出现空闲的情况，此外，在发送节点和接收节点握手前，信道一直被前导占用，致使其他节点无法接入信道，这都影响了信道的利用率。

发明内容

针对上述异步类MAC协议普遍存在的信道利用率低下的问题，本发明提供一种高性能的异步类MAC协议。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高性能的异步类MAC协议，采用连续短前导和接收节点提前确认的机制，在发送节点和接收节点实现握手前，使用协作机制，使具有较高递送率的邻居节点提前与发送节点进行数据交换；利用串音现象进行自适应侦听，使串音节点在当前传输结束后，立即唤醒进行信道竞争，节点根据数据队列的使用情况，进行睡眠时间自适应调整，使缓存数据较多的节点更容易接入信道；所述的协作机制即通过具有较好通信环境的节点协助通信环境较差的节点；所述的串音现象即串音节点利用控制帧包含的网络分配矢量得出当前数据交换结束的准确时间，在当前数据交换结束后，立即唤醒；

所述发送节点发送包含接收节点Suc信息的连续短前导，其中短前导间隔的长度等于节点发送控制帧所需的时间加上协作节点进行轻量级信道竞争所需的时间；其中Suc为发送数据到该邻居节点的成功率，大小等于发送成功的次数与发送的总次数的比值。

本发明的有益效果：

本发明提供的高性能的异步类MAC协议（HP-MAC），利用协作机制，使发送节点和通信环境较好的邻居节点协作通信，提高数据递送率；串音节点进行自适应侦听，在当前数据传输结束后立即唤醒，从而减少数据时延；节点根据本地数据队列的使用比例实时调整睡眠时间，减少被队列丢弃的数据；仿真表明，与B-MAC，X-MAC相比，HP-MAC在提高信道利用率的前提下，提高了数据递送率，减少了数据时延和网络能耗；

本发明提供的高性能的异步类MAC协议，通过协作机制、自适应侦听机制、睡眠时间自适应机制使MAC协议在提高信道利用率的同时，实现了低碰撞、低功耗和自适应的优点。HP-MAC实现了高性能的目标，通过理论分析和仿真实验证明，数据递送率、时延和能量消耗等性能指标均优于B-MAC和X-MAC。

附图说明

图1本发明协作机制的执行过程图；

图2本发明自适应侦听的执行过程图；

图3本发明网络拓扑图；

图4本发明数据的平均递送率；

图5本发明数据的平均时延；

图6本发明网络的平均总能耗。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

一种高性能的异步类MAC协议，采用连续短前导和接收节点提前确认的机制，在发送节点和接收节点实现握手前，使用协作机制，使具有较高递送率的邻居节点提前与发送节点进行数据交换；利用串音现象进行自适应侦听，使串音节点在当前传输结束后，立即唤醒进行信道竞争，节点根据数据队列的使用情况，进行睡眠时间自适应调整，使缓存数据较多的节点更容易接入信道；所述的协作机制即通过具有较好通信环境的节点协助通信环境较差的节点；所述的串音现象即串音节点利用控制帧包含的网络分配矢量得出当前数据交换结束的准确时间，在当前数据交换结束后，立即唤醒。

通常情况下，节点是随机放置在监测区域内，这使得一些节点更容易受到隐藏节点和暴露节点的影响，直接造成这些节点发送的数据的递送率下降。HP-MAC在接收节点未被唤醒的情况下，提前使用协作机制缓解通信环境对节点的影响。

协作机制的实现过程图1所示。首先，所有的节点需要维持一个邻居列表，如表1所示，其中Nei为邻居节点的ID；Suc为发送数据到该邻居节点的成功率，大小等于发送成功的次数与发送的总次数的比值，它们的值随着网络的运行实时更新。

发送节点发送包含接收节点Suc信息的连续短前导，其中短前导间隔的长度等于节点发送控制帧所需的时间（定义为所有控制帧的最大时间）加上协作节点进行轻量级信道竞争所需的时间。发送节点在空闲侦听期间，如果侦听到接收节点的EACK，则发送数据。发送节点如果侦听到其他邻居节点的协作通信请求帧(CooperationRequestToSend,CRTS)后，利用邻居列表进行判断，如果协作节点的Suc大于接收节点的Suc，则在发送对应的协作通信清除消息(CooperationClearToSend,CCTS)后，继续发送数据包，完成数据交换；如果不满足该条件，则忽视该CRTS，发送连续短前导进行信道竞争。接收节点在侦听到对应的短前导后，发送EACK，等待接收数据，完成数据交换。

邻居节点在侦听到其他节点的短前导后，利用邻居列表进行判断，如果接收节点的Suc大于短前导中包含的Suc，则发送CRTS，申请成为协作节点。考虑到协作节点可能会干扰接收节点发送的EACK，并且可能有多个节点满足协作条件，所以协作节点在发送CRTS前，需要进行轻量级的随机退避。协作节点在接收到对应的CCTS后，与发送节点完成数据交换，如果出现侦听到其他节点的EACK、CRTS、CCTS及等待CCTS超时等情况，直接进入睡眠状态。不需要进行协作的无关节点在侦听到其他节点的短前导后，直接转入睡眠状态。

协作机制就是通过使具有较好通信环境的节点协助通信环境较差的节点，从而间接提高数据的递送率。该机制通过提高信道使用率和数据递送率提高了信道的利用率。

串音节点的自适应侦听过程如图2所示。无关节点在侦听到其他邻居节点的EACK或者CCTS后，进行自适应侦听，即串音节点利用控制帧包含的网络分配矢量(NetworkAllocationVector,NAV)得出当前数据交换结束的准确时间，在当前数据交换结束后，立即唤醒。

由于能够无意间侦听到EACK及CCTS的串音节点很少，所以与协作节点一样，需要发送数据的串音节点只需要进行轻量级的随机退避即可发送短前导进行信道竞争，而不需要发送数据的串音节点唤醒后只需要侦听信道。

WSN的网络流量具有不均衡性，在网络负载集中区域的节点会接收到大量的数据包。由于节点的数据队列长度有限，部分数据包会由于数据队列的先入先出(FirstInputFirstOutput,FIFO)机制而被丢弃。通常情况下，LPL是一个固定的时间值，协议为缓解该问题，使节点根据数据队列的使用情况实时调整睡眠时间。

节点的睡眠时间算法的伪代码如算法1所示，其中T_LPL为节点在下次数据传输所使用的睡眠时间；Tmax为节点的最长睡眠时间，其大小等于节点发送连续短前导的最长时间；QP为当前数据队列的使用比例；Tmin为节点的最短睡眠时间，其大小由用户定义。

节点通过算法1确定自己的睡眠时间，使缓存数据较多的节点积极竞争信道，从而通过减少由于数据队列有限而被丢弃的数据包，提高数据递送率和信道利用率。

以下在理论上分析了HP-MAC的时延、递送率、能耗等主要性能评价指标，并与B-MAC和X-MAC进行了比较。

递送率：对采用LPL的异步类MAC而言，节点的唤醒时刻是不确定的。假定LPL的时间是定值，即睡眠时间固定，并将其划分为W个时隙，其中时隙的大小等于节点唤醒并进行空闲侦听所需的时间，则节点在每个时隙醒来并进行侦听的概率为1/W，节点在第i个时隙唤醒的概率为i/W。假定节点的数据队列存在待发送数据的概率为q，则节点在i个时隙唤醒且需要发送数据的概率为iq/W。设定节点从发送前导到成功传输数据总共需要占用t个时隙，设定一跳范围内节点总个数为N(即暴露节点为N-1)，隐藏节点个数为M，进行以下分析。

对暴露节点而言，若是在测试节点之前醒来，则测试节点就会因为侦听到信道忙碌而转入睡眠。因此，分析邻居节点不需要进行数据发送或者在测试节点之前的时隙唤醒的概率为。

对隐藏节点而言，测试节点在发送数据的时候，如果隐藏节点也进行数据发送，那么测试节点的本次发送就会由于数据碰撞而失败。因此，分析在测试节点发送期间不会遭遇隐藏节点干扰的概率，从而得到节点发送数据成功的概率为。

由于HP-MAC采用协作机制避开了节点集中的区域，所以与B-MAC和X-MAC相比，使用HP-MAC的节点受到暴露节点和隐藏节点数量要比实际数量(N-1)和M少的多。此外，X-MAC使用连续前导和接收节点提前确认机制，使得它的(N-1)和M要小于B-MAC，所以、，即，HP-MAC的递送率优于B-MAC和X-MAC。

时延：时延就是数据包从进入源节点的数据队列到目的节点接收到该数据包之间的时间。通过分析一跳时延来研究数据的平均时延，其主要受到相关节点的握手时间的影响。

在B-MAC中，节点在发送数据前需要发送一段长度固定的长前导，所以数据包的平均时延就等于节点发送前导的固定时间长度加上数据包在队列的延迟为。

对X-MAC而言，短前导和提前确认机制减少前导的长度减少前导长度，所以理论上发送节点需要T_LPL/2的时间与接收节点握手，即数据包的平均时延为。

对HP-MAC而言，由于节点利用串音现象提前唤醒并使用短前导和提前确认机制减少前导的长度，所以理论上发送节点需要小于T_LPL/2的时间与接收节点握手，即数据包的平均时延为。

B-MAC、X-MAC和HP-MAC都采用FIFO的队列调度，所以队列时延与节点发送数据的速度紧密相连，而HP-MAC根据数据队列的使用情况实时调整睡眠时间，即，所以，即HP-MAC的平均时延小于B-MAC和X-MAC。

能耗：假设节点的接收功率为Pr，发送功率为Ps，侦听功率为Pi，节点发送数据包所需的时间Tda，从而分析发送节点和接收节点交换单个数据包时所消耗的平均能量。

对发送节点而言，B-MAC发送单个数据包的平均能耗为，X-MAC的能耗为，而HP-MAC的能耗，即。

对接收节点而言，B-MAC接收单个数据包的平均能耗，X-MAC的能耗为，而HP-MAC的能耗，即。

分析得知，HP-MAC交换单个数据包的平均能耗小于B-MAC和X-MAC。

HP-MAC协议仿真分析：为进一步验证HP-MAC的性能，利用网络模拟软件NS2对B-MAC、X-MAC及HP-MAC的性能进行仿真验证。在仿真中，源节点产生CBR业务流，并不停地向SINK节点发送，通过改变CBR流的业务到达时间间隔改变网络负载，为保障两个协议的可比性，采用如表2所示的仿真参数进行设置。

假定在1000m*1000m的范围内放置了50个节点，如图3所示。研究协议的性能，当改变业务到达时间间隔从1s变化到10s，表明数据量由高到低。

图4描述了数据包的平均递送率的变化，由于数据发送失败的原因主要是隐藏节点引起的数据碰撞，而HP-MAC的协作机制减少了隐藏节点对节点的影响，并且通过调整睡眠时间减少了被数据队列丢弃的数据包，所以与B-MAC相比，递送率提高了120%左右，与X-MAC相比提高了13%左右。

图5描述了数据包平均时延的变化，从图中可以看出，由于HP-MAC采用连续短前导、接收节点提前确认、串音节点自适应侦听以及睡眠时间调整机制，从而使相关节点的握手时间出现明显减少，所以与B-MAC相比，HP-MAC的时延减少了50%左右，与X-MAC相比减少了11%左右。

从图6描述的网络平均总能耗的仿真结果中发现，HP-MAC通过减少了数据的重传次数和前导的长度，减少了网络能耗，所以与B-MAC相比，HP-MAC减少了35%左右的网络能耗，与X-MAC相比减少了15%左右。

此外，在网络负载较大的情况下，HP-MAC的递送率、时延、能耗等性能指标明显优于B-MAC和X-MAC，随着发送间隔的增加，网络的负载逐渐减少，隐藏节点和暴露节点的影响随之减少，所有协议的性能差异趋于稳定。

本发明提供一种高性能MAC协议：HP-MAC，该协议通过协作机制、自适应侦听机制、睡眠时间自适应机制使MAC协议在提高信道利用率的同时，实现了低碰撞、低功耗和自适应的优点。HP-MAC实现了高性能的目标，通过理论分析和仿真实验证明，数据递送率、时延和能量消耗等性能指标均优于B-MAC和X-MAC。