无线传感器网络的一种低时延高能效TDMA协议的实现方法

摘要

无线传感器网络的一种低时延高能效TDMA协议的实现方法，该协议将节点预约数据时隙的过程分为可搭载预约和不可搭载预约两种方式，减少竞争周期的空闲时间及数据传输的等待时间，折中时延与能效的关系。

说明书

技术领域

本发明涉及MAC协议，具体说的是无线传感器网络的一种低时延高能效TDMA协议的实现方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信模式，相互传递信息，协作地完成特定功能的智能专用网络，现已广泛应用于军事、环境、医疗、家庭、工业等方面[1]。无线传感器网络通常包括传感器节点(Sensor Node)、汇聚节点(Sink Node)和终端用户(end-user)。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术及软件编程技术等，可以实时监测、感知和采集网络所监控区域内的各种环境及监测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传递给终端用户[2]。

在无线传感器网络中，媒体访问控制(Medium Access Control，MAC)协议决定了无线信道的使用方式，通过在无线传感器网络节点之间分配有限的无线信道资源，建立可靠的点到点或点到多点的通信链路。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，其设计的好坏是决定无线传感器网络通信高效性的关键因素之一。无线传感器网络的性能，如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的MAC协议[3]。本文主要研究的是基于BMA的MAC协议。BMA协议是一种内部分簇的通信协议，适用于大规模无线传感器网络。它改进了传统的TDMA协议，通过减少空闲侦听的时间，从而降低了能耗。

在传统的TDMA协议中[4][5]，信道被分成若干个时隙，每个节点只在分配的时隙内被唤醒并发送数据，其余时隙保持睡眠模式，如图1，TDMA协议有效地避免了因信道竞争而产生的数据碰撞[6][7]。然而在业务量较低时，无论是否有数据包需要发送，源节点都会在固定时隙被唤醒，同时簇头节点一直处于唤醒状态，直接增加了空闲侦听，造成大量的能量浪费[8]。

针对这一问题，Jing Li及Georgios Y.Lazarou对TDMA协议做出极大的改进，提出了BMA(bit-map-assisted)协议[9]。如图2，该协议每一帧都包含一个竞争周期，每一帧都进行一次时隙分配。在竞争周期中，所有节点的收发器处于开启状态，每个节点分配一个固定的时隙，有数据需要发送时，源节点向簇头节点发送1bit控制信息，簇头为这些节点分配数据时隙。在源节点依次发送完数据后，簇头节点进入睡眠状态，直到下一帧开始[10]。

为了进一步减少能耗，Shafiullah G M等人在BMA的基础上改进了节点预约数据时隙的方式，提出了能量高效性的E-BMA(energy-efficientbit-map-assisted)协议[11]。如图3所示，该协议设置为事件驱动型。当有特定的驱动事件发生时，源节点不会立即在竞争周期进行预约，而是额外等待一帧，通过为每个数据包分配1bit报头来确认是否有连续的数据包需要发送，若有，则通过搭载来预约下一帧的数据时隙[12]。因而，在下一竞争周期中，源节点不需要发送控制信息，收发器处于关闭状态，这使得E-BMA协议的能量高效性优于BMA协议。但是额外等待的这一帧，又明显增加了数据传输的时延。

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发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种无线传感器网络的一种低时延高能效TDMA协议的实现方法，该协议将节点预约数据时隙的过程分为可搭载预约和不可搭载预约两种方式，减少竞争周期的空闲时间及数据传输的等待时间，折中时延与能效的关系。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：无线传感器网络的一种低时延高能效TDMA协议的实现方法，其特征在于：协议按轮进行实现，每一轮都包含建立阶段和稳定状态阶段；

A、建立阶段

从所有节点中选择簇头节点，以及该簇头节点对应的传感器节点，完成簇的建立；假设网络包含多个固定的簇，每个簇中只有一个簇头节点处于簇的中间位置，源节点直接和簇头节点进行数据通信，在建立阶段，簇头节点发送广播告知同簇内其它的传感器节点当前轮的开始、帧的起止时间及每轮中帧的数目；

B、稳定状态阶段

稳定状态阶段包括竞争周期和数据传输周期，在稳定状态阶段，同簇内的其它传感器节点将采集的数据传送到簇头节点，簇头节点对采集的数据进行数据融合后，发送到基站或控制中心来进行数据的处理；

竞争周期内，每个节点在竞争周期中分配一个固定的时隙，当有特定的驱动事件发生于节点K时记为E1，节点在紧邻一帧记为帧F，节点在紧邻一帧的竞争周期发送1bit控制信息来预约数据时隙，事件再次发生于节点K时记为E2，根据E2发生的位置，为E1的数据包分配1bit报头来进行搭载预约，在竞争周期结束后，簇头节点建立并向源节点广播一个传输调度，源节点在所分配的数据时隙转发数据包到簇头节点；

由于E2是会随机产生的，源节点需要根据E2发生的位置动态的选择是否可搭载预约，分为以下两种情况：

(1)E2在帧F开始之前发生，可搭载预约：

数据包连续传输，不需要额外等待一帧，E1直接在帧F的竞争周期预约，而E2通过对E1的数据包分配1bit报头进行搭载预约，不需要发送控制信息时，节点的收发器关闭，处于睡眠状态；

(2)E2在帧F开始之后发生，不可搭载预约：

该情况下数据包不能通过搭载预约，在帧F结束之前发生的数据包连续传输，节点只能在竞争周期通过发送控制信息的方式来预约；

在数据传输周期内，数据传输周期包含一个或多个数据时隙，每个时隙的大小及持续时间固定，在数据传输周期内，源节点在分配的时隙打开收发器，转发数据到簇头节点，每帧最多只能发送一次，如果没有节点需要发送数据，则进入空闲周期，直到下一帧开始或节点被特定的驱动事件唤醒；

C、数据处理阶段

在接收完当前轮中所有节点所发送的数据后，簇头节点先在本地进行融合处理，融合后的数据采用LEACH协议的方式，以扩频码和CSMA的方式从簇头节点发送到基站，簇头节点在发送融合的数据之前，先进行信道感知，确定信道是否正在被占用，如果信道被占用，则簇头节点进入等待阶段，直到信道空闲，簇头节点发送数据到基站，在经过一段预定的时间之后，整个系统进入下一轮，重复以上所有过程。

本发明的有益效果是：该协议将节点预约数据时隙的过程分为可搭载预约和不可搭载预约两种方式，减少竞争周期的空闲时间及数据传输的等待时间，折中时延与能效的关系。本文将LL-BMA协议与TDMA、BMA、E-BMA协议进行对比，结果显示LL-BMA协议只需牺牲小部分能量，就能有效地降低数据传输的时延。

附图说明

图1为传统的TDMA协议示意图；

图2为BAM协议示意图；

图3为E-BAM协议示意图；

图4本发明原理示意图；

图5为本发明簇的结构示意图；

图6为本发明节点K搭载预约流程图；

图7为本发明能量消耗随概率λ变化图；

图8为本发明能量消耗随节点数N变化图；

图9为本发明能量消耗随帧数l变化图；

图10为本发明能量消耗随概率p变化图；

图11为本发明能量消耗随数据包大小变化图；

图12为本发明传输时延随节点数N变化图；

图13为本发明传输时延随数据包大小变化图。

具体实施方式

1、LL-BMA协议

BMA协议中，簇头节点在整个竞争周期都处于唤醒状态，无法很好地实现能量高效性；E-BMA协议通过搭载预约减少簇头节点的空闲侦听时间，然而每个数据包在发送之前都需要额外等待一帧，又增加了数据传输的时延。为了均衡时延与能效的关系，本文结合BMA协议与E-BMA协议的特点，提出一种基于BMA的低时延高能效MAC协议——LL-BMA(low-latency bit-map-assisted)协议，该协议设置为事件驱动型[13]，通过动态的改变源节点预约数据时隙的方式，以期在保证高能效的同时能够实现降低数据传输的时延的目的。

与LEACH协议相同，LL-BMA协议是按轮进行操作的，每一轮都包含建立阶段和稳定状态阶段[14]。稳定状态阶段又由竞争周期及数据传输周期组成。簇的形成和簇头选择发生在建立阶段，非簇头节点在竞争周期预约数据时隙，并在数据传输周期发送数据包到簇头，如图4所示。

1.1建立阶段

LL-BMA协议采用与LEACH相同的算法来进行簇头节点的选择，依据网络中所需要的簇头节点所占比例和迄今为止每个节点已经成为簇头的次数来决定是否被选为簇头[15]。具体的选择办法是：每个传感器节点随机选择0-1之间的一个值。如果选定的值小于阈值T(n)，那么这个节点成为簇头节点，T(n)的计算方法如下：

该公式中，p_CH为簇头节点所占比例，r为当前所经过的轮数，G为后1/p_CH轮未成为簇头节点的集合。节点使用该门限，在1-p_CH轮中被选为簇头。在1/p_CH-1轮后，所有节点T(n)值为l，则没有簇头节点。

选定簇头节点后，通过广播告知整个网络。网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的簇，并采用CSMA协议，通知相应的簇头节点，完成簇的建立。

假设网络包含多个固定的簇，每个簇中只有一个簇头处于簇的中间位置，源节点直接和簇头进行数据通信，而不是采用多跳的模式进行数据通信，如图5所示。在建立阶段，簇头发送广播告知所有节点当前轮的开始、帧的起止时间及每轮中帧的数目[16]。

1.2稳定状态阶段

在稳定状态阶段，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。簇头节点对采集的数据进行数据融合后，发送到基站或控制中心来进行数据的处理。该阶段包括竞争周期和数据传输周期[17][18]。

竞争周期：每个节点在竞争周期中分配一个固定的时隙。当有特定的驱动事件发生于节点K时(记为E1)，节点在紧邻一帧(记为帧F)的竞争周期发送1bit控制信息来预约数据时隙。事件再次发生于节点K时(记为E2)，根据E2发生的位置，为E1的数据包分配1bit报头来进行搭载预约。在竞争周期结束后，簇头建立并向源节点广播一个传输调度。源节点在所分配的数据时隙转发数据包到簇头。由于E2是会随机产生的，源节点需要根据E2发生的位置动态的选择是否可搭载预约，故又分为以下两种情况：

(1)E2在帧F开始之前发生，可搭载预约：

数据包可以连续传输，不需要额外等待一帧，E1直接在帧F的竞争周期预约，而E2通过对E1的数据包分配1bit报头进行搭载预约。不需要发送控制信息时，节点的收发器关闭，处于睡眠状态，这样在减少能量消耗的同时，直接降低了数据包发送的等待时间，减少了传输时延。

(2)E2在帧F开始之后发生，不可搭载预约：

该情况下数据包不能通过搭载预约。在帧F结束之前发生的数据包可以连续传输，但错过了搭载预约的时间，节点只能在竞争周期通过发送控制信息的方式来预约。在这种情况下，节点虽牺牲一小部分能耗，却明显减小传输时延。

具体的流程如图6所示：

数据传输周期：数据传输周期包含一个或多个数据时隙。每个时隙的大小及持续时间是固定的。在数据传输周期，源节点在分配的时隙打开收发器，转发数据到簇头，每帧最多只能发送一次。如果没有节点需要发送数据，则进入空闲周期，直到下一帧开始或节点被特定的驱动事件唤醒。

在接收完当前轮中所有节点所发送的数据后，簇头先在本地进行处理，以减少不需发送的数据。与发送所有数据到基站或控制中心相比，这样能减少大量能耗。融合后的数据采用LEACH协议的方式，以扩频码和CSMA的方式从簇头发送到基站。簇头节点在发送融合的数据之前，必须先进行信道感知，看信道是否正在被占用。如果信道被占用，则簇头进入等待阶段，直到信道空闲，簇头发送数据到基站。在经过一段预定的时间之后，整个系统进入下一轮，重复所有过程。

2、协议性能分析

假设无线传感器网络中每一簇只有一个簇头节点，N个非簇头节点，每个周期有l帧，发送或接收一个数据包所必需的时间是T_d，发送或接收一个控制信息所必须时间是T_c，发送或接收一个调度信息所必须时间是T_ch。节点有数据传输的概率为p。发送和接收模式的单位能量消耗分别为P_t和P_r。空闲侦听的单位能量消耗为P_i。节点的竞争周期、帧传输阶段及整个传输周期的能耗分别为E_cont、E_frame、E_trans。

2.1 TDMA协议

竞争周期中，所有节点收发器都处于开启状态，通信发生在簇头节点和非簇头节点之间。簇头节点为每个节点分配用于数据传输的数据时隙并广播给簇中所有节点。因此，簇头节点发送一个调度信息的能量消耗为P_tT_ch，每个节点接收一个调度信息的能量消耗为P_rT_ch。则竞争周期的能量消耗为：

E_cont-TDMA＝NP_rT_ch+P_tT_ch>

每个节点在每帧中最多传输一个数据包。在一帧的传输中源节点的能量消耗是P_tT_d。簇头节点接收一个数据包的能耗为P_rT_d。非源节点在分配的时隙打开收发器保持侦听，非源节点的能量消耗为P_iT_d。在数据时隙，没有数据包需要接收时，簇头保持侦听模式，其能量消耗为P_iT_d。在数据时隙，节点有数据包需要发送的概率为p，保持空闲侦听的概率为1-p。则有N个数据时隙的帧的传输能耗为[pP_tT_d+(1-p)P_iT_d+pP_rT_d+(1-p)P_iT_d]N，每个周期有l帧，其传输能耗为：

E_trans-TDMA＝[pP_tT_d+(1-p)P_iT_d+pP_rT_d+(1-p)P_iT_d]lN>

故TDMA协议每周期的平均能耗为：

E_TDMA＝[NP_rT_ch+R_tT_ch]+[pP_tT_d+2(1-p)P_iT_d+pP_rT_d]lN>

TDMA协议中，节点只在分配的时隙传输数据，因此最大传输时延为T_ch+NT_d。

2.2 BMA协议

BMA协议每一帧都有一个竞争周期，在竞争周期中所有节点收发器保持开启状态。源节点在分配的时隙传递一个控制信息，其他N-1个时隙保持侦听。每个非源节点在整个竞争周期保持侦听。在竞争周期，源节点发送一个控制信息，簇头节点接收，没有数据需要接收时簇头节点保持侦听。该协议在竞争周期的能耗为：

每帧的传输过程中，源节点在分配的时隙传递数据包，非源节点收发器保持关闭状态，预期能耗为：

E_frane-BMA＝[pP_tT_d+pP_rT_d]N>

因此，BMA协议每周期的平均能耗为：

BMA协议中，每一帧都有一个竞争周期，则最大传输时延是T_ch+(T_c+T_d)N。

2.3 E-BMA协议

源节点在各自的竞争时隙发送控制信息，并在其他N-1个竞争时隙保持侦听，而有连续数据包需要发送的节点则通过搭载进行预约。非源节点在整个竞争周期保持收发器关闭。如果同一节点前一帧没有数据包发送，则不搭载控制信息。数据包不被搭载的概率为p(1-p)。如果有搭载控制信息，则源节点在相应的竞争时隙关闭收发器，簇头节点保持空闲侦听模式。则E-BMA协议在竞争周期的预期能耗为：

在每帧的数据传输过程中，每个源节点在分配的时隙发送数据包，非源节点收发器关闭。因此预期能量消耗为：

E_frame-E＝[pP_tT_d+pP_rT_d]N>

故E-BMA协议每周期平均能耗为：

由于每个数据包在传输之前需要额外等待一帧，因此E-BMA的传输时延为2[T_ch+2(T_c+T_d)N]。

2.4 LL-BMA协议

在LL-BMA协议中，节点通过搭载进行预约，而无法通过搭载预约的节点在竞争周期进行预约。搭载一个控制信息只需要在每个数据包中占用1bit额外空间。由于E2发生的位置无法确定，按照之前所述，节点有数据传输的概率为p，记E2在帧F开始之前发生的概率为λ，λ的值只与节点的业务量大小有关，业务量大则λ大，业务量小则λ小。LL-BMA协议在竞争周期的预期能耗为：

数据传输过程与BMA、E-BMA相同，源节点在分配的时隙传递数据包，非源节点收发器保持关闭状态，预期能耗为：

E_frame-LL＝[pP_tT_d+pP_rT_d]N>

因此LL-BMA协议每周期平均能耗为：

LL-BMA协议中，每个节点不需要额外等待一帧在发送数据，因此最大传输时延为T_ch+2(T_c+T_d)N。

3、仿真结果及分析

在衡量协议性能的重要参数中，本文选取平均能量消耗与最大传输时延作为主要分析方面，将LL-BMA协议与TDMA、BMA、E-BMA协议进行对比分析。在节点模型的选择上，本文选用WINS模型，如无特殊说明，仿真参数设置如表1：

表1 仿真参数设置

3.1能量消耗

图7是概率λ在不同情况下，四种协议的能耗分析图。可以看出：(1)TDMA、BMA、E-BMA协议的能耗与λ的大小无关，始终是一个固定值，而LL-BMA协议的能耗则随λ增大而减小；(2)TDMA协议的能耗最高，LL-BMA协议的能耗始终低于BMA协议而高于E-BMA协议，当λ趋近于0时，LL-BMA协议趋近于BMA协议，λ趋近于1时，则趋近于E-BMA协议。由于在TDMA、BMA、E-BMA协议中，E2发生的位置并不影响协议的传输，因此，这三种协议的能耗与λ无关。

图8、图9分别是四种协议的能耗随非簇头节点数N及帧数l的变化图。很明显可以看出，(1)四种协议的能耗随着N或l的增大而增大；(2)LL-BMA协议节点的能耗，远远小于TDMA协议，始终低于BMA协议却高于E-BMA协议。这是由于该协议采用搭载预约与非搭载预约相结合的方式，牺牲了小部分能耗。

图10是平均能耗随概率p的变化图。由图可以看出：(1)由于TDMA协议存在很大的空闲侦听，所有节点始终处于唤醒状态，因此能耗几乎是一条直线；(2)p＜0.8时，BMA、E-BMA、LL-BMA协议的性能要优于TDMA协议。因为在低中业务量下，相较于TDMA协议，这三种协议减少了空闲侦听。由此可以看出，LL-BMA协议更适用于低中业务量下。

图11是能量消耗随数据包大小变化图。在数据包大小大于50bytes时，与传输能耗相比，竞争周期的能耗很小，几乎可以忽略不计，因此BMA、E-BMA、LL-BMA协议有很好的能效性；而数据包大小小于50bytes时，TDMA协议的能效性更好。

3.2传输时延

协议的最大传输时延只与节点数目N及传输时间有关，而数据的传输速率是一定的，为24kbps，故传输时间只与数据包大小有关。因此，本文从节点数目及数据包大小两方面对最大传输时延进行仿真分析，结果如图12,13。

结果显示，不论节点数目及数据包大小如何变化，LL-BMA协议的时延虽略高于TDMA协议及BMA协议，但相较于E-BMA协议，实现了大幅降低时延的目的。与TDMA协议及BMA协议相比，LL-BMA协议以一小部分时延为代价降低了能耗，实现了能量高效性；而与E-BMA协议相比，LL-BMA协议则牺牲了小部分能耗，大幅度降低了数据传输的时延，实现了低时延的目的。因此LL-BMA协议在低中业务量下能够很好地保持低能耗，而又有效地降低了时延。