基于预约和反馈的无线传感器网络MAC协议研究*

李 曼，熊庆宇，2，石为人，冀文娟

（1.重庆大学自动化学院，重庆 400030;2.重庆大学 软件学院，重庆 400030）

0 引言

无线传感器网络MAC协议决定着无线信道的使用方式，负责为节点分配无线通信资源，直接影响着网络的延迟、能耗和吞吐量等性能［1］。目前的MAC协议大都以降低节点能耗、延长网络周期为首要目标［2］。但在某些对实时性要求很高的网络应用环境，如军事防御、灾难预警等［3］，如何在最短的时间内获得异常是监测的关键。因此，设计适用于这些情况的低时延MAC协议十分重要。

目前的低时延 MAC协议主要有 VTS协议［4］，Dualmode MAC 协议［5］，TOMAC 协议［6］，I-EDF 协议［7］等，VTS协议将每个时间周期分割成时间隙，每个节点在固定的时间隙传输数据，无法实现数据在一个时间隙内的多跳传输。Dual-mode MAC分为保护模式和非保护模式2种，通过2种模式的相互转换实现数据传输稳定性和速度的平衡。但是，由于Dual-mode MAC要求节点已知自己的位置信息使得它的实现难度大。TOMAC主要应用于单跳传输的网络系统，不能适应多跳网络中数据的低时延传输。

针对上述低时延MAC协议的不足，本文提出了一种基于信道预约和反馈的低时延RF-MAC（reservation-feedback MAC）协议。RF-MAC协议是在S-MAC的基础上提出的。通过在数据发送前发送预约信息，节点在预约的时间内自行激活传输数据的方法，克服了S-MAC协议周期睡眠造成延迟累加的缺点［8］。同时，通过向源节点发送反馈控制包的方法，使得后续数据提前发送，提高了信道的利用率，降低了数据传输的时延。RF-MAC协议适用于数据传输量大且对实时性要求较高的场合。

1 RF-MAC协议描述

RF-MAC协议主要针对单数据流通信的情况，即网络中仅有一个源节点和一个汇聚节点。假设运行区域为线性系统，每个节点仅能与其单跳邻居节点通信［9］。若2个可相互通信的节点之间存在多余的节点，则将此节点设置为睡眠状态。RF-MAC协议的网络拓扑结构如图1所示。

图1 RF-MAC协议的网络拓扑图Fig 1 Network topology structure of RF-MAC protocol

1.1 预约机制

RF-MAC协议继承了S-MAC协议的睡眠机制和RTS/CTS/DATA/ACK握手机制，在RTS和CTS数据包中添加预约信息实现信道的预约。RTS控制包中含有发送节点的最近可发送时间TS和数据传输持续时间TD，接收节点收到RTS后，将发送节点的TS与自身的预约时间表中的最近可接收时间TR进行比较，确定数据的预约传输时间。

1）若TR＜TS，预约时间为［TSTS+TD］

当TR＜TS时，即接收节点在发送节点到达其最近可发送时间TS前已处于可接收数据状态，发送节点到达TS即可直接发送数据。

2）若TR＞TS，预约时间为［TRTR+TD］

当TR＞TS时，即发送节点到达其最近可发送时间TS时，接收节点还不能接收数据，则调整预约时间为［TR，TR+TD］。

接收节点将预约信息通过CTS控制包返回给发送节点，发送节点收到CTS控制包后即完成了数据的一跳预约。

在RF-MAC协议中，每个节点含有一个预约时间表。其格式如表1所示。

表1 预约时间表Tab 1 Reserved time list

1.2 反馈机制

在多数据传输的无线传感器网络中，若每个数据都等待前一个数据传输完成再进行传输会造成较大的时延。RF-MAC协议中引入了反馈的思想:利用向源节点发送反馈控制包F的方法，使源节点可以及时的了解信道的忙闲情况，从而尽早的发送后续数据。

反馈机制中的参数:

1）反馈控制包F的标识符FC:反馈控制包到达源节点所需的跳数。

变化范围为0～3

在反馈控制包F开始发送时，FC的初始值为3，F每经过一跳传输，FC的值减少1，当F到达源节点时，FC的值变为0。

2）节点标识符NSF:决定节点收发数据情况。

变化范围为0，1

NSF=0:仅能接收数据;

NSF=1:既可接收也可发送数据;

3）数据包标识符HC:决定发送反馈控制包所需的跳数。

变化范围为0～4，OFF

在RF-MAC中，若HC值太小，系统会不停地发送反馈控制包以及等待反馈控制包传输，这样会造成大量的时延和能量浪费。若HC值太大，后续数据不能及时地发送。本文中设定4跳以下的数据传输为短距离传输。

数据包的HC值在源节点时为4，数据每经过一跳，HC的值减少1，当HC的值变为0时，收到此数据的节点向其发送节点发送ACK后，其发送节点开始向源节点发送反馈控制包F。反馈控制包F开始发送后，设定数据包的HC为OFF。

反馈机制是通过反馈控制包F的标识符FC控制节点的NSF标识符从而达到反馈和控制后续数据的发送的效果。

1.3 协议运行过程

RF-MAC协议的具体运行过程如图2所示。

图2 RF-MAC协议运行过程Fig 2 Working process of RF-MAC protocol

N0为源节点，N10为汇聚节点，设N0有n个数据需要发送到N10。

1）数据预约

N0首先发送有预约信息的控制包RTS给N1，N1结合自己的预约时间表和收到的RTS信息确定数据发送的预约时间，N1将此预约时间写入预约时间表并通过CTS返回给N0。N0收到CTS后即完成数据D0从N0到N1的预约。N1按同样的方式完成数据预约以后，N0若到达预约时间则发送数据。按照相同的方式，可以完成对N2，N3，…，N10的预约。

2）数据包的发送

当N1在其预约时间内收到数据D0后发送ACK给N0，N0收到N1发送的ACK后，设定自身NSF为0，即此时N0只能接收数据，不能发送数据。

3）反馈控制包的发送

D0的HC值在N0时为4，D0每经过一跳，HC的值减少1，当D0传输到N4时，其HC的值变为0。当N4成功发送ACK给N3后，若检测到D0的HC为0，则等待三个控制时段再发送D0给N5，在第一个控制时段，N3发送反馈控制包F给N2并设定自身的NSF为0。在第二个控制时段，N2发送反馈控制包F给N1并设定自身的NSF为0。在第三个控制阶段，N1发送反馈信号给N0且设定自身的NSF值为1。

4）后续数据的发送

当源节点N0的标识符NSF变为1后，可进行下一个数据D1的预约和发送。

2 时延分析

无线传感器网络中的时延是指从发送端发送一个数据包，直到接收端成功接收这一数据所以经历的时间［10］。假设在一个N跳无线传感器网络中，从源节点到目的节点的通信流连续，且每个节点发送的数据速度是相同的。

2.1 单个数据传输的情况

在RF-MAC协议中，如图2所示，数据每一跳传输都需要发送控制包RTS，CTS，ACK以及数据包DATA，且当数据传输跳数N＞4时，需要发送反馈控制包F。同时为了避免碰撞，当一个侦听周期的第一个节点发送RTS和收到CTS后，必须等待其下一个节点也完成预约，才能开始发送数据，即数据第二跳以后的预约都与数据的传输相重叠。则单个数据传输N跳的时延T（1）为

式中T（1）为单个数据包传输所需的时间;N为数据包传输的跳数;M为每个侦听周期可预约的跳数，M＞2;N/M为完成N跳传输所需要的工作周期;TDATA为数据包DATA的一跳传输时间;TACK为控制包ACK的一跳传输时间;TRTS为控制包RTS的一跳传输时间;TCTS为控制包CTS的一跳传输时间;TF为控制包F的一跳传输时间。

为了方便计算，数据传输的时间TDATA设为TD，令控制包RTS，CTS，ACK和F的一跳传输时间相同，用TC表示。即TRTS=TCTS=TACK=TF=TC。

将TC，TD代入式（1）得

2.2 多个数据传输的情况

1）当传输跳数N小于或等于4时，不需要发送反馈数据包F，则每增加一个数据传输产生的时延增量T增与单个数据传输时产生的时延相同，由公式（3）得

则n个数据传输完成的总时延T（n）为

2）当传输距离N＞4时，由图2可知，数据传输4跳以后发送反馈控制包F，源节点收到F后即发送后续的数据。源节点收到F以后，前一个数据的传输与后面数据的传输是重叠的。此时每增加一个数据传输，总时延的增量T增为

则n个数据的总时延T（n）为

由2.1节和2.2节的分析可得，预约机制有效地降低了S-MAC周期睡眠所产生的传输时延累积，同时，反馈机制可以使后续数据与前面数据同时传输，增大了网络的吞吐量，节省了后续数据等待发送的时间。

3 仿真结果

为了证明RF-MAC协议降低时延的有效性，本文通过OMNET++对RF-MAC协议、S-MAC协议和VTS协议的性能进行仿真比较。在仿真中设定:传感器节点随机的分布在1000 m×1 000 m的区域内，每个节点的通信范围为100 m，产生数据的速率满足泊松分布，提供32kbps的带宽，设定3种协议中节点发送能耗为36 mW，空闲侦听和接收数据能耗为12 mW，数据包长度为100 bytes，控制包长度为10 bytes。S-MAC的周期为600 ms，VTS协议的时间周期为6 s，总的仿真时间为50 s。仿真结果如图3～图5所示。

图3 网络中数据包的时延Fig 3 Data packet’s latency of the network

由图3可知，RF-MAC协议产生的时延明显小于SMAC协议和VTS协议产生的传输时延。在VTS协议中，由于每个节点在固定的时隙内传输数据，源节点须经过一个时间周期间隔后才能再次传输数据，因此，它的时延远大于S-MAC，RF-MAC等基于竞争的MAC协议。S-MAC的传输时延会随着周期睡眠而累加。在RF-MAC协议中，数据按照预约好的时间进行传输，节点可以按照预约时间调节自己的觉醒时间。同时，通过向源节点发送反馈信息，加快了后续数据测发送，因此，RF-MAC具有良好的节省时延的效果。

图4中描述了3种协议的丢包率和网络节点数之间的关系，由于基于竞争的S-MAC协议在数据的传输过程中会有冲突导致部分数据包丢失，当网络中节点数增大时，数据丢失严重。而使用时隙分配信道的VTS和使用预约来分配信道的RF-MAC在避免数据冲突方面的优势十分明显。

图4 网络的丢包率Fig 4 Packet loss ratio of the network

图5中描述了3种协议的网络吞吐量和节点数之间的关系。由图可知，S-MAC协议和RF-MAC协议的吞吐量都远大于VTS协议。VTS协议是基于时间调度的协议，且每个时隙只能有一个节点传输数据，因而，它的吞吐量恒为1。RF-MAC协议在S-MAC协议的基础上引入了反馈机制，使后续数据和前面的数据同时传输，从而增大了网络的吞吐量。

图5 网络吞吐量Fig 5 Throughput of the network

4 结束语

无线传感器网络是与应用相关的网络，不同的应用环境中对MAC协议的性能要求也各不相同。本文主要针对实时性要求较高的应用环境，提出了一种基于信道预约和RF-MAC协议对无线传感器网络的时延、丢包率和吞吐量都有一定的改善作用。下一步工作将研究RF-MAC协议在多数据流通信情况下的应用，使RF-MAC更适合实际的应用系统。

［1］王 殊，阎毓杰，胡富平，等.无线传感器网络的理论与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［2］蹇 强，龚正虎.无线传感器网络MAC协议研究进展［J］.软件学报，2008，19（2）:389 －403.

［3］郑国强，李建东，周志立.无线传感器网络MAC协议研究进展［J］.自动化学报.2008，34（3）:305 －315.

［4］Egea E，Vales J.A real-time MAC protocol for wireless sensor networks:Virtual TDMA for sensor（VTS）［J］.Lecture Notes in Computer Science，2006，7（2）:382 －396.

［5］Watteyne T，Auge B I.Proposition of a hard real-time MAC protocol for wireless sensor networks［C］//IEEE Computer Society’s Annual International Symposium on Modeling，2005:53 －56.

［6］Krohn A，Beigl M.Tomac-real-time message ordering in wireless sensor networks using the MAC layer［C］//Proceedings of the 2nd International Workshop on Networked Sensing Systems，INSS，2005:175 －181.

［7］Caccamo M，Zhang L Y.The capacity of implicit EDF in wireless sensor networks［C］//15th IEEE Euromicro Conference on Real-Time System，Portugal:IEEE，2003:267 －275.

［8］李洪峻，李 迅，马宏须.无线传感器网络MAC协议实时性研究［J］.计算机工程，2009，35（23）:75 －80.

［9］Ye W，Estrin D.An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks［C］//Proceedings of the 21st Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies，New York:USA，IEEE，2002:1567 －1576.

［10］邓延安，沈连丰，许 波.一种应用于多跳网络的可调占空比固定时延MAC协议［J］.东南大学学报:自然科学版，2008，38（6）:942－948.