1、一種基于節點重要性和空間相關性的無線傳感器網 絡MA(協議0 引言在中，一般會通過部署相對密集的節點來保證區域的覆蓋和節點的冗余度，以確保收集傳感數據、可靠的通信和一定的網絡生命周期。當節點越密集，監測到同一事件的節點數越多，各節點收集到的信息就有越高的相關度，空間相關的 信息導致的信道競爭就越多。而網絡內的通信資源使用量很有限。無線傳感器 節點能量的消耗由三部分組成，即數據的傳感采集、處理和傳輸。在這三部分能 量消耗中，大部分能量消耗在數據傳輸的過程中，所以在盡量保證應用需求的情 況下,在 MAC 層減少工作節點的數量，將大大的減少數據的發送量，節省很多傳輸 能量。通過選擇代表性節點發送數據

2、，去除了數據的，可以大量地減少數據的發 送,從而大大節省網絡能量。最近有研究表明在大型的傳感器網絡中，失真度、時空相關性和能量之間有一定關系，WSN 中數據有一定的并且可以構建出相關性 模型1。wsr 中,單信道條件下,所有傳感器節點共享一個無線信道,信道資源是非常有限 的,因而需要一個有效的媒體訪問控制(medium access control) 協議來協調各 節點對信道的訪問。沒有 MAC 協議的協調，多個節點就可能同時在無線信道上傳 送數據,從而導致碰撞的發生。而普通的 MAC 協議一般不適合于,適合中的 MAC 協議近年來國內外有了很多研究,提出了多種適用于 WSN 勺 MAC 協議

3、2,這些協 議大致可以分為兩類3,即基于競爭模式(con-based)46和基于調度模式(schedule-based)7,8。由于本文采用的是基于競爭模式，下面僅 討論兩種典型的基于競爭模式的 MAC 協議。Sift-MAC4協議是針對基于事件驅動的基于競爭的 MAC 協議，它的核心思想是采用 CW 值固定的窗口，節點不是從發送窗口選擇發送時槽，而是在不同的時 槽中選擇發送數據的概率。節點在不同時槽選擇不同的發送概率。S-MAC5是一種最典型的基于競爭模式的協議，它通過協商的一致性睡眠調度機制形成虛擬 簇,通過控制節點盡可能處于睡眠狀態來降低能量的消耗。同時，國內外學者對 WSN 中的在 M

4、A(協議中的應用問題也開展了較為廣泛深入的研究1,4,9,10,提出了多種方案來選擇一部分節點發送其傳感數據，以此減少或消除各節點在 MAC 層的信道爭用。文獻1中 CC-MAC、議將整個網絡劃分為若干子區域，稱為相關性區域，在 每個相關性區域中同時僅選擇一個節點發送數據，以降低或消除信道爭用。文獻1 是在確保數據一定失真度(DE(M)的前提下共選擇 M 個代表節點，在競爭信道 的初始階段，哪個節點先競爭到信道，就被選為代表性節點，并通過相關半徑確定 相關區域。在這個相關區域中，只有代表性節點發送數據，其他的節點不發送。 文獻1的研究成果是本文工作的基礎。但文獻1在選取代表節點時并沒有考 慮各

5、個代表節點的重要性，只是將先隨機競爭到信道的節點作為代表節點。而在 實際的監測中有些節點是十分重要的，如在監測溫度時，若某個區域只有一個節 點是向陽的，其他節點都是向陰的，那么這個向陽的節點就顯得十分重要，若它沒 有被選為代表性節點，沒有將數據發送到 sink 節點,則對整個監測結果的有效性 產生很大影響。所以像這種重要性節點必須被優先選為代表性節點。本文認為 在選擇代表性節點時，必須考慮節點的重要性，將數據差異大的，即重要性的節點 優先競爭到信道，優先選擇為代表性節點，發送數據到 sink 節點,從而保證數據 的整體有效性。基于此,本文提出了一種新的基于和的 MAC 協議(NISC-MAC)

6、,即 在去除的同時，將重要性的節點選為代表節點。這就是本文要完成的主要工作。1 問題的描述1.1 問題的提出假設有一個隨機部署的稠密應用，它監測森林里某個區域的溫度。在這個區 域中隨機部署 50 個節點,其拓撲圖如圖 1 所示。在圖 1 中假設空心節點 nO、n10、n13、n41、n44 是向陽的,而其他節點都 向陰。針對這樣一個網絡應用，認為這五個節點是很重要的，稱之為重要性節 點。它們對整個監測數據的影響比較大，應該被選擇為代表性節點，讓其能優先 競爭到信道，發送數據到 sink 節點。這樣才能更好地確保數據整體的有效性，使 接收到的數據能更好地反映整個監測狀況。本文將在后面提出一種方案

7、來實現 這個思想,確保圖 1 中的這五個重要性節點被選為代表性節點。1.2 的定義假設有一個隨機部署的稠密應用，它監測某個區域的物理特性。節點之間采 集到的數據有一定的相關性，通過計算出兩個數據流的歐氏距離來表示兩個數據 流之間的相關性，歐氏距離的大小代表了兩個數據流之間的相關性；歐氏距離大的相關性小。而節點采集到的數據與相關區域的其他節點的差異大，則相應的歐 氏距離也大。這些差異大的節點，被認為對整個數據的影響會很大，相對而言更 重要些。為了描述這些節點的重要性，引入的定義。將網絡中節點 i 的重要性 K 定義為-S-)2其中表示節點 i 采集到的數據流 Si 與節點 i 所在的相關區域中節

8、點采集到的數據流均值 S-之間的歐氏距離。相關性小的，即差別大的節點的 K 值大，也就是重要性高。K 值代表了節點的重要性。2 NISC-MAC 協議上章提出了的概念,本章在此基礎上結合文獻1中的節點選擇算法(INS), 提出一種將與結合起來的 MAC 協議(node import and spatial correlatio n- based MAC)。 INS算法目標是找出代表節點個數，形成 Voronoi 分割。Voronoi 分割將整塊區域分成很多小區域，定義這些小區域為相關區域。在相關區域內只 有代表性節點發送消息到 sink節點，其他節點不傳輸信息。Voronoi 分解區域 的平均

9、半徑定義為相關半徑，記做。相關區域內的兩個節點的距離小于時,則為相關鄰居。相關鄰居采集的數據具有很強的。NISC-MA(協議通過 INS 算法選擇代表性節點的個數，去除了節點的，同時使用重要性節點篩 選策略把重要性節點選為代表性節點，確保數據的整體有效性。下面將具體描述 這個協議。2.1 重要性節點篩選策略為了使重要性的節點優先競爭到信道，優先選為代表性節點，設計一個權值 函數。使用階梯函數 f(K)將重要性映射到一個整數權值,如圖 2 所示。當重要性 K 高于時，其權值為處于較小的某一區間的權值均為。每級的差值與均為 1。這樣 K 值大的權值就大，將 優先競爭到信道，相關性很近的其權值是一樣

10、的，競爭信道的概率也是一樣的，這 樣就可以最大限度地去除節點數據的。節點的權值決定了該節點需發送監測數據的概率，使用一個截斷的、漸增幾 何分布函數來表示兩者之間的關系：PI=OI=O(1-a)Xa L I)/l- a I. 1怙)X a-111=1, max其中：l 是節點的權值,0a2.2 沖突避免策略通常在基于競爭模式的 MAC 協議中,各節點都是平等的競爭信道，各節點發 送數據的概率都一樣。在基于窗口的競爭協議中,所有節點會在O,CW-I中隨機 挑選一個競爭時隙傳輸。若兩個或多個節點隨機挑選到同一個時隙，就會造成沖突。為了避免沖突，它們通過調整 CW 大小來重新選擇時隙。在二進制指數退避

11、 算法中，隨機退避時間按以下公式計算：退避時間=in t(CWra ndom()Xslot_time其中:int 是取整函數;CW 是指數競爭窗口參數,取值為在初始化時，CW 值為。當要發生重傳時,CW 按指數級別逐次增大，直到最大值為止。當 CW 達到時，它不再變化,盡管這時會發生較多的沖突。各節點在傳輸成功后,其 CW 值恢復到初始 值Xmin。Random()是產生(0,1) 之間的一個隨機數；slot_time 是一個時 槽時間,包括發射啟動時間、媒體傳播時延、檢測信道的相應時間等。本文希望在確保數據一定失真度的情況下，節點在爭用信道時，優先級高的 節點擁有媒體接入的優先權。當 CW

12、越小,節點退避的時間就越短，接入的機會更 大。為了讓不同的節點獲取信道的概率不同，建立了一個發送概率與退避窗口的 函數關系。發送概率最高的節點，其初始窗口為而其他節點 i 的初始窗口為-pi XE 門 in其中:Pi 為節點 i 的發送概率。那么在新的二進制退避算法中，隨機退避時間按以下公式計算：退避時間這樣發送概率高的節點的初始窗口將較小，在退避時,退避時間短，能優先于 競爭到信道。2.3 NISC-MAC 協議的包結構把節點的優先級信息和信息封裝在數據包內,在 RTS/CTS/DAT 觸留的空間 內劃出 1 bit 作為 KIND 域，另外劃出 32 bit 用來作為 PRI 域(發送概率

13、域)。 KIND 域幫助傳感器節點區分數據包的類別，并依此來判定數據包是原始數據包 還是要路由的包，節點據此來執行源發送操作還是路由轉發操作；源發送操作就 是節點發送自己產生的原始數據包，路由轉發操作就是轉發其他節點的路由包。 PRI 域保存了節點的發送概率數值，用來表示節點的發送概率大小，并以此來選 定代表性節點。節點在采集事件信息時,設置自己的 RTS CTS 和 DATA 包的 KIND 域為 0,說明這是節點的原始數據包。當某節點偵聽到某個RTS 包中的 KIND 域為 0 時,它就認為這是一個原始數據包。接收這個RTS 包的節點將 CTS 包的 KIND 域設為 0,并發送回源節點。

14、這樣，數據的發送者和接收者的鄰居都知道了需要發送的 DATA 包的類型。它們的某個鄰居節點收到 DATA 包時,將其 KIND 域設置為 1,顯 示此包以后為過路數據包。此節點轉發這個路由數據包到下一跳的節點。而其 他節點接收到 DATA包時，它檢查其 KIND 域，若 KIND 域為 1 則執行路由轉發操作，此時若節點有源發送操作，則抑制源發送操作，先執行路由轉發操作。在最初競爭信道時,節點發送 RTS 包,相關區域的鄰居節點監聽到這個數據包,取 出RTS 包中的 PRI 域,并與自己的比較大小，若自己的小,則放棄競爭信道,這樣 PRI 大的節點將優先競爭到信道，并通過相關半徑確定相關區域。

15、圖 4 為 RTS/CTS/DAT 包的結構圖。frame con trolduratio nRATAKINDPRIFCSbit 1616484813232(a) RTS 包結構framec on troldurati on RAKINDFCSbit 161648132MACheaderKINDframebodyFCSbit 240101849632(b) CTS 包結構(c) DATA 包結構圖 4 RTS/CTS/DATA 包結構圖2.4 NISC-MAC 協議的思想NISC-MAC、議的核心思想是：通過 INS 算法確定代表性節點的數量，去除節 點數據的；同時把重要性的節點設置高的優先級

16、，使其發送數據的概率大，從而更 易競爭到信道，優先被選為代表性節點，發送數據到 sink 節點,確保整個監測數 據的有效性。在競爭時，本協議采用了本文定義的二進制退避算法。在網絡初始化的過程中，先傳輸很短一段時間 t(這個時間可根據具體的實 驗選定)的數據到 sink 節點,sink 節點取每個節點的一個數據流進行分析,計算 出 K 值;然后通過預置或定期廣播通知的方式將 K 值傳播到監測區域內的所有節 點。節點通過接收到的K 值計算出自己的優先級、Pi 和同時運行 INS 算法計算出相關半徑并廣播給各個節點；然后節點開始競爭信道。所有事 件節點使用 RTS/CTS/DATA/AC 第一次競爭

17、信道，節點發送 RTS 包，其相關鄰居節 點監聽到這個包，取出包中的 PRI 域,與自己的比較。若比自己的大，則放棄競爭 信道;否則繼續競爭。競爭過程中將運行本文定義的二進制退避算法。在這個最初的競爭階段之后，競爭到信道的節點 i 根據相關半徑形成相關區 域,節點 i 繼續發送信息到 sink 節點，作為相關區域的惟一代表。當消息在發送 時,節點根據聽到的信息計算出它到 i 的距離 d(i,j)。如果 d(i,j)小于則 j 為 i 的相關鄰居節點。如果大于并且有包發送,則競爭信道。相關區域確定后，代表性節點發送數據，為了節省能量，其他節點進入睡眠狀 態(SS)。在 SS 的傳輸期間,相關鄰居

18、節點進入睡眠狀態；然而,為了能夠轉發路 由的數據包和維持網絡的連通性，在一個隨機睡眠間隔時間 T后,相關鄰居節點 開始監聽信道。當一個相關鄰居節點收到一個關于路由的RTS 包，它從 SS 狀態轉到接收狀態并接收數據包再轉發。若代表性節點接到一個數據包，則查看其 KIND域,若其值為 1 則優先路由轉發這個數據包，抑制源發送操作。在 SS 之后, 節點再進入網絡初始化過程，重復整個過程。3 仿真實驗本章利用仿真實驗和分析的方法對本文提出的NISC-MAC 協議進行性能分析并與 IEEE 802.11、S-MACffiCC-MAC、議進行了性能的比較分析。筆者選擇國際上流行的仿真軟件來模擬本協議。

19、在的區域內隨機部署了 50 個節點，并將其中一個節點設置為 sink 節點,其位置坐標設為(199,0)。通過改變節點采集和發送數據的周期，從而產生 不同的網絡負載，來驗證分析 NISC-MAC 協議的性能，仿真時間為。主要考察協議的兩個性能指標：a) 平均能耗。每個節點的平均能耗，單位為毫焦耳 -。b) 媒體接入延時。從發送節點將數據包交給 MAC 層到下一跳接收節點收到 數據包的平均時間差。這個性能參數在基于競爭的 MAC 協、議中主要用來衡量競 爭時延。仿真實驗初始化的主要參數配置如表 1 所示。仿真實驗結果分析如圖 5 所 示。圖 5 描述了四種 MAC 協議在不同網絡負載情況下的平均

20、能量消耗。從中可 以看出，NISC-MAC 協議的平均能耗略小于 CC-MAC 這是因為 NISC-MAC 協議在節 點競爭媒體時，給節點設置了優先級，各節點有不同的發送概率，減少了相關區域 的節點的競爭；同時當節點在退避狀態時，NISC-MAC 協議每個節點的初始化窗口 不一樣,從而各個節點的退避時間不一樣，減少了節點發送沖突的可能。與其他 的兩個協議相比，NISC-MAC 顯著地節約了大量的能量，這是因為它利用了，大大 地減少了數據的發送量。圖 6 描述了四種 MAC 協議在不同網絡負載的情況下媒體訪問延時。從中可以看 出，四種 MAC 協、議的延時時間都很小。NISC-MAC 勺延時略小

21、于 CC-MAC 這是因為NISC-MAC、議相關區域的節點競爭減少。本文用采集到的原始數據在文獻1和本文方案下接收到的數據作一個比 較。為了進行更好的比較，引入以下方差概念：D(S)=E(Si-E(S)2 (i=1,2)其中:D(S)為方差;Si 代表兩種方案收到的數據;S 代表所有節點采集的原始 數據。本數值實驗中,S 的原始數據是 50 個節點采集到的數據,Si 的數據是兩種 方案下選擇不同個數的代表節點分別采集到的數據。i=1 代表文獻1中的方 案,i=2 代表本文方案。方差的大小代表 Si 與 E(S)的偏離值。偏離值越大，說明 Si 與 S 的差異越大。理論上將重要性節點，即數據差

22、異大的節點選為代表性節 點,那么收到的數據的方差比隨機選擇的要大，可以用這個方差來衡量重要性節 點是否被選擇。數值模擬實驗結果如圖 7所示。圖 7 中,橫坐標為選擇的代表性節點個數,縱坐標為 D(S)。從圖 7 中看出,在選擇的代表性節點少于 30 個時,NISC-MAC 協議的 D(S)明顯大于 CC-MAC 這 是因為,NISC-MAC 協議將大部分重要性節點選擇為代表性節點,而 CC-MA 協議 是隨機選擇的，只隨機地選到了小部分或沒有選到重要性節點。這說明，本文方 案將重要性節點優先選擇為代表性節點，讓重要性數據發送到了 sink 節點,確保 了數據的整體有效性，與筆者的理論分析是一致

23、的。4 結束語節點數量眾多且分布稠密的傳感器網絡產生的數據中存在著很強的。 基于 的 MAC協議能減輕網絡中數據傳輸量和減輕網絡沖突，從而達到節省能量的目的 同時將一些重要性節點優先選擇為代表性節點，將數據發送到 sink 節點,能夠確 保監測數據的整體有效性。本文將與結合起來，提出了一個新的基于和的 MAC 協 議(NISC-MAC。仿真實驗表明，NISC-MAC 協議在延時不大的情況下,不僅大大地 節省了網絡的能量，而且確保了監測數據的整體有效性，使監測的數據更能反映 出實際的物理現象。下一步將研究相關性區域的重要性，在重要的相關區域中選擇 k 個代表性節 點,根據具體的應用要求來確定 k 值。參考文獻：1 VURAN M C,AKYILDIZ I F.Spatial correlation based collaborative mediumaccess con trol in wireless sen sor n etworks J. IEEE/ACM Trans on Networking,2006,14(2):316-329.2 蹇強,龔正虎,朱培棟，等.MAC議研究進展J.軟件學報,2008,19(2)