基于轮询控制的无线传感器网络MAC协议性能分析

杨志军 刘征 丁洪伟 毛磊 张强

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基于轮询控制的无线传感器网络MAC协议性能分析

    通讯作者: 杨志军, 353738698@qq.com

Performance analysis of wireless sensor network MAC protocol based on polling control

    Corresponding author: YANG Zhi-jun, 353738698@qq.com ;
  • 摘要: 为解决网络性能均衡问题,提出一种一队列两服务的轮询控制策略,用于无线传感器网络的媒体接入控制中. 首先,在该轮询控制策略中,一个队列根据系统总负载率按概率采取门限和完全两种服务,采取完全服务的概率与采取门限服务的概率相加等于1;其次,对控制策略模型进行了系统分析,用控制流程的方法对模型进行了描述;然后,通过Matlab实现了控制策略模型仿真,并将其与完全服务和门限服务进行了对比,实验结果表明,该控制策略可以达到均衡网络性能的效果;最后,对现有MAC帧结构进行了分析,提出将现有帧结构重新设计以实现该轮训控制策略,说明了该控制策略在实际网络中的可行性.
  • 图 1  一队列两服务系统模型

    Figure 1.  System model of one queue with two services

    图 2  总负载率对新系统平均排队队长的影响

    Figure 2.  Effect of total load rate on the average queue length of the new system

    图 3  总负载率对新系统平均时延的影响

    Figure 3.  Effect of total load rate on the average delay of the new system

    图 4  总负载率对3种服务系统平均排队队长的影响

    Figure 4.  Effect of total load rate on the average queue length of the three systems

    图 5  总负载率对3种服务系统平均时延的影响

    Figure 5.  Effect of total load rate on the average delay of the three systems

    图 6  一队列两服务系统的帧控制域格式

    Figure 6.  The frame control field format of polling system of one queue with two services

    表 1  非对称队列3种服务策略比较

    Table 1.  Comparison of three service strategies for asymmetric queues

    服务策略节点到达率/(数据包·时隙−1)服务率/(时隙·数据包−1)转换率/时隙平均排队队长/数据包平均时延/时隙
    一队列两服务10.05210.443 513.008 4
    20.35212.041 5 7.398 8
    门限服务10.05210.498 4 8.772 6
    20.35213.491 713.060 1
    完全服务10.05210.422 017.349 2
    20.35210.995 6 5.944 2
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-17
  • 录用日期:  2020-12-07
  • 网络出版日期:  2020-02-05
  • 刊出日期:  2020-05-01

基于轮询控制的无线传感器网络MAC协议性能分析

    通讯作者: 杨志军, 353738698@qq.com
  • 1. 云南大学 信息学院,云南 昆明 650500
  • 2. 云南省教育科学研究院,云南 昆明 650223

摘要: 为解决网络性能均衡问题,提出一种一队列两服务的轮询控制策略,用于无线传感器网络的媒体接入控制中. 首先,在该轮询控制策略中,一个队列根据系统总负载率按概率采取门限和完全两种服务,采取完全服务的概率与采取门限服务的概率相加等于1;其次,对控制策略模型进行了系统分析,用控制流程的方法对模型进行了描述;然后,通过Matlab实现了控制策略模型仿真,并将其与完全服务和门限服务进行了对比,实验结果表明,该控制策略可以达到均衡网络性能的效果;最后,对现有MAC帧结构进行了分析,提出将现有帧结构重新设计以实现该轮训控制策略,说明了该控制策略在实际网络中的可行性.

English Abstract

  • 无线传感器网络(WSN,wireless sensor network)是由随机部署在指定区域内的大量微型传感器节点组网形成的一个网络. 但是,无线传感器网络存在计算和存储能力有限、电源供应较差以及数据感知流巨大等问题[1-3]. 近年来,为解决这些问题,人们对无线传感器网络的媒体接入控制(MAC, medio access control)层以及路由协议等方面进行了改进[4-6]. 其中,网络节点能源效率和性能主要取决于传输距离和信道条件,文献[7]分析了无线传感器网络3种不同的传输模式即SIMO (space time block codes)、SM (spatial multiplexing)和STBC (single-input multiple-output)的性能,并由此提出了一种新的传输方案,该方案根据距离和信道条件在3种模式之间切换,从而达到减少节点能耗的目的. 文献[8]根据节点能耗与传输频率成正比的特性,提出了一种具有多种算法的传感器部署策略—Entropy-driven Data Aggregation with Gradient Distribution (EDAGD),通过对传感器的部署优化达到减少无线传感器网络能耗的目的. 文献[9]通过队列是否有信息数据分组将队列动态的分成忙闲两种状态,避免系统对没有信息分组队列的服务查询,减少由此带来的网络资源浪费,提高了控制效率. 文献[10]基于FPGA的灵活性和可重构性特点,首次以FPGA(field programmable gate array)对轮询机制的接入控制协议进行了设计和实现. 除此之外,还有很多文献都对无线传感器网络作了研究[11-12]. 但是,大多数文献都是为了减少无线传感器网络能耗而很少考虑其节点接收服务的公平性,对于网络性能均衡方面的研究很少. 所以,为了让网络性能达到均衡,本文针对网络接入控制策略及其性能展开分析讨论.

    在传统轮询控制策略中,其存在3种基础控制策略,即门限服务、完全服务和限定服务[11-12]. 其中,完全服务策略是指一个队列在占用信道资源直至发送完队列内所有数据包;门限服务策略是指一个队列占用信道资源直至发送完开始占用信道时队列内所有的数据包;限定(K=1)服务策略是指一个队列在发送完一个数据包后,其占用的信道资源就被分配给下一个队列. 所以,这3种服务策略的服务方式决定了其各自的优缺点. 采用完全服务策略,队列里等待发送的数据包最少,且一个数据包等待发送时间最短. 但是,当数据包到达队列的数目过多时,很容易造成其它队列“饥饿”,即系统的公平性下降. 采用限定(K=1)服务策略,每一个队列在被服务时都只能发送一个数据包,系统的公平性最好. 但是,该服务策略中队列里等待发送的数据包最多,且数据包等待发送时间最长. 门限服务策略则在各方面性能都居中.

    无线传感器网络中,各个路由节点随时随刻都在接收数据,且数据流较大,而限定(K=1)服务策略规定路由节点每次轮询汇聚节点时只能发送一个数据包,增加了节点间的转换时间并降低了接入效率. 所以,本文根据WSN的数据流特点,提出一种一队列两服务的轮询控制策略,即每个队列采用门限和完全两种服务控制策略,在一个队列被服务完时,下一个队列所采用的服务策略按概率选择何种服务策略,概率是由其当前时刻的系统总负载决定. 针对上述过程,本文首先根据其服务策略接入机制对其模型进行了简要介绍,然后通过控制流程的方法对系统运行过程进行了描述,并利用Matlab对系统进行了模型仿真,分析了系统总负载率对系统性能的影响以及与完全服务、门限服务的对比. 最后,针对实际环境和该控制策略对原有MAC帧结构进行了重新设计,说明了该控制策略的实际可行性.

    • 在采用一队列两服务接入机制的系统中,有一个服务器(汇聚节点)和N个节点如图1所示. 在无线传感器网络中,其感知层节点主要包含有两种节点,分别为汇聚节点和路由节点. 路由节点主要检测环境中的数据,并将环境数据传输到汇聚节点,汇聚节点根据MAC协议对各个路由节点数据进行接收. 在该模型中,汇聚节点对路由节点可以采取两种服务接入控制,完全服务和门限服务. 而汇聚节点对路由节点采取哪种服务方式是与系统此时的总负载率有关,即按概率P采取门限服务,概率(1-P)采取完全服务,概率P等于系统的总负载率. 其策略是在低负载时,尽可能地减少平均等待时间与平均时延,且因为低负载每个节点所占用的服务时间都不会太长,每个节点都能很快地得到服务,适合采取完全服务;在高负载时,每个节点的到达率较高,每个节点所占用的服务时间较长,如果继续采取完全服务易造成其它节点一直得不到服务,为保证各节点的公平性,适合采取门限服务.

      图  1  一队列两服务系统模型

      Figure 1.  System model of one queue with two services

    • 在该轮询机制控制策略下,路由节点之间不会发送数据传输冲突,但并不排除由于信道质量等因素带来的数据传输失败现象. 所以,本文假设路由节点与汇聚节点之间通信正常,数据传输成功;汇聚节点不会产生数据溢出现象[13-14].

      根据轮询系统基本模型所示,同时结合其控制机制和特点,对系统工作条件作如下设定:

      (1)路由节点数据到达过程符合相互独立的泊松分布,均值为 $\lambda $

      (2)数据发送时间为独立同分布的均匀分布,均值为 $\beta $

      (3)路由节点间的查询转换时间为独立同分布的均匀分布,均值为 $\gamma $

      (4)在任何一个时隙内到达的数据信息量进行完全服务所需时间的随机变量服从于一个相互独立、同分布的概率分布;

      (5)每一个加入进队列的数据信息量,将会按照先到先服务(FCFS,first come first serve)的方法接受服务;

    • 假设无线传感器网络中有N个路由节点和一个汇聚节点. 定义随机变量 ${\xi _i}(n)$ 表示汇聚节点在 ${t_n}$ 时刻与路由节点 $i$ 进行数据传输时节点 $i$ 中等待发送的数据包个数. 所以,在${t_n} $时刻,整个无线传感器网络系统的状态随机变量为:$\{ {\xi _1}(n),{\xi _2}(n), \cdot \cdot \cdot ,{\xi _N}(n)\} $;在节点 $i$ 与汇聚节点完成数据传输后,${t_{n + 1}}$ 时刻节点 $i + 1$ 开始发送数据,整个系统的状态随机变量为:$\{ {\xi _1}(n + 1),{\xi _2}(n + 1), \cdot \cdot \cdot , $${\xi _N}(n + 1)\} $,定义变量 $P$ 为路由节点选择门限服务的概率,其值与当前时刻系统总负载率相等,即 $P = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^N {{\lambda _i}{\beta _i}} $$1 - P$ 为选择完全服务的概率.

      定义如下随机变量:

      ${u_i}(n)$:在 ${t_n}$ 时刻,汇聚节点从路由节点 $i$ 查询转换到下一节点 $i + 1$ 所耗费的时间;

      ${v_i}(n)$:在 ${t_n}$ 时刻,路由节点 $i$ 向汇聚节点发送数据包所耗费的时间;

      ${\mu _j}({u_i})$:在 ${u_i}(n)$ 时间内进入第 $j(j = 1,2, \cdot \cdot \cdot ,N)$ 节点的数据包;

      ${\eta _j}({v_i})$:在 ${v_i}(n)$ 时间内进入第 $j(j = 1,2, \cdot \cdot \cdot ,N)$ 节点的数据包;

      在该系统中,其初始条件为在开始时刻,各个路由节点内没有一个数据包,服务器开始服务第一个路由节点;第一个节点接收服务前,在0到1内随机生成个数,如果这个数大于 $P$ 则采取完全服务,反之采取门限服务;当第一个节点完成服务后,服务器按次序对第二个节点进行服务,第二个节点按照第一个节点的方法决定采取何种服务方式;然后,服务器依次对后面节点服务,当服务完最后一个节点后,又开始对第一个节点进行服务. 其控制流程算法如下所示:

      步骤1:开始设定系统初始条件;

      Initialize:${\xi _i}(m) = 0;i = 1,2, \cdots ,N$//系统内各节点内的数据包为0

      $m = 0;t = 0;$//m表示轮询系统的循环次数,t表示系统运行时间

      $P = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^N {{\lambda _i}{\beta _i}} ;$//P表示节点选择门限服务的概率

      步骤2:系统在 $\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^N {{\lambda _i}{\beta _i}} < 1$ 的条件下,开始对节点依次序进行循环周期服务.

      while $\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^N {{\lambda _i}{\beta _i}} < 1$ do

      for $a = 1:n$

        $P_1 = random\left( {0,1} \right)$;//节点接收服务前产生的随机数

        if $P_1 \leqslant P$ //节点选择门限服务

         ${\nu _a}(m) = {\xi _a}(m) \cdot \beta $${u_a}(m) = \gamma $;//服务时间与查询转换时间

         ${\xi _j}(m) \!=\! {\xi _i}(m) \!+\! {\mu _j}({u_a}(m)) \!+\! {\eta _j}({\nu _a}(m));j \!=\!\! 1,2,\! \cdots \!,N,j\! \ne \!a;$

         ${\xi _a}(m) = {\mu _a}({u_a}(m)) + {\eta _a}({\nu _a}(m));$

        else //节点选择完全服务

         ${\nu _a}(m) = {\xi _a}(m) \cdot {\beta _a}$${u_a}(m) = {\gamma _a}$;//服务时间与查询转换时间

         ${\xi _j}(m) \!=\! {\xi _i}(m) \!+\! {\mu _j}({u_i}(m)) \!+\! {\eta _j}({\nu _i}(m));j \!=\! 1,2, \!\cdots\! ,N,j \! \ne \! a;$

         ${\xi _a}(m) = {\eta _a}({\nu _a}(m));$

        end

        $t = t + {\nu _a}(m) + {u_a}(m);$

      end

      $m = m + 1$;//系统完成一次周期服务,循环次数加1

    • 本文在Matlab 2014a上对该轮询控制策略模型进行了实验仿真. 在模型仿真过程中,需要满足以下条件:各节点的参数变量都应当服从相同的分布;任何一个时隙内进入各节点的数据包都满足泊松分布;轮询系统满足 $\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^N {{\lambda _i}{\beta _i}} = $$ \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^N {{\rho _i}} < 1$ 稳态条件[15-16].

      在该仿真环境中,所有的数据包都能发送成功,归一化处理后,时间轴按时隙划分,定义一个时隙为20 μs,信息分组的长度为1 100 Byte. 平均排队队长(节点内等待发送的数据包平均个数)和平均时延(单个数据包等待发送的平均时间)是轮询系统性能的重要指标. 本文首先在系统路由节点为5,服务率(路由节点传输一个数据包所需要的平均时间)为2时隙/数据包和转换率(路由节点间查询转换的平均时间)为1时隙的条件下,分析了路由节点总负载率对系统平均排队队长与平均时延的影响,其结果分别如图2图3所示;其次,通过对系统总负载率的变化,观察完全服务系统、门限服务系统与本文提出的一队列两服务系统的区别,其结果如图45所示;最后,对节点到达率分别为0.05、0.35数据包/时隙以及服务率为2个时隙,转换率为1个时隙的系统分别进行了3种服务策略模型的仿真,其结果如表1所示.

      服务策略节点到达率/(数据包·时隙−1)服务率/(时隙·数据包−1)转换率/时隙平均排队队长/数据包平均时延/时隙
      一队列两服务10.05210.443 513.008 4
      20.35212.041 5 7.398 8
      门限服务10.05210.498 4 8.772 6
      20.35213.491 713.060 1
      完全服务10.05210.422 017.349 2
      20.35210.995 6 5.944 2

      表 1  非对称队列3种服务策略比较

      Table 1.  Comparison of three service strategies for asymmetric queues

      图  2  总负载率对新系统平均排队队长的影响

      Figure 2.  Effect of total load rate on the average queue length of the new system

      图  3  总负载率对新系统平均时延的影响

      Figure 3.  Effect of total load rate on the average delay of the new system

      图  4  总负载率对3种服务系统平均排队队长的影响

      Figure 4.  Effect of total load rate on the average queue length of the three systems

      图  5  总负载率对3种服务系统平均时延的影响

      Figure 5.  Effect of total load rate on the average delay of the three systems

    • (1)在图23中,本文通过改变系统总负载率得到了其平均排队队长与平均时延的变化曲线. 由曲线可知,在总负载率为0.1至0.5期间,曲线变化不大,两个重要性能参数值变化不大;当总负载率大于0.5,曲线曲率开始变大,总负载率的极小变化也会对系统性能产生极大的影响.

      (2)在图45中,本文通过对总负载率的变化观察新系统在两个重要参数方面与门限服务系统、完全服务系统的区别. 首先,由图45可以看出,3种系统随着总负载率变化的变化规律基本一致;其次,新系统在总负载率低时,其性能参数与完全服务接近,在总负载率高时,其性能参数接近门限服务,在总负载率适中时,其性能参数位于两种服务中间;最后,从图4可以看出,3种服务模式在平均排队队长的性能上差距不大,尤其是在低负载率时,该性能参数几乎相等,所以,这3种模型的主要差距要看其平均时延.

      (3)在表1中,本文对非对称系统分别进行了3种不同服务策略的仿真. 由表中数据易得,首先一队列两服务策略的两个节点在性能参数上都居中,其中节点1的平均排队队长与其它两个服务策略的差距都不大;其次,门限服务与完全服务的区别很大,特别是平均时延,门限服务是节点1平均时延小于节点2,而完全服务是相反的,出现这种现象就是因为完全服务的“不公平性”,因为对于到达率高的节点其接受服务的时间比到达率低的节点多,那么其它低到达率节点等待服务的时间会增多,相对应的其平均时延就会大于到达率高的节点;最后,通过新服务策略模型仿真结果与其它两种服务策略模型结果对比可知,其实现了对系统性能的均衡.

    • 为Mac层能在环境复杂的情况下提高数据传输,本文采用文献[17]对无线传感器网络Mac协议的帧结构设计. 为实现本文提出的一队列两服务轮询控制接入机制,本文在该帧的基础上设计了帧控制域格式,建议将7位Reserved中的1位作为G/E address字段设置为节点所要接受的服务标识Flag,改后的帧格式如图6所示:

      图  6  一队列两服务系统的帧控制域格式

      Figure 6.  The frame control field format of polling system of one queue with two services

    • 本文通过对无线传感器网络数据传输特点,提出一种一队列两服务的轮询控制策略应用于其Mac层协议,并结合该控制策略对其原有Mac协议帧结构进行了改进. 结合实际环境特点及轮询控制机理,对系统模型控制流程进行了详细描述. 通过仿真实验,分析了总负载率对系统节点的平均排队队长和数据包平均时延的影响. 通过实验观察分析,总负载率较低时,系统性能比较稳定,不会有大的变化,在总负载率达到0.5时,总负载率对系统性能的影响逐渐增大,总负载率越接进1,其值对系统性能影响越大. 通过新模型与门限服务、完全服务的性能参数对比,可以看出新模型在平均排队队长与平均时延等重要性能参数方面介于两种服务之间,且在总负载率低的情况下,该模型接近于完全服务,在总负载率较高的情况下,其性能接近于门限服务. 由仿真结果,可以得出该新模型已达到预期目的,即实现了网络性能均衡,在总负载率低条件下,节点大概率采用性能较好的完全服务,因为到达率低,每一节点服务完成时间少,所以轮询周期快,不会造成其它节点“饥饿”即需要等很久才得到服务;在总负载率高条件下,节点大概率采用性能较差但节点间公平性好的门限服务,因为总负载率高,采用完全服务节点的服务完成时间大,易导致其它节点“饥饿”即很难得到服务,所以采取门限服务让系统每一个节点尽可能多的得到服务.

      综上所述,本文提出的一队列两服务轮询控制策略成功实现了对无线传感器网络系统中平均排队队长即节点内等待发送的数据包平均个数、平均时延即单个数据包等待发送的平均时间与路由节点间的公平性的调节,达到了对网络系统性能均衡的目的. 但是,在实际应用中很难达到本文所假设的理想信道质量等条件. 所以,接下来会对非理想信道环境下的无线传感器网络接入控制策略优化及性能分析展开研究.

参考文献 (17)

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