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基于公平性的多速率无线传感器网络MAC协议优化研究# 戴仁通，谢东亮，程时端，王羽** 基金项目：国家自然科学基金(61271185) 作者简介：戴仁通(1987), 男 硕士研究生 宽带及无线网络技术 通信联系人：谢东亮(1976), 男, 副教授, 移动智能终端与移动互联网、B3G/4G宽带无线移动通信、移动多媒体传感器网络、自组织、泛在、异构网络融合与协同. E-mail: xiedl@bupt.edu.cn （北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 北京 100876） 5 摘要：随着传感技术、集成电路等技术的进步，无线传感器网络逐渐得到了发展和应用。而无线传感器的通信速率低、电池容量小且不容易更换的特点决定了网络的吞吐量和网络的生命周期是无线传感器网络两个最重要的性能指标。当无线传感器工作的信道质量差时，误码率会增加，从而导致网络的吞吐量的降低和网络生命周期的减小。虽然可以采用速率自适应10 机制降低误码率，从而提高网络的吞吐量，但是由于现有协议机制下，网络中多种速率的传感器共用同一个信道，无线网络的吞吐量总是较为趋近于拥有较小速率的传感器的速率，这种现象被称为性能恶化。本文通过引入公平性来分析和解决多速率无线传感器网络的MAC接入协议机制的优化，在提高网络吞吐量的同时，尽量保证网络的生命周期，最后通过NS-2仿真环境对改进机制进行了验证。 15 关键词：无线传感器网络；速率自适应；公平性；多速率；MAC；NS-2； 中图分类号：TN92 Research on the Optimization of MAC Protocol in Multi-rate WSN Based On Fairness 20 Dai Rentong, Xie Dongliang, Cheng Shiduan, Wang Yu (State Key Library of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876) Abstract: With the development of sensor and integrated circuit, wireless sensor networks (WSN) has gradually been developed and deployed. Common wireless sensors are usually equipped with 25 low communication rate and small battery capacity, making network throughput and network lifetime be the most two important performance indices of the WSN. When working in an environment of bad channel quality, WSN tends to have higher bit error rate, which results in a dropping of network throughput and decrement of network lifetime. Althrough this problem can be solved by introducing Auto-Rate Fallback (ARF), nodes with different rates have to compete 30 for accessing a shared channel to communicate, making the whole network throughput approach to the lowest rate of all nodes, which is called performance anomaly. This article tries to analyze and solve the optimization problem of MAC scheme in multi-rate WSNs by introducing and leveraging fairness index, and aims to improve the whole all network throughput while guaranteeing a relatively long network lifetime. And in the end, simulation is carried out to verify 35 the correctness of the proposed scheme. (10 Points, Times New Roman) Key words: WSN; ARF; fairness; multi-rate; MAC；NS-2； 0 引言 40 随着信息技术的不断发展和人们对信息量需求的不断提高，无线传感器网络逐渐得到发展和应用。与其他无线网络一样，无线传感器网络具有以下两个方面的主要特点：一是由于无线网络的传输介质是非常不稳定的，无线信道的质量是时间的函数，表现出较强的时变性； 二是由于传输介质不是理想的真空状态，所以无线信号在这种介质中通常需要忍受较大的衰落和失真。无线信道的时变性是影响无线网络性能的重要因素:当信道质量差的时候，丢包45 率上升，网络的吞吐量实际吞吐量下降，并且还会导致网络延迟的增大、终端的能量的浪费等问题。为了减少无线信道的时变性带来的性能上损失，典型的无线网络（如基于IEEE 802.11的WLAN等）都采用了速率自适应机制（自适应编码）的方式来最大程度的提高网络资源的利用率。但是这种情况下，处在不同位置的终端由于信道质量的差异性而选择不同的传输速率，网络在同一时刻存在多种接入速率的终端，这种类型的网络称为多速率无线网50 络。这种网络本应该是为了提高网络性能而出现的，却带来了一定的负面影响：当网络负载较大的时候（饱和通信），网络中的低速率节点每传输相同大小的数据包所占用的信道时间比高速率节点高，这样就导致了网络的吞吐量趋近于速率最低的节点的吞吐量。虽然信道质量较差的终端的单次传输的效率得到了提高，但是整个网络的吞吐量不升反降。这种现象称为吞吐量异常[1]（Performance Anomaly）。 55 本文引入公平性解决方案来优化无线传感器网络的MAC层接入机制，在提高网络吞吐量的同时尽量保证网络的生命周期。 1 相关工作 无线传感器网络协议一般分为五层：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。相比于传统无线网络，由于无线传感器网络的效率是协议设计的首要考虑因素，可扩展性是60 次要因素，所以在其网络协议的优化方面，目前研究较多的是如何提高无线传感网协议的效率，这种利用降低可扩展性来换取较高的协议效率的做法是由无线传感器网络的特殊性决定的：一方面，无线传感器一般具有电池容量小并且不可更换的特点，延长网络的生命周期是提高网络性能的一个重要目标；另一方面，无线传感器网络一般通过独立的网关与其他网络进行通信，网关的引入保证了无线传感网正常完成网络通信任务，也提高了不同传感网协议65 设计的独立性和灵活性。而为了利用这种协议效率的至上性，跨层的协议优化方案得到了较多的应用。可以在WSN网络协议的优化中采取跨层优化的方案[2]，利用马尔科夫模型对瑞利信道的预测来判断数据包传输的可行性：如果预测信道质量高于某个门限值，就传输这个数据包；反之则抑制数据包的传输，直到预测值高于这个门限值；当预测值高于门限值而实际值低于门限值的时候，数据包的传输中会产生错误，必须进行重传，但是在信道环境较为70 稳定的时候这种错误的概率非常小，可以忽略不计。还有一些研究采用了MAC中继[3]的方法提高网络的吞吐量，主要思路是利用一个中间节点将一个速率较低、距离较长的通信切分为两个速率较高、距离较短的通信，从而提高网络的吞吐量。还有一些研究同时分析了网络的生命周期和吞吐量的优化问题[4]，但是局限于应用层和传输层，并没有提供MAC层的优化支持。本文提出一种以公平性为基础的多速率无线传感器网络的MAC层协议优化方案，75 旨在提高网络的吞吐量的同时保证生命周期。 2 协议优化分析 2.1 公平性概念 公平性[5]是用来衡量节点之间资源分配均等性的指数。比较常用的公平性指数有最大最小公平性（max-min fairness）、比例公平性（proportional fairness）以及效用公平性（utility 80 fairness）等。最大最小公平性首先满足速率最小的节点的需求，然后满足速率次小的节点 的需求，以此类推；比例公平性在最大化网络吞吐量的同时保证各个节点的基本需求；效用公平性保证收益减去开销最大化；比例公平性和最大最小公平性是效用公平性两个特例。吞吐量的分析中，主要用到的是比例公平性，而对生命周期的分析一般使用效用公平性，但是由于这两种公平性差异性不大，并且为了更方便地将两者进行联合优化，本文对生命周期的85 设计也采用比例公平性，并且引入权衡参数[4]，将两个优化目标结合起来。 2.2 吞吐量优化分析 通过对多对一的单跳多速率无线网络场景中，不同速率的节点的接入信道的概率相同，成功接入信道后，传输数据所占用的时间与速率成反比，也就是说，低速率的节点每次传输所占用的信道时间比高速率节点长，因此，这种竞争接入机制中，在一个长期的时间内，高90 速率节点接入信道的统计时间短，而低速率节点接入信道的统计时间长，导致了整个网络的吞吐量趋近于低速率节点的吞吐量，而且由于低速率节点接入信道的时间长，也会导致低速率节点过早消亡，导致网络生命周期缩短。 通过以上分析可以看出，多速率的性能恶化问题的本质是不同速率的节点信道占用时间的不公平性，因此此可根据公平性对不同速率节点的信道占用时间进行约束来解决这个问95 题。可直接根据比例公平性的定义以及每个节点的速率来约束其信道接入概率，使得整个网络的吞吐量在公平约束下得到最大提升。 多对一的场景中，源节点直接与Sink节点通信。定义Ti为节点i 信道占用时间（Channel occupancy time），即节点i 与Sink 通信所占信道时间片，因此可得节点i 信道占用比例： (),0()1jNTiiiTj (1) 100 忽略PHY层和MAC层包头需要的传输时间，假设任一时刻信道均被占用，则： ()1iNi (2) 定义S(i) 为N中节点i 吞吐量，所以有： ()*jNTiSiRiTj (3) 其中Ri 为MAC层速率，而假设其他变量（包长）一致。已知比例公平性效用函数如105 下： logUxx (4) 由定义可知，通过最大化1log()niSi，可 得 到 唯 一 的 比 例 公 平 优 化 目 标 ， 优 化 函 数 如 下 ： 1log()(1),(2),(3)niMaximizeSiconstrains (5) 根据对数函数性质，上述优化目标等同于1{()}niMaximizeSi。结合(2)和 (3)，可得： 110 11111()**()nnnnniiiiijNTiSiRiRiiTj (6) 注意到节点速率Ri根据当前距离和信道状况为一确定数值，因此 Ri 在上式中为常数，因此，最大化1()niSi可进一步等同于最大化1()nii。易知， 1 ( ) n i S i 在i相等时取得最大，根据条件（1）限制，可知： 12...nTTT (7) 115 进一步有: 1(1)(2)...()nn (8) (),RiSiiNn (9) 因此，由上述分析可得以下结论[5]：首先，当节点信道占用时间相同时达到吞吐量比例公平，且吞吐量比例公平性等同于基于时间的最大最小公平性，此结论与基于时间公平性一120 致；其次，给定固定数量的节点，节点i 吞吐量（9）独立于其他节点速率而仅与自身速率相关；同时，比例公平性约束下节点的信道占用时间不少于同一速率的节点在单速率网络获得的信道接入时间，所获得吞吐量与单速率网络情况相同。此处所提及的单速率网络是指所有节点都具有此节点速率的网络，如三个节点速率均为100kbps，则在基于吞吐量公平情况下，信道占用时间均为1/3,等同于节点在多速率场景中的时间分配。 125 节点发送概率和速率关系。假设发送包长均为L，Pi为节点i 发送概率，则占用信道时间期望为： LTiPi,ViiN (11) 根据（8）性质，节点信道占用时间均分时达到比例公平，则有 LLLP1P2PnKV1V2Vn (12) 130 其中K为非零常数，由于假设了任一时刻都有数据传输，所以节点发送概率和为1。求解得到Pi： 学术论文网Tag：代写硕士论文 代写论文 代写代发论文 代发论文 |
