面向物联网中的支持节点移动的MAC协议

王喜军，高士娟

(郑州工业应用技术学院 信息工程学院，河南 郑州 451150)

0 引 言

在物联网(Internet of things，IoT)中，各物体相互通信或它们各自接入网络。其中，嵌入式终端可穿戴传感节点是典型的移动设备。这些节点已广泛应用于健康医疗，实现对病人身体信息的跟踪。这些应用必须支持物体移动以及突发业务[1]。

在移动感知环境，传感节点常附属于人体、动物或其它物体上，再感测数据。一旦接入到无线媒介[2]，传感节点就以突发方式传输数据。媒体接入控制(medium access control，MAC)层负责节点间通信以及记录能量消耗。在IoT和无线传感网络(wireless sensor networks，WSNs)中，MAC层也负责对无线电设备的开、关切换。这些工作调休制度有利于能量消耗与网络性能间的平衡。

尽管基于移动设备应用迅速增长，但是近期的IETF 6TiSCH工作委员会仍只关注静态网络[3]。在这些网络中，拓扑是固定的。此外，尽管现存大量的MAC协议[4,5]，但它们并没有关注移动节点的问题以及突发业务流量。

为此，本文提出面向物联网中的支持节点移动的MAC(mobility-supporting MAC，MS-MAC)协议。MS-MAC协议充分考虑了节点的移动性，并利用节点密度和距离信息选择下一跳转发节点。同时，利用竞争避免算法解决隐藏终端问题。实验结果表明，提出的MS-MAC能够有效地建立通信连接，降低了路由跳数和传输时延。

1 网络模型及问题描述

MS-MAC考虑混合网络结构：移动节点和静态节点组成。同时假定移动节点不参与路由，即不参与路由中的数据包转发。移动节点通过发送控制包，发现邻居节点，然后再建立点到点的通信链路。

现在的多数MAC协议常采用随机方式选择静态节点作为移动节点转发数据包的下一跳节点，如ME-ContikiMAC。这种策略可能会增加端到端的传输时延，也提高了能耗[6]。

如图1所示，假定移动节点有n个数据包需要向信宿传输。移动节点的传输范围内有4个静态节点，分别为RX1、RX2、RX3和RX4，它们离信宿由1、2、3和2跳。若采用随机方式选择下一跳节点，若移动节点选择了RX3，它离信宿有3跳。显然，移动节点选择了一条最长的距离传输数据包，这增加了传输时延。

图1 随机选择下一跳

为此，MS-MAC引用节点权值选择下一跳转发节点，同时引用竞争避免算法，解决信道竞争问题。

2 MS-MAC算法

MS-MAC算法提供有选择性和有效性邻居发现机制，同时，也支持动态和突发数据流。由于移动节点的固定特性，MS-MAC算法假定移动节点无法感知周围的静态节点和这些静态节点离信宿的距离。同时，移动节点与静态节点交互信息，进而获取低时延。MS-MAC算法主要由邻居发现和在突发时隙传输数据数据包。

2.1 邻居发现

MS-MAC的邻居发现过程如图2所示。首先，移动节点(传输节点TX)在预定时期(preamble period)，以组播传输方式重复传输控制包，进而确保在移动节点传输范围内的节点均能成功接收控制包。注意，这些控制包无需转发。此外，每个控制包内携入当前preamble period的剩余时间TXremaining。

图2 MS-MAC算法模型

一旦接收了控制包，节点就回复确认包ACK，其包含了自己ID号和相关的度量(链路质量指标、到基站的最少跳数和剩余能量)。一旦回复了ACK包，节点就关闭无线电进入休眠阶段，且休眠时间为TXremaining。一旦TXremaining到达了，就唤醒，并准备接收数据包，如图3所示。

图3 控制包的交互过程

当移动节点接收邻居节点回复的ACKs包后，就从这些包中提取信息。这些节点就是移动节点的邻居节点，移动节点再依据这些信息决策下一跳转发节点。MS-MAC算法是基于低时延指标选择静态节点，并由此静态节点转发数据包。

2.2 转发节点的选择

针对转发策略均采用随机方式选择转发节点，如图1所示。显然这种方式可能造成大的传输时延。为此，MS-MAC算法先收集节点局部密度和距离信息，再计算节点转发权值，然后择优选择转发节点。

节点i的转发权值Pi，定义如式(1)所示

(1)

其中，ρi表示节点i的局部密度，而ρaverage表示网络平均密度。D(TX,sink)、D(i,sink)表示发送节点离信宿距离、节点i离信宿节点距离。

式(1)引用权重参数ω。式(1)的右边第一项反映节点密度，而第二项反映了距离。权重参数ω控制了节点密度和距离对权值的比重。MS-MAC协议假定节点密度和距离对权值具有相同的比重，即ω=0.5。

如图4所示，TX作为发送节点，而RX1、RX2和RX3为接收节点。当RX1、RX2和RX3一旦接收到TX的控制包，就计算自己权值，并把权值载入ACK包，传输至TX。

图4 数据包传输

TX接收了邻居节点回复的ACK包后，就向这些节点传输数据包。一旦接收了数据包，节点就依据权值设置定时器。权值越大，定时时间越短。一旦定时时间完毕，节点就转发数据包，并向TX回复ACK包。而其它节点一旦监听到已有转发了数据包，节点就丢失数据，并且关闭无线射频单元，进而保存能量。

节点i的定时时间Timeri定义如式(2)所示

(2)

如图4所示，节点RX1、RX2和RX3均接收到来自TX的控制包，假定RX2的权值最大，则其定时时间最短，因此，RX2转发数据包，并向TX回复ACK。

2.3 竞争避免算法

当网络内有两个或以上的节点同时发送数据时，它们就竞争接入媒介，可能出现碰撞。受T-AAD[7]启发，MS-MAC算法引用竞争避免算法(contention avoidance algorithm，CAA)消除信道竞争和终端隐蔽问题。

为此，在每个数据包Data内嵌入队列长度信息。周围媒体接入竞争者通过监听这些信息，可以估计突发传输的总体时间，最后，就可估计自己的休眠时间

Twait=Qlen(TXtime+ACKtime)(1+Merr)+Tack

(3)

其中，Qlen表示移动节点希望传输的数据包数。而TXtime、ACKtime分别表示成功交互数据包Data和ACK包的时间间隔。

为了确保Ttime时间至少大于MAC重传时间，在式(1)中添加了一项Merr。由于外界干扰，引用Merr处理潜在数据包重传。参数Merr的值取决于当前网络条件[7]。

如图5所示，TX1和TX2同时向RX发送数据。假定TX1、TX2分别有5、n个数据包传输。若它们同时传输数据，必然会产生相互干扰，甚至数据碰撞。为了克服这个问题，TX1发送的Data包中携入该发送节点需要传输的数据包。而隐藏终端节点TX2通过监听Data包，就能计算它需要等待的时间，并且在这段时间内关闭无线射频信号。

图5 竞争避免算法

3 性能仿真

3.1 仿真参数

引用NS3[8]网络仿真器建立仿真平台。考虑40个固定节点均匀地分布于50m×40m区域，且8个移动节点随机分布于此区域。同时，引用随机移动模型。仿真过程中引用3类移动速度。低速：从0.5 m/s至2 m/s，这代表步行速度；中速：从2 m/s至8 m/s，这代表典型的慢跑速度；高速：从8 m/s至12 m/s，这代表骑车速度。

此外，数据包大小为32 bytes，数据包传输率为每120 s 32个数据包。为上更好地分析MS-MAC协议，引用MOBINET[9]、MoX-MAC[10]和ME-ContikiMAC[2]作为参照，与MS-MAC进行同步仿真，并进行性能比较，性能包括流量、时延、能量消耗以及数据包传递可靠性。

3.2 性能分析

首先分析流量业务随节点移动速度变化情况，实验数据如图6所示。

图6 业务流量

从图6可知，MS-MAC的业务流量优于同类的其它协议。图6(a)数据表明，MS-MAC协议的平均跳数最少，原因在于MS-MAC协议利用将节点距离融入节点权值，择优选择离信宿距离近的节点作为数据包的下一跳转发节点，这有利于减少传输跳数。

图6(b)显示了数据包传输次数，从图可知，MS-MAC协议的传输次数最小。这也充分说明MS-MAC控制了开锁，缩短了数据包传输路径。

图7显示了4个协议的端到端传输时延。此传输时延包括信道接入时延、信道退避时间。从图7可知，MS-MAC的传输时延最低，这与图6的数据相同。由于MS-MAC协议降低了传输跳数，进而缩短了传输时延。此外，MS-MAC协议引用竞争避免算法，提高了数据包传输流畅性。

图7 端到端传输时延

最后，分析每传输一个数据包所消耗的能量，如图8所示。从图8可知，MS-MAC协议消耗能量最低。与MOBINET、MoX-MAC、ME-ContikiMAC相比，MS-MAC算法的能耗分别下降了51%、45%、6%。这要归功于MS-MAC算法减少了传输跳数(图7)。而MoX-MAC和MOBINET协议没有引用竞争避免算法，提高了竞争率，这必然增加数据包重传次数，最终提高了节点能耗。

图8 能量消耗

4 结束语

针对移动物联网的日益发展，提出基于面向物联网中的支持节点移动的MAC协议MS-MAC。MS-MAC协议充分考虑到节点移动性。MS-MAC首先通过控制包的交互发现邻居，然后再依据节点密度和距离信息，选择下一跳转发节点。同时，引用竞争避免算法，解决终端隐藏问题。实验数据表明，提出的MS-MAC协议缩短了传输跳数，降低了端到端传输时延，也减少了节点能耗。

参考文献：

[1]Dargie W,Wen J.A seamless handover for WSN using LMS filter[C]//Proceedings of the 39th IEEE Conference on Local Computer Networks.Singapore,2014:287-288.

[2]Papadopoulos G Z,Kotsiou V,Gallais A,et al.Wireless medium access control under mobility and bursty traffic assumptions in WSNs[J].Springer Mobile Networks and Applications,2015,20(5):649-660.

[3]IEEE standard for low-rate wireless personal area networks (LR-WPANs)[S].IEEE Std 802.15.4-2015 (Revision of IEEE Std 802.15.4-2011),2016.

[4]Papadopoulos G Z.Improving medium access in dynamic wireless sensor networks[D].Strasbourg:University of Strasbourg,2015.

[5]Silva R,Silva J S,Boavida F.Mobility in wireless sensor networks-survey and proposal[J].Computer Communications,2014,52(5):1-20.

[6]Papadopoulos G Z,Kotsiou V,Gallais A,et al.Low-power neighbor discovery for mobility-aware wireless sensor networks[J].Elsevier Ad Hoc Networks,2016,48(6):66-79.

[7]Papadopoulos G Z,Beaudaux J,Gallais A,et al.T-AAD:Lightweight traffic autoadaptations for low-power MAC protocols[C]//Proceedings of the 13th IEEE IFIP Annual Mediterranean Ad Hoc Networking Workshop,2014:79-86.

[8]Kim B,Lee D,Choi T.Performance evaluation for Modbus/TCP using network simulator NS3[C]//IEEE Region 10 Conference, 2015:1-6.

[9]Cheng Long,Niu Jian,Mario Di Francesco.Seamless strea-ming data delivery in cluster-based wireless sensor networks with mobile elements[J].IEEE Systems Journal,2016,10(2):801-816.

[10]Ba P D,Niang I,Gueye B.An optimized and power savings protocol for mobility energy-aware in wireless sensor networks[J].Telecommunications Systems,2014,55(2):271-280.