异步多信道无线传感器网络MAC协议

软件学报ＩＳＳＮ　１０００—９８２５，ＣＯＤＥＮ　ＲＵＸＵＥＷ　Ｅ－ｍａｉｌ：ｊＯＳ＠ｉｓｃａｓ．ａｅ．ｃｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ，２０１２，２３（３）：６１３—６２８［ｄｏｉ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１００１．２０１２．０３９８４】　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｏｓ．ｏｒｇ．ｅｎ　◎中国科学院软件研究所版权所有．　Ｔｅｌ／Ｆａｘ：＋８６．１　０．６２５６２５６３　异步多信道无线传感器网络ＭＡＣ协议　张德升　’　，李金宝１，２，郭龙江１，２　（黑龙江大学计算机科学技术学院，黑龙江哈尔滨　１５００８０）　（黑龙江省数据库与并行计算重点实验室，黑龙江哈尔滨　１５００８０）　Ａｓｙｎｃｈｒ０ｎ０ｕｓ　Ｍｕｌｔｉ—Ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ＷＳＮｓ　ＺＨＡＮＧ　Ｄｅ．Ｓｈｅｎｇ　，　，ＬＩ　Ｊｉｎ。Ｂａｏ　，ＧＵＯ　Ｌｏｎｇ．Ｊｉａｎｇ　，　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００８０，Ｃｈｉｎａ）　（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｄａｔａｂａｓｅ　ａｎｄ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈａｒｂｉｎ　１　５００８０，Ｃｈｉｎａ）　＋Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ：Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ．ｄｅ．ｓｈｅｎｇ＠ｑｑ．ｃｏｒｎ　Ｚｈａｎｇ　ＤＳ，Ｌｉ　ＪＢ，Ｇｕｏ　ＬＪ．Ａｓｙｎｃｈｒ０ｎｏｕｓ　ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ＷＳＮｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ，　２０１２，２３（３）：６１３—６２８．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｏｓ．ｏｒｇ．ｃｎ／１　０００－９８２５／３９８４．ｈｔｍ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｔａｃｋｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒｉｐｌｅ　ｈｉｄｄｅｎ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ＲＩＭ，ａ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ－ｉｎｉｔｉａｔｅｄ　ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｗｉｔｈ　ｄｕｔｙ　ｃｙｃｌｉｎｇ　ｆｏｒ　ＷＳＮｓ．Ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ａ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ—ｉｎｉｔｉａｔｅｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ—ｂａｓｅｄ　ｒａｎｄｏｍ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ＲＩＭ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ａｌｌｅｖｉａｔｅｓ，ｉｆ　ｎｏｔ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅｓ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒｉｐｌｅ　ｈｉｄｄｅｎ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ＲＩＭ　ｅｘｐｌｏｉｔｓ　ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｂｕｔ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｓｃｈｅｍｅ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｄａｔａ　ｌｏｓｓ　ｗｉｔｈ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｂｒｏａｄｃａｓｔ—ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｍｏｒｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｙ，ＲＩＭ　ｉｓ　ｆｕｌｌｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｎｏ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｏｒ　ｍｕｌｔｉ－ｒａｄｉｏ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ．ＲＩＭ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｅａｓｉｌｙ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ—ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅｓ．　Ｖｉａ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｄｕｔｙ　ｃｙｃｌｅ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅａｌ　ｔｅｓｔｂｅｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ＲＩＭ　ａｃｈｉｅｖｅｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｃｈａｎｎｅｌｓ　ａｎｄ　ｔｒａｆｉｆｃ　ｌｏａｄｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅ，ｗｈｉｌｅ　ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ＲＩＭ　ｅｘｈｉｂｉｔｓ　ａ　ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｉｔｓ　ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ＷＳＮ；ｍｕｌｔｉ・－ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｍｕｌｔｉ－－ｈｏｐ　ｔｅｒｍｉｎａｌ；ｍｕｌｔｉ－—ｃｈａｎｎｅｌ　ｔｅｒｍｉｎａｌ；ｓｌｅｅｐ　ｈｉｄｄｅｎ　ｔｅｒｍｉｎａｌ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　摘要：　针对无线传感器网络中控制信道饱和问题以及三重隐终端问题，提出了一种异步多信道ＭＡＣ协议一一　ＲＩＭ（ｒｅｃｅｉｖｅｒ－ｉｎｉｔｉａｔｅｄ　ＭＡＣ）．ＩＲＭ利用接收端开始的传输机制有效地解决了控制信道饱和问题，同时采用了基于概　率的随机信道选择机制避免了三重隐终端问题．而且，ＩＲＭ支持一种简单且可靠的异步广播机制．通过基于马尔可夫　链的理论分析，得到了ＲＪＭ中节点的最优占空比．为验证ＲＩＭ的实际性能，进行了模拟和真实实验．实验结果表明，　与其他多信道ＭＡＣ协议相比，随着信道数及网络负载的增加，ＲｊＭ增加了网络吞吐量，降低了传输所消耗的能量，同　・基金项目：国家自然科学基金（６１０７０１９３，６０８０３０１５）；黑龙江省科技攻关项目（ＧＣ０９Ａ１０９）；中国博士后基金（２００８０４３０９０２）　黑龙江省博士后基金（ＬＲＢ０８—０２１）；黑龙江省教育厅重点项目（１１５４Ｚ１００１）　收稿时间：２０１０．０９．０９；定稿时间：２０１１．Ｏ１．０５　ＣＮＫＩ网络优先出版：２０１１－０５—１２　１１：４７，ｈｎｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．２５６０．ＴＰ．２０１１０５１２．１１４７．００１．ｈｔｍｌ　６１４　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ软件学报Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ　２０１２　时也提高了广播的可靠性，达到了能量有效的目的．　关键词：　无线传感器网络；多信道ＭＡＣ协议；多跳隐终端；多信道隐终端；睡眠隐终端；控制信道饱和　中图法分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　近年来，针对单信道ＭＡＣ协议存在的一系列问题，研究人员相继提出了一些基于多信道的ＭＡＣ协议　ｒｍｅＭＡＣ）用于支持无线传感器网络（ＷＳＮ）的应用，如ＭＭＳＮ［”，Ｙ－ＭＡＣ［　，ＰＭＣ［　，ＨｙＭＡＣ［　】和ＴＦＭＡＣ［　．相对于　单信道ＭＡＣ协议，大部分ｍｃＭＡＣ具有如下优点：（１）利用一个控制信道（ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈａｎｎｅｌ，简称ｃｃ）发送控制信　息，利用多个数据信道（ｄａｔａ　ｃｈａｎｎｅｌ，简称ＤＣ）发送数据，从而提高了整体信道利用率；（２）利用不同正交信道上的　并行传输降低了传输延迟，同时增加了网络吞吐量；（３）利用Ｒａｄｉｏ的动态信道切换功能进行单Ｒａｄｉｏ多信道数　据传输，但并没有产生额外硬件ｆ如多ｒａｄｉｏ）开销．　大部分ｍｃＭＡＣ由信道选择和介质访问两部分组成：信道选择决定如何为全网节点选择相应的信道，以保　证最佳的网络性能：而介质访问则控制节点如何访问已分配完毕的信道，从而避免数据包冲突．通常，信道选择　机制分为静态和动态信道选择；而介质访问根据节点之间是否同步分为ＴＤＭＡ和ＣＳＭＡ两类．部分ｍｃＭＡＣ还　支持占空比机制，该机制通过周期性地开启及关闭节点的Ｒａｄｉｏ使节点处于睡眠状态，减少空闲监听的时间，从　而节省能量，延长ＷＳＮ的生存周期．　相对于静态信道选择，动态信道选择需要的正交信道较少ｐＪ，而ＣＳＭＡ则避免了ＴＤＭＡ需要的全网时间同　步［　．所以动态信道选择、ＣＳＭＡ及占空比的联合机制更加适用于ＷＳＮ．但是由于以下两个原因，上述联合机制　难以提供高效的网络性能：（１、控制信道饱和问题（ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ，简称ｃｃｓ）和三重隐终端问题（ｔｒｉｐｌｅ　ｈｉｄｄｅｎ　ｔｅｒｍｉｎａｌｓ，简称ＴＨＴ，即多跳隐终端、多信道隐终端及睡眠隐终端，详细定义见第２节）．ＣＣＳ和ＴＨＴ通常　会导致大量的数据包冲突，而数据包冲突则会导致严重的能量浪费，极大地缩短了ＷＳＮ的生存周期；（２）大部分　现存异步ｍｃＭＡＣ没有提供单跳广播支持．　针对ＣＣＳ和ＴＨＴ，本文提出了一种基于占空比机制的ｍｃＭＡＣ－－－ＲＩＭ（ｒｅｃｅｉｖｅｒ．ｉｎｉｔｉａｔｅｄ　ＭＡＣ）．ＲＩＭ利用　一种基于接收端开始的传输机制缓解了ＣＣＳ，并利用随机信道选择机制避免了ＴＨＴ．同时，ＲＩＭ支持一种简单而　可靠的单跳广播机制，而且无需时间同步．本文首次定义了ＷＳＮ中控制信道饱和以及三重隐终端问题，并分别　利用基于接收端开始的传输机制和随机信道选择解决了上述问题，进而避免了由它们导致的能量消耗，延长了　ＷＳＮ的生存周期；提出了一种基于占空比的异步ｍｃＭＡＣ～一ＲＩＭ，并且ＲＩＭ中的节点在每次进入睡眠周期前，　根据实时网络参数动态地调整其占空比，选择最优睡眠时间，从而达到能量有效；分析了ＲＩＭ的性能，并利用概　率论和马尔可夫链模型得到了ＲＩＭ中节点的最优睡眠时间，并利用该最优睡眠时间得到了最优占空比：通过与　其他４种ＭＡＣ协议进行模拟对比实验验证了ＲＩＭ的性能，并且在真正的传感器网络平台下实现了ＲＩＭ并验　证了其在真实环境中的性能．　本文第１节介绍相关工作．第２节给出控制信道饱和以及三重隐终端的定义．第３节设计ＲＩＭ协议．第４节　对ＲＩＭ进行理论分析．第５节介绍ＲＩＭ模拟和真实实验的结果及其分析．最后给出本文的结论．　１相关工作　文献ｆ１】提出了针对ＷＳＮ特点而设计的ｍｃＭＡＣ－－－ＭＭＳＮ．ＭＭＳＮ利用４种静态信道选择策略为全网节　点分配信道，当发送节点有数据需要发送时，它首先切换到相应接收节点的信道，然后再向其发送数据．文献［２】　针对ＷＳＮ提出了Ｙ－ＭＡＣ协议，该协议调度网络中的接收节点以达到能量有效的目的．文献【４］针对ＷＳＮ提出　了一种由基站集中式地为全网节点分配时槽和信道的ｍｃＭＡｃ一一ＨｙＭＡｃ．针对ＨｙＭＡＣ存在的问题，文献［５］　提出了一种由节点本身（非基站）为全网节点分配信道的ｍ　Ａｃ——ＴＦＭＡｃ．文献［６］针对ａｄ　ｈｏｃ网络提出一　种采用固定长度时槽的ｍｃＭＡＣ－－－ＭＭＡＣ．在每个时槽的前半部分，ＭＭＡＣ中的所有节点在ＣＣ上交换信道　预约信息来预约ＤＣ；而在每个时槽的后半部分，每对通信节点分别切换到各自己预约过的ＤＣ上进行通信．上述　５种ｍｃＭＡＣ均需要时间同步的支持，控制信息可以在所有节点都已知的时槽或信道发送．但是到目前为止，针　张德升等：异步多信道无线传感器网络ＭＡＣ协议　６１５　对大规模ＷＳＮ、精准的全网时间同步还没有一个高效的解决办法．最常见的时间同步方法是周期性地发送时　间同步控制包，但这些控制包引入了大量的控制开销．这些开销不但耗费了节点较多的能量，而且降低了信道利　用率和网络吞吐量．　文献［７］提出了一种双Ｒａｄｉｏ　ａｄ　ｈｏｃ网络中的ｍｃＭＡｃ一一ＤＣＡ，该协议利用一个Ｒａｄｉｏ进行控制信息交换，　利用另一个Ｒａｄｉｏ进行数据传输．文献【８】针对无线网络提出了一种ｍｃＭＡＣ——ＭｕＰ＇该机制允许两个Ｒａｄｉｏ交　替发送控制信息和数据，从而解决了ＤＣＡ中两个Ｒａｄｉｏ利用不均衡的问题．上述两种协议基于多Ｒａｄｉｏ机制而　设计，将一个Ｒａｄｉｏ固定在ＣＣ上可以连续地监听控制信息交换，在较大程度上减少协议设计的复杂性．但多　Ｒａｄｉｏ机制面临节点体积较大、潜在能量消耗增加以及网络部署成本增大等一系列问题．　文献【９］针对ａｄ　ｈｏｃ网络提出了一种基于分布式信息共享机制的ｍｃＭＡｃ一一ｃＡＭ—ＭＡＣ．在该协议中，当　一对通信节点在ＣＣ上发送ＤＣ预约信息时，它们的邻居节点根据自己的信道使用信息决定是否发送“失效”合　作包，避免了这对通信节点选择正在被其他节点占用的ＤＣ．文献［１０］针对水下ＷＳＮ提出了一种利用合作机制　解决信道冲突问题的ｍｃＭＡＣ，但是该协议需要一种特殊的硬件来发送合作信息．以上两种协议在信道选择中　利用了节点之间的合作机制来降低信道冲突的概率，但在每次信道预约中，一对通信节点的所有空闲邻居可能　会同时发送“失效”合作包，这通常会造成合作包之间、合作包与预约包之间的冲突．所以，这种机制在部署密度　较大的ＷＳＮ中可能会损失较多的能量．　文献［３】针对ＷＳＮ提出了一种基于控制论的ｍｃＭＡｃ一一ＰＭｃ，该协议以分布式的方式自适应地逐步增加　可用信道，从而保证在多个信道上的并行数据传输．在ＰＭＣ中，节点利用ＣＳＭＡ机制工作在当前可用信道，根据　一组与当前信道利用率有关的参数决定是否切换到下一可用信道．但这些参数的获取方式和计算方法还需进　一步研究．　无论是基于时间同步还是基于多Ｒａｄｉｏ机制，或是基于节点合作机制，上述协议都存在引入较大额外开销　的问题．因此，本文针对这些问题设计并实现了一种针对ＷＳＮ的ＭＡＣ协议ＲＩＭ．ＲＩＭ无需时间同步及多Ｒａｄｉｏ　机制，也不涉及复杂计算和特殊硬件支持，而且一对通信节点只根据自身信息做出信道选择，不涉及其他节点，　从而避免了由合作机制所引入的能量消耗，延长了ＷＳＮ的生存周期．　２控制信道饱和问题以及三重隐终端问题　２．１控制信道饱和问题　控制信道饱和问题描述了在ＷＳＮ较为繁忙的情况下，ＣＣ上同时传输的控制包较多，造成ＣＣ上的大量控　制包冲突，从而导致所有ＤＣ不能被完全利用，进而导致网络吞吐量下降．因此，ＣＣ成为网络性能的瓶颈．图１给　出了当网络负载和信道数增大时，对网络吞吐量进行分析的模拟实验结果（模拟环境以及相关细节见第５节）．　圣董　藿毒耋　　Ｆｉｇ．１　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ　图１控制信道瓶颈问题　当信道数大于４以及负载大于２５时，网络吞吐量的上升趋势逐渐放缓，这种现象是由在ＣＣ上的大量控制　０　５６１６　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ软件学报Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ　２０１２　包冲突所导致的．在真实的ＷＳＮ环境下，由于节点部署较为密集且突发负载较为频繁（如事件监测应用），以上现　象可能会变得更加严重．本文提出的ＲＩＭ利用一种接收端开始的传输机制有效地缓解了ＣＣＳ，该传输机制最小　化节点对在每次通信时需要在ＣＣ上传输的数据量．　２．２三重隐终端问题　三重隐终端是指以下３种隐终端：（１）多跳无线网络中的多跳隐终端；（２）多信道无线网络中的多信道隐终　端［６　；（３）基于占空比无线网络中的睡眠隐终端．由于ＷＳＮ是一种基于占空比的多跳多信道无线网络，所以３种　隐终端都存在于ＷＳＮ中并且影响其性能．多跳隐终端即传统基于距离的隐终端，本节主要介绍其他两种隐　终端．　在如图２所示的网络中，包括一个ＣＣ和两个ＤＣ，节点ａ，ｂ，ｉ和，处于非睡眠状态，而ｋ处于睡眠状态．当ｖ　有数据给ｉ发送时，ｖ随机地选择一个空闲的ＤＣ，如ＤＣ】，然后把预约信息（节点号、信道号和通信时长等信息）　装入ＲＴＳ控制包发送给ｆ．ｉ收到该ＲＴＳ后，发送ＣＴＳ对其进行确认．然后，ｖ和ｉ在时刻ｔｌ（此处，时刻ｔ　为方便理　解而设，并不意味着节点之间的时问同步）附近切换到ＤＣ】上进行通信．ｖ和ｉ在上ＣＣ的非睡眠邻居（如ａ，ｂ和，）　通过监听ｖ和ｉ在ＣＣ上的预约信息来更新自身的信道使用信息；而睡眠邻居（如　由于没有监听到该预约信息，　仍然假设ＤＣ１为空闲信道．在（　１，ｔ２）期间，ａ有数据要发送给６，Ⅱ随机地选择一个空闲ＤＣ，如ＤＣ２，然后与ｂ在握手　之后一起切换到ＤＣ２．由于ｖ，ｉ和ｋ在（ｆ１，ｔ２）期间没有在ＣＣ行监听，所以它们仍然认为ＤＣ２空闲．在时刻ｔ３，两种情　况可能引发在ａ，ｂ处的数据包冲突：（１）当ｖ完成与ｉ的通信，ｖ继续与／进行通信．如果ｖ选择ａ和ｂ正在占用的　ＤＣ１，那么ｖ就会与ａ或ｂ产生冲突．在这种情况下，定义ｖ为口或ｂ的多信道隐终端；（２）当ｋ被唤醒后，ｋ与，进　行通信．如果ｋ选择ａ和ｂ正在占用的ＤＣ２，那么尼就会与ａ或ｂ产生冲突．在这种情况下，定义ｋ为ｎ或ｂ的睡　眠隐终端．　Ｆｉｇ．２　Ｔｒｉｐｌｅ　ｈｉｄｄｅｎ　ｔｅｒｍｉｎａｌｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ　图２三重隐终端问题　多信道隐终端和睡眠隐终端通常会导致大量数据包冲突，尤其是在节点部署密度较为密集的ＷＳＮ中．它们　产生的根本原因是，由于节点在ＤＣ上的数据通信和周期性睡眠机制，从而导致了节点本身的信道使用信息并　不完整．如果节点直接利用这些不完整的信道使用信息进行信道选择，可能会错误地选择正在被其他节点占用　的ＤＣ，从而导致在该ＤＣ上的数据包冲突．本文提出的ＲＩＭ利用随机信道选择机制有效地解决了包括两种新的　隐终端在内的ＴＨＴ，从而避免了由其产生的数据包冲突，减少了能量消耗，进而延长ＷＳＮ的生存周期．　张德升等：异步多信道无线传感器网络ＭＡＣ协议　６１７　３　ＲＩＭ协议设计　在ＲＩＭ中，无线带宽被等分为彼此正交的一个控制信道和ｋ个数据信道．第３．１节及第３．２节分别介绍ＲＩＭ　中的单播通信和广播通信．　３．１单播通信　ＲＩＭ通过一种接收端开始的传输机制来预约ＤＣ，从而缓解ＣＣＳ问题．该机制的核心思想为最小化一对节　点占用ＣＣ的时间以及在ＣＣ上传输的负载．为节省能量，当一次数据传输开始后，发送节点在已经预约的ＤＣ上　利用数据包＋确认包的方式发送属于一个报文（ｍｅｓｓａｇｅ）的所有数据包（ｐａｃｋｅｔ）．这表明发送节点也需要接收　ＡＣＫ确认包，所以预约的ＤＣ必须在发送端和接收端都处于空闲状态，这就导致了只考虑接收端信噪比检测的　信道选择机制效率较低，而本文提出的信道选择方法则有效地解决了这一问题．　３．１．１介质访问机制　如图３所示，一次数据传输包括以下５个步骤：　（１）当处于睡眠周期的发送节点Ｓ有数据要发送给接收节点　时，Ｓ开启自身的Ｒａｄｉｏ，然后在ＣＣ上监听；　（２）　当Ｒ眠时间到达后，Ｒ通过在ＣＣ送一个声明消息包ＡＮＣ（ａｎｎｏｕｎｃｅｍｅｎｔ）来开始一个潜在的数据传输，　该ＡＮＣ包含一个由　选择ＤＣ序号，例如，ｚ（选择方法见第３．１．２节）．然后Ｒ切换到ＤＣ　进行监听；　（３）　Ｓ在ＣＣ上收到Ｒ发送的ＡＮＣ以后，Ｓ立即切换到ＤＣ　，然后随机退避一段时间后发送一个ＲＴＳ控制　包．该随机退避的时间用于避免多个发送节点同时发送ＲＴＳ而导致的控制包冲突；　（４）　当　收到ＲＴＳ后，Ｒ发送一个ＣＴＳ控制包来确认这次预约；　（５）　当　收到ＣＴＳ后，Ｓ利用ＤＡＴＡ＆ＡＣＫ的方式与　进行数据传输．当传输完毕后，它们切换回ＣＣ，然后　进入睡眠周期．　当Ｓ在ＣＣ上监听一段时间　但仍然没有收到Ｒ发送的ＡＮＣ时，Ｓ主动在ＣＣ上发送一个ＡＮＣ，以避免由　于　在ＣＣ上等待　发送ＡＮＣ而导致的死锁问题．当Ｒ切换到ＤＣ后，如果没有来自其他节点的ＲＴＳ，Ｒ则根据　自己的占空比切换回ＣＣ，然后进入睡眠周期．　Ｆｉｇ．３　Ｕｎｉｃａｓｔ　ｓｃｈｅｍｅ　图３　ＲＩＭ单播机制　３．１．２信道选择机制　在ＲＩＭ中，当Ｒ睡眠时间到达后，　选择一个ＤＣ，然后把该ＤＣ的序号放入ＡＮＣ中广播给自己的邻居．在现　存的大部分ｍｃＭＡＣ中，节点几乎都是基于监听到的信道使用信　￣（ｃｈａｎｎｅｌ　ｕｓａｇｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，简称ＣＵＩ）来选择　一个空闲的ＤＣ．但下列问题使这种基于监听的信道选择机制效率较低且不适用于ＲＩＭ：（１）由于ＲＪＭ基于单　Ｒａｄｉｏ，当节点在某个ＤＣ上通信时，它无法监听到在ＣＣ上传输的ＣＵＩ．这是多信道隐终端的产生原因；（２）由于　６１８　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ软件学报Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ　２０１２　ＲＩＭ基于占空比，所以当节点睡眠时，它无法监听到ＣＵＩ．这是睡眠隐终端的产生原因；（３）为缓解ＣＣＳ，ＲＪＭ在真　正数据传输之前执行跨信道的握手机制．其中，空闲节点（潜在的接收节点）在ＣＣ发送一个ＡＮＣ之后立即切换到　某个ＤＣ上，所以只有在ＣＣ上等待ＡＮＣ的发送节点才能监听到在ＣＣ上传输的ＣＵＩ，而在ＤＣ上的空闲节点无　法监听到在ＣＣ上传输的ＣＵＩ；（４１即使所有节点都能监听到在ＣＣ上传输的ＡＮＣ，但由于空闲节点发送一个　ＡＮＣ只代表该节点可能使用。并不一定使用ＡＮＣ中所包含的ＤＣ，所以该方法效率仍较低．基于以上原因，ＲＩＭ　利用一种基于概率的随机方法来进行信道选择．当空闲节点的睡眠时间到达时，它以概率Ｐ在所有ＤＣ中随机地　选择一个ＤＣ，而以概率１　继续睡眠以节省能量．ｐ定义为平均可用ＤＣ数　与总ＤＣ数　之比．　可由协议设　计确定；Ａ＝Ｋ－２ｘ（１／ｐ），其中　为报文到达速率，ｐ为报文长度服从分布的参数．详细证明过程见文献［１Ｕ．　３．１．３　控制信道饱和问题和三重隐终端问题的解决方案　利用接收端开始的传输机制和基于概率的随机信道选择，ＲＩＭ能够较好地缓解和避免ＣＣＳ与ＴＨＴ．由于多　跳隐终端可以较为容易地利用ＲＴＳ和ＣＴＳ握手解决，本节主要讨论ＣＣＳ和其他两种隐终端的解决方案．对于　ＣＣＳ，在每次数据传输中，只有一个控制包ＡＮＣ在ＣＣ上传输，这极大地缓解了由于ＣＣ上控制包传输过多而造　成的瓶颈问题，从而解决了ＣＣＳ．而对于ＴＨＴ，ＲＩＭ采用基于概率的随机信道选择而非基于监听的确定信道选　择，所以ＲＩＭ从根本上解决了由于监听而导致多信道隐终端和睡眠隐终端．在ＲＩＭ中，当　和　从ＣＣ切换到某　个随机选择的ＤＣ时，如果Ｒ或Ｓ监听到该ＤＣ上有数据传输时，那么这个ＤＣ已经被其他节点对占用．只要有　邻居节点在该ＤＣ上传输数据，无论它是属于　的邻居还是属于　的邻居，该节点都会干扰本次数据传输．这是　由于ＲＩＭ采用了ＡＣＫ机制，发送节点也需要接收ＡＣＫ确认包．在这种状况下，　和　首先通过干扰节点数据包　中的信息得知干扰节点的剩余通信时间，然后在该ＤＣ上通过一个控制包ＮＴＦ（ｎｏｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ）来通知对方，在该ＤＣ　上有干扰节点存在及干扰时间．最后，Ｒ和　关闭各自的Ｒａｄｉｏ进入睡眠周期．当干扰节点的通信结束后，它们直　接发送数据包（ＤＡＴＡ＆ＡＣＫ）进行数据通信．　３．２广播通信　在ＷＳＮ中，单跳广播是一种非常重要的通信模式，许多上层协议都依赖于ＭＡＣ层提供的单跳广播传输模　式．所以在ｍｃＭＡＣ的设计中，广播就显得尤为重要．但是在异步多信道的环境下，当广播发送节点有广播数据要　发送时，只有部分邻居节点与广播发送节点在同一个信道上，这就导致了一般　的单跳广播机制较难保证所有的邻居节点都能正确地收到广播数据．而且在　基于占空比的ＷＳＮ中，处于睡眠周期的邻居节点也无法收到广播数据．图４描　述了单跳广播数据丢失问题．在广播发送节点Ｓ的所有邻居中，由于节点　Ｄ　Ｅ，Ｆ，Ｈ￣ＩＩ不与Ｓ在同一个信道上，且Ｃ和Ｇ正处于它们的睡眠周期，所以只　有Ａ和　能够接收到广播数据包．对于这个问题，一种较为常见的解决方案是　把一个广播变为多个单播，但是这会导致较长时延和较高的能量消耗．在基于　一Ｃｃ　●Ｓｌｅｅｐｉｎｇ　……。ＤＣ１……ＤＣ２……’ＤＣ　占空比的ＷＳＮ中，异步多信道单跳广播机制的研究较为少见．最近，研究人员　提出了两种针对ＷＳＮ的多跳广播协议［１２，１３］，但它们都是针对ＷＳＮ的单信道　多跳广播协议．而本文提出的ＲＪＭ在保证简单性和可靠性的前提下，对广播数　据产生的延迟与发送广播数据所消耗的能量做出平衡．通过调整所有潜在的　Ｆｉｇ．４　Ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｉｓｓｕｅ　图４广播问题　广播接收者，ＲＩＭ利用一种简单且可靠的单跳广播机制提高广播可靠性．　３．２．１广播机制　ＲＩＭ利用一个固定的ＤＣ作为广播信道（ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｃｈａｎｎｅｌ，简称ＢＣ）来发送广播数据．当一个广播发送节点　有数据要发送时，　切换到ＢＣ，然后监听ＢＣ．如果ＢＣ空闲，　在　个时槽内连续发送　个相同的数据包，该时　槽长度定义为节点发送一个广播数据包的平均时间．尽管节点之问处于异步状态，但是每个节点（包括睡眠节　点）在　１每个时槽内都切换到ＢＣ上来接收可能发送的广播包．从而Ｓ的每个邻居都可以在Ｍ个时槽内接收　到广播数据．如图５所示，当Ｓ有数据要发送时，Ｓ首先切换到ＢＣ上，然后在Ｍ＝５个时槽内重复发送广播数据包．　每Ｍ－Ｉ＝４个时槽内，邻居节点如　和　，切换到ＢＣ上来接收广播数据包，从而所有邻居都可以在Ｍ＝５个时槽内　张德升等：异步多信道无线传感器网络ＭＡＣ协议　６１９　接收到广播数据．这种广播机制较为直观且可靠性较高，并在时延和能量之间能够做到很好的折中　－＿＿－＿＿－＿＿ＣＣ　－－－……＿－－…ＢＣ　…　ＤＣｌ　ＤＣ２　…・・一・麓％　期Ｓｌｅｅｐｉｎｇ　Ｆｉｇ．５　Ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｓｃｈｅｍｅ　图５　ＲＩＭ广播机制　３．２．２广播参数　参数　的值对于ＲＩＭ的广播性能影响较大．当　较大时，Ｓ花费较长的时间来发送同一个广播包，这就导　致Ｓ耗能量较多而且广播数据的延迟较大．但是当Ｍ较大时，接收节点切换信道的频率较小，从而接收节点消耗　的能量较小．参数Ｍ值也可以动态地调整来满足不同ＷＳＮ的ＱｏＳ需求．例如，如果ＷＳＮ的设计目标是尽可能　地最小化延迟，那么　以设置为２，每个时槽之后，所有节点都切换到ＢＣ收广播数据．由于ＷＳＮ的应用种类繁　多，所以Ｍ最优值也不尽相同．在ＲＩＭ中，为了平衡广播发送者和广播接收者的能量消耗，Ｍ设置为节点的平均　邻居数．　４理论分析　占空比机制是一种用于减少节点空闲监听时间的节能机制，节点根据自身的占空比周期性地打开或关闭　自身的Ｒａｄｉｏ来节省能量．在大部分ＭＡＣ协议中，占空比ｒ影响协议性能的重要参数．，定义为节点唤醒的时间　与节点唤醒时间和睡眠时间之和的比值．但在一般情况下，ｒ的最优值ｒ　较难得到．直观上，节点的睡眠时间越长，　其消耗的能量越少，但是能量有效并非与睡眠时问成简单的正比关系．本文从另一个角度把求解最优占空比转　化为在固定唤醒时间的情况下求解最优睡眠时间　．第４．１节利用节点状态转换图以及马尔可夫模型来分析节　点在ＲＩＭ下的执行过程．第４．２节给出了该马尔可夫链的稳态分布和衡量能量有效的表达式．最后，第４．３节通　过最大化能量有效的表达式求出了最优睡眠时间　，进而求出最优占空比ｒ　．　４．１状态转移图　本节基于的假设如下：（１）网络由一跳范围内的ｘ个静态传感器节点构成，即每个节点都具有　一１个邻居．　数据传输全部为一跳内单播通信；（２）时间被划分为多个时槽，每个时槽的长度Ｙ等于…个数据包在ＭＡＣ层传　输的时间长度；ｒ３）报文从路由层根据泊松过程以速率　到达ＭＡＣ层；（４）在节点传输数据之前，首先利用一个　时槽进行载波监听，如果该信道空闲，则在下一个时槽内进行数据传输；否则，该节点连续监听，直到最大监听时　槽数到达．　节点的状态转移图如图６所示．所有的状态分为５类，即睡眠状态（ｓｌｅｅｐｉｎｇ　ｓｔａｔｅ，简称ｓｓ）、传输状态　（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ｓｔａｔｅ，简称ｖｓ）、接收状态（ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｓｔａｔｅ，简称Ｒ　、切换状态（ｈｏｐ　ｓｔａｔｅ，简称　和监听状态（１ｉｓｔｅｎｉｎｇ　ｓｔａｔｅ，简称三　．而　又分为７类子状态，即ＴｒｙＡ　ｓｔａｔｅ（ＴＡ）：节点尝试发送ＡＮＣ；ＴｒｙＲ　ｓｔａｔｅ（ＴＲ）：节点尝试发送ＲＴＳ；　Ｂａｃｋ－Ｏｆｆ　ｓｔａｔｅ（ＢＯ）：节点发送数据之前进行退避：ＷａｉｔＡ　ｓｔａｔｅ（ＷＡ）：节点等待接收ＡＮＣ；Ｗａｋｉｎｇ　ｓｔａｔｅ（ＷＳ）：节点在　ＤＣ上等待ＲＴＳ；ＳＬＵ：由于多跳隐终端问题，发送节点监听ＤＣ两个时槽；ＲＬＵ：由于多跳隐终端问题，接收节点监　６２０　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ软件学报Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ　２０１２　听ＤＣ两个时槽　＠　＠　Ｑ船囝册　大睡眠时槽数．　Ｆｉｇ．６　Ｎｏｄｅ　ｓｔａｔｅ　ｄｉａｇｒａｍ　图６节点状态转移图　所有状态符号见表１，节点处于一个状态的时问长度由时槽长度Ｙ决定．图６中的所有时间长度由Ｙ的倍数　表示．同一状态的不同时槽利用［状态名，时槽号】表示．例如，　的所有时槽表示为［ｓｓ，　ｆ】，１≤ｆ≤　其中，Ｓ是最　Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｙｍｂｏｌｓ　ｔａｂｌｅ　表１符号表　Ｍ￣ｉｍｕｍ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｓｌｅｅｐ　ｓｌｏｔｓ　Ｍａｘｉｍｕｍ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆｗａｉｔ　ｓｌｏｔｓ　ｆｏｒ　ａｎ　ＡＮＣ　Ｍａｘｉｍｕｍ　ｔｉｍｅ　ｏｆｒｅｓｅｎｄ　Ｍａｘｉｍｕｍ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｗａｋｅ－ｕｐ　ｓｌｏｔｓ　Ｍａｘｉｍｕｍ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆｂａｃｋ　Ｏｆｆ　ｓｌｏｔｓ　Ｄａｔａ　ｃｈａｎｎｅｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈａｎｎｅｌ　Ｔｒｙ　ｔＯ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ａｎ　ＡＮＣ　Ｔｒｙｔｏｔｒａｎｓｍｉｔ　ａＲＴＳ　Ａｎｎｏｕｎｃｅｍｅｎｔ　ｐａｃｋｅｔ　Ｒｅｑｕｉｒｅ　ｔＯ　ｓｅｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐａｃｋｅｔ　Ｃｌｅａｒ　ｔｏ　ｓｅｎｄ　ｃｏｎｔｒｏ１　ｐａｃｋｅｔ　１ｓｔ　Ｄ　Ｚ　ｐａｃｋｅｔ　ＭｔｈＡＣＫｐａｃｋｅｔ　Ａｖｅｒａｇｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆｐａｃｋｅｔｓ　ｉｎ　ａ　ｍｅｓｓａｇｅ　图６中，，Ｊ、写字母（如口）表示状态之间的转移概率．Ｐ（　，Ｂ］Ｉ［Ｃ，　）表示节点上一时刻处于Ｃ状态的Ｄ时槽，　张德升等：异步多信道无线传感器网络ＭＡＣ协议　６２１　而下一时刻转换到　状态的　时槽的概率．一个节点在图６中的各个状态之间的转移概率推导如下：　公式（１）分别给出了节点没有消息到达的概率（即退避计数器递增的概率）和有消息到达的概率，公式（２）表　示睡眠时间到达后节点尝试发送ＡＮＣ的概率．　Ｐ（［ＳＳ，Ｓ—ｉ一１】『［ＳＳ，Ｓ一　）＝ａ＝ｅ－ＡＹ　１≤ｉ＜Ｓ　ｌ　Ｐ（［ＷＡ，Ａ一１】Ｉ［ＳＳ，Ｓ—ｉ１）＝ｌ—ａ＝１一ｅ－ＡＹ　１≤ｉ＜ＳＩ　…　Ｐ（［ＴＡ，１］ｌ［　０］）＝ａ＝ｅ一　（２）　公式（３）分别表示在时间间隔Ｙ内只有一个或有多个节点尝试发送一个数据包的概率，公式（４）给出了最大　重传次数到达的概率．　Ｐ（［ＴＳ，ＡＮＣ】『【ＴＡ，ｆ】）…ｂ　ｘ（１　ｅ－２ｙ）ｅ　’，１≤ｉ≤Ｄｌ　Ｐ（［ＴＡ，ｉ一１】『［ＴＡ，ｆ】）：１一ｘ（１一ｅ－ｇｙ）ｅ一　，“　），１≤ｉ≤Ｄ　ｊ　Ｐ（［ＳＳ，ＳＳ－１］Ｉ［ＴＡ，Ｄ］）：ｌ—ｂ＝ｌ－ｘ（１一ｅ－￣Ｙ）ｅ一＾Ｊ　Ｌ　”　…　（４）　公式（５）描述了一个接收节点切换到某个ＤＣ后，为解决多跳隐终端问题监听该ＤＣ两个时槽的过程．　Ｐ（［ＨＳ，Ｒ］Ｉ［ＴＳ，ＡＮＣ］）＝１Ｉ　Ｐ（［ＲＬＵ，１】Ｉ［　，Ｒ】）＝１｝　Ｐ（［ＲＬＵ，０］ｌ【ＲＬＵ，１】）＝１　Ｊ　（５）　公式（６）分别给出了一个或多个发送节点尝试在同一个时槽内发送ＲＴＳ的概率，其中，Ｃ可以根据公式（７）得　到．即只有一个发送节点选择了最小退避时槽的概率（表示为，）．其中，ｍ表示接收节点个数的期望值．假设所有发　送节点均匀地选择接收节点，公式（８）给出了ｍ的期望值．其中，ｗ为长程意义下在ＣＣ上的节点数．由于文献［１１】　已经得到了平均占用ＤＣ数，所以公式（９）给出了ｗ在长程意义下的求解方法．其中，ｒ为占空比　为节点的平均　邻居数．均为已知．　Ｐ（［ＲＳ，ＲＴＳ］Ｊ［ＲＬＵ，０］）＝１一ｃ１　Ｐ（［ＷＳ，Ｕ一１］Ｉ［ＲＬＵ，Ｏ］）＝ｃ　ｌ　…　、　ｆ＝１一ｃ＝∑：　。・［　一ｉ）／Ｂ］一　｝　ｍ＝Ｚｗ＝。｛　一１）－Ｉ．［ｘ－２／ｘ－１］　）　Ⅵ　，・　一２七一１）　（７）　（８）　（９）　公式（１０）分别给出了在ＤＣ上监听一个时槽后，节点成功接收到一个ＲＴＳ或继续监听的概率．公式（１１）具体　描述了在节点本次唤醒周期内，没有其他节点向本节点发送数据，节点切换回ＣＣ进入下一个睡眠周期的过程．　Ｐ（［ＷＳ，ｉ一１］『［ＷＳ，ｆ］）＝ｃ，０≤ｉ≤Ｕ一１　Ｊ　Ｐ（【　，ＲＴＳ］Ｉ［ＷＳ，ｉ］）＝　＿ｃ，０≤　≤Ｕ一　ｌ　Ｐ（［　，ＣＣ］ｌＷＳ，０】）　。｝　Ｐ（［ＳＳ，Ｓ—ｌ】ｌ【ＨＳ，ｃｃ】）：１Ｉ　（１ｏ】　、　ｆ１１）　当节点处于状态［ＲＳ，ＲＴＳ］时，表示该节点已经得知有发送节点需要给它发送数据．基于本文假设，从这一个　时槽开始，这次数据传输已经不再受其他节点的影响．所以，该节点进入状态ＩＴＳ，ＣＴＳ］，发送一个ＣＴＳ，然后进入状　态［ＲＳ，ＤＡＴＡ１］来接收第１个数据包，然后进入状态［ＴＳＡＣＫ１】发送第１个ＡＣＫ，直到发送完毕最后一个ＡＣＫ．公式　ｆ１２）描述了该过程．　Ｐ（［ＴＳ，ＣＴＳ】ｌ［　，ＲＴＳ］）＝１　ｌ　Ｐ（　Ｐ（［ＴＳ，ＡＣＫ１】ｆ［ＲＳ，ＤＡＴＡ１］）＝１ｌ　Ｐ（［ＨＳ，ＣＣ】ｌ【ＴＳ，ＡＣＫＭ］）：１　ｌ　］Ｉ［ＴＳ，ｃ　］）＝　ｌ　（１２　公式（１３）分别给出了等待接收ＡＮＣ的节点接收到　ⅣＣ或继续等待的概率，公式（１４）给出了节点为防止死锁　而进入状态［ＴＳ，ＡＮＣ］的概率．其中，ｄ为接收节点不发送ＡＮＣ的概率．设ｐ【珥　Ⅳｃ１为状态［　，　Ⅳｑ的稳态概率，那么　６２２　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ软件学报Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ　２０１２　ｄ　１—　Ｎｑ－　Ｐ（［ＲＳ，ＡＮＣ］［［ＷＡ，Ａ—ｆ】）：１一　，１≤ｆ≤　｝　Ｐ（［ＷＡ，Ａ—ｉ～１】ｌ［ＷＡ，Ａ—ｉ１）＝ｄ，１≤ｉ≤Ａ　Ｊ　Ｐ（［ＴＳ，ＡＮＣ］Ｉ［ＷＡ，０】）＝１一ｄ　公式（１５）描述了发送节点收到接收节点的ＡＮＣ后，切换到某个ＤＣ上监听两个时槽的过程．　ｒ】３、　、　（１４）　Ｐ（［ＨＳ，Ｓ］ｌ【ＲＳ，ＡＮＣ］）＝１ｌ　Ｐ（［ＳＬＵ，１］Ｉ【册，　］）＝１｝　Ｐ（［ＳＬＵ，０］ｆ［ＳＬＵ，１】）＝１　Ｊ　时槽．公式（１７）描述了退避计数器递减的过程，而公式（１８）则给出了节点第１次尝试发送ＲＴＳ的概率．　Ｐ（［ＢＯ，１，Ｂ－ｉ］Ｉ［ＳＬＵ，Ｏ］）＝ｅ＝Ｉ／Ｂ，１≤ｆ≤Ｂ　尸（　Ｏ，１，Ｂ—ｉ一１】Ｊ　Ｄ，１，　—ｆ］）＝１，１≤ｆ≤　Ｐ（［ＴＲ，１］Ｉ［ＢＯ，１，０】）＝１　避次数达到后，发送节点切换回ＣＣ进入睡眠周期的过程．　（１５）　公式（１６）给出了节点第１次随机退避的概率，状态［ＢＯ，１，Ｂ—ｆ］表示第１次退避时，节点随机选择退避Ｂ－ｉ个　（１６）　（１７）　（１８）　公式（１９）给出了节点成功发送ＲＴＳ的概率；公式（２０）描述了节点第ｉ次退避的过程；公式（２１）描述了最大退　Ｐ（［ＴＳ，ＲＴＳ］Ｉ［ＴＲ，ｉ］）＝ｆ＝ｌ－ｃ，１≤ｆ≤ＤＰ（　Ｏ，ｉ＋１，Ｂ－ｊ］［［ＴＲ，ｆ］）＝（１—　／Ｂ，１≤ｆ≤Ｄ，１≤　≤Ｂ（１９）　（２０）　Ｐ（［ＨＳ，ＣＣ］Ｉ［ＴＲ，Ｄ】）＝ｌ－ｆ（２１）　如果一个节点成功发送ＲＴＳ，￣么根据假设，从此时刻起，该对通信节点不再受网络中其他节点的干扰．公式　（２２）分别给出了发送节点发送ＲＴＳ后收到相应ＣＴＳ的过程；发送节点收到ＣＴＳ后发送第１个数据包的过程；发　送节点发送第１个数据包后，该节点接收到第一个ＡＣＫ的过程以及发送节点收到最后一个ＡＣＫ后，切换回ＣＣ　的过程．公式（２２）从发送节点的角度描述了与公式（１２）相对应的过程．　Ｐ（［ＲＳ，ＣＴＳ】ｌ［ＴＳ，ＲＴＳ］）＝１　Ｐ（［ｒｓ，ＤＡＴＡ１］Ｉ【ＲＳ，ＣＴＳ］）＝１　Ｐ（［ＲＳ，ＡＣＫ１］Ｉ［ＴＳ，ＤＡＴＡ１］）＝１　Ｐ（［ＨＳ，ＣＣ］ｌ［ＲＳ，ＡＣＫＭ］）＝１　４．２稳态概率　（２２）　如图６所示，节点未来的状态由节点现在的状态决定且与节点过去的状态无关．所以，节点的状态转换图是　一个嵌入式的马尔可夫链．根据马尔可夫链的性质和第４．１节求出的转移概率，所有状态的稳态概率都可以求　，解．设Ｐ［ｓｓｓｓ－ｌ】为状态［ｓｓ，．　１］的稳态概率．如果设Ｐ［跬　１】为　所有稳态概率都可以由】，和转移概率表示．状态　【Ａ，Ｂ】的前驱定义为可以转换到状态　，别的状态．例如，状态［ｓｓ，　１］拥有唯一的前驱［　，　２］．状态［　，　】的稳　态概率可以通过所有前驱的稳态概率分别乘以它们各自转换到状态　，Ｂ】的转移概率而得到．同时，一个状态的　前驱可以通过转移概率表示为这个状态的函数．例如，因为［ＳＳ，ＳＳ－２］只有一个前驱，所以Ｐｉｓｓ，　１］　【晒，　２］・口；　［ＷＡ，Ａ一１】有Ｓ个前驱，所以Ｐ［ＷＡ，Ａ一１】＝∑　｛　，　】・（１一ａ））＝（１一口　）・　同理，其他状态也可以利用此方法表示为　转移概率和ｙ的函数．因为所有转移概率已知，所以所有稳态概率都能够表示成含有唯一变量ｙ的函数．从而利　用所有稳态概率的和为１的性质，】，可解，进而所有稳态概率都可解．　４．３最优占空比　根据定义，所有状态可分为５类，每一类代表一种己知的能量消耗模型，分别表示为Ｅ　，点　和日妇　．这５类状态的稳态概率分别表示为Ｐｓｌｅｅｐ，Ｐｔｒａ　，Ｐｈ　和ｐｆ　…其中，　点　，　张德升等：异步多信道无线传感器网络ＭＡＣ协议　６２３　Ｐｓｌｅｅｐ＝∑　１　Ｉ］，　ｐ　舢州　＝∑，：　＿Ⅳｒ，　昭．ｃｒｓＰ［描　＋∑问Ｍ｛ｐ［巧，　＾　】，Ｐｔ　，Ｄ　】），　Ｐ　＝∑，＝　Ⅳｃ．Ｒ　．ｃ碍研船　＋∑　１｛　月　，　］・Ｐ［ＲＳ，ＤＡＴＡｉ］｝，　Ｐｈ印　册，Ｒ］＋Ｐ［ＨＳｃｃ］＋Ｐ［ｍ，，　】，　Ｐｌｉｓ　＝ＺＡ：　＇ｆ＿＋∑：　｛Ｐｔ　Ｉｆ］＋研豫Ｉｆ］｝１　∑　∑　，　卅＋∑　Ｐ　船，　．　从而，ＲＩＭ中的节点在一个时槽内的期望能量消耗Ｅ（Ｐ）可通过　＝∑　却，　，一，脚，胁　｛巨・　｝得到．　同理，如果假设一个消息的平均长度为　（　），那么节点在一个时槽内传输数据的期望Ｅ（　可由　（　）：　∑　｛Ｐｔ　】・　）／　）｝得到．　本文利用Ｅ（　与　（Ｐ）的比值ＥＥ代表协议能量有效的衡量标准．假设表１中除　最大睡眠时槽数）ｎＡＣｂ￣所　有参数（如Ａ，Ｄ，Ｂ，∽都已知，那么当Ｓ逐渐变化时，ＥＥ也逐渐随之变化．其中，得到最大ＥＥ值的Ｓ定义为最佳睡　眠时槽数　．从而，ＲＩＭ中节点的最优占空比　＝　（　＋∽可以根据　和Ｕ得到．　５实验与分析　为评估ＲＩＭ的性能以及分析各种网络参数对ＲＩＭ性能的影响，本节对ＲＩＭ和其他具有代表性的ｍｃＭＡＣ　进行了模拟对比实验．同时，在真实传感器节点平台上实现了ＲｊＭ，以进一步验证ＲＩＭ在真实环境中的性能．　５．１模拟实验　模拟环境为由ｃ＋＋实现的自编模拟器，其设置为将２８９个节点均匀分布在２００ｘ２００（ｍ　）的网络中，节点随机　地选择任一邻居节点进行单播传输．数据负载为３２Ｂｙｔｅｓ，传输比特率为２５０Ｋｂｐｓ，传输半径为４０ｍ．　为了检验接收端开始的传输机制和基于概率的随机信道选择的真实性能，本节将ＲＩＭ与以下４个协议进　行了比较：（１）ＲＩ　ＭＡｃ［１４】：经典的接收端开始的单信道ＭＡＣ协议；（２）ＭＭＳＮｔ　：针对ＷＳＮ采用静态信道选择的　同步ｍｃＭＡＣ；（３）ＰＭＣ［　：针对ＷＳＮ采用动态信道选择的异步ｍｃＭＡＣ；（４）ＣＡＭ．ＭＡＣ［　：采用动态信道选择的　异步ｍｃＭＡＣ．为验证理论分析中得到的动态占空比，ＲＩＭ与以下两种协议进行对比：（１）ＲｊＭ．２５％：ＲＩＭ的简化　版本，采用固定占空比　：２５％；（２）ＲＩＭ一５０％：ＲＩＭ的简化版本，采用固定占空比ｑ＝５０％．　本节共进行４组模拟实验，分别验证单播网络吞吐量、单播传输延迟、单播能量消耗和广播可靠性．在每　组单播实验中，分别考虑不同的总信道数（ｔｏｔａｌ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆｃｈａｎｎｅｌｓ，简称ＴＮＣ）￣Ｉ］网络负载．其中，网络负载的变化　通过改变网络中的ＣＢＲ（ｃｏｎｓｔａｎｔｂｉｔ　ｒａｔｅ）数据流的个数（ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆＣＢＲ，简称ＮＣＢＲ）来实现．在３组单播实验中：　当ＮＣＢＲ变化时，ＴＮＣ设置为４；而当ＴＮＣ变化时，ＮＣＢＲ设置为３Ｏ．而广播实验主要考虑不同的广播包到达率　（ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｐａｃｋｅｔ　ａｒｒｉｖａｌ　ｒａｔｅ　简称ＰＡＲ）以及广播节点数（ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｎｏｄｅ，简称ＮＢＮ）．　５．１．１　单播网络吞吐量　吞吐量定义为单位时间内网络中成功传输的数据量，吞吐量随ＴＮＣ增加而变化的趋势如图７（ａ）所示．当　ＴＮＣ较小时，ＲＩＭ的吞吐量略低于其他机制的吞吐量．这主要是由于ＲＩＭ的随机信道选择机制在信道数较少的　情况下效率较低以及ＲＩＭ执行睡眠机制．而当ＴＮＣ逐渐增大时，ＲＪＭ，ＣＡＭ／ＭＡＣ和ＰＭＣ的吞吐量逐渐超过　ＭＭＳＮ，这是由于它们采用动态信道选择机制，提高了网络吞吐量．当ＴＮＣ继续增大时，ＲＩＭ的吞吐量超过了其　他协议．这是因为由于ＣＣＳ和ＴＨＴ，其他协议吞吐量的增加趋势有所减慢．在ＣＡＭ．ＭＡＣ中，合作包的冲突增大，　ＣＣＳ　Ｊ３Ｈ）￣ｌＪ；ＰＭＣ没有考虑ＴＨＴ，其ＤＣ上的冲突较大．ＲＩＭ不但解决了ＣＣＳ和ＴＨＴ＇而且没有引入大规模的控制　包传输．在ＴＮＣ较大的情况下，ＲＩＭ与ＲＩＭ．２５％和ＲＩＭ．５０％相比，其吞吐量相差不大，这表明动态占空比并未提　高ＲＩＭ的吞吐量．图７（ｂ）给出了吞吐量随ＮＣＢＲ增加而变化的趋势．所有吞吐量都随ＮＣＢＲ增加而增加，这是由　于ＮＣＢＲ增加意味着更多节点进行并行传输，从而增加了吞吐量．在负载较轻时，ＲＩＭ的吞吐量低于其他协议；　但当负载逐渐变大时，ＲＩＭ，ＲＩＭ．２５％和ＲＩＭ一５０％的吞吐量却逐渐超过其他协议．这表明ＲＩＭ由于其接收端开始　的传输机制和随机信道选择比其他ｍｃＭＡＣ更适用于负载较重的网络．　６２４　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ软件学报Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ　２０１２　曲＿）　口口。葛一口０一苗　ｌｕｊ＿【Ｈ　薯ｏｕ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　如　∞　Ｏ　Ｏ　加　Ｏ　０　如　Ｏ　Ｏ　加　Ｏ　０　ｍ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　６　５　５　４　４　３　３　２　２　１　ｌ　Ｏ　Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　５　０　５　Ｏ　５　Ｏ　５　一　芎　２　若　０　尝　曲　ＴＮＣ　ＮＣＢＲ　（ａ）吞吐量与总信道数的对比　（ｂ）吞吐量与数据流个数的对比　Ｆｉｇ．７　Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　一∞　一葛　声０ＪＩＩ　０《　苗曲　∞∞《　图７单播吞吐量模拟实验　５．１．２单播传输延迟　０　∞　Ｏ　如　Ｏ　Ｏ　加　０　Ｏ　如　Ｏ　Ｏ　加　Ｏ　Ｏ　ｍ　Ｏ　传输延迟定义为从数据包到达节点ＭＡＣ层开始直到该包被成功接收的时间间隔．图８（ａ）和图８（ｂ）分别给　出了延迟随ＴＮＣ和ＮＣＢＲ增大而变化的趋势．ＲＩＭ在ＴＮＣ和ＮＣＢＲ较小的情况下具有较大延迟，这主要是由　其占空比机制和随机信道选择机制引起的．但随着ＴＮＣ和ＮＣＢＲ的继续增加，　Ｍ与其他机制的差距逐渐缩小．　这主要是因为ＣＣＳ和ＴＨＴ的严重程度随着ＴＮＣ和ＮＣＢＲ的增加而增加．而在其他协议中，ＣＣＳ和ＴＨＴ导致　了大量的数据包重传，从而增加了这些协议的延迟；而ＲＩＭ较好地解决了ＣＣＳ和ＴＨＴ，受其影响较小．　喜　墨　８　ｉ　ＴＮＣ　ＮＣＢＲ　（ａ）延迟与总信道数的对比　（ｂ）延迟与数据流个数的对比　Ｆｉｇ．８　Ｌａｔｅｎｃｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　，图８单播时延模拟实验　５．１．３单播能量消耗　能量消耗定义为成功传输一个字节所消耗的能量．能量消耗随ＴＮＣ和ＮＣＢＲ的变化趋势如图９（ａ）和图９（ｂ）　所示．其中，能量消耗随ＴＮＣ的增加而减少，但随ＮＣＢＲ的增加而增加．ＲＩＭ的能量消耗一直都是所有协议中能　量消耗的最小值，这是因为其他协议都存在较大开销：ＭＭＳＮ消耗较多能量用于保持节点之间的时间同步；　ＣＡＭ．ＭＡＣ由于ＣＣＳ导致的合作包与预约包之间的冲突消耗了较多能量：而ＰＭＣ的能量主要消耗在其节点多　次连续跳频和由ＴＮＴ导致的重传上．ＲＩＭ相对于ＲＩＭ．２５％￣１　ＲｊＭ．５０％较为节能，这表明ＲＩＭ的最优占空比机　制在信道较多或负载较重的网络中效率较高．　张德升等：异步多信道无线传感器网络ＭＡＣ协议　３　２　２　２　２　２　２　２　２　２　２　０　９　８　７　６　５　４　３　２　ｌ　０　６２５　一皇＿ｌ一号　２　Ｂ。　０ＪＨ　０　≥　昌　ｌ　ｉ　≥　姜　鲁　巴　．宝　苞　鲁　皇　呈　昌　８　箸　∞　８　舌　ＴＮＣ　ＮＣＢＲ　（ａ）能量与总信道数的对比　（ｂ）能量与数据流个数的对比　Ｆｉｇ．９　Ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　图９单播能量模拟实验　５．１．４广播可靠性　广播可靠性定义为广播节点邻居的平均接收包数与广播节点的发送包数之比．由于广播不涉及占空比机　制且ＰＭＣ不支持广播通信，所以ＲＩＭ只与剩余协议进行了比较．图ｔＯ（ａ）给出了当ＮＢＮ＝３５且ＰＡＲ变化时，广　播可靠性的变化趋势．所有广播可靠性随着ＰＡＲ的增加而减小．但是，当ＰＡＲ＞２０时，ＲＩＭ的可靠性超过了其他协　议．这表明ＲＩＭ的广播机制在负载较大时效率较高．图ｌＯ（ｂ）给出了当ＰＡＲ＝２５且ＮＢＮ变化时，广播可靠性的变　化趋势．当ＮＢＮ增加时，所有协议的广播可靠性逐渐降低．但是，当ＮＢＮ＞３０时，ＲＩＭ具有最高的广播可靠性．这也　是由于ＲＩＭ的广播机制较为简单有效，网络负载对其影响较小．　窒　墨　８　趸　∞　Ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｐａｃｋｅｔ　ａｒｒｉｖａｌ　ｒａｔｅ　Ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｎｏｄｅｓ　（ａ）可靠性和广播包到达率的对比　（ｂ）可靠性和广播节点个数的对比　Ｆｉｇ．１　０　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　图１Ｏ广播可靠性模拟实验　５．２真实实验　本文利用Ｃ／ＯＳ和Ｈａｗｋ节点实现了ＲＩＭ．如图１１所示，Ｈａｗｋ是黑龙江大学自主研发的传感器节点，其装　配ｎＲＦ９０５　Ｒａｄｉｏ和ＭＳＰ４３０处理器．本文采用多任务调度机制实现ＲｊＭ．当上层数据包到达ＭＡＣ层时，ＲＩＭ的　发送线程打开节点Ｒａｄｉｏ进行监听．当ＡＮＣ接收中断到达时，中断处理程序将进行信道切换，然后中断返回到发　送线程利用握手控制包进行数据传输．而当睡眠唤醒中断到达时，节点进入接收线程，在发送ＡＮＣ和切换信道　后等待接收中断。当ＲＴＳ接收中断到达时，接收线程发送ＣＴＳ然后进行数据传输．　由于ＭＭＳＮ需要的精准时间同步和ＰＭＣ需要的连续跳频在节点上实现较为复杂，所以本节只实现了　ＲＩＭ．２５％，ＲＩＭ．５０％和ＣＡＭ．ＭＡＣ的单播机制，利用它们与ＲＩＭ进行单播吞吐量对比；同时实现了ＲＩ．ＭＡＣ和　６２６　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ软件学报Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ　２０１２　ＣＡＭ—ＭＡＣ的广播机制，利用它们与ＲＩＭ进行广播可靠性对比．尽管最优占空比机制在理论分析中可以通过数　值方法求解，但是目前传感器节点的计算能力不足以支持这类数值运算．较为精确的近似方法作为本文的未来　Ｕ《　工作．在本次实验中，每个节点的最优占空比都是由计算机通过数值方法求解，然后发送给每个节点．　＾∞占邑Ｉｎ实验环境如图１２所示．共１０个Ｈａｗｋ节点放置于一跳范围内，每个节点都有９个邻居．数据包的大小为３２　∞　如　加字节，节点的数据传输率为１００Ｋｂｐｓ．实验一共重复１０次，每次１分钟，最终实验结果为１０组实验结果的平均值．　所有节点把实验中收到的数据量按顺序发送回Ｓｉｎｋ．本节实验中，当ＴＮＣ变化时，ＮＣＢＲ设置为５；而当ＮＣＢＲ　变化时，ＴＮＣ也设置为５．　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　ＯＦｉｇ．１１　Ｈａｗｋｎｏｄｅｓ　Ｆｉｇ．１２　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｓｅｔｕｐ　图１１　Ｈａｗｋ节点　５．２．１单播吞吐量　图１２真实实验场景　吞吐量随ＴＮＣ增加而变化的趋势如图１３（ａ）所示，当ＴＮＣ逐渐增加时，所有吞吐量都逐渐增加．当ＴＮＣ较　小时，如ＴＮＣ＝２时，ＲＩＭ的吞吐量小于ＣＡＭ．ＭＡＣ；而当ＴＮＣ逐渐变大时，如ＴＮＣ＝４时，ＲＩＭ的吞吐量逐渐超过　ＣＡＭ．ＭＡＣ的吞吐量．这主要是因为当ＴＮＣ变大时，ＣＡＭ．ＭＡＣ中由ＣＣＳ和ＴＨＴ引起的合作包与预约包的冲　突逐渐增大，从而导致其吞吐量的上升趋势变得逐渐平稳；而ＲＪＭ则利用接收端开始的传输机制和随机信道选　择较好地解决了ＣＣＳ和ＴＨＴ，进而ＲＩＭ吞吐量的上升趋势基本保持不变．与砌Ｍ．２５％和ＲｊＭ．５０％相比，在ＴＮＣ　较大时，ＲＩＭ的吞吐量大于ＲＩＭ一２５％而小于ＲＪＭ．５０％．而且，尽管真实实验与模拟实验的实验设置不同，但它们　结果的变化趋势基本吻合．图１３（ｂ）给出了吞吐量随ＮＣＢＲ变化的趋势．当ＮＣＢＲ＜３时，ＲＩＭ的吞吐量略小于　ＣＡＭ．ＭＡＣ的吞吐量；但当ＮＣＢＲ≥３时，ＲＩＭ的吞吐量逐渐超过ＣＡＭ．ＭＡＣ．而且，吞吐量的差值随ＮＣＢＲ增加　而增加．这主要是因为ＣＡＭ．ＭＡＣ吞吐量增长趋势由于ＣＣＳ和ＴＨＴ导致的冲突有所放缓：而ＲＩＭ则利用接收　端开始的传输机制解决了ＣＣＳ导致的控制包冲突，同时利用随机信道选择解决了由ＴＨＴ导致的数据包冲　突．ＲＪＭ．２５％和ＲＩＭ在高负载下的吞吐量仍然小于ＲｊＭ．５０％，这也进一步验证了模拟实验中ＲＩＭ一５０％比　ＲＩＭ．２５％和ＲＩＭ在吞吐量方面更加适用于负载较重网络的特性．　圣董　４３５００　２５０　２００　１５Ｏ　ｌＯ０　５０　０　ＴＮＣ　ＮＣＢＲ　（ａ）吞吐量和广播包到达率的对比　（ｂ）吞吐量和广播节点个数的对比　Ｆｉｇ．１　３　Ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　图１３单播吞吐量真实实验　５．２．２广播可靠性　当ＮＢＮ＝４时，广播可靠性随不同ＰＡＲ的变化趋势如图１４（ａ）所示．当ＰＡＲ增加时，所有可靠性都呈下降趋势．　这是由于随着ＰＡＲ的增加，节点需要发送更多的广播包，从而导致较多的广播包冲突．其中，ＲＩＭ的可靠性一直　张德升等：异步多信道无线传感器网络ＭＡＣ协议　＾　一　ｌｌ１０囊一ｕ三ｓＢ３ｐ日ｏＪ∞　论　６２７　高于ＲＩ—ＭＡＣ和ＣＡＭ．ＭＡＣ．真实实验结果与模拟实验结果的趋势基本上吻合．图１４（ｂ）给出了当ＰＡＲ设置为　２Ｏ时，可靠性随ＮＢＮ变化的趋势．所有可靠性都随ＮＢＮ的增加而减少．这是由于当ＮＢＮ较大时，网络负载较高，　从而导致较高的广播包冲突率．但与其他协议相比，ＲｊＭ具有较高可靠性．而且，当ＮＢＮ￣３时，ＲｊＭ和其他协议　的可靠性差距逐渐扩大，这表明ＲＩＭ更适合于负载较高的网络．　Ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｐａｃｋｅｔ【ｌ　一童Ｉ　ａｒｒｉｖａｌｌ案秀．　ｒａｔＩ蕾３ｐ日２∞　ｅ　Ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｎｏｄｅｓ　（ａ）可靠性和广播包到达率的对比　（ｂ）可靠性和广播节点个数的对比　Ｆｉｇ．１　４　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　图１４广播可靠性真实实验　６结　在基于占空比的多跳多信道ＷＳＮ中，控制信道饱和问题和三重隐终端问题通常会导致严重的能量浪费．　本文提出了一种异步多信道ＭＡＣ协议ＲＪＭ，该协议分别利用接收端开始的传输机制和基于概率的随机信道选　择机制解决了上述两个问题．而且，ＲＩＭ为完全分布式机制且无需全网时间同步，所以该协议适用于资源受限的　大规模ＷＳＮ．同时，ＲＩＭ利用一种简单且可靠的广播机制解决了广播数据丢失问题．通过概率论和马尔可夫链　分析，本文得到了ＲＩＭ中节点的最优占空比．为验证ＲＩＭ的性能，本文进行了模拟对比实验，并且利用真实传感　器节点平台实现了砌Ｍ．模拟和真实实验结果表明，ＲｊＭ在信道数较大和网络负载较重的情况下，显著地提高了　网络吞吐量，并且保持较低的能量消耗，既达到了能量有效，又保持了较高的广播可靠性．　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ＂　［１］Ｚｈｏｕ　Ｇ，Ｈｕａｎｇ　ＣＤ，Ｙａｈ　Ｔ，Ｈｅ　Ｔ，Ｓｔａｎｋｏｖｉｃ　ＪＡ，Ａｂｄｅｌｚａｈｅｒ　ＴＦ．ＭＭＳＮ：Ｍｕｌｔｉ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｅｄｉａ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｄｏｍｉｎｇｏ—Ｐａｓｃｕａｌ　Ｊ，ｅｄ．Ｐｒｏｃ．ｏｆ　ｔｈｅ　２５ｔｈ　Ｃｏｎｆ．ｏｎ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＩＥＥＥ　Ｐｒｅｓｓ，２００６．７－１９．　［２】　Ｋｉｍ　Ｙ，Ｓｈｉｎ　Ｈ，Ｃｈａ　Ｈ．Ｙ—ＭＡＣ：Ａｎ　ｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ｍｕｌｔｉ—Ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｄｅｎｓｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｋａｉｓｅｒ　Ｂ，ｅｄ．Ｐｒｏｅ．ｏｆ　ｔｈｅ　７ｔｈ　Ｉｎｔ’１　Ｃｏｎｆ．ｏｎ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｉｎ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＩＥＥＥ　Ｐｒｅｓｓ，２００８．５３—６３．［ｄｏｉ：　１０．１　１０９／ＩＰＳＮ．２００８．２７］　【３］Ｌｅ　ＨＫ，Ｈｅｎｒｉｋｓｓｏｎ　Ｄ，Ａｂｄｅｌｚａｈｅｒ　Ｔ．Ａ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ　ｍｅｄｉａ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：　Ｋａｉｓｅｒ　Ｂ．ｅｄ．Ｐｒｏｃ．ｏｆ　ｔｈｅ　７ｔｈ　Ｉｎｔ’ｌ　Ｃｏｎｆ．ｏｎ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｉｎ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＩＥＥＥ　Ｐｒｅｓｓ，２００８．７０—８１．　【ｄｏｉ：１０．１　１０９／ＩＰＳＮ．２００８．４３］　［４］　Ｓａｌａｊｅｇｈｅｈ　Ｍ，Ｓｏｒｏｕｓｈ　Ｈ，Ｋａｌｉｓ　Ａ．ＨｙＭＡＣ：Ｈｙｂｒｉｄ　ＴＤＭＡ／ＦＤＭＡ　ｍｅｄｉｕｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．　Ｉｎ：Ｐｒｏｔｏｎｏｔａｒｉｏｓ　Ｅ，ｅｄ．Ｐｒｏｃ．ｏｆ　ｔｈｅ　１　８ｔｈ　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔ’１　Ｓｙｒｕｐ．ｏｎ　Ｐｅｒｓｏｎａｌ，Ｉｎｄｏｏｒ　ａｎｄ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｒａｄｉｏ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：　ＩＥＥＥ　Ｐｒｅｓｓ，２００７．１－５．【ｄｏｉ：１０．１１０９／ＰＩＭＲＣ．２００７．４３９４３７４】　［５］　Ｊｏｖａｎｏｖｉｃ　ＭＤ，ｎｊｏｒｄｊｅｖｉｃ　ＧＬ．ＴＦＭＡＣ：Ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｍｉｌｏｖａｎｏｖｉ６　Ｂ，ｅｄ．Ｐｒｏｃ．　ｏｆ　ｔｈｅ　８ｔｈ　Ｉｎｔ’１　Ｃｏｎｆ．ｏｎ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　Ｍｏｄｅｍ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ。Ｃａｂｌｅ，ａｎｄ　Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＩＥＥＥ　Ｐｒｅｓｓ，　２００７．２３—２６．【ｄｏｉ：１０．１　１０９／ＴＥＬＳＫＳ．２００７．４３７５９２９］　ｆ６］　Ｓｏ　ＪＭ，Ｖａｉｄｙａ　ＮＨ．Ｍｕｌｔｉ・Ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ　ｆｏｒ　ａｄ　ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ｈａｎｄｌｉｎｇ　ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ　ｈｉｄｄｅｎ　ｔｅｒｍｉｎａｌｓ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ．　Ｉｎ：Ｍｕｒａｉ　Ｊ，ｅｄ．Ｐｒｏｃ．ｏｆ　ｔｈｅ　５ｔｈ　ＡＣＭ　Ｉｎｔ’１　Ｓｙｍｐ．ｏｎ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ａｄ　Ｈｏｃ　Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：ＡＣＭ　Ｐｒｅｓｓ，２００４．　２２２—２３３．【ｄｏｉ：１０．１　１４５／９８９４５９．９８９４８７】　６２８　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ软件学报Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ　２０１２　ｎ　ＣＹ，Ｔｓｅｎｇ　ＹＣ，Ｓｈｅｕ　ＪＰ．Ａ　ｎｅｗ　ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｗｉｔｈ　ｏｎ—ｄｅｍａｎｄ　ｃｈａｎｎｅｌ　ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉ－ｈｏｐ　【７】　Ｗｕ　ＳＬ，Ｌｉｍｏｂｉｌｅ　ａｄ　ｈｏｅ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｓｕｄｂｏｒｏｕｇｈ　Ｈ，ｅｄ．Ｐｒｏｃ．ｏｆ　ｔｈｅ　５ｔｈ　Ｉｎｔ’ｌ　Ｓｙｒｕｐ．ｏｎ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ，Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ａｎｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．　Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＩＥＥＥ　Ｐｒｅｓｓ，２０００．２３２—２３７．［ｄｏｉ：１０．１　１０９／ＩＳＰＡＮ．２０００．９００２９０】　Ａ，Ｂａｈｌ　Ｐ，Ｐａｄｈｙｅ　Ｊ，Ｗｏｌｍａｎ　Ａ．Ａ　ｍｕｌｔｉ—ｒａｄｉｏ　ｕｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ＩＥＥＥ　８０２．１１　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｊａｉｎ　ＤＲ，ｅｄ．Ｐｒｏｃ．　［８】　Ａｄｙａ　ｏｆｔｈｅ　１ｓｔ　Ｉｎｔ’ｌ　Ｃｏｎｆ．ｏｎ　Ｂｒｏａｄｂａｎｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＩＥＥＥ　Ｐｒｅｓｓ，２００４．３４４－３５４．［ｄｏｉ：１０．Ｉ１０９／ＢＲＯＡＤＮＥＴＳ．２００４．８】　ｎｉ　Ｍ，Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ　Ｖ．Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ：Ｄｅｓｉｇｎ，ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　［９］　Ｌｕｏ　Ｔ，Ｍｏｔａ卫一ｏｎ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００９，８（３）：３３８－３５２．［ｄｏｉ：１０．１１０９／ＴＭＣ．２００８．１０９】　　Ｚ，Ｃｕｉ　ＪＨ，Ｊｉａｎｇ　ＺＨ．Ｈａｎｄｌｉｎｇ　ｔｒｉｐｌｅ　ｈｉｄｄｅｎ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ　ｉｎ　ｌｏｎｇ—ｄｅｌａｙ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　（１０】　Ｚｈｏｕ　Ｚ，Ｐｅｎｇｔｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｍａｎｄｙａｍ　Ｇ，ｅｄ．Ｐｒｏｅ．ｏｆｔｈｅ　ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＩＥＥＥ　Ｐｒｅｓｓ，２０１０．３７１—３７５．【ｄｏｉ：　ｌＯ．１　ｌＯ９，ＩＮＦＣＯＭ．２０１０．５４６２２０９】　Ｚｈａｎｇ　ＤＳ，Ｌｉ　ＪＢ，Ｇｕｏ　ＬＪ，Ｊｉ　ＳＬ，Ｗａｎｇ　Ｙ．ＨＭ—ＭＡＣ：Ａ　ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｗｉｔｈ　ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｓｕｐｐｏａｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，２００９，４６（１２）：２０２４－２０３２（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｗｉｔｈ　Ｅｎｇｌｉｓｈ　ａｂｓｔｒａｃｔ）；　Ｙ，Ｊｉａｎｇ　Ｂ，Ｈｅ　Ｔ．Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｓｔｉｃ　ｌｏｏｄｉｆｎｇ　ｉｎ　ｌｏｗ—ｄｕｔｙ－ｃｙｃｌｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ，ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｗｉｔｈ　ｕｎｒｅｌｉａｂｌｅ　ｌｉｎｋｓ．Ｉｎ：Ｓｈｉｎ　ＫＧ，　［１２】　Ｇｕｏ　Ｓ，Ｇｕ　ｅｄ．Ｐｒｏｃ．ｏｆ　ｔｈｅ　ｌ５ｔｈ　Ａｎｎｕａｌ　Ｉｎｔ’ｌ　Ｃｏｎｆ．ｏｎ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　ＡＣＭ　Ｐｒｅｓｓ，２００９，１３３—１４４．［ｄｏｉ：　ｌ０．１１４５／１６１４３２０．１６１４３３６】　Ｆ，Ｌｉｕ　ＪＣ．Ｄｕｔｙ－Ｃｙｃｌｅ－Ａｗａｒｅ　ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｒｏｂｅ￣ｏ　Ｂｏｉｓｓｏｎ　ｄｅ　Ｍａｒｃａ　Ｊ，ｅｄ．Ｐｒｏｃ．ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ　［１３】　Ｗａｎｇ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＩＥＥＥ　Ｐｒｅｓｓ，２００９．４６８—４７６．［ｄｏｉ：１０．１　１０９／ＩＮＦＣＯＭ．２００９．５０６１９５２】　［１４】　Ｓｕｎ　ＹＪ，Ｇｕｒｅｗｉｔｚ　Ｏ，Ｊｏｈｎｓｏｎ　ＤＢ．ＲＩ—ＭＡＣ：Ａ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｉｎｉｔｉａｔｅｄ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｄｕｔｙ　ｃｙｃｌｅ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｔｒａｆｉｃ　ｌｆｏａｄｓ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ａｂｄｅｌｚａｈｅｒ　Ｔ，ｅｄ．Ｐｒｏｃ．ｏｆｔｈｅ　６ｔｈ　ＡＣＭ　Ｃｏｎｅ　ｏｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：　ＡＣＭ　Ｐｒｅｓｓ，２００８．４５６—４６９．［ｄｏｉ：ｌ０．１　ｌ４５／１４６０４１２．１４６０４１４】　附中文参考文献：　［１１］张德升，李金宝，郭龙江，纪守领，王宇．ＨＭ．ＭＡｃ：一种支持广播的多信道传感器网络ＭＡＣ协议．计算机研究与发展，２００９，４６（１２）　２０２４－２０３２．　张德升（１９８５一），男，黑龙江哈尔滨人，硕士　郭龙￥＇＂１（１９７１一），男，博士，教授，主要研究　领域为无线传感器网络．　生，主要研究领域为无线传感器网络．　李金宝（１９６９一），男，博士，教授，主要研究　领域为无线传感器网络．