A Contention Aware MAC Protocol for Wireless Sensor
Networks
Tz-Heng Hsu Jyun-Sian Wu
Department of Computer Science and Information Engineering
Southern Taiwan University of Technology
E-mail:
hsuth@mail.stut.edu.tw
摘要
在 本 篇 論 文 裡 ， 我 們 提 出 了 CA-MAC
(Contention Aware MAC Protocol)，一個為無線感測 器網路所設計的媒體存取控制協定。無線感測器是 一種以電池為能量來源的感測裝置，因此在使用上 必須注意能源的消耗。最常採用的省電方法是使感 測器週期性的進入睡眠狀態，減少感測器的工作時 間來達到節能源，但是週期性的睡眠會導致資料傳 輸中斷，而產生睡眠延遲(Sleep Delay)，使的資料 的傳輸效能下降。 工作週期(Duty Cycle)的高低直接影響資料傳 輸效率以及能源的消耗，高工作週期可以增進資料 傳輸效率但是消耗較多的電量，短工作週期可以節 省能源消耗但傳輸效率下降，隨著不同的資料量給 予適當的工作週期，不僅可以達到有效率的傳輸並 且可以節省能源的消耗，但是在競爭的環境下不同 高低的工作週期會引起頻道使用的不公平，較高的 工作週期佔據頻道(Channel)較久的時間，相對的、 較低的工作週期則較不易競爭到頻道的使用權，因 此我們提出新的改良方法在競爭頻道的使用權 上，來改善這種不公平的現象，讓資料的傳輸可以 達到更有效率。 關鍵詞：無線感測器網路，工作週期，媒體存取控 制協定。
Abstract
In this paper, a contention aware MAC protocol is proposed to achieve the fairness of channel usages. Wireless sensor is a battery-powered sensing device; it has to be take care of the power consumption. Duty cycle is the primary affection for power consumption. The long duty cycle is efficient for data transmission, and the low duty cycle conserved energy. However, sensors with long duty cycle have more chance to get the channel. Sensors with short duty cycle have less chance to get the channel. There, we propose a new method to achieve the fairness of channel usages.
Keywords: Wireless sensor network, Duty Cycle,
MAC.
1. 前言
無線感測器網路(Wireless Sensor Network)是 由多個無線感測器所構成。大部分的無線感測器以
電池為動力來源，最後能源會消耗殆盡，因此在使 用上必須特別注意能源的消耗，除了在硬體上的節 省能源外，還要再搭配通訊協定的應用才能達到真 正的節省能源。在通訊協定上，最有關係的就是媒 體存取控制層(Medium Access Control，MAC)。媒 體存取控制層是OSI中資料鍊結層的二個子層之 一，負責媒體傳輸的控制。在無線通訊上最為人知 的就是IEEE 802.11 MAC協定，由於存取技術與 Ethernet非常相似，所以又稱為無線乙太網路。 Ethernet 的 MAC 協 定 是 採 用 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)；而 802.11 採 用 的 是 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)「載波偵測多重存 取/碰撞避免」，二者的運作模式非常類似，都是 在一個多重存取的環境下，制定出一套競爭模式， 依循這個競爭模式來取得傳輸媒介(無線電波)。然 而、802.11卻不適合應用在無線感測器網路中，因 為802.11為了有效率的實行虛擬載波偵測(Virtual Carrier Sensing)因此時時刻刻都處在聆聽狀態中， 對於能源有限的無線感測器來說這是非常耗電的 行為，因此在2002年，Estrin等人就針對802.11的缺 點提出改進，設計出一個專為無線感測器用的媒體 存取控制協定S-MAC(Sensor MAC)[1]，提出了使用 週期性的睡眠讓感測器進入睡眠狀態而達到省 電，然而進入睡眠狀態則會產生資料傳輸中斷而形 成睡眠延遲。接著在2003年，由Tijs van Dam等人 提出了T-MAC(Timeout MAC)[2]，主張減少工作週 期來達到更省電的目的，但是沒有考慮到資料傳輸 效能以及睡眠延遲問題，到了2005年由Yang等人提 出了U-MAC(Utilization MAC)[3]，主張以工作負載 為依據來動態調整工作週期，當工作負載高時，給 予較高的工作週期來增加傳輸效率，當工作負載低 時，給予較低的工作週期來節省能源消耗，然而在 競爭環境中不同高低的工作週期會引起頻道使用 不平公的現象，而使的較低工作週期不易得到頻道 使用權，因此我們針對這個問題提出新的改進方 法。 本篇論文其它章節的編排如下：第二章介紹幾 種目前無線感測網路中節省能源消耗的策略。第三 章介紹我們提出新的方法來改目前現有的媒體存 取控制協定的缺點。第四章介紹與其它媒體存取控 制協定模擬實驗數據的比較。第五章為總結及未來 工作。
2. 相關研究
由於無線感測器的壽命長短受限於電池能源 的消耗，因此如何有效率的應用有限的電池能源是 一件非常重要的事，最常採用的方法是週期性的睡 眠(Periodical Sleep)[1][2][3][4]，將一次週期分成二 個部份：動作週期(Active )以及睡眠週期(Sleep)， 在動作週期時感測器可以與其它鄰近周圍的感測 器通訊，當進入睡眠週期時，感測器停止任何通 訊，藉由控制動作週期的高低來控制能源消耗，另 外在節省能源的策略上還有以下幾種方法：防止碰 撞的發生(Collision Avoidance)、防止竊聽的發生 (Overhearing Avoidance)、減少閒置聆聽時間(Idle Listen)。S-MAC(Sensor MAC) [1] 是一個以節省能 源 消 耗 為 主 的 媒 體 控 制 協 定(Medium Access Control Protocol)。S-MAC 主要以四種方法來減少 能源的消耗：(1)防止碰撞的產生：在競爭的環境下 資料的碰撞經常會發生，當發生碰撞後資料必須重 新傳送，而造成能源浪費，在S-MAC 中延用 802.11 的方法，使用虛擬與實體的載子偵測(Virtual and Physical Carrier Sense)以及 RTS/CTS 封包的交换 (2) 防止竊聽的發生：無線電波在空氣中傳送，無論資 料是否是傳向自己都會被接收進來，這個舉動會浪 費多餘的能源在接收不必要的資料，因此 S-MAC 讓感測器進入睡眠的方式來避免，當接收到RTS 與 CTS 封包時，如果目標不是為自己的話，代表目前 頻道有其它感測器佔用中，因此進入睡眠狀態，不 接 收 任 何 多 餘 的 資 料 (3) 訊 息 的 傳 遞 (Message Passing)：訊息的傳送可分為完整一次傳送以及分 割多次傳送。完整一次傳送的好處是只需傳送一次 就可完成，但缺點是如果有封包遺失時，必須整個 訊息重新傳送。S-MAC 採用的是分割多次傳送， 優點是當有封包遺失時，只需重新傳送該封包即 可，不必全部重新再來，但缺點是需額外接收多個 控 制 封 包 (4) 減 少 閒 置 聆 聽 時 間 (Reduce Idle Listen)：當使用訊息分割多次傳送時，在 802.11 中 採用的是循序接收的方式，當接收到第一個封包後 才會接著接收第二個封包，假如第二個封包遺失， 會發出重新傳送的要求，一直等到第二個封包接收 到後才會繼續下一個封包，在這期間感測器處在閒 置狀態中浪費許多能源，因此 S-MAC 採用的是延 長傳送時間的方式，當發現有封包在傳送過程中遺 失，會再繼續傳送下一個封包並且延長傳送時間， 當傳送完畢後在延長的時間內再重新要求傳送遺 失的封包，減少閒置聆聽時間。T-MAC(Timeout MAC)[2]也是以減少能源為主的媒體控制協定。 T-MAC 主要採用的方法是減少閒置聆聽時間改變 工作週期，當感測器在動作週期時，如果沒有任何 的通訊，那麼這段動作週期的能源消耗就是多餘 的 。 T-MAC 在 控 制 封 包 上 一 樣 是 採 用 RTS/CTS/ACK 這三種封包，在動作週期中如果在 時間TA 內沒有任何的觸發事件(Activation event)產 生，就讓感測器進入睡眠狀態，而時間TA 就代表 是該次週期中的閒置時間，如圖 1 所示為 T-MAC 的工作週期。U-MAC(Utilization MAC)是一個兼顧 傳輸效率以及節省能源的媒體存取控制協定。 U-MAC 主 要 採 用 的 是 動 態 調 整 工 作 週 期 (Duty Cycle)的方式，主張給予工作負載高的感測器有較 高的工作週期，以增加資料傳輸效率，給予工作負 載低的感測器有較低的工作週期，以減少能源的消 耗。首先計算前一次週期中傳送時間、接收時間以 及閒置時間的比例，再來計算封包的平均傳送延 遲，當目前的工作負載大於設定的高工作負載門檻 時以及目前的工作週期小於設定的高工作週期的 門檻時，代表目前是高工作負載狀態且目前的工作 週期不足以應付，因此提升目前的工作週期。而當 目前的工作負載小於設定的低工作負載門檻時以 及目前的工作週期大於設定的低工作週期的門檻 時，代表目前是低工作負載狀態且目前的工作週期 足以應付且超過，因此降低目前的工作週期，藉由 動態調整工作週期來應付目前的工作負載，可以達 到有效率的傳輸及節省能源的目的。 圖1、T-MAC 工作週期圖
3.在無線感測網路中以競爭感知為基礎之
媒體存取控制協定
由於睡眠延遲所造成的資料轉送中斷的問題
普遍存在適應性工作週期(Adaptive Duty Cycle)的 技術上，這是由於感測器本身的通訊範圍有限所造 成的，當感測器彼此都處在通訊範圍之外而需要借 助第三方轉送資料時，由於處在通訊範圍外，所以 並不曉得有資料即將過來，當動作週期結束後便進 入睡眠狀態，在這期間資料將堆積在第三方的佇列 (Queue)裡，等待下一次的動作週期開始時才能繼續 傳送資料，因此在傳輸上產生了中斷而有了延遲。
工作週期的高低不但關係著資料傳輸效率， 也影響著感測器能源的消耗，較高的工作週期可以 有更多的機會與其它感測器進行通訊，減少由於睡 眠狀態而無法進行通訊的情形，但代價是必須消耗 較多的能源，相對的，較低的工作週期由於有較長 時間處在睡眠狀態，所以能源消耗較少但代價是因 此減少感測器的通訊機會造成睡眠延遲，使的資料 的傳輸產生延遲。U-MAC 在工作週期上採用的是 隨著工作負載來調整各個感測器的工作週期，高工 作負載時調高工作週期，低工作負載時調低工作週 期，但是在競爭環境下，高工作週期的感測器會比 低工作週期的感測器有較多的機會競爭到頻道的 使用權，如圖2 所示，5 個工作週期不同的感測器。 假如目前1 號感測器競爭到頻道，當動作週期終止 而釋放頻道使用權進入休眠狀態時，此時剩下感測 器3、4 能進行頻道的競爭；相同的，假如目前是 3
號感測器競爭到頻道使用權，當它釋放時只剩4 號 感測器能競爭頻道的使用權，由以上可以推論當高 工作週期的感測器競爭到頻道使用權時，會減少低 工作週期的感測器競爭到頻道的次數，而增加低工 作週期感測器的傳輸延遲。因此我們提出新的方 法，當競爭頻道失敗的次數到達設定的門檻值時， 就增加該感測器的工作週期，提高競爭頻道使用權 的機會，再由負載偵測調整到適當的工作週期，達 到在高工作負載時有效率的傳輸資料，低工作負載 時節省能消耗並且公平化頻道的使用權。 1 2 3 4 5 圖2
演算法
在無線感測器網路中，每個感測器的負載都不 盡相同，因此需要有不同的工作週期來對應不同的 負載。在一次同步時間內，我們計算出節點的前一 次工作負載量，並以此為依據來調整下一次的工作 週期，其演算法如下：1: If Loose Contention then 2: LC=LC+1 3: else { 4: LC=0 5: } T + Ttx rx 6: TLcurrent = T + T + Ttx rx idle 7: IF LC >= LCth then 8: { 9: DCcurrent = DCmax 10: } else {
11: If (TLcurrent > TLhigh and DCcurrent < DChigh) then 12: DCcurrent = (1+N%)*DCcurrent
13: If (TLcurrent < TLlow and DCcurrent > DClow) then 14: DCcurrent = (1-N%)*DCcurrent
15: }
表1
LC Loose Contention
LCth Loose Contention Threshold
Ttx Total Transmission Time
Trx Total Receive Time
Tidle Total Idle Time
TLcurrent The Current Traffic Load
TLhigh Traffic Load High
TLlow Traffic Load Low
DChigh Duty Cycle High
DClow Duty Cycle Low
DCcurrent The Current Duty Cycle
DCmax The Max Duty Cycle
假如感測器是處在高工作負載狀態，那麼就必 須增加它的工作週期來增加傳輸效率，反之，處在 低工作負載狀態時，則必須降低它的工作週期來減 少能源的消耗。以下是我們定義的變數以及其代表 的意義：LC 代表爭奪頻道的失敗次數，LCth代表 爭奪頻道的失敗次數門檻，Ttx代表前一次週期中傳 送時間的總和，Trx代表前一次週期中接收時間的總 和 ，Tidle代 表 前 一 次 週 期 中 閒 置 時 間 的 總 和 ， DCcurrent代表目前的工作週期，TLhigh代表高工作負 載門檻，TLlow代表低工作負載門檻， Ｎ%代表每 次增加或減少的比例，N 值較大表示可以較快速的 達到理想的工作週作，N 值較小表示可以較為精確 的靠近理想的工作週期，DChigh代表最高工作週期 門檻，DClow代表最低工作週期門檻，DCmax代表最 大工作週期(本實驗設定為 100%)。其運作方式及步 驟如下： 1. 是否提高權限：
1: If Loose Contention then 2: LC=LC+1 3: else { 4: LC=0 5: } 為了防止高工作週期所引起的頻道使用不 公平現象，首先偵測是否爭奪頻道失敗，如果爭 奪失敗便提高計數器的次數，如果成功便重設計 數器的次數。 2. 負載偵測： 6: TL = T + Ttx rx current T + T + Ttx rx idle 我們引用 U-MAC 的計算公式，計算前一次週 期的工作負載，如果TLcurrent 值超過 TLhigh，代表 目前是高工作負載的狀態，如果 TLcurrent 低於 TLlow，代表目前是低工作負載的狀態。 3. 調整工作週期：
7: IF LC >= LCth then 8: {
9: DCcurrent = DCmax 10: } else {
11: If (TLcurrent > TLhigh and DCcurrent < DChigh) then 12: DCcurrent = (1+N%)*DCcurrent
13: If (TLcurrent < TLlow and DCcurrent > DClow) then 14: DCcurrent = (1-N%)*DCcurrent 15: } 高工作負載需要較高的工作週期來增加工 作效率，低工作負載需要較低的工作週期來減少 能源消耗。經過負載偵測後，得知節點前一次週 期的負載，當計數器達到失敗次數門檻時便將目 前的工作週期重設為最大工作週期(DCmax)以增 加低工作負載的感測器爭奪頻道的成功率。假如 目前工作負載大於高工作負載門檻(TLhigh)且目 前 的 工 作 週 期 小 於 高 負 載 工 作 週 期 門 檻 (DChigh)，表示說目前的工作週期無法滿足目前的 工作負載，因此就將目前的工作週期提升N%； 假如目前工作負載小於低工作負載門檻(TLlow) 且 目 前 的 工 作 週 期 大 於 低 負 載 工 作 週 期 門 檻 (DClow)，表示目前的工作週期可以滿足目前的工 作並且超過，因此降低目前的工作週期N%。提 高 工 作 週 期 的 目 的 是 在 於 增 加 資 料 傳 輸 的 機 會，擁有較高的工作週期的優點：(1)減少睡眠延 遲：由於工作週期的增加，相對的睡眠週期就減 少，因此減少了睡眠延遲的時間 (2)增加通訊的 機會：由於工作週期的增加，因此感測器有較長 的工作時間可以與其它感測器做通訊，增加通訊 的次數。當工作週期提升為最大後，會隨著負載 偵測的結果慢慢減少目前工作週期到達適當的 工作週期，直到當爭奪頻道的失敗次數到達門檻 值時，工作週期才會再次提升到最大。
4. 實驗模擬
我們使用了OMNeT++ 3.2 P1 來作為模擬的 工具，初始的工作週期為20%，LCth為3，TLhigh為 0.3，TLlow為 0.15，DChigh 為 40%，DClow為
10%，N 為 0.02， DCmax為100％，封包長度為 512byte ， 頻 寬 為 60Kbps ， 傳 輸 消 耗 電 量 為 10mA，接收消耗電量為 4mA，睡眠時的消耗電 量為 0.02mA。網路拓樸結構如圖 3 所示，模擬 多個感測器相互競爭一個頻道，我們與S-MAC、 U-MAC 做比較，比較傳輸延遲、能量消耗以及 傳輸效率。 圖3、網路拓樸結構 圖4、平均延遲 如圖 4 所示在延遲方面，由於 CA-MAC 適時的提 升工作週期到最大，增加了通訊的機會以及減少了 睡眠週期而且公平化競爭頻道的使用權，因此傳送 延遲要比 S-MAC 以及 U-MAC 還要低。而當資料 產生的頻率越來越快時，由於感測器的工作週期提 升較為緩慢(本實驗一次增加 2%)因此延遲會越來 越大，如果將N 值提高則延遲的提升會趨於平緩。 圖5、總能源消耗
圖6、傳輸效率 如圖 5 所示總能源消耗，由於 CA-MAC 會將工作 週期提升到最大以增加通訊的機會，然而 S-MAC 採用固定且較低的工作週期，U-MAC 採用緩慢的 增加工作週期，因此在電量消耗上 CA-MAC 比 S-MAC 以及 U-MAC 要來的高，但是在傳送效率 上，如圖6 所示，由於適時的提高工作週期，增加 通訊機會減少睡眠時間，因此使的資料得以傳送出 去，所以在傳輸效率上要比 S-MAC 以及 U-MAC 要來的高。
5. 結論
本篇論文提出了一個新的方法來改善競爭環 境下，不同高低的工作週期所以引起的低工作週期 不易競爭到頻道的現象，我們以能源作為代價來提 升頻道使用的次數、降低傳輸延遲以及提升資料傳 送的效率，未來我們將再針對能源的消耗上做改 良，降低能源的消耗來增加感測器的使用壽命。誌謝
本研究計劃執行所須之研究經費係由行政院 國 家 科 學 委 員 會 所 提 供 。 計 劃 編 號 ： 95-2221-E-218-039.。參考文獻
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