EH-WSNs的基于优先级的流水线转发MAC协议

抽象的

为了减少能量采集无线传感器网络的端到端时延，引入并研究了采用流水线转发的介质访问控制协议。在实际应用中，有几种情况下很难获得比消耗的能量更多的能量。因此，设计一种MAC协议是至关重要的，它允许节点在管道转发多跳传输中有效地中继数据而不耗尽能量。本文提出了一种基于优先级的流水线转发MAC协议，该协议根据剩余功率和能量收集率来决定中继节点的优先级。该协议根据节点的优先级确定节点成为中继节点的概率，并尝试以分布式方式访问信道。此外，PP-MAC协议根据节点的电源状态控制睡眠间隔。它还通过基于节点优先级的睡眠间隔来最小化电源耗尽问题。通过计算机仿真验证了该算法的性能，结果表明，该算法可以通过降低节点的功率不平衡来提高网络的生存期。

1.介绍

最近，各种无线应用的发展导致无线传感器网络的重要性显着增加。众所周知，在无线传感器网络中，传感器节点是电池供电的事实（由于尺寸限制和成本），能量和寿命有限是一个挑战。已经进行了几种研究以处理能源短缺问题。一种这样的尝试是引入EH-WSNS（能量收集无线传感器网络），其使用能量收集传感器节点，这些传感器节点可以从外部能源中收集能量，例如光，热量和风力[1，2]．在EH-WSNs中，传感器节点的生命周期相对较长，网络相对更稳定。

在EH-WSNs的设计中，MAC协议在决定网络性能如吞吐量、延迟和能量消耗等方面起着至关重要的作用[3.，4]．在设计MAC协议以提高eh - wsn的功率效率时，节点的剩余功率被认为是最关键的因素。建议利用占空比平衡节点功率[5]．然而，即使在相同的剩余功率下，剩余功率值的变化也取决于能量收集率。例如，如果充电速率比数据传输周期快，那么无论剩余功率如何，数据传输都可以瞬间完成。但是，如果充电速率低于数据生成速率，则需要同时考虑电池剩余电量和充电速率来调整数据传输。

现有的大多数MAC协议在设计时没有考虑路由协议。尽管如此，不支持路由的MAC协议会增加网络开销，减少网络生存期。因此，在考虑路由协议的情况下，通过跨层设计的MAC协议来提高网络性能成为了相当多的研究热点[6]．为了减少由多跳闸路由引起的端到端延迟，流水线转发MAC协议，例如R-MAC（路由增强占空比MAC）[7]和PRI-MAC(流水线转发，路由集成，有效识别MAC) [8提出了。此外，为了实现节点能量的高效利用，RP-MAC (Reduced Pipelined-forwarding MAC) [9]介绍了。

在能量收集无线传感器网络的路由和MAC协议设计中，剩余功率和能量收集率被认为是重要的设计因素。对于EH-WSN，一个重要的设计准则是保持ENO (Energy Neutral Operation)状态[3.];也就是说，收获的能量必须始终大于或等于所消耗的能量。在eno状态下，节点可以在没有电池问题的情况下运行。然而，在现实生活中，存在几种情况，以便收获足够的能量以进行数据传输是非常具有挑战性的。如果收获的能量不足，则传输延迟将是显着的。因此，应基于剩余功率和能量收集速率来选择中继节点。具有低能量收集率的节点应自适应地增加睡眠间隔，以便可以获得足够的充电时间。即使每个节点不满足ENO状态，节点组也可以通过自适应地选择中继节点来满足整个eno状态。

本文提出了一种基于优先级的流水转发MAC协议(PP-MAC)。PP-MAC协议通过流水线转发实现数据的多跳传输。在无中心站的自组织网络中选择中继节点时，同一级别的每个节点根据其优先级(由剩余功率和能量收集率决定)以不同的访问概率访问信道。此外，每个节点自适应地决定睡眠周期。如果一个节点具有较低的剩余功率和收获率，那么它将具有较长的休眠间隔。然而，如果一个节点具有较高的剩余功率和收获率，那么它可以作为中继节点执行更频繁的任务:这确保中继节点不会耗尽功率，从而实现稳定和低延迟的数据传输。

本文的其余部分安排如下。部分2介绍流水线转发，并描述了所提出的PP-MAC协议的框架。在部分提供并讨论了仿真结果3.，结论见第一部分4．

2.流水线转发MAC

在传感器网络中，数据通过多跳传输发送到目的节点。在本文中，如图所示1，网络的所有节点都会根据与目标节点的距离分组;此外，数据分组以多跳的方式从高级到较低等级的目标节点发送到目的节点。为此，网络最初执行成绩分区的过程[8，10]．同一等级的节点相互竞争媒体访问，而不同等级的节点将数据中继到目的节点。因此，在选择同一等级的节点作为中继节点的基础上，建立了从源节点到目的节点的路径。很明显，路由路径是通过MAC协议建立的。

如图所示2当用最简单的泛洪方法发送数据时，N级中的节点从高档节点接收数据，并用作中继节点以将数据中继到下级节点。每个节点都遵循流水线转发方案，具有交错的睡眠唤醒时间表。因此，所有节点都没有必要作为中继节点。此外，可以基于节点的能量状态来执行特定节点的数据继电器。因此，在MAC阶段，对介质的访问被适当地限制，并且基于节点的能量状态控制睡眠周期，同时最小化传输延迟。

3.PP-MAC设计

3．1．PP-MAC概述

在PP-MAC中，节点从更高级别的节点接收数据。如图所示3.，在收到数据后，节点将ACK数据包发送到n+1级节点。ACK数据包也被发送到n-1级节点，以及n−1个接收到ACK报文的节点表示已经准备好发送信标接收数据。此时，有几个节点n-1等级，他们必须竞争接收数据。每个节点n−1 grade计算优先级P_我，其优先级取决于其剩余功率和能量收集率，并试图通过设置基于P_我价值。优先级越高，回退值越小，这就增加了一个节点作为中继节点运行的概率。优先级值的计算和回退值的设置方法将在下一节中详细介绍。

其中一个结点在n−1级收发信标，接收数据。节点收到数据后，在发送ACK报文时，在ACK的旁边发送下一次被唤醒的信息。在此时间信息的基础上，调度下级节点作为中继节点，然后在下一个周期发送ACK。中继节点接收到数据后，按照同样的方式将数据发送给下级节点。中继节点发送数据并接收ACK，进入休眠模式。因此，提供了一种用于使用所述顺序睡眠-唤醒计划顺序传输数据的管道转发结构。

3.2。通过剩余电力和能量收获率优先

节点确定优先级P通过占据剩余电力和能量收集率。即使存在大量的剩余功率，如果能量收集速率很小，也可以更保守使用剩余电力。在这种情况下，如果优先考虑具有大量剩余功率但能量收集率低的节点，则电池的功率将快速消耗，并且节点可以停止。相反，即使剩余电源非常小，如果能量收集率为高，则在每个数据传输时段中将充电量的能量将被充电，使得可以选择节点以优先于其他节点选择中继节点。T₀同时考虑剩余功率和能量收集率，确定优先级;单位休眠间隔后的期望剩余功率T₀被设置为节点的优先级，如（1）： 在哪里P_我是最重要的,E_r，我是剩余功率，和R_h,我能量收集率是我-th节点。优先事项P_我为下次传输时间休眠间隔后节点的期望剩余功率。剩余功率低于最小功率的节点，即使通过争用的方式访问信道，也没有足够的能量进行数据传输，从而保持休眠状态，直到充电功率高于最小功率。

3.3。优先考虑的回归

在自组织网络中，虽然每个节点都有一个优先级值，但由于没有中心基站，相邻节点的优先级是无法知道的。因此，需要一个分布式的MAC协议来减少冲突，并允许基于优先级的信道访问。本文设计了一种MAC协议，通过区分信道访问概率和基于节点优先级的退避值来反映节点的优先级，使数据包的冲突最小化。此外，还需要根据能量收集率和剩余功率自适应调整节点的休眠间隔。

本文将争用窗口划分为两个阶段:连续波₁和连续波₂．连续波₁节点满足条件的区间是多少 ，在哪里η表示阈值设置为2E₀在这篇论文中E₀表示在间隔中接收和发送数据包所需的能量T₀．这意味着连续波₁在当前插槽中发送分组后，在下一时段中具有足够的分组传输能量。如果 ，这意味着节点没有足够的能量和收获率，因此竞争连续波₂．

当前槽位的能量消耗不影响下一个包传输的节点竞争访问信道连续波₁时期。这是为了让节点连续波₁优先访问该频道。然而，不满足(2)下面没有足够的电力后T₀并竞争进入频道连续波₂．节点in.连续波₂优先级低于连续波₁．如果有节点连续波₁，节点连续波₂检查有足够能量的节点是否存在连续波₁间隔和进入睡眠状态。

如图所示4，访问概率连续波₁和连续波₂是有区别的。在连续波₁，所有节点都有足够的能量来在下一个周期中传输数据包，因此他们尝试以均匀概率访问频道。但是，在连续波₂，很难保证数据包在下一个周期有足够的能量传输。因此，根据优先级值，信道被访问的概率分布不同P_我．因为后退开始了连续波₂，我们定义了概率在总共中拥有nth退避连续波₂长度,N₂，如(2） 以下。数字5显示基于优先级值的退避的概率分布P_我在连续波₂．PP-MAC算法以算法显示1．

3.4。睡眠时间

如果没有信标信号或没有竞争连续波₁，则表示中没有节点连续波₁．因此，所有的节点都加入到信道连接的竞争中连续波₂，无法访问该通道的节点将立即进入睡眠模式。这个时候，有必要提前起床T₀对于下一个数据接收和传输。如果有节点连续波₁，表示存在下一周期有足够功率的中继节点。因此,节点连续波₂必须在持续时间2输入睡眠模式2T₀．相反，节点在连续波₁必须在起床前的时间间隔T₀．以这种方式，竞争窗口被划分为两个，并且节点可以识别具有更高优先级的节点的存在，使得节点的睡眠周期的长度连续波₂可以在不交换额外信息的情况下进行调整。

4.仿真与性能评估

本文通过仿真分析分析了所提出的PP-MAC的性能。对于模拟，节点以三个等级均匀地布置，并且节点的能量收集速率被设定为均匀地分布在0.28和7.3mW之间。在这项研究中，我们设置了每个竞争窗口的退避指数的初始值连续波₁和连续波₂对于3，每次发生碰撞时，将其增加1，并最大为7，使得每个竞争窗口在0-127的范围内。为了快速仿真，我们假设电池容量为5 MJ。桌子1显示仿真的参数[6，11]．

数据6和7显示死节点数的平均值和基于1000个节点数的剩余能量的标准差T₀证券交易委员会在平均数的情况下R_h= 50-100兆瓦。随着节点的数量增加，节点之间的剩余功率的不平衡被放松，并且节点的寿命增加。此外，随着节点的数量增加，可以随着中继节点运行的节点的数量也增加，导致整体寿命的增加。特别地，在PP-MAC的情况下，节点之间的剩余功率的标准偏差显着降低，节点的寿命长于传统流水线转发MAC的寿命。因此，整体网络寿命延长。

数据8和9给出基于1000能量收集率的平均死节点数和剩余能量的标准差T₀，其中节点数为15。随着平均能量收集率的增加，节点的生命周期也随之增加。总的来说，与流水线转发的MAC相比，PP-MAC的生存期和功率平衡更好。可以发现，随着平均能量收集率的增加，传统流水线转发MAC节点的生命周期与PP-MAC节点的生命周期之差减小。然而，如果能源状况的改善超过了特定的等级，那么网络性能的改善超过了要求的等级;因此，当能量收集率较低时，网络性能更加显著。仿真结果表明，在较差的能量情况下，PP-MAC比传统的流水线转发MAC具有更好的性能。

5.结论

在本文中，我们提出了基于优先级的流水线转发MAC（PP-MAC）协议，用于在EH-WSN中选择用于多跳传输的中继节点。在其他节点的电源状态未知的分布式临时网络环境中，每个节点以概率的方式独立地计算其优先级，这可以减少收集所有节点的电力相关信息所需的过度探测开销。此外，所提出的MAC协议将竞争窗口分为两个部分，以优先考虑基于剩余功率和能量收集速率的通道访问。高优先级节点具有比低优先级节点更多的剩余功率和能量收集能力。对于高优先级节点，信道访问的概率增加，从而减轻了中继节点之间的功率不平衡，并且提高了网络生命周期的整体性能。仿真结果表明，所提出的PP-MAC在节点之间实现更高的功率平衡，与传统的流水线转发MAC协议相比，增加节点的寿命，特别是在差的能量条件下。

数据可用性

支持本研究结果的数据可根据要求从通讯作者处获得。

的利益冲突

作者声明，本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本研究通过由教育，科学和技术部（NRF-2017R1D1A3B03034202）资助的韩国国家研究基金会基础科学研究计划支持。

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