無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效的MAC協(xié)議研究

摘要：目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議可分為發(fā)送端啟動(dòng)和接收端啟動(dòng)兩類。同步的發(fā)送端啟動(dòng)協(xié)議同步代價(jià)高，基于前導(dǎo)的異步協(xié)議網(wǎng)絡(luò)利用率低，而接收端啟動(dòng)的算法會(huì)產(chǎn)生發(fā)送端盲等等問(wèn)題。本文結(jié)合這兩類協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出一種可自適應(yīng)變換數(shù)據(jù)傳輸模式的MAC協(xié)議(IL-MAC)。該協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)的消息隊(duì)列長(zhǎng)度決定當(dāng)前使用哪種傳輸模式，并通過(guò)局部同步算法減少發(fā)送端與接收端在建立連接時(shí)的盲等，解決了以上問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)NS2上的仿真實(shí)驗(yàn)表明，IL-MAC要優(yōu)于RL-MAC，尤其在高負(fù)載下優(yōu)勢(shì)明顯。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；MAC協(xié)議；自適應(yīng)傳輸模式變換

0 引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)由大量具有感知、計(jì)算和無(wú)線通信能力的廉價(jià)節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間協(xié)作地感知和處理網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域中監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息，為人們提供有關(guān)監(jiān)測(cè)對(duì)象的詳實(shí)而可靠的信息，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、城市交通、智能家居等多個(gè)領(lǐng)域。
MAC協(xié)議負(fù)責(zé)在傳感器節(jié)點(diǎn)間分配有限的通信資源，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層通信結(jié)構(gòu)，因此是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重要方面。
文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)了傳感器節(jié)點(diǎn)中通信單元、處理單元和傳感單元的能量消耗，如圖1所示。從圖中可以看到，傳感單元和處理單元的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通信單元的能耗，而在通信單元的四種狀態(tài)中，能耗依次按休眠、監(jiān)聽(tīng)、接收及發(fā)送遞增，所以盡量增大節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間是節(jié)省能耗的一個(gè)重要措施。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議都將節(jié)省能耗作為研究重點(diǎn)，大部分協(xié)議都是通過(guò)節(jié)點(diǎn)周期性休眠以及不需要時(shí)關(guān)閉無(wú)線電收發(fā)器來(lái)節(jié)省能量。

目前傳感器網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議大致可以分為發(fā)送端啟動(dòng)和接收端啟動(dòng)兩類。在發(fā)送端啟動(dòng)的同步協(xié)議中，各節(jié)點(diǎn)使用相同的休眠調(diào)度表，在各自規(guī)定的時(shí)間醒來(lái)參與通信活動(dòng)，保證節(jié)點(diǎn)盡可能多地休眠而不會(huì)錯(cuò)過(guò)任何一個(gè)數(shù)據(jù)。這類協(xié)議的典型代表有S-MAC、T-MAC等。此類協(xié)議可以極大地減少節(jié)點(diǎn)空閑監(jiān)聽(tīng)的時(shí)間，但要求節(jié)點(diǎn)間保持精確同步，而其開(kāi)銷卻是不可忽視的。在發(fā)送端啟動(dòng)的異步協(xié)議中，各節(jié)點(diǎn)不需要按照相同的休眠調(diào)度表工作，發(fā)送端在有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)在信道中發(fā)送一個(gè)長(zhǎng)度略長(zhǎng)于接收端休眠時(shí)間的前導(dǎo)信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)在醒來(lái)監(jiān)聽(tīng)到前導(dǎo)信號(hào)時(shí)便開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。這類協(xié)議消除了顯式同步的需要，但由于大量的前導(dǎo)消息增大信道的壓力，降低了信道的整體利用率。這類協(xié)議的典型代表有B-MAC、X-MAC等。
接收端啟動(dòng)的協(xié)議是近兩年提出的一種新協(xié)議，典型代表為RI-MAC。發(fā)送端有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)在信道中靜默監(jiān)聽(tīng)，接收端醒來(lái)后即發(fā)送信標(biāo)(beacon消息)，發(fā)送端在監(jiān)聽(tīng)到信標(biāo)后發(fā)送數(shù)據(jù)。該算法由于消除了發(fā)送端前導(dǎo)信號(hào)對(duì)信道的占用，提高了信道的利用率。但是在高負(fù)載情況下，發(fā)送端的盲等、過(guò)聽(tīng)會(huì)造成節(jié)點(diǎn)能量的大量消耗，另外正在發(fā)送的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間占用信道，導(dǎo)致其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸延遲增大。

1 問(wèn)題描述與分析
由上述分析可知，異步的RI-MAC協(xié)議沒(méi)有采用發(fā)送端前導(dǎo)偵聽(tīng)技術(shù)，這既是它的優(yōu)點(diǎn)，也是它的缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是避免了某個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間占用信道，缺點(diǎn)是發(fā)送端和接收端失去了有效的溝通渠道，在負(fù)載較大時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)送端盲等和數(shù)據(jù)傳輸延遲增加。在圖2的例子中，S1和S2監(jiān)聽(tīng)信道，等待各自的接收端R1和R2醒來(lái)。R2首先醒來(lái)發(fā)送beacon消息，s2向。R2發(fā)送數(shù)據(jù)。在此過(guò)程中R1醒來(lái)，發(fā)現(xiàn)信道被占用后轉(zhuǎn)入休眠。隨后S3監(jiān)聽(tīng)信道準(zhǔn)備向R3發(fā)送數(shù)據(jù)，R3醒來(lái)后與S3建立數(shù)據(jù)傳輸。在此過(guò)程中S1再次醒來(lái)，發(fā)現(xiàn)信道仍被占用，再次轉(zhuǎn)入休眠。S1監(jiān)聽(tīng)整個(gè)時(shí)間段，始終未監(jiān)聽(tīng)到R1，數(shù)據(jù)傳輸被長(zhǎng)時(shí)間推遲。

在發(fā)送端啟動(dòng)的異步MAC協(xié)議中，前導(dǎo)被發(fā)送端用來(lái)獲取信道并聲明有數(shù)據(jù)發(fā)送，只要相應(yīng)的接收端如期醒來(lái)，數(shù)據(jù)傳輸就能夠完成。而RJ-MAC依靠接收端發(fā)送beacon消息來(lái)聲明自己的存在，能否進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸要取決于是否有發(fā)送端正準(zhǔn)備向其發(fā)送數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，作為數(shù)據(jù)生產(chǎn)者或轉(zhuǎn)發(fā)者的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，只能被動(dòng)等待傳輸請(qǐng)求，卻無(wú)法主動(dòng)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。