無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的研究現(xiàn)狀

1、引言（Introduction） 
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由大量的集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的全分布式的自組織網(wǎng)絡(luò)[1]。由于數(shù)量眾多，傳感器節(jié)點(diǎn)通常隨機(jī)投放在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，并且很難更換電源。通常相鄰節(jié)點(diǎn)間距離很短，適于采用低功率的多跳通信模式，節(jié)省功耗的同時(shí)增強(qiáng)了通信的隱蔽性和抗干擾性。由于WSNs具有易擴(kuò)展、自組織、分布式結(jié)構(gòu)、健壯性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，使其在軍事、建筑、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[2-6]，必將開發(fā)出許多有價(jià)值的應(yīng)用。同時(shí)這些獨(dú)特要求和制約因素也為WSNs的研究提出了新的技術(shù)問(wèn)題，其中如何有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為研究WSNs的核心問(wèn)題。
    信道接入技術(shù)是用于建立可靠的點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)或多點(diǎn)共享的通信鏈路技術(shù)。如何控制共享信道的接入，是數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)接入控制(Medium Access Control，MAC)子層的主要任務(wù)。
    WSNs的上述特性和應(yīng)用促使其MAC層協(xié)議與傳統(tǒng)的無(wú)線MAC層協(xié)議在許多方面不同，其主要目標(biāo)是節(jié)能和自組織，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)的公平和時(shí)延是次要的。本文的第三部分將分類介紹幾種為WSNs設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議。
    2、MAC層協(xié)議面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn) （Problems and challenges for MAC protocol）
    傳統(tǒng)的MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大化吞吐量、最小化時(shí)延并且提供公平性。而為WSNs設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議關(guān)注的是最小化能耗，這就決定了它要適度地減小吞吐量和增加時(shí)延。由于WSNs的節(jié)點(diǎn)總是協(xié)作完成某應(yīng)用任務(wù)，所以公平性通常不是主要問(wèn)題。另外，WSNs的一些典型應(yīng)用（如戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)跟蹤）也對(duì)其MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了不同于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求。其中一些主要問(wèn)題歸納如下
能量受限 
    WSNs的基本特征就是能量受限。MAC層協(xié)議要盡可能地節(jié)約能源，如減少?zèng)_突和串音、降低占空比和盡量避免長(zhǎng)距離通信。協(xié)議中還應(yīng)包括折衷機(jī)制，使用戶可以在節(jié)能和提高吞吐量、降低延遲之間做出選擇[7]。另外，協(xié)議設(shè)計(jì)者應(yīng)該注意能量不是隨時(shí)可用的。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可能處于睡眠狀態(tài)或者由于不可知的原因死亡。
實(shí)時(shí)性 
    WSNs經(jīng)常被應(yīng)用于軍事、醫(yī)療等對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的領(lǐng)域，及時(shí)地檢測(cè)、處理和傳遞信息是其不可缺少的要求。MAC層應(yīng)和其它層合作提供實(shí)時(shí)保證。
分布式算法 
    由于WSNs的節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力受限，需要眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成某應(yīng)用任務(wù)，所以MAC層協(xié)議應(yīng)該運(yùn)行分布式的算法。這也是有效避免某些節(jié)點(diǎn)的死亡造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓的需要。
靈活性 
    WSNs針對(duì)不同的應(yīng)用顯示出了不同的網(wǎng)絡(luò)特性，MAC層協(xié)議應(yīng)該能適應(yīng)不同應(yīng)用的各種流量模式。
各性能間的平衡 
    MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)需要在各種性能間取得平衡。各性能間的平衡往往比單個(gè)性能的表現(xiàn)更重要。因?yàn)橐粋€(gè)不平衡的協(xié)議即使在實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)好，也可能在實(shí)際環(huán)境中表現(xiàn)很差。比如，一個(gè)協(xié)議如果太頻繁地關(guān)閉無(wú)線收發(fā)裝置來(lái)節(jié)能，不僅使實(shí)時(shí)性和可靠性受到影響，包丟失引起的重傳也會(huì)反過(guò)來(lái)影響節(jié)能的效果。
    3、典型的MAC層協(xié)議（Some typical MAC protocols in WSNs）
    現(xiàn)有的MAC層協(xié)議大體可以分為固定分配類和基于競(jìng)爭(zhēng)類。以下分別介紹其中的一些典型協(xié)議。
    3.1 固定分配類MAC層協(xié)議
    原有的固定分配類MAC層協(xié)議主要有頻分多址接入（FDMA）、時(shí)分多址接入（TDMA）、碼分多址接入（CDMA）三種。
    FDMA是將頻帶分成多個(gè)信道，不同節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)使用不同的信道。TDMA是將一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的整個(gè)頻帶分給一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用。相對(duì)于FDMA，TDMA通信時(shí)間較短，但網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的開銷增加。CDMA是固定分配方式和隨機(jī)分配方式的結(jié)合，具有零信道接入時(shí)延、帶寬利用率高和統(tǒng)計(jì)復(fù)用性好的特點(diǎn)，并能降低隱藏終端問(wèn)題的影響，但其完全集中式的信道分配和基站的高復(fù)雜性，使其不適用于全分布的WSN中。針對(duì)WSNs特點(diǎn)，本部分將介紹以下幾種基于固定分配類的MAC方案。
SMACS協(xié)議和EAR算法 
    SMACS(Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks)協(xié)議[8]是分布式的協(xié)議，無(wú)需任何全局或局部主節(jié)點(diǎn)，就能發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點(diǎn)并建立傳輸/接收調(diào)度表。鏈路由隨機(jī)選擇的時(shí)隙和固定的頻率組成。雖然各子網(wǎng)內(nèi)鄰節(jié)點(diǎn)通信需要時(shí)間同步，但全網(wǎng)并不需要同步。在鏈接階段使用一個(gè)隨機(jī)喚醒機(jī)制，在空閑時(shí)關(guān)掉無(wú)線收發(fā)裝置，來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。EAR(Eavesdrop-And-Register)算法[8]用來(lái)為靜止和移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)提供不間斷的服務(wù)。SMACS的缺點(diǎn)是從屬于不同子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)可能永遠(yuǎn)得不到通信的機(jī)會(huì)。EAR算法作為SMACS協(xié)議的補(bǔ)充，但EAR算法只適用于那些整體上保持靜止，且個(gè)別移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周圍有多個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。
TDM- FDM 
    這是一個(gè)時(shí)分復(fù)用TDMA和頻分復(fù)用FDMA的混合方案[9]。在節(jié)點(diǎn)上維護(hù)著一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)幀,類似于TDMA中的時(shí)隙分配表,節(jié)點(diǎn)據(jù)此調(diào)度它與相鄰節(jié)點(diǎn)間的通信。FDMA技術(shù)提供的多信道,使多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以同時(shí)通信,有效地避免了沖突。由于預(yù)先定義的信道和時(shí)隙分配方案限制了對(duì)空閑時(shí)隙的有效利用，使得在業(yè)務(wù)量較小時(shí)信道利用率較低。
 
DE-MAC 
    DE-MAC(Distributed Energy-aware MAC) [10]的中心內(nèi)容是讓節(jié)點(diǎn)交換能級(jí)信息。它執(zhí)行一個(gè)本地選舉程序來(lái)選擇能量最低的節(jié)點(diǎn)為“贏者”，使得這個(gè)“贏者”比其鄰節(jié)點(diǎn)具有更多的睡眠時(shí)間，以此在節(jié)點(diǎn)間的平衡能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。且這個(gè)選舉程序與TDMA時(shí)隙分配集成到一起，從而不影響系統(tǒng)的吞吐量。DE-MAC用選舉包和無(wú)線收發(fā)裝置的能量狀態(tài)包來(lái)交換能量信息，節(jié)點(diǎn)由能量信息來(lái)決定占有傳輸時(shí)隙的數(shù)量。各節(jié)點(diǎn)為每個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)維持一個(gè)表明其無(wú)線收發(fā)裝置能量狀態(tài)的變量，此信息用來(lái)設(shè)定其接收器接收鄰居的包。當(dāng)一節(jié)點(diǎn)比原來(lái)的“贏者”能量值低時(shí)，它進(jìn)入選舉階段。處于選舉階段的節(jié)點(diǎn)向所有鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送它的當(dāng)前能量值，并收集它們的投票。如果鄰節(jié)點(diǎn)的能值都比此節(jié)點(diǎn)高，它將收到所有鄰節(jié)點(diǎn)的正選票。此節(jié)點(diǎn)占有當(dāng)前時(shí)隙，或者發(fā)送數(shù)據(jù)，或者進(jìn)入睡眠。協(xié)議的缺點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)只在自己占有時(shí)隙且無(wú)傳輸時(shí)，才能進(jìn)入睡眠。而在其鄰節(jié)點(diǎn)占有的時(shí)隙里，就算沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，它也必須醒著。
TRAMA 
    TRAMA（Traffic-Adaptive Medium Access）[11]用兩種技術(shù)來(lái)節(jié)能：用基于流量的傳輸調(diào)度表來(lái)避免可能在接收者發(fā)生的數(shù)據(jù)包沖突；使節(jié)點(diǎn)在無(wú)接收要求時(shí)進(jìn)入低能耗模式。TRAMA將時(shí)間分成時(shí)隙，用基于各節(jié)點(diǎn)流量信息的分布式選舉算法來(lái)決定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在某個(gè)特定的時(shí)隙傳輸，以此來(lái)達(dá)到一定的吞吐量和公平性。仿真顯示，由于節(jié)點(diǎn)最多可以睡眠87%，所以TRAMA節(jié)能效果明顯。在與基于競(jìng)爭(zhēng)類的協(xié)議比較時(shí)，TRAMA也達(dá)到了更高的吞吐量（比S-MAC和CSMA高40%左右，比802.11高20%左右），因?yàn)樗行У乇苊饬穗[藏終端引起的競(jìng)爭(zhēng)。但TRAMA的延遲較長(zhǎng)，更適用于對(duì)延遲要求不高的應(yīng)用。
    3.2 基于競(jìng)爭(zhēng)類MAC層協(xié)議
    基于競(jìng)爭(zhēng)類的MAC協(xié)議一般使用廣播式信道，連接到這條信道上的節(jié)點(diǎn)都可以向信道發(fā)送廣播信息。想要通信的節(jié)點(diǎn)遵循某種規(guī)則競(jìng)爭(zhēng)信道，得到使用權(quán)的節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送信息。傳統(tǒng)的基于競(jìng)爭(zhēng)類的MAC協(xié)議包括ALOHA和帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路存取CSMA等。
S-MAC 
    Wei Ye等在2002年提出的S-MAC(Sensor-MAC)[11]應(yīng)用了三種新技術(shù)來(lái)減少能耗并支持自組織：節(jié)點(diǎn)定期睡眠以減少空閑監(jiān)聽造成的能耗；鄰近的節(jié)點(diǎn)組成虛擬簇，使睡眠調(diào)度時(shí)間自動(dòng)同步；用消息傳遞的方法來(lái)減少時(shí)延。S-MAC用仍采用類似IEEE 802.11中的方式來(lái)避免沖突，包括虛擬和物理的載波監(jiān)聽和RTS/CTS交換。與IEEE 802.11相比，S-MAC具有很好的節(jié)能特性，并且可以根據(jù)流量情況在能量和時(shí)延之間折衷。然而，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的占空比都相同，沒(méi)有對(duì)能量較少的節(jié)點(diǎn)給予保護(hù)。另外，虛擬簇技術(shù)還有待深入研究，同步調(diào)度會(huì)對(duì)能耗有很大的影響。
T-MAC 
    T-MAC（Timeout-MAC）[13]在S-MAC的基礎(chǔ)上引入適應(yīng)性占空比，來(lái)應(yīng)付不同時(shí)間和位置上負(fù)載的變化。它動(dòng)態(tài)地終止節(jié)點(diǎn)活動(dòng)，通過(guò)設(shè)定細(xì)微的超時(shí)間隔（fine-grained timeouts）來(lái)動(dòng)態(tài)地選擇占空比。減少了閑時(shí)監(jiān)聽浪費(fèi)的能量，但仍保持合理的吞吐量。T-MAC通過(guò)仿真，與典型無(wú)占空比的CSMA和占空比固定的S-MAC比較，發(fā)現(xiàn)不變負(fù)載時(shí)T-MAC和S-MAC節(jié)能相仿（最多節(jié)約CSMA的98％）；但在簡(jiǎn)單的可變負(fù)載的場(chǎng)景，T-MAC在5個(gè)因數(shù)上勝過(guò)S-MAC。仿真中存在早睡（early sleeping）問(wèn)題，雖然提出了一些解決辦法，但仍未在實(shí)踐中得到驗(yàn)證。
MD 
    對(duì)于許多應(yīng)用，運(yùn)行能耗遠(yuǎn)大于待機(jī)能耗，故Edgar H. Callaway提出通過(guò)減少占空比來(lái)獲得低能耗和高電池壽命的MD（Mediation Device）協(xié)議[2]。其中，節(jié)點(diǎn)在99.9％的時(shí)間處于睡眠，在醒來(lái)時(shí)發(fā)出詢問(wèn)信標(biāo)。MD作為一個(gè)不?；顒?dòng)的仲裁者，通過(guò)接收有信息傳輸節(jié)點(diǎn)發(fā)出的RTS和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的詢問(wèn)信標(biāo)，協(xié)調(diào)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)暫時(shí)同步來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。出于節(jié)能的考慮，又提出了分布式MD協(xié)議，即節(jié)點(diǎn)隨機(jī)成為MD。這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均占空比仍可保持很低，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持低功耗、低成本的異步網(wǎng)絡(luò)。并且由于MD的功能是在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)分布的，無(wú)需精確布置某種專用的MD來(lái)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)分割。但是，由于節(jié)點(diǎn)必須等待臨近的節(jié)點(diǎn)成為MD才能傳輸，時(shí)延將會(huì)增加。對(duì)于一些要求很低信息時(shí)延的應(yīng)用，采用及時(shí)設(shè)置鄰節(jié)點(diǎn)成為MD的方法來(lái)最小化時(shí)延，但又增加了能耗。另外，由于占空比低，沒(méi)有過(guò)于考慮通道訪問(wèn)的問(wèn)題。
    總的來(lái)說(shuō)，基于固定分配類協(xié)議提供了可公平使用的信道，并且如果配備一個(gè)適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法，也可以很好的避免沖突。但許多協(xié)議需要使用全局信息來(lái)進(jìn)行調(diào)度，這使得它們?cè)诖蠖鄶?shù)WSNs中不可用[14]?；诟?jìng)爭(zhēng)的協(xié)議可以大幅度減少?zèng)_突的機(jī)會(huì)，從而節(jié)約了能源。但它們通常很難保證實(shí)時(shí)性要求，適用于一些對(duì)可預(yù)見(jiàn)性要求不高的網(wǎng)絡(luò)。
    4、結(jié)束語(yǔ)（Conclusion）
    WSNs自身的特點(diǎn)及其各種應(yīng)用的要求，導(dǎo)致了傳統(tǒng)的無(wú)線協(xié)議很難在WSNs中適用，這也對(duì)MAC層協(xié)議的研究提出了挑戰(zhàn)。本文闡述了近年來(lái)針對(duì)WSNs所設(shè)計(jì)的一些MAC層協(xié)議，并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，為其進(jìn)一步的研究與改善奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于WSNs的MAC層協(xié)議的研究才剛剛起步，存在許多亟待解決的問(wèn)題，期待人們的更多關(guān)注。