無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進展

　　1 引 言

　　近幾年來，隨著微電子技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信等技術(shù)的進步，使得信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能，能在低成本、低功耗、多功能的微型傳感器內(nèi)實現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)就是由大量的廉價微型的傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個特殊的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域。

　　WSN與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)相比，其WSN的特點是節(jié)點的電源能量和硬件資源有限、無中心自組織、數(shù)量眾多分布密集、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強。其中能耗問題是WSN中至關(guān)重要的問題，因此WSN的節(jié)點要求必須是低功耗的。圖1是Deborah Estrin在Mobicom 2002會議的報告中關(guān)于傳感器節(jié)點各部分能量消耗統(tǒng)計情況。

　　媒體介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control，MAC)協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，主要用于在傳感器節(jié)點間公平有效地共享通信媒介，對傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)離效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如吞吐量、延遲性能等完全取決于所采用的MAC協(xié)議。由圖1可以看出能量的消耗主要集中在WSN節(jié)點的射頻模塊部分，而MAC協(xié)議直接控制射頻模塊，對節(jié)點能耗有重要影響。因此，設(shè)計一個性能優(yōu)越的MAC協(xié)議算法成為WSN研究的一個熱點問題。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議性能指標設(shè)計分析

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強大功能是有眾多節(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的，多個節(jié)點的通信需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)其間的無線信道分配。在設(shè)計一個WSN的MAC協(xié)議時，應(yīng)該考慮以下幾個方面的因素：

　　節(jié)省能量(Energy Efficient) 每個傳感器節(jié)點由電池供電，受環(huán)境和其他條件的限制，節(jié)點的電池能量通常難以進行補充。MAC協(xié)議解決單節(jié)點的節(jié)能問題，即讓傳感器節(jié)點盡可能的處于休眠狀態(tài)，以減少在通信時的能耗。

　　可擴展性(Scalability) WSN中的節(jié)點在數(shù)目和分布密度、位置方面很容易發(fā)生變化，或者由于節(jié)點能量耗盡，新節(jié)點的加入引起的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化。設(shè)計MAC協(xié)議時也應(yīng)具有可擴展性，以適應(yīng)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)性：

　　網(wǎng)絡(luò)其他性能參數(shù) 如網(wǎng)絡(luò)的公平性、實時性、信道利用率，帶寬利用率、網(wǎng)絡(luò)延遲、吞吐量等。

　　在上述的三個方面中，重要性依次遞減。由于現(xiàn)在的傳感器節(jié)點的能量供應(yīng)問題沒確得到很好解決，傳感器節(jié)點的能量都是一次性供給的，節(jié)約能量成為傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計首要考慮的因素。

　　3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，造成網(wǎng)絡(luò)能量浪費的因素

　　由傳感器節(jié)點能力消耗情況(圖1)，可以看出造成網(wǎng)絡(luò)能量浪費的因素包括以下幾個方面：

　　空閑偵聽(Idle Listening) 節(jié)點不能預(yù)知他的鄰居節(jié)點何時傳輸數(shù)據(jù)給自己，因此節(jié)點的射頻模塊需要一直保持為接收模式，就造成了節(jié)點能量的大量消耗。這是能量浪費的主要因素。

　　沖突重傳(Collision and Retransmission) 節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，在競爭共享的無線信道中，可能會引起多個節(jié)點之間發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗，這就浪贊了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)上的能量，然后需要重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而消耗節(jié)點更多的能量。

　　串音(Overhearing) 數(shù)據(jù)包是在共享的無線信道中傳輸，一個節(jié)點可能會接收并處理不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)包，此時，會造成節(jié)點的無線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量。

　　控制消息 MAC協(xié)議首部包括一些控制信息，如RTS/CTS/ACK，節(jié)點發(fā)送這些控制信息需要消耗一定的能量。

　　傳感器節(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)包括發(fā)送、接收、偵聽和休眠四種狀態(tài)，目前的MAC協(xié)議在降低功耗方面主要集中在增加節(jié)點的休眠時間，減少節(jié)點對信道的偵聽。

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　　4 根據(jù)節(jié)點訪問信道方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類

　　目前針對不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，研究人員從不同的方面提出了多種MAC協(xié)議，但目前對WSN的MAC協(xié)議還缺乏一個統(tǒng)一的分類方式。本節(jié)提出的MAC分類方法是根據(jù)節(jié)點訪問信道的方式：給節(jié)點分配固定的無線信道還是節(jié)點隨機競爭訪問信道，將WSN的MAC協(xié)議分為4類：基于競爭(Contention-based)的MAC協(xié)議;基于調(diào)度算法(Scheduling-based)的MAC協(xié)議;非碰撞(Collision free)的MAC協(xié)議;混合(Hybrid scheme)的MAC辦議。

　　4.1 基于競爭的MAC協(xié)議

　　多數(shù)分布式MAC協(xié)議采用載波偵聽或沖突避免機制并采用附加的信令控制消息來處理隱藏和暴露節(jié)點問題。基于競爭隨機訪問的MAC協(xié)議是節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線信道。IEEE802.11 MAC協(xié)議采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(Carrier SensorMultiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)是典型的基于競爭MAC協(xié)議。在IEEES02.11 MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，研究人員提出了許多用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于競爭的MAC協(xié)議，例如：S-MAC協(xié)議、T-MAC協(xié)議、ARC-MAC協(xié)議、Sift-MAC協(xié)議、Wise-MAC協(xié)議等。

　　4.1.1 基于CSMA/CA的MAC協(xié)議

　　CSMA/CA主要應(yīng)用于無線局域網(wǎng)IEEE802.11MAC協(xié)議在分布式協(xié)凋(Distributed Coordination Function，DCF)工作模式下的一種協(xié)議。在DCF工作模式下，節(jié)點在偵聽到無線信道忙之后，采用CSMA/CA機制和隨機退避算法，實現(xiàn)無線信道的共享。

　　IEEE802.15.4基本上是應(yīng)用類似IEEF802.11的CSMA/CA方式競爭通信，如圖2所示，節(jié)點定期偵聽信道，接收Beacon幀.在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時進入休眠轉(zhuǎn)臺，協(xié)調(diào)器(Coordinator)緩存發(fā)往休眠節(jié)點的數(shù)據(jù)，定期發(fā)送Beacon幀，幀攜帶這些數(shù)據(jù)的目的節(jié)點地址，節(jié)點發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器緩存了發(fā)往自己的數(shù)據(jù)之后，向其發(fā)送POLL幀，表示自己可以接收數(shù)據(jù)，協(xié)凋器在收到POLL幀之后，首先向節(jié)點發(fā)送ACK幀，隨后發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)，在收到數(shù)據(jù)之后，節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送ACK幀。

　　4.1.2 S-MAC協(xié)議

　　S-MAC(Sensor-MAC)協(xié)議是較早的針對WSN的一種MAC協(xié)議，他是在802.11MAC的基礎(chǔ)上，采用下面介紹的多種機制來減少了節(jié)點能量的消耗。固定周期性的偵聽和睡眠：為了減少能量的消牦，傳感器節(jié)點要盡量處于低功牦的睡眠狀態(tài)。S-MAC協(xié)議采用了低占空比的周期性睡眠/偵聽，如圖3所示。為了使得S-MAC協(xié)議具有良好的擴展性，在覆蓋網(wǎng)絡(luò)中形成眾多不同的虛擬簇。

　　消息傳遞技術(shù)：對于無線信道，傳輸差錯與包長度成正比，短包成功傳輸?shù)母怕室笥陂L包。在S-MAC協(xié)議中消息傳遞技術(shù)將長消息分成若干短包，利用RTS/CTS握手機制，一次性發(fā)送整個長消息，這樣既提高發(fā)送成功率，有減少了控制消息。流量自適應(yīng)偵聽機制：傳感器節(jié)點在與鄰居節(jié)點通信結(jié)束后不立即進入睡眠狀態(tài)，而保持偵聽一段時間，采用流量自適應(yīng)偵聽機制，減少了網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。

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　　S-MAC協(xié)議與IEEE802.11 MAC相比，在節(jié)能方面有了很大的改善。但睡眠機制的引入，使得網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲增加，吞吐量下降。針對S-MAC協(xié)議存在的不足，研究人員對其進行了改進，提出了一種帶有自適應(yīng)睡眠的S-MAC協(xié)議。

　　4.1.3 T-MAC協(xié)議

　　T-MAC(Timeout-MAC)協(xié)議與自適應(yīng)睡眠的S-MAC協(xié)議基本思想大體相同。數(shù)據(jù)傳輸仍然采用RTS/CTS/DATA/ACK的4次握手機制，不同的是在節(jié)點活動的時隙內(nèi)插入了一個TA(Time Active)時隙，若TA時隙之間沒有任何時間發(fā)生，則活動結(jié)束進入睡眠狀態(tài)。如圖4所示。TA的取值對于T-MAC協(xié)議性能至關(guān)重要，其約束條件為：TA=m(C+R+T)，m>1，其中C為競爭信道時間，R為發(fā)送RTS分組的時間，T為RTS分組結(jié)束到發(fā)出CTS分組開始的時間。在仿真的時候，一般選取m=1.5，即：TA=1.5