無線傳感器網絡低占空比MAC協(xié)議研究

摘要 無線傳感器網絡因其巨大的應用前景,已成為計算機與通信領域一個活躍的研究分支。恰當的通信協(xié)議對降低無線通信能耗、延長網絡壽命具有重要的意義。低占空比MAC（媒體接入控制）協(xié)議通過節(jié)點的休眠機制，大大降低了通信模塊的空閑監(jiān)聽能耗。本文對其中的典型協(xié)議進行了分析比較,給出了進一步的研究方向。

關鍵詞  無線傳感器網絡  媒體接入控制  低占空比

引言

　　無線傳感器網絡是由眾多微小傳感器節(jié)點通過無線多跳自組織方式構成的，多學科高度交叉的新興前沿研究領域。隨著傳感器節(jié)點微型化，在設計中大部分節(jié)點的能量有限，加之無線傳感器網絡無中心、自組織、多跳等特點,使得MAC協(xié)議的設計面臨巨大的挑戰(zhàn)。

　　媒體訪問控制（MAC）協(xié)議的主要功能是控制傳感器節(jié)點的報文傳輸對無線媒體的接入和占用，保證網絡的整體性能。通過對現有系統(tǒng)的分析可知，無線傳感器網絡節(jié)點中通信部分的射頻模塊是節(jié)點中最大的耗能部件，是優(yōu)化的主要目標。MAC協(xié)議直接控制射頻模塊，對節(jié)點功耗有重要影響，是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵。本文主要討論無線傳感器網絡MAC協(xié)議的基本問題。

1  MAC地址

　　無線傳感器網絡中，如果MAC協(xié)議要避免偵聽，并在盡可能多的時間里處于休眠狀態(tài)，那么MAC地址是非常重要的。MAC地址用于在數據轉發(fā)過程中標識下一跳傳感器節(jié)點。MAC地址包含在單播MAC分組數據包中，節(jié)點收到數據包后檢查本節(jié)點路由表，確定下一跳MAC地址。這個過程延續(xù)到數據包到達目的節(jié)點。同時，節(jié)點判定哪些數據分組沒有到達，數據未到達的節(jié)點可以進入休眠模式。無線傳感器網絡一般采用無線多跳方式通信，MAC地址具有空間復用特性：只要保證節(jié)點MAC地址在傳輸鄰居節(jié)點間是唯一的，在傳輸鄰居節(jié)點以外重復使用不影響MAC地址的鄰居節(jié)點標識功能。在MAC層中，這種避免偵聽（overhearing avoidance）的方式是一種非常重要的節(jié)省能量消耗的方法。

　　MAC地址的分配協(xié)議可分為網內唯一性和局部唯一性兩種分布式分配。地址分配協(xié)議必須考慮網絡鏈接的非對稱性。如圖1所示，非對稱性是指節(jié)點A 能偵聽到節(jié)點B，但是反過來，節(jié)點B卻不能偵聽到節(jié)點A。在假設所有節(jié)點都只與雙向鄰近節(jié)點通信的情況下，任意節(jié)點A的雙向節(jié)點都必須有完全不同的地址。而且，任何單向輸入節(jié)點的地址都必須不同于所有雙向節(jié)點的地址。把節(jié)點的鏈接關系劃分為雙向鏈接、單向輸入、單向輸出。為了應對無線鏈接的時變和隨機因素，這個鄰近節(jié)點協(xié)議應該一次次重復運行，以便實時地更新和確認鄰近節(jié)點間的鏈接關系。當節(jié)點A完成了對鄰近節(jié)點狀況的分析后，便開始廣播消息，A的雙向鏈接節(jié)點和單向輸出節(jié)點發(fā)回INFO消息作為響應。通過類似的方法，節(jié)點A就知道每個鄰近節(jié)點的身份了。節(jié)點A在過了門限期后，就知道其周圍單跳節(jié)點和兩跳鄰近節(jié)點的情況了，如果節(jié)點A的單跳節(jié)點內有地址沖突，則發(fā)出一個CONFLICT消息。發(fā)生沖突的節(jié)點接到這個消息后，開始新一輪的地址選擇。節(jié)點A 在成功執(zhí)行地址分配算法后，就擁有了自己的地址。這種地址分配算法發(fā)生沖突的概率最小。

圖1  雙向鏈接節(jié)點、單向輸入節(jié)點、單向輸出節(jié)點

　　在基于內容的MAC協(xié)議中，MAC地址是必不可少的節(jié)省能量的措施，可以避免對周圍鄰近節(jié)點的偵聽。

2  低占空比協(xié)議與喚醒問題

　　一個節(jié)點的理想狀態(tài)應該是當一個分組傳送給這個節(jié)點時，該節(jié)點總是處于接收狀態(tài)。當這個節(jié)點自己要發(fā)送一個分組時，則該節(jié)點總是處于發(fā)送狀態(tài)。在其他時間，這個節(jié)點總是處于休眠狀態(tài)。低占空比（low duty cycle）協(xié)議使節(jié)點盡可能多地處于休眠狀態(tài)，以使傳感器節(jié)點的通信活動達到最少。為實現這一機制，幾種MAC協(xié)議中引入了周期性喚醒（periodic wakeup）的方法。如圖2所示，節(jié)點的大部分時間處于休眠狀態(tài)，并且周期性地被喚醒以接收來自其他節(jié)點的數據。一個完整的喚醒周期包括休眠時段和監(jiān)聽時段。監(jiān)聽時段與喚醒時段的時間長度之比就是占空比。

圖2  周期性喚醒方法

　　稀疏拓撲結構與能量管理（STEM）協(xié)議提供了一個解決空閑監(jiān)聽問題的方法。兩個不同的信道，即喚醒信道和數據信道，如圖3所示。數據信道一般處于休眠模式，除非進行數據發(fā)送或接收。在數據傳輸狀態(tài)，數據信道僅執(zhí)行MAC協(xié)議。在喚醒信道，時間被劃分為若干個固定長度為T的喚醒時段。而一個喚醒時段又進一步劃分為長度為TRX≤T的監(jiān)聽時段和一個休眠時段，表示喚醒信道的收發(fā)機進入休眠模式的時間段。如果一個節(jié)點進入監(jiān)聽時段，則其喚醒信道的接收機要開啟，等待接收信號。如果在TRX時間內沒有接收到任何信息，則再轉換到休眠模式。否則，數據信道的收發(fā)機將啟動一個分組傳輸。

圖3  單一節(jié)點的STEM占空比

　　SMAC協(xié)議提供了減小空閑監(jiān)聽、沖突碰撞和串擾的機制，與STEM相反，SMAC不需要兩個不同的信道。它采用周期性的喚醒方案，即每個節(jié)點根據預先確定的時間表，交替地改變固定長度的監(jiān)聽時段和固定長度的喚醒時段。不同于STEM的是，SMAC的監(jiān)聽時段可以用來接收并發(fā)送分組。如圖4所示，節(jié)點x的監(jiān)聽周期被進一步劃分為SYNCH、RTS、CTS三個階段。SYNCH階段，即同步階段。節(jié)點x接收來自其相鄰節(jié)點的SYNCH分組。分組中包含相鄰節(jié)點的時間表，節(jié)點x將這些時間表存儲在Schedule table中。

　　SYNCH階段被進一步劃分為時隙，x的相鄰節(jié)點采用CSMA方式競爭信道，并有相應的回退。如果在之前任一時隙沒有接收到數據，則每一個希望發(fā)送SYNCH分組的相鄰節(jié)點y可以隨機地拾取一個時隙并啟動發(fā)送。在其他情況下，節(jié)點y會返回休眠模式，并等待節(jié)點x下一次被喚醒。節(jié)點x不需要在節(jié)點 y的每一個喚醒時段內均進行廣播。

　　RTS階段，也就是請求發(fā)送階段，節(jié)點x監(jiān)聽來自鄰居節(jié)點的RTS分組。在SMAC中，使用RTS/CTS握手方式來減小數據分組的碰撞和隱終端問題的影響，而且此階段內的相鄰節(jié)點可能會發(fā)生競爭。

　　CTS階段，即清除發(fā)送階段。若節(jié)點x前一階段收到一個RTS分組，則節(jié)點x發(fā)送一個CTS分組，之后進行數據交換。

　　節(jié)點x在整個同步時段周期性地監(jiān)聽，以了解其相鄰節(jié)點的狀態(tài)。邊界位置上的節(jié)點必須遵守兩個或多個不同的時間表，以廣播其SYNCH分組并發(fā)送數據。因此這些節(jié)點會比相鄰節(jié)點都使用相同時間表的節(jié)點消耗更多的能量。

　　SMAC采用周期性喚醒方法，允許節(jié)點大多數數據停留在休眠模式，但也帶來一定的通信延遲。此外會占用大量存儲空間緩存數據，這在資源受限的無線傳感器網絡顯得尤為突出。

　　MD（Mediation Device，仲裁設備）協(xié)議，是與IEEE 802.15.4標準所規(guī)定的對等通信方式兼容的。該協(xié)議為大規(guī)模、低占空比運行的節(jié)點間提供了不需要高精度時鐘同步的可靠通信。MD協(xié)議允許無線傳感網中節(jié)點周期性地進入休眠狀態(tài)，并僅在喚醒模式下停留較短的時間，以便從相鄰節(jié)點接收分組數據。該協(xié)議引進了動態(tài)同步（dynamic synchronization）的概念，是指不需要發(fā)送節(jié)點一直等待接收節(jié)點的詢問信標，也可以實現同步。

圖4  SMAC原理圖

圖5  MD協(xié)議

　　如圖5所示，節(jié)點在絕大部分時間處于休眠狀態(tài),在醒來時發(fā)出詢問信標。MD節(jié)點作為一個不停活動的仲裁者,通過接收由信息傳輸節(jié)點發(fā)出的 RTS(請求發(fā)送)和目標節(jié)點的詢問信標,協(xié)調兩個節(jié)點暫時同步來傳輸數據。設置專門MD節(jié)點的方式稱為“固定式MD”。由于MD節(jié)點不停地處于接收狀態(tài)，不符合網絡低能耗要求,又提出了分布式MD協(xié)議,即節(jié)點隨機地成為MD。這樣每個節(jié)點的平均占空比仍可很低,整個網絡保持低功耗、低成本的異步網絡。

　　對上述幾種協(xié)議在以下幾個方面進行比較，如表1所列。

表1  各協(xié)議特性比較

3  MAC協(xié)議分析與展望

　　本文介紹了一種MAC協(xié)議的相關技術，通過對幾種MAC協(xié)議的分析可以看到，能量效率問題是無線傳感器網絡MAC協(xié)議的一個基本問題。因此，我們特別關注能夠明顯降低系統(tǒng)總體能量消耗的方法。無論何時都能夠根據需要將節(jié)點導入休眠狀態(tài)的方法，是一種有效保存能量的方法。為滿足這一要求，本設計采用低占空比或喚醒技術的方法。休眠機制降低了能耗卻增加了時延,多個性能指標間存在著矛盾。需要進一步地研究，如何根據應用需求在各優(yōu)化指標間取得平衡。現有的MAC協(xié)議研究很少關注于網絡的具體應用,而某些特定的應用需要其MAC協(xié)議針對某個或某些指標進行特別的優(yōu)化。因此,MAC協(xié)議需要提供一種靈活多變的機制,以適用于多種不同應用的網絡。

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李群（碩士）、宋行選（碩士）、牛斗（副教授），主要研究方向為無線傳感器網絡、嵌入式系統(tǒng)；
姜宇（碩士），主要研究方向為軟件工程、無線傳感器網絡。