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

1、引言（Introduction） 
    無線傳感器網(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)點通常隨機(jī)投放在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，并且很難更換電源。通常相鄰節(jié)點間距離很短，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)、健壯性和實時性等特點，使其在軍事、建筑、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療等領(lǐng)域有著傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法比擬的優(yōu)勢[2-6]，必將開發(fā)出許多有價值的應(yīng)用。同時這些獨(dú)特要求和制約因素也為WSNs的研究提出了新的技術(shù)問題，其中如何有效地延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為研究WSNs的核心問題。
    信道接入技術(shù)是用于建立可靠的點到點、點到多點或多點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，而每個節(jié)點的公平和時延是次要的。本文的第三部分將分類介紹幾種為WSNs設(shè)計的MAC層協(xié)議。
    2、MAC層協(xié)議面臨的問題和挑戰(zhàn) （Problems and challenges for MAC protocol）
    傳統(tǒng)的MAC層協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)是最大化吞吐量、最小化時延并且提供公平性。而為WSNs設(shè)計的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延。由于WSNs的節(jié)點總是協(xié)作完成某應(yīng)用任務(wù)，所以公平性通常不是主要問題。另外，WSNs的一些典型應(yīng)用（如戰(zhàn)場目標(biāo)跟蹤）也對其MAC層協(xié)議的設(shè)計提出了不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的要求。其中一些主要問題歸納如下
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，如減少沖突和串音、降低占空比和盡量避免長距離通信。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)計者應(yīng)該注意能量不是隨時可用的。因為節(jié)點可能處于睡眠狀態(tài)或者由于不可知的原因死亡。
實時性 
    WSNs經(jīng)常被應(yīng)用于軍事、醫(yī)療等對實時性要求很高的領(lǐng)域，及時地檢測、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時保證。
分布式算法 
    由于WSNs的節(jié)點計算能力和存儲能力受限，需要眾多節(jié)點協(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)點的死亡造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓的需要。
靈活性 
    WSNs針對不同的應(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)計需要在各種性能間取得平衡。各性能間的平衡往往比單個性能的表現(xiàn)更重要。因為一個不平衡的協(xié)議即使在實驗室表現(xiàn)好，也可能在實際環(huán)境中表現(xiàn)很差。比如，一個協(xié)議如果太頻繁地關(guān)閉無線收發(fā)裝置來節(jié)能，不僅使實時性和可靠性受到影響，包丟失引起的重傳也會反過來影響節(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爭類。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）、時分多址接入（TDMA）、碼分多址接入（CDMA）三種。
    FDMA是將頻帶分成多個信道，不同節(jié)點可以同時使用不同的信道。TDMA是將一個時間段內(nèi)的整個頻帶分給一個節(jié)點使用。相對于FDMA，TDMA通信時間較短，但網(wǎng)絡(luò)時間同步的開銷增加。CDMA是固定分配方式和隨機(jī)分配方式的結(jié)合，具有零信道接入時延、帶寬利用率高和統(tǒng)計復(fù)用性好的特點，并能降低隱藏終端問題的影響，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WSNs特點，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，無需任何全局或局部主節(jié)點，就能發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點并建立傳輸/接收調(diào)度表。鏈路由隨機(jī)選擇的時隙和固定的頻率組成。雖然各子網(wǎng)內(nèi)鄰節(jié)點通信需要時間同步，但全網(wǎng)并不需要同步。在鏈接階段使用一個隨機(jī)喚醒機(jī)制，在空閑時關(guān)掉無線收發(fā)裝置，來達(dá)到節(jié)能的目的。EAR(Eavesdrop-And-Register)算法[8]用來為靜止和移動的節(jié)點提供不間斷的服務(wù)。SMACS的缺點是從屬于不同子網(wǎng)的節(jié)點可能永遠(yuǎn)得不到通信的機(jī)會。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，且個別移動節(jié)點周圍有多個靜止節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。
TDM- FDM 
    這是一個時分復(fù)用TDMA和頻分復(fù)用FDMA的混合方案[9]。在節(jié)點上維護(hù)著一個特殊的結(jié)構(gòu)幀,類似于TDMA中的時隙分配表,節(jié)點據(jù)此調(diào)度它與相鄰節(jié)點間的通信。FDMA技術(shù)提供的多信道,使多個節(jié)點之間可以同時通信,有效地避免了沖突。由于預(yù)先定義的信道和時隙分配方案限制了對空閑時隙的有效利用，使得在業(yè)務(wù)量較小時信道利用率較低。
 
DE-MAC 
    DE-MAC(Distributed Energy-aware MAC) [10]的中心內(nèi)容是讓節(jié)點交換能級信息。它執(zhí)行一個本地選舉程序來選擇能量最低的節(jié)點為“贏者”，使得這個“贏者”比其鄰節(jié)點具有更多的睡眠時間，以此在節(jié)點間的平衡能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。且這個選舉程序與TDMA時隙分配集成到一起，從而不影響系統(tǒng)的吞吐量。DE-MAC用選舉包和無線收發(fā)裝置的能量狀態(tài)包來交換能量信息，節(jié)點由能量信息來決定占有傳輸時隙的數(shù)量。各節(jié)點為每個鄰節(jié)點維持一個表明其無線收發(fā)裝置能量狀態(tài)的變量，此信息用來設(shè)定其接收器接收鄰居的包。當(dāng)一節(jié)點比原來的“贏者”能量值低時，它進(jìn)入選舉階段。處于選舉階段的節(jié)點向所有鄰節(jié)點發(fā)送它的當(dāng)前能量值，并收集它們的投票。如果鄰節(jié)點的能值都比此節(jié)點高，它將收到所有鄰節(jié)點的正選票。此節(jié)點占有當(dāng)前時隙，或者發(fā)送數(shù)據(jù)，或者進(jìn)入睡眠。協(xié)議的缺點是傳感器節(jié)點只在自己占有時隙且無傳輸時，才能進(jìn)入睡眠。而在其鄰節(jié)點占有的時隙里，就算沒有數(shù)據(jù)傳輸，它也必須醒著。
TRAMA 
    TRAMA（Traffic-Adaptive Medium Access）[11]用兩種技術(shù)來節(jié)能：用基于流量的傳輸調(diào)度表來避免可能在接收者發(fā)生的數(shù)據(jù)包沖突；使節(jié)點在無接收要求時進(jìn)入低能耗模式。TRAMA將時間分成時隙，用基于各節(jié)點流量信息的分布式選舉算法來決定哪個節(jié)點可以在某個特定的時隙傳輸，以此來達(dá)到一定的吞吐量和公平性。仿真顯示，由于節(jié)點最多可以睡眠87%，所以TRAMA節(jié)能效果明顯。在與基于競爭類的協(xié)議比較時，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），因為它有效地避免了隱藏終端引起的競爭。但TRAMA的延遲較長，更適用于對延遲要求不高的應(yīng)用。
    3.2 基于競爭類MAC層協(xié)議
    基于競爭類的MAC協(xié)議一般使用廣播式信道，連接到這條信道上的節(jié)點都可以向信道發(fā)送廣播信息。想要通信的節(jié)點遵循某種規(guī)則競爭信道，得到使用權(quán)的節(jié)點可以發(fā)送信息。傳統(tǒng)的基于競爭類的MAC協(xié)議包括ALOHA和帶有沖突檢測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)來減少能耗并支持自組織：節(jié)點定期睡眠以減少空閑監(jiān)聽造成的能耗；鄰近的節(jié)點組成虛擬簇，使睡眠調(diào)度時間自動同步；用消息傳遞的方法來減少時延。S-MAC用仍采用類似IEEE 802.11中的方式來避免沖突，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延之間折衷。然而，每個節(jié)點的占空比都相同，沒有對能量較少的節(jié)點給予保護(hù)。另外，虛擬簇技術(shù)還有待深入研究，同步調(diào)度會對能耗有很大的影響。
T-MAC 
    T-MAC（Timeout-MAC）[13]在S-MAC的基礎(chǔ)上引入適應(yīng)性占空比，來應(yīng)付不同時間和位置上負(fù)載的變化。它動態(tài)地終止節(jié)點活動，通過設(shè)定細(xì)微的超時間隔（fine-grained timeouts）來動態(tài)地選擇占空比。減少了閑時監(jiān)聽浪費(fèi)的能量，但仍保持合理的吞吐量。T-MAC通過仿真，與典型無占空比的CSMA和占空比固定的S-MAC比較，發(fā)現(xiàn)不變負(fù)載時T-MAC和S-MAC節(jié)能相仿（最多節(jié)約CSMA的98％）；但在簡單的可變負(fù)載的場景，T-MAC在5個因數(shù)上勝過S-MAC。仿真中存在早睡（early sleeping）問題，雖然提出了一些解決辦法，但仍未在實踐中得到驗證。
MD 
    對于許多應(yīng)用，運(yùn)行能耗遠(yuǎn)大于待機(jī)能耗，故Edgar H. Callaway提出通過減少占空比來獲得低能耗和高電池壽命的MD（Mediation Device）協(xié)議[2]。其中，節(jié)點在99.9％的時間處于睡眠，在醒來時發(fā)出詢問信標(biāo)。MD作為一個不?；顒拥闹俨谜?，通過接收有信息傳輸節(jié)點發(fā)出的RTS和目標(biāo)節(jié)點的詢問信標(biāo)，協(xié)調(diào)兩個節(jié)點暫時同步來傳輸數(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)點隨機(jī)成為MD。這樣每個節(jié)點的平均占空比仍可保持很低，整個網(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)點中隨機(jī)分布的，無需精確布置某種專用的MD來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)分割。但是，由于節(jié)點必須等待臨近的節(jié)點成為MD才能傳輸，時延將會增加。對于一些要求很低信息時延的應(yīng)用，采用及時設(shè)置鄰節(jié)點成為MD的方法來最小化時延，但又增加了能耗。另外，由于占空比低，沒有過于考慮通道訪問的問題。
    總的來說，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進(jìn)行調(diào)度，這使得它們在大多數(shù)WSNs中不可用[14]?；诟偁幍膮f(xié)議可以大幅度減少沖突的機(jī)會，從而節(jié)約了能源。但它們通常很難保證實時性要求，適用于一些對可預(yù)見性要求不高的網(wǎng)絡(luò)。
    4、結(jié)束語（Conclusion）
    WSNs自身的特點及其各種應(yīng)用的要求，導(dǎo)致了傳統(tǒng)的無線協(xié)議很難在WSNs中適用，這也對MAC層協(xié)議的研究提出了挑戰(zhàn)。本文闡述了近年來針對WSNs所設(shè)計的一些MAC層協(xié)議，并比較了它們的優(yōu)缺點，為其進(jìn)一步的研究與改善奠定了基礎(chǔ)。對于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題，期待人們的更多關(guān)注。