無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展

　　1 引 言

　　近幾年來，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)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(shí)現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)就是由大量的廉價(jià)微型的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式形成的一個(gè)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(diǎn)是節(jié)點(diǎn)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(dòng)態(tài)性強(qiáng)。其中能耗問題是WSN中至關(guān)重要的問題，因此WSN的節(jié)點(diǎn)要求必須是低功耗的。圖1是Deborah Estrin在Mobicom 2002會(huì)議的報(bào)告中關(guān)于傳感器節(jié)點(diǎn)各部分能量消耗統(tǒng)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)的射頻模塊部分，而MAC協(xié)議直接控制射頻模塊，對節(jié)點(diǎn)能耗有重要影響。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)越的MAC協(xié)議算法成為WSN研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議性能指標(biāo)設(shè)計(jì)分析

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能是有眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)作實(shí)現(xiàn)的，多個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)一個(gè)WSN的MAC協(xié)議時(shí)，應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面的因素：

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

　　可擴(kuò)展性(Scalability) WSN中的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)能量耗盡，新節(jié)點(diǎn)的加入引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)也應(yīng)具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性：

　　網(wǎng)絡(luò)其他性能參數(shù) 如網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時(shí)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(gè)方面中，重要性依次遞減。由于現(xiàn)在的傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)問題沒確得到很好解決，傳感器節(jié)點(diǎn)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(jì)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(fèi)的因素

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

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

　　沖突重傳(Collision and Retransmission) 節(jié)點(diǎn)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(huì)引起多個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)接收并處理不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)包，此時(shí)，會(huì)造成節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)送這些控制信息需要消耗一定的能量。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的休眠時(shí)間，減少節(jié)點(diǎn)對信道的偵聽。

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　　4 根據(jù)節(jié)點(diǎn)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(gè)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(diǎn)訪問信道的方式：給節(jié)點(diǎn)分配固定的無線信道還是節(jié)點(diǎn)隨機(jī)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(jī)制并采用附加的信令控制消息來處理隱藏和暴露節(jié)點(diǎn)問題?；诟偁庪S機(jī)訪問的MAC協(xié)議是節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(diǎn)在偵聽到無線信道忙之后，采用CSMA/CA機(jī)制和隨機(jī)退避算法，實(shí)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(diǎn)定期偵聽信道，接收Beacon幀.在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)進(jìn)入休眠轉(zhuǎn)臺(tái)，協(xié)調(diào)器(Coordinator)緩存發(fā)往休眠節(jié)點(diǎn)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(diǎn)地址，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)制來減少了節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(kuò)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(cuò)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(jī)制，一次性發(fā)送整個(gè)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(jī)制：傳感器節(jié)點(diǎn)在與鄰居節(jié)點(diǎn)通信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而保持偵聽一段時(shí)間，采用流量自適應(yīng)偵聽機(jī)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(jī)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(jìn)行了改進(jìn)，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(jī)制，不同的是在節(jié)點(diǎn)活動(dòng)的時(shí)隙內(nèi)插入了一個(gè)TA(Time Active)時(shí)隙，若TA時(shí)隙之間沒有任何時(shí)間發(fā)生，則活動(dòng)結(jié)束進(jìn)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(shí)間，R為發(fā)送RTS分組的時(shí)間，T為RTS分組結(jié)束到發(fā)出CTS分組開始的時(shí)間。在仿真的時(shí)候，一般選取m=1.5，即：TA=1.5