無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )高效的MAC協(xié)議研究

摘要：目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的MAC協(xié)議可分為發(fā)送端啟動(dòng)和接收端啟動(dòng)兩類(lèi)。同步的發(fā)送端啟動(dòng)協(xié)議同步代價(jià)高，基于前導的異步協(xié)議網(wǎng)絡(luò )利用率低，而接收端啟動(dòng)的算法會(huì )產(chǎn)生發(fā)送端盲等等問(wèn)題。本文結合這兩類(lèi)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出一種可自適應變換數據傳輸模式的MAC協(xié)議(IL-MAC)。該協(xié)議根據節點(diǎn)的消息隊列長(cháng)度決定當前使用哪種傳輸模式，并通過(guò)局部同步算法減少發(fā)送端與接收端在建立連接時(shí)的盲等，解決了以上問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò )仿真平臺NS2上的仿真實(shí)驗表明，IL-MAC要優(yōu)于RL-MAC，尤其在高負載下優(yōu)勢明顯。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；MAC協(xié)議；自適應傳輸模式變換

0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks)由大量具有感知、計算和無(wú)線(xiàn)通信能力的廉價(jià)節點(diǎn)組成，通過(guò)節點(diǎn)間協(xié)作地感知和處理網(wǎng)絡(luò )分布區域中監測對象的相關(guān)信息，為人們提供有關(guān)監測對象的詳實(shí)而可靠的信息，可廣泛應用于環(huán)境監測、搶險救災、戰場(chǎng)監視、城市交通、智能家居等多個(gè)領(lǐng)域。
MAC協(xié)議負責在傳感器節點(diǎn)間分配有限的通信資源，構建傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的底層通信結構，因此是傳感器網(wǎng)絡(luò )研究的一個(gè)重要方面。
文獻統計了傳感器節點(diǎn)中通信單元、處理單元和傳感單元的能量消耗，如圖1所示。從圖中可以看到，傳感單元和處理單元的能耗遠遠低于通信單元的能耗，而在通信單元的四種狀態(tài)中，能耗依次按休眠、監聽(tīng)、接收及發(fā)送遞增，所以盡量增大節點(diǎn)休眠時(shí)間是節省能耗的一個(gè)重要措施。目前傳感器網(wǎng)絡(luò )中的MAC協(xié)議都將節省能耗作為研究重點(diǎn)，大部分協(xié)議都是通過(guò)節點(diǎn)周期性休眠以及不需要時(shí)關(guān)閉無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器來(lái)節省能量。

目前傳感器網(wǎng)絡(luò )中的MAC協(xié)議大致可以分為發(fā)送端啟動(dòng)和接收端啟動(dòng)兩類(lèi)。在發(fā)送端啟動(dòng)的同步協(xié)議中，各節點(diǎn)使用相同的休眠調度表，在各自規定的時(shí)間醒來(lái)參與通信活動(dòng)，保證節點(diǎn)盡可能多地休眠而不會(huì )錯過(guò)任何一個(gè)數據。這類(lèi)協(xié)議的典型代表有S-MAC、T-MAC等。此類(lèi)協(xié)議可以極大地減少節點(diǎn)空閑監聽(tīng)的時(shí)間，但要求節點(diǎn)間保持精確同步，而其開(kāi)銷(xiāo)卻是不可忽視的。在發(fā)送端啟動(dòng)的異步協(xié)議中，各節點(diǎn)不需要按照相同的休眠調度表工作，發(fā)送端在有數據發(fā)送時(shí)在信道中發(fā)送一個(gè)長(cháng)度略長(cháng)于接收端休眠時(shí)間的前導信號，接收節點(diǎn)在醒來(lái)監聽(tīng)到前導信號時(shí)便開(kāi)始接收數據。這類(lèi)協(xié)議消除了顯式同步的需要，但由于大量的前導消息增大信道的壓力，降低了信道的整體利用率。這類(lèi)協(xié)議的典型代表有B-MAC、X-MAC等。
接收端啟動(dòng)的協(xié)議是近兩年提出的一種新協(xié)議，典型代表為RI-MAC。發(fā)送端有數據發(fā)送時(shí)在信道中靜默監聽(tīng)，接收端醒來(lái)后即發(fā)送信標(beacon消息)，發(fā)送端在監聽(tīng)到信標后發(fā)送數據。該算法由于消除了發(fā)送端前導信號對信道的占用，提高了信道的利用率。但是在高負載情況下，發(fā)送端的盲等、過(guò)聽(tīng)會(huì )造成節點(diǎn)能量的大量消耗，另外正在發(fā)送的節點(diǎn)可能會(huì )較長(cháng)時(shí)間占用信道，導致其它節點(diǎn)的數據包傳輸延遲增大。

1 問(wèn)題描述與分析
由上述分析可知，異步的RI-MAC協(xié)議沒(méi)有采用發(fā)送端前導偵聽(tīng)技術(shù)，這既是它的優(yōu)點(diǎn)，也是它的缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是避免了某個(gè)發(fā)送節點(diǎn)長(cháng)時(shí)間占用信道，缺點(diǎn)是發(fā)送端和接收端失去了有效的溝通渠道，在負載較大時(shí)可能導致發(fā)送端盲等和數據傳輸延遲增加。在圖2的例子中，S1和S2監聽(tīng)信道，等待各自的接收端R1和R2醒來(lái)。R2首先醒來(lái)發(fā)送beacon消息，s2向。R2發(fā)送數據。在此過(guò)程中R1醒來(lái)，發(fā)現信道被占用后轉入休眠。隨后S3監聽(tīng)信道準備向R3發(fā)送數據，R3醒來(lái)后與S3建立數據傳輸。在此過(guò)程中S1再次醒來(lái)，發(fā)現信道仍被占用，再次轉入休眠。S1監聽(tīng)整個(gè)時(shí)間段，始終未監聽(tīng)到R1，數據傳輸被長(cháng)時(shí)間推遲。

在發(fā)送端啟動(dòng)的異步MAC協(xié)議中，前導被發(fā)送端用來(lái)獲取信道并聲明有數據發(fā)送，只要相應的接收端如期醒來(lái)，數據傳輸就能夠完成。而RJ-MAC依靠接收端發(fā)送beacon消息來(lái)聲明自己的存在，能否進(jìn)行數據傳輸要取決于是否有發(fā)送端正準備向其發(fā)送數據。也就是說(shuō)，作為數據生產(chǎn)者或轉發(fā)者的發(fā)送節點(diǎn)，只能被動(dòng)等待傳輸請求，卻無(wú)法主動(dòng)要求進(jìn)行數據傳輸。