無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC層協(xié)議的研究現狀

1、引言（Introduction） 
    無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由大量的集成了傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小節點(diǎn)構成的全分布式的自組織網(wǎng)絡(luò )[1]。由于數量眾多，傳感器節點(diǎn)通常隨機投放在監測區域內，并且很難更換電源。通常相鄰節點(diǎn)間距離很短，適于采用低功率的多跳通信模式，節省功耗的同時(shí)增強了通信的隱蔽性和抗干擾性。由于WSNs具有易擴展、自組織、分布式結構、健壯性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，使其在軍事、建筑、農業(yè)、環(huán)境監測、醫療等領(lǐng)域有著(zhù)傳統網(wǎng)絡(luò )無(wú)法比擬的優(yōu)勢[2-6]，必將開(kāi)發(fā)出許多有價(jià)值的應用。同時(shí)這些獨特要求和制約因素也為WSNs的研究提出了新的技術(shù)問(wèn)題，其中如何有效地延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期成為研究WSNs的核心問(wèn)題。
    信道接入技術(shù)是用于建立可靠的點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)或多點(diǎn)共享的通信鏈路技術(shù)。如何控制共享信道的接入，是數據鏈路層的介質(zhì)接入控制(Medium Access Control，MAC)子層的主要任務(wù)。
    WSNs的上述特性和應用促使其MAC層協(xié)議與傳統的無(wú)線(xiàn)MAC層協(xié)議在許多方面不同，其主要目標是節能和自組織，而每個(gè)節點(diǎn)的公平和時(shí)延是次要的。本文的第三部分將分類(lèi)介紹幾種為WSNs設計的MAC層協(xié)議。
    2、MAC層協(xié)議面臨的問(wèn)題和挑戰 （Problems and challenges for MAC protocol）
    傳統的MAC層協(xié)議的設計目標是最大化吞吐量、最小化時(shí)延并且提供公平性。而為WSNs設計的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(shí)延。由于WSNs的節點(diǎn)總是協(xié)作完成某應用任務(wù)，所以公平性通常不是主要問(wèn)題。另外，WSNs的一些典型應用（如戰場(chǎng)目標跟蹤）也對其MAC層協(xié)議的設計提出了不同于傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的要求。其中一些主要問(wèn)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)議要盡可能地節約能源，如減少沖突和串音、降低占空比和盡量避免長(cháng)距離通信。協(xié)議中還應包括折衷機制，使用戶(hù)可以在節能和提高吞吐量、降低延遲之間做出選擇[7]。另外，協(xié)議設計者應該注意能量不是隨時(shí)可用的。因為節點(diǎn)可能處于睡眠狀態(tài)或者由于不可知的原因死亡。
實(shí)時(shí)性 
    WSNs經(jīng)常被應用于軍事、醫療等對實(shí)時(shí)性要求很高的領(lǐng)域，及時(shí)地檢測、處理和傳遞信息是其不可缺少的要求。MAC層應和其它層合作提供實(shí)時(shí)保證。
分布式算法 
    由于WSNs的節點(diǎn)計算能力和存儲能力受限，需要眾多節點(diǎn)協(xié)同完成某應用任務(wù)，所以MAC層協(xié)議應該運行分布式的算法。這也是有效避免某些節點(diǎn)的死亡造成網(wǎng)絡(luò )癱瘓的需要。
靈活性 
    WSNs針對不同的應用顯示出了不同的網(wǎng)絡(luò )特性，MAC層協(xié)議應該能適應不同應用的各種流量模式。
各性能間的平衡 
    MAC層協(xié)議的設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(gè)性能的表現更重要。因為一個(gè)不平衡的協(xié)議即使在實(shí)驗室表現好，也可能在實(shí)際環(huán)境中表現很差。比如，一個(gè)協(xié)議如果太頻繁地關(guān)閉無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置來(lái)節能，不僅使實(shí)時(shí)性和可靠性受到影響，包丟失引起的重傳也會(huì )反過(guò)來(lái)影響節能的效果。
    3、典型的MAC層協(xié)議（Some typical MAC protocols in WSNs）
    現有的MAC層協(xié)議大體可以分為固定分配類(lèi)和基于競爭類(lèi)。以下分別介紹其中的一些典型協(xié)議。
    3.1 固定分配類(lèi)MAC層協(xié)議
    原有的固定分配類(lèi)MAC層協(xié)議主要有頻分多址接入（FDMA）、時(shí)分多址接入（TDMA）、碼分多址接入（CDMA）三種。
    FDMA是將頻帶分成多個(gè)信道，不同節點(diǎn)可以同時(shí)使用不同的信道。TDMA是將一個(gè)時(shí)間段內的整個(gè)頻帶分給一個(gè)節點(diǎn)使用。相對于FDMA，TDMA通信時(shí)間較短，但網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步的開(kāi)銷(xiāo)增加。CDMA是固定分配方式和隨機分配方式的結合，具有零信道接入時(shí)延、帶寬利用率高和統計復用性好的特點(diǎn)，并能降低隱藏終端問(wèn)題的影響，但其完全集中式的信道分配和基站的高復雜性，使其不適用于全分布的WSN中。針對WSNs特點(diǎn)，本部分將介紹以下幾種基于固定分配類(lèi)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(wú)需任何全局或局部主節點(diǎn)，就能發(fā)現鄰節點(diǎn)并建立傳輸/接收調度表。鏈路由隨機選擇的時(shí)隙和固定的頻率組成。雖然各子網(wǎng)內鄰節點(diǎn)通信需要時(shí)間同步，但全網(wǎng)并不需要同步。在鏈接階段使用一個(gè)隨機喚醒機制，在空閑時(shí)關(guān)掉無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置，來(lái)達到節能的目的。EAR(Eavesdrop-And-Register)算法[8]用來(lái)為靜止和移動(dòng)的節點(diǎn)提供不間斷的服務(wù)。SMACS的缺點(diǎn)是從屬于不同子網(wǎng)的節點(diǎn)可能永遠得不到通信的機會(huì )。EAR算法作為SMACS協(xié)議的補充，但EAR算法只適用于那些整體上保持靜止，且個(gè)別移動(dòng)節點(diǎn)周?chē)卸鄠€(gè)靜止節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )。
TDM- FDM 
    這是一個(gè)時(shí)分復用TDMA和頻分復用FDMA的混合方案[9]。在節點(diǎn)上維護著(zhù)一個(gè)特殊的結構幀,類(lèi)似于TDMA中的時(shí)隙分配表,節點(diǎn)據此調度它與相鄰節點(diǎn)間的通信。FDMA技術(shù)提供的多信道,使多個(gè)節點(diǎn)之間可以同時(shí)通信,有效地避免了沖突。由于預先定義的信道和時(shí)隙分配方案限制了對空閑時(shí)隙的有效利用，使得在業(yè)務(wù)量較小時(shí)信道利用率較低。
 
DE-MAC 
    DE-MAC(Distributed Energy-aware MAC) [10]的中心內容是讓節點(diǎn)交換能級信息。它執行一個(gè)本地選舉程序來(lái)選擇能量最低的節點(diǎn)為“贏(yíng)者”，使得這個(gè)“贏(yíng)者”比其鄰節點(diǎn)具有更多的睡眠時(shí)間，以此在節點(diǎn)間的平衡能量，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期。且這個(gè)選舉程序與TDMA時(shí)隙分配集成到一起，從而不影響系統的吞吐量。DE-MAC用選舉包和無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置的能量狀態(tài)包來(lái)交換能量信息，節點(diǎn)由能量信息來(lái)決定占有傳輸時(shí)隙的數量。各節點(diǎn)為每個(gè)鄰節點(diǎn)維持一個(gè)表明其無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置能量狀態(tài)的變量，此信息用來(lái)設定其接收器接收鄰居的包。當一節點(diǎn)比原來(lái)的“贏(yíng)者”能量值低時(shí)，它進(jìn)入選舉階段。處于選舉階段的節點(diǎn)向所有鄰節點(diǎn)發(fā)送它的當前能量值，并收集它們的投票。如果鄰節點(diǎn)的能值都比此節點(diǎn)高，它將收到所有鄰節點(diǎn)的正選票。此節點(diǎn)占有當前時(shí)隙，或者發(fā)送數據，或者進(jìn)入睡眠。協(xié)議的缺點(diǎn)是傳感器節點(diǎn)只在自己占有時(shí)隙且無(wú)傳輸時(shí)，才能進(jìn)入睡眠。而在其鄰節點(diǎn)占有的時(shí)隙里，就算沒(méi)有數據傳輸，它也必須醒著(zhù)。
TRAMA 
    TRAMA（Traffic-Adaptive Medium Access）[11]用兩種技術(shù)來(lái)節能：用基于流量的傳輸調度表來(lái)避免可能在接收者發(fā)生的數據包沖突；使節點(diǎn)在無(wú)接收要求時(shí)進(jìn)入低能耗模式。TRAMA將時(shí)間分成時(shí)隙，用基于各節點(diǎn)流量信息的分布式選舉算法來(lái)決定哪個(gè)節點(diǎn)可以在某個(gè)特定的時(shí)隙傳輸，以此來(lái)達到一定的吞吐量和公平性。仿真顯示，由于節點(diǎn)最多可以睡眠87%，所以TRAMA節能效果明顯。在與基于競爭類(lèi)的協(xié)議比較時(shí)，TRAMA也達到了更高的吞吐量（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(cháng)，更適用于對延遲要求不高的應用。
    3.2 基于競爭類(lèi)MAC層協(xié)議
    基于競爭類(lèi)的MAC協(xié)議一般使用廣播式信道，連接到這條信道上的節點(diǎn)都可以向信道發(fā)送廣播信息。想要通信的節點(diǎn)遵循某種規則競爭信道，得到使用權的節點(diǎn)可以發(fā)送信息。傳統的基于競爭類(lèi)的MAC協(xié)議包括ALOHA和帶有沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路存取CSMA等。
S-MAC 
    Wei Ye等在2002年提出的S-MAC(Sensor-MAC)[11]應用了三種新技術(shù)來(lái)減少能耗并支持自組織：節點(diǎn)定期睡眠以減少空閑監聽(tīng)造成的能耗；鄰近的節點(diǎn)組成虛擬簇，使睡眠調度時(shí)間自動(dòng)同步；用消息傳遞的方法來(lái)減少時(shí)延。S-MAC用仍采用類(lèi)似IEEE 802.11中的方式來(lái)避免沖突，包括虛擬和物理的載波監聽(tīng)和RTS/CTS交換。與IEEE 802.11相比，S-MAC具有很好的節能特性，并且可以根據流量情況在能量和時(shí)延之間折衷。然而，每個(gè)節點(diǎn)的占空比都相同，沒(méi)有對能量較少的節點(diǎn)給予保護。另外，虛擬簇技術(shù)還有待深入研究，同步調度會(huì )對能耗有很大的影響。
T-MAC 
    T-MAC（Timeout-MAC）[13]在S-MAC的基礎上引入適應性占空比，來(lái)應付不同時(shí)間和位置上負載的變化。它動(dòng)態(tài)地終止節點(diǎn)活動(dòng)，通過(guò)設定細微的超時(shí)間隔（fine-grained timeouts）來(lái)動(dòng)態(tài)地選擇占空比。減少了閑時(shí)監聽(tīng)浪費的能量，但仍保持合理的吞吐量。T-MAC通過(guò)仿真，與典型無(wú)占空比的CSMA和占空比固定的S-MAC比較，發(fā)現不變負載時(shí)T-MAC和S-MAC節能相仿（最多節約CSMA的98％）；但在簡(jiǎn)單的可變負載的場(chǎng)景，T-MAC在5個(gè)因數上勝過(guò)S-MAC。仿真中存在早睡（early sleeping）問(wèn)題，雖然提出了一些解決辦法，但仍未在實(shí)踐中得到驗證。
MD 
    對于許多應用，運行能耗遠大于待機能耗，故Edgar H. Callaway提出通過(guò)減少占空比來(lái)獲得低能耗和高電池壽命的MD（Mediation Device）協(xié)議[2]。其中，節點(diǎn)在99.9％的時(shí)間處于睡眠，在醒來(lái)時(shí)發(fā)出詢(xún)問(wèn)信標。MD作為一個(gè)不?；顒?dòng)的仲裁者，通過(guò)接收有信息傳輸節點(diǎn)發(fā)出的RTS和目標節點(diǎn)的詢(xún)問(wèn)信標，協(xié)調兩個(gè)節點(diǎn)暫時(shí)同步來(lái)傳輸數據。出于節能的考慮，又提出了分布式MD協(xié)議，即節點(diǎn)隨機成為MD。這樣每個(gè)節點(diǎn)的平均占空比仍可保持很低，整個(gè)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 )節點(diǎn)中隨機分布的，無(wú)需精確布置某種專(zhuān)用的MD來(lái)保護網(wǎng)絡(luò )分割。但是，由于節點(diǎn)必須等待臨近的節點(diǎn)成為MD才能傳輸，時(shí)延將會(huì )增加。對于一些要求很低信息時(shí)延的應用，采用及時(shí)設置鄰節點(diǎn)成為MD的方法來(lái)最小化時(shí)延，但又增加了能耗。另外，由于占空比低，沒(méi)有過(guò)于考慮通道訪(fǎng)問(wèn)的問(wèn)題。
    總的來(lái)說(shuō)，基于固定分配類(lèi)協(xié)議提供了可公平使用的信道，并且如果配備一個(gè)適當的調度算法，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(lái)進(jìn)行調度，這使得它們在大多數WSNs中不可用[14]?；诟偁幍膮f(xié)議可以大幅度減少沖突的機會(huì )，從而節約了能源。但它們通常很難保證實(shí)時(shí)性要求，適用于一些對可預見(jiàn)性要求不高的網(wǎng)絡(luò )。
    4、結束語(yǔ)（Conclusion）
    WSNs自身的特點(diǎn)及其各種應用的要求，導致了傳統的無(wú)線(xiàn)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。本文闡述了近年來(lái)針對WSNs所設計的一些MAC層協(xié)議，并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，為其進(jìn)一步的研究與改善奠定了基礎。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(wèn)題，期待人們的更多關(guān)注。