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无线传感器网络MAC协议

摘要 多年来, 无线传感器网络(WSNs)作为中国外一个新兴研究方向, 吸引了很多研究者和机构广泛关注。本文从无线传感器网络 MAC 协议角度出发, 介绍了无线传感器网络MAC 协议及目前研究现实状况, 分析了无线传感器网络协议和传统网络协议在设计上不一样点, 对已经有MAC 协议进行分类, 着重研究和比较了S-MAC和T-MAC无线传感器网络MAC 协议。最终, 展望了无线传感器网络MAC协议深入研究策略和发展趋势。
关键词 无线传感器网络(WSNs), MAC协议, 能量有效性

Abstract In recent years, wireless sensor networks (WSNs), as a new research direction at home and abroad, has attracted the attention of many researchers and organizations. We conduct a deeply research on wireless sensor network MAC protocol,and we propose the difference between WSN and traditional networks, not only given the characteristic of WSN, we also have illustrate the research orientation in this area.Focus on the research and comparison of S-MAC and T-MAC wireless sensor network MAC protocol. Finally, the future research strategies and trends of MAC protocols in WSNs are summarized.
Key words Wireless sensor networks (WSNs), MAC protocols, energy-efficiency

1、 绪论
IEEE802系列标准把数据链路层分成MAC（Media Access Control, 介质访问控制）和LLC（Logical Link Control, 逻辑链路控制）两个子层。上面LLC子层实现数据链路层与硬件无关功效, 比如流量控制、 差错恢复等; 较低MAC子层提供LLC和物理层之间接口。其中MAC子层定义了数据包怎样在介质上进行传输。在共享同一个带宽链路中, 对连接介质访问是“先来先服务”。物理寻址在此处被定义, 逻辑拓扑（信号经过物理拓扑路径）也在此处被定义。线路控制、 犯错通知（不纠正）、 帧传输次序和可选择流量控制也在这一子层实现[1]。
在无线传感器网络中, 为了应对可能出现多个节点设备同时接入信道, 从而造成分组之间相互冲突, 使接收方无法分辨出接收到数据, 浪费信道资源, 吞吐量显著下降。为了处理这些问题, 就需要MAC（介质接入控制）协议, 而MAC协议指就是经过一组规则和过程来有效、 有序和公平地使用共享介质, 它决定了节点什么时候许可发送分组, 而且通常控制对物理层全部访问。
在无线传感器网络中, 为了实现多点通信, 由 MAC（Medium Access Control）介质访问控制层协议决定了局部范围无线信道使用方法, 以及多跳自组织无线传感器网络节点之间通信资源分配, 也就是说必需实现两大基础功效目标: 在传感器分布现场能够有利于建立起一个基础网络基础设施所需数据通信链路; 协调共享介质访问, 方便传感器网络节点能够公平有效地分享通信资源[2]。
2、 无线传感器网络MAC协议
2.1、 引言
MAC协议位于OSI七层协议中数据链路层, 数据链路层分为上层LLC（Logical Links Control, 逻辑链路控制）, 和下层MAC（媒体访问控制）, MAC关键负责控制与连接物理层物理介质。在发送数据时候, MAC协议能够事先判定是否能够发送数据, 假如能够发送将给数据加上部分控制信息, 最终将数据以及控制信息以要求格式发送到物理层; 在接收数据时候, MAC协议首先判定输入信息并是否发生传输错误, 假如没有错误, 则去掉控制信息发送至LLC（逻辑链路控制）层。
MAC协议关键功效则是避免多个节点同时发送数据产生冲突, 控制无线信道公平合理使用, 构建底层基础网络结构。MAC 协议最关键功效是确定网上某个站点占有信道, 即信道分配问题。
在设计无线传感器网络 MAC 层协议时, 下面三个方面问题最值得关键关注[3]: 能量感知和节省; 网络效率（包含公平性、 实时性、 网络吞吐率和带宽利用率等）; 可扩展性。尽管蓝牙（Bluetooth）、 移动自组织网络（MANET）和无线传感器网络在通信基础设施上有相同地方, 但因为网络寿命制约, 没有哪个现存蓝牙或移动自组织网络MAC 协议能够直接用在无线传感器网络。除了节能和有效节能外, 移动性管理和故障恢复策略也是无线传感器网络MAC 协议首要关注问题之一。尽管移动蜂窝网络、 Ad-hoc 和蓝牙技术是目前主流无线网络技术, 但它们各自MAC 协议不适合无线传感器网络, 如GSM 和CDMA 中介质访问控制关键关心怎样满足用户QoS 要求和节省带宽资源, 能耗是第二位; Ad-Hoc 网络则考虑怎样在节点含有高度移动性环境中建立相互间链接, 同时兼顾一定QoS 要求, 能耗也不是其首要关心; 而蓝牙采取了主从式星型拓扑结构, 这本身就不适合传感器网络自组织特点。总而言之, 需要为为无线传感器网络设计符合其本身特点MAC 层协议。
2.2、 无线传感器网络MAC协议分类
MAC协议关键负责协调网络节点对信道共享。WSNs网络MAC协议能够按以下多个不一样方法进行分类:
1） 依据采取分布式控制还是集中控制, 可分为分布式实施协议和集中控制协议。 这类协议与网络规模直接相关, 在大规模网络中通常采取分布式协议。
2） 依据使用信道数, 即物理层所使用信道数, 可分为单信道、 双信道和多信道, 如S-MAC, LEEM分别为单信道和双信道MAC协议。使用单信道MAC协议, 即使节点结构简单, 但无法处理能量有效性和时延矛盾; 而多信道MAC协议能够处理这个问题, 但增加了节点结构复杂性。
3） 依据信道分配方法, 可分为基于TDMA时分复用固定式、 基于CSMA竞争式和混合式三种。基于TDMA固定分配类MAC层协议, 经过把时分复用（TDMA）和频分复用（FDMA）或者码分复用（CDMA）方法相结合, 实现无冲突强制信道分配, 以下面要讨论C-TDMA 协议; 以竞争为基础MAC协议, 经过竞争机制, 确保节点使用信道, 而且不受其她节点干扰, 如S-MAC。混合式是把基于TDMA固定分配方法和基于CSMA 竞争方法相结合, 以适应网络拓扑、 节点业务流量改变等, 如Z-MAC[4]。
4） 依据接收节点工作方法, 可分为侦听、 唤醒和调度三种。在发送节点有数据需要传输时, 接收节点不一样工作方法直接影响数据传输能效性和接入信道时延等性能。 接收节点连续侦听, 在低业务WSNs网络中, 造成节点能量严重浪费。通常采取周期性侦听睡眠机制以降低能量消耗, 但引入了时延。为了深入降低空闲侦听开销, 发送节点能够采取低能耗辅助唤醒信道发送唤醒信号, 以唤醒一跳邻居节点, 如STEM协议[5]。 在基于调度MAC 协议中, 接收节点接入信道时机是确定, 知道何时应该打开其无线通信模块, 避免了能量浪费。
5）依据不一样用户应用需求, 可分为基于竞争MAC协议、 基于固定分配MAC协议以及基于按需分配MAC协议三类。其中基于竞争MAC协议, 即节点在需要发送数据时采取某种竞争机制使用无线信道。这就要求在设计时候必需要考虑到假如发送数据发生冲突, 采取何种冲突避免策略来重发, 直到全部关键数据都能成功发送出去。基于固定分配MAC协议, 即节点发送数据时刻和连续时间是根据协议要求标准来实施, 这么以来就避免了冲突, 不需要担心数据在信道中发生碰撞所造成丢包问题。现在比较成熟机制是时分复用（TDMA）。基于按需分配MAC协议, 即依据节点在网络中所负担数据量大小来决定其占用信道时间, 现在关键有点协调和无线令牌环控制协议两种方法。
2.3、 无线传感器网络MAC协议设计思想
传感器节点能量、 存放、 计算和通信带宽等资源有限, 单个节点功效比较弱, 而传感器网络强大功效是由众多节点协作实现。多点通信在局部范围需要MAC 协议协调其间无线信道分配, 在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。在设计无线传感器网络MAC 协议时[6-7], 需要着重考虑以下多个方面:
（1）节省能量。传感器网络节点通常是以干电池、 纽扣电池等提供能量, 而且电池能量通常难以进行补充, 为了长时间确保传感器网络有效工作, MAC 协议在满足应用要求前提下, 应尽可能节省使用节点能量。
（2）可扩展性。因为传感器节点数目、 节点分布密度等在传感器网络生存过程中不停改变, 节点位置也可能移动, 还有新节点加入网络问题, 所以无线传感器网络拓扑结构含有动态性。MAC 协议也应含有可扩展性, 以适应这种动态改变拓扑结构。
（3）冲突避免。冲突避免是MAC协议一项基础任务。它决定网络中节点何时、 以何种方法访问共享传输媒体和发送数据。在WSNs 网络中, 冲突避免能力直接影响节点能量消耗和网络性能。
（4）信道利用率。信道利用率反应了网络通信中信道带宽怎样被使用。在蜂窝移动通信系统和无线局域网中, 信道利用率是一项非常关键性能指标。因为在这么系统中, 带宽是非常关键资源, 系统需要尽可能地容纳更多用户通信。相比之下, WSNs 网络中处于通信中节点数量是由一定应用任务所决定, 信道利用率在WSNs网络中处于次要位置。
（5）延迟。延迟是指从发送端开始向接收端发送一个数据包, 直到接收端成功接收这一数据包所经历时间。在WSNs 网络中, 延迟关键性取决于网络应用。
（6）吞吐量。吞吐量是指在给定时间内发送端能够成功发送给接收端数据量。网络吞吐量受到很多原因影响, 如冲突避免机制有效性、 信道利用率、 延迟、 控制开销等。 和数据传输延迟一样, 吞吐量关键性也取决于WSNs网络应用。在WSNs 网络很多应用中, 为了取得更长节点生存时间, 许可合适牺牲数据传输延迟和吞吐量等性能指标。
（7）公平性。公平性通常指网络中各节点、 用户、 应用, 平等地共享信道能力。在传统语音、 数据通信网络中, 它是一项很关键性能指标。因为网络中每一个用户, 都期望拥有平等发送、 接收数据能力。不过在WSNs网络中, 全部节点为了一个共同任务相互协作, 在某个特定时刻, 存在一个节点相比于其她节点拥有大量数据需要传送。所以, 公平性往往用网络中某一应用是否成功实现来评价, 而不是以每个节点平等发送、 接收数据能力来评价。
因为现在传感器节点能量供给问题没有得到很好处理, 传感器节点本身不能自动补充能量, 节省能量成为传感器网络MAC 协议设计首要考虑原因。在传统网络中, 节点能够连续地取得能量供给, 如在办公室有稳定电网供电, 或者能够间断但立刻地补充能量, 如笔记本电脑和手机等; 整个网络拓扑结构相对稳定, 网络改变范围和改变频率都比较小。所以, 传统网络MAC 协议关键考虑节点使用带宽公平性, 提升带宽利用率以及增加网络实时性。而传感网MAC 协议于传统网络MAC 协议所重视原因恰好相反, 这意味着传统网络MAC 协议不适适用于传感器网络, 需要研究和提出新适适用于传感器网络MAC 协议。
在无线传感器网络中, 造成网络能量浪费关键原因包含以下多个方面[6-7]:
（1） 消息碰撞（Message collision）。假如 MAC 协议采取竞争方法使用共享无线信道, 节点在发送数据过程中, 可能会引发多个节点之间发送数据产生碰撞。这就需要重传发送数据, 从而消耗节点更多能量。
（2） 窃听（Overhearing）。 无线信道是一个共享媒体, 一个节点可能会接收到发送给其她节点消息, 这时节点消耗在接收数据上能量被浪费掉了。所以从节能考虑, 这时应将其无线传输模块关闭。
（3） 空闲侦听（Idle listening）。 网络中节点, 因为不能预知它邻节点什么时候会向其发送数据, 所以将其无线收发模块一直保持在接收模式, 节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道空闲侦听, 方便接收可能传输给自己数据。这种过分或没必需空闲侦听一样会造成节点能量浪费。原因在于经典无线收发模块处于接收模式时消耗能量, 比其处于睡眠模式时要多多个数量级。
（4） 在控制节点之间信道分配时, 假如控制消息过多, 也会消耗较多网络能量。
（5）控制报文开销（Control-packet overhead）。在MAC协议头字段和控制消息包（ACK/RTS/CTS）中没有包含有效数据, 所以可认为是一个损耗。为了提升能效应该尽可能降低控制消息。
（6）发送失效（Overemitting）。在目节点没有准备好接收时, 发送节点发送了消息, 造成能量浪费。
结合上述原因, 在MAC 协议设计, 通常应该简单高效, 避免协议本身开销大, 消耗过多能量。
2.4、 无线传感器网络MAC协议分析
（1） S-MAC协议

图1
S-MAC协议。S-MAC（Sensor medium ac-cess control）协议[11]是Wei 等在IEEE 802.11协议基础上, 针对WSNs网络能量有效性而提出专用于WSNs网络节能MAC协议。 S-MAC协议设计关键目标是降低能量消耗, 提供良好可扩展性。它针对WSNs网络消耗能量关键步骤, 采取了以下三方面技术方法来降低能耗: a）周期性侦听和休眠。如图1所表示, 每个节点周期性地转入休眠状态, 周期长度是固定, 节点侦听活动时间也是固定。如图2所表示, 图中向上箭头表示发送消息, 向下箭头表示接收消息。上面部分信息流, 表示节点一直处于侦听方法下消息收发序列; 下面部分信息流, 表示采取S-MAC 协议时消息收发序列。节点清醒后进行侦听, 判定是否需要通信。为了便于通信, 相邻节点之间, 应该尽可能维持调度周期同时, 从而形成虚拟同时簇。同时每个节点需要维护一个调度表, 保留全部相邻节点调度情况。在向相邻节点发送数据时唤醒自己。每个节点定时广播自己调度, 使新接入节点能够与已经有相邻节点保持同时。假如一个节点处于两个不一样调度区域重合部分, 则会接收到两种不一样调度, 节点应该选择先收到调度周期。b） 消息分割和突发传输。考虑到WSNs网络数据融合和无线信道易犯错等特点, 将一个长消息分割成多个短消息, 利用RTS/CTS机制一次预约发送整个长消息时间, 然后突发性地发送由长消息分割多个短消息。发送每个短消息都需要一个应答ACK, 假如发送方对某一个短消息应答没有收到, 则立即重传该短消息。c）避免接收无须要消息。采取类似于802.11虚拟物理载波监听和RTS/CTS 握手机制, 使不收发信息节点立刻进入睡眠状态。

图2 S-MAC协议
S-MAC协议同IEEE 802.11相比, 含有显著节能效果, 不过因为睡眠方法引入, 节点不一定能立刻传输数据, 使网络时延增加、 吞吐量下降; 而且S-MAC采取固定周期侦听/睡眠方法, 不能很好地适应网络业务负载改变。针对S-MAC协议不足, 其研究者又深入提出了自适应睡眠S-MAC协议[12]。在保留消息传输、 虚拟同时簇等方法基础上, 引入了以下自适应睡眠机制: 假如节点在进入睡眠之前, 侦听到了邻居节点传输, 则依据侦听到RTS 或CTS 消息, 判定此次传输所需要时间; 然后在对应时间后醒来一小段时间（称为自适应侦听间隔）, 假如这时发觉自己恰好是此次传输下一跳节点, 则邻居节点此次传输就能够立刻进行, 而无须等候; 假如节点在自适应侦听间隔时间内, 没有侦听到任何消息, 即不是目前传输下一跳节点, 则该节点立刻返回睡眠状态, 直到调度表中侦听时间到来。自适应睡眠S-MAC在性能上通常优于S-MAC, 尤其是在多跳网络中, 能够大大减小数据传输时延。S-MAC和自适应睡眠S-MAC协议可扩展性都很好, 能适应网络拓扑结构动态改变。缺点是协议实现较复杂, 需要占用节点大量存放空间, 这对资源受限传感器节点, 显得尤为突出。
（2） T-MAC协议

图3
T-MAC 协议[13]。 T-MAC（Timeout MAC）协议, 实际上是S-MAC协议一个改善, 如图3所表示。S-MAC协议周期长度受限于延迟要求和缓存大小, 而侦听时间关键依靠于消息速率。所以, 为了确保消息可靠传输, 节点周期活动时间必需适应最高通信负载, 从而造成网络负载较小时, 节点空闲侦听时间相对增加。针对这一不足, 从而提出了T-MAC协议。该协议在保持周期侦听长度不变情况下, 依据通信流量动态调整节点活动时间, 用突发方法发送消息, 降低空闲侦听时间。其关键特点是引入了一个TA时隙。如图4所表示, 图中箭头表示意义与图2相同。若TA 期间没有任何事件发生, 则节点进入睡眠状态以实现节能。与S-MAC相比, 关键不一样点是: T-MAC一样引入串音避免机制, 但在T-MAC 协议中, 作为一个选择项, 能够设置也能够不设置。T-MAC与传统无占空比CSMA和占空比固定S-MAC 比较, 在负载不变情况下, T-MAC和S-MAC节能相仿, 而在可变负载场景中, T-MAC要优于S-MAC。但T-MAC协议实施, 会出现早睡眠问题, 引发网络吞吐量降低。为此, 它采取了两种方法来提升早睡眠引发数据吞吐量下降: a）未来请求发送机制, b）满缓冲区优先机制, 但效果并不是很理想。总而言之, T-MAC协议在节能方面优于S-MAC, 但要牺牲网络时延和吞吐量。T-MAC其她性能与S-MAC相同。

图4 T-MAC协议
3、 未来展望
无线传感器网络巨大科学意义和应用价值, 已经引发了学术界、 工业界和军事部门极大关注, 成为目前热门研究领域, 其未来广泛应用将对大家社会生活和产业变革带来极大影响和产生巨大推进。
在无线传感网络中, MAC 协议决定无线信道使用方法, 在传感器节点之间分配有限无线通信资源, 处于传感器网络协议物理层和路由层之间, 用来构建传感器网络系统底层基础结构。所以, MAC 协议效率对传感器网络性能有较大影响, 是确保无线传感器网络高效通信关键网络协议之一。作为无线传感器网络“基石”, 对于构建网络拓扑, 实现网络管理等很多方面至关关键。
因为不一样应用场所对网络要求不一样, 对MAC协议来说, 不存在一个适适用于全部WSNs网络应用MAC协议, 也没有一个协议在各方面显著强于其她协议, 多种MAC协议在能量有效性和网络延迟等性能之间[14-17], 都存在不一样程度矛盾性, 且受到多方面原因制约, 但能量有效性是设计一个好MAC协议关键原因, 能量高效MAC协议仍然是以后一个开放性研究课题, 在现有研究基础上, 未来WSNs网络MAC协议深入研究策略和发展趋势以下:
1.利用多信道和动态信道分屏技术进行节能研究。伴随微电子机械技术发展, 低能、 低成本、 集成含有多信道或两个不一样频率无线模块收发器已经成为可能。合理地使用多个信道资源, 基于局部节点协作方法, 进行信道动态分配, 能够实现节能和改善网络性能。信道分配技术利用调度算法, 在发送时隙和节点之间建立起特定映射关系, 为我们进行节能协议设计提供了良好条件。
2.采取跨层优化设计。WSNs网络因为受到节点资源限制, 分层协议栈已不适应能量、 内存等节点资源有效利用。将MAC层、 物理层以及网络层设计相结合, 依据局部网络拓扑信息, 采取综合各层设计方法, 实现对节点工作模式有效控制, 降低控制开销, 从而取得愈加好网络性能[18-20]。

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