無線傳感器網絡MAC層協議探究

[摘 要] 無線傳感器網絡是目前很熱門的研究領域，有著很廣泛的應用前景，但是由于較低的感應范圍使得網絡節(jié)點十分密集，因此采用一種高效的媒體接入協議顯得十分必要。本文首先列舉出在設計MAC層協議時所需要考慮的一些關鍵特性，然后具體描述各種MAC協議，并指出它的優(yōu)缺點，得出結論。

[關鍵詞] MAC層協議;無線傳感器網絡;探究;融合

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2010 . 15 . 032

[中圖分類號]TP212 [文獻標識碼]A [文章編號]1673 - 0194(2010)15- 0074- 03

一、引言

隨著硬件技術的發(fā)展，低功耗的傳感器節(jié)點可以僅由單獨的芯片組成，在這個芯片中將會集成內存、處理器和收發(fā)裝置等。與其他的移動裝置相比，低的功率容量限制了傳感器節(jié)點的通信范圍和覆蓋區(qū)域。因此，在目標跟蹤和實時監(jiān)測等應用中，傳感器網絡要有大量的節(jié)點才能覆蓋目標區(qū)域。

與其他的無線網絡相比，在無線傳感器網絡中給其節(jié)點充電或更換電池是比較困難的，也是不太實際的，因此最大化地延長節(jié)點或網絡的生命周期將是我們工作的主要目標。通常情況下，節(jié)點的通信過程比其計算過程消耗能量更多，所以要保證在網絡正常運轉的前提下使通信過程最小化。盡管如此，在由多個低工作周期的節(jié)點所組成的密集網絡中，考慮到能量的效率，媒體接入的方法仍是一個難以解決的問題。

在本文的第二部分，將介紹無線傳感器網絡的特性及在媒體接入通信中所隱含的能量浪費的原因。第三部分是本文的主體，將給出傳感器網絡中一些重要的MAC層協議，并列舉它們的優(yōu)缺點。同時，MAC層和其他層融合的方法和相關協議也會在此部分進行探討。

二、與傳感器網絡相關的MAC層協議特性

傳感器節(jié)點的電量耗完后，我們將會丟棄此節(jié)點，因此傳感器網絡研究的主要目的就是使網絡的存在時間最大化。在這種情況下，所提出的MAC層協議就需要減少潛在的能量浪費。

1. 能量浪費的原因

① 當一個接收節(jié)點同時接收到多于一個的分組且有部分沖突發(fā)生時，這些分組則被稱為“有沖突的分組”，發(fā)生沖突的所有分組都將會被丟棄或重新發(fā)送，而這將導致能量消耗的增加; ② 串擾，即節(jié)點接收到發(fā)給其他節(jié)點的分組;③ 控制分組的費用，我們將盡量滿足使最小數量的控制分組用于數據的發(fā)送;④ 空閑監(jiān)聽引起的，即監(jiān)聽一個空閑的信道以接收可能的信息量;⑤ 當目的節(jié)點未準備就緒時，信息的發(fā)送已經開始而引起的。在設計MAC協議時應避免以上5種能量浪費情況的發(fā)生。

2. 通信的方式

在無線傳感器網絡中定義了3種類型的通信方式:廣播(broadcast)，匯聚播(convergecast)和本地傳播(local gossip)。廣播類型通常是由基站(稱為sink)所使用，它用來將一些信息傳送給網絡中的所有節(jié)點。廣播信息包括有對傳感器詢問處理結構的詢問，節(jié)點的程序更新以及整個系統的控制分組。廣播類型的通信方式不要和廣播類型分組相混淆。對于前者，網絡中的所有節(jié)點都是接收者;而對于后者，接收者則是那些在發(fā)送節(jié)點通信范圍內的節(jié)點。

在某些情況下，檢測到網絡中進入一個新的節(jié)點的傳感器將會在本地互相進行通信，這種通信方式被稱作本地傳播。傳感器將在一定范圍內發(fā)送一條消息給它的鄰居節(jié)點們，檢測到有新的進入者的傳感器需要將其所感知到的信息傳送到信息中心，這種通信方式又被稱為匯聚播，一組傳感器將和一個特有的傳感器進行通信。目的節(jié)點可以是數據匯聚中心、基站等。

3. 優(yōu)良的MAC協議的特征

一是能量高效的協議有效地延長網絡的生存時間;二是具有對于變化的可預測性和自適應性。網絡大小、節(jié)點的密度和拓撲改變之后，對于一個成功的自適應系統應該可以進行快速而有效的處理。其他要素，如等待時間、吞吐量和帶寬利用率等，對傳感器網絡都是次要的。另外公平性在其他無線網絡中會顯得比較重要，但在無線傳感器網絡中則不是設計的目標。因為所有的傳感器節(jié)點都進行的是同樣的工作。

三、常見的MAC層協議

針對無線傳感器網絡的特性，已經提出了很多種MAC層協議。

1. Sensor-MAC(S-MAC)

該協議將時間分幀，幀長度由應用程序確定，幀內分為工作階段和休眠階段。2002年版本中，工作階段持續(xù)時間是固定的。2004年版本為了更好地支持數據突發(fā)，協議將工作階段改為長度可調，在休眠階段，節(jié)點關閉射頻模塊，緩存在此期間采集到的數據，在工作階段集中發(fā)送。通過同步消息，相鄰節(jié)點可以采用相同的工作/休眠策略，新節(jié)點也可以加入進來，這種機制在協議中稱為虛擬簇。基于這些同步的本地化管理同步和周期性的工作/休眠策略形成了S-MAC協議的基本思想。相鄰節(jié)點形成虛擬簇來建立一個共同的休眠策略。如果兩個相鄰節(jié)點位于兩個不同的虛擬簇，它們將在兩個簇的工作階段都處于喚醒狀態(tài)，這會導致更多的能量消耗。

S-MAC的一個很重要的特征是采用了消息傳遞技術，很好地支持長消息發(fā)送。對于無線信道，傳輸差錯與包長度成正比。根據這一原理，將長消息分為若干短包，采用一次RTS/CTS握手，集中連續(xù)發(fā)送全部短包，既可以提高發(fā)送成功率，又有效地減少了控制開銷。

周期性的休眠可能會導致高的等待時間，尤其是對于多跳路由算法，因為所有的相鄰節(jié)點都有它們自己的休眠策略，它們可能會互相造成影響。由周期性休眠所引起的等待時間我們稱之為休眠延遲。自適應的監(jiān)聽技術可以改善這種延遲。

該協議的擴展性較好，可以適應網絡拓撲結構的變化，可以有效地改善由于空閑監(jiān)聽所導致的能量浪費問題;缺點是協議實現非常復雜，需要占用大量的存儲空間，這在資源受限的傳感器節(jié)點中顯得尤為突出。

2. Timeout-MAC(T-MAC)

該協議工作方式是將時間分幀，幀長度固定，工作階段長度可變。協議定義了5種事件和一個計時器TA，以確定工作階段的結束時間。5種事件分別為:①幀長度超時;②節(jié)點接收到數據;③數據傳輸發(fā)生沖突;④節(jié)點數據或確認發(fā)送完成;⑤鄰居節(jié)點完成數據交換(如果在TA內，射頻模塊沒有偵聽到這5種事件中的任何一種，就認為信道進入空閑狀態(tài)，節(jié)點關閉射頻模塊，轉入休眠階段)。

由于T-MAC的實現機制與2004版的S-MAC基本相同，它們的性能也很接近。

3. Traffic-Adaptive MAC(TRAMA)

TRAMA提出了在能量效率方面增加對TDMA的利用。時間被分為隨機接入和預定接入。隨機接入階段用來建立兩跳拓撲信息，信道接入是基于競爭策略的。一個基本的假設是通過應用層傳遞的信息，MAC層能夠計算出所需要的傳輸時間。

相比于那些基于S-MAC的協議，該協議具有更長的休眠時間和更少的減少沖突的比例。因為預定的接收方是利用位圖來顯示，通信方式很少采用多播和廣播的形式。

4. Data-gathering MAC(D-MAC)

D-MAC的基本目標是達到較低的等待時間，但同時也能夠保證能量的效率。D-MAC分析了S-MAC和T-MAC協議的自適應工作/休眠策略，發(fā)現了數據轉發(fā)中斷問題，并提出了擺動喚醒策略來解決這個問題。從傳感器節(jié)點到基站節(jié)點形成一棵數據匯集樹，樹中的數據傳輸是單向的，由子節(jié)點到父節(jié)點。節(jié)點采用工作/休眠狀態(tài)轉換。擺動喚醒策略調整樹中每層節(jié)點的工作周期，使子節(jié)點的發(fā)送時間與父節(jié)點的接收時間重合，在最理想情況下，數據轉發(fā)會一直進行，沒有任何延遲。

5. MAC層與其他層的融合

在傳感器網絡中，關于將網絡中不同層間融合為一層及在網絡層和MAC層之間進行跨層交互的問題，目前所進行的研究還是很有限的。

S.Cui，R.Madan等曾經對MAC層與物理層之間的集成和網絡/MAC/物理層之間集成的目標進行了研究，并且提出了一種可變長度的TDMA方案。在這種方案中，時隙的長度是根據最優(yōu)化的能量耗費標準來進行分配的。在這些標準中，最關鍵的值是每個節(jié)點所產生的通信量的信息和每個節(jié)點對之間的距離。根據這些值，提出了一種線性可編程問題并加以解決，同時還確定了在每個節(jié)點中最優(yōu)化的時隙的數量以及相關的路由策略。然而這種方案需要龐大的計算量并且很難適應目前存在的系統。

多跳架構的網絡結構是將MAC層和網絡層集成的另一種方法。J.Ding，K.Sivalingam等人提出了一種分層的多跳網絡結構，在這種結構中，到達基站的跳數相同的網絡節(jié)點被歸類于同一層。信道接入是基于TDMA并同時與CDMA或TDMA相關的MAC協議。路由協議是一個簡單的多跳協議，到達基站的每一個節(jié)點都會在其相鄰層有一個轉發(fā)節(jié)點。J.Ding等人還闡述了信道分配問題，并提出了一個次最佳的解決方案。而且，傳感器節(jié)點的傳輸范圍也是一個重要的參數，因為它影響著網絡的分層。這個MAC/網絡系統的性能是優(yōu)良的。不過，還要注意的是，范圍參數的調整仍然是一項重要的任務，它需要在系統初始化的時候決定。此外，所有的轉發(fā)節(jié)點的路徑需要在啟動時定義好，并且定義為固定的，因為節(jié)點的信道頻率分配需要在啟動時完成。

四、結論

目前針對傳感器網絡提出了許多的MAC層協議，但是沒有任何一個協議被作為標準，原因是MAC層協議的選擇主要是依靠應用的，另一個原因是底層(如物理層)標準和傳感器硬件的匱乏。僅僅通過鏈路層的性能是不能對整個系統性能進行正確評估的。因此，對于最后的結論產生影響的層數越多，系統的性能也就越好。另外，網絡協議的分層也會在每一層上產生額外的費用，造成每個分組上更多的能量浪費。因此，分層的融合將是今后一個值得深入研究的領域。