基于能源有效性的無線傳感器網絡MAC協議

孫保海

摘 要 本文描述了MAC協議面臨的挑戰及不同MAC協議在WSN中應用的優勢及劣勢，并對未來的無線傳感器MAC協議研究提出展望。

【關鍵詞】能源有效性 MAC 無線傳感器網絡

1 前言

無線傳感器網絡（WSN）已成為未來網絡發展的主導趨勢，在國防和科學應用方面均有較廣泛的應用前景，WSN中的節點通常是由電池供電，在工作中會消耗大量的能量，因此WSN中的資源約束和節能是我們面臨的一個重要挑戰，大量的研究已實現了低功耗電子設備的設計，由于硬件條件限制，無法實現進一步能源的有效性，因此我們可以通過軟件方面入手，設計高效節能的通信協議，對應于OSI參考模型中的數據鏈路層中的介質訪問控制協議（MAC）則是保證網絡成功運行的一項重要技術。本文，我們將對MAC協議面臨的挑戰及不同MAC協議在WSN中應用的優勢及劣勢進行分析研究并對未來MAC協議的研究提出展望。

2 MAC協議設計挑戰

WSN的MAC協議必須實現兩個目標。第一是創建傳感器網絡基礎設施。傳感器節點部署和MAC協議設計須保障節點之間有完整的通信鏈路；第二是所有節點公平有效地共享傳輸介質。

2.1 一個好的MAC協議的屬性

2.1.1 能源效率

傳感器節點靠電池供電，更換它或者對其進行充電往往是非常困難的，有時候替換掉已有傳感器往往比對其進行充電更有效。

2.1.2 潛伏期

在WSN網絡中，要求節點將檢測事件實時報告給信宿節點，以便及時采取相應措施。

2.1.3 吞吐量

吞吐量要求因不同應用而異，一些WSN應用程序需要采樣的信息具有良好的時間分辨率，因此要求節點接收更多的數據。

2.1.4 公平性

在許多應用中，當帶寬有限時，確保節點接收信息量的相當是必要的。以上能源效率和吞吐量是主要考慮的因素。

2.2 能源浪費的主要來源

2.2.1 干擾

當發送數據包由于干擾而損壞丟棄，重發操作會增加能耗，同時也會造成延遲。

2.2.2 串音

節點監聽到其它節點的收發狀態。

2.2.3 分組傳輸

收發控制包消耗更多的能量并且導致較少的數據包可傳輸。

2.2.4 空閑監聽

在諸多應用中，若未感知到數據，節點大部分時間將處于空閑狀態。

傳感器網絡的MAC協議的主要目標是最大限度地減少由于空閑偵聽，串音和碰撞所造成的能源的浪費。

3 本文提出的幾種MAC協議

3.1 IEEE 802.11

IEEE 802.11是基于競爭的采用載波偵聽和隨機退避來避免數據包的碰撞的MAC協議。省電模式（PSM）的IEEE 802.11協議通過周期性進入睡眠狀態減少空閑偵聽。PSM模式適用于時間同步的單跳網絡但由于時間同步、鄰居發現及網絡劃分問題而不適用于多跳網絡。

3.2 功率感知的多址信號PAMAS

PAMAS是最早的基于競爭的MAC協議。協議中當節點不收發數據時進入關閉狀態以節省能源。該協議使用兩個獨立的數據和控制包的通道，由于需使用兩個無線電頻率導致成本、尺寸及設計復雜度的增加，此外，在睡眠與喚醒之間的狀態切換存在著明顯的能源消耗。

3.3 S-MAC協議

該協議中節點周期性進入到固定的偵聽/睡眠周期。該協議的時間分為兩部分：偵聽和睡眠。偵聽階段，傳感器節點能夠與其他節點進行通信，發送如同步、RTS（請求發送）、CTS（清除發送）和ACK（確認）控制包。然而該協議同樣會造成能源浪費即節點在沒有收發數據時，偵聽階段仍會產生能量消耗。

3.4 T-MAC協議

該協議在S-MAC協議的基礎上提出改進，在偵聽階段有一個“Ta”時隙（圖1所示），若在此時隙內沒有事件發生，則提前進入睡眠。“Ta”是每幀閑置監聽的最低值。其中Ta> Tci+ Trt+ Tta+ Tct（Tci是爭奪區間的長度，Trt是一個RTS分組的長度，Tct的CTS分組長度）。T-MAC協議的能耗小于S-MAC協議，但T-MAC協議相比于S-MAC協議具有較高的延遲。

3.5 流量自適應MAC協議（TRAMA）

TRAMA協議是基于TDMA協議，在WSN中設計了高效節能的無碰撞的信道。在這個協議中確保無碰撞傳輸以及在沒有數據收發時，使節點切換至低功耗空閑狀態以減少能耗。該協議由三部分組成：

（1）鄰居協議是用于收集相鄰節點的信息；

（2）交換協議是用來交換相鄰兩跳節點的信息及其附表；

（3）自適應選舉算法決定在當前時隙收發數據的節點使用鄰域和附表信息，其他節點切換到低功耗模式。

TRAMA協議相對于S-MAC協議是更節能和更高的吞吐量的協議。然而，該協議相比于S-MAC協議具有較高延遲，因此該協議適用于對延遲要求不敏感，但需要更高的能源效率和吞吐量的應用中。

3.6 D-MAC協議

數據采集–介質訪問控制（D-MAC）針對無線傳感器網絡中基于樹的數據采集（匯聚通信）進行了設計和優化的一種機制。該協議的目標是在實現低延遲的同時仍保持能源效率。該協議將時間分為很小的時隙并采用CSMA機制在每個時隙中進行感知以收發數據包。傳感器節點定期執行“1”發送、“1”接收和“n”休眠時隙的基本序列。在這種方法中，一個單一的數據包從一個源節點在深度“K”的樹到達目的節點的延遲只是' K '個時隙，這個延遲只有幾十毫秒。

D-MAC有一個溢出機制來處理每個單一的源節點具有較低的流量率，但在中間節點的總速率大于基本占空比這個問題。在這種機制中，傳感器節點在發送數據后將保持一個時隙的清醒狀態。

4 總結

近年來，各種各樣的MAC協議被研究者提出來，然而并沒有哪一種協議作為無線傳感器網絡的標準，雖然大量的MAC協議被提出，但仍有一些工作需要我們去關注：

4.1 網絡安全

MAC層的防止竊聽和惡意行為，需進一步研究。

4.2 節點移動性

WSN中的節點最初被認為是靜態的。最近在醫療保健和災難響應應用程序中移動傳感器可以連接到病人，醫生或第一響應者引起了研究者的興趣。在MAC層的流動性領域還是有很多未知領域。

4.3 計算平臺

許多WSN協議通過仿真進行計算，然而MAC協議的性能需要在真實環境中進行計算，研究者需著眼于該方面的研究。

參考文獻

[1]楊靖，徐邁，趙偉，徐保國.傳感器網絡中一種能量高效的數據收集算法[J].系統工程與電子技術，2011（03）.

[2]汪文勇.無線傳感器網絡若干節能關鍵技術研究[D].電子科技大學，2011.

[3]高藝.能源自給低功耗無線傳感器網絡關鍵技術研究[D].南開大學，2010.

作者單位

運城職業技術學院 山西省運城市 044000