Zebra?MAC協議的改進研究

張涌逸

摘? ?要：ZMAC協議是一種混合型MAC協議，吸取了分配型和競爭型的優點，是一種非常好的MAC協議。MAC協議首要解決的就是能量消耗問題，而ZMAC考慮到的能量消耗問題不夠。文章在ZMAC協議的基礎上引入了睡眠機制來降低能量消耗，改進了ZMAC協議在低沖突級別的發送方式，在自己的局部時隙可直接發送。

關鍵詞：Zebra介質訪問控制;鄰居發現;時隙分配;時間同步

1? ? 各項協議分析

無線傳感網絡具有可感知性、傳輸性和抗擊毀能力，這使得它的應用范圍越來越廣，但受到成本、能耗的制約，目前，還沒有得到大規模的應用。降低成本、能耗成為無線傳感器網絡目前的主要任務。無線傳感器網絡協議結構有以下5層：物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。人們不只希望分層設計，更希望能實現跨層管理，好進一步降低能耗、提高效率及優化網絡。無線傳感器網絡鏈路層設計主要在介質訪問控制（Media Access Control，MAC）層，MAC設計的好壞將直接影響網絡性能的好壞。人們對無線傳感器網絡的MAC層進行了大量的研究，從信道分配方式上看可分為競爭型、分配型和混合型。基于競爭型的MAC協議有：TRAMA協議、BMA-MAC協議、直接內存訪問控制器（Direct Memory Access Controller，DMAC）等;基于分配型的MAC協議有：S-MAC，B-MAC，RI-MAC等;基于混合型MAC協議有：Z-MAC，Funnel-MAC等[1-2]。Zebra MAC協議是典型的混合型MAC協議，克服了競爭型和分配型MAC協議的缺點，吸取了它們的優點，具有很大的優越性，在數據傳輸率不高的時候采用CSMA，在數據率傳輸較高時才用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）分配信道。雖然ZMAC協議有很多優點，設計時也考慮了節能措施，但是ZMAC協議需要不停地工作，不能睡眠，而節點的能量消耗主要發生在發送、接收和偵聽時，故有必要引入睡眠機制。ZMAC協議采用了局部時間同步技術，但只是在開始時實現了全局同步，不能在整個運行期間保證全局同步，使得ZMAC協議不能采用運行模式和睡眠模式的機制，這會消耗大量的能量，導致整個網絡能量消耗很快，不能滿足無線傳感器網絡節能的要求。另外，節點出現低沖突級別的情形時，在給自己分配的局部時隙，兩跳之內沒有其他節點在時隙的開始發送數據，可直接發送，不需要采用載波偵聽的退避算法，既節省了時間，又減少了能量消耗。節點在高沖突級別的時隙仍需要采用載波偵聽的退避算法發送數據。

2? ? 帶有睡眠機制的ZMAC協議

節點上電之后，首先要進行鄰居發現，之后分別進行局部時隙分配、發送控制、局部時間同步等操作。在無線傳感器網絡運行之后不會再進行前述過程。

2.1? 鄰居發現

節點上電之后，每個節點會周期性地發送互聯網包探索器（Packet Internet Groper，PING）消息，使PING消息里含有鄰居一跳的信息，這樣每個節點就會得到含有兩跳鄰居的信息。節點時隙分配利用BRAND協議分配時隙，分配時隙后可保證節點兩跳節點分配的局部時隙互不相同，在自己分配的時隙傳輸數據不會出現隱蔽終端問題。BRAND協議在不需要改變當前時隙調度的情況下能適應移動節點的加入，給其分配局部時隙。

2.2? 局部時隙分配

采用ZMAC一樣的局部同步方法，需要在同一時間開始第0個時隙，但只在第0個時隙實現全局同步，之后采用的是局部時間同步技術。第0個時隙全局同步易于實現，可采用TPSN同步技術。局部時間同步中每個節點i擁有的時隙數2α，其中2α-1為不超過Fi這個形式的整數，Fi為BRAND協議分配的節點i兩跳之內鄰居的最大時隙數，局部時隙分配采用BRAND協議。沒有全局的時間同步便無法像S-MAC協議一樣引入睡眠機制。引入局部睡眠機制，節點在自己分配的局部時隙進行廣播，不在自己的時隙睡眠，而且每隔一定時間需要全體醒來進行同步（后面討論同步時再進一步討論）。這會造成這樣的后果，當一個節點發送數據的時候，它的鄰居節點可能都處于睡眠狀態，沒有一個接收數據。為了解決這個問題，本設計引入了跨層設計的理念，無線傳感器網絡除SINK節點外，所有的節點做的功能一樣，且都實現了協議棧的各層。這樣每個節點都有網絡層，利用網絡層的路由表，采用低功耗的喚醒接收機來喚醒要接收的節點。那么既用了網絡層的路由表，又使用了喚醒機制，是否就不需要時隙分配了是需要考慮的問題。事實上，即使借用了網絡層的喚醒機制，仍然需要局部時隙分配算法，如圖1所示。

假設有從A→B→C→D→E的路，又有從F→G→H→I→J的路。有數據從節點A沿路A→B→C→D→E傳遞，也有數據從節點F沿路F→G→H→I→J傳遞。當節點B和G同時傳遞數據時，節點C和H都會受干擾，所以不是說引入基于網絡層的喚醒機制就不需要局部時隙分配了。

2.3? 發送控制

因為接收時用的是基于網絡層的喚醒機制，所以只需要管理好節點的發送機制就行了。那么到底該誰發送？本設計仍采用了ZMAC協議的低沖突級別（Low Conflict Level，LCL）、高沖突級別（High Conflict Level，HCL）以及競爭通告（Explicit Congestion Notification，ECN）的方法。節點通過競爭通告來避免隱藏終端問題產生，當在一個TECN周期沒有收到ECN通告就處在低沖突級別，否則就處在高沖突級別。發送有3種情形：

（1）低沖突級別時，如果這個時隙是分配給這個節點的局部時隙，在兩跳之內時隙剛開始時沒有別的節點發送數據，那么不需要競爭信道，節點在感受到信道空閑時可直接發送。

（2）低沖突級別且這個時隙不是分配給自己的時隙。如果分配時隙的節點放棄了發送數據，也可發送，但需要競爭信道。設一個時隙開始到結束記為[0， T]，[0， t]為能感知到分配給時隙的節點發送數據的時間段。此時間段要比ZMAC的這個時間段要小，這是低沖突級別時分配這個時隙的節點可直接發送，不需要競爭信道的原因。時間t之后，這個時間段的低沖突級別節點如果有數據需要發送可競爭信道，擁有這時隙兩跳之內的鄰居節點都可競爭信道。因為t要比ZMAC協議要小，會給低沖突級別競爭信道的節點較多發送的時間，提高數據的發送速度。

（3）高沖突級別時，節點在自己擁有的時隙或兩跳鄰居不發送數據時使用信道。在這種情形，只有自己及一跳的鄰居可競爭信道，節點訪問信道都需要采用載波偵聽的方式訪問信道。

雖然BRAND協議會保證不會出現隱藏終端問題，但節點可占用不屬于自己的時隙發送信息，造成隱藏終端問題。仍需采用類似ZMAC協議的方法發布競爭通告來避免隱藏終端問題。由于節點在不屬于自己的局部時隙里睡眠，只有那些發送數據的節點和被喚醒的節點才存在隱蔽終端問題。我們通過測量信道噪聲水平來感知節點是否存在隱蔽終端問題。當一個發送節點感知到隱蔽終端問題時，它首先喚醒兩跳之內的鄰居節點，然后發送一個ECN單播數據包給發生沖突的接點，如果感受到若干個節點發生沖突，則發送一個廣播數據包給這些節點。這些有沖突的節點再廣播ECN消息，節點收到ECN消息（除去第一個發送ECN消息的節點）可判斷自己是否引起沖突的節點，如果是，就把自己的沖突級別置高。其余的過程就和ZMAC一樣，用一個TECN周期時間來控制級別的高低，如果在一個周期內在沒有收到ECN消息就把級別置低。

時間同步：采用了局部時隙分配算法，在最開始的時候需要時間全局同步，在運行的過程中又需要進行局部時間同步。睡眠機制所采用的時間同步與ZMAC又有所不同。每隔Isynch Fi時間節點喚醒所有的鄰居節點，Isynch的計算可參考劉偉英等[2]研究，Fi表示節點兩條之內鄰居分配的最大時隙數。發送時間同步包進行同步，同時也發送PING消息，既進行了鄰居發現，又使得各個節點之間進行局部同步，但并沒有進行全局同步。節點收到同步包后，采用如下的算法進行同步：

Cavgupdata=（1-βt）×Cavg+βt×Creceive

其中，Cavgupdata為節點更新后的時間，Cavg為節點更新前的時間，Creceive為節點收到的鄰居節點當前的時間，βt為信任因子，節點的信任因子βt可算[3-4]。

3? ? 結語

ZMAC協議能在數據大的時候用頻分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA），在數據小的時候采用MDSA，結合了分配協議和隨機競爭協議的優點，但只在開始時全局同步，之后沒有統一的全局同步，沒有實現睡眠機制。改進后的協議引入了睡眠機制，但需要利用網絡層實現喚醒機制才能通信。為了實現局部同步，節點過一段時間還需要全部醒來發送同步包，計算同步的時間，增加實現的復雜度，還有待進一步研究。

[參考文獻]

[1]RHEE I，WARRIER A，AIA M.Z-MAC：a hybrid MAC for wireless sensor networks[C].California：the 3rd International Conference on Embedded Networked Sensor Systems，2005.

[2]劉偉榮，何云.物聯網與無線傳感器網絡技術[M].北京：電子工業出版社，2013.

[3]孫利民，張書欽，李志，等.無線傳感器網絡理論及應用[M].北京：清華大學出版社，2018.

[4]達爾吉，波拉鮑爾.無線傳感器網絡基礎[M].孫利民，張遠，劉慶超，等，譯.北京：清華大學出版社，2014.