無線傳感器網絡MAC協議研究綜述

和夢琪，施偉斌

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

0 引言

無線傳感器網絡（WSN）由大量具有無線通信與計算能力的傳感器節點以自組織和多跳方式構成，其大范圍的應用及技術特點一直備受關注，涉及軍事、環境監測、醫療服務、目標追蹤和智慧城市等多個領域。介質訪問控制（MAC）協議構建WSN 系統的底層基礎結構，決定節點接入無線信道的方式，協調網絡中多個節點共享無線信道的有限通信資源，目的在于保證無線信道中的通信效率和通信可靠性，同時避免沖突，盡可能減少能量消耗，對網絡整體性能有直接影響［1］。

1 無線傳感器網MAC 協議

1.1 MAC 協議性能指標設計

WSN 需電池供電的節點長時間處于活動狀態以實現可靠有效的觀察，而單個節點的能量及處理能力有限，WSN 需要網內大量節點相互協作才得以實現，這些特性使MAC 協議的發展面臨巨大挑戰［2］。MAC 協議設計時考慮以下方面的性能：

（1）能耗高效性。WSN 中的節點大多采用電池供電，對于部署在惡劣和不可接近環境中的節點而言，電池無法及時更換，因此節省節點能量消耗以延長網絡生存周期是協議設計的關鍵問題。WSN 在通信過程中的節點耗能環節如圖1 所示，MAC 協議設計應考慮降低占空比以減少空閑偵聽能耗、避免沖突以減少重發數據能耗、避免串音干擾能耗以及減少協議運行的控制開銷等方面。

（2）自適應性。節點移動、死亡或加入都會引起網絡規模及拓撲變化，MAC 協議設計需要自組織機制才能實現節點的隨機部署，保障網絡穩定性能。

（3）整體性能最優化。WSN 中節點的能耗有效性一般處于最高優先級，而面向不同應用的無線傳感器網絡系統，需求會有差異。因此，協議設計需綜合考慮系統性能要求，如信道利用率、網絡時延、網絡吞吐量等，多種性能要求取得平衡，實現網絡整體性能最優化。

Fig.1 Node energy consumption圖1 節點能耗環節

1.2 MAC 協議分類

節點信道訪問依賴于兩種基本的多址接入機制：時分多址接入（TimeDivision Multiple Access，TDMA）和載波偵聽多址接入（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）。當前，MAC 協議根據信道訪問方式不同分為3 類：①基于調度的MAC 協議，如TRAMA、DEANA、PMAC 等；②基于競爭的MAC 協議，如S-MAC、T-MAC、B-MAC、WiseMAC、X-MAC等；③混合型MAC 協議，如IEEE802.15.4、Z-MAC 等［2-3］。

2 調度型MAC 協議

調度型MAC 協議調度傳輸數據的節點，按照調度的先后順序傳輸數據，以免多個節點同時接入信道造成數據傳輸沖突。基于調度的MAC 協議多采用TDMA 機制，是基于某些策略預先為不同的節點分配時隙，節點在分配的時隙內保持活躍狀態并傳輸數據，在非分配時隙保持休眠狀態以避免干擾其他節點之間的通信。

基于TDMA 策略的MAC 協議通過分配信道資源的方式，避免了節點間的相互干擾，而且數據傳輸的過程中不需要過多的控制信息，節省了開銷。不足之處是，一般采用同步通信方式，需要節點之間比較嚴格的時間同步；如果節點在分配時隙內無法通信則產生空時隙，造成能量浪費；網絡拓撲結構及規模變化時，時隙分配方案很難靈活調整，動態性弱。

2.1 TRAMA

流量自適應介質訪問協議（Traffic-adaptive MAC Protocol）［4］是基于傳統TDMA 時隙結構的協議，且根據每個節點的流量分布式選擇時隙方案，是一種高效節能且無沖突的協議。TRAMA 協議將時間幀劃分為交替的調度訪問階段和隨機訪問階段。協議操作由3 部分構成：鄰居協議（NeighbourProtocal，NP）、時間調度表交換協議（Schedule Exchange Protocol，SEP）、自適應選擇算法（Adaptive Election Algorithm，AEA）。每個節點根據NP 協議獲得兩跳范圍內鄰節點信息，確定時間調度表，采用SEP 協議將時間調度表傳給鄰節點，并計算每個節點的優先權，執行AEA 算法確定節點時隙，實現節點無沖突的傳輸數據。無流量的節點則保持休眠狀態，節省能量。

隨機訪問階段可處理節點的加入與退出，使網絡具有可擴展性，并增加節點處在休眠階段時間的比例，減少能耗。不足之處是，為滿足SEP 協議，節點間頻繁的數據交換以及復雜的分布選則機制，引入了較大端到端的數據等待時延，導致額外開銷。

2.2 DEANA

分布式能量感知節點協議（Distributed Energy-Aware Node Activation）［5］，其時間幀由調度訪問階段的控制時隙和數據傳輸時隙，以及隨機訪問階段的信令時隙構成。調度訪問階段，在數據傳輸時隙前設置了一個控制時隙，節點在所分配時隙內有數據傳輸時，控制時隙會發出控制消息，指出接收節點，再傳輸數據。控制時隙內所有節點保持活躍狀態，獲取信道中的數據接收節點信息，若發現是數據接收方，在數據傳輸時隙內繼續保持活躍態以接收數據；若發現不是數據接收方，則不需要接收數據，立馬進入休眠狀態，減少能量損耗。隨機訪問階段用來處理節點的加入與退出，并保持時間同步。

設置控制時隙，使空閑節點能夠及時進入休眠狀態，避免串音現象，減少能耗。并且，隨機訪問階段允許節點的加入與退出，增強了網絡的可擴展性。不足之處是，控制時隙對節點的時間同步精度要求較高。

2.3 PMAC

模式協議（Pattern MAC）［6］采用活動模式交換和時間調度表機制，是一種自適應MAC 協議。時間幀由模式重復時間階段（Pattern Repeat TimeFrame，PRTF）和模式交換時間階段（Pattern ExchangeTime Frame，PETF）構成。PRTF 階段由等間隔時隙以及末尾一個特殊活躍時隙構成，在此階段所有節點重復其當前模式。模式模型由每個時隙的0 和1 組成，1 表示節點將在時隙內啟用即保持喚醒狀態，0 表示節點將切換到休眠模式。PETE 階段也分為等間隔時隙，在此階段鄰居節點交換新模式。根據節點流量，每一個節點在交換模式后，每個時隙都被分配了模式位，確定了時間調度表。活躍時隙節點可以及時發送數據，使目標節點更新模式并快速喚醒。

節點根據自身及鄰居節點流量模式模型，自適應地確定休眠/活躍狀態，以指數增長節點處于休眠狀態及零線性增長防止休眠過度，在高負載下可以獲得更高的吞吐量，低負載下節省更多能量。

此外，調度MAC 協議還有自適應控制能效協議TRACE［7］，其采用競爭與數據傳輸分開的方式，動態預約傳輸數據，是一種集中式的MAC 協議。TRACE 協議適用于單跳網絡，MH-TRACE［8］協議在此基礎上，結合分布式和集中式對網絡分簇，實現多跳通信。E-TDMA［9］能量感知MAC 協議也是分簇通信MAC 協議，收集網絡節點的剩余能量、位置、狀態信息，更新時隙設置，簇頭管理每跳通信時間并規劃路徑。BMA-MAC［10］位圖輔助協議是改進的高效節能E-TDMA 協議，根據節點剩余能量選擇簇頭，簇內節點依據需求發送大小1bit 的控制消息，簇頭主要管理時隙分配。

3 競爭型MAC 協議

競爭型MAC 協議依賴于節點之間可控制的競爭機制以建立通信連接，按節點需求使用信道，需要發送數據的節點通過競爭方式獲取信道使用權。基于競爭的MAC 協議多采用載波偵聽多路訪問/沖突避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）機制，節點先偵聽信道，建立連接通路再發送數據，若與其他節點發生碰撞，則根據協議重發，直到數據發送成功或者重發次數達上限后放棄。

基于CSMA/CA 機制的協議，其節點可以獨立執行競爭與否的決定，不需要數據交換，網絡具有靈活性；采用偵聽和退避機制，避免節點間發生碰撞，增強網絡的健壯性。不足之處是，網絡負載加強時，隱終端數量隨之增加，退避機制會變得無效，沖突概率會隨著高負載而加大；采用偵聽機制，節點需要連續監測信道是否處于空閑狀態造成大量能耗，當節點無數據傳輸需求處于空閑狀態時偵聽耗能更加明顯。

競爭型MAC 協議對時鐘同步要求較低，依據節點偵聽/休眠調度表的不同，節點喚醒方式不同。從時鐘同步方面，基于競爭的MAC 協議分為同步競爭型和異步競爭型兩大類，同步競爭型選取S-MAC、T-MAC 協議，異步競爭型選取B-MAC、Wise-MAC、X-MAC 協議，對其作重點研究分析。

3.1 S-MAC

S-MAC 協議（Sense-MAC）［11］是基于CSMA/CA 機制，采用周期性休眠、周期性監聽機制以減少空閑偵聽能耗。時間幀由休眠階段和偵聽階段構成，偵聽階段包括同步段SYNC 和數據段DATA。通過節點間周期性交換時間同步消息，本地鄰居節點構建統一偵聽/休眠的虛擬簇。在SYNC 內同一個虛擬簇的所有節點同步喚醒，保持活躍狀態同步時鐘，建立時間調度表。時間調度表建立后，數據將在DATA 內采用競爭機制進行數據傳輸。在DATA 階段，節點通過交換RTS/CTS 分組，建立握手，發送節點則可開始傳輸數據包，虛擬簇中其他節點則切換到休眠狀態直到結束，避免了空閑偵聽時的能量浪費。協議采用虛擬簇，不需要全網節點時間同步，減少開銷。

S-MAC 協議由于周期性休眠機制，節點轉發數據包時，必須等到休眠狀態結束進入下一個周期活躍狀態時才可進行，即周期內只能單跳傳輸，缺少多跳傳輸能力，增加了時延。改進S-MAC 增加了自適應偵聽機制，為節點提供多跳感知功能，自適應偵聽允許鄰居節點偵聽數據傳輸，通過RTS/CTS 分組中的時間調度表得知此次傳輸持續時間，在數據包傳輸結束前喚醒一段時間。節點則可以立即向下一跳節點發送數據，若喚醒的鄰居節點是下一跳的目標節點，則實現了周期內的兩跳數據傳輸，減少將近一半的時延；若不是下一跳的目標節點，節點需進入下一個周期才可以發送數據，則偵聽屬于無效操作，導致額外開銷。

3.2 T-MAC

S-MAC 協議（Timeout-MAC）［12］中，所有節點流量大小都遵循固定的占空比進行數據傳輸，流量高的節點需要更多的時間傳輸數據，而周期性休眠機制使節點不得不等待幾個幀時間才能完成數據傳輸，會造成很大的時延。

T-MAC 采用超時休眠策略，引入自適應占空比機制，偵聽、休眠階段比例可調。節點在偵聽階段SYNC 后，插入一個TA（Time Active）時隙，TA>C+R+T，C 為競爭信道時間，R 為RTS 分組傳輸時間，T 為RTS 分組結束到CTS 分組開始傳輸的時間。若在TA 內沒有偵聽到任何事件，則認為信道處于空閑狀態，節點提前結束偵聽，不用等待休眠階段到來就可直接進入休眠。

T-MAC 協議可根據網絡負載，動態調整占空比，減少空閑偵聽造成的能耗。不足之處是，節點在TA 時隙內若未能偵聽到發送節點向接收節點發送數據的激活事件，直接進入休眠狀態，引起節點“早睡”問題，造成延遲。

T-MAC 協議自適應偵聽機制可有效降低周期性休眠帶來的時延，但同時也造成很多非相關節點的自適應偵聽，造成額外開銷，在能效方面表現欠缺。低能耗E2SMAC［13］協議利用節點偵聽到的RTS/CTS 消息，實現不同區域節點狀態的選擇，最大程度地減少無關鄰居節點喚醒，減少空閑偵聽和串聽帶來的能耗。

此外，動態占空比DSMAC［14］協議采用加倍占空比機制。偵聽/休眠調度機制與S-MAC 保持一致，在高負載時將加倍占空比，使節點能夠處理更多的數據包，減少時延。針對S-MAC 協議采用CSMA/CA 機制的二進制指數退避，在網絡負載高時競爭加劇，沖突隨之加劇，節點退避窗口變大，引起較長時延。Sift［15］協議采用CW 值固定窗口，節點使用非平均概率分布于不同的時隙發送數據，實現多個節點在不同時隙的數據無沖突發送。MAC 協議關于退避時間算法，包括倍數增加線性遞減退避MILD［16］算法、隊列退避算法BDQR［17］、流量預測的服務質量區分退避算法FPQoSD［18］、擁塞避免的自適應退避算法CABEB［19］、自適應隨機退避算法AD-BEB［20］等，都是依據網絡負載大小動態調整窗口CW 值，以減少時延。

為實現周期內多跳距離數據傳輸，LD-MAC［21］協議使用擴展RTS、CTS、ACK 幀進行多跳傳輸的節點路徑預約；RMAC［22］協議基于S-MAC，在DATA 階段傳輸數據包前發送一個多跳的PION 幀，并預約之后的多跳節點；類似設計多跳預約協議，PR-MAC［23］協議采用不同區域的節點選擇不同長度的幀結構，依據節點幀的同步特性進行路徑預約。

3.3 B-MAC

S-MAC 和T-MAC 協議采用周期性偵聽休眠機制，需形成偵聽/休眠時間調度表，網絡中節點才可以同時啟動，同時需要較為精確的時鐘同步。因此，B-MAC 協議（Berkeley MAC）［24］引入低功耗偵聽（Low Power Listening，LPL）的偵聽/休眠機制能得以有效改善。采用LPL 機制，網絡中節點可以根據需求制定自己的時間調度表，需周期性發送SYNC 同步消息構建時間調度表以保持所有節點時鐘同步。節點在發送數據包前發送一個前導碼，喚醒目標節點使之做好接收數據的準備。前導碼的長度需要大于接收節點的休眠時長，發送節點在此時間段內占用信道，保證接收節點能夠偵聽到前導碼，避免空傳。

相比周期性偵聽/休眠機制，B-MAC 協議有效縮短了喚醒時間，相對減少了空閑偵聽功耗。不足之處是，節點無需時鐘同步是以長前導碼為代價，每個數據包的傳輸需要消耗更多能量，網絡負載大時，前導碼會產生相當大的開銷；前導碼傳輸過程中，節點不能獲得目標節點的狀態消息，無論目標節點是否已經喚醒，都必須等待前導碼傳輸結束后才能夠傳輸數據，增加傳輸延遲，且其他節點也能接收到該前導碼，造成串聽問題。

3.4 WiseMAC

B-MAC 協議節點每一次將數據發送給目標節點時都必須發送一次前導碼，等待目標節點喚醒。若節點在完成前傳輸，且在下一次傳輸前獲得目標節點的時間調度表，即可在目標節點喚醒偵聽信道時，再發送前導碼，節省由長前導碼帶來的能量損耗。而WiseMAC 協議［25］采用局部自同步，通過節點維護本地鄰居節點時間調度表，最小化前導碼的長度。在目標節點完成數據包的接收，向發送節點反饋的ACK 消息中添加目標節點的時間調度表信息，發送節點收到后更新鄰居調度表，確保下一次數據傳輸時，在目標節點喚醒前再發送前導碼。

WiseMAC 協議最小化前導碼，減少傳輸前導碼的能耗，且很大程度上提高目標節點偵聽到前導碼的正確率，減少數據空傳發生；小的前導碼也減少了鄰居串聽帶來的能耗。不足之處是，鄰居節點休眠/喚醒調度時間一般不一致，節點需要更新并存儲鄰居節點的時間調度表，耗能且會占用存儲空間，網絡負載較大時，存儲空間被過多占用，增加協議實現的復雜度。

3.5 X-MAC

X-MAC 協議［26］采用短小的脈沖前導碼機制且引入握手機制，優化前導碼過長以及鄰居節點串聽問題。每個脈沖前導碼中都帶有目標節點的地址信息，所有接收到脈沖前導碼的節點，都會與前導碼中的目標節點地址信息對比，若不是目標接收節點，節點立即返回休眠狀態繼續周期性任務循環；若是目標接收節點，則在前導碼間隙內反饋給發送節點一個ACK 幀，與之建立連接，發送節點立刻停止繼續發送脈沖前導碼，轉而開始發送數據包。采用LPL 機制的B-MAC 協議中，接收節點在完成當前數據包接收后依然保持活躍狀態的時間內，若有其他節點想與之通信，必須等待下一周期發送前導碼確認后，才能夠發送數據，增加時延與開銷。對此，X-MAC 協議中引入隨機退避，接收節點在當前傳輸完成后，會保持一段最大隨機退避時間的活躍狀態，而其他節點能夠偵聽到反饋給當前發送節點的ACK 幀，之后隨機退避一段時間，省略前導碼發送步驟，直接向目標節點發送數據。

X-MAC 協議采用脈沖前導碼機制，減少傳輸長前導碼以及節點過度偵聽的能耗。不足之處是，接收節點在保持隨機退避活躍狀態的時間內，若沒有其他節點與之通信，操作無效會增加時延，且可能造成串聽。

B-MAC、WiseMAC、X-MAC 協議都是采用前導碼機制的協議，此外還有稀疏拓撲和能源管理STEM［27］協議依賴正在傳輸的小數據包，而不是單一的長前導碼，減少偵聽階段時間。節點配置兩個收發機，主收發機和喚醒收發機，在發送節點發送喚醒數據包后偵聽信道，若偵聽到來自目標節點的反饋，再進行數據傳輸則沒有能量浪費。

WiseMAC 協議和STEM 協議都通過縮短前導碼減少能量損耗，CSMA-MPS［28］協議結合這兩者，采用STEM 協議中的多個小喚醒數據包，同時采用WiseMAC 協議中鄰居節點時間調度表，再發送喚醒數據包，改善性能。類似長前導碼設計的協議還有微幀MFP［29］協議、低功耗分散Speck-MAC［30］協議。

4 混合型MAC 協議

混合型MAC 協議旨在結合調度與競爭兩種方式進行信道分配權衡，根據網絡負載大小，調整信道獲取方式。通常負載小時以競爭為主，通信簡易靈活且擴展性好；負載大時以調度為主，通信時延較小且避免碰撞和串聽。但混合型協議為了滿足網絡要求，設計相對復雜，運行協議控制開銷大。

本文選擇典型的混合型MAC協議，即IEEE802.15.4MAC協議和Z-MAC 協議的研究。

4.1 IEEE802.15.4 MAC

IEEE 802.15.4 網絡標準［31］是為低數據速率而設計，其中MAC 協議結合了基于調度和競爭的兩種MAC 協議。網絡模式分為信標使能和非信標使能兩種模式，非信標使能模式下，網絡中節點采用非時隙CSMA/CA 機制競爭信道并傳輸數據。

信標使能模式引入占空比，時間結構采用有固定工作周期的超幀，超幀由活躍周期和非活躍周期組成，數據傳輸集中在活躍期，非活躍期節點進入休眠狀態以減少能耗。活躍期包含16 個等間時隙，進一步劃分為信標周期、競爭訪問期（Contention Access Period，CAP）和非競爭訪問期（Contention-Free Period，CFP）即保證時段（Guaranteed Time Slot，GTS）。協調器在信標周期內廣播信標幀，全網節點時鐘同步且分配時隙，在競爭訪問期，節點利用時隙CSMA/CA 機制競爭信道，在給定的時隙內進行數據傳輸。非競爭訪問期是由信標幀依據網絡流量設置，是可選的，協調器針對高優先級節點傳輸要求，在非競爭訪問期分配了GTS 傳輸數據。

IEEE802.15.4 MAC 協議為小負載網絡節點接入信道提供了一種靈活的方式，提高網絡擴展性且通過GTS 機制保證數據傳輸。不足之處是，GTS 可用時隙數目最大為7，無法滿足高負載網絡數據傳輸。超幀活躍周期長度必須通過超幀指標（SuperframeOrder，SO）等參數預先配置，不能實時擴展以處理突發流量負載，導致帶寬受限。

在混合MAC 協議IEEE 802.15.4 基礎上，Queue-MAC［32］協議采用標準IEEE 802.15.4 MAC 的超幀結構，將“隊列指示器”定義為IEEE 標準MAC 包有效載荷的第一個字節，以此描述節點的負載，隊列長度作為網絡流量指示器，根據當前網絡流量動態調整占空比。基于Queue-MAC，iQueue-MAC［33］協議引入跳頻和路由節點突發傳輸機制，增強協議對節點多跳和多信道接入的支持。pQueue-MAC［34］在Queue-MAC 的競爭階段使用序言采樣檢查低流量條件下的潛在通信。即通過信道監聽，可以確定哪些節點選擇休眠以節能，哪些節點選擇保持活躍以進行數據交換。節點隊列中的數據包需等待協調器廣播下一信標幀后才能發送，時延很大。因此，eQueue-MAC［35］協議采用在競爭周期和非競爭周期間插入次信標幀，實現當前超幀內時隙分配。

4.2 Z-MAC

Z-MAC 混合協議（Zebra MAC）［36］以CSMA 競爭機制為基準，競爭加劇時以TDMA 調度機制分配信道使用權。ZMAC 協議包括啟動階段和通信階段兩個階段，啟動階段由鄰居發現、時隙分配、本地時間幀交換、全局時間同步4 步驟構成。協議運行之初，鄰居發現階段每個節點通過信息交換收集兩跳鄰居節點信息，再執行DRAND 算法為每個節點分配時隙，與兩跳范圍鄰居節點時隙不會沖突，確保節點一跳范圍數據傳輸不會發生碰撞。采用本地幀結構，節點時隙分配后，指定自身本地時間幀的大小，與節點兩跳范圍鄰居節點數相對，確保節點兩跳范圍內所有節點的數據傳輸都不會發生碰撞。網絡初始化后，所有節點獲得全局時鐘，且分配了時隙，在此時隙內，時隙所有者的優先權最高。網絡負載小、競爭低的情況下，節點處于低沖突級別狀態，可在所分配時隙內優先發送數據，若沒有數據傳輸，其他所有節點都可通過競爭“竊取”信道；網絡負載大、競爭激烈情況下，節點處于高沖突級別狀態，會發出一個顯示反饋通知（Explicit Contention Notification，ECN）消息給兩跳鄰居節點，禁止競爭時隙，只有時隙所有者及其一跳鄰居可以競爭信道。時隙所有者優先級機制實現了依據競爭程度隱式切換CSMA 和TDMA 機制。

Z-MAC 協議與基于競爭的協議相比，在高負載時有更少能耗，但為了避免沖突，限制了節點發送數據的可選擇時隙，增加了時延；與基于調度的協議相比，在低負載時可維持與之相當的時延，但仍然避免不了隱終端問題。且ZMAC 采用的ECN 機制競爭激烈時容易聚爆，對此需要通過更多控制抑制聚爆，從而增加了開銷。

針對Z-MAC 協議應用的DRAND 算法復雜度較高問題，設計一種基于能量和拓撲因子的分布式TDMA 時隙調度E-T DRAND［37］算法。該算法考慮了網絡節點的鄰居數和剩余能量，降低了消息復雜度、時間復雜度，從而減少了算法的執行時間和能量消耗，提高了TDMA 時隙調度效率。但當連續時隙請求發生時，相鄰節點之間交換數據包過多，會導致時隙分配時間和輪數不收斂，這將增加數據包交換的數量和時隙分配的運行時間。在此基礎上，通過引入Lamport 的面包樹算法思想，提出基于指數回退規則和能量拓撲因子的分布式TDMA 調度EB-ET DRAND［38］優先級控制算法，對時隙分配的優先級進行適當調整。

5 結語

無線傳感器網絡研究熱度不減，而MAC 協議對網絡整體性能有直接影響。本文將MAC 協議分為調度型、競爭型和混合型三大類，并對典型的MAC 協議進行系統梳理和分析比較。研究發現，調度型MAC 協議網絡擴展性相對較差，但低負載時空時隙易造成能量浪費；競爭型MAC 協議復雜度低，但高負載時沖突頻繁易增加能耗；混合型MAC協議更能適應網絡動態變化，但協議復雜度高且運行開銷大。通過研究可知，現有的MAC 協議還沒有一種能夠適合所有WSN 應用且保持高性能。因此，MAC 協議設計在滿足網絡需求且提高整體性能方面還有較大改進空間。