精品文檔無線傳感器網絡MAC協議摘要 近年來，無線傳感器網絡(WSNs)作為國內外一個新興的研究方向，吸引了許多研究者和機構的廣泛關注。本文從無線傳感器網絡 MAC 協議角度出發，介紹了無線傳感器網絡的MAC 協議及當前的研究現狀，分析了無線傳感器網絡協議和傳統網絡協議在設計上的不同點，對已有的MAC 協議進行分類，著重研究和比較了S-MAC和T-MAC無線傳感器網絡MAC 協議。最后，展望了無線傳感器網絡MAC協議的進一步研究策略和發展趨勢。關鍵詞 無線傳感器網絡(WSNs)，MAC協議，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-efficiency1、 緒論IEEE802系列標準把數據鏈路層分成MAC（Media Access Control，介質訪問控制）和LLC（Logical Link Control，邏輯鏈路控制）兩個子層。上面的LLC子層實現數據鏈路層與硬件無關的功能，比如流量控制、差錯恢復等；較低的MAC子層提供LLC和物理層之間的接口。其中MAC子層定義了數據包怎樣在介質上進行傳輸。在共享同一個帶寬的鏈路中，對連接介質的訪問是“先來先服務”的。物理尋址在此處被定義，邏輯拓撲（信號通過物理拓撲的路徑）也在此處被定義。線路控制、出錯通知（不糾正）、幀的傳遞順序和可選擇的流量控制也在這一子層實現1。在無線傳感器網絡中，為了應對可能出現多個節點設備同時接入信道，從而導致分組之間相互沖突，使接收方無法分辨出接收到的數據，浪費信道資源，吞吐量顯著下降。為了解決這些問題，就需要MAC（介質接入控制）協議，而MAC協議指的就是通過一組規則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質，它決定了節點什么時候允許發送分組，而且通常控制對物理層的所有訪問。在無線傳感器網絡中，為了實現多點通信，由 MAC（Medium Access Control）介質訪問控制層協議決定了局部范圍無線信道的使用方式，以及多跳自組織無線傳感器網絡節點之間的通信資源分配，也就是說必須實現兩大基本功能目標：在傳感器分布的現場能夠有助于建立起一個基本網絡基礎設施所需的數據通信鏈路；協調共享介質的訪問，以便傳感器網絡節點能夠公平有效地分享通信資源2。2、 無線傳感器網絡MAC協議2.1、引言MAC協議位于OSI七層協議中數據鏈路層，數據鏈路層分為上層LLC（Logical Links Control，邏輯鏈路控制），和下層的MAC（媒體訪問控制），MAC主要負責控制與連接物理層的物理介質。在發送數據的時候，MAC協議可以事先判斷是否可以發送數據，如果可以發送將給數據加上一些控制信息，最終將數據以及控制信息以規定的格式發送到物理層；在接收數據的時候，MAC協議首先判斷輸入的信息并是否發生傳輸錯誤，如果沒有錯誤，則去掉控制信息發送至LLC（邏輯鏈路控制）層。MAC協議的主要功能則是避免多個節點同時發送數據產生沖突，控制無線信道的公平合理使用，構建底層的基礎網絡結構。MAC 協議最重要的功能是確定網上的某個站點占有信道，即信道分配問題。在設計無線傳感器網絡的 MAC 層協議時，下面三個方面問題最值得重點關注3：能量感知和節省；網絡效率（包括公平性、實時性、網絡吞吐率和帶寬利用率等）；可擴展性。盡管藍牙（Bluetooth）、移動自組織網絡（MANET）和無線傳感器網絡在通信基礎設施上有相似的地方，但由于網絡壽命的制約，沒有哪個現存的藍牙或移動自組織網絡MAC 協議可以直接用在無線傳感器網絡。除了節能和有效節能外，移動性管理和故障恢復策略也是無線傳感器網絡MAC 協議首要關注的問題之一。盡管移動蜂窩網絡、Ad-hoc 和藍牙技術是當前主流的無線網絡技術，但它們各自的MAC 協議不適合無線傳感器網絡，如GSM 和CDMA 中的介質訪問控制主要關心如何滿足用戶的QoS 要求和節省帶寬資源，能耗是第二位的；Ad-Hoc 網絡則考慮如何在節點具有高度移動性的環境中建立彼此間的鏈接，同時兼顧一定的QoS 要求，能耗也不是其首要關心的；而藍牙采用了主從式的星型拓撲結構，這本身就不適合傳感器網絡自組織的特點。綜上所述，需要為為無線傳感器網絡設計符合其自身特點的MAC 層協議。2.2、無線傳感器網絡MAC協議分類MAC協議主要負責協調網絡節點對信道的共享。WSNs網絡的MAC協議可以按以下幾種不同的方式進行分類：1） 根據采用分布式控制還是集中控制，可分為分布式執行的協議和集中控制的協議。 這類協議與網絡的規模直接有關，在大規模網絡中通常采用分布式的協議。2） 根據使用的信道數，即物理層所使用的信道數，可分為單信道、雙信道和多信道，如S-MAC，LEEM分別為單信道和雙信道的MAC協議。使用單信道的MAC協議，雖然節點的結構簡單，但無法解決能量有效性和時延的矛盾；而多信道的MAC協議可以解決這個問題，但增加了節點結構的復雜性。3） 根據信道的分配方式，可分為基于TDMA的時分復用固定式、基于CSMA的隨機競爭式和混合式三種。基于TDMA的固定分配類MAC層協議，通過把時分復用（TDMA）和頻分復用（FDMA）或者碼分復用（CDMA）的方式相結合，實現無沖突的強制信道分配，如下面要討論的C-TDMA 協議；以競爭為基礎的MAC協議，通過競爭機制，保證節點隨機使用信道，并且不受其他節點的干擾，如S-MAC。混合式是把基于TDMA的固定分配方式和基于CSMA 的競爭方式相結合，以適應網絡拓撲、節點業務流量的變化等，如Z-MAC4。4） 根據接收節點的工作方式，可分為偵聽、喚醒和調度三種。在發送節點有數據需要傳遞時，接收節點的不同工作方式直接影響數據傳遞的能效性和接入信道的時延等性能。 接收節點的持續偵聽，在低業務的WSNs網絡中，造成節點能量的嚴重浪費。通常采用周期性的偵聽睡眠機制以減少能量消耗，但引入了時延。為了進一步減少空閑偵聽的開銷，發送節點可以采用低能耗的輔助喚醒信道發送喚醒信號， 以喚醒一跳的鄰居節點，如STEM協議5。 在基于調度的MAC 協議中，接收節點接入信道的時機是確定的，知道何時應該打開其無線通信模塊，避免了能量的浪費。5）根據不同的用戶應用需求，可分為基于競爭的MAC協議、基于固定分配的MAC協議以及基于按需分配的MAC協議三類。其中基于競爭的MAC協議，即節點在需要發送數據時采用某種競爭機制使用無線信道。這就要求在設計的時候必須要考慮到如果發送的數據發生沖突，采用何種沖突避免策略來重發，直到所有重要的數據都能成功發送出去。基于固定分配的MAC協議，即節點發送數據的時刻和持續時間是按照協議規定的標準來執行，這樣以來就避免了沖突，不需要擔心數據在信道中發生碰撞所造成的丟包問題。目前比較成熟的機制是時分復用（TDMA）。基于按需分配的MAC協議，即根據節點在網絡中所承擔數據量的大小來決定其占用信道的時間，目前主要有點協調和無線令牌環控制協議兩種方式。2.3、無線傳感器網絡MAC協議的設計思想傳感器節點的能量、存儲、計算和通信帶寬等資源有限，單個節點的功能比較弱，而傳感器網絡的強大功能是由眾多節點協作實現的。多點通信在局部范圍需要MAC 協議協調其間的無線信道分配，在整個網絡范圍內需要路由協議選擇通信路徑。在設計無線傳感器網絡的MAC 協議時6-7，需要著重考慮以下幾個方面：（1）節省能量。傳感器網絡的節點一般是以干電池、紐扣電池等提供能量，而且電池能量通常難以進行補充，為了長時間保證傳感器網絡的有效工作，MAC 協議在滿足應用要求的前提下，應盡量節省使用節點的能量。（2）可擴展性。由于傳感器節點數目、節點分布密度等在傳感器網絡生存過程中不斷變化，節點位置也可能移動，還有新節點加入網絡的問題，所以無線傳感器網絡的拓撲結構具有動態性。MAC 協議也應具有可擴展性，以適應這種動態變化的拓撲結構。（3）沖突避免。沖突避免是MAC協議的一項基本任務。它決定網絡中的節點何時、以何種方式訪問共享的傳輸媒體和發送數據。在WSNs 網絡中，沖突避免的能力直接影響節點的能量消耗和網絡性能。（4）信道利用率。信道利用率反映了網絡通信中信道帶寬如何被使用。在蜂窩移動通信系統和無線局域網中，信道利用率是一項非常重要的性能指標。因為在這樣的系統中，帶寬是非常重要的資源，系統需要盡可能地容納更多的用戶通信。相比之下，WSNs 網絡中處于通信中的節點數量是由一定的應用任務所決定的，信道利用率在WSNs網絡中處于次要的位置。（5）延遲。延遲是指從發送端開始向接收端發送一個數據包，直到接收端成功接收這一數據包所經歷的時間。在WSNs 網絡中，延遲的重要性取決于網絡的應用。（6）吞吐量。吞吐量是指在給定的時間內發送端能夠成功發送給接收端的數據量。網絡的吞吐量受到許多因素的影響，如沖突避免機制的有效性、信道利用率、延遲、控制開銷等。 和數據傳輸的延遲一樣，吞吐量的重要性也取決于WSNs網絡的應用。在WSNs 網絡的許多應用中，為了獲得更長的節點生存時間，允許適當犧牲數據傳輸的延遲和吞吐量等性能指標。（7）公平性。公平性通常指網絡中各節點、用戶、應用，平等地共享信道的能力。在傳統的語音、數據通信網絡中，它是一項很重要的性能指標。因為網絡中每一個用戶，都希望擁有平等發送、接收數據的能力。但是在WSNs網絡中，所有的節點為了一個共同的任務相互協作，在某個特定的時刻，存在一個節點相比于其他節點擁有大量的數據需要傳送。因此，公平性往往用網絡中某一應用是否成功實現來評價，而不是以每個節點平等發送、接收數據的能力來評價。由于現在傳感器節點的能量供應問題沒有得到很好解決，傳感器節點本身不能自動補充能量，節約能量成為傳感器網絡MAC 協議設計首要考慮的因素。在傳統網絡中，節點能夠連續地獲得能量供應，如在辦公室有穩定的電網供電，或者可以間斷但及時地補充能量，如筆記本電腦和手機等；整個網絡的拓撲結構相對穩定，網絡的變化范圍和變化頻率都比較小。因此，傳統網絡的MAC 協議重點考慮節點使用帶寬的公平性，提高帶寬的利用率以及增加網絡的實時性。而傳感網的MAC 協議于傳統網絡的MAC 協議所注重的因素正好相反，這意味著傳統網絡的MAC 協議不適用于傳感器網絡，需要研究和提出新的適用于傳感器網絡的MAC 協議。在無線傳感器網絡中，造成網絡能量浪費的主要原因包括以下幾個方面6-7：（1） 消息碰撞（Message collision）。如果 MAC 協議采用競爭方式使用共享的無線信道，節點在發送數據的過程中，可能會引起多個節點之間發送的數據產生碰撞。這就需要重傳發送的數據，從而消耗節點更多的能量。（2） 竊聽（Overhearing）。 無線信道是一個共享媒體，一個節點可能會接收到發送給其他節點的消息，這時節點消耗在接收數據上的能量被浪費掉了。因此從節能考慮，這時應將其無線傳輸模塊關閉。（3） 空閑偵聽（Idle listening）。 網絡中的節點，由于不能預知它的鄰節點什么時候會向其發送數據，所以將其無線收發模塊始終保持在接收模式，節點在不需要發送數據時一直保持對無線信道的空閑偵聽，以便接收可能傳輸給自己的數據。這種過度或沒必要的空閑偵聽同樣會造成節點能量的浪費。原因在于典型的無線收發模塊處于接收模式時消耗的能量，比其處于睡眠模式時要多幾個數量級。（4） 在控制節點之間的信道分配時，如果控制消息過多，也會消耗較多的網絡能量。（5）控制報文開銷（Control-packet overhead）。在MAC協議的頭字段和控制消息包（ACK/RTS/CTS）中沒有包含有效的數據，因此可認為是一種損耗。為了提高能效應該盡可能減少控制消息。（6）發送失效（Overemitting）。在目的節點沒有準備好接收時，發送節點發送了消息，造成能量的浪費。結合上述因素，在MAC 協議的設計，通常應該簡單高效，避免協議本身開銷大，消耗過多能量。2.4、無線傳感器網絡MAC協議分析（1） S-MAC協議圖1S-MAC協議。S-MAC（Sensor medium ac-cess control）協議11是Wei 等在IEEE 802.11協議的基礎上，針對WSNs網絡的能量有效性而提出的專用于WSNs網絡的節能MAC協議。 S-MAC協議設計的主要目標是減少能量消耗，提供良好的可擴展性。它針對WSNs網絡消耗能量的主要環節，采用了以下三方面的技術措施來減少能耗： a）周期性偵聽和休眠。如圖1所示，每個節點周期性地轉入休眠狀態，周期長度是固定的，節點的偵聽活動時間也是固定的。如圖2所示，圖中向上的箭頭表示發送消息，向下的箭頭表示接收消息。上面部分的信息流，表示節點一直處于偵聽方式下的消息收發序列；下面部分的信息流，表示采用S-MAC 協議時的消息收發序列。節點蘇醒后進行偵聽，判斷是否需要通信。為了便于通信，相鄰節點之間，應該盡量維持調度周期同步，從而形成虛擬的同步簇。同時每個節點需要維護一個調度表，保存所有相鄰節點的調度情況。在向相鄰節點發送數據時喚醒自己。每個節點定期廣播自己的調度，使新接入節點可以與已有的相鄰節點保持同步。如果一個節點處于兩個不同調度區域的重合部分，則會接收到兩種不同的調度，節點應該選擇先收到的調度周期。b） 消息分割和突發傳輸。考慮到WSNs網絡的數據融合和無線信道的易出錯等特點，將一個長消息分割成幾個短消息，利用RTS/CTS機制一次預約發送整個長消息的時間，然后突發性地發送由長消息分割的多個短消息。發送的每個短消息都需要一個應答ACK，如果發送方對某一個短消息的應答沒有收到，則立刻重傳該短消息。c）避免接收不必要消息。采用類似于802.11的虛擬物理載波監聽和RTS/CTS 握手機制，使不收發信息的節點及時進入睡眠狀態。 圖2 S-MAC協議S-MAC協議同IEEE 802.11相比，具有明顯的節能效果，但是由于睡眠方式的引入，節點不一定能及時傳遞數據，使網絡的時延增加、吞吐量下降；而且S-MAC采用固定周期的偵聽/睡眠方式，不能很好地適應網絡業務負載的變化。針對S-MAC協議的不足，其研究者又進一步提出了自適應睡眠的S-MAC協議12。在保留消息傳遞、虛擬同步簇等方式的基礎上， 引入了如下的自適應睡眠機制：如果節點在進入睡眠之前，偵聽到了鄰居節點的傳輸，則根據偵聽到的RTS 或CTS 消息，判斷此次傳輸所需要的時間；然后在相應的時間后醒來一小段時間（稱為自適應偵聽間隔），如果這時發現自己恰好是此次傳輸的下一跳節點，則鄰居節點的此次傳輸就可以立即進行，而不必等待；如果節點在自適應偵聽間隔時間內，沒有偵聽到任何消息，即不是當前傳輸的下一跳節點，則該節點立即返回睡眠狀態，直到調度表中的偵聽時間到來。自適應睡眠的S-MAC在性能上通常優于S-MAC，特別是在多跳網絡中，可以大大減小數據傳遞的時延。S-MAC和自適應睡眠的S-MAC協議的可擴展性都較好，能適應網絡拓撲結構的動態變化。缺點是協議的實現較復雜，需要占用節點大量的存儲空間，這對資源受限的傳感器節點，顯得尤為突出。（2） T-MAC協議 圖3T-MAC 協議13。 T-MAC（Timeout MAC）協議，實際上是S-MAC協議的一種改進，如圖3所示。S-MAC協議的周期長度受限于延遲要求和緩存大小，而偵聽時間主要依賴于消息速率。因此，為了保證消息的可靠傳輸，節點的周期活動時間必須適應最高的通信負載，從而造成網絡負載較小時，節點空閑偵聽時間的相對增加。針對這一不足，從而提出了T-MAC協議。該協議在保持周期偵聽長度不變的情況下，根據通信流量動態調整節點活動時間，用突發方式發送消息，減少空閑偵聽時間。其主要特點是引入了一個TA時隙。如圖4所示，圖中箭頭表示的意義與圖2相同。若TA 期間沒有任何事件發生，則節點進入睡眠狀態以實現節能。與S-MAC相比，主要的不同點是：T-MAC同樣引入串音避免機制，但在T-MAC 協議中，作為一個選擇項，可以設置也可以不設置。T-MAC與傳統無占空比的CSMA和占空比固定的S-MAC 比較，在負載不變的情況下，T-MAC和S-MAC節能相仿，而在可變負載的場景中，T-MAC要優于S-MAC。但T-MAC協議的執行，會出現早睡眠問題，引起網絡的吞吐量降低。為此，它采用了兩種方法來提高早睡眠引起的數據吞吐量下降：a）未來請求發送機制，b）滿緩沖區優先機制，但效果并不是很理想。總之，T-MAC協議在節能方面優于S-MAC，但要犧牲網絡的時延和吞吐量。T-MAC的其他性能與S-MAC相似。 圖4 T-MAC協議3、 未來展望無線傳感器網絡巨大的科學意義和應用價值，已經引起了學術界、工業界和軍事部門的極大關注，成為當前熱門的研究領域，其未來的廣泛應用將對人們的社會生活和產業變革帶來極大的影響和產生巨大的推動。在無線傳感網絡中，MAC 協議決定無線信道的使用方式，在傳感器節點之間分配有限的無線通信資源，處于傳感器網絡協議的物理層和路由層之間，用來構建傳感器網絡系統的底層基礎結構。因此，MAC 協議的效率對傳感器網絡的性能有較大影響，是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵網絡協議之一。作為無線傳感器網絡的“基石”，對于構建網絡拓撲，實現網絡管理等諸多方面至關重要。由于不同應用場合對網絡的要求不同，對MAC協議來說，不存在一個適用于所有WSNs網絡應用的MAC協議，也沒有一種協議在各方面明顯強于其他協議，各種MAC協議在能量有效性和網絡延遲等性能之間14-17，都存在不同程度的矛盾性，且受到多方面因素的制約，但能量有效性是設計一個好的MAC協議的關鍵因素，能量高效的MAC協議仍然是今后的一個開放性研究課題，在現有研究的基礎上，將來WSNs網絡MAC協議的進一步研究策略和發展趨勢如下：1.利用多信道和動態的信道分屏技術進行節能研究。隨著微電子機械技術的發展，低能、低成本、集成具有多信道或兩個不同頻率無線模塊的收發器已經成為可能。合理地使用多個信道的資源，基于局部節點協作的方法，進行信道的動態分配，可以實現節能和改進網絡性能。信道分配技術利用調度算法，在發送時隙和節點之間建立起特定的映射關系，為我們進行節能協議的設計提供了良好的條件。2.采用跨層優化設計。WSNs網絡由于受到節點的資源限制，分層的協議棧已不適應能量、內存等節點資源的有效利用。將MAC層、物理層以及網絡層的設計相結合，根據局部網絡的拓撲信息，采用綜合各層的設計方法，實現對節點工作模式的有效控制，減少控制開銷，從而取得更好的網絡性能18-20。參考文獻1 馬祖長, 孫怡寧, 梅濤. 無線傳感器網絡綜述J. 通信學報, 2004,25(4):114-123.2 李瑞芳, 李仁發, 羅娟. 無線多媒體傳感器網絡MAC 協議研究綜述J.通信學報, 2008, 29(8):111-123.3 蹇強，龔正虎，朱培棟等無線傳感器網絡MAC協議研究進展J軟件學報，2008，19(2)：3894034. 鄭國強,李建東,周志立.無線傳感器網絡MAC協議研究進展J.自動化學報.20085. 劉曉杰.無線傳感器網絡MAC層協議研究 D.上海交通大學.20086. 孫利民,李建中,陳渝等.無線傳感器網絡.北京：清華大學出版社.20057. 崔莉,鞠海玲,苗勇等.無線傳感器網絡研究進展 J.計算機研究與發展.2005，42(1)：163-1748. 李哲濤,朱更明,王志強等.低占空比、低碰撞的異步無線傳感器網絡MAC 協議 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