摘 要：在分析傳感器網(wǎng)絡(luò)" title="無線傳感器網(wǎng)絡(luò)">無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC設(shè)計(jì)中需要考慮的問題的基礎(chǔ)上，對(duì)近幾年提出的幾種典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議進(jìn)行了深入探討，并討論了其性能上的優(yōu)劣，最后提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)? 媒體接入控制協(xié)議? 競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制
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??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組無線傳感器以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀測(cè)者。同其他網(wǎng)絡(luò)一樣，媒體接入控制MAC（Medium Access Control）在成功運(yùn)轉(zhuǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)過程中是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。MAC協(xié)議的基本任務(wù)是解決節(jié)點(diǎn)共享網(wǎng)絡(luò)媒體的接入問題。要為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一個(gè)好的MAC協(xié)議需要考慮以下幾個(gè)方面：首先是能耗，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常是電池供電，并且一般情況下很難為這些節(jié)點(diǎn)更換電池，節(jié)點(diǎn)擁有足夠長(zhǎng)的生命期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)首要特性；其次是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及節(jié)點(diǎn)稠密程度變化的自適應(yīng)性調(diào)整，一個(gè)好的MAC協(xié)議應(yīng)該能夠很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的這些變化；MAC協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該考慮的性能準(zhǔn)則包括公平性、吞吐量和延遲等[1]。其中，能量消耗" title="能量消耗">能量消耗問題最為重要。
??? 目前，已經(jīng)提出的眾多MAC協(xié)議中并沒有“最好的”。對(duì)于協(xié)議的適當(dāng)選擇取決于應(yīng)用背景、所期待的負(fù)載類型、所希望的配置情況以及具體硬件的能量消耗等。本文介紹近年來出現(xiàn)的一些MAC協(xié)議，并討論這些協(xié)議的優(yōu)劣。
MAC層能耗分析及MAC協(xié)議分類
??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)消耗較大的能量。文獻(xiàn)[2]將一個(gè)收發(fā)機(jī)的狀態(tài)分為四種，即發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、空閑狀態(tài)和休眠狀態(tài)。其中，發(fā)送狀態(tài)非常消耗能量，接收狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)能耗相當(dāng)，空閑狀態(tài)能量消耗相對(duì)較少，休眠狀態(tài)則幾乎不消耗能量。能量損耗主要在以下幾方面[3]：
??? (1)碰撞。由于隱終端等問題的存在，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，可能有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)而產(chǎn)生碰撞，產(chǎn)生碰撞后數(shù)據(jù)需要重傳，這需要消耗更多的能量。
??? (2)偷聽。無線媒體是一個(gè)廣播媒體，如果源節(jié)點(diǎn)的所有相鄰節(jié)點(diǎn)均處于接收狀態(tài)，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以聽到分組的傳輸，并且當(dāng)某個(gè)分組不是發(fā)向某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)將其丟棄，稱這個(gè)節(jié)點(diǎn)偷聽了傳輸?shù)姆纸M，而節(jié)點(diǎn)在處理這些分組時(shí)要消耗不必要的能量。
??? (3)協(xié)議開銷。協(xié)議開銷包含在MAC的控制幀中，例如RTS/CTS(請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送)分組。此外，每個(gè)分組的首部和尾部也是一種開銷。
??? (4)空閑監(jiān)聽。處于空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)隨時(shí)準(zhǔn)備接收分組數(shù)據(jù)，但是在這個(gè)狀態(tài)并沒有接收到任何分組。這種準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)是有消耗的，并且在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低的條件下是不必要的。
??? 因此在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)，必須針對(duì)上述可能造成傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損耗的主要因素進(jìn)行分析，以提高協(xié)議的效率。
??? 目前針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的分類方法有很多，基于解決所存在能量問題的方式可分如下兩類：
??? (1)基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議。這類協(xié)議的典型代表有STEM協(xié)議、S-MAC協(xié)議、CSMA協(xié)議、PAMAS協(xié)議以及仲裁設(shè)備協(xié)議等。
??? (2)基于時(shí)間表的協(xié)議。這些協(xié)議的典型代表有LEACH協(xié)議、SMACS協(xié)議以及TRAMA協(xié)議。
??? 本文主要介紹基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議。
基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議分析
STEM協(xié)議
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??? STEM(稀疏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與能量管理)協(xié)議提供了一個(gè)解決空閑監(jiān)聽問題的方法。STEM目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)是為等待并報(bào)告某些特定事件而開發(fā)的。這種網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)監(jiān)視狀態(tài)，當(dāng)處于這種狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，不做任何事情；另外，網(wǎng)絡(luò)還有一個(gè)傳輸狀態(tài)，當(dāng)處于這種狀態(tài)時(shí)節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出顯著的偵聽和通信能力。STEM試圖取消監(jiān)視狀態(tài)中的空閑監(jiān)聽操作，并根據(jù)需要加快從監(jiān)視狀態(tài)進(jìn)入傳輸狀態(tài)的速度。
??? STEM目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要兩個(gè)收發(fā)機(jī)，工作于兩個(gè)不同的信道，分別稱為喚醒信道和數(shù)據(jù)信道[4]。由于STEM目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的特殊性，數(shù)據(jù)信道一般總是處于休眠模式，除非進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。在喚醒信道，時(shí)間被劃分成一些固定長(zhǎng)度為T的喚醒時(shí)段。而一個(gè)喚醒時(shí)段又進(jìn)一步劃分為一個(gè)長(zhǎng)度為TRx<
?? ?如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)聽時(shí)段，其喚醒信道的接收機(jī)要開啟并調(diào)到f1頻段等待接收信號(hào)。如果在TRx時(shí)段內(nèi)沒有接收到任何信息，則再轉(zhuǎn)換到休眠模式。如果TRx時(shí)段內(nèi)接收到某源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的喚醒信標(biāo)，則該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信道的收發(fā)機(jī)將在f2頻段啟動(dòng)一個(gè)分組的傳輸。這就避免了喚醒信道與數(shù)據(jù)信道的相互干擾。STEM使目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)對(duì)源節(jié)點(diǎn)發(fā)射機(jī)引起重視的方法有兩個(gè)：STEM-B和STEM-T。
??? STEM-B中，源發(fā)射機(jī)在喚醒信道周期性地發(fā)送信標(biāo)，這種信標(biāo)表明了源發(fā)射機(jī)和目標(biāo)接收機(jī)的MAC地址，一旦接收機(jī)接收到該信標(biāo)，它立即向喚醒信道發(fā)一個(gè)確認(rèn)幀信標(biāo)，并使接收機(jī)切換到數(shù)據(jù)信道，然后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可在數(shù)據(jù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
??? STEM-T中，發(fā)射機(jī)在其喚醒信道發(fā)送一個(gè)沒有攜帶任何地址信息的忙音信號(hào)，所有鄰近節(jié)點(diǎn)均能偵聽到這個(gè)忙音信息并將自身切換到各自的數(shù)據(jù)信道，但并不發(fā)送確認(rèn)信息。如果節(jié)點(diǎn)能從后續(xù)的數(shù)據(jù)交換中確定自己不是本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?duì)象，則重新轉(zhuǎn)換到休眠模式。
??? 在低負(fù)載" title="低負(fù)載">低負(fù)載的情況下，STEM-T比STEM-B更可取。從喚醒等待時(shí)間來看，如果喚醒信道沒有碰撞發(fā)生，則STEM-B的喚醒等待時(shí)間約為STEM-T的一半。然而由于STEM-T的TRx比STEM-B的TRx要短，并且STEM-T無需確認(rèn)分組，因此從能耗角度看，STEM-T的優(yōu)越性更大一些。
S-MAC協(xié)議
????在前文中分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的四個(gè)方面，S-MAC協(xié)議在降低能耗方面考慮了所有四個(gè)能耗原因，并且，與STEM協(xié)議不同，S-MAC方法不需要兩個(gè)不同的信道。這種方法的基本模式可以用圖2描述[5]。圖中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)休眠一段時(shí)間后蘇醒并且監(jiān)聽是否有節(jié)點(diǎn)要傳送數(shù)據(jù)給它。在休眠期，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉其收發(fā)機(jī)并且為一段時(shí)間后喚醒自己設(shè)定一個(gè)時(shí)鐘。
???? S-MAC協(xié)議主要采用了如下機(jī)制：
??? (1)周期性喚醒：每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地調(diào)度它的工作狀態(tài)，周期性地轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)" title="睡眠狀態(tài)">睡眠狀態(tài)，在蘇醒后監(jiān)聽信道狀態(tài)，判斷是否需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)" title="接收數(shù)據(jù)">接收數(shù)據(jù)。S-MAC將監(jiān)聽時(shí)段進(jìn)一步劃分為三個(gè)不同的時(shí)段：SYNCH階段、RTS階段和CTS階段。其中，SYNCH階段用來保證時(shí)間同步，并且新節(jié)點(diǎn)可以通過周期性地發(fā)送SYNCH分組了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；RTS階段用來發(fā)送RTS分組，可與第三階段的CTS分組一起減少數(shù)據(jù)分組的碰撞。
??? (2)沖突避免：如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)同時(shí)要求與它通信，則這些節(jié)點(diǎn)會(huì)在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)蘇醒開始監(jiān)聽時(shí)競(jìng)爭(zhēng)信道。S-MAC的處理方法與802.11相似，它采用的是物理或虛擬載波偵聽，并且采用RTS/CTS方法解決隱終端問題。所謂虛擬載波偵聽是指每個(gè)節(jié)點(diǎn)中設(shè)一個(gè)變量NAV，用來記錄其他節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。每當(dāng)一個(gè)傳輸時(shí)間結(jié)束，NAV減1。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)初始化數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先檢查它的NAV，如果其值不是零，則信道忙，需等待一段時(shí)間才能發(fā)送。這個(gè)過程稱為虛擬載波偵聽。
??? (3)流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制：在一次通信過程中，通信節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)在通信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時(shí)間。如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)接收到RTS分組，則可以立即接收數(shù)據(jù)，否則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。
??? (4)信息通過方法：S-MAC協(xié)議采用一種“信息通過（Message-passing）”方法。所謂信息是一個(gè)較大的數(shù)據(jù)項(xiàng)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的處理通常要求節(jié)點(diǎn)的集合接收一個(gè)完整的信息。另一方面，對(duì)于無線媒體，最好將一個(gè)較長(zhǎng)的分組拆分成若干較短的分組。S-MAC協(xié)議利用RTS/ CTS 機(jī)制，一次預(yù)約發(fā)送整個(gè)信息的時(shí)間，并將一個(gè)信息分割成幾個(gè)小分組在預(yù)約的時(shí)間內(nèi)突發(fā)傳送。
??? S-MAC協(xié)議存在一個(gè)主要的缺點(diǎn)是不太適應(yīng)喚醒時(shí)段長(zhǎng)度的變化，這是因?yàn)橐话闱闆r下這個(gè)時(shí)段的長(zhǎng)度是固定的[6]。
與S-MAC相似的另一個(gè)基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議是T-MAC協(xié)議。T-MAC協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于可以自適應(yīng)地縮短監(jiān)聽時(shí)段，如果節(jié)點(diǎn)在確定的時(shí)間內(nèi)偵聽媒體沒有得到相關(guān)信息，則允許其盡快返回休眠模式，即監(jiān)聽階段可以盡快結(jié)束，也就是說T-MAC協(xié)議中節(jié)點(diǎn)休眠與活動(dòng)時(shí)間是隨通信流量動(dòng)態(tài)變化的。而S-MAC的監(jiān)聽時(shí)段是固定長(zhǎng)度的。
CSMA協(xié)議
??? Woo和Culler研究了CSMA協(xié)議的一些變化形式，著重研究了這些協(xié)議的內(nèi)在能量消耗和公平性，但該協(xié)議沒有采取任何措施以避免空閑監(jiān)聽或偷聽的發(fā)生。
??? CSMA協(xié)議的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和STEM目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)具有相同的通信量模式。圖3給出了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送過程的步驟[7]。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)從其上層得到一個(gè)待發(fā)送的新分組時(shí)，會(huì)啟動(dòng)一個(gè)隨機(jī)延遲，并將次數(shù)計(jì)數(shù)器num_retries置0。在后續(xù)的監(jiān)聽階段，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行載波偵聽操作。如果媒體為忙狀態(tài)，且試驗(yàn)的次數(shù)小于設(shè)定的最大值，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入回退模式；如果媒體處于忙狀態(tài)且節(jié)點(diǎn)已經(jīng)用盡最大試驗(yàn)次數(shù)，則將分組丟棄。如果載波偵聽的結(jié)果是媒體空閑，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS分組并等待CTS分組，若CTS分組到達(dá)，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，若CTS分組未到達(dá)或另一個(gè)CTS分組被接收到，則節(jié)點(diǎn)根據(jù)num_retries的值決定是進(jìn)入回退模式還是丟棄分組。
??? CSMA協(xié)議的若干變形，如無隨機(jī)延遲與有隨機(jī)延遲、固定窗口回退、指數(shù)增長(zhǎng)回退等已經(jīng)有不少在單跳觸發(fā)情況下進(jìn)行的研究。研究結(jié)果表明：這些方法可以得到很好的吞吐量以及比較低的能量消耗。
PAMAS協(xié)議
??? PAMAS協(xié)議最初是為ad hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的。這個(gè)協(xié)議提供了一個(gè)避免偷聽的機(jī)制，但是沒有考慮空閑監(jiān)聽的問題。這個(gè)協(xié)議的關(guān)鍵思想是將忙音方法與RTS/CTS握手技術(shù)相結(jié)合。該協(xié)議的特點(diǎn)是使用了兩個(gè)信道，這一點(diǎn)與STEM相似。它的兩個(gè)信道分別為數(shù)據(jù)信道和控制信道。所有的信令分組（RTS，CTS，忙音等）都是經(jīng)由控制信道傳輸，而數(shù)據(jù)信道則保留給數(shù)據(jù)分組。
??? 現(xiàn)假設(shè)某節(jié)點(diǎn)x要發(fā)送數(shù)據(jù)給其相鄰節(jié)點(diǎn)y。x先在其控制信道發(fā)送一個(gè)帶有x和y的MAC地址的RTS分組，此時(shí)分兩種情況：若y收到該分組且其周圍沒有其他分組傳輸，則發(fā)送一個(gè)CTS分組應(yīng)答，一旦x收到CTS應(yīng)答就利用數(shù)據(jù)信道傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)y節(jié)點(diǎn)開始接收數(shù)據(jù)時(shí)在其控制信道發(fā)出一個(gè)忙音分組；若y周圍有一個(gè)節(jié)點(diǎn)z正在接收數(shù)據(jù)，則z會(huì)返回忙音分組，這個(gè)忙音分組影響了y的CTS應(yīng)答分組，此時(shí)，PAMAS協(xié)議要求y抑制其CTS的發(fā)送，從而引起x的回退。另外，PAMAS協(xié)議還提供了解決何時(shí)將節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)置于休眠模式問題的方法。
??? PAMAS協(xié)議應(yīng)用于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，低負(fù)載情況下的能量節(jié)省取決于平均節(jié)點(diǎn)度（即一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有的相鄰節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)），低負(fù)載情況下控制分組的數(shù)量要比重負(fù)載情況少。仿真試驗(yàn)[8]結(jié)果表明，PAMAS協(xié)議在較低負(fù)載、較高節(jié)點(diǎn)度時(shí)節(jié)省60％的能量，而在較低負(fù)載、較低節(jié)點(diǎn)度時(shí)仍能節(jié)省20％～30%的能量，在高負(fù)載的情況下，可獲得10％～40％的能量節(jié)省，節(jié)點(diǎn)度越高，能量節(jié)省的越多。
??? 本文針對(duì)幾種典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC 協(xié)議進(jìn)行了分析。可以看出現(xiàn)有的關(guān)于MAC協(xié)議的研究還不完善，主要問題在于網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性對(duì)信道策略的不良影響以及在一定程度上節(jié)省了能量的同時(shí)卻降低了帶寬利用率和增加了通信時(shí)延。如果單獨(dú)考慮MAC層的設(shè)計(jì)，現(xiàn)有協(xié)議對(duì)以上問題的解決都不是很理想。如果將其他層的設(shè)計(jì)滲透到MAC層中，采用跨層設(shè)計(jì)，就可以最大限度地利用無線網(wǎng)絡(luò)的資源。這也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議后續(xù)研究的一個(gè)方向。
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