物聯(lián)網(wǎng)中MAC協(xié)議的研究

李萌　姜慧　李金蔚　劉嬌　周新麗

摘 要：在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，由于首要要考慮能源效率問題，所以，MAC協(xié)議設(shè)計不同于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)。文中綜述了不同MAC協(xié)議的核心機(jī)制、特點和優(yōu)缺點，同時對其競爭式、分配式和混合式中典型的MAC協(xié)議進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；MAC協(xié)議；競爭式；分配式；混合式

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

目前，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用較為廣泛，但技術(shù)還未完全成熟，標(biāo)準(zhǔn)也未統(tǒng)一。物聯(lián)網(wǎng)目前主要的技術(shù)有計算與服務(wù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、感知與標(biāo)識技術(shù)、管理與支撐技術(shù)[1]。對于以上四個主要技術(shù)，都需重點研究如何應(yīng)用MAC協(xié)議。本文對目前典型的MAC協(xié)議進(jìn)行了分類，并從核心機(jī)制、特點和優(yōu)缺點三個角度進(jìn)行分析，力求起到歸納總結(jié)目前已有的MAC協(xié)議的作用。

根據(jù)MAC協(xié)議的信道訪問方式，將MAC協(xié)議分為競爭式、分配式和混合式。其中，競爭式MAC協(xié)議按需分配信道，分配式MAC協(xié)議給不同的節(jié)點分配不同的信道，混合式MAC協(xié)議在了解信道的情況之后，能夠在任何時隙傳送信息。

1 競爭式MAC協(xié)議

基于競爭的MAC協(xié)議有三個優(yōu)點：

（1）按需配給信道，故可以較理想地滿足節(jié)點數(shù)和網(wǎng)絡(luò)載荷的變動；

（2）可以較廣泛地應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥儎樱?/p>

（3）不需要繁瑣的時間同步。

這樣的協(xié)議主要有S-MAC協(xié)議[2]、T-MAC協(xié)議[3]、Sift協(xié)議[4]和WiseMAC 協(xié)議[5]。下面從它們的核心機(jī)制、特點以及優(yōu)缺點分別展開討論。

1.1 S-MAC協(xié)議（Sensor-Multiple Access Control協(xié)議）

在2002年，加州大學(xué)（University of Southern California）的Wei Ye等人主張在以IEEE802.11協(xié)議SC9636-006的鋪墊上，推出一種新的有關(guān)如何在傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)省消耗能量的設(shè)計，適用于多跳網(wǎng)絡(luò)。

此協(xié)議利用周期性睡眠、自適應(yīng)監(jiān)聽、串?dāng)_避免和分片傳輸機(jī)制這四種關(guān)鍵技術(shù)來改善能量消耗大這一缺陷。在一個調(diào)度周期內(nèi)，會有不同調(diào)度方式的同步信號數(shù)據(jù)包被節(jié)點所接收，節(jié)點會默認(rèn)一種調(diào)度方式并以數(shù)據(jù)包的形式廣播傳送出去。通常情況下，若鄰居節(jié)點只有一個，則節(jié)點會選一種新的調(diào)度方式；若不止一個，則節(jié)點協(xié)調(diào)這兩種不同的調(diào)度方式，然后廣播一種能保持最大長度監(jiān)聽時間的調(diào)度方式。采用流量自適應(yīng)監(jiān)聽是為了防止通信時間延遲，停止通信后，鄰節(jié)點被喚醒來保持一段時間的監(jiān)聽，不需要等到下一個監(jiān)聽周期，而是立即收到信息，最終使得延遲時間縮短。

S-MAC協(xié)議的串?dāng)_避免機(jī)制一方面選用物理偵聽，處理了隱藏節(jié)點問題并避免沖突，另一方面選用虛擬偵聽，節(jié)點在收到NAV（Network Allocation Vector）的時候?qū)⒀杆傩菝?，以防止各信道之間產(chǎn)生不同的信號。此外，該協(xié)議還會采用分片傳輸技術(shù)，即把大信息包劃分為若干個小數(shù)據(jù)包并將它們一次傳遞，但是只使用一個RTS/CTS（Request to Send/Clear to Send）控制分組作為交互將它們同時傳遞，使能量的消耗和傳送時間減少。

1.2 T-MAC協(xié)議

T-MAC協(xié)議（Timeout-Multiple Access Control）動態(tài)地調(diào)整一個調(diào)度周期內(nèi)的活躍時間長度，以改變此周期內(nèi)所占的時間比率來傳遞數(shù)據(jù)，屬于一種自適應(yīng)調(diào)整占空比的方法。該協(xié)議是以一種突發(fā)的方式來發(fā)送數(shù)據(jù)，并不斷在周期時間內(nèi)喚醒節(jié)點，使其處于活躍狀態(tài)，當(dāng)與鄰居通信后，便進(jìn)入睡眠，當(dāng)開始下一個周期后才被喚醒。同時，又有新的消息將緩存在傳送隊列中，節(jié)點之間使用RTS-CTS-DATA-ACK的方法進(jìn)行單方向通信，來保證消息的可靠傳輸。

此協(xié)議采用同步周期性收聽、RTS操作和選擇，以及可選擇串?dāng)_避免機(jī)制這三種關(guān)鍵技術(shù)來實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，采取在每個周期內(nèi)不斷地發(fā)送SYNC幀來維持節(jié)點之間的同步。首先節(jié)點會監(jiān)聽一段時間。當(dāng)在此時間內(nèi)，節(jié)點未接收到SYNC幀，將采用某一默認(rèn)的調(diào)度方式，并以SYNC幀形式來廣播。

RTS發(fā)送結(jié)束到開始發(fā)送CTS的過程所用時TA取值范圍為：TA>C+R+T，其中C為競爭信道用時，R為發(fā)送RTS所需要時間。另外，T-MAC協(xié)議中的串?dāng)_避免機(jī)制是可以選擇的。

早睡問題即指節(jié)點在鄰居節(jié)點準(zhǔn)備向其傳送數(shù)據(jù)時進(jìn)入睡眠。解決早睡問題的方式有：

（1）預(yù)請求發(fā)送 FRTS機(jī)制（Future Request-to-Send）的作用機(jī)制如圖1所示。

（2）滿緩存區(qū)優(yōu)先機(jī)制。當(dāng)緩沖區(qū)接近飽和時，節(jié)點不再給RTS幀答復(fù)CTS幀，而是立即把RTS幀發(fā)給緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點，從而構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸。這個方法降低早睡發(fā)生的頻率，但會在傳送較大的數(shù)據(jù)量時加大產(chǎn)生沖突的風(fēng)險。

1.3 Sift協(xié)議

該協(xié)議充分考慮了WSN的三個特點：（1）事件驅(qū)動的WSN分別在事件的檢測和傳遞上有空間、時間的相關(guān)性；（2）并非所有節(jié)點都需要報告事件；（3）感知事件的節(jié)點密度是時變的。而它的設(shè)計目標(biāo)是：當(dāng)共享信道有N個節(jié)點一同檢測到相同事件時，期望有小于N的R個節(jié)點可于盡量短的時間里不沖突的將檢驗過的信息發(fā)出，同時抑制剩余N-R個節(jié)點的消息發(fā)送。

基于事件驅(qū)動的特點和節(jié)點工作的特點，Sift協(xié)議避開了發(fā)送窗口的數(shù)量CW較大時導(dǎo)致時間延遲偏長的可能性，而選用CW值不變的方法。先假設(shè)節(jié)點傳送信息時，有N個節(jié)點在競爭發(fā)送，則其工作過程為：如果首時隙內(nèi)原節(jié)點沒有傳達(dá)信息，其他節(jié)點也沒傳達(dá)，則節(jié)點就減掉原設(shè)的發(fā)送節(jié)點的個數(shù)，同時提高節(jié)點在次時隙中傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)率；如果仍然沒有節(jié)點選在第二個時隙，則節(jié)點繼續(xù)減去假定個數(shù)，再進(jìn)一步加大選在下一時隙傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)率......于是我們得到第r個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時的概率公式：

Sift協(xié)議巧妙地利用WSN流量的突發(fā)性及局部相關(guān)性的特點，能夠在各個時隙使用不同的傳輸機(jī)率，從而使短時間里部分節(jié)點可以不沖突地傳播信息，達(dá)到了既節(jié)能又省時的效果。但此協(xié)議只從傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點出發(fā)改善問題，對接收信號節(jié)點的空閑狀態(tài)考慮欠周，要求節(jié)點之間保持同步，而喚醒時間又會隨著節(jié)點周期睡眠用時增大而延長，這樣就加大了傳輸調(diào)控成本，因而仍然需要減短前導(dǎo)序列長度。

1.4 WiseMAC協(xié)議

WiseMAC協(xié)議是針對sift協(xié)議的不足加以改良之后產(chǎn)生的，它采用了動態(tài)調(diào)整前導(dǎo)長度的辦法。接到信號的節(jié)點會在最近一次的ACK報文里夾帶下回喚醒時間，讓傳輸節(jié)點獲知每一個下游節(jié)點的調(diào)度，從而縮短前導(dǎo)長度，而且以隨機(jī)喚醒前導(dǎo)的辦法來降低固定前導(dǎo)沖突的機(jī)率。

這種方法能比較理想的應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)的流量變動，不過因為要緩存鄰節(jié)點的信道偵聽時長，使得它的采樣調(diào)度表緩存開銷較大，增加了實現(xiàn)該協(xié)議的難度，這種缺點在網(wǎng)絡(luò)密度較大時更為突出，而且即使通過非堅持型CSMA訪問去減少空閑監(jiān)聽，依然不能解決隱藏終端的弊端?？傊?，WiseMAC協(xié)議比較適合用于負(fù)載較小的訪問控制。

2 分配式MAC協(xié)議

分配式MAC協(xié)議的信道訪問方式主要有時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）和碼分多址（CDMA）。它們分別將不同時槽、頻率、正交碼映射為不同的節(jié)點，并分配給不同的客戶。例如，當(dāng)使用時分多址（TDMA）調(diào)度方式的時候，數(shù)據(jù)流分成幀，幀又分成不同的時槽，每個用戶被分配一個時槽，每個節(jié)點通過其特定的時槽即可實現(xiàn)無沖突訪問信道。

分配式MAC協(xié)議目前主要有LEACH協(xié)議[6]、DEANA協(xié)議[7]、TRAMA協(xié)議[8]、BMA協(xié)議[9]和D-MAC協(xié)議。下面從它們的核心機(jī)制、特點以及優(yōu)缺點分別展開。

2.1 LEACH協(xié)議

LEACH協(xié)議（低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議即Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）基于LEACH算法。該算法平分整個網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載于傳感器的每一個節(jié)點中。

該協(xié)議采用基于TDMA/CDMA的MAC層機(jī)制，融合了高效能的集群路由和媒體訪問的思想，以及應(yīng)用程序特定的數(shù)據(jù)聚合。LEACH包含新的、分布式集群形成的技術(shù)，這讓它能夠自組織大量的節(jié)點，負(fù)載在所有節(jié)點上均勻分布，并且能夠通過分布式信號處理來節(jié)省通信資源。

該協(xié)議可以減少能耗，但由于未說明簇頭節(jié)點的分布情況，可能導(dǎo)致一些節(jié)點的周圍不存在簇頭節(jié)點，而另一區(qū)域均為簇頭節(jié)點。此外，因為該協(xié)議假設(shè)全部節(jié)點的初始能量等同，任何節(jié)點均可以與匯聚節(jié)點直接通信，且成為簇頭的節(jié)點均消耗相等的能量，所以該協(xié)議不適合規(guī)模較大的無線傳感網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點能量不均衡的網(wǎng)絡(luò)。

2.2 DEANA協(xié)議

圖2所示為DEANA協(xié)議（分布式能量感知節(jié)點活動協(xié)議即Distributed Energy-Aware Node Activation）的時間幀劃分，且兩階段循環(huán)進(jìn)行。在隨機(jī)訪問階段，對節(jié)點進(jìn)行了添加操作、刪除操作以及時間同步操作。其控制時槽長度極短。

該協(xié)議可以排除某些串音問題，但各個節(jié)點要求較精準(zhǔn)的時間同步。

2.3 TRAMA協(xié)議

在TDMA機(jī)制的基礎(chǔ)上，加入流量自適應(yīng)技術(shù)，使得節(jié)點根據(jù)實際流量分配時槽來進(jìn)行無沖突通信，減少空閑偵聽比例，從而降低能量消耗。

通過AEA算法判斷得出，節(jié)點共有三類存在的狀態(tài)，依次是發(fā)送、接收和睡眠狀態(tài)。其中，處于發(fā)送狀態(tài)的節(jié)點在兩跳鄰居內(nèi)，擁有最高優(yōu)先權(quán)；處于接收狀態(tài)的節(jié)點則為目前指定接收方。剩余的節(jié)點均處在睡眠狀態(tài)。

該協(xié)議需要節(jié)點具有較大存儲空間與較高的計算性能，應(yīng)用于周期性數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測。

2.4 BMA協(xié)議

BMA協(xié)議（Bit-Map-Assisted）在TDMA機(jī)制基礎(chǔ)上，通過簇內(nèi)分配時隙的方法，節(jié)點可以根據(jù)自身固有時隙實現(xiàn)與簇頭的交流，從而規(guī)避空閑監(jiān)聽。每個周期由三個階段組成，即簇內(nèi)節(jié)點請求，簇頭廣播，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

該協(xié)議不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量變動，也不能完全利用信道。同時，簇頭節(jié)點也需有較好的時鐘同步、通信和計算性能，而且耗能較大。

2.5 D-MAC協(xié)議

D-MAC協(xié)議（Data gathering tree-based MAC）是在S-MAC和T-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用ACK應(yīng)答機(jī)制和交錯調(diào)度機(jī)制。節(jié)點被周期性的劃分為三個階段，圖3中所示機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)傳播。

該協(xié)議解決了睡眠延時問題和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)停頓問題，適用于邊緣節(jié)點數(shù)據(jù)流量較小而中間節(jié)點數(shù)據(jù)流量較大的網(wǎng)絡(luò)。但需較精確的時鐘同步，并且該協(xié)議不適應(yīng)規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)[10]。

3 混合式MAC協(xié)議

為了解決競爭式MAC協(xié)議能量效率不高，以及分配式MAC協(xié)議不能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的問題，混合式MAC協(xié)議綜合以上各協(xié)議的優(yōu)點，提升整體性能?；旌鲜組AC協(xié)議主要有Z-MAC協(xié)議。下面從核心機(jī)制、特點、優(yōu)缺點進(jìn)行介紹。

Z-MAC協(xié)議（Zebra MAC）[8]以載波偵聽多路訪問（CSMA）機(jī)制為基礎(chǔ)。當(dāng)競爭激烈時，引入TDMA機(jī)制處理信道沖突問題。競爭有所緩和后，便又采用CSMA機(jī)制，如此往復(fù)，在CSMA和TDMA兩種機(jī)制之間轉(zhuǎn)換。

節(jié)點能夠于任何時隙傳送信息，但需先了解信道情況。通過DRAND算法給每一個節(jié)點特定的時隙，使其具有傳送優(yōu)先權(quán)。該協(xié)議的完成主要分為鄰居發(fā)現(xiàn)、時隙分配、本地時間幀交換和全局時間同步四個過程。

Z-MAC協(xié)議在最初階段對全局時鐘同步的精確程度要求較高，并且傳輸延時較長，控制開銷較大。

4 結(jié) 語

本文對目前典型的MAC協(xié)議的核心機(jī)制、特點和優(yōu)缺點進(jìn)行闡述，為日后進(jìn)一步研究如何減少沖突和串音、降低占空比、減少能耗等問題提供參考。

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