無線傳感網(wǎng)混合類MAC協(xié)議研究綜述*

孫 鵬，李光明，汪付強(qiáng)，龐 泳

(1.山東大學(xué)(威海) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，山東 威海 264209；2.山東省計(jì)算中心(國家超級計(jì)算機(jī)濟(jì)南中心)，濟(jì)南 250014；3.山東省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250014)

無線傳感網(wǎng)混合類MAC協(xié)議研究綜述*

孫 鵬1,2,3，李光明*1，汪付強(qiáng)2,3，龐 泳2,3

(1.山東大學(xué)(威海) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，山東 威海 264209；2.山東省計(jì)算中心(國家超級計(jì)算機(jī)濟(jì)南中心)，濟(jì)南 250014；3.山東省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250014)

在無線傳感網(wǎng)(WSN)體系結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議負(fù)責(zé)調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信道接入，具有保障網(wǎng)絡(luò)高效通信的重要作用。混合類MAC協(xié)議綜合了競爭類MAC協(xié)議以及調(diào)度類MAC協(xié)議的特點(diǎn)，在融合兩種機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)克服其缺點(diǎn)，為無線信道資源的分配提供了更加靈活和全面的策略。首先概述了無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)要點(diǎn)及分類，然后重點(diǎn)分析了無線傳感網(wǎng)中經(jīng)典的混合類MAC協(xié)議及國內(nèi)外前沿的研究進(jìn)展，并進(jìn)一步歸納對比了各協(xié)議運(yùn)行機(jī)制、性能及不足，得出混合類MAC協(xié)議的應(yīng)用相關(guān)性及差異性的結(jié)論，最后總結(jié)了無線傳感網(wǎng)混合類MAC協(xié)議研究現(xiàn)狀并指出了未來的研究重點(diǎn)，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考。

無線傳感網(wǎng)；MAC協(xié)議；混合類MAC協(xié)議；研究進(jìn)展

1 引 言

近年來，隨著微電子技術(shù)、微傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)的進(jìn)步，集信息采集、處理、無線傳輸于一體的無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)得到迅速發(fā)展。WSN由區(qū)域內(nèi)一組具有感知、計(jì)算和通信能力的傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，它通過節(jié)點(diǎn)上的傳感器獲取環(huán)境信息并通過多跳的方式將數(shù)據(jù)匯集到匯聚節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)全面、有效的環(huán)境監(jiān)測。WSN技術(shù)廣泛地應(yīng)用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測[1]、空間探索、災(zāi)難預(yù)警、智能家居等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control,MAC)協(xié)議調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信道接入，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源，對網(wǎng)絡(luò)整體性能有直接影響。根據(jù)信道訪問策略的不同，MAC協(xié)議分為基于競爭的MAC協(xié)議、基于調(diào)度的MAC協(xié)議以及混合類MAC協(xié)議[2]?；旌项怣AC協(xié)議結(jié)合了競爭和調(diào)度兩種策略，能有效地提高網(wǎng)絡(luò)整體性能，是無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議研究的熱點(diǎn)方向之一。

本文在第一節(jié)對無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及分類進(jìn)行簡要介紹，第二節(jié)詳細(xì)分析了經(jīng)典的混合類MAC協(xié)議及近年來國內(nèi)外最新研究進(jìn)展，第三節(jié)對涉及的部分協(xié)議的性能和特點(diǎn)進(jìn)行了歸納對比，最后總結(jié)混合類MAC協(xié)議的研究現(xiàn)狀并指出未來的研究方向。

2 無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議概述

2.1 無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)要點(diǎn)

同其他無線網(wǎng)絡(luò)類型相比，WSN中節(jié)點(diǎn)通常受能量、存儲、計(jì)算和通信帶寬等資源的限制，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理能力相對較弱，WSN強(qiáng)大功能的實(shí)現(xiàn)需依托于網(wǎng)內(nèi)傳感節(jié)點(diǎn)相互間的密切協(xié)作，因而對無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)提出更高的要求。在協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)方面：

(1)能量有效性。在多數(shù)情況下，WSN工作在無人值守的環(huán)境中，電池能量通常難以及時(shí)補(bǔ)充,因而能量高效的MAC協(xié)議對節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量延長網(wǎng)絡(luò)生存期有著重要意義。在網(wǎng)絡(luò)通信過程中，MAC協(xié)議應(yīng)盡可能降低各方面能耗，如規(guī)避沖突和串音以降低額外能耗、降低占空比以減少空閑偵聽階段能耗，同時(shí)最小化協(xié)議自身開銷以降低協(xié)議運(yùn)行帶來的能耗。

(2)自適應(yīng)性。WSN中節(jié)點(diǎn)的死亡和加入以及節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)都將引起網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、拓?fù)浼肮?jié)點(diǎn)密度的動(dòng)態(tài)變化，良好的MAC協(xié)議應(yīng)具備適應(yīng)這種變化的能力以保障網(wǎng)絡(luò)性能的穩(wěn)定。

(3)整體性能優(yōu)化。在WSN網(wǎng)絡(luò)中，能量有效性一般具有最高的優(yōu)先級，但基于網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及需求，需綜合考慮其他性能要求，如延遲、吞吐量、丟包率、帶寬利用率等[3]。在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)，過于追求單一性能的優(yōu)化往往達(dá)不到網(wǎng)絡(luò)整體性能的最優(yōu)化，各性能間的平衡比單一性能更重要。

(4)分布式算法。傳感器節(jié)點(diǎn)能量、存儲及計(jì)算能力有限，MAC協(xié)議僅依托于若干節(jié)點(diǎn)往往會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)因能耗過大而過早死亡；另外，節(jié)點(diǎn)有限的資源難以支撐協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。MAC協(xié)議運(yùn)行分布式算法可利用眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)完成應(yīng)用任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)性能不因個(gè)別節(jié)點(diǎn)的失效而顯著降低。

在進(jìn)行無線傳感MAC協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，在基于以上原則的前提下，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的具體要求及側(cè)重點(diǎn)在各方面達(dá)到較好的平衡。例如：在某些條件下，MAC協(xié)議在采取能量高效性策略的同時(shí)，需兼顧應(yīng)用對實(shí)時(shí)性及傳輸可靠性的要求，單純的節(jié)省能量可能帶來其他性能的降低，對改善系統(tǒng)的整體性能而言得不償失。

2.2 無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議分類

無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議按不同標(biāo)準(zhǔn)有多種分類方式，其中根據(jù)信道訪問方式的不同，無線傳感網(wǎng)中MAC協(xié)議劃分為基于競爭的、基于調(diào)度的以及混合類的MAC協(xié)議[2]。

基于競爭的MAC協(xié)議常采用載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)機(jī)制，基本思想是按需使用信道。當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，通過競爭獲得信道使用權(quán)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生沖突時(shí)，則遵照某種策略重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直至發(fā)送成功或放棄發(fā)送。競爭類MAC協(xié)議對節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘同步要求較低，可擴(kuò)展性好，協(xié)議復(fù)雜度低。典型的競爭類MAC協(xié)議有S-MAC[4]、T-MAC[5]等。

基于調(diào)度的MAC協(xié)議多采用時(shí)分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)機(jī)制[6]?；舅枷胧腔谀承┎呗詾椴煌?jié)點(diǎn)分配不同時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)可在分配時(shí)隙內(nèi)獨(dú)占信道從而無競爭地傳輸數(shù)據(jù)以避免沖突。典型的調(diào)度類MAC協(xié)議有TRAMA協(xié)議[7]、DMAC協(xié)議[8]、DEANA協(xié)議[9]等。

基于競爭的MAC協(xié)議在低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下有較好的性能，然而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時(shí)，傳輸沖突的可能性也隨之增加，進(jìn)而造成數(shù)據(jù)包頻繁發(fā)生碰撞，網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低，同時(shí)協(xié)議中的退避機(jī)制也將增大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延?；赥DMA的調(diào)度類MAC協(xié)議提供了一種免碰撞接入的機(jī)制，但卻面臨低負(fù)載時(shí)吞吐量低以及時(shí)隙浪費(fèi)的問題，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步有嚴(yán)格要求，對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓幻舾?，可擴(kuò)展性差。

混合類MAC協(xié)議綜合競爭類和調(diào)度類協(xié)議的要素，旨在保持各協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)克服其缺點(diǎn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變時(shí)，混合類MAC協(xié)議表現(xiàn)為以某類協(xié)議為主，其他協(xié)議為輔的特性，能更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，更有利于網(wǎng)絡(luò)的全局優(yōu)化。然而，由于結(jié)合了競爭和調(diào)度兩種機(jī)制，混合類MAC協(xié)議相對比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)在保障協(xié)議性能的前提下盡可能降低協(xié)議復(fù)雜度和運(yùn)行開銷，以提升協(xié)議的高效性。

競爭類、調(diào)度類及混合類MAC協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)見表1。

表1 無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議分類對比

Tab.1 Comparisons among different MAC protocols

協(xié)議類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)競爭類MAC復(fù)雜度低,可擴(kuò)展性好,時(shí)鐘同步要求低高負(fù)載碰撞率高,重傳次數(shù)多,延遲大調(diào)度類MAC無競爭使用信道,避免沖突時(shí)鐘同步要求高,可擴(kuò)展性差,低負(fù)載吞吐量低,時(shí)隙浪費(fèi)混合類MAC適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化動(dòng)態(tài)調(diào)整策略協(xié)議復(fù)雜度較高開銷較大

3 WSN混合類MAC協(xié)議分析

近年來，不少學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)根據(jù)WSN的特點(diǎn)和需求設(shè)計(jì)并改進(jìn)了混合類MAC協(xié)議。表2對已命名的混合類協(xié)議進(jìn)行了歸納。從中可對混合類MAC協(xié)議的研究進(jìn)程有直觀的了解。本節(jié)對部分具有代表性的協(xié)議及近期提出的協(xié)議的核心機(jī)制、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)分別進(jìn)行重點(diǎn)分析研究，同時(shí)對于未命名的但具有重要研究意義的其他混合類MAC協(xié)議也有所涉及。

表2 混合類MAC協(xié)議研究進(jìn)展

Tab.2 Research progress of hybrid MAC protocols

時(shí)間/年協(xié)議名稱2005Z-MAC,u-MAC2006Funneling-MAC,SCP-MAC2007A-MAC,A2-MAC,CH-MAC,HY-MAC2008TH-MAC,CR-MAC,EQ-MAC,EZ-MAC,MA-MAC2009Eu-MAC,STC-MAC2010Au-MAC,ER-MAC,2011IH-MAC,EH-MAC2012I-ZMAC,EEH-MAC,Queue-MACIEEE802.15.4e2013CH-MAC,iQueue-MAC2014AS-MAC,LH-MAC,TC2-MAC,HTC-MAC,HMC-MAC2015TR-MAC,eQueue-MAC,pQueue-MAC

3.1 經(jīng)典混合類MAC協(xié)議

本小結(jié)選取Z-MAC、Funneling-MAC、IEEE802.15.43 3種經(jīng)典混合類MAC協(xié)議作為研究對象，對其運(yùn)行機(jī)制、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)分析研究。

3.1.1 Z-MAC[10]

Z-MAC是一種基于CSMA/TDMA機(jī)制的混合類MAC協(xié)議，在低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)協(xié)議采用CSMA機(jī)制訪問信道，以降低延時(shí)提高信道利用率；在高負(fù)載時(shí)切換至TDMA模式，規(guī)避沖突和串?dāng)_。

Z-MAC協(xié)議通過DRAND[11]算法為兩跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，時(shí)隙擁有者具有時(shí)隙的優(yōu)先使用權(quán)。在低數(shù)據(jù)流量、低競爭情況下，節(jié)點(diǎn)在自身時(shí)隙內(nèi)優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)可通過競爭 “竊取”該時(shí)隙來發(fā)送自身數(shù)據(jù)；在高流量、高競爭狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)發(fā)送明確競爭通告(Explicit Contention Notification,ECN)消息，通知兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)禁止搶占其他時(shí)隙，轉(zhuǎn)到TDMA機(jī)制。通過該機(jī)制協(xié)議實(shí)現(xiàn)了TDMA和CDMA機(jī)制的平滑切換。

Z-MAC協(xié)議在高網(wǎng)絡(luò)流量情況下有更高的吞吐量和更少的能耗。相對于純TDMA機(jī)制，協(xié)議增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)對時(shí)間同步失效、時(shí)鐘漂移、時(shí)隙分配失敗、拓?fù)涓淖兊聂敯粜?。Z-MAC的缺陷在于：在高競爭模式下，節(jié)點(diǎn)為規(guī)避沖突只能在有限時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，增大了傳輸延時(shí)，在低競爭模式下，仍無法避免隱終端問題；ECN機(jī)制易產(chǎn)生內(nèi)爆，為避免內(nèi)爆需增加控制開銷；分布式時(shí)隙分配算法只在初始階段為節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，無法周期性運(yùn)行。

3.1.2 Funneling-MAC[12]

采用多跳通信方式的WSN網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點(diǎn)附近區(qū)域往往面臨漏斗效應(yīng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的數(shù)據(jù)包沖突、擁塞和丟包。

Ahn等人據(jù)此提出Funneling-MAC協(xié)議。該協(xié)議在全網(wǎng)范圍內(nèi)采用CSMA機(jī)制，漏斗區(qū)域節(jié)點(diǎn)(f-節(jié)點(diǎn))采用TDMA/CSMA混合機(jī)制。在網(wǎng)絡(luò)流量足夠大時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送信標(biāo)并控制發(fā)射功率。可收到信標(biāo)廣播的節(jié)點(diǎn)成為f-節(jié)點(diǎn)，f-節(jié)點(diǎn)根據(jù)傳輸時(shí)間安排(schedule)分組獲悉TDMA時(shí)隙分配信息；其他節(jié)點(diǎn)運(yùn)行CSMA機(jī)制。f-節(jié)點(diǎn)交替使用CSMA和TDMA幀接入信道，一個(gè)CSMA幀和TDMA幀合并為一個(gè)超幀(superframe)，超幀中CSMA幀及TDMA幀所占比例由匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)之前超幀內(nèi)輸入流量統(tǒng)計(jì)信息動(dòng)態(tài)調(diào)整。Funneling-MAC時(shí)間幀劃分如圖1所示。

Funneling-MAC以CSMA機(jī)制為主，對節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步要求不高，且網(wǎng)絡(luò)生存期相對較長。Funneling-MAC的缺點(diǎn)在于：協(xié)議所采用的TDMA時(shí)隙分配算法相對松散，不能完全解決隱終端問題；由于采用集中式調(diào)度算法，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)附近網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r(shí)網(wǎng)絡(luò)需重新分配時(shí)隙資源，網(wǎng)絡(luò)開銷較大。因此，F(xiàn)unneling-MAC仍無法應(yīng)用于大規(guī)模WSN。

圖1 Funneling-MAC時(shí)間幀劃分

Fig.1 Division of time frames in funneling-MAC

3.1.3 IEEE802.15.4MAC[13]

IEEE802.15.4中MAC層協(xié)議支持信標(biāo)使能和非信標(biāo)使能兩種模式。非信標(biāo)使能模式下網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備基于無時(shí)隙的CSMA機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；信標(biāo)使能模式下，協(xié)調(diào)器周期性產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)用于設(shè)備同步，設(shè)備通過基于競爭的時(shí)隙CSMA機(jī)制和基于調(diào)度的保障時(shí)隙(Guaranteed Time Slot，GTS)機(jī)制接入信道[14]。

在信標(biāo)使能模式下，網(wǎng)絡(luò)通過超幀實(shí)現(xiàn)設(shè)備的信道接入控制。超幀分為活躍周期和非活躍周期，信道接入控制集中在活躍期，非活躍期內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠以節(jié)省能量?；钴S期劃分為信標(biāo)發(fā)送、競爭訪問(Contention Access Period,CAP)和非競爭訪問(Contention Free Period,CFP)3個(gè)階段。。在第0時(shí)隙，協(xié)調(diào)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，用于全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步；在CAP階段，所有節(jié)點(diǎn)基于時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制競爭接入信道；在CFP階段，節(jié)點(diǎn)在分配的GTS內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。超幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IEEE802.15.4 MAC的超幀結(jié)構(gòu)

Fig.2 IEEE802.15.4 MAC super-frame structure

協(xié)議在保證節(jié)點(diǎn)通過競爭以提高信道利用率的前提下通過GTS機(jī)制兼顧了網(wǎng)絡(luò)對實(shí)時(shí)性的要求，然而，GTS最多可用7個(gè)時(shí)隙，在高負(fù)載情況下，顯然難以滿足需求，因而會造成較大的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。同時(shí)，超幀中活躍期和非活躍期時(shí)間由預(yù)先設(shè)定的參數(shù)決定，對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化不敏感，有進(jìn)一步改進(jìn)空間。

3.2 混合類MAC協(xié)議研究前沿進(jìn)展

近年來國內(nèi)外學(xué)者對混合類MAC協(xié)議進(jìn)行了更深入的研究分析，提出了許多新型的混合類MAC協(xié)議。

Mohammad Arifuzzaman等人[15]提出IH-MAC協(xié)議。節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配基于本地時(shí)鐘算法，時(shí)隙內(nèi)包括活躍期和休眠期，活躍期用于同步幀和RTS/CTS幀的傳輸，休眠期用于數(shù)據(jù)幀和ACK幀的傳輸。節(jié)點(diǎn)通過本地時(shí)鐘算法獲得時(shí)隙成為其擁有者，運(yùn)算后節(jié)點(diǎn)可擁有多個(gè)時(shí)隙，且同一時(shí)隙可被多個(gè)節(jié)點(diǎn)共用。分配若干時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)可進(jìn)一步運(yùn)算選出預(yù)約時(shí)隙，預(yù)約時(shí)隙內(nèi)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)建立排他性的傳輸，鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。同時(shí)協(xié)議為滿足不同類型數(shù)據(jù)包對延時(shí)的要求，對數(shù)據(jù)包優(yōu)先級進(jìn)行了劃分，時(shí)隙擁有者及數(shù)據(jù)包優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先占用，優(yōu)先級相同的節(jié)點(diǎn)通過競爭的方式接入信道。此外，為進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)能耗，節(jié)點(diǎn)可基于接收信號強(qiáng)度動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率以節(jié)省能量。然而，由于涉及退避、時(shí)隙分配、取模運(yùn)算、數(shù)據(jù)包優(yōu)先級設(shè)置等操作，協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)算能力提出較高要求。

在Z-MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[16]加入能量控制和流量自適應(yīng)機(jī)制，在低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠來節(jié)省能量；在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，節(jié)點(diǎn)工作在TDMA模式規(guī)避沖突。協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量和流量情況改變競爭窗口和退避時(shí)間，當(dāng)節(jié)點(diǎn)流量大時(shí)增大競爭窗口；節(jié)點(diǎn)剩余能量越多，退避時(shí)間越短。然而，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量減少及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí)，退避時(shí)間延長，相應(yīng)時(shí)延增大，協(xié)議在時(shí)延特性上需進(jìn)一步改進(jìn)?；赯-MAC協(xié)議并未考慮到的接收節(jié)點(diǎn)能量消耗的問題，文獻(xiàn)[17]綜合考慮發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化，引入廣播機(jī)制方案，提前通知節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的時(shí)隙，保證只有發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)而其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而有效地避免數(shù)據(jù)串音、減少空閑偵聽并延長網(wǎng)絡(luò)壽命。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于高負(fù)載時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送前進(jìn)行廣播，易發(fā)生廣播幀的碰撞沖突，同時(shí)由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)其他鄰居節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制進(jìn)入睡眠狀態(tài)，雖避免串音但造成網(wǎng)絡(luò)吞吐量的下降。

為改善分簇結(jié)構(gòu)的WSN性能，文獻(xiàn)[18]提出一種基于分簇的混合MAC協(xié)議。Sink節(jié)點(diǎn)決定簇頭選擇和簇內(nèi)時(shí)隙分配，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)時(shí)隙內(nèi)向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)隙所有者無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)其他節(jié)點(diǎn)通過競爭的方式搶占時(shí)隙。這樣在低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)提高了信道利用率，在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)大部分時(shí)隙被所有者使用，性能接近于TDMA。由于協(xié)議采用集中式時(shí)隙分配原則，在新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)需重新進(jìn)行全網(wǎng)時(shí)隙分配，可擴(kuò)展性較差。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)建立階段所有節(jié)點(diǎn)都需向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求，較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)能耗較高。文獻(xiàn)[19]采用了基于二叉樹結(jié)構(gòu)的時(shí)隙塊分配策略和基于時(shí)隙約束的CSMA競爭接入機(jī)制，并通過休眠調(diào)度機(jī)制降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，提高WSN應(yīng)用中周期性感知數(shù)據(jù)和突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)時(shí)性。然而，在突發(fā)業(yè)務(wù)流量增加時(shí)，退避機(jī)制仍不能較好地解決數(shù)據(jù)沖突率過高的問題。文獻(xiàn)[20]基于時(shí)隙系數(shù)和剩余節(jié)點(diǎn)能量系數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙大小，簇頭之間通過CSMA機(jī)制進(jìn)行通信，有效地降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延并延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)中隊(duì)列的長度可作為網(wǎng)絡(luò)性能改善的一個(gè)重要參數(shù)，文獻(xiàn)[21]基于節(jié)點(diǎn)隊(duì)列長度對時(shí)隙分配策略進(jìn)行了改進(jìn)，在CSMA階段節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送包含隊(duì)列長度信息的請求包，協(xié)調(diào)器根據(jù)請求包中隊(duì)列信息計(jì)算概率集中函數(shù)并以此為參數(shù)最優(yōu)化TDMA階段的時(shí)隙分配，進(jìn)而減少空閑時(shí)隙，改善信道利用率。文獻(xiàn)[22]基于隊(duì)列長度信息提出Queue-MAC協(xié)議，在MAC層數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中加入隊(duì)列長度指示字節(jié)，隊(duì)列非空的節(jié)點(diǎn)在競爭階段向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)包的同時(shí)向協(xié)調(diào)器請求下一超幀中的時(shí)隙，協(xié)調(diào)器根據(jù)指示字節(jié)計(jì)算并為之分配時(shí)隙。文獻(xiàn)[23]在Queue-MAC的基礎(chǔ)上引進(jìn)了路由節(jié)點(diǎn)和跳頻機(jī)制，增強(qiáng)了協(xié)議對多跳和多信道的支持。文獻(xiàn)[24]在Queue-MAC協(xié)議的CSMA階段引入自適應(yīng)信道偵聽和可變同步前導(dǎo)采樣機(jī)制，減少了網(wǎng)絡(luò)在CSMA階段空閑偵聽時(shí)間，進(jìn)一步改善了協(xié)議的能耗。文獻(xiàn)[25]結(jié)合了IEEE802.15.4e的跳頻機(jī)制改善了網(wǎng)絡(luò)的信道利用率、吞吐量并減少了數(shù)據(jù)的碰撞沖突，同時(shí)針對Queue-MAC協(xié)議中節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包需等待下一超幀時(shí)隙到來才能發(fā)送進(jìn)而造成較大延時(shí)的缺點(diǎn)，該協(xié)議通過在CSMA和TDMA階段之間插入次信標(biāo)幀，實(shí)現(xiàn)了在當(dāng)前超幀內(nèi)完成時(shí)隙的分配和利用，同時(shí)采用延時(shí)優(yōu)先分配策略對于隊(duì)列較長的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先分配時(shí)隙，降低了數(shù)據(jù)包的時(shí)延。對于Queue-MAC及其改進(jìn)的協(xié)議，由于節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)包數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化，隊(duì)列指示總會滯后，難以準(zhǔn)確反映真實(shí)的隊(duì)列情況；在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下碰撞增加易造成數(shù)據(jù)包丟失，進(jìn)而造成時(shí)隙分配失效。

在某些混合類MAC協(xié)議中，控制包及數(shù)據(jù)包的傳輸分別采用不同機(jī)制。文獻(xiàn)[26]提出一種健壯混合MAC協(xié)議。協(xié)議超幀包括通告、競爭、公告、傳輸四個(gè)階段。Sink節(jié)點(diǎn)在通告和公告階段分別廣播競爭期和傳輸期的開始時(shí)間；其他節(jié)點(diǎn)在競爭期基于CSMA機(jī)制發(fā)送時(shí)隙分配請求包，在傳輸階段基于TDMA發(fā)送數(shù)據(jù)包。為提高魯棒性，TDMA階段每個(gè)時(shí)隙內(nèi)采用IEEE802.11中物理載波偵聽、虛擬載波偵聽機(jī)制，避免時(shí)隙分配失敗和同步失效后碰撞增大的問題。但是，由于虛擬載波偵聽中握手機(jī)制的加入增大了協(xié)議的控制開銷，也造成了比傳統(tǒng)TDMA更大的延時(shí)。文獻(xiàn)[27]在競爭階段基于時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制發(fā)送改進(jìn)的RTS/CTS控制幀以預(yù)約TDMA時(shí)隙，同時(shí)在RTS幀和數(shù)據(jù)包中加入數(shù)據(jù)包傳輸跳數(shù)信息，提高多跳節(jié)點(diǎn)的傳輸優(yōu)先級，均衡了網(wǎng)絡(luò)整體時(shí)延。然而，由于數(shù)據(jù)發(fā)送請求和數(shù)據(jù)包傳輸是基于不同機(jī)制分別進(jìn)行的，這在一定程度上也增大了傳輸時(shí)延。

不少學(xué)者對信標(biāo)使能模式下IEEE802.15.4協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)。在簇型網(wǎng)絡(luò)中，IEEE802.15.4MAC協(xié)議存在信標(biāo)幀碰撞導(dǎo)致同步失敗的問題，對此，文獻(xiàn)[28]提出一種信標(biāo)幀調(diào)度算法，在不影響時(shí)鐘同步的前提下將不同簇頭發(fā)送的信標(biāo)分配到不同時(shí)隙以避免信標(biāo)幀的沖突。文獻(xiàn)[29]基于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包長、數(shù)據(jù)到達(dá)率和超幀長度將GTS時(shí)隙分割為更小的時(shí)隙段，提高GTS階段信道利用率、同時(shí)相應(yīng)增大CAP階段時(shí)長，改善了協(xié)議吞吐量，但協(xié)議時(shí)隙分割算法僅支持星型網(wǎng)絡(luò)，對其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的支持有待進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[30]針對協(xié)議中二進(jìn)制指數(shù)算法在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載時(shí)性能不佳的問題，提出了基于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載概率判斷和指數(shù)加權(quán)平均的退避策略，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載統(tǒng)計(jì)信息判斷信道競爭程度并以此調(diào)整退避指數(shù)，緩解競爭并改善網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

4 WSN混合類MAC協(xié)議歸納對比

WSN應(yīng)用范圍廣闊，基于不同應(yīng)用場景混合類MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)也呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)，以上介紹的各類混合MAC協(xié)議分別基于不同目標(biāo)改善了網(wǎng)絡(luò)性能，表3選取了已命名的若干協(xié)議并對其各項(xiàng)性能進(jìn)行對比，其中包括協(xié)議的能效性、可擴(kuò)展性以及網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)、吞吐量和信道利用率等指標(biāo)。表4對各協(xié)議的改進(jìn)目標(biāo)和主要機(jī)制以及主要缺點(diǎn)和評估方式進(jìn)行了歸納總結(jié)。

表3 混合類MAC協(xié)議性能比較

Tab.3 Performance comparison among hybrid MAC protocols

協(xié)議能效性擴(kuò)展性延時(shí)吞吐量信道利用率Z-MAC中差低高高Funneling-MAC中中中高高802.15.4MAC好好低中高IH-MAC好好低中中RA-ZMAC好差高高中I-ZMAC好差高中中TC2-MAC中差好中中Queue-MAC中中低高高iQueue-MAC中中低高高pQueue-MAC好中低高高eQueue-MAC中中低高高LH-MAC好中中中中

表4 混合類MAC協(xié)議特點(diǎn)比較

Tab.4 Characteristics comparison among hybrid MAC protocols

協(xié)議主要目標(biāo)主要機(jī)制缺點(diǎn)評估方式Z-MAC低延時(shí)高吞吐量DRAND算法時(shí)隙分配;競爭級別自適應(yīng);時(shí)隙“竊取”ECN內(nèi)爆隱終端問題試驗(yàn)床,仿真Funneling-MAC解決漏斗效應(yīng)高吞吐量強(qiáng)度區(qū)設(shè)定f-節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配時(shí)隙分配松散隱終端問題仿真IEEE802.15.4MAC低能耗低延時(shí)時(shí)隙CSMA/CA;GTS時(shí)隙保障機(jī)制GTS數(shù)目受限高負(fù)載時(shí)性能下降試驗(yàn)床,仿真IH-MAC低能耗低延時(shí)虛擬簇;數(shù)據(jù)包優(yōu)先級劃分;傳輸功率調(diào)整協(xié)議復(fù)雜度高仿真RA-ZMAC低能耗低沖突時(shí)隙內(nèi)占空比動(dòng)態(tài)調(diào)整;基于剩余能量調(diào)整退避時(shí)間低能量節(jié)點(diǎn)及高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載延時(shí)較大仿真I-ZMAC低能耗避免串音廣播通告接收時(shí)隙;鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠避免串音廣播幀碰撞吞吐量低仿真TC2-MAC滿足差異性Qos要求二叉樹結(jié)構(gòu)時(shí)隙分配;休眠調(diào)度機(jī)制高突發(fā)業(yè)務(wù)量網(wǎng)絡(luò)延遲高仿真Queue-MAC低能耗流量自適應(yīng)隊(duì)列長度指示;可變長TDMA;自適應(yīng)占空比隊(duì)列指示滯后高負(fù)載時(shí)隙分配失效試驗(yàn)床,仿真iQueue-MAC低能耗多跳支持跳頻機(jī)制路由節(jié)點(diǎn)突發(fā)傳輸隊(duì)列指示滯后高負(fù)載時(shí)隙分配失效試驗(yàn)床,仿真pQueue-MAC低能耗自適應(yīng)信道偵聽可變同步前導(dǎo)采樣機(jī)制隊(duì)列指示滯后高負(fù)載時(shí)隙分配失效試驗(yàn)床,仿真eQueue-MAC低能耗低延時(shí)次信標(biāo)機(jī)制延時(shí)優(yōu)先分配策略隊(duì)列指示滯后高負(fù)載時(shí)隙分配失效試驗(yàn)床,仿真LH-MAC低能耗低延時(shí)信道預(yù)約基于跳數(shù)的優(yōu)先級設(shè)置發(fā)送請求與包傳輸分離,延時(shí)增大仿真

通過對比我們發(fā)現(xiàn)，不同的MAC協(xié)議通過采用不同的改進(jìn)機(jī)制取得相應(yīng)的性能的改善，然而并沒有哪一種協(xié)議能在各方面取得最優(yōu)并成為通用的標(biāo)準(zhǔn)，究其原因在于：首先，WSN是基于應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用需求的差異性使得協(xié)議需要在多個(gè)性能指標(biāo)中進(jìn)行選擇和折中；其次，協(xié)議依托的物理層協(xié)議及物理層硬件平臺無一致性標(biāo)準(zhǔn)，MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)需適應(yīng)底層物理平臺。

5 總結(jié)和展望

近年來，WSN研究熱度不減，混合類MAC協(xié)議由于采用多種機(jī)制，能多方面地提升WSN的整體性能，吸引了眾多學(xué)者對其進(jìn)行研究和改進(jìn)，取得了卓有成效的研究成果。

通過對當(dāng)前混合類MAC協(xié)議的分析比較我們認(rèn)為，WSN混合類MAC協(xié)議在可擴(kuò)展性、魯棒性、安全性、復(fù)雜性等方面還存在著諸多問題，具有較大的改進(jìn)空間，混合類MAC協(xié)議在逐步走向應(yīng)用的過程中，還有許多關(guān)鍵問題需要考慮和解決：

(1)協(xié)議的能量有效性依然占有重要地位，然而在某些應(yīng)用場景如智能穿戴、無線多媒體傳感網(wǎng)中，數(shù)據(jù)傳輸可靠性和實(shí)時(shí)性也是需要重點(diǎn)考慮的問題，在未來的研究中應(yīng)著重考量應(yīng)用的特異性需求并有針對性地對協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。

(2)隨著硬件存儲及電池技術(shù)的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)運(yùn)算和電源供給能量得到增強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上混合類MAC協(xié)議引入頻分多址、碼分多址等相對復(fù)雜的機(jī)制成為可行的研究方向，如何有效地將這些機(jī)制同無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)相結(jié)合具有較好的研究前景。

(3)多協(xié)議的融合以及跨層設(shè)計(jì)思想的加入豐富了傳感網(wǎng)MAC層協(xié)議改進(jìn)的參考因素，使MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)更加立體和多維化，將成為未來WSN研究的重點(diǎn)方向。

(4)目前混合類MAC協(xié)議地研究大多針對靜止節(jié)點(diǎn)，協(xié)議對節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、退網(wǎng)、移動(dòng)性及其傳輸可靠性的支持有待改進(jìn)。隨著無人機(jī)等技術(shù)的普及和推廣，基于移動(dòng)平臺的傳感技術(shù)得到迅速發(fā)展，對MAC層協(xié)議的移動(dòng)性支持提出了更高的要求，在此應(yīng)用場景下，數(shù)據(jù)的可靠性傳輸應(yīng)作為重點(diǎn)的研究方向。

(5)目前為止，混合類MAC協(xié)議安全性十分薄弱，安全機(jī)制少有涉及，協(xié)議在防止竊聽和惡意攻擊上仍有較大改進(jìn)空間。引入加密算法，提高協(xié)議的防竊聽、防攻擊的能力是未來無線傳感網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

(6)在當(dāng)前研究中，對無線傳感網(wǎng)MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)往往過于簡單和理想化，通信模型同真實(shí)環(huán)境相差較大，難以由理論應(yīng)用到實(shí)際場景中，在進(jìn)一步的研究中應(yīng)盡可能地將協(xié)議理論設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合，推動(dòng)科技成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化。

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孫 鵬(1989— ),男,山東濟(jì)寧人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)；

SUN Peng was born in Jining,Shandong Province,in 1989. He is now a graduate student. His research concerns wireless sensor network.

李光明(1973— ),男,山東青島人,2006年于香港大學(xué)獲博士學(xué)位,現(xiàn)為山東大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)楣饩W(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)；

LI Guangming was born in Qingdao,Shandong Province,in 1973. He received the Ph.D. degree from the University of Hong Kong in 2006. He is now an associate professor and also the instructor of graduate students. His research concerns optical network and wireless sensor network.

Email:gmli@sdu.edu.cn

汪付強(qiáng)(1980— ),男,山東臨沂人,2011年于中國科學(xué)院獲博士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步、調(diào)頻技術(shù)；

WANG Fuqiang was born in Linyi,Shandong Province,in 1980. He received the Ph. D.degree from Chinese Academy of Sciences in 2011. He is now an engineer. His research concerns wireless sensor network synchronization and hopping.

龐 泳(1989— ),女,山東臨沂人,2015年于山東大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)。

PANG Yong was born in Linyi,Shandong Province,in 1989. She received the M. S. degree from Shandong University in 2015. She is now an engineer. Her research concerns wireless sensor network.

A Survey of Hybrid MAC Protocols for Wireless Sensor Networks

SUN Peng1,2,3，LI Guangming1，WANG Fuqiang2,3，PANG Yong2,3

(1.School of Mechanical,Electrical and Information Engineering,Shandong University(Weihai),Weihai 264209,China；2.Shandong Computer Science Center,Jinan 250014,China；3.Shandong Provincial Key Laboratory of Computer Networks,Jinan 250014,China)

In wireless sensor network(WSN) architecture,media access control(MAC) protocol plays an important role in the deployment of wireless channel for network nodes and ensuring effective communication. Hybrid MAC protocol is a combination of contention based and schedule based MAC protocol and this hybrid mechanism can benefit from the merits of both schemes while mitigating their drawbacks. As a result,it provides with a more flexible and comprehensive strategy for wireless channel resource’s allocation. Firstly,this paper introduces the design essentials and classifications of MAC protocols,and then analyzes some classical and cutting-edge research on hybrid MAC protocols in detail. Secondly,it compares the mechanism,performance and drawbacks of these different protocols,and the feature of application relativity and diversity. Finally,it summarizes the status of current research and open research issues on hybrid MAC protocol design. The information in this paper can provide reference for those engaged in related field.

wireless sensor network(WSN)；MAC protocol；hybrid MAC protocol；research progress

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.12.020

孫鵬，李光明，汪付強(qiáng)，等.無線傳感網(wǎng)混合類MAC協(xié)議研究綜述[J].電訊技術(shù)，2016,56(12):1417-1424.[SUN Peng，LI Guangming，WANG Fuqiang,et al.A survey of hybrid MAC protocols for wireless sensor networks[J].Telecommunication Engineering,2016,56(12):1417-1424.]

2016-04-06；

2016-06-30 Received date:2016-04-06；Revised date：2016-06-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61501282)；山東省科學(xué)院基礎(chǔ)研究基金(2015[4])；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2015GSF120003)

Foundation Item:The National Natural Science Foundation of China(No.61501282)；The Basic Research Fund of Shandong Academy of Sciences(2015[25]) ；The Key Research and Development Plan of Shandong Province(2015GSF120003)

TN915.04

A

1001-893X(2016)12-1417-08

**通信作者：gmli@sdu.edu.cn Corresponding author：gmli@sdu.edu.cn