基于能源有效性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議

孫保海

摘 要 本文描述了MAC協(xié)議面臨的挑戰(zhàn)及不同MAC協(xié)議在WSN中應(yīng)用的優(yōu)勢及劣勢，并對未來的無線傳感器MAC協(xié)議研究提出展望。

【關(guān)鍵詞】能源有效性 MAC 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1 前言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）已成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主導(dǎo)趨勢，在國防和科學(xué)應(yīng)用方面均有較廣泛的應(yīng)用前景，WSN中的節(jié)點(diǎn)通常是由電池供電，在工作中會消耗大量的能量，因此WSN中的資源約束和節(jié)能是我們面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)，大量的研究已實(shí)現(xiàn)了低功耗電子設(shè)備的設(shè)計(jì)，由于硬件條件限制，無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步能源的有效性，因此我們可以通過軟件方面入手，設(shè)計(jì)高效節(jié)能的通信協(xié)議，對應(yīng)于OSI參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層中的介質(zhì)訪問控制協(xié)議（MAC）則是保證網(wǎng)絡(luò)成功運(yùn)行的一項(xiàng)重要技術(shù)。本文，我們將對MAC協(xié)議面臨的挑戰(zhàn)及不同MAC協(xié)議在WSN中應(yīng)用的優(yōu)勢及劣勢進(jìn)行分析研究并對未來MAC協(xié)議的研究提出展望。

2 MAC協(xié)議設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

WSN的MAC協(xié)議必須實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)。第一是創(chuàng)建傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。傳感器節(jié)點(diǎn)部署和MAC協(xié)議設(shè)計(jì)須保障節(jié)點(diǎn)之間有完整的通信鏈路；第二是所有節(jié)點(diǎn)公平有效地共享傳輸介質(zhì)。

2.1 一個(gè)好的MAC協(xié)議的屬性

2.1.1 能源效率

傳感器節(jié)點(diǎn)靠電池供電，更換它或者對其進(jìn)行充電往往是非常困難的，有時(shí)候替換掉已有傳感器往往比對其進(jìn)行充電更有效。

2.1.2 潛伏期

在WSN網(wǎng)絡(luò)中，要求節(jié)點(diǎn)將檢測事件實(shí)時(shí)報(bào)告給信宿節(jié)點(diǎn)，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施。

2.1.3 吞吐量

吞吐量要求因不同應(yīng)用而異，一些WSN應(yīng)用程序需要采樣的信息具有良好的時(shí)間分辨率，因此要求節(jié)點(diǎn)接收更多的數(shù)據(jù)。

2.1.4 公平性

在許多應(yīng)用中，當(dāng)帶寬有限時(shí)，確保節(jié)點(diǎn)接收信息量的相當(dāng)是必要的。以上能源效率和吞吐量是主要考慮的因素。

2.2 能源浪費(fèi)的主要來源

2.2.1 干擾

當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)包由于干擾而損壞丟棄，重發(fā)操作會增加能耗，同時(shí)也會造成延遲。

2.2.2 串音

節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到其它節(jié)點(diǎn)的收發(fā)狀態(tài)。

2.2.3 分組傳輸

收發(fā)控制包消耗更多的能量并且導(dǎo)致較少的數(shù)據(jù)包可傳輸。

2.2.4 空閑監(jiān)聽

在諸多應(yīng)用中，若未感知到數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間將處于空閑狀態(tài)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議的主要目標(biāo)是最大限度地減少由于空閑偵聽，串音和碰撞所造成的能源的浪費(fèi)。

3 本文提出的幾種MAC協(xié)議

3.1 IEEE 802.11

IEEE 802.11是基于競爭的采用載波偵聽和隨機(jī)退避來避免數(shù)據(jù)包的碰撞的MAC協(xié)議。省電模式（PSM）的IEEE 802.11協(xié)議通過周期性進(jìn)入睡眠狀態(tài)減少空閑偵聽。PSM模式適用于時(shí)間同步的單跳網(wǎng)絡(luò)但由于時(shí)間同步、鄰居發(fā)現(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)劃分問題而不適用于多跳網(wǎng)絡(luò)。

3.2 功率感知的多址信號PAMAS

PAMAS是最早的基于競爭的MAC協(xié)議。協(xié)議中當(dāng)節(jié)點(diǎn)不收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)以節(jié)省能源。該協(xié)議使用兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)和控制包的通道，由于需使用兩個(gè)無線電頻率導(dǎo)致成本、尺寸及設(shè)計(jì)復(fù)雜度的增加，此外，在睡眠與喚醒之間的狀態(tài)切換存在著明顯的能源消耗。

3.3 S-MAC協(xié)議

該協(xié)議中節(jié)點(diǎn)周期性進(jìn)入到固定的偵聽/睡眠周期。該協(xié)議的時(shí)間分為兩部分：偵聽和睡眠。偵聽階段，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，發(fā)送如同步、RTS（請求發(fā)送）、CTS（清除發(fā)送）和ACK（確認(rèn)）控制包。然而該協(xié)議同樣會造成能源浪費(fèi)即節(jié)點(diǎn)在沒有收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，偵聽階段仍會產(chǎn)生能量消耗。

3.4 T-MAC協(xié)議

該協(xié)議在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)，在偵聽階段有一個(gè)“Ta”時(shí)隙（圖1所示），若在此時(shí)隙內(nèi)沒有事件發(fā)生，則提前進(jìn)入睡眠?！癟a”是每幀閑置監(jiān)聽的最低值。其中Ta> Tci+ Trt+ Tta+ Tct（Tci是爭奪區(qū)間的長度，Trt是一個(gè)RTS分組的長度，Tct的CTS分組長度）。T-MAC協(xié)議的能耗小于S-MAC協(xié)議，但T-MAC協(xié)議相比于S-MAC協(xié)議具有較高的延遲。

3.5 流量自適應(yīng)MAC協(xié)議（TRAMA）

TRAMA協(xié)議是基于TDMA協(xié)議，在WSN中設(shè)計(jì)了高效節(jié)能的無碰撞的信道。在這個(gè)協(xié)議中確保無碰撞傳輸以及在沒有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，使節(jié)點(diǎn)切換至低功耗空閑狀態(tài)以減少能耗。該協(xié)議由三部分組成：

（1）鄰居協(xié)議是用于收集相鄰節(jié)點(diǎn)的信息；

（2）交換協(xié)議是用來交換相鄰兩跳節(jié)點(diǎn)的信息及其附表；

（3）自適應(yīng)選舉算法決定在當(dāng)前時(shí)隙收發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)使用鄰域和附表信息，其他節(jié)點(diǎn)切換到低功耗模式。

TRAMA協(xié)議相對于S-MAC協(xié)議是更節(jié)能和更高的吞吐量的協(xié)議。然而，該協(xié)議相比于S-MAC協(xié)議具有較高延遲，因此該協(xié)議適用于對延遲要求不敏感，但需要更高的能源效率和吞吐量的應(yīng)用中。

3.6 D-MAC協(xié)議

數(shù)據(jù)采集–介質(zhì)訪問控制（D-MAC）針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于樹的數(shù)據(jù)采集（匯聚通信）進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化的一種機(jī)制。該協(xié)議的目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)低延遲的同時(shí)仍保持能源效率。該協(xié)議將時(shí)間分為很小的時(shí)隙并采用CSMA機(jī)制在每個(gè)時(shí)隙中進(jìn)行感知以收發(fā)數(shù)據(jù)包。傳感器節(jié)點(diǎn)定期執(zhí)行“1”發(fā)送、“1”接收和“n”休眠時(shí)隙的基本序列。在這種方法中，一個(gè)單一的數(shù)據(jù)包從一個(gè)源節(jié)點(diǎn)在深度“K”的樹到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的延遲只是' K '個(gè)時(shí)隙，這個(gè)延遲只有幾十毫秒。

D-MAC有一個(gè)溢出機(jī)制來處理每個(gè)單一的源節(jié)點(diǎn)具有較低的流量率，但在中間節(jié)點(diǎn)的總速率大于基本占空比這個(gè)問題。在這種機(jī)制中，傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)后將保持一個(gè)時(shí)隙的清醒狀態(tài)。

4 總結(jié)

近年來，各種各樣的MAC協(xié)議被研究者提出來，然而并沒有哪一種協(xié)議作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，雖然大量的MAC協(xié)議被提出，但仍有一些工作需要我們?nèi)リP(guān)注：

4.1 網(wǎng)絡(luò)安全

MAC層的防止竊聽和惡意行為，需進(jìn)一步研究。

4.2 節(jié)點(diǎn)移動性

WSN中的節(jié)點(diǎn)最初被認(rèn)為是靜態(tài)的。最近在醫(yī)療保健和災(zāi)難響應(yīng)應(yīng)用程序中移動傳感器可以連接到病人，醫(yī)生或第一響應(yīng)者引起了研究者的興趣。在MAC層的流動性領(lǐng)域還是有很多未知領(lǐng)域。

4.3 計(jì)算平臺

許多WSN協(xié)議通過仿真進(jìn)行計(jì)算，然而MAC協(xié)議的性能需要在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行計(jì)算，研究者需著眼于該方面的研究。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西省運(yùn)城市 044000