無線傳感器網(wǎng)絡低功耗MAC協(xié)議的研究與應用

李希臣，張巖

(焦作大學，河南焦作454000)

無線傳感器網(wǎng)絡低功耗MAC協(xié)議的研究與應用

李希臣，張巖

(焦作大學，河南焦作454000)

無線傳感器網(wǎng)絡在當今世界是非常流行的一種網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡摒棄了傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡，解決了很多有線網(wǎng)絡的麻煩和缺陷，為網(wǎng)絡帶來了新的發(fā)展。而低功耗MAC協(xié)議則在很多方面鞏固了無線傳感器網(wǎng)絡的地位，幫助它解決很多問題，也促進了無線傳感器網(wǎng)絡的進一步發(fā)展，使得無線傳感器網(wǎng)絡在現(xiàn)在的網(wǎng)絡市場上始終占據(jù)著重要位置，不可動搖。

無線傳感器網(wǎng)絡；低功耗MAC協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡隨著科學技術的發(fā)展也獲得不小的收獲，無論是它的信息傳輸速度、信息傳輸?shù)墓叫?、還是延遲反應的效果、沖突的解決都更上一層樓。對無線傳感器網(wǎng)絡做出巨大貢獻的就是低功耗的MAC協(xié)議，低功耗MAC協(xié)議真正降低信息傳輸速度，提高數(shù)據(jù)的準確性和速度。本文從四個部分研究了無線傳感器網(wǎng)絡和低功耗MAC協(xié)議的關系，介紹了無線網(wǎng)絡的應用領域、能耗以及它需要考慮的一些內容。

1 無線傳感器網(wǎng)絡低功耗MAC協(xié)議的應用領域

無線傳感器網(wǎng)絡是由一組傳感器節(jié)點通過自組織的方式構成的無線網(wǎng)絡，它的用途非常廣，可以運用于很多領域，包括軍事領域、醫(yī)療領域、生活領域等等。無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議本身具有很多優(yōu)點，可以傳遞信息，處理信息，還能夠對目標物進行監(jiān)測和控制。正因為這些優(yōu)點的存在，無線傳感器網(wǎng)絡低功耗MAC協(xié)議被普遍運用于很多領域。在軍事領域中，無線傳感器網(wǎng)絡低功耗MAC協(xié)議可用于監(jiān)測軍事區(qū)域的兵力和裝備、監(jiān)測戰(zhàn)場狀況和武器狀況?，F(xiàn)在很多國家都關注本國的軍事實力，在軍事方面投入大量人才和資金去建設國家的軍力，但僅僅追求發(fā)展是不夠的，時刻對國家軍事進行監(jiān)測，才能保證國家軍事實力。

在醫(yī)療領域，醫(yī)生可以對病人的身體狀況進行時刻監(jiān)察，及時對患者進行治療，還可以通過這種方法發(fā)現(xiàn)病人的生病癥狀，采取措施及時治療。另外，MAC協(xié)議也可以用于對醫(yī)生的監(jiān)督，時刻監(jiān)督醫(yī)生的行為，監(jiān)督護士是不是真的熱愛崗位，友愛對待病患。在生活領域，無線傳感器網(wǎng)絡可用于監(jiān)測生活區(qū)內的動植物生長情況，還可以用于檢測房屋周圍的安全情況，發(fā)現(xiàn)安全隱患。另外，在環(huán)境領域，無線傳感器網(wǎng)絡還可以用于檢測天氣情況，預防病蟲害的發(fā)生。

2 無線傳感器網(wǎng)絡低功耗MAC協(xié)議的能耗分析

無線傳感器網(wǎng)絡低功耗MAC協(xié)議的能耗關系著無線傳感器網(wǎng)絡的使用情況。實際上，無線傳感器網(wǎng)絡中主要造成能耗的是MAC層，低功耗的MAC主要是從這幾個方面進行降低能耗。MAC協(xié)議的傳感器是由許多節(jié)點構成的，這些節(jié)點相互作用，且大都是通過電池供給電流給無線傳感器，這其實是無線傳感器MAC協(xié)議的能耗主要所在。

首先，是空閑偵聽中的節(jié)點能量消耗?？臻e偵聽中，有些節(jié)點的動向很難預測，但是監(jiān)測模式是一直開啟的，這其實就是一種變相的能量消耗。無線傳感器的監(jiān)測或是接受功能處于工作狀態(tài)，會造成大量的能量消耗和浪費，并且這種浪費是不可估量的。其次，如果同時有兩個信息節(jié)點被傳輸過來，信息不一定能夠被傳輸過來，反而會造成信息傳輸失誤，浪費信息源，造成能量消耗和浪費。還有一個就是無線傳感器網(wǎng)絡的竊聽功能，竊聽功能指的是無線信息通道的共享功能，即一個節(jié)點上的信息通過無線傳感器傳播到其他節(jié)點上，但在很多時候這些節(jié)點并不需要信息的傳輸，因此，在竊聽上面消耗的能量就是多余的。無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議中的竊聽功能，在某種程度上是一種能耗，為達到節(jié)能目的，可以適當關閉。最后，在無線傳感器網(wǎng)絡中還存在著一種發(fā)送失效的可能性，即當信息傳輸時，信息傳輸失敗，這個傳輸過程中所消耗的能量也是一種浪費，因為它并沒有得到原本的運用。

3 無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議需要考慮內容

無線傳感器網(wǎng)絡低功耗MAC協(xié)議在實際運作中面臨很大問題，這些方面的問題需要慎重考慮，不容忽視：

3.1 MAC協(xié)議的能力性

能量有效性檢驗是MAC協(xié)議的一項重要指標，能量有效性指的是網(wǎng)絡節(jié)點能量的傳輸力量，它的運行需要電池的支撐。在設計MAC時候，有效利用節(jié)點的能量，延長節(jié)點的傳輸能量和時間。在節(jié)點的能量消耗中，無線傳感器的收集信息和傳輸信息的功能是消耗最多且，因此無線傳感器的收發(fā)裝置的開啟消耗了MAC協(xié)議大部分能量，縮短MAC協(xié)議的使用壽命。因此，在平時的無線傳感器使用過程中，要格外注意MAC能量消耗量，及時進行補救，以防無線傳感器的使用出現(xiàn)問題。

3.2 MAC協(xié)議的擴展性

MAC協(xié)議的擴展性指的是MAC協(xié)議適應網(wǎng)絡、節(jié)點、信息傳輸速度的能力和素質。在無線傳感器的運作過程中，各個節(jié)點的變化方向、變化程度以及節(jié)點的分布都是不同的，這些問題對于無線傳感器的信息傳輸來說都是大問題，亟待解決，但很難應對。當無線傳感器的運作的時候，節(jié)點的運行方向、節(jié)點的位置等都是不斷變化的，這不是一個穩(wěn)定的過程。對此，MAC協(xié)議應該要有很好的擴展性，以應對這些變化，解決這些變化，適應這些變化給無線傳感器帶來的影響。

MAC的擴展性是不容易達到的一項工作，因為對于MAC協(xié)議，無線傳感器的運作規(guī)律是很難捕捉到的，需要精細的記錄和高深的科技水平。但是，MAC的擴展性能是亟待解決的，如果MAC協(xié)議的擴展性能夠做好做優(yōu)，那么無線傳感器的傳輸規(guī)律也是可獲得的，而且也能夠提升MAC協(xié)議的高度，使其達到新的水平。

3.3 必須要避免沖突

MAC協(xié)議能夠很好地避免沖突，這里的沖突指的是無線傳感器運作時后產生的沖突，即兩個節(jié)點同時被傳輸?shù)臅r候發(fā)生的信息沖突。對于這樣的沖突，MAC能夠充分利用自身優(yōu)勢進行規(guī)避，MAC協(xié)議決定著網(wǎng)絡中節(jié)點傳輸時間、節(jié)點傳輸?shù)攸c以及節(jié)點傳輸?shù)姆绞?，并且把這些信息以數(shù)據(jù)的形式發(fā)送給授者。無線傳感器的信息節(jié)點沖突影響信息傳播速度和質量，因此，MAC協(xié)議能夠發(fā)揮自身長處幫助解決節(jié)點的能量消耗和網(wǎng)絡性能對于解決沖突問題有著重大意義。

無線傳感器網(wǎng)絡中沖突的發(fā)生是常有的事情，目前的技術還不能成熟到完美解決這一問題。這就要求對MAC協(xié)議的研究要更加深入，更加向前，更加有力。

3.4 信息通道的使用

信息節(jié)點的分布和傳播意味著信息通道的開通，信息通道是一條幫助傳輸信息的通道，能夠保存數(shù)據(jù)并且傳輸數(shù)據(jù)，而且是以無線的方式。信息通道的使用反映出網(wǎng)絡通信中信息通道寬帶。在現(xiàn)在市場上各種網(wǎng)絡系統(tǒng)和無線網(wǎng)域中，信息通道的使用代表這種網(wǎng)絡的品質和性能，是客戶檢驗無線傳感器的一項重要指標。信息的傳輸速度和傳輸力度關系著網(wǎng)絡的速度和能力，是非常重要的判斷標準。根據(jù)信息通道的重要性，MAC協(xié)議設計者要多在信息通道的傳輸速度和傳輸質量上面做文章，確保無線傳感器網(wǎng)絡信息通道的順暢，保持信息通道的高速化和潔凈化。

3.5 數(shù)據(jù)的延遲反應

在無線傳感器網(wǎng)絡的運作過程中還經常出現(xiàn)延遲的問題。延遲就是指一方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或是信息花費過多的時間運送到另一方。而且，在傳輸過程中斷斷續(xù)續(xù)，出現(xiàn)信息不穩(wěn)且信息不準的情況。對于MAC協(xié)議來說，延遲反應在網(wǎng)絡的實際運用中很關鍵，如果延遲反應過多或過于頻繁，那么無線網(wǎng)絡的傳輸就會出現(xiàn)大的問題。相反，延遲反應較弱且持續(xù)時間短，那么無線傳感器工作的時候效率就會越高。

對于很多MAC協(xié)議設計者來說，延遲反應并不是那么重要，但是在實際中，延遲反應這樣一個極其細小的部分，在整個信息傳輸過程中扮演著極其重要的角色，不能夠也不應該被忽視。

3.6 接收數(shù)據(jù)量大小

數(shù)據(jù)量也可以稱之為吞吐量，即在規(guī)定的時間內，一方傳輸給另一方的數(shù)據(jù)總量。無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)量大小其實受很多因素的影響，包括沖突避免機制的有效性、信息通道的使用情況、延遲反應持續(xù)時間等，MAC協(xié)議在這方面的應用能夠幫助解決這一方面存在的問題。MAC協(xié)議可以幫助擴大數(shù)據(jù)量，并且保證數(shù)據(jù)量的質量。因為MAC協(xié)議可以幫助延長無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的生存時間，在某些必要時刻，它還會犧牲延遲反應的作用，忽略信息通道的傳輸速度，只求達到滿意的數(shù)據(jù)量，完善無線傳感器網(wǎng)絡的運行。

3.7 無線網(wǎng)絡的公平

無線傳感器網(wǎng)絡的公平是指，在網(wǎng)絡傳輸過程中，期間各個節(jié)點、數(shù)據(jù)、信息的應用應當是公平的、均勻的。無線傳感器網(wǎng)絡中的每一位用戶都希望能夠擁有平等的傳輸信息和發(fā)送信息的能力，并且在時間和空間上沒有差別。網(wǎng)絡傳輸過程中的每一個節(jié)點，應該都是同時工作，同時對信息和數(shù)據(jù)進行處理，并且速度相同，數(shù)據(jù)量相同。在很多時候，無線傳感器網(wǎng)絡的公平性會成為客戶選擇一種網(wǎng)絡的關鍵所在，而且也是客戶對一種網(wǎng)絡心生不滿的關鍵所在。

在無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)化時期，應當注重公平性這一條件，多關注節(jié)點分布和傳輸?shù)钠降?。只有這樣才能吸引更多的客戶，才能留住更多客戶，使得用戶滿意網(wǎng)絡，樂于使用網(wǎng)絡。

上文介紹了很多關于無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議的相關內容，集中地反映了MAC協(xié)議的一些特征。不同于以前的MAC協(xié)議，無線傳感器網(wǎng)絡低功耗MAC協(xié)議更加人性化，更加符合用戶的要求，獲得客戶的滿意。無論是在延遲反應、信息通道、沖突的存在、擴展性能方面，還是在網(wǎng)絡的公平度方面，最新的最有科技含量的MAC協(xié)議才能真正適應無線傳感器網(wǎng)絡，才能幫助無線傳感器網(wǎng)絡帶來真正的好處，打開無線傳感器網(wǎng)絡的新世界之門。

4 結束語

眾所周知，無線網(wǎng)絡如今以及成為所有網(wǎng)絡中最受歡迎的網(wǎng)絡，因為它不需要使用電線連接線路，減少很多資金而且節(jié)省了很多空間，因此在很多領域都得到大力推崇。低功耗的MAC協(xié)議為無線傳感器網(wǎng)絡做出了很大貢獻，它幫助無線網(wǎng)絡提高信息傳輸速度、增加數(shù)據(jù)傳輸量、縮減延遲反應、解決節(jié)點沖突矛盾，使得無線網(wǎng)絡很快躋身網(wǎng)絡領域的領軍。正因為這種積極的趨勢，以后無線網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢只會越來越好。

[1]吳功宜.計算機網(wǎng)絡[M].2版.北京：清華大學出版社, 2013：3.

[2]夏少波,許娥.無線傳感器網(wǎng)絡WSN探究[J].通信技術,2010, 43(8)：18-20.

[3]趙靜,潘斌,王進,等.無線傳感器網(wǎng)絡能耗分析與策略研究[J].通信技術,2010,43(10)：87-88.

[4]孫超,張世慶,張西良.無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議研究[J].傳感器世界,2016(8)：31-34.

[5]孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京：清華大學出版社,2015：5-20.

[6]陳德富.無線傳感器網(wǎng)絡自適應MAC協(xié)議研究[D].上海交通大學,2012.

[7]鄭國強,李建東,周志立.無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議研究進展[J].自動化學報,2008,(3)：305-316.

TP393

A

1009-3044(2017)21-0034-02

2017-04-29

李希臣(1959—)，男，河南焦作人，學士，主要研究方向為計算機應用；張巖(1973—)，男，河南焦作人，碩士，主要研究方向為計算機應用。