能量采集傳感器網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議研究綜述

鄭祖朋，汪祖民，彭 楊，季長清，秦 靜

1.大連大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116622

2.華盛頓大學(xué)博賽爾分校 計算機系，華盛頓 博賽爾 98021

3.大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116622

1 引言

WSN由大量具有一定感知、計算能力的傳感器節(jié)點組成，通過多跳的方式將采集到的信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，實現(xiàn)對部署區(qū)域的監(jiān)測[1]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，WSN已被應(yīng)用到各個領(lǐng)域。如智能家居[2]、智慧醫(yī)療[3-4]、智慧交通[5]、工業(yè)檢測[6]、軍事偵查[7-8]、災(zāi)害預(yù)測管理[9]、建筑物安全監(jiān)測[10]、食品安全檢測管理[11]等。WSN的使用為智能化的發(fā)展提供了強大的動力與支持。傳統(tǒng)的WSN由電池提供能量，其使用壽命嚴(yán)重受限于電池的容量。如何提高WSN的網(wǎng)絡(luò)壽命，是一個比較困難的問題。一個解決方案是更換電池來延長使用壽命，但在很多情況下是難以實現(xiàn)的，甚至是不切實際的。電池的更換需要消耗大量的資源，且會帶來更多環(huán)境污染問題。另一個解決方案是通過最小化能源消耗來延長網(wǎng)絡(luò)壽命。通過MAC協(xié)議的設(shè)計來降低網(wǎng)絡(luò)的能耗，能夠大大提高網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。傳統(tǒng)的MAC協(xié)議，如S-MAC[12]、Z-MAC[13]等，其主要目標(biāo)是節(jié)能，卻忽略了網(wǎng)絡(luò)性能（網(wǎng)絡(luò)吞吐量、延遲、公平性、負載平衡等參數(shù)都未考慮）。最終，WSN的壽命還是受限于有限的電池容量。

能量采集（EH）技術(shù)的提出為能量受限問題提供了一個很好的解決方案。EH是將環(huán)境能量（太陽能、風(fēng)能、熱能、射頻能等）轉(zhuǎn)化成電能的技術(shù)[14]。利用EH技術(shù)來代替電池供電，傳感器節(jié)點的設(shè)計可以更加精簡，WSN的網(wǎng)絡(luò)壽命可以極大延長。目前能量采集傳感器網(wǎng)絡(luò)（EH-WSNs）正被應(yīng)用到各個領(lǐng)域[15-18]。EH-WSNs的實現(xiàn)主要是EH技術(shù)和協(xié)議棧的相互協(xié)作完成的，其主要的工作是傳感、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，因此MAC協(xié)議的設(shè)計是非常重要的。EH-WSNs下的MAC協(xié)議，主要目標(biāo)是利用現(xiàn)有的能量提高WSN的性能和能量效率。傳感器網(wǎng)絡(luò)在延遲、吞吐量、公平性等方面的性能很大程度上都取決于MAC協(xié)議的設(shè)計[19]。因此EHWSNs下的MAC協(xié)議相比傳統(tǒng)的電池供電MAC協(xié)議具有很大的不同，且更具有挑戰(zhàn)性。

2 EH-WSNs中的MAC協(xié)議設(shè)計要求

EH-WSNs中，傳感器節(jié)點的能量采集能力受到環(huán)境條件的影響，無法保持持續(xù)的供電，節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸也都需要考慮剩余能量水平。因此，傳統(tǒng)的MAC協(xié)議無法直接使用到EH-WSNs中。為了更好地提高EHWSNs的網(wǎng)絡(luò)性能，需要考慮MAC協(xié)議的設(shè)計要求。主要包含以下幾個方面：

（1）設(shè)計原則：電池供電的WSN，其網(wǎng)絡(luò)壽命受到電池容量的限制。其MAC協(xié)議的主要目標(biāo)是降低傳感器節(jié)點的能源消耗來延長網(wǎng)絡(luò)壽命，但是降低了網(wǎng)絡(luò)性能。在EH-WSNs中，傳感器節(jié)點通過EH，極大地延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。MAC協(xié)議中不再以延長網(wǎng)絡(luò)壽命為主要任務(wù)，而是在短暫通信的時間內(nèi)提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

（2）自適應(yīng)占空比：傳感器節(jié)點通過EH獲取足夠的能量來進行數(shù)據(jù)的傳輸，但是每個節(jié)點的能量采集能力不同。無法保證相鄰節(jié)點能夠同時采集完成，然后進行通信傳輸。EH-WSNs下的MAC協(xié)議需要根據(jù)節(jié)點的能量采集率和可用能量源的多少，自適應(yīng)控制其睡眠/喚醒機制來進行同步通信。

（3）能量中性（Energy Neutral Operation，ENO）[20]：EH-WSNs下的傳感器節(jié)點需要保證剩余的能量大于或等于傳輸數(shù)據(jù)所需消耗的能量，才能保證網(wǎng)絡(luò)的最大性能。這就需要節(jié)點自適應(yīng)占空比，根據(jù)自身條件調(diào)整能量的采集與數(shù)據(jù)的傳輸。

（4）服務(wù)質(zhì)量（QoS）[21]：QoS的好壞代表著網(wǎng)絡(luò)性能的高低，在網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議的改進就是為了提高QoS指標(biāo)。由于WSN的應(yīng)用環(huán)境不同，所要取得的性能指標(biāo)也不同。QoS的性能指標(biāo)主要有吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸延遲、丟包率、能源利用率、適應(yīng)性、寬帶利用率等。

（5）可擴展性：能量采集環(huán)境條件多變，EH-WSNs必須在不同的節(jié)點密度和流量負載下都能進行良好的工作。且MAC協(xié)議能夠根據(jù)傳感器節(jié)點的增加或減少，自適應(yīng)改變其工作狀態(tài)。因此，可擴展性也是MAC協(xié)議需要考慮的一個關(guān)鍵因素。

3 EH-WSNs中的MAC協(xié)議分類

基于EH的MAC協(xié)議相比傳統(tǒng)電池供電的MAC協(xié)議具有很大的不同，電池供電下的MAC協(xié)議無法直接應(yīng)用到EH-WSNs中。首先，環(huán)境能量具有隨機性，只提供間歇性的能量。傳感器節(jié)點的能量采集速率和能源可用性都比較依賴于環(huán)境因素，無法保證處于能量采集狀態(tài)的節(jié)點能夠按照同步調(diào)度進行喚醒，因此多采用異步MAC協(xié)議[22-23]。其次，環(huán)境能量采集率較低，傳感器節(jié)點需要進行長時間的能量采集以能夠進行短時間的數(shù)據(jù)傳輸。異步MAC協(xié)議需要根據(jù)環(huán)境條件、采集率、爭用時間等進行自適應(yīng)調(diào)整占空比，來協(xié)調(diào)能量的采集與數(shù)據(jù)傳輸。

如表1所示，異步MAC協(xié)議從初始化過程上可以分為發(fā)送端發(fā)起的MAC協(xié)議和接收端發(fā)起的MAC協(xié)議。發(fā)送端發(fā)起的協(xié)議通過發(fā)送序言來確認接收端是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)來進行數(shù)據(jù)傳輸工作，但是增加了空閑監(jiān)聽和數(shù)據(jù)碰撞的概率。與接收端發(fā)起的MAC協(xié)議相比，接收端發(fā)起的MAC協(xié)議具有更大的優(yōu)點。接收端發(fā)起的MAC協(xié)議通過發(fā)送信標(biāo)通知發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，縮短了占用信道的時間，且信標(biāo)相比序言更短，減少了空閑監(jiān)聽和數(shù)據(jù)沖突。EH-WSNs中的MAC協(xié)議主要分為基于占空比調(diào)整的MAC協(xié)議、基于CSMA/CA的MAC協(xié)議、基于能量采集與數(shù)據(jù)傳輸平衡的MAC協(xié)議，本文中介紹了幾種比較有代表性的MAC協(xié)議。

表1 EH-WSNs中MAC協(xié)議技術(shù)分析

4 EH-WSNs中的MAC協(xié)議分析

4.1 基于占空比調(diào)整的MAC協(xié)議

2014年，Liu等人提出了一種具有能量和負載均衡的異步接收端MAC協(xié)議——LEB-MAC[24]協(xié)議。該協(xié)議中節(jié)點根據(jù)能量采集率、剩余能量進行調(diào)整占空比，根據(jù)節(jié)點的能量水平利用模糊控制方法來確認合適的睡眠間隔。接收端將節(jié)點的喚醒時間和下一次預(yù)期喚醒時間等信息，通過信標(biāo)的形式發(fā)送給鄰居節(jié)點。鄰居節(jié)點根據(jù)信標(biāo)和節(jié)點的能量水平，來同步占空比。2016年，Nguyen等人提出了一種自適應(yīng)占空比協(xié)議RFAASP[25]協(xié)議。該協(xié)議采用射頻能量采集的方式，使用兩種不同的天線進行能量采集和數(shù)據(jù)的傳輸，來實現(xiàn)能源效率和QoS的平衡。該協(xié)議中通過計算相鄰間隔信標(biāo)的數(shù)據(jù)包數(shù)量來估計QoS參數(shù)的變化，以此來提高QoS。并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的負載、節(jié)點的剩余能量來主動調(diào)整睡眠周期，最終降低網(wǎng)絡(luò)爭用，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和能源效率。2018年，Tanabe等人提出的ENRI-MAC[26]協(xié)議中根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點數(shù)量動態(tài)調(diào)整自己的間歇間隔，在多跳的環(huán)境中可以降低節(jié)點的丟包率。該協(xié)議同時兼顧可擴展性和能量中性，最后通過實景測試，相比傳統(tǒng)的間歇接收數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議具有更高的能量效率。2018年，Sarang等人提出了QPPD-MAC[27]協(xié)議，在動態(tài)采集環(huán)境中，節(jié)點根據(jù)能量的不同級別調(diào)整占空比。通過發(fā)送CCA查看介質(zhì)的狀態(tài)，以進行協(xié)調(diào)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。并且在發(fā)送端對數(shù)據(jù)設(shè)定優(yōu)先級級別，提高了數(shù)據(jù)傳輸率，降低了數(shù)據(jù)沖突。傳感器節(jié)點定期醒來進行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)接收到最高級別的數(shù)據(jù)時，取消定時器進行數(shù)據(jù)接收，降低了傳輸延遲。通過實景測試，在環(huán)境多變的太陽能采集中能取得較好的性能。

在自適應(yīng)占空比協(xié)議中，都考慮到剩余能量水平和能量采集率來調(diào)整睡眠/喚醒周期。這種方式能夠根據(jù)實際的環(huán)境條件來調(diào)整節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸工作。LEBMAC協(xié)議中，接收方通過維護發(fā)送方的調(diào)度時間表和采用優(yōu)先級機制來降低數(shù)據(jù)沖突問題。由于接收方的喚醒調(diào)度是可以知道的，所以根據(jù)鄰居節(jié)點的占空比可以相互協(xié)調(diào)通信，這種方式提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。但是在初次通信時，無法獲知接收方的調(diào)度信息，可能需要等待較長的時間來進行同步，會造成較長的延遲。而且在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，沒有能量預(yù)測機制，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂瓶赡軙щy一些。RF-AASP協(xié)議中，能夠根據(jù)流量模式自適應(yīng)調(diào)整充電時間，且可以通過調(diào)整信標(biāo)中的參數(shù)來提高QoS。但是該協(xié)議只是在仿真的環(huán)境中進行的測試，沒有考慮真實的RF環(huán)境。對于射頻能量采集，需要在真實的環(huán)境中進行測試才比較合理。ENRIMAC協(xié)議中考慮了需要進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點數(shù)量，根據(jù)該數(shù)量來調(diào)整節(jié)點的間歇間隔，該種方式具有更高的能量效率。在QPPD-MAC協(xié)議中，采用了類似于LEB-MAC協(xié)議中的優(yōu)先級機制。對數(shù)據(jù)包設(shè)定優(yōu)先級，具有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包優(yōu)先傳輸。這種方式可以降低數(shù)據(jù)等待的時間，也會減少發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的問題。同時采用了類似于RF-AASP協(xié)議中調(diào)整占空比的方法，提高了能源效率。這兩種方法在最近的研究中多次被使用，通過最后的實驗結(jié)果也可以看出，這兩種方法都是比較合理的。最后該協(xié)議在真實的環(huán)境中進行了實驗，從表2的性能比較中可以看出該協(xié)議取得了較好的性能（表2為分析各協(xié)議實驗結(jié)果總結(jié)得出）。

4.2 基于CSMA/CA的協(xié)議

2014年，Naderi等人提出的RF-MAC協(xié)議。RFMAC[28]協(xié)議在CSMA/CA協(xié)議的基礎(chǔ)上進行改進。通過信道感知對其數(shù)據(jù)傳輸和能量傳輸進行管理，它不僅使數(shù)據(jù)傳輸中斷最小化，而且優(yōu)化了節(jié)點的能量傳遞。根據(jù)節(jié)點的剩余能量水平進行優(yōu)先級的設(shè)定，傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸次序根據(jù)優(yōu)先級的次序進行選擇，提高了網(wǎng)絡(luò)壽命。該協(xié)議通過真實的實驗驗證了各因素對其效率的影響，并對其進行改進，具有比較高的合理性。通過對能量發(fā)射器及其頻率的聯(lián)合選擇、設(shè)置最大能量充電閾值、請求和授予能量以及能量感知訪問優(yōu)先級等問題的解決，提高了能量采集率和網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。2018年Lee等人提出了CSMA-MAC[29]協(xié)議，該協(xié)議采用CSMA/CA機制（基于超幀結(jié)構(gòu)）。傳感器節(jié)點在進行數(shù)據(jù)傳輸時，采用CSMA/CA機制進行信道爭取，調(diào)節(jié)節(jié)點通信。該協(xié)議中分析探討信道訪問與數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)系，其中當(dāng)請求節(jié)點的數(shù)量越多，每個超幀的槽分配成功率就會降低。同時超幀的持續(xù)時間越長，則超幀分配成功率就會越高。且該協(xié)議可以適應(yīng)數(shù)據(jù)包大小，通過分析這些關(guān)系來合理控制數(shù)據(jù)傳輸。

表2 EH-WSNs中MAC協(xié)議性能比較

多節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸時，節(jié)點通過發(fā)送信標(biāo)等進行信道獲取，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸工作。在信道獲取時往往會發(fā)生信道沖突，MAC協(xié)議中使用CSMS/CA機制進行信道爭用，可以給每個節(jié)點提供一個合適的機會。通過最后的性能指標(biāo)可以看出，該種方法可以獲得更好的公平性，也降低了延遲。在RF-MAC協(xié)議中，采用分布式發(fā)射機協(xié)同波束形成的思想進行無線能量傳輸，利用不同相位的高頻信號對輸出功率進行優(yōu)化在一定程度上能提高能源效率。但是高頻信號的時間同步很難達到，且該協(xié)議不是在射頻能量采集環(huán)境下使用的。隨著通信技術(shù)的發(fā)展與使用，射頻信號的覆蓋率會越來越廣。適合射頻采集環(huán)境的MAC協(xié)議會是很有價值的。且CSMAMAC也只是在理論的仿真上進行的測試，實際的環(huán)境條件會更加復(fù)雜。

4.3 基于能量采集與傳輸平衡的MAC協(xié)議

EH下的傳感器節(jié)點往往具有較低的能量采集率，因此需要較長時間進行能量的采集以足夠發(fā)送數(shù)據(jù)的消耗。往往會出現(xiàn)較低能量采集率的傳感器節(jié)點需要傳輸較大的數(shù)據(jù)，這種能量采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟黄胶鈬?yán)重影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。2016年Hawa等人針對這個問題提出了S-LEARN[30]協(xié)議，該協(xié)議采取獨立、分布式的方法控制傳感器節(jié)點，擁有學(xué)習(xí)行為。根據(jù)節(jié)點之間的沖突，學(xué)習(xí)節(jié)點的傳播規(guī)律，以此協(xié)調(diào)節(jié)點在合適的時間、頻段、時隙內(nèi)進行傳輸。利用計數(shù)器感知周圍的變化來選擇合適的波段進行能量采集，減小了能量采集和數(shù)據(jù)傳輸之間的沖突。降低了數(shù)據(jù)沖突問題，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。2018年Kim等人提出了HE-MAC[31]協(xié)議。該協(xié)議中，傳感器節(jié)點先進行能量采集然后再進行數(shù)據(jù)的傳輸，有效協(xié)調(diào)ET和通信在相同頻段的工作。同時改進了分布式協(xié)調(diào)系統(tǒng)，使節(jié)點可以接受連續(xù)的幀傳輸，可以提高傳輸效率。并且采用了RTS/CTS來降低數(shù)據(jù)傳輸中的沖突問題。最后利用馬爾可夫鏈模型和穩(wěn)態(tài)概率進行性能分析，通過對RF-MAC和DOS[32]協(xié)議進行比較，在能量采集率與網(wǎng)絡(luò)吞吐量上都取得比較好的性能。

在射頻能量采集環(huán)境中，ET和通信都在相同的頻段工作時，這就會出現(xiàn)兩者間的權(quán)衡。S-LEARN協(xié)議和HE-MAC協(xié)議都是考慮能量采集與數(shù)據(jù)傳輸而做出的改進。在S-LEARN協(xié)議中利用自學(xué)習(xí)技術(shù)，學(xué)習(xí)節(jié)點數(shù)據(jù)沖突時的廣播規(guī)律，來選擇合適的發(fā)送時間、頻段等信息。認知無線電技術(shù)可以大大提高頻譜數(shù)量，提高頻譜的使用率。對于射頻能量采集MAC協(xié)議的設(shè)計，認知無線電的使用會提高網(wǎng)絡(luò)的性能，且認知無線電技術(shù)在不久的將來會獲得突破性的發(fā)展。而HEMAC通過RTS/CTS技術(shù)來降低數(shù)據(jù)沖突。從最后的性能分析中可以看出，自學(xué)習(xí)技術(shù)是可取的。

5 總結(jié)與展望

在能量采集環(huán)境下的MAC協(xié)議中，每種協(xié)議都是針對特定的能量采集環(huán)境。至今為止，沒有一種協(xié)議能夠適應(yīng)多種能量采集環(huán)境。在這特定MAC協(xié)議中，優(yōu)化能源利用率仍然是其主要的目標(biāo)，MAC協(xié)議中QoS的實現(xiàn)仍然受到很多的限制。因此，在未來MAC協(xié)議的設(shè)計中還需要考慮到其他幾種因素。

首先是關(guān)于能量的預(yù)測[33-34]。不僅要知道現(xiàn)有的能量水平，也要知道短期內(nèi)將要獲得的能量水平，這樣就可以優(yōu)化協(xié)議。然后是能源消耗與數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠胶?。大多?shù)協(xié)議中使用了占空比調(diào)整和數(shù)據(jù)優(yōu)先級機制來減少沖突和能耗問題，通過實驗看出，這些方法是有效的。但另一方面，為了提高EH-WSNs網(wǎng)絡(luò)的性能，MAC協(xié)議應(yīng)該根據(jù)節(jié)點的實際能量水平與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量動態(tài)改變能量獲取和傳輸?shù)臓顟B(tài)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，射頻信號的覆蓋面積越來越廣，射頻能量采集技術(shù)已被廣泛用于各個領(lǐng)域。通過射頻信號為傳感器節(jié)點進行充電會更加的便捷，射頻能量采集具有非常大的潛力。但是可用的頻段依然有限，這限制了網(wǎng)絡(luò)性能的提升。在未來的MAC協(xié)議設(shè)計中，應(yīng)多考慮如何擴大使用多頻段的信號。比如說利用認知無線電，可以允許次要用戶機會性地訪問頻譜所有者未充分利用的頻譜波段[35]。最后，在能量采集MAC協(xié)議中，大多都是進行仿真實驗。這些仿真對一些不現(xiàn)實的假設(shè)進行了妥協(xié)。在真實的環(huán)境下，這些協(xié)議的設(shè)計可能具有更大的挑戰(zhàn)。在未來，越來越多的物件連接到物聯(lián)網(wǎng)。WSNs作為物聯(lián)網(wǎng)浪潮中重要的一部分，用于物聯(lián)網(wǎng)中的MAC協(xié)議，兼容性是另一個比較大的挑戰(zhàn)。