無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究綜述

和夢琪，施偉斌

（上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）由大量具有無線通信與計算能力的傳感器節(jié)點以自組織和多跳方式構(gòu)成，其大范圍的應(yīng)用及技術(shù)特點一直備受關(guān)注，涉及軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療服務(wù)、目標(biāo)追蹤和智慧城市等多個領(lǐng)域。介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議構(gòu)建WSN 系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，決定節(jié)點接入無線信道的方式，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中多個節(jié)點共享無線信道的有限通信資源，目的在于保證無線信道中的通信效率和通信可靠性，同時避免沖突，盡可能減少能量消耗，對網(wǎng)絡(luò)整體性能有直接影響［1］。

1 無線傳感器網(wǎng)MAC 協(xié)議

1.1 MAC 協(xié)議性能指標(biāo)設(shè)計

WSN 需電池供電的節(jié)點長時間處于活動狀態(tài)以實現(xiàn)可靠有效的觀察，而單個節(jié)點的能量及處理能力有限，WSN 需要網(wǎng)內(nèi)大量節(jié)點相互協(xié)作才得以實現(xiàn)，這些特性使MAC 協(xié)議的發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)［2］。MAC 協(xié)議設(shè)計時考慮以下方面的性能：

（1）能耗高效性。WSN 中的節(jié)點大多采用電池供電，對于部署在惡劣和不可接近環(huán)境中的節(jié)點而言，電池?zé)o法及時更換，因此節(jié)省節(jié)點能量消耗以延長網(wǎng)絡(luò)生存周期是協(xié)議設(shè)計的關(guān)鍵問題。WSN 在通信過程中的節(jié)點耗能環(huán)節(jié)如圖1 所示，MAC 協(xié)議設(shè)計應(yīng)考慮降低占空比以減少空閑偵聽能耗、避免沖突以減少重發(fā)數(shù)據(jù)能耗、避免串音干擾能耗以及減少協(xié)議運行的控制開銷等方面。

（2）自適應(yīng)性。節(jié)點移動、死亡或加入都會引起網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及拓?fù)渥兓琈AC 協(xié)議設(shè)計需要自組織機(jī)制才能實現(xiàn)節(jié)點的隨機(jī)部署，保障網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性能。

（3）整體性能最優(yōu)化。WSN 中節(jié)點的能耗有效性一般處于最高優(yōu)先級，而面向不同應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需求會有差異。因此，協(xié)議設(shè)計需綜合考慮系統(tǒng)性能要求，如信道利用率、網(wǎng)絡(luò)時延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等，多種性能要求取得平衡，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體性能最優(yōu)化。

Fig.1 Node energy consumption圖1 節(jié)點能耗環(huán)節(jié)

1.2 MAC 協(xié)議分類

節(jié)點信道訪問依賴于兩種基本的多址接入機(jī)制：時分多址接入（TimeDivision Multiple Access，TDMA）和載波偵聽多址接入（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）。當(dāng)前，MAC 協(xié)議根據(jù)信道訪問方式不同分為3 類：①基于調(diào)度的MAC 協(xié)議，如TRAMA、DEANA、PMAC 等；②基于競爭的MAC 協(xié)議，如S-MAC、T-MAC、B-MAC、WiseMAC、X-MAC等；③混合型MAC 協(xié)議，如IEEE802.15.4、Z-MAC 等［2-3］。

2 調(diào)度型MAC 協(xié)議

調(diào)度型MAC 協(xié)議調(diào)度傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點，按照調(diào)度的先后順序傳輸數(shù)據(jù)，以免多個節(jié)點同時接入信道造成數(shù)據(jù)傳輸沖突?；谡{(diào)度的MAC 協(xié)議多采用TDMA 機(jī)制，是基于某些策略預(yù)先為不同的節(jié)點分配時隙，節(jié)點在分配的時隙內(nèi)保持活躍狀態(tài)并傳輸數(shù)據(jù)，在非分配時隙保持休眠狀態(tài)以避免干擾其他節(jié)點之間的通信。

基于TDMA 策略的MAC 協(xié)議通過分配信道資源的方式，避免了節(jié)點間的相互干擾，而且數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中不需要過多的控制信息，節(jié)省了開銷。不足之處是，一般采用同步通信方式，需要節(jié)點之間比較嚴(yán)格的時間同步；如果節(jié)點在分配時隙內(nèi)無法通信則產(chǎn)生空時隙，造成能量浪費；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及規(guī)模變化時，時隙分配方案很難靈活調(diào)整，動態(tài)性弱。

2.1 TRAMA

流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問協(xié)議（Traffic-adaptive MAC Protocol）［4］是基于傳統(tǒng)TDMA 時隙結(jié)構(gòu)的協(xié)議，且根據(jù)每個節(jié)點的流量分布式選擇時隙方案，是一種高效節(jié)能且無沖突的協(xié)議。TRAMA 協(xié)議將時間幀劃分為交替的調(diào)度訪問階段和隨機(jī)訪問階段。協(xié)議操作由3 部分構(gòu)成：鄰居協(xié)議（NeighbourProtocal，NP）、時間調(diào)度表交換協(xié)議（Schedule Exchange Protocol，SEP）、自適應(yīng)選擇算法（Adaptive Election Algorithm，AEA）。每個節(jié)點根據(jù)NP 協(xié)議獲得兩跳范圍內(nèi)鄰節(jié)點信息，確定時間調(diào)度表，采用SEP 協(xié)議將時間調(diào)度表傳給鄰節(jié)點，并計算每個節(jié)點的優(yōu)先權(quán)，執(zhí)行AEA 算法確定節(jié)點時隙，實現(xiàn)節(jié)點無沖突的傳輸數(shù)據(jù)。無流量的節(jié)點則保持休眠狀態(tài)，節(jié)省能量。

隨機(jī)訪問階段可處理節(jié)點的加入與退出，使網(wǎng)絡(luò)具有可擴(kuò)展性，并增加節(jié)點處在休眠階段時間的比例，減少能耗。不足之處是，為滿足SEP 協(xié)議，節(jié)點間頻繁的數(shù)據(jù)交換以及復(fù)雜的分布選則機(jī)制，引入了較大端到端的數(shù)據(jù)等待時延，導(dǎo)致額外開銷。

2.2 DEANA

分布式能量感知節(jié)點協(xié)議（Distributed Energy-Aware Node Activation）［5］，其時間幀由調(diào)度訪問階段的控制時隙和數(shù)據(jù)傳輸時隙，以及隨機(jī)訪問階段的信令時隙構(gòu)成。調(diào)度訪問階段，在數(shù)據(jù)傳輸時隙前設(shè)置了一個控制時隙，節(jié)點在所分配時隙內(nèi)有數(shù)據(jù)傳輸時，控制時隙會發(fā)出控制消息，指出接收節(jié)點，再傳輸數(shù)據(jù)?？刂茣r隙內(nèi)所有節(jié)點保持活躍狀態(tài)，獲取信道中的數(shù)據(jù)接收節(jié)點信息，若發(fā)現(xiàn)是數(shù)據(jù)接收方，在數(shù)據(jù)傳輸時隙內(nèi)繼續(xù)保持活躍態(tài)以接收數(shù)據(jù)；若發(fā)現(xiàn)不是數(shù)據(jù)接收方，則不需要接收數(shù)據(jù)，立馬進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少能量損耗。隨機(jī)訪問階段用來處理節(jié)點的加入與退出，并保持時間同步。

設(shè)置控制時隙，使空閑節(jié)點能夠及時進(jìn)入休眠狀態(tài)，避免串音現(xiàn)象，減少能耗。并且，隨機(jī)訪問階段允許節(jié)點的加入與退出，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。不足之處是，控制時隙對節(jié)點的時間同步精度要求較高。

2.3 PMAC

模式協(xié)議（Pattern MAC）［6］采用活動模式交換和時間調(diào)度表機(jī)制，是一種自適應(yīng)MAC 協(xié)議。時間幀由模式重復(fù)時間階段（Pattern Repeat TimeFrame，PRTF）和模式交換時間階段（Pattern ExchangeTime Frame，PETF）構(gòu)成。PRTF 階段由等間隔時隙以及末尾一個特殊活躍時隙構(gòu)成，在此階段所有節(jié)點重復(fù)其當(dāng)前模式。模式模型由每個時隙的0 和1 組成，1 表示節(jié)點將在時隙內(nèi)啟用即保持喚醒狀態(tài)，0 表示節(jié)點將切換到休眠模式。PETE 階段也分為等間隔時隙，在此階段鄰居節(jié)點交換新模式。根據(jù)節(jié)點流量，每一個節(jié)點在交換模式后，每個時隙都被分配了模式位，確定了時間調(diào)度表?；钴S時隙節(jié)點可以及時發(fā)送數(shù)據(jù)，使目標(biāo)節(jié)點更新模式并快速喚醒。

節(jié)點根據(jù)自身及鄰居節(jié)點流量模式模型，自適應(yīng)地確定休眠/活躍狀態(tài)，以指數(shù)增長節(jié)點處于休眠狀態(tài)及零線性增長防止休眠過度，在高負(fù)載下可以獲得更高的吞吐量，低負(fù)載下節(jié)省更多能量。

此外，調(diào)度MAC 協(xié)議還有自適應(yīng)控制能效協(xié)議TRACE［7］，其采用競爭與數(shù)據(jù)傳輸分開的方式，動態(tài)預(yù)約傳輸數(shù)據(jù)，是一種集中式的MAC 協(xié)議。TRACE 協(xié)議適用于單跳網(wǎng)絡(luò)，MH-TRACE［8］協(xié)議在此基礎(chǔ)上，結(jié)合分布式和集中式對網(wǎng)絡(luò)分簇，實現(xiàn)多跳通信。E-TDMA［9］能量感知MAC 協(xié)議也是分簇通信MAC 協(xié)議，收集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的剩余能量、位置、狀態(tài)信息，更新時隙設(shè)置，簇頭管理每跳通信時間并規(guī)劃路徑。BMA-MAC［10］位圖輔助協(xié)議是改進(jìn)的高效節(jié)能E-TDMA 協(xié)議，根據(jù)節(jié)點剩余能量選擇簇頭，簇內(nèi)節(jié)點依據(jù)需求發(fā)送大小1bit 的控制消息，簇頭主要管理時隙分配。

3 競爭型MAC 協(xié)議

競爭型MAC 協(xié)議依賴于節(jié)點之間可控制的競爭機(jī)制以建立通信連接，按節(jié)點需求使用信道，需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點通過競爭方式獲取信道使用權(quán)?；诟偁幍腗AC 協(xié)議多采用載波偵聽多路訪問/沖突避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）機(jī)制，節(jié)點先偵聽信道，建立連接通路再發(fā)送數(shù)據(jù)，若與其他節(jié)點發(fā)生碰撞，則根據(jù)協(xié)議重發(fā)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或者重發(fā)次數(shù)達(dá)上限后放棄。

基于CSMA/CA 機(jī)制的協(xié)議，其節(jié)點可以獨立執(zhí)行競爭與否的決定，不需要數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)具有靈活性；采用偵聽和退避機(jī)制，避免節(jié)點間發(fā)生碰撞，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的健壯性。不足之處是，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加強(qiáng)時，隱終端數(shù)量隨之增加，退避機(jī)制會變得無效，沖突概率會隨著高負(fù)載而加大；采用偵聽機(jī)制，節(jié)點需要連續(xù)監(jiān)測信道是否處于空閑狀態(tài)造成大量能耗，當(dāng)節(jié)點無數(shù)據(jù)傳輸需求處于空閑狀態(tài)時偵聽耗能更加明顯。

競爭型MAC 協(xié)議對時鐘同步要求較低，依據(jù)節(jié)點偵聽/休眠調(diào)度表的不同，節(jié)點喚醒方式不同。從時鐘同步方面，基于競爭的MAC 協(xié)議分為同步競爭型和異步競爭型兩大類，同步競爭型選取S-MAC、T-MAC 協(xié)議，異步競爭型選取B-MAC、Wise-MAC、X-MAC 協(xié)議，對其作重點研究分析。

3.1 S-MAC

S-MAC 協(xié)議（Sense-MAC）［11］是基于CSMA/CA 機(jī)制，采用周期性休眠、周期性監(jiān)聽機(jī)制以減少空閑偵聽能耗。時間幀由休眠階段和偵聽階段構(gòu)成，偵聽階段包括同步段SYNC 和數(shù)據(jù)段DATA。通過節(jié)點間周期性交換時間同步消息，本地鄰居節(jié)點構(gòu)建統(tǒng)一偵聽/休眠的虛擬簇。在SYNC 內(nèi)同一個虛擬簇的所有節(jié)點同步喚醒，保持活躍狀態(tài)同步時鐘，建立時間調(diào)度表。時間調(diào)度表建立后，數(shù)據(jù)將在DATA 內(nèi)采用競爭機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在DATA 階段，節(jié)點通過交換RTS/CTS 分組，建立握手，發(fā)送節(jié)點則可開始傳輸數(shù)據(jù)包，虛擬簇中其他節(jié)點則切換到休眠狀態(tài)直到結(jié)束，避免了空閑偵聽時的能量浪費。協(xié)議采用虛擬簇，不需要全網(wǎng)節(jié)點時間同步，減少開銷。

S-MAC 協(xié)議由于周期性休眠機(jī)制，節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，必須等到休眠狀態(tài)結(jié)束進(jìn)入下一個周期活躍狀態(tài)時才可進(jìn)行，即周期內(nèi)只能單跳傳輸，缺少多跳傳輸能力，增加了時延。改進(jìn)S-MAC 增加了自適應(yīng)偵聽機(jī)制，為節(jié)點提供多跳感知功能，自適應(yīng)偵聽允許鄰居節(jié)點偵聽數(shù)據(jù)傳輸，通過RTS/CTS 分組中的時間調(diào)度表得知此次傳輸持續(xù)時間，在數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束前喚醒一段時間。節(jié)點則可以立即向下一跳節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，若喚醒的鄰居節(jié)點是下一跳的目標(biāo)節(jié)點，則實現(xiàn)了周期內(nèi)的兩跳數(shù)據(jù)傳輸，減少將近一半的時延；若不是下一跳的目標(biāo)節(jié)點，節(jié)點需進(jìn)入下一個周期才可以發(fā)送數(shù)據(jù)，則偵聽屬于無效操作，導(dǎo)致額外開銷。

3.2 T-MAC

S-MAC 協(xié)議（Timeout-MAC）［12］中，所有節(jié)點流量大小都遵循固定的占空比進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，流量高的節(jié)點需要更多的時間傳輸數(shù)據(jù)，而周期性休眠機(jī)制使節(jié)點不得不等待幾個幀時間才能完成數(shù)據(jù)傳輸，會造成很大的時延。

T-MAC 采用超時休眠策略，引入自適應(yīng)占空比機(jī)制，偵聽、休眠階段比例可調(diào)。節(jié)點在偵聽階段SYNC 后，插入一個TA（Time Active）時隙，TA>C+R+T，C 為競爭信道時間，R 為RTS 分組傳輸時間，T 為RTS 分組結(jié)束到CTS 分組開始傳輸?shù)臅r間。若在TA 內(nèi)沒有偵聽到任何事件，則認(rèn)為信道處于空閑狀態(tài)，節(jié)點提前結(jié)束偵聽，不用等待休眠階段到來就可直接進(jìn)入休眠。

T-MAC 協(xié)議可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，動態(tài)調(diào)整占空比，減少空閑偵聽造成的能耗。不足之處是，節(jié)點在TA 時隙內(nèi)若未能偵聽到發(fā)送節(jié)點向接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的激活事件，直接進(jìn)入休眠狀態(tài)，引起節(jié)點“早睡”問題，造成延遲。

T-MAC 協(xié)議自適應(yīng)偵聽機(jī)制可有效降低周期性休眠帶來的時延，但同時也造成很多非相關(guān)節(jié)點的自適應(yīng)偵聽，造成額外開銷，在能效方面表現(xiàn)欠缺。低能耗E2SMAC［13］協(xié)議利用節(jié)點偵聽到的RTS/CTS 消息，實現(xiàn)不同區(qū)域節(jié)點狀態(tài)的選擇，最大程度地減少無關(guān)鄰居節(jié)點喚醒，減少空閑偵聽和串聽帶來的能耗。

此外，動態(tài)占空比DSMAC［14］協(xié)議采用加倍占空比機(jī)制。偵聽/休眠調(diào)度機(jī)制與S-MAC 保持一致，在高負(fù)載時將加倍占空比，使節(jié)點能夠處理更多的數(shù)據(jù)包，減少時延。針對S-MAC 協(xié)議采用CSMA/CA 機(jī)制的二進(jìn)制指數(shù)退避，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高時競爭加劇，沖突隨之加劇，節(jié)點退避窗口變大，引起較長時延。Sift［15］協(xié)議采用CW 值固定窗口，節(jié)點使用非平均概率分布于不同的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多個節(jié)點在不同時隙的數(shù)據(jù)無沖突發(fā)送。MAC 協(xié)議關(guān)于退避時間算法，包括倍數(shù)增加線性遞減退避MILD［16］算法、隊列退避算法BDQR［17］、流量預(yù)測的服務(wù)質(zhì)量區(qū)分退避算法FPQoSD［18］、擁塞避免的自適應(yīng)退避算法CABEB［19］、自適應(yīng)隨機(jī)退避算法AD-BEB［20］等，都是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大小動態(tài)調(diào)整窗口CW 值，以減少時延。

為實現(xiàn)周期內(nèi)多跳距離數(shù)據(jù)傳輸，LD-MAC［21］協(xié)議使用擴(kuò)展RTS、CTS、ACK 幀進(jìn)行多跳傳輸?shù)墓?jié)點路徑預(yù)約；RMAC［22］協(xié)議基于S-MAC，在DATA 階段傳輸數(shù)據(jù)包前發(fā)送一個多跳的PION 幀，并預(yù)約之后的多跳節(jié)點；類似設(shè)計多跳預(yù)約協(xié)議，PR-MAC［23］協(xié)議采用不同區(qū)域的節(jié)點選擇不同長度的幀結(jié)構(gòu)，依據(jù)節(jié)點幀的同步特性進(jìn)行路徑預(yù)約。

3.3 B-MAC

S-MAC 和T-MAC 協(xié)議采用周期性偵聽休眠機(jī)制，需形成偵聽/休眠時間調(diào)度表，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點才可以同時啟動，同時需要較為精確的時鐘同步。因此，B-MAC 協(xié)議（Berkeley MAC）［24］引入低功耗偵聽（Low Power Listening，LPL）的偵聽/休眠機(jī)制能得以有效改善。采用LPL 機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可以根據(jù)需求制定自己的時間調(diào)度表，需周期性發(fā)送SYNC 同步消息構(gòu)建時間調(diào)度表以保持所有節(jié)點時鐘同步。節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包前發(fā)送一個前導(dǎo)碼，喚醒目標(biāo)節(jié)點使之做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。前導(dǎo)碼的長度需要大于接收節(jié)點的休眠時長，發(fā)送節(jié)點在此時間段內(nèi)占用信道，保證接收節(jié)點能夠偵聽到前導(dǎo)碼，避免空傳。

相比周期性偵聽/休眠機(jī)制，B-MAC 協(xié)議有效縮短了喚醒時間，相對減少了空閑偵聽功耗。不足之處是，節(jié)點無需時鐘同步是以長前導(dǎo)碼為代價，每個數(shù)據(jù)包的傳輸需要消耗更多能量，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大時，前導(dǎo)碼會產(chǎn)生相當(dāng)大的開銷；前導(dǎo)碼傳輸過程中，節(jié)點不能獲得目標(biāo)節(jié)點的狀態(tài)消息，無論目標(biāo)節(jié)點是否已經(jīng)喚醒，都必須等待前導(dǎo)碼傳輸結(jié)束后才能夠傳輸數(shù)據(jù)，增加傳輸延遲，且其他節(jié)點也能接收到該前導(dǎo)碼，造成串聽問題。

3.4 WiseMAC

B-MAC 協(xié)議節(jié)點每一次將數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點時都必須發(fā)送一次前導(dǎo)碼，等待目標(biāo)節(jié)點喚醒。若節(jié)點在完成前傳輸，且在下一次傳輸前獲得目標(biāo)節(jié)點的時間調(diào)度表，即可在目標(biāo)節(jié)點喚醒偵聽信道時，再發(fā)送前導(dǎo)碼，節(jié)省由長前導(dǎo)碼帶來的能量損耗。而WiseMAC 協(xié)議［25］采用局部自同步，通過節(jié)點維護(hù)本地鄰居節(jié)點時間調(diào)度表，最小化前導(dǎo)碼的長度。在目標(biāo)節(jié)點完成數(shù)據(jù)包的接收，向發(fā)送節(jié)點反饋的ACK 消息中添加目標(biāo)節(jié)點的時間調(diào)度表信息，發(fā)送節(jié)點收到后更新鄰居調(diào)度表，確保下一次數(shù)據(jù)傳輸時，在目標(biāo)節(jié)點喚醒前再發(fā)送前導(dǎo)碼。

WiseMAC 協(xié)議最小化前導(dǎo)碼，減少傳輸前導(dǎo)碼的能耗，且很大程度上提高目標(biāo)節(jié)點偵聽到前導(dǎo)碼的正確率，減少數(shù)據(jù)空傳發(fā)生；小的前導(dǎo)碼也減少了鄰居串聽帶來的能耗。不足之處是，鄰居節(jié)點休眠/喚醒調(diào)度時間一般不一致，節(jié)點需要更新并存儲鄰居節(jié)點的時間調(diào)度表，耗能且會占用存儲空間，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時，存儲空間被過多占用，增加協(xié)議實現(xiàn)的復(fù)雜度。

3.5 X-MAC

X-MAC 協(xié)議［26］采用短小的脈沖前導(dǎo)碼機(jī)制且引入握手機(jī)制，優(yōu)化前導(dǎo)碼過長以及鄰居節(jié)點串聽問題。每個脈沖前導(dǎo)碼中都帶有目標(biāo)節(jié)點的地址信息，所有接收到脈沖前導(dǎo)碼的節(jié)點，都會與前導(dǎo)碼中的目標(biāo)節(jié)點地址信息對比，若不是目標(biāo)接收節(jié)點，節(jié)點立即返回休眠狀態(tài)繼續(xù)周期性任務(wù)循環(huán)；若是目標(biāo)接收節(jié)點，則在前導(dǎo)碼間隙內(nèi)反饋給發(fā)送節(jié)點一個ACK 幀，與之建立連接，發(fā)送節(jié)點立刻停止繼續(xù)發(fā)送脈沖前導(dǎo)碼，轉(zhuǎn)而開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。采用LPL 機(jī)制的B-MAC 協(xié)議中，接收節(jié)點在完成當(dāng)前數(shù)據(jù)包接收后依然保持活躍狀態(tài)的時間內(nèi)，若有其他節(jié)點想與之通信，必須等待下一周期發(fā)送前導(dǎo)碼確認(rèn)后，才能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，增加時延與開銷。對此，X-MAC 協(xié)議中引入隨機(jī)退避，接收節(jié)點在當(dāng)前傳輸完成后，會保持一段最大隨機(jī)退避時間的活躍狀態(tài)，而其他節(jié)點能夠偵聽到反饋給當(dāng)前發(fā)送節(jié)點的ACK 幀，之后隨機(jī)退避一段時間，省略前導(dǎo)碼發(fā)送步驟，直接向目標(biāo)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

X-MAC 協(xié)議采用脈沖前導(dǎo)碼機(jī)制，減少傳輸長前導(dǎo)碼以及節(jié)點過度偵聽的能耗。不足之處是，接收節(jié)點在保持隨機(jī)退避活躍狀態(tài)的時間內(nèi)，若沒有其他節(jié)點與之通信，操作無效會增加時延，且可能造成串聽。

B-MAC、WiseMAC、X-MAC 協(xié)議都是采用前導(dǎo)碼機(jī)制的協(xié)議，此外還有稀疏拓?fù)浜湍茉垂芾鞸TEM［27］協(xié)議依賴正在傳輸?shù)男?shù)據(jù)包，而不是單一的長前導(dǎo)碼，減少偵聽階段時間。節(jié)點配置兩個收發(fā)機(jī)，主收發(fā)機(jī)和喚醒收發(fā)機(jī)，在發(fā)送節(jié)點發(fā)送喚醒數(shù)據(jù)包后偵聽信道，若偵聽到來自目標(biāo)節(jié)點的反饋，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸則沒有能量浪費。

WiseMAC 協(xié)議和STEM 協(xié)議都通過縮短前導(dǎo)碼減少能量損耗，CSMA-MPS［28］協(xié)議結(jié)合這兩者，采用STEM 協(xié)議中的多個小喚醒數(shù)據(jù)包，同時采用WiseMAC 協(xié)議中鄰居節(jié)點時間調(diào)度表，再發(fā)送喚醒數(shù)據(jù)包，改善性能。類似長前導(dǎo)碼設(shè)計的協(xié)議還有微幀MFP［29］協(xié)議、低功耗分散Speck-MAC［30］協(xié)議。

4 混合型MAC 協(xié)議

混合型MAC 協(xié)議旨在結(jié)合調(diào)度與競爭兩種方式進(jìn)行信道分配權(quán)衡，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大小，調(diào)整信道獲取方式。通常負(fù)載小時以競爭為主，通信簡易靈活且擴(kuò)展性好；負(fù)載大時以調(diào)度為主，通信時延較小且避免碰撞和串聽。但混合型協(xié)議為了滿足網(wǎng)絡(luò)要求，設(shè)計相對復(fù)雜，運行協(xié)議控制開銷大。

本文選擇典型的混合型MAC協(xié)議，即IEEE802.15.4MAC協(xié)議和Z-MAC 協(xié)議的研究。

4.1 IEEE802.15.4 MAC

IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)［31］是為低數(shù)據(jù)速率而設(shè)計，其中MAC 協(xié)議結(jié)合了基于調(diào)度和競爭的兩種MAC 協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)模式分為信標(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)中節(jié)點采用非時隙CSMA/CA 機(jī)制競爭信道并傳輸數(shù)據(jù)。

信標(biāo)使能模式引入占空比，時間結(jié)構(gòu)采用有固定工作周期的超幀，超幀由活躍周期和非活躍周期組成，數(shù)據(jù)傳輸集中在活躍期，非活躍期節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)以減少能耗?；钴S期包含16 個等間時隙，進(jìn)一步劃分為信標(biāo)周期、競爭訪問期（Contention Access Period，CAP）和非競爭訪問期（Contention-Free Period，CFP）即保證時段（Guaranteed Time Slot，GTS）。協(xié)調(diào)器在信標(biāo)周期內(nèi)廣播信標(biāo)幀，全網(wǎng)節(jié)點時鐘同步且分配時隙，在競爭訪問期，節(jié)點利用時隙CSMA/CA 機(jī)制競爭信道，在給定的時隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。非競爭訪問期是由信標(biāo)幀依據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量設(shè)置，是可選的，協(xié)調(diào)器針對高優(yōu)先級節(jié)點傳輸要求，在非競爭訪問期分配了GTS 傳輸數(shù)據(jù)。

IEEE802.15.4 MAC 協(xié)議為小負(fù)載網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入信道提供了一種靈活的方式，提高網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性且通過GTS 機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸。不足之處是，GTS 可用時隙數(shù)目最大為7，無法滿足高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。超幀活躍周期長度必須通過超幀指標(biāo)（SuperframeOrder，SO）等參數(shù)預(yù)先配置，不能實時擴(kuò)展以處理突發(fā)流量負(fù)載，導(dǎo)致帶寬受限。

在混合MAC 協(xié)議IEEE 802.15.4 基礎(chǔ)上，Queue-MAC［32］協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4 MAC 的超幀結(jié)構(gòu)，將“隊列指示器”定義為IEEE 標(biāo)準(zhǔn)MAC 包有效載荷的第一個字節(jié)，以此描述節(jié)點的負(fù)載，隊列長度作為網(wǎng)絡(luò)流量指示器，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量動態(tài)調(diào)整占空比?；赒ueue-MAC，iQueue-MAC［33］協(xié)議引入跳頻和路由節(jié)點突發(fā)傳輸機(jī)制，增強(qiáng)協(xié)議對節(jié)點多跳和多信道接入的支持。pQueue-MAC［34］在Queue-MAC 的競爭階段使用序言采樣檢查低流量條件下的潛在通信。即通過信道監(jiān)聽，可以確定哪些節(jié)點選擇休眠以節(jié)能，哪些節(jié)點選擇保持活躍以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。節(jié)點隊列中的數(shù)據(jù)包需等待協(xié)調(diào)器廣播下一信標(biāo)幀后才能發(fā)送，時延很大。因此，eQueue-MAC［35］協(xié)議采用在競爭周期和非競爭周期間插入次信標(biāo)幀，實現(xiàn)當(dāng)前超幀內(nèi)時隙分配。

4.2 Z-MAC

Z-MAC 混合協(xié)議（Zebra MAC）［36］以CSMA 競爭機(jī)制為基準(zhǔn)，競爭加劇時以TDMA 調(diào)度機(jī)制分配信道使用權(quán)。ZMAC 協(xié)議包括啟動階段和通信階段兩個階段，啟動階段由鄰居發(fā)現(xiàn)、時隙分配、本地時間幀交換、全局時間同步4 步驟構(gòu)成。協(xié)議運行之初，鄰居發(fā)現(xiàn)階段每個節(jié)點通過信息交換收集兩跳鄰居節(jié)點信息，再執(zhí)行DRAND 算法為每個節(jié)點分配時隙，與兩跳范圍鄰居節(jié)點時隙不會沖突，確保節(jié)點一跳范圍數(shù)據(jù)傳輸不會發(fā)生碰撞。采用本地幀結(jié)構(gòu)，節(jié)點時隙分配后，指定自身本地時間幀的大小，與節(jié)點兩跳范圍鄰居節(jié)點數(shù)相對，確保節(jié)點兩跳范圍內(nèi)所有節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸都不會發(fā)生碰撞。網(wǎng)絡(luò)初始化后，所有節(jié)點獲得全局時鐘，且分配了時隙，在此時隙內(nèi)，時隙所有者的優(yōu)先權(quán)最高。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載小、競爭低的情況下，節(jié)點處于低沖突級別狀態(tài)，可在所分配時隙內(nèi)優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)，若沒有數(shù)據(jù)傳輸，其他所有節(jié)點都可通過競爭“竊取”信道；網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大、競爭激烈情況下，節(jié)點處于高沖突級別狀態(tài)，會發(fā)出一個顯示反饋通知（Explicit Contention Notification，ECN）消息給兩跳鄰居節(jié)點，禁止競爭時隙，只有時隙所有者及其一跳鄰居可以競爭信道。時隙所有者優(yōu)先級機(jī)制實現(xiàn)了依據(jù)競爭程度隱式切換CSMA 和TDMA 機(jī)制。

Z-MAC 協(xié)議與基于競爭的協(xié)議相比，在高負(fù)載時有更少能耗，但為了避免沖突，限制了節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的可選擇時隙，增加了時延；與基于調(diào)度的協(xié)議相比，在低負(fù)載時可維持與之相當(dāng)?shù)臅r延，但仍然避免不了隱終端問題。且ZMAC 采用的ECN 機(jī)制競爭激烈時容易聚爆，對此需要通過更多控制抑制聚爆，從而增加了開銷。

針對Z-MAC 協(xié)議應(yīng)用的DRAND 算法復(fù)雜度較高問題，設(shè)計一種基于能量和拓?fù)湟蜃拥姆植际絋DMA 時隙調(diào)度E-T DRAND［37］算法。該算法考慮了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的鄰居數(shù)和剩余能量，降低了消息復(fù)雜度、時間復(fù)雜度，從而減少了算法的執(zhí)行時間和能量消耗，提高了TDMA 時隙調(diào)度效率。但當(dāng)連續(xù)時隙請求發(fā)生時，相鄰節(jié)點之間交換數(shù)據(jù)包過多，會導(dǎo)致時隙分配時間和輪數(shù)不收斂，這將增加數(shù)據(jù)包交換的數(shù)量和時隙分配的運行時間。在此基礎(chǔ)上，通過引入Lamport 的面包樹算法思想，提出基于指數(shù)回退規(guī)則和能量拓?fù)湟蜃拥姆植际絋DMA 調(diào)度EB-ET DRAND［38］優(yōu)先級控制算法，對時隙分配的優(yōu)先級進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

5 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究熱度不減，而MAC 協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)整體性能有直接影響。本文將MAC 協(xié)議分為調(diào)度型、競爭型和混合型三大類，并對典型的MAC 協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析比較。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)度型MAC 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性相對較差，但低負(fù)載時空時隙易造成能量浪費；競爭型MAC 協(xié)議復(fù)雜度低，但高負(fù)載時沖突頻繁易增加能耗；混合型MAC協(xié)議更能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化，但協(xié)議復(fù)雜度高且運行開銷大。通過研究可知，現(xiàn)有的MAC 協(xié)議還沒有一種能夠適合所有WSN 應(yīng)用且保持高性能。因此，MAC 協(xié)議設(shè)計在滿足網(wǎng)絡(luò)需求且提高整體性能方面還有較大改進(jìn)空間。