无线传感器网络MAC层协议的研究现状

无线通信分析现状

1、引言（Introduction）  

    无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSNs）是由大量的集成了传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点构成的全分布式的自组织网络[1]。由于数量众多,传感器节点通常随机投放在监测区域内,并且很难更换电源。通常相邻节点间距离很短,适于采用低功率的多跳通信模式,节省功耗的同时增强了通信的隐蔽性和抗干扰性。由于WSNs具有易扩展、自组织、分布式结构、健壮性和实时性等特点,使其在军事、建筑、农业、环境监测、医疗等领域有着传统网络无法比拟的优势[2-6],必将开发出许多有价值的应用。同时这些独特要求和制约因素也为WSNs的研究提出了新的技术问题,其中如何有效地延长网络的生命周期成为研究WSNs的核心问题。 
    信道接入技术是用于建立可靠的点到点、点到多点或多点共享的通信链路技术。如何控制共享信道的接入,是数据链路层的介质接入控制(Medium Access Control,MAC)子层的主要任务。 
    WSNs的上述特性和应用促使其MAC层协议与传统的无线MAC层协议在许多方面不同,其主要目标是节能和自组织,而每个节点的公平和时延是次要的。本文的第三部分将分类介绍几种为WSNs设计的MAC层协议。 
    2、MAC层协议面临的问题和挑战 （Problems and challenges for MAC protocol） 
    传统的MAC层协议的设计目标是最大化吞吐量、最小化时延并且提供公平性。而为WSNs设计的MAC层协议关注的是最小化能耗,这就决定了它要适度地减小吞吐量和增加时延。由于WSNs的节点总是协作完成某应用任务,所以公平性通常不是主要问题。另外,WSNs的一些典型应用（如战场目标跟踪）也对其MAC层协议的设计提出了不同于传统无线网络的要求。其中一些主要问题归纳如下 
能量受限  
    WSNs的基本特征就是能量受限。MAC层协议要尽可能地节约能源,如减少冲突和串音、降低占空比和尽量避免长距离通信。协议中还应包括折衷机制,使用户可以在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择[7]。另外,协议设计者应该注意能量不是随时可用的。因为节点可能处于睡眠状态或者由于不可知的原因死亡。 
实时性  
    WSNs经常被应用于军事、医疗等对实时性要求很高的领域,及时地检测、处理和传递信息是其不可缺少的要求。MAC层应和其它层合作提供实时保证。 
分布式算法  
    由于WSNs的节点计算能力和存储能力受限,需要众多节点协同完成某应用任务,所以MAC层协议应该运行分布式的算法。这也是有效避免某些节点的死亡造成网络瘫痪的需要。 
灵活性  
    WSNs针对不同的应用显示出了不同的网络特性,MAC层协议应该能适应不同应用的各种流量模式。 
各性能间的平衡  
    MAC层协议的设计需要在各种性能间取得平衡。各性能间的平衡往往比单个性能的表现更重要。因为一个不平衡的协议即使在实验室表现好,也可能在实际环境中表现很差。比如,一个协议如果太频繁地关闭无线收发装置来节能,不仅使实时性和可靠性受到影响,包丢失引起的重传也会反过来影响节能的效果。 
    3、典型的MAC层协议（Some typical MAC protocols in WSNs） 
    现有的MAC层协议大体可以分为固定分配类和基于竞争类。以下分别介绍其中的一些典型协议。 
    3.1 固定分配类MAC层协议 
    原有的固定分配类MAC层协议主要有频分多址接入（FDMA）、时分多址接入（TDMA）、码分多址接入（CDMA）三种。 
    FDMA是将频带分成多个信道,不同节点可以同时使用不同的信道。TDMA是将一个时间段内的整个频带分给一个节点使用。相对于FDMA,TDMA通信时间较短,但网络时间同步的开销增加。CDMA是固定分配方式和随机分配方式的结合,具有零信道接入时延、带宽利用率高和统计复用性好的特点,并能降低隐藏终端问题的影响,但其完全集中式的信道分配和基站的高复杂性,使其不适用于全分布的WSN中。针对WSNs特点,本部分将介绍以下几种基于固定分配类的MAC方案。 
SMACS协议和EAR算法  
    SMACS(Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks)协议[8]是分布式的协议,无需任何全局或局部主节点,就能发现邻节点并建立传输/接收调度表。链路由随机选择的时隙和固定的频率组成。虽然各子网内邻节点通信需要时间同步,但全网并不需要同步。在链接阶段使用一个随机唤醒机制,在空闲时关掉无线收发装置,来达到节能的目的。EAR(Eavesdrop-And-Register)算法[8]用来为静止和移动的节点提供不间断的服务。SMACS的缺点是从属于不同子网的节点可能永远得不到通信的机会。EAR算法作为SMACS协议的补充,但EAR算法只适用于那些整体上保持静止,且个别移动节点周围有多个静止节点的网络。 
TDM- FDM  
    这是一个时分复用TDMA和频分复用FDMA的混合方案[9]。在节点上维护着一个特殊的结构帧,类似于TDMA中的时隙分配表,节点据此调度它与相邻节点间的通信。FDMA技术提供的多信道,使多个节点之间可以同时通信,有效地避免了冲突。由于预先定义的信道和时隙分配方案限制了对空闲时隙的有效利用,使得在业务量较小时信道利用率较低。 
  
DE-MAC  
    DE-MAC(Distributed Energy-aware MAC) [10]的中心内容是让节点交换能级信息。它执行一个本地选举程序来选择能量最低的节点为“赢者”,使得这个“赢者”比其邻节点具有更多的睡眠时间,以此在节点间的平衡能量,延长网络的生命周期。且这个选举程序与TDMA时隙分配集成到一起,从而不影响系统的吞吐量。DE-MAC用选举包和无线收发装置的能量状态包来交换能量信息,节点由能量信息来决定占有传输时隙的数量。各节点为每个邻节点维持一个表明其无线收发装置能量状态的变量,此信息用来设定其接收器接收邻居的包。当一节点比原来的“赢者”能量值低时,它进入选举阶段。处于选举阶段的节点向所有邻节点发送它的当前能量值,并收集它们的投票。如果邻节点的能值都比此节点高,它将收到所有邻节点的正选票。此节点占有当前时隙,或者发送数据,或者进入睡眠。协议的缺点是传感器节点只在自己占有时隙且无传输时,才能进入睡眠。而在其邻节点占有的时隙里,就算没有数据传输,它也必须醒着。 
TRAMA  
    TRAMA（Traffic-Adaptive Medium Access）[11]用两种技术来节能：用基于流量的传输调度表来避免可能在接收者发生的数据包冲突;使节点在无接收要求时进入低能耗模式。TRAMA将时间分成时隙,用基于各节点流量信息的分布式选举算法来决定哪个节点可以在某个特定的时隙传输,以此来达到一定的吞吐量和公平性。仿真显示,由于节点最多可以睡眠87%,所以TRAMA节能效果明显。在与基于竞争类的协议比较时,TRAMA也达到了更高的吞吐量（比S-MAC和CSMA高40%左右,比802.11高20%左右）,因为它有效地避免了隐藏终端引起的竞争。但TRAMA的延迟较长,更适用于对延迟要求不高的应用。 
    3.2 基于竞争类MAC层协议 
    基于竞争类的MAC协议一般使用广播式信道,连接到这条信道上的节点都可以向信道发送广播信息。想要通信的节点遵循某种规则竞争信道,得到使用权的节点可以发送信息。传统的基于竞争类的MAC协议包括ALOHA和带有冲突检测的载波侦听多路存取CSMA等。 
S-MAC  
    Wei Ye等在2002年提出的S-MAC(Sensor-MAC)[11]应用了三种新技术来减少能耗并支持自组织：节点定期睡眠以减少空闲监听造成的能耗;邻近的节点组成虚拟簇,使睡眠调度时间自动同步;用消息传递的方法来减少时延。S-MAC用仍采用类似IEEE 802.11中的方式来避免冲突,包括虚拟和物理的载波监听和RTS/CTS交换。与IEEE 802.11相比,S-MAC具有很好的节能特性,并且可以根据流量情况在能量和时延之间折衷。然而,每个节点的占空比都相同,没有对能量较少的节点给予保护。另外,虚拟簇技术还有待深入研究,同步调度会对能耗有很大的影响。 
T-MAC  
    T-MAC（Timeout-MAC）[13]在S-MAC的基础上引入适应性占空比,来应付不同时间和位置上负载的变化。它动态地终止节点活动,通过设定细微的超时间隔（fine-grained timeouts）来动态地选择占空比。减少了闲时监听浪费的能量,但仍保持合理的吞吐量。T-MAC通过仿真,与典型无占空比的CSMA和占空比固定的S-MAC比较,发现不变负载时T-MAC和S-MAC节能相仿（最多节约CSMA的98％）;但在简单的可变负载的场景,T-MAC在5个因数上胜过S-MAC。仿真中存在早睡（early sleeping）问题,虽然提出了一些解决办法,但仍未在实践中得到验证。 
MD  
    对于许多应用,运行能耗远大于待机能耗,故Edgar H. Callaway提出通过减少占空比来获得低能耗和高电池寿命的MD（Mediation Device）协议[2]。其中,节点在99.9％的时间处于睡眠,在醒来时发出询问信标。MD作为一个不停活动的仲裁者,通过接收有信息传输节点发出的RTS和目标节点的询问信标,协调两个节点暂时同步来传输数据。出于节能的考虑,又提出了分布式MD协议,即节点随机成为MD。这样每个节点的平均占空比仍可保持很低,整个网络保持低功耗、低成本的异步网络。并且由于MD的功能是在所有网络节点中随机分布的,无需精确布置某种专用的MD来保护网络分割。但是,由于节点必须等待临近的节点成为MD才能传输,时延将会增加。对于一些要求很低信息时延的应用,采用及时设置邻节点成为MD的方法来最小化时延,但又增加了能耗。另外,由于占空比低,没有过于考虑通道访问的问题。 
    总的来说,基于固定分配类协议提供了可公平使用的信道,并且如果配备一个适当的调度算法,也可以很好的避免冲突。但许多协议需要使用全局信息来进行调度,这使得它们在大多数WSNs中不可用[14]。基于竞争的协议可以大幅度减少冲突的机会,从而节约了能源。但它们通常很难保证实时性要求,适用于一些对可预见性要求不高的网络。 
    4、结束语（Conclusion） 
    WSNs自身的特点及其各种应用的要求,导致了传统的无线协议很难在WSNs中适用,这也对MAC层协议的研究提出了挑战。本文阐述了近年来针对WSNs所设计的一些MAC层协议,并比较了它们的优缺点,为其进一步的研究与改善奠定了基础。对于WSNs的MAC层协议的研究才刚刚起步,存在许多亟待解决的问题,期待人们的更多关注。