第4章MAC協(xié)議

1、第4章 MAC協(xié)議4.1 概述在WSN中，介質訪問控制（medium access control，MAC）協(xié)議決定了無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點間分配有限的通信資源，構建傳感器網(wǎng)絡的底層基礎結構。MAC協(xié)議對傳感器網(wǎng)絡的性能有較大地影響，是保障WSN高效通信的關鍵協(xié)議之一?；赪SN的能量限制，為了延長網(wǎng)絡的壽命，能量有效性成為WSN應用中首要的一個設計指標。能量高效的WSN通信協(xié)議，是目前的一個熱點研究領域。MAC處于WSN通信協(xié)議的底層部分，以解決WSN中節(jié)點以怎樣的規(guī)則共享媒體才能取得滿意的網(wǎng)絡性能問題。WSN的吞吐量、延遲等性能，與所采用的MAC協(xié)議直接相關。近年來，研究人員己經(jīng)

2、提出了眾多專用于WSN的MAC協(xié)議。第4章 MAC協(xié)議4.1.1 研究現(xiàn)狀和趨勢目前，WSN吸引了越來越多的研究力量，許多MAC協(xié)議也隨之相繼被提出。早期的WSN研究較多集中于能量有效性問題，MAC協(xié)議研究也側重于能耗因素及相應節(jié)能策略，而其他方面并沒有突破傳統(tǒng)自組網(wǎng)MAC協(xié)議的設計策略?？梢哉f，相當一部分WSN的MAC協(xié)議主要研究如何將節(jié)能策略引入傳統(tǒng)自組網(wǎng)MAC協(xié)議并避免對協(xié)議性能產(chǎn)生不利影響，其中休眠機制是被廣泛采用的有效節(jié)能策略，并由此帶來了如何使無業(yè)務節(jié)點最大可能進入休眠避免能耗，在業(yè)務到來時確保及時激活節(jié)點從而降低休眠機制對網(wǎng)絡時延、吞吐等性能造成的損失問題。例如，S-MAC的接入

3、規(guī)程和沖突避免機制均與802.11DCF基本協(xié)議相同，不同之處在于引入了周期激活/休眠機制等若干節(jié)能策略隨著WSN研究的深入以及其多樣的應用場景越來越具體，各種不同于傳統(tǒng)自組網(wǎng)的網(wǎng)絡特點不斷凸現(xiàn)，如業(yè)務流的方向性、節(jié)點的不同轉發(fā)角色、監(jiān)測信息在時間和空間上的相關性以及監(jiān)測信息冗余等。因而，針對應用需求或業(yè)務特點量身設計，或者與節(jié)能策略相結合，以進一步提高能量有效性或在多個其他特殊需求中權衡取舍逐漸成為MAC協(xié)議研究的另一趨勢，如D-MAC、EBRI-MAC、Sift和EMACs等協(xié)議。第4章 MAC協(xié)議4.1.2 影響WSN的MAC協(xié)議因素為了研究和比較現(xiàn)有WSN的MAC協(xié)議性能，首先討論影響

4、WSN的MAC協(xié)議性能有關基本問題，并分析WSN節(jié)點間通信時造成能量浪費的潛在因素然后，針對WSN應用的業(yè)務多樣性，定義了網(wǎng)絡中可能的通信模式，以分析不同WSN協(xié)議的適應性1,2。1WSN的MAC協(xié)議設計主要問題12WSN的強大功能，是通過眾多資源受限的網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的。由于節(jié)點無線通信的廣播特征，節(jié)點間信息傳遞在局部范圍，需要MAC協(xié)議協(xié)調其間的無線信道分配；在整個網(wǎng)絡范圍內，需要路由協(xié)議選擇通信路徑。WSN的MAC協(xié)議設計，需要根據(jù)應用的要求考慮以下的網(wǎng)絡性能問題。第4章 MAC協(xié)議（1）能量有效性。（2）可擴展性。（3）沖突避免。（4）信道利用率。（5）延遲。（6）吞吐量。（7）公平性

5、。以上性能指標反映了一個MAC協(xié)議的特性。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的MAC協(xié)議重點考慮節(jié)點使用帶寬的公平性、提高帶寬利用率以及增加網(wǎng)絡的實時性等注重的因素正好相反，能量有效性是設計WSN的MAC協(xié)議首要考慮性能指標；其次是協(xié)議的可擴展性和適應網(wǎng)絡拓撲變化的能力；而其他的網(wǎng)絡性能指標如延遲、信道利用率等，需要根據(jù)應用進行折中。所以傳統(tǒng)網(wǎng)絡的MAC協(xié)議，并不適用于WSN。第4章 MAC協(xié)議2能耗因素分析為了分析和評價MAC協(xié)議的能量有效性，需要分析是哪些因素導致了網(wǎng)絡能量浪費，其主要因素包括如下幾方面14,15：（1）空閑偵聽（Idle listening）。（2）消息碰撞（Message collision）

6、。（3）竊聽（Overhearing）。（4）控制報文開銷（Control-packet overhead）。（5）發(fā)送失效(Overe mitting)。（6）在控制節(jié)點之間的信道分配時，如果控制消息過多，也會消耗較多的網(wǎng)絡能量。第4章 MAC協(xié)議傳感器節(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)包括發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、偵聽狀態(tài)和睡眠狀態(tài)等。單位時間內消耗的能量按照上述順序依次減少?；谏鲜鲈?，傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議為了減少能量的消耗，通常采用“偵聽/睡眠”交替的無線信道使用策略。當有數(shù)據(jù)收發(fā)時，節(jié)點就開啟無線通信模塊進行發(fā)送或偵聽；如果沒有數(shù)據(jù)需要收發(fā)時，節(jié)點就控制無線通信模塊進入睡眠狀態(tài)，從而減少節(jié)點空閑偵聽

7、造成的能量消耗。另外，為了使節(jié)點在無線模塊睡眠時不錯過發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，或減少節(jié)點的過渡偵聽，鄰居節(jié)點間需要協(xié)調偵聽和睡眠的周期，同時睡眠或喚醒。第4章 MAC協(xié)議3通信模式傳感器網(wǎng)絡是與應用高度相關的。不同的網(wǎng)絡結構、不同的應用場景和目的，其業(yè)務特征呈現(xiàn)多樣性，需要采用不同的通信模式，以更有效地交換業(yè)務?；诓煌臉I(yè)務特征，MAC協(xié)議對不同通信模式的支持，可以有效減少節(jié)點能耗。所以對不同通信模式的支持與否，也是衡量MAC協(xié)議能量有效性的重要因素。Kulkarni等定義了WSN的三種通信模式：廣播（Broadcast）、會聚(Convergecast)和本地通信(Local gossip)，De

8、mirkol等定義了多播的通信模式。上述各種通信模式的基本定義如下14,15：（1）廣播模式：（2）會聚模式：（3）本地通信：（4）多播模式：第4章 MAC協(xié)議4.1.3 協(xié)議特點WSN廣泛的應用領域使其面臨多樣和特殊的應用需求和業(yè)務特性，從而激發(fā)了各種不同的MAC協(xié)議設計。這些MAC協(xié)議設計從多個層面、多個角度出發(fā)，具有不同的特點，同時又存在相互交叉的共同點，很難對其進行完備、系統(tǒng)的分類。除了引入不同休眠機制，WSN的MAC協(xié)議設計還具有其他特點，主要可歸納為以下內容1,2,12。1采用基于TDMA的接入方式2利用分群結構群首局部集中控制的機制3與多跳轉發(fā)相關的資源分配策略4冗余相關數(shù)據(jù)的隱

9、聚合第4章 MAC協(xié)議4.1.4 WSN的MAC協(xié)議設計策略傳感器節(jié)點的能量、存儲、計算和通信帶寬等資源有限，單個節(jié)點的功能比較弱，而傳感器網(wǎng)絡主要是許多節(jié)點協(xié)調實現(xiàn)其主要的功能。多點通信需要MAC協(xié)議協(xié)調局部范圍的無線信道的分配，需要路由協(xié)議協(xié)調整個網(wǎng)絡內的通信路徑。為了促進MAC協(xié)議研究的全面性，其設計策略為2：（1）由于不同場合對網(wǎng)絡的要求不同，MAC協(xié)議的設計面臨著各種各樣與應用相關的業(yè)務特性和需求，因此并不存在一種通用的MAC協(xié)議。但隨著WSN研究的逐漸深入，不可能針對各種具體應用進行不同的分析和設計，這就需要根據(jù)WSN特殊的應用特點進行透徹的研究和總結，提取共同點。第4章 MAC協(xié)

10、議（2）能量高效仍是MAC協(xié)議設計的關鍵因素，但不是唯一目標。在未來的應用中，WSN的應用需求還可能存在著對某個或某些指標有特別的要求，這就要求在MAC協(xié)議的設計上進行一定的折衷。（3）由于最初WSN被假定為是由靜態(tài)節(jié)點組成的，因此在研究時會忽略MAC協(xié)議的移動性，但隨著應用需求要求節(jié)點需要自主移動性，對MAC協(xié)議移動性設計也提出了更高的要求。（4）現(xiàn)有WSN的MAC協(xié)議安全性十分脆弱，竊聽、傳感器數(shù)據(jù)偽造、拒絕服務攻擊和傳感器節(jié)點物理妥協(xié)等各種網(wǎng)絡攻擊層出不窮，這使得安全問題和其他WSN性能問題同樣重要，MAC協(xié)議的設計應考慮到網(wǎng)絡安全的因素，引入一定的安全機制，對現(xiàn)有安全協(xié)議進行優(yōu)化。第4

11、章 MAC協(xié)議4.2 WSN的MAC協(xié)議分類MAC協(xié)議主要負責協(xié)調網(wǎng)絡節(jié)點對信道的共享。由于研究人員從不同方面提出了多種MAC協(xié)議，要想嚴格地對MAC協(xié)議進行分類那是非常困難的，因此，采用不同的條件MAC協(xié)議有不同的分類方法。綜合對目前提出的MAC協(xié)議的研究，WSNs的MAC協(xié)議可以按以下幾種不同的方式進行分類。（1）根據(jù)采用分布式控制還是集中控制，可分為分布式執(zhí)行的協(xié)議和集中控制的協(xié)議。這類協(xié)議與網(wǎng)絡的規(guī)模直接有關，在大規(guī)模網(wǎng)絡中通常采用分布式的協(xié)議。（2）根據(jù)使用的信道數(shù)（即物理層所使用的信道數(shù)），可分為單信道、雙信道和多信道。如S-MAC和LEEM分別為單信道和雙信道的MAC協(xié)議。使用單

12、信道的MAC協(xié)議，雖然節(jié)點的結構簡單，但無法解決能量有效性和時延的矛盾；而多信道的MAC協(xié)議可以解決這個問題，但增加了節(jié)點結構的復雜性。第4章 MAC協(xié)議（3）根據(jù)信道的分配方式，可分為基于TDMA的時分復用固定式、基于CSMA的隨機競爭式和混合式三種。基于TDMA的固定分配類MAC層協(xié)議，通過把時分復用(TDMA)和頻分復用(FDMA)或者碼分復用（CDMA）的方式相結合，實現(xiàn)無沖突的強制信道分配（如C-TDMA協(xié)議）。以競爭為基礎的MAC協(xié)議，通過競爭機制，保證節(jié)點隨機使用信道，并且不受其他節(jié)點的干擾（如S-MAC）?；旌鲜绞前鸦赥DMA的固定分配方式和基于CSMA的競爭方式相結合，以適

13、應網(wǎng)絡拓撲、節(jié)點業(yè)務流量的變化等（如Z-MAC）。（4）根據(jù)接收節(jié)點的工作方式，可分為偵聽、喚醒和調度三種。在發(fā)送節(jié)點有數(shù)據(jù)需要傳遞時，接收節(jié)點的不同工作方式直接影響數(shù)據(jù)傳遞的能效性和接入信道的時延等性能。接收節(jié)點的持續(xù)偵聽，在低業(yè)務的WSNs網(wǎng)絡中，造成節(jié)點能量的嚴重浪費。通常采用周期性的偵聽睡眠機制以減少能量消耗，但引入了時延。為了進一步減少空閑偵聽的開銷，發(fā)送節(jié)點可以采用低能耗的輔助喚醒信道發(fā)送喚醒信號，以喚醒一跳的鄰居節(jié)點，如STEM協(xié)議。在基于調度的MAC協(xié)議中，接收節(jié)點接入信道的時機是確定的，知道何時應該打開其無線通信模塊，避免了能量的浪費。第4章 MAC協(xié)議4.3 MAC協(xié)議分析

14、比較4.3.1 MAC協(xié)議分析通過對當前WSN的MAC協(xié)議研究，并基于以上WSN的分類方法的考慮，選取了以下較為重要的不同類型MAC協(xié)議，對其核心實現(xiàn)機制、特點以及優(yōu)缺點等進行了分析。1C-TDMA協(xié)議Arisha等人針對分簇結構的WSN提出了基于TDMA機制的MAC協(xié)議(C-TDMA)。支持C-TDMA協(xié)議的網(wǎng)絡是一種基于分簇結構的網(wǎng)絡。在多個傳感器節(jié)點形成的簇中，有一個簇頭節(jié)點（Cluster head），簇頭節(jié)點收集和處理簇內節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點，同時負責為簇內成員節(jié)點分配時隙。第4章 MAC協(xié)議C-TDMA協(xié)議將WSN的節(jié)點劃分為四種狀態(tài)：感應、轉發(fā)、感應并轉

15、發(fā)、非活動。節(jié)點在感應狀態(tài)時，收集數(shù)據(jù)并向其相鄰節(jié)點發(fā)送；在轉發(fā)狀態(tài)時，接收其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，再轉發(fā)給下個節(jié)點；而感應并轉發(fā)狀態(tài)的節(jié)點，則要完成上述兩項功能；節(jié)點沒有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時，就自動進入非活動狀態(tài)。由于傳輸數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、轉發(fā)數(shù)據(jù)以及偵聽信道，節(jié)點消耗的能量各不相同，各節(jié)點在簇內扮演的角色也不一樣，因此簇內節(jié)點的狀態(tài)隨時都在變化。為了高效地使用網(wǎng)絡（如讓能量相對高的節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)、及時發(fā)現(xiàn)新的節(jié)點等），該協(xié)議將時間幀分為四個階段：a）數(shù)據(jù)傳輸階段：各節(jié)點在各自被分配的時隙內，向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)；b）刷新階段：節(jié)點周期性的向簇頭報告其狀態(tài)；c）刷新引起的重組階段緊：跟在刷新階段之后，簇頭節(jié)點

16、根據(jù)簇內節(jié)點的情況，重新分配時隙；d）事件觸發(fā)的重組階段：節(jié)點能量小于特定值、網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化等都是需耍重組的事件。若有以上事件觸發(fā)，網(wǎng)關就重新分配時隙。C-TDMA協(xié)議能夠減少空閑偵聽，避免信道沖突，也考慮了可擴展性；但是區(qū)域內簇頭節(jié)點和成員節(jié)點需要嚴格的時鐘同步，對簇頭節(jié)點的處理能力、能量和放置方式都有較高的要求。第4章 MAC協(xié)議2SMACS/EAR協(xié)議Sohrabi等提出的SMACS/EAR(Self-organizing medium access control/Eavesdrop and register，具有監(jiān)聽/注冊能的WSN自組織MAC協(xié)議)協(xié)議，是結合TDMA和FDMA的

17、基于固定信道分配的分布式MAC協(xié)議，用來建立一個對等的網(wǎng)絡結構。SMACS協(xié)議主要用于靜止的節(jié)點之間連接的建立，而對于靜止節(jié)點與運動節(jié)點之間的通信，則需要通過EAR協(xié)議進行管理。其基本思想是，為每一對鄰居節(jié)點分配一個特有頻率進行數(shù)據(jù)傳輸，不同節(jié)點對間的頻率互不干擾，從而避免同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之間產(chǎn)生碰撞。第4章 MAC協(xié)議SMACS協(xié)議假設節(jié)點靜止，節(jié)點在啟動時廣播一個“邀請”消息，通知附近節(jié)點與本節(jié)點建立連接，接收到“邀請”消息的鄰居節(jié)點，與發(fā)出“邀請”消息的節(jié)點交換信息，在二者之間分配一對時隙，供二者以后通信。EAR協(xié)議用于少量運動節(jié)點與靜止節(jié)點之間進行通信，運動節(jié)點偵聽固定節(jié)點發(fā)出的“邀請”

18、消息，根據(jù)消息的信號強度、節(jié)點ID號等信息，決定是否建立連接。如果運動節(jié)點認為需要建立連接，則與對方交換信息，分配一對時隙和通信頻率。SMACS/EAR不需要所有節(jié)點的幀同步，可以避免復雜的高能耗同步操作，但不能完全避免碰撞，多個節(jié)點在協(xié)商過程中，可能同時發(fā)出“邀請”消息或應答消息，從而出現(xiàn)沖突。在可擴展性方面，SMACS/EAR協(xié)議可以為變化慢的移動節(jié)點，提供持續(xù)的服務，但并不適用于拓撲結構變化較快的無線傳感器網(wǎng)絡在網(wǎng)絡效率方面，由于協(xié)議要求兩節(jié)點間使用不同的頻率通信，固定節(jié)點還需要為移動節(jié)點預留可以通信的頻率，因此網(wǎng)絡需要有充足的帶寬以保證侮對節(jié)點間建立可能的連接。但是由于無法事先預計并且

19、很難動態(tài)調整每個節(jié)點需要建立的通信鏈路數(shù)，因此整個網(wǎng)絡的帶寬利用率不高。第4章 MAC協(xié)議圖4-1說明了WSN執(zhí)行SMACS/EAR協(xié)議時，節(jié)點A和D，B和C之間的鏈路建立過程。先啟動的節(jié)點D向鄰居節(jié)點廣播“邀請”消息，收到消息的節(jié)點A發(fā)送應答消息，節(jié)點A和節(jié)點D之間協(xié)商建立兩者之間的一對專用通信時隙和專用通信頻率。節(jié)點B和節(jié)點C之間也通過協(xié)商建立專用的通信時隙和通信頻率。A和D之間的通信時隙與B和C之間的雖然重疊，但是由于雙方使用頻率不同，因此不會相互干擾。同樣鄰居節(jié)點A和B、C和D之間也分別通過協(xié)商建立相應的鏈路。第4章 MAC協(xié)議3S-MAC協(xié)議S-MAC(Sensor medium a

20、ccess control )協(xié)議是Wei等在IEEE802.11協(xié)議的基礎上，針對WSN的能量有效性而提出的專用于WSN的節(jié)能MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議設計的主要目標是減少能量消耗，提供良好的可擴展性。它針對WSN消耗能量的主要環(huán)節(jié)，采用了以下三方面的技術措施來減少能耗：a）周期性偵聽和休眠。每個節(jié)點周期性地轉入休眠狀態(tài)，周期長度是固定的，節(jié)點的偵聽活動時間也是固定的。如圖4-2所示，圖中向上的箭頭表示發(fā)送消息，向下的箭頭表示接收消息。上面部分的信息流，表示節(jié)點一直處于偵聽方式下的消息收發(fā)序列；下面部分的信息流，表示采用S-MAC協(xié)議時的消息收發(fā)序列。節(jié)點蘇醒后進行偵聽，判斷是否需要通信。為

21、了便于通信，相鄰節(jié)點之間，應該盡量維持調度周期同步，從而形成虛擬的同步簇。同時每個節(jié)點需要維護一個調度表，保存所有相鄰節(jié)點的調度情況。在向相鄰節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時喚醒自己。每個節(jié)點定期廣播自己的調度，使新接入節(jié)點可以與已有的相鄰節(jié)點保持同步。如果一個節(jié)點處于兩個不同調度區(qū)域的重合部分，則會接收到兩種不同的調度，節(jié)點應該選擇先收到的調度周期。第4章 MAC協(xié)議3S-MAC協(xié)議b）消息分割和突發(fā)傳輸?？紤]到WSN的數(shù)據(jù)融合和無線信道的易出錯等特點，將一個長消息分割成幾個短消息，利用RTS/CTS機制一次預約發(fā)送整個長消息的時間，然后突發(fā)性地發(fā)送由長消息分割的多個短消息。發(fā)送的每個短消息都需要一個應答AC

22、K，如果發(fā)送方對某一個短消息的應答沒有收到，則立刻重傳該短消息。C）避免接收不必要消息。采用類似于802.11的虛擬物理載波監(jiān)聽和RTS/CTS握手機制，使不收發(fā)信息的節(jié)點及時進入睡眠狀態(tài)。第4章 MAC協(xié)議S-MAC協(xié)議同IEEE802.11相比，具有明顯的節(jié)能效果，但是由于睡眠方式的引入，節(jié)點不一定能及時傳遞數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡的時延增加、吞吐量下降；而且S-MAC采用固定周期的偵聽/睡眠方式，不能很好地適應網(wǎng)絡業(yè)務負載的變化。針對S-MAC協(xié)議的不足，其研究者又進一步提出了自適應睡眠的S-MAC協(xié)議。在保留消息傳遞、虛擬同步簇等方式的基礎上，引入了如圖的自適應睡眠機制：如果節(jié)點在進入睡眠之前，偵

23、聽到了鄰居節(jié)點的傳輸，則根據(jù)偵聽到的RTS或CTS消息，判斷此次傳輸所需要的時間；然后在相應的時間后醒來一小段時間（稱為自適應偵聽間隔），如果這時發(fā)現(xiàn)自己恰好是此次傳輸?shù)南乱惶?jié)點，則鄰居節(jié)點的此次傳輸就可以立即進行，而不必等待；如果節(jié)點在白適應偵聽間隔時間內，沒有偵聽到任何消息，即不是當前傳輸?shù)南乱惶?jié)點，則該節(jié)點立即返問睡眠狀態(tài)，直到調度表中的偵聽時間到來。自適應睡眠的S-MAC在性能上通常優(yōu)于S-MAC，特別是在多跳網(wǎng)絡中，可以大大減小數(shù)據(jù)傳遞的時延。S-MAC和自適應睡眠的S-MAC協(xié)議的可擴展性都較好，能適應網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)變化。缺點是協(xié)議的實現(xiàn)較復雜，需要占用節(jié)點大量的存儲空間，

24、這對資源受限的傳感器節(jié)點，顯得尤為突出。第4章 MAC協(xié)議第4章 MAC協(xié)議4T-MAC協(xié)議T-MAC（Timeout MAC）協(xié)議，實際上是S-MAC協(xié)議的一種改進。S-MAC協(xié)議的周期長度受限于延遲要求和緩存大小，而偵聽時間主要依賴于消息速率。因此，為了保證消息的可靠傳輸，節(jié)點的周期活動時間必須適應最高的通信負載，從而造成網(wǎng)絡負載較小時，節(jié)點空閑偵聽時間的相對增加。針對這一不足，文獻8提出了T-MAC協(xié)議。該協(xié)議在保持周期偵聽長度不變的情況下，根據(jù)通信流量動態(tài)調整節(jié)點活動時間，用突發(fā)方式發(fā)送消息，減少空閑偵聽時間。其主要特點是引入了一個TA時隙。第4章 MAC協(xié)議如圖4-3所示，圖中箭頭表

25、示的意義與圖4-2相同。若TA期間沒有任何事件發(fā)生，則節(jié)點進入睡眠狀態(tài)以實現(xiàn)節(jié)能。與S-MAC相比，主要的不同點是：T-MAC同樣引入串音避免機制，但在T-MAC協(xié)議中，作為一個選擇項，可以設置也可以不設置。T-MAC與傳統(tǒng)無占空比的CSMA和占空比固定的S-MAC比較，在負載不變的情況下，T-MAC和S-MAC節(jié)能相仿，而在可變負載的場景中，T-MAC要優(yōu)于S-MAC。但T-MAC協(xié)議的執(zhí)行，會出現(xiàn)早睡眠問題，引起網(wǎng)絡的吞吐量降低。為此，它采用了兩種方法來提高早睡眠引起的數(shù)據(jù)吞吐量下降，即：a）未來請求發(fā)送機制，b）滿緩沖區(qū)優(yōu)先機制，但效果并不是很理想?？傊?，T-MAC協(xié)議在節(jié)能方面優(yōu)于S-

26、MAC，但要犧牲網(wǎng)絡的時延和吞吐量。T-MAC的其他性能與S-MAC相似。第4章 MAC協(xié)議5PMAC協(xié)議PMAC（Pattern-MAC）協(xié)議是Zheng在文獻9中提出的WSN的MAC協(xié)議，目的是在S-MAC和T-MAC協(xié)議的基礎上，進一步減少空閑偵聽的能量消耗。PMAC協(xié)議的主要思想是：用一串二進制字符來代表某一節(jié)點所處的模式（即負載的輕重狀況），節(jié)點把各自的模式信息通告給其相鄰節(jié)點，根據(jù)收到的鄰居節(jié)點模式信息（Pattern information）節(jié)點調整其睡眠與工作時間。假設用表示節(jié)點的模式，這里為某一節(jié)點，N為一個周期幀的時隙數(shù)。若 =01010，則表示在一個周期幀的五個時隙內，節(jié)

27、點在1、3、5時隙轉入睡眠狀態(tài)，而在2、4時隙轉入工作狀態(tài)。再定義一種模式，即 ，m大表示負載輕，m小表示負載重。節(jié)點 能夠根據(jù)周圍節(jié)點發(fā)出的模式信息和自身的信息，在每一個時隙更新 ，以達到自適應調節(jié)節(jié)點睡眠時間與工作時間的目的。jNP0 1mjjNP第4章 MAC協(xié)議圖4-4給出了S-MAC、T-MAC和PMAC協(xié)議的周期偵聽/睡眠執(zhí)行過程，比較發(fā)現(xiàn)：進一步減少了空閑偵聽的時間，若忽略傳輸狀態(tài)信息所消耗的能量，理論上節(jié)點在沒有任何數(shù)據(jù)傳輸時，執(zhí)行PMAC協(xié)議的能耗可以降為零。研究表明，同S-MAC、T-MAC協(xié)議相比，協(xié)議具有很好的能效性和可擴展性，但協(xié)議的執(zhí)行非常復雜，并進一步增加了控制開

28、銷和對節(jié)點存儲能力的要求。第4章 MAC協(xié)議這種有效的載波偵聽方法可以和任何一種基于競爭的MAC協(xié)議相結合，文獻10將其與ALOHA協(xié)議結合，提出了前導字段偵聽（Preamble sampling）協(xié)議；文獻11將其與CSMA協(xié)議結合，提出了低耗偵聽（Low power listening）協(xié)議。這兩種協(xié)議統(tǒng)稱為LPL協(xié)議。LPL協(xié)議通過周期性關閉無線裝置節(jié)省節(jié)點的能耗，對節(jié)點的存儲能力要求很低，并且不需要周期性的信息交換和維護鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息，節(jié)省了協(xié)議的控制開銷，具有良好的可擴展性，但減小了數(shù)據(jù)成功發(fā)送的概率。前導Preamble的長度與節(jié)點的無線模塊關斷時間有關。節(jié)點周期睡眠的時間越長

29、，發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時前導Preamble的長度就需要越長，所以前導長度的增加，又增加了發(fā)送節(jié)點的能量消耗第4章 MAC協(xié)議LPL協(xié)議的Preamble長度和周期偵聽間隔需要根據(jù)應用合理設置，其本身無法根據(jù)網(wǎng)絡的變化對這兩個參數(shù)進行自動調整。為此在LPL協(xié)議的基礎上，文獻12提出了改進的LPL協(xié)議，稱為WiseMAC。其基本思想是：使每個發(fā)送節(jié)點知道鄰居接收節(jié)點的具體抽樣調度，從而縮短Preamble的長度。WiseMAC協(xié)議在保持網(wǎng)絡節(jié)點的抽樣調度不變的情況下，發(fā)送節(jié)點可提前知道接收節(jié)點的抽樣調度，直到接收節(jié)點將要偵聽時，發(fā)送節(jié)點才發(fā)送適當長度的Preamble，這樣就減少了Preamble的

30、長度，從而節(jié)省能量消耗。WiseMAC協(xié)議通過增加控制開銷，企圖減少因發(fā)送較長Preamble所造成的能量消耗，其節(jié)能效果依賴于網(wǎng)絡應用和有關參數(shù)的合理設置。第4章 MAC協(xié)議7LMAC協(xié)議LMAC協(xié)議是一種基于分布式TDMA的信道接入?yún)f(xié)議。它通過在時間上把信道分成許多時隙，形成一個固定長度的幀結構。一個時隙包含一個業(yè)務控制時段和固定長度的數(shù)據(jù)時段。幀結構的管理機制非常簡單，每個節(jié)點控制一個時隙。當一個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，它會一直等待，直到屬于自己的時隙到來。在每個時隙的控制時段內，節(jié)點首先廣播消息頭（消息頭中詳細描述了發(fā)送消息的接收節(jié)點地址和消息長度），然后馬上發(fā)送數(shù)據(jù)；監(jiān)聽到消息頭的節(jié)點

31、，如果發(fā)現(xiàn)自己不是此消息的接收者，它會將自己的無線裝置關閉。與其他的MAC協(xié)議相比，接收端正確接收一個消息后，LMAC協(xié)議不需要向發(fā)送端同送確認消息，LMAC協(xié)議將可靠性問題留給高層協(xié)議來處理，通過讓節(jié)點選擇一個在兩跳范圍內的無重用時隙來調度“幀結構”。其控制部分包含了詳細的描述時隙占用信息的比特組，欲加入網(wǎng)絡的新節(jié)點先偵聽整個幀結構，通過或操作所有節(jié)點的時隙占用比特組，新加入的節(jié)點能夠計算出哪些時隙是空閑的，并在其中隨機選擇一個時隙，與其他新加入的節(jié)點競爭占用該時隙。圖4-6說明了LMAC協(xié)議的網(wǎng)絡節(jié)點時隙調度情況。第4章 MAC協(xié)議圖4-6中代表節(jié)點的每個圓圈內的數(shù)字，既表示節(jié)點的編號，又

32、表示節(jié)點在周期幀中所占用的時隙號；每個節(jié)點旁邊的比特序列是幀時隙占用的比特組表示，其中1表示該位對應的時隙已經(jīng)占用，0表示該位對應的時隙空閑。新加入網(wǎng)絡的節(jié)點New node通過偵聽整個幀的時間，獲取所有鄰居節(jié)點（圖中的節(jié)點2、3、5、6、7）關于幀時隙占用的比特組信息；節(jié)點New node將獲取的這些信息，執(zhí)行或運算得到表示鄰居節(jié)點時隙占用的比特序列：1110111，其中只有第4位為零，即該位對應的時隙為空閑。這樣節(jié)點就可以選取該時隙作為其控制時隙，并在該時隙到來時，在控制時段發(fā)布其表示幀時隙占用的比特組信息：1111111；接收到節(jié)點New node比特組信息的鄰居節(jié)點，對自己的比特組信息

33、進行修改，將第4位修改為1，以避免其他的新節(jié)點加入時把該時隙誤認為空閑。這樣就完成了節(jié)點New node加入網(wǎng)絡的時隙分配過程。第4章 MAC協(xié)議LMAC協(xié)議的不足之處在于，欲加入網(wǎng)絡的節(jié)點必須監(jiān)聽整個幀結構中的所有控制時段，甚至包括沒有被使用的時隙。因為新的節(jié)點隨時會加入進來，可采用對節(jié)點未占用時隙的控制部分進行抽樣判斷的方法來減少空閑監(jiān)聽能量消耗。當檢測到未占用時隙上有消息傳遞時，將該時隙標記為占用，并在下一個幀中相應時隙進行監(jiān)聽。另外，LMAC協(xié)議要求節(jié)點維護的幀結構時隙大小與網(wǎng)絡的規(guī)模有關。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增加，節(jié)點的幀長度不斷增大，從而增加節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞時延，所以LMAC協(xié)議的可擴展性

34、差，不適合大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡應用。第4章 MAC協(xié)議8Z-MAC協(xié)議Rhee等在文獻14中提出了一種結合CSMA和TDMA優(yōu)點的混合MAC協(xié)議Z-MAC。Z-MAC協(xié)議的主要特點是：節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡的信道競爭程度，自適應地調整信道的接入方式，以CSMA作為基本的接入方式，而利用TDMA解決高業(yè)務下節(jié)點間對信道的競爭。在競爭等級較低的情況下，Z-MAC協(xié)議的執(zhí)行更像CSMA；在競爭等級高的情況下，Z-MAC協(xié)議按類似的TDMA的方式分配信道。 第4章 MAC協(xié)議Z-MAC協(xié)議在網(wǎng)絡布置初期引入大量的網(wǎng)絡開銷，而通過網(wǎng)絡的長期高效運行，對開銷所消耗的能量可以進行彌補。在網(wǎng)絡執(zhí)行過程中，只要網(wǎng)絡的拓撲

35、不發(fā)生大的變化，Z-MAC協(xié)議具有很強的魯棒性。除了初始需要全網(wǎng)同步外，Z-MAC協(xié)議僅需要兩跳鄰居發(fā)送節(jié)點間的本地同步，并且本地同步的執(zhí)行頻率與節(jié)點的數(shù)據(jù)業(yè)務率成正比。所以Z-MAC協(xié)議是一個分布式的協(xié)議，具有良好的可擴展性，對節(jié)點的存儲能力要求也較低；但Z-MAC協(xié)議的執(zhí)行很復雜，每周期控制時隙的引入，隨著網(wǎng)絡的密度增加會引入較多的控制開銷，在低業(yè)務情況下又造成了延時增加和能量的嚴重浪費。第4章 MAC協(xié)議9LEEM協(xié)議文獻15提出了一種用于多跳WSN，且基于預約機制的最小時延能量有效MAC協(xié)議(LEEM)。LEEM協(xié)議是對STEM協(xié)議的改進。LEEM協(xié)議要求網(wǎng)絡節(jié)點采用雙頻的無線收發(fā)器結

36、構，其中控制信道執(zhí)行信道的一跳或N跳預約，數(shù)據(jù)信道傳遞數(shù)據(jù)報文。LEEM協(xié)議網(wǎng)絡節(jié)點的控制信道采用周期偵聽/睡眠的方式工作，在控制信道的周期偵聽活動時間內，執(zhí)行數(shù)據(jù)信道的預約；數(shù)據(jù)信道只有在傳遞和接收數(shù)據(jù)時才喚醒。 第4章 MAC協(xié)議10GeRaF協(xié)議文獻17-18提出了一種基于節(jié)點的地理位置信息，并通過接收節(jié)點間競爭來選擇中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)轉發(fā)方法。在上述這些思想和碰撞避免機制的基礎上，設計了一種稱為GeRaF的MAC協(xié)議。GeRaF協(xié)議假設網(wǎng)絡節(jié)點的位置是固定的，或具有很低的位置移動性；每個節(jié)點的位置己知，并且所有節(jié)點都知道最終目的節(jié)點SINK的位置每個節(jié)點具有兩個無線收發(fā)模塊：數(shù)據(jù)信道和忙音

37、信道。網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)信道工作于周期性的偵聽/睡眠模式，且各節(jié)點的活動是隨機的，不要求同步，用于發(fā)送數(shù)據(jù)和控制報文；節(jié)點的忙音信道用于發(fā)送忙音，在業(yè)務交換過程中通過控制發(fā)送忙音以避免碰撞?；陬愃艻EEE802.11的信道接入機制，GeRaF協(xié)議采用RST/CTS/DATA/ACK的握手機制，建立節(jié)點間的數(shù)據(jù)鏈路并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。 第4章 MAC協(xié)議10GeRaF協(xié)議 GeRaF協(xié)議實現(xiàn)容易，并且協(xié)議的執(zhí)行是分布式的，具有良好的可擴展性，對節(jié)點的內存資源要求也很低。但GeRaF協(xié)議需要網(wǎng)絡具有足夠高的節(jié)點密度，而且協(xié)議的能效性直接與優(yōu)化的性能參數(shù)有關。在非優(yōu)化的參數(shù)，如節(jié)點的占空比等一定的情況下，

38、執(zhí)行該協(xié)議的能效性較差。另外從該協(xié)議的執(zhí)行來看，選取的中繼節(jié)點也并不一定是最佳的。如何改進該協(xié)議使其適應網(wǎng)絡節(jié)點密度的變化，以降低對節(jié)點密度的耍求是該協(xié)議需要進一步研究的問題。第4章 MAC協(xié)議 4.3.2 MAC協(xié)議的比較 表4-1對所研究的MAC協(xié)議進行了綜合比較。表4-1中的適應性指的是適應網(wǎng)絡拓撲變化的能力；信道利用率和吞吐量表示在低業(yè)務WSN應用的情況下網(wǎng)絡的性能。由于WSN依賴于應用，而且物理層的結構也不統(tǒng)一，節(jié)點的硬件結構呈現(xiàn)多樣性的特征，所以并沒有形成一個公認的標準MAC協(xié)議從對能量有效性和其他性能指標如延遲、吞吐量等的比較發(fā)現(xiàn)，所有的MAC協(xié)議在節(jié)能和延遲性能之間，都存在不同

39、程度的矛盾性，而且并沒有某一種MAC協(xié)議在各方面同時比其他協(xié)議表現(xiàn)得更優(yōu)。每種協(xié)議都有自己的優(yōu)點和缺點，需要根據(jù)應用在能效性和其他性能、要求之間取得平衡?；诟偁庮怣AC協(xié)議通常具有良好的可擴展性和能量有效性，在低業(yè)務的WSN應用中具有較好的吞吐量性能，但無法避免碰撞問題，從而帶來了延時?；谡{度的TDMA類MAC協(xié)議沒有競爭機制的碰撞重傳問題，節(jié)點在空閑時隙能及時進入睡眠狀態(tài)，從而節(jié)省節(jié)點的能量消耗。第4章 MAC協(xié)議4.3.2 MAC協(xié)議的比較但TDMA類的MAC協(xié)議需要節(jié)點間的時間同步。由于節(jié)點的接入時隙是固定的，在低業(yè)務情況下，空閑時隙增多，網(wǎng)絡的吞吐量很低，而且網(wǎng)絡的可擴展性和對網(wǎng)絡

40、拓撲動態(tài)變化的適應性差。為了彌補這些不足，需要增加控制開銷，這又降低了能效?；旌项惡突陔p信道的MAC協(xié)議，分別通過增加控制開銷和節(jié)點的結構復雜性，進一步改進了能量有效性和其他性能，同時也具有較好的適應性和可擴展性，但仍然存在能量有效性和其他性能的矛盾性，協(xié)議的執(zhí)行過程也更復雜。所以好的MAC協(xié)議應根據(jù)能量有效性和網(wǎng)絡的其他性能，綜合進行評估，其中能量有效性，在滿足應用要求前提下，是衡量一個好的MAC協(xié)議的關鍵因素。第4章 MAC協(xié)議第4章 MAC協(xié)議4.4 小結本章首先簡單地分析了影響WSNs網(wǎng)絡MAC協(xié)議設計的相關問題，討論了MAC協(xié)議的分類方法，然后著重研究與論述了當前較為重要的一些MA

41、C協(xié)議的核心實現(xiàn)機制和特點，并比較了這些MAC協(xié)議在性能上的差異最后，指出了關于WSNs網(wǎng)絡MAC協(xié)議的未來發(fā)展趨勢和研究策略，目的在于為進一步研究能量高效的WSNs網(wǎng)絡MAC協(xié)議提供參考。由于WSNs網(wǎng)絡的資源有限且與應用高度相關，研究人員采用了多種策略來設計MAC協(xié)議。通過對當前提出的各種應用于WSNs網(wǎng)絡的MAC協(xié)議進行研究與分析，得到的結論是由于不同應用場合對網(wǎng)絡的要求不同，對MAC協(xié)議來說，不存在一個適用于所有WSNs網(wǎng)絡應用的MAC協(xié)議，也沒有一種協(xié)議在各方面明顯強于其他協(xié)議，各種MAC協(xié)議在能量有效性和網(wǎng)絡延遲等性能之間，都存在不同程度的矛盾性，且受到多方面因素的制約。但能量有效

42、性是設計一個好的MAC協(xié)議的關鍵因素，能量高效的MAC協(xié)議仍然是今后的一個開放性研究課題。在現(xiàn)有研究的基礎上，認為將來WSNs網(wǎng)絡MAC協(xié)議的進一步研究策略和發(fā)展趨勢如下：第4章 MAC協(xié)議（1）利用多信道和動態(tài)的信道分配技術進行節(jié)能研究。隨著微電子機械技術的發(fā)展，低能、低成本、集成具有多信道或兩個不同頻率無線模塊的收發(fā)器已經(jīng)成為可能。合理地使用多個信道的資源，基于局部節(jié)點協(xié)作的方法，進行信道的動態(tài)分配，可以實現(xiàn)節(jié)能和改進網(wǎng)絡性能。信道分配技術利用調度算法，在發(fā)送時隙和節(jié)點之間建立起特定的映射關系，為我們進行節(jié)能協(xié)議的設計提供了良好的條件，如：在本文研究的ZMAC協(xié)議基礎上，把TDMA和CSMA相結合，采用合適的分布式算法，根據(jù)節(jié)點的流量，基于概率的方法動態(tài)調整節(jié)點的分配時隙，維護網(wǎng)絡的局部連通性，避免和減少碰撞，使無關