無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展

1、ISSN 10009825,CODEN RU(UEWJournal ofSoftware,V01.19,No.2,February 2008。PP.389-40302008by Journal ofSoftware.All ngh拓reserved.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展蹇強(qiáng)+,龔正虎,朱培棟,桂春梅(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖南長沙410073Ovenriew of MAC Protoeols in Wireless Sensor NetworksJIAN Qiang+,GONG Zheng-Hu,ZHU PeiDong,GUI Chun-Mei(School ofComput

2、er,National University ofDefense Technology,Changsha 410073,ChinaAbstract:In wireless sensor network,medium access control(MAChas been at the core of effective communication.Since the traditional MAC layer protocols dont adapt themselves to the performance traits andtechnique request of wireless sen

3、sor network,many MAC protocols for wireless sensor network arestudied.Designprinciples and classification methods forMAC protocols in wireless sensor network are summarized,and fundamental mechanism of each recent representative MAC protocol is analyzed in detail.The characteristics, performance,and

4、 application areas of various MAC protocols in wireless sensor network are adequately compared. Finally,the status of current research development are concluded and the open research issues on MAC layer design are pointed out.Key words:wireless sensor network(WSN;MAC(medium access contr01protocol;TD

5、MA;contention protocol;cross-layer design摘要:在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中,MAC(medium access contr01協(xié)議是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的重要協(xié)議.無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)明顯不同的性能特點(diǎn)和技術(shù)要求,傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議無法應(yīng)用于傳感器網(wǎng) 絡(luò),各種針對特定傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的MAC協(xié)議相繼提出.歸納無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)原則和分類方法, 分析當(dāng)前典型的各類MAC協(xié)議的主要機(jī)制。詳細(xì)比較這些協(xié)議的特點(diǎn)、性能差異和應(yīng)用范圍.最后總結(jié)無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的研究現(xiàn)狀,指出未來的研究重點(diǎn).關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);MAC協(xié)議;TD

6、MA:競爭協(xié)議;跨層設(shè)計(jì)中圖法分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A當(dāng)前,信息技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)信息的海量存儲(chǔ)、高速傳輸和快速處理,但信息獲取卻仍未達(dá)到自動(dòng)化水平.微傳 感器技術(shù)、微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步,極大地推動(dòng)了集信息采集、處理、無線傳輸?shù)裙?能于一體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,簡稱WSN的發(fā)展.WSN正在給人類生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng) Supported by the National High.Tech Research and Development Plan ofChina under Grant No.2005AAl21570(國家高技術(shù)研

7、究 發(fā)展計(jì)劃(863;theNationalBasicResearchProgramofChinaunderGrantNo.2003CB314802(國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973 Received 2007-03-02;Accepted 2007-09-13 390Journal of Software軟件學(xué)報(bào)V01.19,.No.2,February 2008域帶來深遠(yuǎn)影響,在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測、城市交通以及空間探索等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景【l捌. 目前,國內(nèi)外WSN研究主要集中于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、能量、定位、可靠性、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及數(shù)據(jù)處理等問題,網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議的研究是其中的熱點(diǎn)之一.而作為

8、WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧重要基礎(chǔ)架構(gòu)的介質(zhì)訪問控制(medium access control, 簡稱MAC協(xié)議,決定著無線信道的使用方式,負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)分配無線通信資源,直接影響網(wǎng)絡(luò)整體性能,成為 WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的重中之重.目前,已有大量針對WSN不同特點(diǎn)和具體應(yīng)用的MAC協(xié)議相繼提出.為了吸 取經(jīng)驗(yàn)、分析不足,我們對當(dāng)前WSN中典型的MAC協(xié)議進(jìn)行總結(jié)和分類,詳細(xì)分析和比較這些協(xié)議的核心機(jī) 制、性能特點(diǎn)和應(yīng)用范圍,并指出未來的研究策略與重點(diǎn),以期為WSN MAC協(xié)議的進(jìn)一步研究提供參考.1WSNMAC協(xié)議概述1.1WSN MAC協(xié)議設(shè)計(jì)原則在WSN中,節(jié)點(diǎn)能量有限且難以補(bǔ)充.為保證WSN長期有效工

9、作,MAC協(xié)議以減少能耗、最大化網(wǎng)絡(luò)生 存時(shí)間為首要設(shè)計(jì)目標(biāo);其次,為了適應(yīng)節(jié)點(diǎn)分布和拓?fù)渥兓?MAC協(xié)議需要具備良好的可擴(kuò)展性:傳統(tǒng)無線網(wǎng) 絡(luò)關(guān)注的實(shí)時(shí)性、吞吐量及帶寬利用率等性能指標(biāo)成為次要目標(biāo);此外,WSN節(jié)點(diǎn)一般屬于同一利益實(shí)體,可為 系統(tǒng)優(yōu)化作出一定的犧牲,因此,能量效率以外的公平性一般不作為設(shè)計(jì)目標(biāo)【3】,除非多用途W(wǎng)SN重疊部署. WSN中的能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和計(jì)算能耗.其中,通信能耗所占比重最大.因此,減少通信 能耗是延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的有效手段.大量研究表明,通信過程中主要能量浪費(fèi)存在于:沖突導(dǎo)致重傳和等待重 傳;非目的節(jié)點(diǎn)接收并處理數(shù)據(jù)形成串音;發(fā)射/接收不同

10、步導(dǎo)致分組空傳(overemitting4】;控制分組本身開銷; 無通信任務(wù)節(jié)點(diǎn)對信道的空閑偵聽等.此外,無線發(fā)射裝置頻繁發(fā)送/接收狀態(tài)切換也會(huì)造成能量迅速消榭51. 基于上述原因,WSN MAC協(xié)議通常采用“偵聽/休眠”交替的信道訪問策略,節(jié)點(diǎn)無通信任務(wù)則進(jìn)入低功耗 .睡眠狀態(tài),以減少?zèng)_突、串音和空閑偵聽;通過協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間的偵聽/休眠周期以及節(jié)點(diǎn)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī),避免 分組空傳和減少過度偵聽;通過限制控制分組長度和數(shù)量減少控制開銷;盡量延長節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間,減少狀態(tài)切換 次數(shù).同時(shí),為了避免MAC協(xié)議本身開銷過大,消耗過多的能量,MAC協(xié)議盡量做到簡單、高效.當(dāng)然,影響傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)

11、計(jì)的一些基本問題,如隱藏終端和暴露終端問題、無線信道衰減和無 規(guī)律沖突(interference irreguLarity(口1題等,在WSN MAC協(xié)議中依然存在,需要解決.1.2WSN MAC協(xié)議分類(1根據(jù)信道訪問策略的不同可分為競爭協(xié)議、調(diào)度協(xié)議和混合MAC協(xié)議【6】.競爭協(xié)議無須全局網(wǎng)絡(luò)信 息,擴(kuò)展性好、易于實(shí)現(xiàn),但能耗大;調(diào)度協(xié)議有節(jié)省優(yōu)勢和延時(shí)保障,但幀長度和調(diào)度難以調(diào)整,擴(kuò)展性 差。且時(shí)鐘同步要求高;混合協(xié)議具有上述兩種MAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn),但通常比較復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)難度大.(2根據(jù)使用單一共享信道還是多信道可分為單信道MAC協(xié)議和多信道MAC協(xié)議.前者節(jié)點(diǎn)體積小、 成本低,但控制分組與

12、數(shù)據(jù)分組使用同一信道,降低了信道利用率;后者有利于減少?zèng)_突和重傳,信道 利用率高、傳輸時(shí)延小,但硬件成本高,且存在頻譜分配擁擠問題.(3根據(jù)數(shù)據(jù)通信類型可分為單播協(xié)議和組播/聚播(eonvergecast協(xié)議.前者適于沿特定路徑的數(shù)據(jù)采集, 有利于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,但擴(kuò)展性差;后者有利于數(shù)據(jù)融合與查詢,但時(shí)鐘同步要求高,且數(shù)據(jù)冗余,重傳代 價(jià)高.(4根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射器硬件功率是否可變可分為功率固定MAC協(xié)議和功率控制MAC協(xié)議.前者硬 件成本低,但通信范圍相互重疊,易造成沖突;后者有利于節(jié)點(diǎn)能耗均衡,但易形成非對稱鏈路,且硬件 成本增加.(5根據(jù)發(fā)射天線的種類可分為基于全向天線的MAC協(xié)議和基于定向

13、天線的MAC協(xié)議.前者成本低、 易部署,但增加了沖突和串音;后者有利于避免沖突,但增加了節(jié)點(diǎn)復(fù)雜性和功耗,且需要定位技術(shù)的 蹇強(qiáng)等:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展 391支持.(6根據(jù)協(xié)議發(fā)起方的不同可分為發(fā)送方發(fā)起的MAC協(xié)議和接收方發(fā)起的MAC協(xié)議.由于沖突僅對接收方造成影響,因此,接收方發(fā)起的MAC協(xié)議能夠有效避免隱藏終端問題,減少?zèng)_突概率,但控制開銷 大、傳輸延時(shí)長;發(fā)送方發(fā)起的MAC協(xié)議簡單、兼容性好、易于實(shí)現(xiàn),但缺少接收方狀態(tài)信息,不利 于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全局優(yōu)化.此外,根據(jù)是否需要滿足一定的QoS支持和性能要求,WSN MAC協(xié)議還可分為實(shí)時(shí)MAC協(xié)議、能量高效 MAC協(xié)議、安全MA

14、C協(xié)議、位置感知MAC協(xié)議、移動(dòng)MAC協(xié)議等.2WSN MAC協(xié)議分析 Table 1MAC protocols for wireless(sensornetworks表1無線(傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議Contention.Based MAC Schedule-Based MAC Hybrid MAC Cross layerdesigned MACMACABIIEEE 802.11DCF PAMAS Bluetooth SMACS ADA” (1997(1997/1999 (1999 (1999 (1999 【1999 BASIC SEEDEX ARC Woo&SMACS/LEACH DE

15、ANA NAMA. Meta.MAC Culler EARPAMA (2001(2001 (20m (2001 (2000 (20m (2001 (200I (200I OAR Low powerf、S-MAC, Preamble Arisha g" - H1DMA T.Holliday,et a1. listening STEM sampling T-DEMne氣r.bgyaAwd areMAC (2002 (2002 (2002 (2002(2002 (2002 (2002 (2002 PI蔓乳iAC SlFf 1二MAC PCMAC ER.MAC 慷AMA EMACs DEMA

16、C Alllre El-Hoiydi GeRaF MTNA(2003 ,?(2003 (2003(2003 (2003 (2003 (2003 (2003 (2003 (2003 (2003 DSMAC ACMAC 昏MA(B.MAe TDhA.W BMA D。MAe L00鹱M【 FPS S.c1“&R.Madan (2004(2004 E2。(2004?:|? (2004 b2004 (2004。 .(2004 (2004、 (2004 (2004 fP-MACl TEA.MACTEEM WigeMAC RTMAC !:STDMA 釋”Z.MAC 1 A強(qiáng)刪 O.TBMA 、(20

17、05 (2005 (2005 (2005(2005 (2005 j(2005 (2005 (2005 S X-MAC 一 ArDez DSItMA A.Kesha,etaL 孰nneling-MAC SARA-M。鍵 是。?,|?i;j。(.2006。Ij。jj?j j?。; 。(2.006。 (2006 (2006 k。(2006、。,、 。t2006。忿2.1基于競爭的MAC協(xié)議 競爭協(xié)議采用按需使用信道的方式,當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),通過競爭方式使用無線信道,若發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn) 生了沖突,就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù),直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送為止.在WSN中,睡眠/喚醒調(diào)度、握手機(jī)制 設(shè)計(jì)和減少睡

18、眠延時(shí)是競爭協(xié)議重點(diǎn)考慮的三大問題.一般而言,競爭協(xié)議對時(shí)鐘同步精度要求沒有調(diào)度協(xié)議392Journal of Software軟件學(xué)報(bào)V01.19,No.2,February 2008這兩個(gè)協(xié)議均采用節(jié)點(diǎn)周期睡眠調(diào)度,不同點(diǎn)是調(diào)度周期中節(jié)點(diǎn)活躍時(shí)間所占的比例(占空比.N。刪t上t上t上t t Jr t t No刪t上t Jr t上t t上t t Active state Acttve tlmej_LSleep state幾習(xí)Sleeptime4臼 甾 幽s-MAc 付t 廿上t 1jr t t T-MAc 付1蝌 似tFig.1Basic protocol scheme of SMAC an

19、d T-MAC圖l S.MAC和T-MAC基本協(xié)議機(jī)制 X.MAC sander X.MAC reCelVer Target address in data beaOcr 、 0:1b鴨preamble”l、。1:。Data ji Extended wait time ,_、 懿搿懣籍糊Receive datal tsahorgnetpa畢_cla爭rmesbsleln8Iyorimtnatl.Oll 南南聞齜習(xí)/器 Fig.2Timelines of LPL's extended preamble and XMACs 圖2低功率偵聽擴(kuò)展前導(dǎo)與X.MAC時(shí)序言邑岔 罰 Energy.O

20、ptimal sleep and listen times(msre4laUve to loadLoad:Expected packets per second(109scale Fig.3Energy-Optimal sleep and listen times圖3能量優(yōu)化睡眠和偵聽時(shí)刻 在基于競爭的MAC協(xié)議中,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量決定占空比是提高能量效率的有效手段,PMAC (pattern.MACt221協(xié)議和Sifttl9】協(xié)議采用的方法為我們提供了一種新的思路.PMAC22】根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和流量模式自適應(yīng)調(diào)整睡眠調(diào)度.時(shí)間被分為連續(xù)的超時(shí)間幀(STF,每個(gè)STF包含 兩個(gè)子幀:模式循環(huán)時(shí)間幀

21、(PRTF和模式交換時(shí)間幀(PETF.PRTF由個(gè)時(shí)隙和1個(gè)附加時(shí)隙組成,節(jié)點(diǎn)根據(jù) 模式(pattern決定在每個(gè)時(shí)隙睡眠或喚醒,模式用一個(gè)比特串0”1表示,表示連續(xù)腳個(gè)時(shí)隙睡眠和1個(gè)時(shí)隙喚醒. 在附加時(shí)隙,所有節(jié)點(diǎn)均喚醒.PETF也分為多個(gè)時(shí)隙,用于與鄰居節(jié)點(diǎn)交換模式.在首個(gè)PRTF,每個(gè)節(jié)點(diǎn)均喚醒, 即模式為1.然后,在每個(gè)模式位為l的時(shí)隙考察是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送,如果沒有,則采用類似于TCP慢啟動(dòng)算法 的方法逐步增加模式中0位的數(shù)量,即增加節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間;如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送,則將模式恢復(fù)為1.在PETF階 段,節(jié)點(diǎn)競爭信道并廣播自己的模式,然后根據(jù)收集到的鄰居節(jié)點(diǎn)模式計(jì)算下一個(gè)PRTF中的睡

22、眠調(diào)度.在PMAC中,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量較小時(shí)節(jié)點(diǎn)睡眠時(shí)間更長,能量浪費(fèi)更少;模式交換保證只有傳輸路徑上的節(jié)點(diǎn)需 要喚醒以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),減少了鄰居節(jié)點(diǎn)過度偵聽和分組沖突.但通過廣播交換模式增加沖突概率:鄰居節(jié)點(diǎn)間協(xié)商 產(chǎn)生睡眠.喚醒調(diào)度,收斂時(shí)間長;協(xié)議各時(shí)隙長度、模式位數(shù)、競爭窗口大小等參數(shù)未確定.Kyle等人f19】提出的Sift協(xié)議針對事件驅(qū)動(dòng)WSN設(shè)計(jì),其目標(biāo)是:若個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測到同一事件,則只保 證其中只個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠在最小時(shí)間內(nèi)無沖突成功發(fā)送數(shù)據(jù),抑制剩余.瑯個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送.Sift中競爭窗口CW長 度固定,節(jié)點(diǎn)并不選擇發(fā)送的時(shí)隙,而是選擇不同時(shí)隙的發(fā)送概率.如果信道空閑,則逐步增加每個(gè)時(shí)隙的發(fā)送

23、概率;如果有其他節(jié)點(diǎn)使用該時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù),則重新計(jì)算發(fā)送概率.節(jié)點(diǎn)第,.個(gè)時(shí)隙的發(fā)送概率根據(jù)公式(I計(jì)算:e=了(1-孑aa礦cw×仃,r=l,.,c形 (1其中,口=N CW.經(jīng)證明,協(xié)議滿足如下性質(zhì):(1當(dāng)存在個(gè)競爭節(jié)點(diǎn)時(shí),有且僅有1個(gè)節(jié)點(diǎn)在第1個(gè)時(shí)隙成功他M 他 昌一d 西 盯 . 黯394Journal of Software軟件學(xué)報(bào)V01.19,No.2,Feblnla:ry 2008發(fā)送的概率大;(2從第2個(gè)到第卜1個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙中有且僅有1個(gè)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送的概率也大.Sift是一個(gè)新穎而簡單的基于競爭窗口的MAC協(xié)議,能滿足事件驅(qū)動(dòng)WSN數(shù)據(jù)突發(fā)性和冗余性,但未考 慮如何

24、減少空閑偵聽.協(xié)議簡單地認(rèn)為,當(dāng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到R個(gè)ACK后就取消相應(yīng)事件報(bào)告。對如何選擇R個(gè)節(jié)點(diǎn) 及時(shí)無沖突發(fā)送并沒有進(jìn)一步研究.協(xié)議要求時(shí)鐘嚴(yán)格同步,因此只適于在WSN局部區(qū)域內(nèi)(如簇內(nèi)使用. 2.2基于調(diào)度的MAC協(xié)議在TDMA協(xié)議中,時(shí)槽分配需要一定的全局視圖,計(jì)算量較大.彳艮多TDMA協(xié)議利用了分簇網(wǎng)絡(luò)便于管理 維護(hù)、對系統(tǒng)變化反應(yīng)迅速的特點(diǎn),將時(shí)槽計(jì)算和分配任務(wù)交由簇頭節(jié)點(diǎn)承擔(dān),既能避免擴(kuò)大計(jì)算規(guī)模,又有利 于實(shí)現(xiàn)信道重用.下面兩個(gè)協(xié)議就具有這樣的特點(diǎn).Energy-AwareTDMA-Based MACl24協(xié)議包含4個(gè)主要階段:在數(shù)據(jù)發(fā)送階段.活躍節(jié)點(diǎn)在分配的時(shí)槽根據(jù) 轉(zhuǎn)發(fā)表向網(wǎng)關(guān)節(jié)

25、點(diǎn)發(fā)送/轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),非活躍節(jié)點(diǎn)保持睡眠,除非向簇頭報(bào)告狀態(tài)或接收路由廣播;在更新階段,節(jié) 點(diǎn)在分配的時(shí)槽向簇頭報(bào)告各自狀態(tài)(剩余能量、位置等;在基于更新的重路由階段,簇頭根據(jù)接收信息重新計(jì) 算時(shí)槽和更新轉(zhuǎn)發(fā)表,并發(fā)布調(diào)度;在事件觸發(fā)重路由階段,當(dāng)拓?fù)渥兓蚰彻?jié)點(diǎn)能量小于閾值時(shí),簇頭產(chǎn)生新 調(diào)度并發(fā)送給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn).協(xié)議提供兩種時(shí)槽分配算法:寬度時(shí)槽分配和深度時(shí)槽分配.寬度分配法為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)提 供連續(xù)時(shí)槽,減少硬件切換次數(shù);深度分配法有利于數(shù)據(jù)及時(shí)上傳,減小報(bào)文丟失概率.固定的時(shí)槽分配調(diào)度雖然能夠?qū)崿F(xiàn)無沖突通信,但節(jié)點(diǎn)空閑偵聽的能耗很大,且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越小,空閑偵聽比 例越大.因此,很多TDMA協(xié)議加入流量

26、自適應(yīng)技術(shù),動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比,進(jìn)一步減少能量開銷. 蹇強(qiáng)等:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展個(gè)鄰居保存兩個(gè)計(jì)數(shù)器,分別對應(yīng)于輸出和輸入鏈路.在無通信活動(dòng)的情況下。計(jì)數(shù)器遞減.成功傳輸一次數(shù)據(jù), 則發(fā)送方和接收方分別使對應(yīng)鏈路的計(jì)數(shù)器值加1.節(jié)點(diǎn)根據(jù)計(jì)數(shù)器的值是否為0判斷是否需要發(fā)送喚醒信號(hào). 這一機(jī)制既能減少喚醒信號(hào)的發(fā)送,又能保證在流量較小的情況下,節(jié)點(diǎn)有充分的睡眠時(shí)間.針對S-MAC和T-MAC中存在的睡眠延時(shí)問題和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)停頓(DFI問題。DMACl28】提出了一種改進(jìn)方法. 根據(jù)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)形成的數(shù)據(jù)采集樹,采用交錯(cuò)喚醒調(diào)度機(jī)制,將一個(gè)周期劃分為接收時(shí)間、發(fā)送時(shí)間和睡眠 時(shí)間.每個(gè)節(jié)點(diǎn)的

27、調(diào)度具有不同的偏移,下層節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間對應(yīng)于上層節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)間.在理想情況下。數(shù)據(jù) 能夠連續(xù)地從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)傳送到數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn),消除了睡眠延時(shí).Sink Leverl Lever2 Lever 3幾0幾 幾 司善 幾 I|、 n 一 讕 幾 A 文|確訊 幾 八 ?！眑 /1幾 訥 Fori.vard delay iBackward del 吖 Forwara delay Backward delay;J L ;一 L Li :J. Ln 0幾 F 知 幾耐1沁 幾f 韌 |A 韌 :Back;vard delayL lForward del匆 :一oFig.4Comparison of ladde

28、r pattern,twoladders paRem and crossed-ladders pattern圖4梯型調(diào)度、雙梯型調(diào)度和交叉梯型調(diào)度比較Bush等人首次提出一個(gè)同時(shí)滿足分布式、自穩(wěn)定、無沖突和無全局時(shí)鐘等特點(diǎn)的MAC協(xié)議.其獨(dú)特之處 在于,節(jié)點(diǎn)幀長度不等且無須幀對齊.LooseMAC執(zhí)行于協(xié)議初始階段;當(dāng)所有鄰居節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定后,執(zhí)行TightMAC。 進(jìn)一步提高吞吐量和減少延時(shí).在LooseMAC中:節(jié)點(diǎn)幀長度相同,為不小于min(群,霹的最小的2的整數(shù)冪,其 中,西和晚分別為直接鄰居和兩跳鄰居數(shù)量上限;在每一幀節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)槽,并在該時(shí)槽將調(diào)度 廣播給鄰居節(jié)點(diǎn);若在接下

29、來一幀時(shí)間內(nèi)接收到?jīng)_突報(bào)告消息或偵聽到一次沖突,則重新選擇一個(gè)未分配時(shí)槽, 重復(fù)上述過程;否則調(diào)度分配成功,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入ready0狀態(tài).在TightMAC中,幀長度進(jìn)一步縮小為厶=2lIa|,其 中,諺=max,。4(j盈(-,z。釧磊(七,弧是節(jié)點(diǎn)f兩跳范圍內(nèi)兩跳鄰居數(shù)量的最大值,取近似值是為了減少通信 量和存儲(chǔ)開銷.注意到LooseMAC和TightMAC中不同節(jié)點(diǎn)幀長度仍然是倍數(shù)關(guān)系,因此可以共存.該協(xié)議僅根據(jù)節(jié)點(diǎn)本地信息建立調(diào)度,能夠較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?擴(kuò)展性得到顯著提升.但在調(diào)度產(chǎn)生 過程中,節(jié)點(diǎn)間的潛在沖突使協(xié)議收斂時(shí)問過長,影響效率.該協(xié)議假設(shè)基于Unit Disc模型,與實(shí)際

30、使用中基于 信噪比的沖突檢測模型尚有差距,無法利用捕獲效應(yīng)改善性能.該協(xié)議更適合應(yīng)用于流量穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境. 396Journal of Software軟件學(xué)報(bào)V01.19,No.2,February 2008Van Hoesel等人結(jié)合物理層與網(wǎng)絡(luò)層的特點(diǎn),提出兩個(gè)TDMA協(xié)議.EMACs121為上層路由協(xié)議提供高效支 持.作為EMACs的補(bǔ)充,LMAC321協(xié)議進(jìn)一步減少發(fā)射/接收切換次數(shù),節(jié)省能量同時(shí)降低硬件要求.EMACs和 LMAC的基本原理是:采用分布式算法選舉主動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成連通骨干網(wǎng)絡(luò),其他節(jié)點(diǎn)稱為被動(dòng)節(jié)點(diǎn);主動(dòng)節(jié)點(diǎn)協(xié)商 產(chǎn)生調(diào)度,時(shí)槽只能在3跳外重用;被動(dòng)節(jié)點(diǎn)只能向特定主動(dòng)節(jié)

31、點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),大多數(shù)情況下保持睡眠;根據(jù)流量和 剩余能量,主動(dòng)節(jié)點(diǎn)和被動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以轉(zhuǎn)換;連通骨干網(wǎng)絡(luò)有利于網(wǎng)絡(luò)層建立路由(如動(dòng)態(tài)源路由DSR(dynamic source routing33】,并減少路由開銷.在LMAC中,控制分組長度固定且包含控制消息(目標(biāo)ID和跳數(shù)和數(shù)據(jù)單 元,因?yàn)闆]有沖突,所以可以一起直接發(fā)送,無須數(shù)據(jù)交換握手機(jī)制,更能有效減少無線收發(fā)器的切換次數(shù).混合協(xié)議包含競爭協(xié)議和調(diào)度協(xié)議的設(shè)計(jì)要素,既能保持所組合協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)。又能避免各自的缺點(diǎn).當(dāng)時(shí)空 域或某種網(wǎng)絡(luò)條件改變時(shí),混合協(xié)議仍表現(xiàn)為以某類協(xié)議為主,其他協(xié)議為輔的特性.混合協(xié)議更有利于網(wǎng)絡(luò)全 局優(yōu)化.Z.MAC是一種CSMA

32、/TDMA混合MAC協(xié)議.在低流量條件下使用CSMA信道訪問方式,可提高信道利 用率并降低延時(shí);在高流量條件下使用TDMA信道方式,可減少?zèng)_突和串?dāng)_.與TDMA協(xié)議不同,Z.MAC中節(jié)點(diǎn) 能在任何時(shí)槽發(fā)送數(shù)據(jù),但時(shí)槽擁有者優(yōu)先級更高.當(dāng)時(shí)槽擁有者不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),其鄰居節(jié)點(diǎn)以CSMA方式競爭 信道,獲勝者“盜用”該時(shí)槽.通過鄰居發(fā)現(xiàn),節(jié)點(diǎn)收集兩跳內(nèi)鄰居信息,然后采用分布著色算法為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配時(shí) 槽.與LooseMAC3l】一樣,節(jié)點(diǎn)幀長度必須是2的整數(shù)冪,鄰居節(jié)點(diǎn)以CSMA方式競爭多余的時(shí)槽.當(dāng)競爭較強(qiáng) 時(shí),節(jié)點(diǎn)發(fā)出明確競爭通告(ECN消息,如果節(jié)點(diǎn)在最近tECN時(shí)間內(nèi)收到某一兩跳鄰居發(fā)出的ECN

33、,則成為高競 爭級(HCL節(jié)點(diǎn).否則為低競爭級(LCL節(jié)點(diǎn).LCL節(jié)點(diǎn)可以競爭任何時(shí)槽,但在HCL狀態(tài)下,只有時(shí)槽擁有者及 其鄰居節(jié)點(diǎn)可以使用該時(shí)槽,并且在時(shí)序上早于非擁有者發(fā)送.這種ECN技術(shù)具有一定的擁塞控制能力. 蹇強(qiáng)等:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展 397Fig.5Division of time frames in funnelingMAC圖5Funneling.MAC時(shí)間幀劃分Funneling.MAC以CSMA為主,對時(shí)鐘同步要求不高.實(shí)驗(yàn)表明,其各種性能指標(biāo)普遍優(yōu)于zMAC和 B.MAC,網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間更長.但協(xié)議中時(shí)槽分配算法只提供松散的TDMA調(diào)度,無法消除隱藏終端問題;

34、采用面 向Sink的集中式TDMA調(diào)度算法,若Sink附近拓?fù)浒l(fā)生變化,則需重新部署,開銷很大;無線通信中存在的無規(guī) 律沖突問題,造成漏斗邊界的不確定性,影響協(xié)議性能.因此,Funneling.MAC目前還無法應(yīng)用于大規(guī)模WSN. 2.4跨層設(shè)計(jì)MAC協(xié)議AIMRPt381協(xié)議基于IEEE 802.11。集成了MAC和路由機(jī)制.其主要特點(diǎn)是:無需全局地址,MAC協(xié)議也負(fù)責(zé) 建立路由.協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)到Sink的跳數(shù),形成一個(gè)以Sink為中心的多層環(huán)形結(jié)構(gòu),路由機(jī)制簡化為數(shù)據(jù)分組從外 環(huán)向內(nèi)環(huán)逐層轉(zhuǎn)發(fā).節(jié)點(diǎn)采用RTR(request to relay/CTR(clear to relay/DATA/

35、ACK握手機(jī)制實(shí)現(xiàn)信道訪問控制,轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)只響應(yīng)直接上層節(jié)點(diǎn)的RTR請求.AIMRP采用異步隨機(jī)工作循環(huán)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度,其基本思 想是:節(jié)點(diǎn)根據(jù)參數(shù)嘲分步?jīng)Q定睡眠時(shí)間長度%參數(shù)D根據(jù)端到端延時(shí)需求確定,如果節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)下檢 測到事件,則立刻進(jìn)入偵聽狀態(tài);否則,在睡眠結(jié)束后保持等待狀態(tài)死。時(shí)間,負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)上層節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù),z厶 遠(yuǎn)小于分組傳輸時(shí)間。,保證節(jié)點(diǎn)有充足的睡眠時(shí)間;之后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài),并重新計(jì)算睡眠時(shí)間,除非以 下兩類事件發(fā)生:(1新數(shù)據(jù)產(chǎn)生;(2接收到上層節(jié)點(diǎn)的RTR請求,但尚未接收到來自本層其他節(jié)點(diǎn)的CTR響 應(yīng).由于節(jié)點(diǎn)睡眠/喚醒相互獨(dú)立。不需要相互交換睡眠調(diào)度信息.實(shí)

36、驗(yàn)表明,AIMRP能量效率高于S-MA,但同步精度要求高;采用集中式算法,虛擬拓?fù)鋭?dòng)態(tài)適應(yīng)性差;路由 機(jī)制類似于DSR等地理路由協(xié)議。未考慮能量優(yōu)化.AIMRP針對典型聚播流量,更適用于事件檢測等WSN應(yīng)用. 398Journal of Software軟件學(xué)報(bào)V01.19,No.2,February 2008AIMRP實(shí)現(xiàn)了代價(jià)約束條件下的MAC/路由跨層設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)表明,轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇算法接近最優(yōu)方案(集中式 算法.但該協(xié)議仍有如下不足:未考慮節(jié)點(diǎn)失效和評估參數(shù)誤差對算法的影響;握手機(jī)制增加延時(shí)和控制開銷; 確定最小代價(jià)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)需要多個(gè)競爭周期多次迭代.如減少競爭過程和競爭次數(shù),則可進(jìn)一步提高

37、協(xié)議性能. 2.S其他MAC協(xié)議及相關(guān)研究工作WSN與應(yīng)用高度相關(guān),面向特定應(yīng)用,研究人員提出了眾多MAC協(xié)議.Chatterjea等人針對WSN數(shù)據(jù)采集 和興趣查詢的應(yīng)用需求,提出一種基于數(shù)據(jù)采集樹的MAC協(xié)議:AI.LMAC50】.父節(jié)點(diǎn)根據(jù)子節(jié)點(diǎn)提供的數(shù)據(jù)分 布表DDT判斷子節(jié)點(diǎn)對特定查詢需求的“重要性”,使其能夠獲得更多時(shí)槽.在部分WSN應(yīng)用中,基站具有移動(dòng) 性,比如使用飛機(jī)或衛(wèi)星在部署區(qū)域上空采集數(shù)據(jù),這種特定應(yīng)用的WSN稱為移動(dòng)訪問傳感器網(wǎng)絡(luò)(sensor networks with mobile access,簡稱SENMA.Yangt”】針對SENMA中節(jié)點(diǎn)冗余和數(shù)據(jù)高度相關(guān)的

38、特性,提出一種 基于節(jié)點(diǎn)發(fā)送概率的MAC協(xié)議,保證訪問點(diǎn)一次數(shù)據(jù)采集能夠以一定吞吐率均勻得到網(wǎng)絡(luò)中不同地區(qū)的感知 數(shù)據(jù).還有研究緊密結(jié)合無線通信領(lǐng)域的最新研究成果,提出一些具有廣闊應(yīng)用前景的MAC協(xié)議,如基于多入 多出(MIMO發(fā)射天線的MAC協(xié)議MARI.BTMAt52】和基于超寬帶(uwa技術(shù)的MAC協(xié)議PMAC53】等.一些MAC協(xié)議在常規(guī)節(jié)能措施之外考慮其他優(yōu)化手段減少能量開銷.例如。Schurgers等人f54l采用MAC地 址重用技術(shù)減少地址開銷,文獻(xiàn)55】進(jìn)一步考慮用鏈路標(biāo)識(shí)取代節(jié)點(diǎn)地址,并根據(jù)鏈路的使用率決定鏈路標(biāo)識(shí) 的長度.Chin等人156】貝U提出用節(jié)點(diǎn)地址作為密鑰,對地

39、址和有效負(fù)載進(jìn)行壓縮,從而消除發(fā)送地址的開銷. 蹇強(qiáng)等:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展399許多工作在現(xiàn)有MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的理論分析和模擬實(shí)驗(yàn),為WSN MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)提供了 很多有益的參考意見和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).例如,Staub等人【57】在真實(shí)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)下比較了傳統(tǒng)CSMA競爭協(xié)議、 LMAC協(xié)議和TEEM協(xié)議中節(jié)點(diǎn)能耗、生存時(shí)間、傳輸延時(shí)等性能,詳細(xì)分析了造成性能差異的各種原因.文 獻(xiàn)【58通過排隊(duì)分析和仿真實(shí)驗(yàn)研究睡眠調(diào)度對MAC協(xié)議的影響,詳細(xì)分析了采用睡眠調(diào)度策略時(shí),不同占空 比、數(shù)據(jù)到達(dá)速率、分組傳輸延時(shí)和節(jié)點(diǎn)能耗之間的關(guān)系.Ruzzelli等人【5】在比較了S.MA

40、C協(xié)議中節(jié)點(diǎn)在睡眠、 接收和發(fā)送3種狀態(tài)以及狀態(tài)切換過程中產(chǎn)生的能量開銷后指出,在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕和分組長度很短的情況下, 狀態(tài)切換能量開銷可能超過發(fā)送能耗,是不能忽略的,但可以與上述3種狀態(tài)下的能耗結(jié)合在一起計(jì)算.3WSNMAC協(xié)議比較WSN是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域。應(yīng)用范圍廣闊,因此,WSN MAC協(xié)議也呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn).以上介紹的WSN MAC協(xié)議各具特點(diǎn)。但也或多或少地存在著不同的缺陷,很難說哪個(gè)協(xié)議更優(yōu)越.為了對目前WSN MAC 協(xié)議有一個(gè)整體的直觀認(rèn)識(shí),我們采用列表的方式,按照第1種分類方法的順序?qū)ι鲜鲋攸c(diǎn)分析的MAC協(xié)議進(jìn) 行比較.表2對這些協(xié)議的特點(diǎn)進(jìn)行比較,比較的范圍包括協(xié)議的分

41、類、支持的流量類型、協(xié)議的主要機(jī)制和 存在的主要問題.表3對這些協(xié)議的性能進(jìn)行比較,比較的范圍包括協(xié)議的計(jì)算、存儲(chǔ)和控制開銷以及協(xié)議的 自適應(yīng)性、傳輸延時(shí)和對時(shí)鐘同步精度要求等性能指標(biāo).表4對這些協(xié)議的應(yīng)用特點(diǎn)和使用范圍進(jìn)行總結(jié)和比 較,但并不是絕對的.在實(shí)際使用中,應(yīng)當(dāng)根據(jù)WSN應(yīng)用特點(diǎn)選擇合適的MAC協(xié)議,通常需要在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、協(xié)議 性能、實(shí)現(xiàn)難度和部署成本之間作出選擇和折衷.Table 2Comparison of characteristics of MAC protocols表2MAC協(xié)議的特點(diǎn)比較 Comm.Main energyProtocolTypeMain schemeDraw

42、back(spatternconsumption redueedS.MAC CSMA An Idle listening Virtual cluster, Sleeping adaptive listeningdelay T-MACCSMAAll Idle listening崩Early sleeping BMACSlotted alohaAll Idle listening,overhearing LPL.CCA PreamblecauseconflictWiseMAC NP.CSMA All Idle listening,overhearing LPL.CCA Hidden termina

43、lIdle listening,overhearing,LPL,CCA, X.MAC CSMA All Clock drift control overhcadstrobed preamble Idle listening, Pattern exchange, Broadcast PMACCSMA Broadcastoverhearing,conflictavoid overhearing increase conflict SiRCSMA/CA AnConflict,overhearing,Transmission probabilityClock Drift, control overhe

44、adin each slotidie listening Cluster-BasedTDMA ConvergecastIdlelistening,Clustered network, Low channel overhearing,conflictslotassignmentutilization CSMA/Idle listening, Winningslot,reservation, Clock drift1求AMA AnTDMAoverhearing,conflictviggy backIdlelistening,Graphcoloring,TDMA.W TDMAAU Single ho

45、p latencyoverhearing,conflictwakeup slot,2counters CSMA/Staggered wakeupClock drift DMAC AnIdle listening TDMA schedule.data predictionLooseMAC&TDMA BroedcastOverhearing,conflictEstablish schedule Assuming unit TightMAC using local informationdisc model EMAC幾MACTDMA Unicast AUMIS,piggy back LOW

46、channeI utilizationUnicast, Idle listening, Rendezvous.basedEnergyefficiencyArDeZTDMA broadcastoverhearing,conflictschemefairnessCSMA/Idle listening, LPL,CCA,adaptabilitytoECN implosion, ZMACAUTDMA overheating,conflictcontention levercentralized algorithm CSMA/AUIdle listening, Dynamicdepth-tuning,H

47、idden terminal. FunnelingMACTDMA overhearing,conflictslot assignment interference irregularityAIMl心CSMA AU Idle listening, Asynchronous andWeak adaptabilityoverhearing,conflictrandom duw-cyclingof virtual topology Low computationSARA.MCSMAAllAnycostHopcountrouting policyefficiencyJournalof Software軟

48、件學(xué)報(bào)V01.19,No.2,February2008Table 3Comparison of performance of MAC protocols表3MAC協(xié)議的性能比較.Computation Control StorageAdaptivity.Time synch.Protolov;rheadoverhead overh占adtoc卸ge_sLa劬cyprecisionS.MAC No needed Rather high Schedule table GoodRatherhighLow MAC No needed Rather highNo needed Rather goodHi

49、ghLowB-MACNo needHighNo need GoodModerate Moderate Wi8eMACSampling schedule HighNo need Good ModerateModerateXMAC EstimatingtrafficloadLow No neededGoodLowHighPMACPauern generation High PattemGoodModerateModerateSiftTransmission probabilityRather lowNo needed PoorNotcareHigh Cluster-BasedSlot assign

50、ment High Forward table,Moderate HighHighBMA Slot assignment HighForward tableModerate High High TR AMA Transmission priorityHigh 2-Neighbor Moderate Hj曲Hi曲 TDMA.W Slot assignment High2-Neighbor ModerateHigh Hi曲DMACData gathering treeLowNo needed Rather poorRather lowHighLooseMAC&TightMACFrame l

51、engthLowSchedule table GoodModerat嗆Low EMACs/LMACMISLow Schedule table ModerateLow Moderate ArDeZRendezvous period High Seeds foreverylinkGood Moderate Low ZMACSlot assignment LowSchedule table PoorModerate Moderate Funneling.MACSlotassignment Moderate Schedule table ModerateModerate Low AIMRP Param

52、etersHigh No needed Poor Moderate Moderate SARA.MVirmal topologiesHighVirtual topologyPoorModerate LowTable 4Comparison ofapplicationareasofMACprotocols表4MAC協(xié)議的應(yīng)用范圍比較翌!壘2P!i!生!鑒!S.MAcPeriodical data gathering;delay notaware,data loss tolerance;low sealabilityT.MAC Periodical datagathering;evont-driv

53、en;delaynotwa;datalo鷂tolerance;node moving occasionally:large-scaleB.MACBit streaming radio;node moving;large.scale WSNs WiseMACMAC for down-link in structured networks:query-drivenWSNs:large.scale WSNsX.MAC Emergenteventreporting;data gathering;realtime aware:middle-scale WSNsPMACDelay aware;delayn

54、ot aware:data loss tolerance;sparse networks;large-scale WSNsSiRClusterednetwork;data gathering application;data lOSS tolerance;stable topologyCluster-Based Clustered networks;head nodes have powerful computing and communicating曲ilitvBMA Clustered networks;head nodes have powerful computing and comm

55、unicating曲ilitvTRAMA Periodieal data gathering;realtime not aware:data IOS￥tolerance;10eation fixed:low scalability TDMA.W Event-driven;light tra幣c:real.time not aware:relative stable topology;small.scale WSNs DMAC Periodical data gathering;tree-based application;event-driven;delay aware:stable topo

56、logy;small.scale WSNs LooseMAC Periodical data gathering;low noise;node moving occasionally;data loss tolerance;high network survivabiUty EMACs&LMAC Structured networks塒tll li窯Ilt traffic;unicast traffic;high network survivabilit3,ArDeZ Periodical data gathering;few events;dense networks;large-s

57、cale WSNs ZMAC Periodical data gathering;reliable and fault tolerance;heavy traffic;dense networks;relative stable topology:small.scale Funneling-MAC Emergent event reporting;data gathering;heavy traffic;dense networks;relative stable topology;large-scale WSNsAIMRP Event report;no global address;sink oriented;Multiple sinks;del