S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議的比較

S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議的比較摘要：媒體訪問控制協(xié)議是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一，傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如吞吐量、延遲性能等完全取決于所采用的MAC協(xié)議。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議不相同的是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議首要考慮的因素就是節(jié)省能量。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，本文中將現(xiàn)有的MAC協(xié)議中S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議進(jìn)行了比較和分析。關(guān)鍵字：S-MAC協(xié)議；T-MAC協(xié)議；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ABSTRACT:MACprotocolisoneofthekeytoensureefficientnetworkprotocolsforwirelesssensornetworksforcommunication,suchastheperformanceofthesensornetworkthroughput,delayperformancedependsentirelyontheMACprotocolused.MACprotocolwiththetraditionalnetworkisnotthesamefactorsMACprotocolforwirelesssensornetworkstheprimaryconsiderationistosaveenergy.Fortherequirementsofthewirelesssensornetwork,inthispaper,theexistingMACprotocolsS-MACprotocolandT-MACprotocolwerecomparedandanalyzed.KEYWORDS:S-MACprotocol;T-MACprotocol;wirelesssensornetworks;1引言媒體訪問控制協(xié)議簡稱MAC協(xié)議，處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，以解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)以怎樣的規(guī)則共享媒體才能保證滿意的網(wǎng)絡(luò)性能問題。對傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一，傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如吞吐量、延遲性能等完全取決于所采用的MAC協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議首要考慮的因素就是節(jié)省能量。這意味著傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要提出新的適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議[1]。2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和MAC協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wirelesssensornetwork，WSN）是由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的無線通信方式，相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能的智能專用網(wǎng)絡(luò)。其顯著特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)能量和硬件資源有限、數(shù)量多、無中心自組織、分布密集、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強(qiáng)，其中能耗問題是WSN中至關(guān)重要的問題。介質(zhì)訪問控制（mediumaccesscontrol，MAC）協(xié)議，就是通過一組規(guī)則和過程來更有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。MAC協(xié)議的基本作用是避免點(diǎn)到點(diǎn)通信時沖突的發(fā)生[2]。它必須實(shí)現(xiàn)兩大基本功能目標(biāo)：在密集散布的傳感器現(xiàn)場能夠有助于建立起一個基本網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施所需的數(shù)據(jù)通信鏈路；協(xié)調(diào)共享介質(zhì)的訪問，以便傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠公平有效地分享通信資源。MAC協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[3]。它處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對網(wǎng)絡(luò)的性能有較大的影響，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)。3S-MAC協(xié)議S-MAC（Self-organizingMAC）協(xié)議[3]是在802.11MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議采用以下機(jī)制：周期性偵聽/睡眠的低占空比工作方式，控制節(jié)點(diǎn)盡可能處于睡眠狀態(tài)來降低節(jié)點(diǎn)能量的消耗。鄰居節(jié)點(diǎn)通過協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機(jī)制形成虛擬簇，減少節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽時間。通過流量自適應(yīng)的偵聽機(jī)制，減少消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。采用帶內(nèi)信令來減少重傳和避免監(jiān)聽不必要的數(shù)據(jù)。通過消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來減少控制消息的開銷和消息的傳輸延遲[4]。S-MAC協(xié)議減少了空閑偵聽所消耗的能源，但是不足之處在于：節(jié)點(diǎn)的工作循環(huán)周期在協(xié)議開始工作時就已確定下來，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)量的變化來進(jìn)行調(diào)整。4T-MAC協(xié)議T-MAC（TimeoutMAC）協(xié)議[4]是在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上提出來的。S-MAC協(xié)議通過采用周期性偵聽/睡眠工作方式來減少空閑偵聽，周期長度是固定不變的，節(jié)點(diǎn)的偵聽活動時間也是固定的。而周期長度受限于延遲要求和緩存大小，活動時間主要依賴于消息速率。這樣就存在一個問題：延遲要求和緩存大小是固定的，而消息速率通常是變化的。如果要保證可靠及時的消息傳輸，節(jié)點(diǎn)的活動時間必須適應(yīng)最高通信負(fù)載。當(dāng)負(fù)載動態(tài)較小時，節(jié)點(diǎn)處于空閑偵聽的時間相對增加。針對這個問題，T-MAC協(xié)議在保持周期長度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動態(tài)地調(diào)整活動時間，用突發(fā)方式發(fā)送消息，減少空閑偵聽時間。T-MAC協(xié)議相對S-MAC協(xié)議減少了處于活動狀態(tài)的時間。在T-MAC協(xié)議中，發(fā)送數(shù)據(jù)時仍采用RTS/CTS/DATA/ACK的通信過程，節(jié)點(diǎn)周期性喚醒進(jìn)行偵聽，如果在一個經(jīng)定時間TA內(nèi)沒有發(fā)生下面任何一個激活事件，則活動結(jié)束：周期時間定時器溢出;在無線信道上收到數(shù)據(jù);通過接收信號強(qiáng)度指示RSSI感知存在無線通信;通過偵聽RTS/CTS分組，確認(rèn)鄰居的數(shù)據(jù)交換已經(jīng)結(jié)束[4]。T-MAC協(xié)議根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)通信情況，通過提前結(jié)束活動周期來減少空閑偵聽，但帶來了早睡問題。為解決這個問題，提出了未來請求發(fā)送和滿緩沖區(qū)優(yōu)先兩種方法。5S－MAC協(xié)議和T－MAC協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中針對節(jié)能考慮S－MAC（sensorMAC）協(xié)議采用以下機(jī)制：第一，周期性偵聽／睡眠的低占空比工作方式，控制節(jié)點(diǎn)盡可能處于睡眠狀態(tài)來降低節(jié)點(diǎn)能量的消耗：每個節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地調(diào)度它的工作狀態(tài)，周期性地轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，在蘇醒后偵聽信道狀態(tài)，判斷是否要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。該機(jī)制由于采用周期睡眠會帶來一定的通信延遲，所以為了便于相互通信，相鄰節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量維持睡眠／偵聽調(diào)度周期的同步；此外該機(jī)制會占用大量存儲空間緩存數(shù)據(jù)，這在資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中顯得十分突出，給出了SMAC協(xié)議周期性偵聽和睡眠。第二，采用帶內(nèi)信令來減少重傳和避免監(jiān)聽不必要的數(shù)據(jù)（即串音避免）：幾乎每個節(jié)點(diǎn)都經(jīng)歷RTS／CTS／DATA／ACK通信過程，在傳輸?shù)拿總€分組中，都有一個域值表示剩余通信過程需要持續(xù)的時間長度。源、目的節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)在偵聽到分組時，記錄這個時間長度值，同時進(jìn)入睡眠狀態(tài)[5]。通信過程記錄的剩余時間會隨著時間不斷減少，當(dāng)剩余時間減至零時，若節(jié)點(diǎn)仍處于偵聽周期，就會被喚醒；否則，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)直到下一個調(diào)度的偵聽周期。每個節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，都要先進(jìn)行載波偵聽。只有虛擬或物理載波偵聽表示無線信道空閑時，才可以競爭通信過程。第三，鄰居節(jié)點(diǎn)通過協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機(jī)制形成虛擬族，具有相同調(diào)度的節(jié)點(diǎn)形成一個虛擬族，邊界節(jié)點(diǎn)記錄兩個或多個調(diào)度，以減少節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽時間，從而減少能耗。第四，通過流量自適應(yīng)的偵聽機(jī)制，減少消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲：傳感器節(jié)點(diǎn)在與相鄰節(jié)點(diǎn)通信完后并不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是繼續(xù)偵聽一段時間。如果節(jié)點(diǎn)在這段時間內(nèi)收到RTS分組，則可以立即接收數(shù)據(jù)；否則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。通過采用流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制，減少了通信延遲的累加效應(yīng)。第五，通過消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來減少協(xié)議開銷和傳遞延遲：對于無線信道，傳輸差錯與消息長度成正比，短消息成功傳輸?shù)母怕室笥陂L消息。根據(jù)這一原理，在S－MAC協(xié)議中消息傳遞技術(shù)將長消息分成若干短消息，利用RTS／CTS機(jī)制，一次預(yù)約發(fā)送整個長消息的時間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既提高發(fā)送成功率，又減少了協(xié)議開銷。T－MAC（Timeout－MAC）協(xié)議與自適應(yīng)睡眠的S－MAC協(xié)議基本思想相同數(shù)據(jù)傳輸仍然采用RTS／CTS／DATA／ACK機(jī)制，不同的是在節(jié)點(diǎn)活動的時隙內(nèi)插入了一個TA（TimeActive）時隙，若TA時隙之間沒有任何事件發(fā)生，則活動結(jié)束進(jìn)入睡眠狀態(tài)（見圖3）。TA的取值對于T－MAC協(xié)議性能至關(guān)重要，其約束條件為：TA＝m（C＋R＋T），m＞1，其中，C為競爭信道時間，R為發(fā)送RTS分組的時間，T為RTS分組結(jié)束到發(fā)出CTS分組開始的時間[5]。T－MAC協(xié)議雖然能根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化，通過提前結(jié)束活動周期來減少空閑偵聽提高能效，但帶來了“早睡”問題（如圖4）。早睡問題是指多個傳感器節(jié)點(diǎn)向一個或少數(shù)幾個匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，由于節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前TA沒有收到激活事件，過早進(jìn)入睡眠狀態(tài)，沒有監(jiān)測到接下來的數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲。為了解決早睡問題，提出了未來清求發(fā)送（futurerequest－to－send，F(xiàn)RTS）和滿緩沖區(qū)優(yōu)先（fullbufferpriority，F(xiàn)BP）兩個方法[5]。S－MAC協(xié)議和T－MAC協(xié)議的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)都是減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。S－MAC協(xié)議是通過采用周期性偵聽／睡眠工作方式減少空閑偵聽來減少能耗，但同時使得網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲增加，吞吐量下降，針對這樣的問題，人們提出了帶有自適應(yīng)睡眠的S－MAC協(xié)議[3]。SMAC協(xié)議監(jiān)聽時段是有固定長度的，而T－MAC協(xié)議自適應(yīng)地縮短了監(jiān)聽時間，所以T－MAC協(xié)議與自適應(yīng)睡眠的S－MAC協(xié)議保持基本相同的思想，優(yōu)點(diǎn)是減少了空閑偵聽功耗，但是它通過提前結(jié)束活動周期來減少空閑偵聽，帶來早睡問題。為保證能量有效性問題，通常對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的其他性能都進(jìn)行了一定折衷，隨著各種具體應(yīng)用的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求不單是能量有效性的問題，還同時存在著對某個或某些指標(biāo)作特別優(yōu)化的需求。所以，分析各種性能指標(biāo)之間的相互影響關(guān)系，研究綜合權(quán)衡各種性能的策略是一項(xiàng)不可忽略的問題[5]。實(shí)際上，傳感器網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，不存在一個適用于所有傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，所以都要根據(jù)具體應(yīng)用選擇不同的MAC協(xié)議。結(jié)論：S－MAC協(xié)議和T－MAC協(xié)議的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)都是減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。S－MAC協(xié)議是通過采用周期性偵聽／睡眠工作方式減少空閑偵聽來減少能耗，但同時使得網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲增加，吞吐量下降，針對這樣的問題，人們提出了帶有自適應(yīng)睡眠的S－MAC協(xié)議。SMAC協(xié)議監(jiān)聽時段是有固定長度的，而T－MAC協(xié)議自適應(yīng)地縮短了監(jiān)聽時間，所以T－MAC協(xié)議與自適應(yīng)睡眠的S－MAC協(xié)議保持基本相同的思想，優(yōu)點(diǎn)是減少了空閑偵聽功耗，但是它通過提前結(jié)束活動周期來減少空閑偵聽，帶來早睡問題。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是面向任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，不同應(yīng)用場合對于網(wǎng)絡(luò)的要求不同，對MAC協(xié)議來說，不存在一個適用于所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。沒有一種協(xié)議明顯強(qiáng)于其它協(xié)議，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研