摘 要：在分析傳感器網絡" title="無線傳感器網絡">無線傳感器網絡的MAC設計中需要考慮的問題的基礎上，對近幾年提出的幾種典型的基于競爭的MAC協議進行了深入探討，并討論了其性能上的優劣，最后提出了無線傳感器網絡MAC協議的發展方向。
關鍵詞：無線傳感器網絡? 媒體接入控制協議? 競爭機制
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??? 無線傳感器網絡是由一組無線傳感器以自組織方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發送給觀測者。同其他網絡一樣，媒體接入控制MAC（Medium Access Control）在成功運轉無線傳感器網絡過程中是一項關鍵的技術。MAC協議的基本任務是解決節點共享網絡媒體的接入問題。要為無線傳感器網絡設計一個好的MAC協議需要考慮以下幾個方面：首先是能耗，無線傳感器網絡節點通常是電池供電，并且一般情況下很難為這些節點更換電池，節點擁有足夠長的生命期是無線傳感器網絡首要特性；其次是針對網絡拓撲結構以及節點稠密程度變化的自適應性調整，一個好的MAC協議應該能夠很好地適應網絡的這些變化；MAC協議設計時還應該考慮的性能準則包括公平性、吞吐量和延遲等[1]。其中，能量消耗" title="能量消耗">能量消耗問題最為重要。
??? 目前，已經提出的眾多MAC協議中并沒有“最好的”。對于協議的適當選擇取決于應用背景、所期待的負載類型、所希望的配置情況以及具體硬件的能量消耗等。本文介紹近年來出現的一些MAC協議，并討論這些協議的優劣。
MAC層能耗分析及MAC協議分類
??? 無線傳感器網絡節點收發機消耗較大的能量。文獻[2]將一個收發機的狀態分為四種，即發送狀態、接收狀態、空閑狀態和休眠狀態。其中，發送狀態非常消耗能量，接收狀態和發送狀態能耗相當，空閑狀態能量消耗相對較少，休眠狀態則幾乎不消耗能量。能量損耗主要在以下幾方面[3]：
??? (1)碰撞。由于隱終端等問題的存在，網絡中節點在發送數據的過程中，可能有多個節點同時發送數據而產生碰撞，產生碰撞后數據需要重傳，這需要消耗更多的能量。
??? (2)偷聽。無線媒體是一個廣播媒體，如果源節點的所有相鄰節點均處于接收狀態，則每個節點均可以聽到分組的傳輸，并且當某個分組不是發向某個節點時，這個節點會將其丟棄，稱這個節點偷聽了傳輸的分組，而節點在處理這些分組時要消耗不必要的能量。
??? (3)協議開銷。協議開銷包含在MAC的控制幀中，例如RTS/CTS(請求發送/清除發送)分組。此外，每個分組的首部和尾部也是一種開銷。
??? (4)空閑監聽。處于空閑狀態的節點隨時準備接收分組數據，但是在這個狀態并沒有接收到任何分組。這種準備就緒的狀態是有消耗的，并且在網絡負載較低的條件下是不必要的。
??? 因此在設計MAC協議時，必須針對上述可能造成傳感器網絡能量損耗的主要因素進行分析，以提高協議的效率。
??? 目前針對無線傳感器網絡MAC協議的分類方法有很多，基于解決所存在能量問題的方式可分如下兩類：
??? (1)基于競爭的協議。這類協議的典型代表有STEM協議、S-MAC協議、CSMA協議、PAMAS協議以及仲裁設備協議等。
??? (2)基于時間表的協議。這些協議的典型代表有LEACH協議、SMACS協議以及TRAMA協議。
??? 本文主要介紹基于競爭的MAC協議。
基于競爭的MAC協議分析
STEM協議
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??? STEM(稀疏拓撲結構與能量管理)協議提供了一個解決空閑監聽問題的方法。STEM目標網絡是為等待并報告某些特定事件而開發的。這種網絡有一個監視狀態，當處于這種狀態時，節點處于空閑狀態，不做任何事情；另外，網絡還有一個傳輸狀態，當處于這種狀態時節點表現出顯著的偵聽和通信能力。STEM試圖取消監視狀態中的空閑監聽操作，并根據需要加快從監視狀態進入傳輸狀態的速度。
??? STEM目標網絡的每個節點需要兩個收發機，工作于兩個不同的信道，分別稱為喚醒信道和數據信道[4]。由于STEM目標網絡的特殊性，數據信道一般總是處于休眠模式，除非進行數據發送或接收。在喚醒信道，時間被劃分成一些固定長度為T的喚醒時段。而一個喚醒時段又進一步劃分為一個長度為TRx<
?? ?如果一個節點進入監聽時段，其喚醒信道的接收機要開啟并調到f1頻段等待接收信號。如果在TRx時段內沒有接收到任何信息，則再轉換到休眠模式。如果TRx時段內接收到某源節點發送的喚醒信標，則該節點數據信道的收發機將在f2頻段啟動一個分組的傳輸。這就避免了喚醒信道與數據信道的相互干擾。STEM使目標節點的接收機對源節點發射機引起重視的方法有兩個：STEM-B和STEM-T。
??? STEM-B中，源發射機在喚醒信道周期性地發送信標，這種信標表明了源發射機和目標接收機的MAC地址，一旦接收機接收到該信標，它立即向喚醒信道發一個確認幀信標，并使接收機切換到數據信道，然后兩個節點可在數據信道進行數據交換。
??? STEM-T中，發射機在其喚醒信道發送一個沒有攜帶任何地址信息的忙音信號，所有鄰近節點均能偵聽到這個忙音信息并將自身切換到各自的數據信道，但并不發送確認信息。如果節點能從后續的數據交換中確定自己不是本次數據傳輸的對象，則重新轉換到休眠模式。
??? 在低負載" title="低負載">低負載的情況下，STEM-T比STEM-B更可取。從喚醒等待時間來看，如果喚醒信道沒有碰撞發生，則STEM-B的喚醒等待時間約為STEM-T的一半。然而由于STEM-T的TRx比STEM-B的TRx要短，并且STEM-T無需確認分組，因此從能耗角度看，STEM-T的優越性更大一些。
S-MAC協議
????在前文中分析了無線傳感器網絡能耗的四個方面，S-MAC協議在降低能耗方面考慮了所有四個能耗原因，并且，與STEM協議不同，S-MAC方法不需要兩個不同的信道。這種方法的基本模式可以用圖2描述[5]。圖中，每個節點休眠一段時間后蘇醒并且監聽是否有節點要傳送數據給它。在休眠期，節點關閉其收發機并且為一段時間后喚醒自己設定一個時鐘。
???? S-MAC協議主要采用了如下機制：
??? (1)周期性喚醒：每個節點獨立地調度它的工作狀態，周期性地轉入睡眠狀態" title="睡眠狀態">睡眠狀態，在蘇醒后監聽信道狀態，判斷是否需要發送或接收數據" title="接收數據">接收數據。S-MAC將監聽時段進一步劃分為三個不同的時段：SYNCH階段、RTS階段和CTS階段。其中，SYNCH階段用來保證時間同步，并且新節點可以通過周期性地發送SYNCH分組了解網絡拓撲結構；RTS階段用來發送RTS分組，可與第三階段的CTS分組一起減少數據分組的碰撞。
??? (2)沖突避免：如果一個節點的多個相鄰節點同時要求與它通信，則這些節點會在目標節點蘇醒開始監聽時競爭信道。S-MAC的處理方法與802.11相似，它采用的是物理或虛擬載波偵聽，并且采用RTS/CTS方法解決隱終端問題。所謂虛擬載波偵聽是指每個節點中設一個變量NAV，用來記錄其他節點間數據傳輸時間。每當一個傳輸時間結束，NAV減1。當某個節點初始化數據傳送時，首先檢查它的NAV，如果其值不是零，則信道忙，需等待一段時間才能發送。這個過程稱為虛擬載波偵聽。
??? (3)流量自適應偵聽機制：在一次通信過程中，通信節點的相鄰節點在通信結束后不立即進入睡眠狀態，而是保持偵聽一段時間。如果節點在這段時間內接收到RTS分組，則可以立即接收數據，否則轉入睡眠狀態。
??? (4)信息通過方法：S-MAC協議采用一種“信息通過（Message-passing）”方法。所謂信息是一個較大的數據項，網絡內部的處理通常要求節點的集合接收一個完整的信息。另一方面，對于無線媒體，最好將一個較長的分組拆分成若干較短的分組。S-MAC協議利用RTS/ CTS 機制，一次預約發送整個信息的時間，并將一個信息分割成幾個小分組在預約的時間內突發傳送。
??? S-MAC協議存在一個主要的缺點是不太適應喚醒時段長度的變化，這是因為一般情況下這個時段的長度是固定的[6]。
與S-MAC相似的另一個基于競爭的MAC協議是T-MAC協議。T-MAC協議的優勢在于可以自適應地縮短監聽時段，如果節點在確定的時間內偵聽媒體沒有得到相關信息，則允許其盡快返回休眠模式，即監聽階段可以盡快結束，也就是說T-MAC協議中節點休眠與活動時間是隨通信流量動態變化的。而S-MAC的監聽時段是固定長度的。
CSMA協議
??? Woo和Culler研究了CSMA協議的一些變化形式，著重研究了這些協議的內在能量消耗和公平性，但該協議沒有采取任何措施以避免空閑監聽或偷聽的發生。
??? CSMA協議的目標網絡和STEM目標網絡具有相同的通信量模式。圖3給出了節點數據發送過程的步驟[7]。當一個節點從其上層得到一個待發送的新分組時，會啟動一個隨機延遲，并將次數計數器num_retries置0。在后續的監聽階段，節點進行載波偵聽操作。如果媒體為忙狀態，且試驗的次數小于設定的最大值，則節點進入回退模式；如果媒體處于忙狀態且節點已經用盡最大試驗次數，則將分組丟棄。如果載波偵聽的結果是媒體空閑，則節點發送RTS分組并等待CTS分組，若CTS分組到達，則節點發送數據，若CTS分組未到達或另一個CTS分組被接收到，則節點根據num_retries的值決定是進入回退模式還是丟棄分組。
??? CSMA協議的若干變形，如無隨機延遲與有隨機延遲、固定窗口回退、指數增長回退等已經有不少在單跳觸發情況下進行的研究。研究結果表明：這些方法可以得到很好的吞吐量以及比較低的能量消耗。
PAMAS協議
??? PAMAS協議最初是為ad hoc網絡設計的。這個協議提供了一個避免偷聽的機制，但是沒有考慮空閑監聽的問題。這個協議的關鍵思想是將忙音方法與RTS/CTS握手技術相結合。該協議的特點是使用了兩個信道，這一點與STEM相似。它的兩個信道分別為數據信道和控制信道。所有的信令分組（RTS，CTS，忙音等）都是經由控制信道傳輸，而數據信道則保留給數據分組。
??? 現假設某節點x要發送數據給其相鄰節點y。x先在其控制信道發送一個帶有x和y的MAC地址的RTS分組，此時分兩種情況：若y收到該分組且其周圍沒有其他分組傳輸，則發送一個CTS分組應答，一旦x收到CTS應答就利用數據信道傳輸數據，當y節點開始接收數據時在其控制信道發出一個忙音分組；若y周圍有一個節點z正在接收數據，則z會返回忙音分組，這個忙音分組影響了y的CTS應答分組，此時，PAMAS協議要求y抑制其CTS的發送，從而引起x的回退。另外，PAMAS協議還提供了解決何時將節點收發機置于休眠模式問題的方法。
??? PAMAS協議應用于隨機網絡時，低負載情況下的能量節省取決于平均節點度（即一個節點擁有的相鄰節點的平均數），低負載情況下控制分組的數量要比重負載情況少。仿真試驗[8]結果表明，PAMAS協議在較低負載、較高節點度時節省60％的能量，而在較低負載、較低節點度時仍能節省20％～30%的能量，在高負載的情況下，可獲得10％～40％的能量節省，節點度越高，能量節省的越多。
??? 本文針對幾種典型的基于競爭的MAC 協議進行了分析。可以看出現有的關于MAC協議的研究還不完善，主要問題在于網絡動態特性對信道策略的不良影響以及在一定程度上節省了能量的同時卻降低了帶寬利用率和增加了通信時延。如果單獨考慮MAC層的設計，現有協議對以上問題的解決都不是很理想。如果將其他層的設計滲透到MAC層中，采用跨層設計，就可以最大限度地利用無線網絡的資源。這也是無線傳感器網絡MAC協議后續研究的一個方向。
參考文獻
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