无线传感器网络MAC协议综述

无线传感器网络MAC协议综述摘要:在无线传感器网络体系结构中,MAC(mediumaccesscontrol)协议是保证网络高效通信的重要协议。无线传感器网络有着与传统无线网络明显不同的性能特点和技术要求，它的设计目标是有效地使用网络节点的受限资源，以最大化网络的服务寿命，传统无线网络MAC协议无法应用于传感器网络，各种针对特定传感器网络特点的MAC协议相继提出。本文首先简要介绍无线传感器网络的MAC协议，归纳无线传感器网络MAC协议的设计原则和分类方法，分析当前典型的各类MAC协议的主要机制，详细比较这些协议的特点、性能差异和应用范围。最后总结无线传感器网络MAC协议的研究现状，并展望未来的研究。引言：近几年来，随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，使得信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，能在低成本、低功耗、多功能的微型传感器内实现。无线传感器网络(wirelesssensornetworks，WSN)就是由大量的廉价微型的传感器节点，通过无线通信方式形成的一个特殊的Adhoc网络，广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。WSN与Adhoc网络相比，其WSN的特点是节点的电源能量和硬件资源有限、无中心自组织、数量众多分布密集、网络动态性强。其中能耗问题是WSN中至关重要的问题，因此WSN的节点要求必须是低功耗的。媒体介质访问控制(MediumAccessControl，MAC)协议处于无线传感器网络协议的底层部分，主要用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络离效通信的关键网络协议之一。无线传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的MAC协议。因此，设计一个性能优越的MAC协议算法成为WSN研究的一个热点问题。1无线传感器网路的MAC协议概述1.1无线传感器网路的MAC协议设计原则在WSN中，节点能量有限且难以补充。为保证WSN长期有效工作,MAC协议以减少能耗、最大化网络生存时间为首要设计目标;其次，为了适应节点分布和拓扑变化,MAC协议需要具备良好的可扩展性;传统无线网络关注的实时性、吞吐量及带宽利用率等性能指标成为次要目标;此外，WSN节点一般属于同一利益实体，可为系统优化作出一定的牺牲，因此，能量效率以外的公平性一般不作为设计目标，除非多用途WSN重叠部署。WSN中的能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗.其中，通信能耗所占比重最大。因此，减少通信能耗是延长网络生存时间的有效手段.大量研究表明，通信过程中主要能量浪费存在于:冲突导致重传和等待重传;非目的节点接收并处理数据形成串音;发射/接收不同步导致分组空传(overemittingf;控制分组本身开销；无通信任务节点对信道的空闲侦听等.此外，无线发射装置频繁发送/接收状态切换也会造成能量迅速消耗[1]。基于上述原因，WSNMAC协议通常采用“侦听/休眠”交替的信道访问策略，节点无通信任务则进入低功耗睡眠状态，以减少冲突、串音和空闲侦听;通过协调节点间的侦听/休眠周期以及节点发送/接收数据的时机，避免分组空传和减少过度侦听；通过限制控制分组长度和数量减少控制开销；尽量延长节点休眠时间，减少状态切换次数。同时，为了避免MAC协议本身开销过大,消耗过多的能量,MAC协议尽量做到简单、高效。当然，影响传统无线网络MAC协议设计的一些基本问题，如隐藏终端和暴露终端问题、无线信道衰减和无规律冲突(interferenceirregularity)问题等,在WSNMAC协议中依然存在，需要解决。1.2无线传感器网络MAC协议分类WSN与应用高度相关,研究人员从不同的方面出发提出多种MAC协议。但目前尚无统一分类方式。可根据信道分配方式、数据通信类型、性能需求、硬件特点以及应用范围等策略，使用多种分类方法对其分类：1）根据信道访问策略的不同可分为竞争协议、调度协议和混合MAC协议[2]。竞争协议无须全局网络信息，扩展性好、易于实现，但能耗大;调度协议有节省优势和延时保障，但帧长度和调度难以调整,扩展性差,且时钟同步要求高;混合协议具有上述两种MAC协议的优点,但通常比较复杂,实现难度大。2）根据使用单一共享信道还是多信道可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议.前者节点体积小、成本低，但控制分组与数据分组使用同一信道,降低了信道利用率;后者有利于减少冲突和重传,信道利用率高、传输时延小，但硬件成本高，且存在频谱分配拥挤问题。3）根据数据通信类型可分为单播协议和组播/聚播(convergecast)协议.前者适于沿特定路径的数据采集，有利于网络优化，但扩展性差;后者有利于数据融合与查询，但时钟同步要求高,且数据冗余，重传代价高。4）根据传感器节点发射器硬件功率是否可变可分为功率固定MAC协议和功率控制MAC协议。前者硬件成本低,但通信范围相互重叠,易造成冲突;后者有利于节点能耗均衡，但易形成非对称链路，且硬件成本増加。5）根据发射天线的种类可分为基于全向天线的MAC协议和基于定向天线的MAC协议。前者成本低、易部署，但增加了冲突和串音；后者有利于避免冲突,但增加了节点复杂性和功耗，且需要定位技术的支持。6）根据协议发起方的不同可分为发送方发起的MAC协议和接收方发起的MAC协议.由于冲突仅对接收方造成影响,因此，接收方发起的MAC协议能够有效避免隐藏终端问题，减少冲突概率，但控制开销大、传输延时长;发送方发起的MAC协议简单、兼容性好、易于实现，但缺少接收方状态信息，不利于实现网络的全局优化。此外，根据是否需要满足一定的QoS支持和性能要求，WSNMAC协议还可分为实时MAC协议、能量高效MAC协议、安全MAC协议、位置感知MAC协议、移动MAC协议等。2无线传感器网络MAC协议分析传统竞争协议如IEEE802.11DCF[3]，建立在MACAW[4]协议基础之上，因其简单性和健壮性，被广泛应用于WLAN和Adhoc网络.但IEEE802.11节点空闲侦听能耗过大,不适于WSN.虽然802.11提供功率节省(PS)模式，但主要为单跳网络设计，多跳网络下部署易造成网络分割.Tseng等人[5]改进了PS模式,提出了3种睡眠调度机制,但无法实现节点调度同步,冲突概率、控制开销和传输延时都很大。还有研究人员从其他角度出发，对AdhocMAC协议进行改进，但若作为WSNMAC协议则都差强人意。与竞争协议相比，传统调度协议虽能实现无冲突通信,具有一定的节能优势，但总要在延时、吞吐量和能量高效之间加以折衷，扩展性差是一个大问题，实际部署中难以调整帧长度和时槽分配，无法有效应对节点失效和拓扑变化.其中，部分协议组织分簇结构，在一定程度上缓解了上述问题，但簇的建立和维护增加了存储和控制开销，且同步精度要求高，实现难度大。近年来，学术界提出了众多WSN专用MAC协议，部分协议己经在实验环境甚至实际系统中得到应用和验证。我们对这些协议进行研究，选取了部分较为重要的和近期提出的MAC协议，对其核心机制、特点和优缺点等进行了分析和比较。3常用的MAC层协议针对无线传感器网络的特性，已经提出了很多种MAC层协议，在这一部分，我们将对它们进行一些概要性的介绍，列举它们在各种可能的条件下的各种行为，并对各个协议的优缺点进行说明。3.1Sensor-MAC(S-MAC)该协议将时间分帧，帧长度由应用程序确定。帧内分为工作阶段和休眠阶段，在2002年版本中，工作阶段持续时间是固定的。2004年版本为了更好地支持数据突发，协议将工作阶段改为长度可调。在休眠阶段，节点关闭射频模块，缓存这期间采集到的数据，在工作阶段集中发送。在工作阶段的开始，节点发送同步消息，之后通过RTS/CTS/DATA/ACK机制发送数据，避免冲突造成的能量浪费。通过同步消息，相邻节点可以采用相同的工作/休眠策略，新节点也可以加入进来，这种机制在协议中称为虚拟簇。基于这些同步的本地化管理同步和周期性的工作/休眠策略形成了S-MAC协议的基本思想。相邻节点形成虚拟簇来建立一个共同的休眠策略。如果两个相邻节点位于两个不同的虚拟簇，它们将在两个簇的工作阶段都处于唤醒状态，这样就会导致更多的能量消耗。S-MAC的一个很重要的特征是米用了消息传递（message-passing)技术，很好地支持长消息发送。对于无线信道，传输差错与包长度成正比，短包成功传输的概率要大于长包。消息传递技术根据这一原理，将长消息分为若干短包，采用一次RTS/CTS握手，集中连续发送全部短包，既可以提高发送成功率，又有效地减少了控制开销。周期性的休眠可能会导致高的等待时间，尤其是对于多跳路由算法，因为所有的相邻节点都有它们自己的休眠策略，它们可能会互相造成影响。由周期性休眠所引起的等待时间我们称之为休眠延迟。自适应的监听技术可以改善这种延迟。该协议的扩展性较好，可以适应网络拓扑结构的变化，可以有效的改善由于空闲监听所导致的能量浪费问题；缺点是协议实现非常复杂，需要占用大量的存储空间，这在资源受限的传感器节点中显得尤为突出。3.2WiseMAC提到WiseMAC协议之前，我们首先要提到由Hoiydi提出的[6]带有唤醒前导的空间TDMA和CSMA协议，该协议在2002年被提出，协议中所有的传感器节点都被定义为拥有两个通信信道。数据信道通过TDMA方法被接入，而控制信道则通过CSMA方法接入。WiseMAC协议和此协议的内容很相似，但是它只需要一个单独的信道。WiseMAC协议使用的是带有唤醒前导的非坚持CSMA，用以减少空闲监听。在唤醒前导技术中，为了提醒接收节点，前导先于每一个数据分组进行发送。网络中的所有节点在一个共同的时间段接入信道中，但是它们相应的时间偏移是独立确定的。如果节点被唤醒后发现信道忙，它将会继续监听，直到接收到数据分组或信道变得再次空闲为止。前导的初始值大小应该设为与取样周期相同的值。但是仍然存在这样的情况，接收方在发送前导结束后，因为干扰等原因仍然没有准备好进行接收，这样就会导致能量的浪费，而且，随着前导和数据分组的长度的增加，这种情况发生的可能性还会增加，导致这种情况发生的原因主要是因为缺乏握手机制的约束。为了减少因为预先确定固定长度的前导所导致的能量消耗问题，WiseMAC提供一种动态决定前导长度的方法，通过这种方法可以调节前导的控制开销，把其压缩到最小。在每一次的数据交换过程中，节点都会了解和更新相邻节点的休眠策略来做为确认信息的一部分。通过这种方法，每一个节点都将为它的邻居节点的休眠策略建立一张表，通过这张表，在发送数据时，我们就可以将唤醒前导压缩至最短。为了减少因为固有的唤醒前导启动时间所引起的冲突发生的可能性，我们采用的是随机的唤醒前导。另外，影响唤醒前导长度选择的另一个因素是源节点和目的节点之间的时钟漂移的存在。考虑到节点时钟漂移，唤醒前导长度Tp=mm(46L,Tw)。其中，沒是节点时钟漂移速度，L为从上次确认包到现在的时间，Tw是所有节点侦听信道的时间间隔。WiseMAC可以很好地适应网络流量变化，它是和WiseNET超低功耗SOC芯片结合设计的。尤其是它的动态的前导长度调节策略可以在各种不同的通信容量条件下都表现出较好的性能。时钟漂移也在减轻外部时间同步需求方面起到了很好的作用。但由于节点需要存储邻居节点的信道侦听时间，会占用宝贵的存储空间，增加协议实现复杂度，尤其是在节点密度高的网络内这个问题尤为突出。此外隐藏终端问题仍然会在WiseMAC协议中出现，因为它是基于非坚持CSMA技术的。3.3Timeout-MAC(T-MAC)T-MAC与2004版的S-MAC协议工作方式大体相同，也将时间分帧，帧长度固定，工作阶段长度可变。协议定义了5种事件和一个计时器TA，据此确定工作阶段的结束时间。5种事件分别为①帧长度超时；②节点接收到数据；③数据传输发生冲突；④节点数据或确认发送完成；⑤邻居节点完成数据交换(如果在TA内，射频模块没有侦听到这5种事件中的任何一种，就认为信道进入空闲状态(节点关闭射频模块，转入休眠阶段。由于T-MAC的实现机制与20