基于能源有效性的无线传感器网络 MAC 协议研究

1 前言无线传感器网络（WSN）已成为未来网络发展的主导趋势，在国防和科学应用方面均有较广泛的应用前景，WSN 中的节点通常是由电池供电，在工作中会消耗大量的能量，因此 WSN 中的资源约束和节能是我们面临的一个重要挑战，大量的研究已实现了低功耗电子设备的设计，由于硬件条件限制，无法实现进一步能源的有效性，因此我们可以通过软件方面入手，设计高效节能的通信协议，对应于 OSI 参考模型中的数据链路层中的介质访问控制协议（MAC）则是保证网络成功运行的一项重要技术。本文，我们将对 MAC 协议面临的挑战及不同 MAC 协议在 WSN 中应用的优势及劣势进行分析研究并对未来 MAC 协议的研究提出展望。 2 MAC协议设计挑战 WSN 的 MAC 协议必须实现两个目标。第一是创建传感器网络基础设施。传感器节点部署和 MAC 协议设计须保障节点之间有完整的通信链路；第二是所有节点公平有效地共享传输介质。 2.1 一个好的MAC协议的属性 2.1.1 能源效率传感器节点靠电池供电，更换它或者对其进行充电往往是非常困难的，有时候替换掉已有传感器往往比对其进行充电更有效。 2.1.2 潜伏期在 WSN 网络中，要求节点将检测事件实时报告给信宿节点，以便及时采取相应措施。 2.1.3 吞吐量吞吐量要求因不同应用而异，一些 WSN 应用程序需要采样的信息具有良好的时间分辨率，因此要求节点接收更多的数据。 2.1.4 公平性在许多应用中，当带宽有限时，确保节点接收信息量的相当是必要的。以上能源效率和吞吐量是主要考虑的因素。 2.2 能源浪费的主要来源 2.2.1 干扰当发送数据包由于干扰而损坏丢弃，重发操作会增加能耗，同时也会造成延迟。 2.2.2 串音节点监听到其它节点的收发状态。 2.2.3 分组传输收发控制包消耗更多的能量并且导致较基于能源有效性的无线传感器网络 MAC 协议研究文/孙保海 高春雪本文描述了 MAC 协议面临的挑战及不同 MAC 协议在 WSN 中应用的优势及劣势，并对未来的无线传感器 MAC 协议研究提出展望。摘要少的数据包可传输。 2.2.4 空闲监听在诸多应用中，若未感知到数据，节点大部分时间将处于空闲状态。传感器网络的 MAC 协议的主要目标是最大限度地减少由于空闲侦听，串音和碰撞所造成的能源的浪费。 3 本文提出的几种MAC协议 3.1 IEEE 802.11 IEEE 802.11 是基于竞争的采用载波侦听和随机退避来避免数据包的碰撞的MAC协议。省电模式（PSM）的 IEEE 802.11 协议通过周期性进入睡眠状态减少空闲侦听。PSM 模式适用于时间同步的单跳网络但由于时间同步、邻居发现及网络划分问题而不适用于多跳网络。 3.2 功率感知的多址信号PAMAS PAMAS是最早的基于竞争的MAC协议。协议中当节点不收发数据时进入关闭状态以节省能源。该协议使用两个独立的数据和控制包的通道，由于需使用两个无线电频率导致成本、尺寸及设计复杂度的增加，此外，在睡眠与唤醒之间的状态切换存在着明显的能源消耗。 3.3 S-MAC协议该协议中节点周期性进入到固定的侦听 / 睡眠周期。该协议的时间分为两部分：侦听和睡眠。侦听阶段，传感器节点能够与其他节点进行通信，发送如同步、RTS（请求发送）、CTS（清除发送）和 ACK（确认）控制包。然而该协议同样会造成能源浪费即节点在没有收发数据时，侦听阶段仍会产生能量消耗。 3.4 T-MAC协议该协议在S-MAC协议的基础上提出改进，在侦听阶段有一个“Ta”时隙（图 1 所示），若在此时隙内没有事件发生，则提前进入睡眠。“Ta”是每帧闲置监听的最低值。其中 Ta> Tci+ Trt+ Tta+ Tct（Tci 是争夺区间的长度， Trt 是一个 RTS 分组的长度，Tct 的 CTS 分组长度 )。T-MAC 协议的能耗小于 S-MAC 协议，但 T-MAC 协议相比于 S-MAC 协议具有较高的延迟。 3.5 流量自适应MAC协议（TRAMA） TRAMA 协议是基于 TDMA 协 议， 在 WSN 中设计了高效节能的无碰撞的信道。在这个协议中确保无碰撞传输以及在没有数据收发时，使节点切换至低功耗空闲状态以减少能耗。该协议由三部分组成：（1）邻居协议是用于收集相邻节点的信息；（2）交换协议是用来交换相邻两跳节点的信息及其附表；（3）自适应选举算法决定在当前时隙收发数据的节点使用邻域和附表信息，其他节点切换到低功耗模式。 TRAMA 协议相对于 S-MAC 协议是更节能和更高的吞吐量的协议。然而，该协议相比于 S-MAC 协议具有较高延迟，因此该协议适用于对延迟要求不敏感，但需要更高的能源效率和吞吐量的应用中。 3.6 D-MAC协议数据采集 – 介质访问控制（D-MAC）针对无线传感器网络中基于树的数据采集（汇聚通信）进行了设计和优化的一种机制。该协议的目标是在实现低延迟的同时仍保持能源效率。该协议将时间分为很小的时隙并采用 CSMA 机制在每个时隙中进行感知以收发数据包。传感器节点定期执行“1”发送、“1”接收和“n”休眠时隙的基本序列。在这种方法中，一个单一的数据包从一个源节点在深度“K” 的树到达目的节点的延迟只是 ' K ' 个时隙，这个延迟只有几十毫秒。 D-MAC 有一个溢出机制来处理每个单一的源节点具有较低的流量率，但在中间节点的总速率大于基本占空比这个问题。在这种机制中，传感器节点在发送数据后将保持一个时隙的清醒状态。 4 总结近年来，各种各样的 MAC 协议被研究者提出来，然而并没有哪一种协议作为无线传感器网络的标准，虽然大量的 MAC 协议被提出，但仍有一些工作需要我们去关注： 4.1 网络安全 MAC 层的防止窃听和恶意行为，需进一步研究。 4.2 节点移动性 WSN 中的节点最初被认为是静态的。最近在医疗保健和灾难响应应用程序中移动传感器可以连接到病人，医生或第一响应者引起了研究者的兴趣。在 MAC 层的流动性领域还是有很多未知领域。 4.3 计算平台许多 WSN 协议通过仿真进行计算，然而 MAC协议的性能需要在真实环境中进行计算，研究者需着眼于该方面的研究。参考文献 [1] 杨靖 , 徐迈 , 赵伟 , 徐保国 . 传感器网络中一种能量高效的数据收集算法 [J]. 系统工程与电子技术 ,2011(03). [2] 汪文勇 . 无线传感器网络若干节能关键技术研究 [D]. 电子科技大学 ,2011. [3] 高艺 . 能源自给低功耗无线传感器网络关键技术研究 [D]. 南开大学 ,2010. 作者单位运城职业技术学院 山西省运城市 044000