無線傳感器網絡低占空比MAC協議研究

無線傳感器網絡因其巨大的應用前景,已成為計算機與通信領域一個活躍的研究分支。恰當的通信協議對降低無線通信能耗、延長網絡壽命具有重要的意義。低占空比MAC（媒體接入控制）協議通過節點的休眠機制，大大降低了通信模塊的空閑監聽能耗。本文對其中的典型協議進行了分析比較,給出了進一步的研究方向。

關鍵詞? 無線傳感器網絡? 媒體接入控制? 低占空比

引言

　　無線傳感器網絡是由眾多微小傳感器節點通過無線多跳自組織方式構成的，多學科高度交叉的新興前沿研究領域。隨著傳感器節點微型化，在設計中大部分節點的能量有限，加之無線傳感器網絡無中心、自組織、多跳等特點,使得MAC協議的設計面臨巨大的挑戰。

　　媒體訪問控制（MAC）協議的主要功能是控制傳感器節點的報文傳輸對無線媒體的接入和占用，保證網絡的整體性能。通過對現有系統的分析可知，無線傳感器網絡節點中通信部分的射頻模塊是節點中最大的耗能部件，是優化的主要目標。MAC協議直接控制射頻模塊，對節點功耗有重要影響，是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵。本文主要討論無線傳感器網絡MAC協議的基本問題。

1? MAC地址

　　無線傳感器網絡中，如果MAC協議要避免偵聽，并在盡可能多的時間里處于休眠狀態，那么MAC地址是非常重要的。MAC地址用于在數據轉發過程中標識下一跳傳感器節點。MAC地址包含在單播MAC分組數據包中，節點收到數據包后檢查本節點路由表，確定下一跳MAC地址。這個過程延續到數據包到達目的節點。同時，節點判定哪些數據分組沒有到達，數據未到達的節點可以進入休眠模式。無線傳感器網絡一般采用無線多跳方式通信，MAC地址具有空間復用特性：只要保證節點MAC地址在傳輸鄰居節點間是唯一的，在傳輸鄰居節點以外重復使用不影響MAC地址的鄰居節點標識功能。在MAC層中，這種避免偵聽（overhearing avoidance）的方式是一種非常重要的節省能量消耗的方法。

　　MAC地址的分配協議可分為網內唯一性和局部唯一性兩種分布式分配。地址分配協議必須考慮網絡鏈接的非對稱性。如圖1所示，非對稱性是指節點A能偵聽到節點B，但是反過來，節點B卻不能偵聽到節點A。在假設所有節點都只與雙向鄰近節點通信的情況下，任意節點A的雙向節點都必須有完全不同的地址。而且，任何單向輸入節點的地址都必須不同于所有雙向節點的地址。把節點的鏈接關系劃分為雙向鏈接、單向輸入、單向輸出。為了應對無線鏈接的時變和隨機因素，這個鄰近節點協議應該一次次重復運行，以便實時地更新和確認鄰近節點間的鏈接關系。當節點A完成了對鄰近節點狀況的分析后，便開始廣播消息，A的雙向鏈接節點和單向輸出節點發回INFO消息作為響應。通過類似的方法，節點A就知道每個鄰近節點的身份了。節點A在過了門限期后，就知道其周圍單跳節點和兩跳鄰近節點的情況了，如果節點A的單跳節點內有地址沖突，則發出一個CONFLICT消息。發生沖突的節點接到這個消息后，開始新一輪的地址選擇。節點A在成功執行地址分配算法后，就擁有了自己的地址。這種地址分配算法發生沖突的概率最小。

圖1? 雙向鏈接節點、單向輸入節點、單向輸出節點

　　在基于內容的MAC協議中，MAC地址是必不可少的節省能量的措施，可以避免對周圍鄰近節點的偵聽。

2? 低占空比協議與喚醒問題

　　一個節點的理想狀態應該是當一個分組傳送給這個節點時，該節點總是處于接收狀態。當這個節點自己要發送一個分組時，則該節點總是處于發送狀態。在其他時間，這個節點總是處于休眠狀態。低占空比（low duty cycle）協議使節點盡可能多地處于休眠狀態，以使傳感器節點的通信活動達到最少。為實現這一機制，幾種MAC協議中引入了周期性喚醒（periodic wakeup）的方法。如圖2所示，節點的大部分時間處于休眠狀態，并且周期性地被喚醒以接收來自其他節點的數據。一個完整的喚醒周期包括休眠時段和監聽時段。監聽時段與喚醒時段的時間長度之比就是占空比。

圖2? 周期性喚醒方法

　　稀疏拓撲結構與能量管理（STEM）協議提供了一個解決空閑監聽問題的方法。兩個不同的信道，即喚醒信道和數據信道，如圖3所示。數據信道一般處于休眠模式，除非進行數據發送或接收。在數據傳輸狀態，數據信道僅執行MAC協議。在喚醒信道，時間被劃分為若干個固定長度為T的喚醒時段。而一個喚醒時段又進一步劃分為長度為TRX≤T的監聽時段和一個休眠時段，表示喚醒信道的收發機進入休眠模式的時間段。如果一個節點進入監聽時段，則其喚醒信道的接收機要開啟，等待接收信號。如果在TRX時間內沒有接收到任何信息，則再轉換到休眠模式。否則，數據信道的收發機將啟動一個分組傳輸。

圖3? 單一節點的STEM占空比

　　SMAC協議提供了減小空閑監聽、沖突碰撞和串擾的機制，與STEM相反，SMAC不需要兩個不同的信道。它采用周期性的喚醒方案，即每個節點根據預先確定的時間表，交替地改變固定長度的監聽時段和固定長度的喚醒時段。不同于STEM的是，SMAC的監聽時段可以用來接收并發送分組。如圖4所示，節點x的監聽周期被進一步劃分為SYNCH、RTS、CTS三個階段。SYNCH階段，即同步階段。節點x接收來自其相鄰節點的SYNCH分組。分組中包含相鄰節點的時間表，節點x將這些時間表存儲在Schedule table中。

　　SYNCH階段被進一步劃分為時隙，x的相鄰節點采用CSMA方式競爭信道，并有相應的回退。如果在之前任一時隙沒有接收到數據，則每一個希望發送SYNCH分組的相鄰節點y可以隨機地拾取一個時隙并啟動發送。在其他情況下，節點y會返回休眠模式，并等待節點x下一次被喚醒。節點x不需要在節點y的每一個喚醒時段內均進行廣播。

　　RTS階段，也就是請求發送階段，節點x監聽來自鄰居節點的RTS分組。在SMAC中，使用RTS/CTS握手方式來減小數據分組的碰撞和隱終端問題的影響，而且此階段內的相鄰節點可能會發生競爭。

　　CTS階段，即清除發送階段。若節點x前一階段收到一個RTS分組，則節點x發送一個CTS分組，之后進行數據交換。

　　節點x在整個同步時段周期性地監聽，以了解其相鄰節點的狀態。邊界位置上的節點必須遵守兩個或多個不同的時間表，以廣播其SYNCH分組并發送數據。因此這些節點會比相鄰節點都使用相同時間表的節點消耗更多的能量。

　　SMAC采用周期性喚醒方法，允許節點大多數數據停留在休眠模式，但也帶來一定的通信延遲。此外會占用大量存儲空間緩存數據，這在資源受限的無線傳感器網絡顯得尤為突出。

　　MD（Mediation Device，仲裁設備）協議，是與IEEE 802.15.4標準所規定的對等通信方式兼容的。該協議為大規模、低占空比運行的節點間提供了不需要高精度時鐘同步的可靠通信。MD協議允許無線傳感網中節點周期性地進入休眠狀態，并僅在喚醒模式下停留較短的時間，以便從相鄰節點接收分組數據。該協議引進了動態同步（dynamic synchronization）的概念，是指不需要發送節點一直等待接收節點的詢問信標，也可以實現同步。

圖4? SMAC原理圖

圖5? MD協議

　　如圖5所示，節點在絕大部分時間處于休眠狀態,在醒來時發出詢問信標。MD節點作為一個不停活動的仲裁者,通過接收由信息傳輸節點發出的RTS(請求發送)和目標節點的詢問信標,協調兩個節點暫時同步來傳輸數據。設置專門MD節點的方式稱為“固定式MD”。由于MD節點不停地處于接收狀態，不符合網絡低能耗要求,又提出了分布式MD協議,即節點隨機地成為MD。這樣每個節點的平均占空比仍可很低,整個網絡保持低功耗、低成本的異步網絡。

　　對上述幾種協議在以下幾個方面進行比較，如表1所列。

表1? 各協議特性比較

3? MAC協議分析與展望

　　本文介紹了一種MAC協議的相關技術，通過對幾種MAC協議的分析可以看到， 能量效率問題是無線傳感器網絡MAC協議的一個基本問題。因此，我們特別關注能夠明顯降低系統總體能量消耗的方法。無論何時都能夠根據需要將節點導入休眠狀態的方法，是一種有效保存能量的方法。為滿足這一要求，本設計采用低占空比或喚醒技術的方法。休眠機制降低了能耗卻增加了時延,多個性能指標間存在著矛盾。需要進一步地研究，如何根據應用需求在各優化指標間取得平衡。現有的MAC協議研究很少關注于網絡的具體應用,而某些特定的應用需要其MAC協議針對某個或某些指標進行特別的優化。因此,MAC協議需要提供一種靈活多變的機制,以適用于多種不同應用的網絡。