无线传感器网络MAC协议研究进展

1 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(wireless sensor networks，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Ad hoc网络，广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。

WSN与Ad hoc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。图1是Deborah Estrin在Mobicom 2002会议的报告中关于传感器节点各部分能量消耗统计情况。

媒体介质访问控制(Medium Access Control，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。由图1可以看出能量的消耗主要集中在WSN节点的射频模块部分，而MAC协议直接控制射频模块，对节点能耗有重要影响。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。

2 无线传感器网络MAC协议性能指标设计分析

无线传感器网络的强大功能是有众多节点协作实现的，多个节点的通信需要MAC协议协调其间的无线信道分配。在设计一个WSN的MAC协议时，应该考虑以下几个方面的因素：

节省能量(Energy Efficient) 每个传感器节点由电池供电，受环境和其他条件的限制，节点的电池能量通常难以进行补充。MAC协议解决单节点的节能问题，即让传感器节点尽可能的处于休眠状态，以减少在通信时的能耗。

可扩展性(Scalability) WSN中的节点在数目和分布密度、位置方面很容易发生变化，或者由于节点能量耗尽，新节点的加入引起的网络拓扑结构的变化。设计MAC协议时也应具有可扩展性，以适应拓扑结构的动态性：

网络其他性能参数 如网络的公平性、实时性、信道利用率，带宽利用率、网络延迟、吞吐量等。

在上述的三个方面中，重要性依次递减。由于现在的传感器节点的能量供应问题没确得到很好解决，传感器节点的能量都是一次性供给的，节约能量成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素。

3 无线传感器网络中，造成网络能量浪费的因素

由传感器节点能力消耗情况(图1)，可以看出造成网络能量浪费的因素包括以下几个方面：

空闲侦听(Idle Listening) 节点不能预知他的邻居节点何时传输数据给自己，因此节点的射频模块需要一直保持为接收模式，就造成了节点能量的大量消耗。这是能量浪费的主要因素。

冲突重传(Collision and Retransmission) 节点在发送数据的过程中，在竞争共享的无线信道中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞，数据包发送失败，这就浪赞了发送和接收数据上的能量，然后需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。

串音(Overhearing) 数据包是在共享的无线信道中传输，一个节点可能会接收并处理不是发送给自己的数据包，此时，会造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。

控制消息 MAC协议首部包括一些控制信息，如RTS/CTS/ACK，节点发送这些控制信息需要消耗一定的能量。

传感器节点无线通信模块的状态包括发送、接收、侦听和休眠四种状态，目前的MAC协议在降低功耗方面主要集中在增加节点的休眠时间，减少节点对信道的侦听。

4 根据节点访问信道方式的无线传感器网络MAC协议分类

目前针对不同的传感器网络应用，研究人员从不同的方面提出了多种MAC协议，但目前对WSN的MAC协议还缺乏一个统一的分类方式。本节提出的MAC分类方法是根据节点访问信道的方式：给节点分配固定的无线信道还是节点随机竞争访问信道，将WSN的MAC协议分为4类：基于竞争(Contention-based)的MAC协议;基于调度算法(Scheduling-based)的MAC协议;非碰撞(Collision free)的MAC协议;混合(Hybrid scheme)的MAC办议。

4.1 基于竞争的MAC协议

多数分布式MAC协议采用载波侦听或冲突避免机制并采用附加的信令控制消息来处理隐藏和暴露节点问题。基于竞争随机访问的MAC协议是节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道。IEEE802.11 MAC协议采用带冲突避免的载波侦听多路访问(Carrier SensorMultiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)是典型的基于竞争MAC协议。在IEEES02.11 MAC协议的基础上，研究人员提出了许多用于传感器网络的基于竞争的MAC协议，例如：S-MAC协议、T-MAC协议、ARC-MAC协议、Sift-MAC协议、Wise-MAC协议等。

4.1.1 基于CSMA/CA的MAC协议

CSMA/CA主要应用于无线局域网IEEE802.11MAC协议在分布式协凋(Distributed Coordination Function，DCF)工作模式下的一种协议。在DCF工作模式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避算法，实现无线信道的共享。

IEEE802.15.4基本上是应用类似IEEF802.11的CSMA/CA方式竞争通信，如图2所示，节点定期侦听信道，接收Beacon帧.在没有数据发送和接收时进入休眠转台，协调器(Coordinator)缓存发往休眠节点的数据，定期发送Beacon帧，帧携带这些数据的目的节点地址，节点发现协调器缓存了发往自己的数据之后，向其发送POLL帧，表示自己可以接收数据，协凋器在收到POLL帧之后，首先向节点发送ACK帧，随后发送缓存的数据，在收到数据之后，节点向协调器发送ACK帧。

4.1.2 S-MAC协议

S-MAC(Sensor-MAC)协议是较早的针对WSN的一种MAC协议，他是在802.11MAC的基础上，采用下面介绍的多种机制来减少了节点能量的消耗。固定周期性的侦听和睡眠：为了减少能量的消牦，传感器节点要尽量处于低功牦的睡眠状态。S-MAC协议采用了低占空比的周期性睡眠/侦听，如图3所示。为了使得S-MAC协议具有良好的扩展性，在覆盖网络中形成众多不同的虚拟簇。

消息传递技术：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。在S-MAC协议中消息传递技术将长消息分成若干短包，利用RTS/CTS握手机制，一次性发送整个长消息，这样既提高发送成功率，有减少了控制消息。流量自适应侦听机制：传感器节点在与邻居节点通信结束后不立即进入睡眠状态，而保持侦听一段时间，采用流量自适应侦听机制，减少了网络中的传输延迟。

S-MAC协议与IEEE802.11 MAC相比，在节能方面有了很大的改善。但睡眠机制的引入，使得网络的传输延迟增加，吞吐量下降。针对S-MAC协议存在的不足，研究人员对其进行了改进，提出了一种带有自适应睡眠的S-MAC协议。

4.1.3 T-MAC协议

T-MAC(Timeout-MAC)协议与自适应睡眠的S-MAC协议基本思想大体相同。数据传输仍然采用RTS/CTS/DATA/ACK的4次握手机制，不同的是在节点活动的时隙内插入了一个TA(Time Active)时隙，若TA时隙之间没有任何时间发生，则活动结束进入睡眠状态。如图4所示。TA的取值对于T-MAC协议性能至关重要，其约束条件为：TA=m(C+R+T)，m>1，其中C为竞争信道时间，R为发送RTS分组的时间，T为RTS分组结束到发出CTS分组开始的时间。在仿真的时候，一般选取m=1.5，即：TA=1.5×(C+R+T)。

T-MAC协议虽然能根据当前网络的动态变化，通过提前结束活动周期来减少空闲侦听提高能效，但带来了“早睡”问题。所谓早睡问题是指在多个传感器节点向一个或少数几个汇聚节点发送数据时，由于节点在当前TA没有收到激活事件，过早进入睡眠，没有监测到接下来的数据包，导致网络延迟。为解决这个问题，提出了未来清求发送和满缓冲区优先两个方法。

基于竞争的MAC协议通常很难提供实时性保证，而且由于冲突的存在，浪费了能量。基于竞争的协议在有些应用场合(比如主要考虑节能而不太关心时延的可预测性时)有较大的应用，基于竞争的协议需要解决的是提供一个实时性的统计上界。根据这类协议的分布式和随机的补偿特性，基于竞争的协议没有确切的保证不同节点的数据包的优先级。因此，有必要限制优先级倒置的概率以建立统计上的端到端的时延保证。

4.1.4 Wise-MAC协议

Wise-MAC协议在非坚持CSMA协议的基础上，采用前导码采样技术控制节点处于空闲侦听状态时的能量消耗。与S-MAC和T-MAC协议相比，节能效果非常显著。

无线信道在传输过程中经常出现错误，所以需要链路层的确认机制来恢复丢失的数据包。WiseMAC协议的ACK包不仅用来对接收到的数据包进行确认，还会通知其他邻居节点到下一次采样的剩余时间。通过这种方式，每个节点不断更新相邻节点的采样时间偏移表。利用这些信息，每个节点可以选择恰当的时间，使用最小长度的唤醒前导码向目的节点发送数据，如图5所示。

Wise-MAC协议可以很好地适应网络流量变化，他是和WiseNET超级功耗SoC芯片结合没计的。Wise-MAC协议的采样同步机制会带来数据包冲突的问题，也会由于节点学要存储相邻节点的信道侦听时间，会占用宝贵的存储空间，增加协议实现的复杂度，尤其是在节点密度较高的网络内这个问题尤为突出。

4.2 基于调度算法的MAC协议

为了解决竞争的MAC协议带来的冲突，研究人员提出了基于调度算法的MAC协议。该类协议指出传感嚣节点在发送数据前，根据某种调度算法把信道事先划分。这样，多个传感器节点就可以同时、没有冲突地在无线信道发送数据，也解决了隐藏终端的问题。这类协议中，主要的调度算法是时分复用TDMA，时分复用TDMA是实现信道分配的简单成熟的机制，即将时间分战多个时隙，几个时隙组成一个帧，在每一帧中，分配给传感器节点至少一个时隙来发送数据。这类协议的调度算法通常寻找一个尽可能最近的用于发送数据的帧来达到高的空间利用率和低的数据包等待时间。典型的协议有：DMAC 协议、SMACS协议、DE-MAC协议、EMACS 协议等。

基于调度的MAC协议都是分布式的，因此需要时间同步机制，而不需要全局信息。这样，就可以在离动态变化的环境比如网络拓扑改变的情况下充分适应并保持最佳的特性。这类协议提供了信道的公平使用，与合适的调度算法配合就可以避免冲突的发生。但是许多基于TD-MA的协议必须使用较为精确的时间同步来调度。增加了网络的负载。另外，有些TDMA协议仍然存在一定的冲突，导致很难控制这些冲突来保证实时性和节省能耗。

4.2.1 DMAC协议

数据采集树是无线传感器网络的一种重要的通信模式，DMAC协议就是针对这种数据采集树提出的，目标是减少网络的能量消耗和减少数据的传输延迟。DMAC协议采用不同深度节点之间的接收发送/睡眠的交错调度机制。如图6所示，将节点周期划分为接收、发送和睡眠时隙，数据能沿着多跳路径连续地从数据源节点传送到汇聚节点，减少睡眠带来的传输延迟。

4.2.2 SMACS协议

SMACS协议实现了网络的启动和链路层的组织，是一种分布式协议，无需任何全局或者局部节点，就能发现邻接点并建立传输/接受调度表。链路由随机选择的时序和固定频率组成，各子网内邻节点通信需要时间的同步，但不要求全网时间同步。在连接节点使用一个随机唤醒调度机制，在空闲时候关掉无线收发装置，来实现网络的节能问题。SMACS的缺点是从属于不同子网的节点可能永远得不到通信的机会。

4.3 非碰撞(Collision free)的MAC协议

以数据为中心的无线传感器网络的一个重要的评价标准是实时性。基于调度的MAC协议由于无法完全避免冲突，网络中的端到端的延时无法预测，实时性无法得到保证。非碰撞的MAC协议由于在理论上完全避免了碰撞的产生从而可以保证实时性。非碰撞的协议主要有：TRAMA、Spatial TDMA和IP-MAC等。

非碰撞的MAC协议通过消除碰撞来节能。好的非碰撞协议能够潜在地提高吞吐量，减少时延，提供实时性保证。当前存在的问题是多信道的使用。这需要对无线传感器网络的节点硬件设计上提出了一个附加的要求(有些节点必须有两个收发器)。另一个问题是协议的复杂性(因为节点的计算能力有限，传感器网络的协议总是越简单越好)。

流量自适应介质访问(TRAMA)协议是一个高能效的，无冲突的MAC协议。TRAMA协议将时间划分为连续时隙，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布选举机制确定每个时隙的无冲突发送者。同时，通过避免把时隙同时，通过避免把时隙分配给无流量的节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节省能量的目的。为发适应节点失败或节点增加等引起的网络拓扑结构变化，将时间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期。随机访问周期和调度访问周期的时隙个数根据具体应用情况而定。随机访问周期主要用于网络维护。

TRAMA协议根据两跳范围内的邻居节点信息，由节点独立确定自己发送消息的时隙，同时避免把时隙分配给没有信息发送的节点，由此提高了网络吞吐量，克服了基于TDMA的MAC协议扩展性差的不足。但是TRAMA协议相对比较复杂，为了建立节点间一致的调度消息，计算和通信开销都比较大。

非碰撞的MAC协议通过消除碰撞来节能。好的非碰撞协议能够潜在地提高吞吐量，减少时延，提供实时性保证。当前存在的问题是多信道的使用。这需要对无线传感器网络的节点硬件设计上提出了一个附加的要求(有些节点必须有两个收发器)。另一个问题是协议的复杂性(因为节点的计算能力有限，传感器网络的协议总是越简单越好)。

4.4 混合(Hybrid scheme)的MAC协议

SMACS/EAR(Self-organizing Medium Access Con-trol/Eavesdrop And Register)协议是一种结合时分复用和频分复用的基于固定信道分配的MAC协议，其主要思想是每一对邻居节点分配一个特有频率进行数据传输，不同节点对时间的频率互不干扰，从而避免同时传输的数据之间产生碰撞。SMACS协议主要是用于静止节点间链路的建立，而EAR协议则用于建立少量运动节点与静止节点之间的通信链路。SMACS/EAR协议不要求所有节点之间进行时间同步，只需要两个通信节点间保持相对的帧同步。他不能完全避免碰撞，因为多个节点在协商过程中可能同时发出“邀请”消息或应答消息。于每个节点要支持多种通信频率，这对节点硬件提出了很高的要求，同时，由天每个节点需要建立的通信链路数无法事先预计，使得整个网络的利用率不高。

5 结 语

前面简要介绍和分析了儿种MAC协议，要指出的是，并没有哪个协议比其他协议在节能和性能上有更好的表现，每种协议都有自己的优点和缺点，在节能和性能(时延、吞吐量)之间进行着取舍，他们普遍采用关闭无线装置来节约空闲侦听时损耗的能源，对于其他的能源损耗(竞争冲突、窃听、协议控制、业务量波动)，各种不同的协议采用不同的方法来减少其中部分或全部损耗。

随着无线传感器网络MAC协议研究的不断深人，一些新的MAC协议会不断提出，这些协议会在能源有效性和网络灵活性之间做出新的选择。如何通过改进MAC机制来达到无线传感器的节能效果，提高网络性能一直是一个研究热点。今后MAC协议可以进行以下几个方面的研究：交叉层的优化路由协议，数据聚集协议和提高网络应对节点故障的能力，增强网络的健壮性。