無線傳感器網絡Ｓ－ＭＡＣ協議研究

摘要：傳感器節(jié)點能量受限，節(jié)能是傳感器網絡中媒體訪問控制(MAC)協議設計的首要問題。采用周期性睡眠機制、自適應偵聽機制、串音避免機制和消息傳遞機制可使得傳感器媒體訪問控制(S-MAC)協議在網絡能耗和時延方面得到改進。對S-MAC協議的改進主要有兩種方式：動態(tài)調整、區(qū)別控制包與數據包的發(fā)送條件進行發(fā)送。對無線傳感器網絡，要想設計出一種滿足各方面要求的MAC協議是不現實的，可針對不同應用的要求，靈活采用不同的方式，設計出相應的協議。

關鍵詞：無線傳感器；媒體訪問控制協議；改進

Abstract: As sensor nodes are energy limited， saving energy is the primary issue in designing Medium Access Control (MAC) protocols in sensor networks. The Sensor Medium Access Control (S-MAC) protocol is developed to improve the network energy efficiency and latency performance through the periodical sleep， adaptive listening， crosstalk rejection， and message passing mechanisms. The S-MAC protocol can achieve better performance by allowing dynamic scheduling， and sending control and data packets under different transmission conditions. For the wireless sensor network， it’s impractical to design a MAC protocol that will meet all the requirements. Varied approaches should be taken in designing the protocols that meet different applications’ requirements.

Key words: wireless sensor; Medium Access Control (MAC) protocol; improvement

基金項目：國家自然科學基金(60372107)

無線傳感器網絡通常包含大量自組織的分布式節(jié)點。由于其組網快捷、靈活，且具有不受有線網絡約束的優(yōu)點，可廣泛應用于緊急搜索、災難救助、軍事應用等特殊環(huán)境，因而具有廣泛的應用前景。由于傳感器節(jié)點能量受限，節(jié)能成為傳感器網絡媒體訪問控制(MAC)協議設計首要的問題。由文獻[1]可以看到傳感器媒體訪問控制(S-MAC)協議就是針對傳感器網絡的節(jié)能需求而提出的。周期性睡眠機制、自適應偵聽機制、串音避免機制和消息傳遞機制使得S-MAC協議在網絡能耗和時延方面的性能很優(yōu)越，但距離實際應用的要求還有一段差距。

1 S-MAC協議介紹

S-MAC協議是在802.11協議的基礎上提出的，設計的目標是減少能量消耗，提供良好的擴展性。其主要實現機制包括周期性偵聽與睡眠、串音避免、消息傳遞和流量自適應偵聽。

1.1 S-MAC協議實現的關鍵技術

(1)數據包的嵌套結構

S-MAC協議數據包的嵌套結構如圖1所示。在S-MAC協議中，上一層數據包包含了下一層數據包的內容。數據包傳送到哪一層，那一層只需要處理屬于它的部分。

(2)堆棧結構和功能

在S-MAC協議堆棧內，當MAC層接收到上層傳送過來的數據包后，它就開始載波偵聽。如果結果顯示MAC層空閑，它就會把數據傳到物理層；如果MAC層忙，它將會進入睡眠狀態(tài)，直到下個可用時間的到來，再重新發(fā)送。當MAC層在收到物理層傳送過來的數據包后，先通過循環(huán)冗余校驗(CRC)表示沒有錯誤，MAC層就會將數據包傳向上層。具體網絡模型如圖2所示。

(3)選擇和維護調度表

在開始周期性偵聽和睡眠之前，每個節(jié)點都需要選擇睡眠調度機制并與鄰居節(jié)點一致。如何選擇和保持調度機制分為以下3種情況：

(a)節(jié)點在偵聽時間內，如果它沒有偵聽到其他節(jié)點的睡眠調度機制，則立即選擇一個睡眠調度機制。

(b)當節(jié)點在選擇和宣布自己的調度機制之前，收到了鄰居節(jié)點廣播的睡眠調度機制，它將采用鄰居節(jié)點的睡眠調度機制。

(c)當節(jié)點在選擇和廣播自己的睡眠調度機制之后，收到幾種不同的睡眠調度機制時，就要分以下兩種情況考慮：當節(jié)點沒有鄰居節(jié)點的時候，它會舍棄自己當前的睡眠調度機制，采用剛接收到的睡眠調度機制；當節(jié)點有一個或更多鄰居節(jié)點的時候，它將同時采用不同的調度機制。

(4)時間同步

在S-MAC協議中，節(jié)點與鄰居節(jié)點需要保持時間同步來同時偵聽和睡眠。S-MAC協議采用的是相對而不是絕對的時間戳，同時使偵聽時間遠大于時鐘誤差和漂移，來減少同步誤差，并且節(jié)點會根據收到的鄰居節(jié)點的數據包來更新自己的時間，從而與鄰居節(jié)點保持時間同步。

(5)帶沖突避免的載波偵聽多路訪問

帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA/CA)的基本機制是在接收者和發(fā)送者之間建立一個握手機制來傳輸數據。

握手機制是：由發(fā)送端發(fā)送一個請求發(fā)送(RTS)包給它的接收者，接收者在收到以后就回復一個準備接收(CTS)包，發(fā)送端在收到CTS包后，開始發(fā)送數據包，RTS與CTS之間的握手是為了使發(fā)送端和接收端的鄰居節(jié)點知道它們正在進行數據傳輸，從而減少傳輸碰撞。

(6)網絡分配矢量

在S-MAC協議中，每個節(jié)點都保持了一個網絡分配矢量(NAV)來表示鄰居節(jié)點的活動時間，S-MAC協議中在每個數據包中都包含了一個持續(xù)時間指示值，持續(xù)時間指示值表示目前這個通信需要持續(xù)的時間。鄰居節(jié)點收到發(fā)送者或接收者發(fā)往其他節(jié)點的數據包的時候，就可以知道它需要睡眠多久，即用數據包中的持續(xù)時間更新NVA的值，當NVA的值不為零的時候，節(jié)點應該進入睡眠狀態(tài)來避免串音。當NVA變?yōu)榱愕臅r候，它就馬上醒來，準備進行通信。

1.2 S-MAC協議的網絡性能分析

(1)能量

在無線傳感器網絡中造成能源消耗的主要因素包括下列幾方面：空閑偵聽、競爭沖突、串擾和控制開銷。S-MAC協議針對這些能耗的主要因素，制訂了相應的機制。節(jié)點采用周期性的睡眠和偵聽機制，使節(jié)點周期性地進入睡眠狀態(tài)，減少空閑偵聽的能耗；采用串音避免機制使正在進行通信的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，減少串擾造成的能耗；采用消息傳遞機制減少發(fā)送RTS/CTS控制包來減少控制開銷的能耗。

(2)延時

在S-MAC協議中，引入周期性睡眠機制的同時也增加了不少延時，自適應偵聽機制可以改善其延時特性。自適應偵聽機制是指節(jié)點在通信結束后，不是馬上進入睡眠狀態(tài)，而是偵聽一段時間，如果在這段時間內，節(jié)點收到發(fā)往它的RTS或CTS控制包，節(jié)點馬上準備通信，而無需等到下個偵聽時間到來。

下面分析比較一下沒有睡眠機制又沒有自適應偵聽機制的S-MAC協議、有睡眠機制沒有自適應偵聽的S-MAC協議和既有睡眠機制又有自適應偵聽的S-MAC協議的網絡時延差別。

先做如下定義：

Tnothing表示沒有睡眠機制也沒有自適應偵聽機制的S-MAC協議的網絡平均時延；

Tsleep表示有睡眠機制沒有自適應偵聽機制的S-MAC協議的網絡平均時延；

Tall表示既有睡眠機制又有自適應偵聽的S-MAC協議的網絡平均時延。

由文獻[2]我們可以得到：

Tnothing=N(t cs+t tx) (1)

Tsleep=NTf -Tf /2+tcs+ttx(2)

Tall=NTf /2+2t cs+2t tx-Tf /2(3)

其中：t cs為競爭窗的大小，t tx為傳輸時延，Tf為一幀時間；N為數據包傳輸總跳數。

在占空比不大的條件下，Tf遠遠大于t cs和t tx，由公式(1)、(2)和(3)，可以看到Tsleep和Tall隨跳數的增加速度比Tnother大很多，而Tsleep變化大小約為Tall的一半。這表明，在有睡眠機制的S-MAC協議中，采用自適應偵聽機制的延時增加速度比沒有自適應偵聽機制S-MAC協議的網絡會減半，但它們比沒有睡眠機制S-MAC協議的網絡延時還是增加了很多，延時性能不夠理想。

2 S-MAC協議的研究現狀

目前在S-MAC協議的基礎上，對S-MAC協議的改進主要有兩種方式：動態(tài)調整、區(qū)別控制包與數據包的發(fā)送條件進行發(fā)送。

2.1 基于動態(tài)調整的改進協議

在S-MAC協議中，動態(tài)調整是固定的，即周期性的睡眠和偵聽固定長度的時間，不夠靈活。下面幾種協議就是針對這個缺點，動態(tài)調整，節(jié)約能量。

喚醒MAC協議(T-MAC)[3]主要根據5種事件和一個記時器TA(Time Active)動態(tài)調整，5種事件分別為：

●幀長度超時

●節(jié)點接收到數據

●數據傳輸發(fā)生沖突

●節(jié)點數據確認發(fā)送成功

●鄰居節(jié)點完成數據交換

如果在TA時間內，射頻模塊沒有偵聽到這5種事件中任何一種，則認為信道進入空閑狀態(tài)，節(jié)點關閉射頻模塊，進入睡眠狀態(tài)。

樣式MAC(P-MAC)協議[4]中節(jié)點及其鄰居節(jié)點對自己將來幾個時隙內的睡/醒的計劃用一個比特串表示出來，在該協議中，稱這種比特串為“樣本”，節(jié)點依靠自身以及鄰居節(jié)點的“樣本”便可適應性調節(jié)，形成自己的調度表。

流量感知節(jié)能的MAC協議(TEEM)[5]中發(fā)送的同步包SYNC劃分為兩種，一種是SYNCdata(表示節(jié)點中有數據包在排隊準備發(fā)送)，另外一種是SYNCnodata(表示節(jié)點沒有數據包需要發(fā)送)。當節(jié)點收到SYNCnodata的時候，它會在原來發(fā)送數據包的時間內睡眠。當節(jié)點收到SYNCdata的同步包的時候，它會直接回復CTS數據包，開始通信過程。

參數U-MAC協議[6]中，定義了一個變量U 并且有：

其中：Trx表示接收所用的總時間；Ttx表示發(fā)送所用的總時間；Tidle 空閑狀態(tài)的總時間。

根據實際計算的U 的大小來動態(tài)調整。如果U 的值大于流量上限(Uhigh)，就表示目前通信量大過目前調度機制可以承受的范圍，就增加動態(tài)調整的值：如果U 的值小于流量下限(Ulow)，就表示相對目前的動態(tài)調整通信量很小，需要減小動態(tài)調整的值，使睡眠時間延長節(jié)約能量。

自適應MAC協議(AC-MAC)[7]的基本思想是：根據在MAC層中排隊的數據包數量表示通信量的大小，記為Ni；通過針對應用函數Ri =f (Ni )和公式 得到這個小周期來劃分原來的大周期，這里Tframe表示幀時間大小，Ri為Ni通過針對應用函數的映象，f 為針對應用函數。增加了原來動態(tài)調整中發(fā)送數據的機會。

2.2 區(qū)分數據包與控制包發(fā)送條件的改進

在S-MAC協議中，節(jié)點發(fā)送控制包RTS/CTS/ACK與數據包DATA均采用相同的條件，如發(fā)送功率、信道條件等等，但實際中，控制包的長度一般比數據包小很多，而且控制包中內容不重要。功率控制MAC協議(PCSMAC)與雙信道MAC協議(DCMA/AP)就是針對S-MAC協議的這個缺點，區(qū)分控制包與數據包的發(fā)送條件，節(jié)約能量。

PCSMAC協議中，節(jié)點發(fā)送控制包RTS/CTS/ACK與數據包DATA的發(fā)送功率不同。

節(jié)點的調度表中增加了節(jié)點與各個鄰居節(jié)點通信所需要的最小傳輸功率表。這樣節(jié)點在傳送RTS/CTS/ACK時，選取功率表中最大的；在傳送DATA的時候，則選取到達目的節(jié)點所需功率即可。

DCMA/AP協議中，節(jié)點發(fā)送控制包RTS/CTS/ACK與數據包DATA的發(fā)送信道不同，即在協議中使用雙信道傳送，傳送RTS/CTS/ACK控制包的信道為控制信道，傳送DATA數據包的信道為數據信道。

將上述協議與S-MAC協議的性能比較總結，可得表1。

通過以上分析比較可以看到，基于競爭的MAC協議今后應在以下幾個方面展開研究：

(1)在保證一定的節(jié)能性的前提下，在各種性能指標之間進行折衷。因為在達到節(jié)能的同時必然犧牲延時或吞吐量性能，因此應在保證延時和吞吐量的條件下，實現節(jié)能。

(2)增強協議對服務質量(QoS)保障的支持，隨著各種應用的發(fā)展，能為不同業(yè)務提供不同的服務質量保障顯得越來越重要。對于具有QoS支持能力的無線傳感器網絡的MAC協議有待進一步研究。

(3)與其他層的結合，跨層的協議實現起來相對復雜，但跨層的設計協議可以使各個方面的網絡性能都達到最好。

3 結束語

傳感器網絡是目前通信界最新研究熱點，具有廣闊的應用前景。通過近幾年的研究，人們對傳感器網絡MAC協議設計要求的認識已經逐漸明確[8-9]。

當然，就無線傳感器網絡而言，設計出一種可以滿足各方面要求的MAC協議是不現實的，應該針對不同應用的要求，靈活采用不同的方式，設計出合理的MAC協議。

4 參考文獻

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收稿日期：2006-10-12

江雪，南京郵電大學在讀碩士研究生，主要研究方向為無線傳感器網絡。

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