基于無線傳感器網絡的MAC協議研究

劉琳++楊秀杰

摘要：無線傳感器網絡是一種應用極為廣泛的新興網絡， MAC協議的研究已成為無線傳感器網絡中的研究熱點。本文對幾種典型MAC協議進行了分析，通過討論其優缺點，指出了當前無線傳感器網絡面臨的挑戰，展望了進一步的研究方相。

關鍵詞：無線傳感器網絡 MAC協議 基于競爭的MAC協議

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0025-01

1 引言

無線傳感器網絡在全球范圍內廣受矚目，為各行各業的發展帶來翻天覆地的變化。在無線傳感器網絡中，介質訪問控制協議（ medium access control，MAC）處于無線傳感器網絡協議的底層部分，規定了無線信道的使用方式，負責分配傳感器節點間有限的通信資源，對傳感器網絡的性能有較大影響，是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵網絡協議之一。

2 無線傳感器網絡MAC協議的類型

無線傳感器網絡廣泛的應用領域使其面臨多樣性和特殊的應用需求，從而促成了各種不同的MAC協議設計。當前主要的無線傳感器網絡MAC協議大致劃分為以下幾類：基于競爭的MAC協議、基于調度的MAC協議和混合MAC協議。

2.1 基于競爭的MAC協議

基于競爭的MAC協議是一種按需使用信道的方式，大多數分布式MAC協議采用載波偵聽（CSMA）或載波偵聽/沖突避免（CSMA/CA）的機制，并采用附加的信令控制消息來處理隱藏和暴露節點問題。這類MAC協議有S-MAC、T-MAC、Wise-MAC等。

S-MAC是針對無線傳感網絡的節能需求，基于競爭機制并加入了同步功能的一種MAC協議。S-MAC協議利用周期性的休眠/監聽機制減少了空閑監聽所造成的能量浪費；通過讓相鄰節點同步減少了控制消耗；利用 RTS / CTS機制減少了數據沖突的機率。T-MAC協議在S-MAC協議的基礎上引入適應性占空比，來應付不同時間和位置上負載的變化。T-MAC協議節點周期性地短時間監聽信道，以確定信道空閑狀態。如果信道空閑，節點再次進入睡眠階段。如果信道忙，節點繼續監聽信道，直到數據接收完畢或信道再次空閑。節點在發送數據時，幀前加入喚醒前導，使得接收節點在幀的數據部分發送前進入工作狀態，以接收數據，減少了空閑監聽的能耗。Wise-MAC協議通過在數據確認包中攜帶節點下一次信道偵聽時間，使節點獲得所有鄰居節點的信道偵聽時間，這樣在發送數據時，可以將喚醒前導壓縮到最短，降低能量消耗。

2.2 基于調度的MAC協議

在基于調度的MAC協議中，傳感器節點通過一個調度方法來決定是否發送數據。這樣使每個節點可以獨立使用無線信道資源，沒有碰撞的風險。在這類協議中，主要的調度方法是時分復用（TDMA），就是將時間分為多個時槽，若干個時槽組成一幀，每一幀內分配一定數目的時槽給傳感器節點發送數據。

2.3 混合MAC協議

混合MAC協議主要是將多種機制結合起來，以獲取一個折衷。Z-MAC就是一種把CSMA和TDMA結合起來，更為有效的MAC協議。它能夠在不同的競爭級別下具有良好的適應性，在較低競爭情況下它的性能像CSMA，在較高競爭情況下他像TDMA，對于網絡拓撲的動態變化和時間同步失效有良好的適應性。混合MAC協議有很好的擴展性，更有利于整個網絡的優化，但協議實現起來太難，算法復雜的太高。

3 面臨的挑戰

不同的實際應用對于無線傳感器網絡的要求是不同的，因此僅僅局限于一種MAC協議是不能滿足實際應用的需求。根據不同應用需求所設計的MAC協議所體現的重點不同，有各自的優缺點。總的來說，無線傳感器網絡中MAC協議的設計最重要的目標是節省能耗。基于競爭的MAC協議簡單、靈活，具有較好的可擴展性。但其在以下幾個方面可能造成能量浪費。（1）節點采用競爭方式使用信道時，由于發生碰撞的現象重傳數據而消耗節點更多的能量。（2）節點對無線信道過度的空閑監聽，會造成節點的能量浪費。（3）在控制節點之間的信道分配時，控制消息過多也會消耗較多的網絡能量。基于調度的MAC協議本身具有無沖突的特性，而且預先進行的信道分配使節點了解自己何時應監聽信道何時可以關閉收發機，因此這種方式能夠有力的避免由于碰撞、空閑監聽及串音造成的能量浪費，非常適合節能的需求。但它們會有固定的控制開銷（即進行信道分配的開銷），在網絡擴展性方面存在缺陷，還需要較嚴格的節點間時間同步。

4 總結和展望

近年來，隨著對無線傳感器網絡應用需求的研究，新的MAC協議層出不窮。由于各種MAC協議采用的技術手段和具體應用各不相同，因而實際效果千差萬別。通過對無線傳感器網絡MAC協議進行分析，現有的無線傳感器網絡MAC協議要具有實用性，還需要解決許多基礎性問題和關鍵技術。事實上由于MAC協議的設計受物理硬件平臺、物理層協議、應用領域等因素的影響，無線傳感器網絡MAC協議的發展趨勢并沒有呈現收斂性，不存在通用的MAC協議，也無法形成標準。影響無線傳感器網絡能耗的因素有很多方面，并不僅僅局限于MAC協議，改進MAC層的機制，采用跨層設計來進行能量優化將是未來研究的熱點。

參考文獻

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