無線傳感器網絡中M AC協議分析

徐亞男

摘 要：無線傳感器網絡中的媒介訪問控制（ Medium Access Control，MAC）協議，主要負責協調網絡中的多個節點間利用共享信道傳輸數據的時間和方式，同時避免節點間沖突。因此，MAC協議對節點間的通信方式有著重要影響，是確保無線傳感器網絡高效運轉的關鍵技術。對競爭型MAC協議、調度型MAC協議和混合型MAC協議的核心思想、性能特點和應用范圍進行了深入研究，對競爭型MAC協議中的典型機制和優缺點進行了詳細的分析和比較。

關鍵詞：無線傳感器網絡;MAC協議;競爭型MAC協議;調度型MAC協議;混合型MAC協議

DOI： 10. 11907/rjdk.191319

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）001-0248-08

0 引言

無線傳感器網絡（ Wireless Sensor Networks，WSNs）由大量微型廉價的傳感器節點組成[1]，具有大規模、自組織、動態拓撲以及多跳路由等特點，廣泛應用于環境監測、目標跟蹤、軍事偵察以及生活家居等領域。媒介訪問控制（ Medium Access Control.MAC）協議位于WSNs中網絡協議的底層部分[2]，是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵協議之一[3]。MAC協議的主要功能是解決網絡內的多個節點間共享單一信道問題，并決定節點何時以及采用何種方式占用無線信道進行數據傳輸，避免節點在傳輸時產生碰撞，即確保網絡內處于相互干擾范圍內的兩個或多個節點間不會同時傳輸數據。

1 MAC協議性能指標設計

由于WSNs與傳統無線網絡（如無線語音和數據通信網絡）在網絡大小、硬件設施以及應用需求等方面差異明顯，因此WSNs中的MAC協議在目標設計、性能優化以及技術支持等方面與傳統無線網絡中的MAC協議不同，致使現階段應用于傳統無線網絡的MAC協議不能直接應用于無線傳感器網絡中[4]。傳統的無線網絡由于通信設備如Pad以及便攜式PC等對于能量的獲取比較方便，受能量約束不大，因此在設計MAC協議時主要目標是提高網絡吞吐量、信道利用率，以及使各節點都能公平地利用信道進行數據傳輸。然而對于WSNs，節點中攜帶的能量是有限的，且節點間為了完成共同的監測任務而相互協作，因此在設計WSNs中的MAC協議時，性能的側重點與傳統無線網絡中的MAC協議完全不同。

在WSNs中，MAC協議主要控制以下幾個方面的網絡性能：

（1）能量有效性。該性能是WSNs中MAC協議設計時需要重點考慮的。由于WSNs中節點通常由電池供電，當WSNs的規模較大或被部署在人跡罕至的地方時，人們難以對節點中的電池進行補充和更換。因此，如何使節點在工作時節能，延長網絡生存時間，是設計MAC協議時的關鍵問題[5]。

（2）可擴展性。該性能表現在傳感器數量、網絡覆蓋區域、生命周期、時間延遲、感知精度等方面的可擴展極限[6]。由于在WSNs中節點的數量、位置以及分布密度等都處于動態變化中，因此WSNs中的MAC協議需要具備自適應網絡變化的可擴展能力。

（3）信道利用率。該性能通常用來直觀反映信道被占用，即節點利用信道發送數據的情況。在傳統的無線網絡中，由于帶寬資源有限，網絡中需容納盡可能多的用戶進行數據傳輸，因此該性能是傳統無線網絡中需要重點考慮的指標。相比之下，在WSNs的各種應用中，處于通信狀態的節點數量是不同的，因此在WSNs中該性能主要依賴于網絡的應用需求，且通常在多數應用中對該性能考慮較少。

（4）延遲。該性能指從發送節點開始發送數據包到接收節點成功收到該數據包所經歷的時間。在WSNs的各種應用中延遲要求不一，如在軍事偵察、醫療健康以及災害預警等網絡應用中，用戶需要實時獲得所監測的數據，以便及時采取處理措施[7]。然而，對一些需要長期監測環境的網絡應用，延長網絡生存時間需重點考慮，因此通常會以犧牲延遲為代價減少節點能耗。

（5）網絡吞吐量。該性能指在一定時間內發送節點通過信道成功發送給接收節點的數據量，反映了無線傳感器網絡工作運行效率，并且與MAC協議關聯緊密[8]。在現實網絡環境中，多種因素會限制網絡吞吐量大小，例如節點間進行數據傳輸時采用的傳輸速率、信道利用率、避免節點間發生沖突的調度算法、傳輸數據包時需要控制的開銷以及傳輸延遲等。同樣，在WSNs的各種應用中對吞吐量的要求也不一樣，例如在動物習性監測應用中，需要對野生動物賴以生存的棲息地和它們的生存狀況進行長期監測，網絡應用可能會為了節省能量延長網絡的生存時間而降低對吞吐量的要求。

在設計高性能的MAC協議時不僅要滿足WSNs應用中的某一性能要求，還要滿足其它方面的性能要求，因此需要在多種性能要求之間取得一種平衡。例如，在WSNs的緊急救援應用如地震、水災等情境下，通常對節點間的數據通信延遲要求較高，數據傳輸要符合實時性要求，但為了讓數據能夠既準確又穩定地傳輸到最終的匯聚節點，需要在減少延遲的同時確保數據傳輸的可靠性和穩定性。因此，在WSNs中設計一種高性能的MAC協議，取得網絡中各種性能要求之間的平衡是非常必要的。

2 MAC協議分類與分析

針對WSNs的不同應用需求已經有許多優秀的MAC協議，但還未將MAC協議進行統一分類，因此本文主要根據節點獲得信道的方式將WSNs中的MAC協議劃分為競爭型MAC協議、調度型MAC協議和混合型MAC協議，下面對MAC協議分類進行詳細分析。

（1）競爭型MAC協議。競爭型MAC協議指網絡內的節點采用競爭的方式獲得信道，其核心思想是：當節點有數據需要發送時要通過競爭的方式獲得信道占用權[9]。如果節點發送的數據與其它節點產生了沖突，則節點需要按照一定的策略進行重傳，直到數據發送成功或因重傳次數達到上限而放棄發送。競爭型MAC協議優點有：①能較好地滿足節點數量和網絡拓撲結構變化;②可讓節點根據自身需求而競爭信道;③對于時鐘精度的要求比較低;④不需要復雜的集中控制調度算法。因此該類型的MAC協議比較適合于低負載或節點分布密度較小的網絡環境。然而，在高負載或節點分布密度較大的網絡環境中，該類型的MAC協議會大大增加節點間發生沖突的概率，不僅降低了數據傳輸速率，還浪費了節點有限的能量。在無線網絡中，比較典型的競爭型MAC協議是載波監聽多路訪問/沖突避免機制（ Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance.CSMA/CA）。

為解決S-MAC協議由于占空比固定而在低負載時導致的空閑偵聽問題，T-MAC[17]協議和U-MAC [18]協議等提出了一種自適應占空比機制。其中T-MAC協議讓節點喚醒后先偵聽一小段時間TA，若在此時間內節點沒有偵聽到任何事件則節點立即睡眠;反之，則節點保持喚醒且進行相應的操作如發送/接收消息。雖然該機制在S-MAC基礎上進一步節省了由空閑偵聽造成的能耗，但是卻引入了“早睡問題”，即當鄰居節點要傳輸消息給它的接收節點時，該接收節點卻早已進入了睡眠狀態。為此，T-MAC協議提出了兩種解決方法：①發送未來請求幀（ Future-Re-quest-to-Send，FRTS），即讓鄰居節點串聽到CTS幀后，立即發送FRTS幀給它們的接收節點，以便接收節點在恰當的時間被喚醒，無睡眠延遲地接收數據。但是該方法沒有對鄰居節點加以區分，導致許多處于非傳輸路徑上的鄰居節點在串聽到CTS幀后也發送了FRTS幀。此外，該方法還容易導致多個節點間因同時發送FRTS幀而產生沖突;②滿緩沖區優先，即當節點偵聽到目的地址是自己的RTS幀時，若此時該節點的輸出隊列緩沖區已被待發消息占滿，則該節點立即向它的接收節點發送RTS幀，而不是向給自己發送RTS幀的節點反饋CTS幀，這樣可確保緩沖區滿的節點優先發送消息，所以該機制比較適合于低負載網絡環境中的單向傳輸，而對于高負載且全向傳輸的網絡環境該機制會迅速增加節點之間產生沖突的概率。Zhou等[19]在T-MAC的基礎上依據中心極限定理動態調整TA時間的長短，盡可能避免早睡問題發生，但是該機制效果不太理想。

為了減少由于占空比機制引入的周期性睡眠延遲問題，需要讓數據盡可能在一個周期內傳輸多跳距離。為此，LD-MAC[20]協議讓節點使用擴展的RTS/CTS幀和擴展的ACK（ Acknowledge）幀預約傳輸路徑上未來的多跳節點，以便實現數據的快速轉發。但是這些擴展幀中添加了很多不必要字段，如在每一跳中需要傳輸擴展RTS/CTS幀中的“源節點地址”、“第三跳節點地址”，以及在擴展的ACK幀中“是否正確接收數據”等字段，毫無疑問，這些額外添加的字段現實意義較小，且增加了控制開銷。RMAC[21]協議在S-MAC基礎上，讓節點在Data時期發送數據之前將一個PION幀轉發多跳距離，PION幀可讓下一跳節點得知與它們上一跳節點開始通信的時間，用于預約未來的多跳節點，以便讓數據在預約的多跳節點之間實現無睡眠延遲傳輸。但是當Data時間設置過長或PION幀被轉發的跳數過多時，容易導致在Data時期第一個發送PION幀的節點失去信道占有權，這是因為該節點在發送完PION幀后未再發送任何信息。此外，距離該節點跳數較遠的節點可能會因等待接收PION幀的時間過長而放棄等待，選擇先與其它節點進行通信。此外還有類似設計的MAC協議，如PR_MAC[22]和CRMAC[23]協議等。

以上幾種協議都適合于低負載的網絡環境，而對于WSNs中流量負載的突發性和局部相關性考慮較少，容易造成節點間的沖突碰撞。為此，Sift[24]協議讓節點在不同的時隙中選擇不同的發送概率，使得局部區域內同時檢測到事件發生的多個節點之間可以在不同的時隙內無沖突地發送消息，因此Sift協議比較適合在WSNs的局部范圍內使用。例如在分簇網絡中，當簇內的多個節點都要傳輸消息時，它們可在不同的時隙向簇頭節點傳輸消息，有效避免了沖突。但是該協議對于接收節點的空閑狀態考慮較少，且對節點間的時鐘同步要求較高。FP_MAC[25]協議是一種基于優先級的同步實時MAC協議，該協議讓節點根據不同的優先級選擇在不同的時隙傳輸消息以避免沖突。但是該協議中節點需要一直保持喚醒狀態以等待傳輸時隙的到來，且優先級越低的節點等待時間越長，容易造成串聽問題。DW_MAC[26]協議針對高負載的網絡環境，提出了一種低開銷調度算法以讓節點可以在睡眠周期內按需喚醒，減少消息多跳傳輸時的延遲，但是該機制對于收發節點之間的時鐘同步要求較高。此外，LL-MCLMAC[27]協議、MX-MAC[28]協議、PW_MMAC[29]協議、EM_MAC[30]協議以及FDMCMAC[3l協議等，提出了利用多信道傳輸數據的方式，以便減少延遲以及提高網絡吞吐量，但是多信道之間會存在相互干擾等問題。

為解決S-MAC中的節點在競爭信道時，從固定競爭窗口（ Contention Window，CW）值中選擇隨機退避時間值不能很好地適應網絡負載大小的問題，Chu等[32]提出讓節點在競爭信道之前需要根據自身隊列長度判斷網絡負載情況，然后根據節點信道競爭成功與否以及網絡負載的大小自適應調整其CW值，以降低高負載下節點間發生沖突的概率，減少低負載下節點的空閑偵聽時間。FPOoSD協議[33]、BDQR協議[34]、Li等[35]也提出讓節點根據網絡負載大小動態調整CW值。但以上機制在判斷網絡負載大小情況時選擇的參數比較單一，且僅從自身的相關信息進行判斷，容易對現實環境中網絡負載的大小產生誤判，導致結果不理想。CABEB算法[36]提出一種根據發送節點待發數據流的情況，和接收節點數據緩沖區的擁塞情況兩方面信息自適應調整CW值的機制，以便實現對高優先級數據保護。但是該算法沒有考慮節點接人信道的公平性，這對于需要獲取全網信息進行綜合判斷的網絡應用來說不太有利。

Zhu等[37]在S-MAC基礎上讓節點根據其信道競爭成功與否和節點接人信道的次數動態調整其CW值，以便在減少沖突的同時提高節點接入信道的公平性，但是該算法容易出現競爭窗口“震蕩”現象：當信道競爭失敗時，CW值會倍增直至最大;當信道競爭成功時，CW值又立即變為最小，這樣就導致從最小CW值中選擇隨機退避時間的節點過多，主要包括初次競爭信道的節點、上一次發送成功的節點、經過多次重傳后消息發送成功的節點，這樣會大大增加節點之間因競爭信道而發生碰撞的概率。AD-BEB算法[38]引入信道競爭能力參數和網絡擁擠參數對CW值進行調整，且為了更好地減少延遲，該算法對CW值進行了兩次調整：第一次調整是在節點發送數據后，根據發送成功與否對CW值進行指數調整;第二次調整是根據信道競爭能力參數和網絡擁擠參數對CW值進行線性調整。但是該機制比較繁瑣，在實際操作中難以實施。PF-MAC協議[39]提出讓節點根據預測和反饋信息調整CW值，但是該機制計算復雜度較高。

ACW算法[40]讓節點根據發送數據包時的失敗次數自適應調整CW值。DSA-MAC協議[41]提出讓節點根據其數據傳輸成功次數和失敗次數動態調整CW值，以避免節點之間的沖突，且該協議讓節點根據內部緩沖區隊列大小把一個偵聽/睡眠周期劃分為多個小周期，以適應網絡負載變化。但是以上兩種算法中都沒有對數據發送失敗的原因加以區分，而盲目調整CW值又不太合理，可能會進一步增加數據傳輸延遲。這是因為導致數據發送失敗的原因不僅僅是因為與其它節點發送的信號產生了沖突，還有可能是因為一些其它非沖突因素，如無線鏈路環境的不穩定導致包丟失，噪音等因素干擾導致包解析出錯，以及接收節點失效等。因此以上兩種算法可能會讓一些因非沖突因素造成數據發送失敗的節點在下一次競爭信道時CW值倍增，從而降低節點接入信道的概率，對網絡吞吐量產生重要影響。

3.2 異步競爭型MAC協議

由于同步競爭型MAC協議實現節點間同步的過程比較復雜且耗費時間較長，這對于依賴電池供電且能量有限的傳感器節點來說非常不利，因此B-MAC協議[42]提出了第一個異步競爭型MAC協議。該協議讓網絡中的節點按照偵聽/睡眠調度表喚醒即可，無需彼此交換。同時，為了在兩個喚醒時間不同的節點之間實現通信，B-MAC在發送數據之前需要發送一段大于或等于接收節點睡眠周期的前導符，以便發送節點可以一直獲得信道占用權等待接收節點的喚醒，然后再傳輸正常的數據包。雖然B-MAC協議中節點之間無需同步，有效減少了節點能耗，但是該協議中節點發送的前導符過長，且在發送前導符過程中發送節點不知道接收節點的喚醒情況。即使接收節點已喚醒，發送節點仍需要把前導符發送完之后才能發送數據包，增加了數據傳輸延遲。此外，由于發送節點發送的前導符中沒有添加接收節點地址，容易導致鄰居節點串聽問題。值得注意的是，在B-MAC中即使接收節點與當前發送節點完成通信后仍處于喚醒狀態，但是其余想要向該接收節點發送消息的節點不是立即向其傳輸數據，而是仍需要發送長的前導符之后再發送數據，這樣既增加了數據傳輸時的延遲，又增加了節點傳輸數據時的額外開銷。

為了解決B-MAC協議中節點發送的前導符過長以及鄰居節點串聽等問題，X-MAC協議這[43]讓發送節點把長的前導符劃分為一系列帶有時間間隔的短的前導包，且在每個前導包中都添加了接收節點的地址。這樣鄰居節點在偵聽到前導包后可以立即睡眠以避免串聽，而接收節點在偵聽到前導包后則可以在兩個前導包之間的時間間隔內給發送節點回復一個ACK幀，以便讓發送節點停止發送前導包轉而發送數據包，減少額外能耗。此外，為了解決B-MAC協議中即使接收節點完成當前通信后還處于喚醒狀態，但其余發送節點仍向其發送前導符的問題，X-MAC協議讓其余的發送節點在偵聽到接收節點回復給當前發送節點的ACK幀后，隨機退避一段時間，然后直接向接收節點發送數據以減少延遲和控制開銷。同時接收節點會在完成當前通信后保持喚醒且持續的時間為節點的最大退避時間，以等待其余節點向其發送數據。X-MAC協議比較適合于低負載網絡環境中的數據傳輸，而對于網絡環境中的高負載情況和突發性流量等情況考慮較少。此外，在X-MAC協議中，由于發送節點不知道接收節點的失效情況，容易出現接收節點已失效而發送節點仍向其持續發送前導包，這樣不僅增加了發送節點能耗還浪費了信道資源，特別是隨著網絡的運行，失效節點逐漸增多時，會大大降低網絡的通信效率。值得注意的是，在X-MAC協議中，接收節點在完成當前通信后保持喚醒的這一段時間內，若沒有收到其余節點向其發送數據，則接收節點喚醒的這段時間是無效的，且在等待過程中還會造成串聽問題。

MAC+協議[44]讓節點在發送數據之前要先發送3個前導塊，且每個前導塊中都包含接收節點的地址和剩余的前導塊數。當周圍鄰居節點喚醒且偵聽到前導塊時，則判斷自己是不是接收節點，若是，則節點根據剩余前導塊數計算其在本次通信中開始接收數據的時間，然后立即進入睡眠狀態直到該時間的到來;若否，則節點立即進入睡眠狀態以避免串聽。與B-MAC相比，該協議雖然縮短了前導符長度、節省了能耗，但是該協議中節點在發送數據之前發送的前導塊數是固定的，因此容易導致發送節點與接收節點錯過彼此的喚醒時間，出現當發送節點發送完所有前導塊時接收節點還未喚醒的情況。還有許多類似設計的MAC協議，如SvncWUF協議[45]、SpeckMAC協議[46]以及MFP協議[47]等。但是這些協議中節點發送的前導塊之間都沒有插入時間間隔，因此發送節點在傳輸前導塊的過程中并不能知道接收節點的喚醒情況。

SW-MAC協議[48]首先讓收發節點之間通過一些系列的偵探幀建立握手，該偵探幀既可以像RTS幀一樣發起通信請求，又可以像CTS幀一樣確認請求。然后，SW-MAC協議讓接收節點以接收數據時等待的時間間隔為依據判斷發送節點的傳輸速率，從而按需調整睡眠窗口，以減少數據傳輸延遲。但是該協議中接收節點等待的時間間隔長度會受到一些其它因素影響，如由于網絡中的鏈路情況不好導致包丟失時也會使數據傳輸的間隔較大，若此時盲目地將睡眠窗口減小是不合理的。為此，DS-MAC協議[49]在SW-MAC基礎上讓接收節點根據本次接收量的多少動態調整節點的睡眠時間，從而讓節點既能在高負載環境又能在低負載環境下及時發送或接收數據，大大減少了數據傳輸延遲，但是該協議對時鐘的要求較高。

CMAC協議[50]提出了一種新穎的收斂機制以減少數據傳輸延遲。當節點要傳輸數據給Sink節點時，該協議讓節點把長的前導符分割成多個帶有時間間隔的“積極（ aggres-sive）”RTS幀，然后進行任播。偵聽到該RTS幀的所有鄰居節點會根據路由表選擇一個距離Sink節點最近的節點作為接收節點，以此類推，直到到達Sink節點的直接鄰居節點時，由任播轉為單播向Sink節點傳輸數據。但是該機制容易受到節點分布密度的影響，同時節點的通信能力容易受到網絡中動態負載的影響。還有許多類似設計的MAC協議，如ContikiMAC協議[51]、TICER協議[52]、CSMA-MPS協議[53]、DPS-MAC協議[54]以及MH-MAC協議[55]等。

以上多種MAC協議中，發送節點在完成當前通信后由于不知道其接收節點下一次的喚醒時間，因此在下一次通信之前發送節點仍需要連續發送前導包等待該接收節點喚醒，增加了控制開銷。為此，WiseMAC協議[56]讓接收節點在接收完數據包后給發送節點回復的ACK包中添加下一次喚醒的時間，這樣發送節點只需要在接收節點喚醒之前的一小段時間內喚醒且向其發送一個小的前導包即可。但是該協議僅適合于低負載環境下的單向傳輸，在高負載或全向傳輸網絡環境中可能會出現一些問題，如由于發送節點知道接收節點的喚醒時間，而接收節點不知道發送節點的喚醒時間，因此當接收節點作為發送節點想要向該節點傳輸消息時，仍需要連續發送前導符等待該節點的喚醒。此外，當發送節點下一次不再向該接收節點傳輸消息時，該接收節點通知給發送節點的下一次喚醒時間是無效的。PW-MAC協議[57]設置了一個偽隨機數生成函數，發送節點可以根據該函數預測接收節點下一次的喚醒時間。因此，與WiseMAC類似，發送節點僅需要在接收節點喚醒之前的一小段時間內發送前導碼，與接收節點同步處于active狀態即可。此外，該協議提出了一種按需預測糾錯機制，用于減少由于硬件、系統帶來的傳輸延遲和解決時鐘漂移問題。最后，當節點之間發生沖突或者包需要重傳時，該協議采用一種基于預知的重傳機制，用來提高能量有效性。但是該協議對于動態變化的網絡負載情況考慮較少。還有許多類似設計的MAC協議，如AS-PW-MAC協議[58]、HELD-MAC協議[59]、THO-MAC協議[60]等。

為減少數據在多跳傳輸過程中的睡眠延遲，需要讓數據像管道傳輸一樣不間斷地傳輸直至目標節點如Sink節點。為此，DMAC協議[61]根據數據傳輸的路由路徑構建了一顆數據匯聚樹，且樹中的每個節點可以按其所在樹中的層數交錯喚醒，然后不間斷地傳輸數據包直到Sink節點。但是該協議的網絡可擴展性較差，靈活性較低，難以適應網絡中因節點的加入或失效引起的路由路徑變化。此外，該協議需要節點間嚴格的時間同步，一旦發生時鐘漂移則無法實現數據的連續傳輸。類似地，Q-MAC協議[62]也采用了交錯喚醒方式，但是該協議是由Sink節點向源節點發起查詢進行數據匯聚的。Cao等[63]讓傳輸路徑上的節點根據距離源節點跳數的多少調整喚醒時間以便節點可以依次喚醒轉發數據，從而最優化數據的傳輸延遲，但是該機制對時鐘的要求較高。L-MAC協議[64]讓父節點通過協調多個子節點之間的喚醒時間實現數據的無中斷傳輸，但是該機制中父節點能耗較大。當父節點失效時，子節點之間無法自動調節喚醒時間，也無法進行數據傳輸。Li等哺副提出了快速路徑算法（ Fast Path Algorithm），讓傳輸路徑上的節點通過添加額外的喚醒時間實現數據的快速轉發，但是該方法卻大大增加了節點能耗;Lu等[65]證明了上述類似于管道傳輸的機制都是不理想的。

以上多種協議都是由發送節點發起的數據通信，而對于接收節點的狀態考慮較少。為此，RIX-MAC協議[67]提出了一種由接收端發起通信的高效喚醒MAC協議。該協議在X-MAC協議的基礎上，讓接收節點收到數據后，在回復給發送節點的ACK幀中添加下一次喚醒時間，因此在下一次通信時發送節點僅需在接收節點喚醒前的一小段時間喚醒即可，減少了能量消耗。但是該機制沒有考慮時鐘漂移導致的誤差，容易使收發節點錯過彼此的喚醒時間。RI-MAC協議[68]也是一種由接收節點發起通信的協議，即在低負載環境時，節點喚醒后若偵聽到信道空閑，則節點立即廣播一個不包含競爭窗口字段的信標幀表示自己已喚醒，若周圍鄰居節點有數據要發送給該節點時可以立即向其傳輸數據。而在高負載環境下，節點喚醒后會在廣播的信標幀中添加一個競爭窗口字段。若周圍鄰居節點有數據要發送給該節點時，需要根據信標幀中的競爭窗口選擇一個隨機退避時間，等到退避結束后才能向接收節點傳輸數據以避免沖突。雖然RI-MAC協議能根據網絡負載的大小動態調整節點間的通信方式，提高吞吐量，但是該協議容易出現發送節點已喚醒很久但接收節點仍未喚醒廣播信標幀的情況，增加了數據傳輸延遲。還有許多類似的由接收節點發起通信的MAC協議，如RP-MAC協議[69]、Ko-ala協議[70]、AS-MAC協議[71]、A-MAC協議[72]、ACT-MAC協議[73]以及O-MAC協議[74]等。

RC-MAC協議[75]是一種在WSNs中利用樹形結構進行數據匯聚的協議，樹中的父節點在喚醒后若偵聽到信道空閑，則廣播一個信標幀，若此時子節點有數據需要發送給它，則子節點間通過競爭的方式發送數據，且父節點在收到數據后會在回復給子節點的ACK幀中包含下一個發送節點的ID號，以協調多個子節點間接人信道的順序，減少沖突，提高信道利用率。但是該協議中的子節點在偵聽到信道忙時，會一直偵聽信道，以等待父節點讓其接入信道發送數據，這樣容易造成子節點的能量浪費。此外，該協議中父節點能耗較大，容易導致網絡中的節點能耗不均勻，縮短網絡生存時間。還有類似的由接收端發起且采用樹形結構的協議如TRIX-MAC協議"副等。

4 結語

無線傳感器網絡是無線網絡研究的熱點，而MAC協議對于無線傳感器網絡的高效運行有著重要影響。本文通過對同步競爭型MAC協議和異步競爭型MAC協議中的部分經典協議進行分析和比較，發現現有MAC協議仍存在很多不足，有進一步改進的空間。本文認為在現有同步競爭型MAC協議中，數據傳輸都是不連續的，通常在一個周期內僅能傳輸一跳或兩跳距離，這無疑增加了數據經過多跳傳輸時的延遲，降低了實時性。此外，本文認為在現有異步競爭型MAC協議中并沒有很好地解決低延遲和低能耗之間的矛盾。MAC協議采用占空比機制減少能耗，以延長網絡生存時間，但是卻以犧牲大量延遲為代價，降低了網絡吞吐量和信道利用率。因此，如何在提高能量有效性的同時減少數據延遲，提高網絡吞吐量和信道利用率，是無線傳感器網絡MAC協議研究的重要課題。

參考文獻：

[1]董楚楚.無線傳感器網絡面向低功耗的MAC協議及跨層優化研究[D].上海：上海交通大學，2017.

[2] 金保升.無線傳感器網絡多信道MAC協議的研究與實現[D].南京：南京理工大學，2007.

[3] 孫超，張世慶，張西良.無線傳感器網絡MAC協議研究[J].傳感器世界，2006，12（8）：31-34.

[4] 張宏巍.低延時無線傳感器網絡信道接入協議研究[D].太原：太原科技大學，2010.

[5] 陳靜，張曉敏.無線傳感器網絡基于競爭的MAC協議綜述[J].山東通信技術，2006，26（2）：15-19.

[6] 張智廣.無線傳感器網絡中的MAC協議研究[D].青島：中國海洋大學，2007.

[7] 劉焱驪，沈斌，胡中功，等.無線傳感器網絡分簇低延時MAC協議[J].武漢工程大學學報，2008（4）：85-89.

[8]柯欣，孫利民.多跳無線傳感器網絡吞吐量分析[J].通信學報，2007，28（ 9）：96-99.

[9]李源源.無線傳感器網絡中時間同步和時隙分配算法研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[10] 張麗鳳.無線傳感器網絡信道接入技術研究[D].成都：西南交通大學，2008.

[11] 吳杰，曾子維，莊兵.一種異步自適應無線傳感器網絡MAC協議[J].計算機應用與軟件，2009，26（ 4）：67-68.

[12] 申鵬飛，章韻.基于調度的無線傳感器網絡MAC協議研究[J].計算機技術與發展，2013（1）：119-122.

[13] 杜敏，黃劍，石為人，等.基于競爭與TDMA的低時延無線傳感器網絡MAC協議[J].傳感器與微系統，2014，33（lO）：111-114.

[14] YE W， HEIDEMANN J，ESTRIN D.An energy-efficient MAC pro-tocol for wireless sensor networks[J]. Proceedings of IEEE INFO-COM. 2002（3）： 1567-1576.

[15] YE W，HEIDEMANN J，ESTRIN D.Medium access control with co-ordinated ad aptive sleeping for wireless sensor networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking， 2004， 12（3）：493-506.

[16] 杜敏.低能耗及低延時目標驅動的無線傳感器網絡MAC協議研究[D].重慶：重慶大學，2014.

[17] VAN DAM T， LANCENDOEN K.An adaptive energy-efficientMAC protocol for wireless sensor networks [C]. Proceedings of thel st international conference on Embedded networked sensor systems.ACM.2003：171-180.

[18]YANC S H， TSENC H W， WU E H K， et al. Utilization based dutycycle tuning MAC protocol for wireless sensor netWorks [C]. IEEEClobal Telecommunications Conference. IEEE. 2005.

[19] 周麗敏，田斌，廖婷.無線傳感器網絡T-MAC協議的研究[J].傳感器與微系統，2007，26（6）：36-38.

[20]ZHANC H W. YU-BIN X U.A low-delay MAC protocol for wirelesssensor networks [J]. Journal of Taivuan University of Science&Technology， 2011（ 5）： 155-158.

[21]DU S，SAHA A K， JOHNSON D B.RMAC：A routing-enhanced du-ty-cvcle MAC protocol for wireless sensor networks[C].INFOCOM2007. IEEE International Conference on Computer Communications.IEEE. IEEE， 2007： 1478-1486.

[22]危文金，徐寧，徐勇軍.基于路徑預約的低延時高能效無線傳感器網絡MAC協議[c].中韓傳感器網絡學術研討會，2008.

[23] 仇兆存.可多跳預約信道的無線傳感器網絡MAC協議——CRMAC [J].重慶科技學院學報：自然科學版，2008， 10 （1）：120-122.

[24]JAMIESON K. BALAKRISHNAN H，TAY Y C.Sift：a MAC protocolfor event-driven wireless sensor networks[C]. European Workshopon Wireless Sensor Networks EWSN 2006： 260-270.

[25] 李洪峻.一種基于優先級的無線傳感器網絡實時MAC協議[J].控制與決策，2010. 25（6）：873-878.

[26]SUN Y， DU S，CUREWITZ 0. et al. DW-MAC：a lo，v latency， en-ergy efficient demand-wakeup MAC protocol for wireless sensor net-works [C]. Proceedings of the 9th ACM international symposium onMobile ad hoc networking and computing， 2008： 53-62.

[27]AZAD A K. ALAM M S，SHAWKAT S A. LL-MCLMAC：a low la-tency multi channel MAC protocol for wireless sensor networks[C].Tencon IEEE Region 10 Conference. lEEE， 2016.

[28]KAMAL M M， MONl S S，ALAM M S.MX-MAC：a multichannelbased low latency asynchronous MAC protocol for wireless sensor net-works[C].2016 9th International Conference on Electrical and Com-puter Engineering （lCECE）. IEEE， 2016.

[29]SALEEMl M B. HENNA S.PW-MMAC： predictive-wakeupmulti-channel mac protocol for wireless sensor networks [C]. Uk-sim-amss International Conference on Computer Modelling&Simu-lation. IEEE.2016.

[30]TANG L， SUN Y， GUREWITZ 0， et al. EM-MAC：a dynamic multi-channel energy-efficient mac protocol for wireless sensor networks[C]. ACM Interational Symposium on Mohile Ad Hoc Networking&Computing. DBLP. 2011。

[31] 劉盼，寧雪麗.無線傳感器網絡多信道MAC協議的研究與分析[J].通信技術，2017（5）：62-68.

[32]褚好迎，蘇勝君，孫亞容.基于流量的自適應退避算法[J].電子測量技術，2016， 39（10）：84-89.

[33] 蘇海武，程良倫.一種流量預測的服務質量區分MAC退避算法[J].計算機應用研究，2013，30（ 10）：3091-3095.

[34] 李海洋，陳文月.一種改進的無線傳感器網絡S-MAC協議退避機制[J].福建電腦，2018（3）：157-160.

[35] 陸健強，王衛星，林鉆輝.無線傳感器網絡S-MAC協議的分析與算法改進[J].軟件，2011，32（2）：49-52.

[36]石勝林，蘇銅，朱光喜.一種基于擁塞避免的自適應退避算法的研究[J].小型微型計算機系統，2012， 33（1）：7-10.

[37] 王鑫，朱國暉，王莎莎.無線傳感器網絡SMAC協議的研究與改進[J].現代電子技術，2013，36（1）：32-35.

[38]陶志勇，袁永財.適用于S-MAC協議的自適應隨機退避機制研究[J].計算機應用與軟件，2015，32（ 12）：51-54.

[39]LIU Y， BIAN L， JINC W. et al.A novel pf-mac protocol for wire-less sensor network hased on prediction and feedback method [J].Journal of Electronics（ China）， 2011， 28（ 4-6）： 488-495.

[40]SHEN J F，CHENC L L Based on cross-layer adaptive contentionwindow mac protocol for middle and high rate sensor net，vorks [J].Procedia Engineering， 2011（ 15）： 2042-2046.

[41]趙芳，李暉.基于S-MAC協議的負載檢測方法綜述[C].沈陽科學學術年會，2016.

[42]POLASTRE J，HILL J，CULLER D.Versatile low power media ac-cess for wireless sensor networks[C]. Proceedings of the 2nd Inter-national Conference on Embedded Nenvorked Sensor Systems，2004： 95-107.

[43]BUETTNER M. YEE G V. ANDERSON E. et al. X-MAC：a short

preamble MAC protocol for duty-cycled wireless sensor networks[C]. Proceedings of the 4th ACM International Conference on Em-bedded Nenvorked Sensor Systems ， 2006 ： 307-320.

[44]AVVENUTI M， CORSINI P， MASCI P， et al. Increasing the effi- ciency of preamble sampling protocols for wireless sensor networks[Cl. Mobile Computing and Wireless Communication International

Conference， 2006 ： 117-122.

[45]SHI X， STROMBERC C. SyncWUF ： An ultra low-power MAC pro-tocol for wireless sensor nenvorks [ J] . IEEE Transactions on MobileComputing， 2007， 6（ 1） ： 115-125.

[46]WONC K J， ARVIND D K. SpeckMAC： low-power decentralisedMAC protocols for low data rate transmissions in specknets [ C l. Pro-ceedings of the 2nd ACM International Workshop on Multi-hop AdHoc Networks ： From Theory to Reality ， 2006 ： 71-78.

[47]BACHIR A. BARTHEL D， HEUSSE M， et al. Micro-frame pream-ble MAC for multihop wireless sensor networks [Cl. IEEE Interna-tional Conference on Communications ， 2006 ： 3365-3370.

[48]LIANG L. LIU X， WANC Y. et al. SW-MAC： a lo，v-latency MACprotocol ，vith adaptive sleeping for wireless sensor networks [J].Wireless personal communications ， 2014 ， 77（ 2） ： 1 191-121 1.

[49]WANC G J ， YU J C， YU D X， et al. DS-MAC ： an energy efficientdemand sleep MAC protocol with lo，v latency for wireless sensor net-works [J]. Journal of Network and Computer Applications， 2015（ 12） ： 155-164.

[50]LIU S， FAN K W， SINHA P. CMAC： an energy-efficient MAC lay-er protocol using convergent packet fonvarding for ，vireless sensornetworks [Jl. ACM Transactions on Sensor Net.vorks （TOSN）2009， 5（4） ： 29-37.

[51]PAPADOPOULOS C Z， KOTSIOU V. CALLAIS A， et al. Wirelessmedium access control under mohility and bursty traffic assumptionsin WSNss [J]. Mobile Networks and Applications， 2015， 20（5） ：649-660.

[52] LIN E Y A. RABAEY J M， WOLISZ A. Power-efficient ren-dez-vous schemes for dense wireless sensor networks [C]. 2004IEEE InternationalConference o Communications. 2004 ：3769-3776.

[53] MAHLKNECHT S. BOCK M. CSMA-MPS： a minimum preamblesampling MAC protocol for low power wireless sensor networks [ C ] .Vienna： IEEE International Workshop on Factory CommunicationSystems ， 2004.

[54]WANG H， ZHANG X. NAIT-ABDESSELAM F. et al. DPS-MAC ：an asynchronous MAC protocol for wireless sensor networks [M].Berlin ： Springer Berlin Heidelherg ， 2007 ： 393-404.

[55] BERNARDO L， OLIVEIRA R. PEREIRA M， et al. A wireless sen-sor MAC protocol for bursty data traffic [ C ] . IEEE Conference on Per-sonal. Indoor and Mohile Radio Communications . 2007 ： 1-5.

[56]ELHOIYDI A. DECOTICNIE J D. WiseMAC： an ultra low powerMAC protocol for the do，vnlink of infrastructure wireless sensor net-works [C]. Alexandria： International Symposium on Computers &Communications ， 2004.

[57]TANC L， SUN Y， CUREWITZ 0， et al. PW-MAC： an energy-effi-cient predictive-，vakeup MAC protocol for wireless sensor networks[Cl. International Conference on Computer Communications，2011： 1305-1313.

[58]HAMADA L， HENNA S. AS-PW-MAC ： an adaptive scheduling pre-dictive wake-up MAC protocol for wireless sensor nenvorks [C].Sixth International Conference on Innovative Computing Technology ，2017.

[59] 馬禮 .高洪磊 .馬東超 .等.-種由接收端發起的無線傳感器網絡 MAC協議 [Jl.數據采-集與處理 ， 2016. 31（4） ： 154-157.

[60] 唐宏偉 ，徐明 ，孫彩霞 . THO-MAC ： -種兩跳優化的低延遲功2014. 36（ 1） ： 161-166.

[61] LU G， KRISHNAMACHARI B， RAGHAVENDRA C S. An adap-tive energy-efficient and low-latency MAC for data gathering in wire-less sensor networks [J]. Wireless Communications & Mobile Com-puting， 2010， 7（7） ： 863-875.

[62]VASANTHI N A， ANNADURAI S. Energy efficient sleep schedulefor achieving minimum latency in query based sensor networks [ C ] .IEEE International Conference on Sensor Networks . 2006.

[63] CAO Q， ABDELZAHER T. HE T. et al. Towards optimal sleepscheduling in sensor networks for rare-event detection [ c ] . Interna-tional Symposium on Information Processing in Sensor Networks，IEEE， 2005.

[64]DINH T， KIM Y， CU T， et al. L-MAC： a wake-up time self-learn-ing MAC protocol for wireless sensor networks [J]. Computer Net-works. 2016（ 105） ： 33-46.

[65]LI Y， YE W， HEIDEMANN J. Energy and latency control in low du-ty cycle MAC protocols [C]. Wireless Communications and NET-WORKING Conference. IEEE ， 2005 ： 676-682 .

[66]LU C， SADACOPAN hr， KRISHNAMACHARI B， et al. Delay effi-cient sleep scheduling in wireless sensor networks [Jl. Proceedingsof IEEE INFOCOM ， 2005（ 4） ： 2470-2481.

[67]YI J ， LEE H. Modeling and performance analysis for a receiver-initi-ated MAC protocol in wireless sensor networks [Jl. Computer Net Works.2016. 12（ 11） ： 178-186.

[68]SUN Y， CUREWITZ 0. JOHNSON D B. RI-MAC ： a receiver-initi-ated asynchronous duty cycle MAC protocol for dynamic traffic loadsin wireless sensor networks [ C ] . Proceedings of the 6th ACM confer-ence on Embedded network sensor systems， 2008 ： 1-14.

[69]HU Q， TIAN Q. TANC Z. RP-MAC： A passive MAC protocol withframe reordering for wireless sensor networks [ J] . International Jour-nal of Wireless Information Networks ， 2013 ， 20（ l ） ： 74-80.

[70]MUSALOIU-E R ， LIANG C J M . TERZIS A. Koala ： ultra-low pow-er data retrieval in wireless sensor networks [Cl. Information Pro-cessing in Sensor Networks . 2008. IEEE ， 2008 ： 421-432.

[71]JANG B ， LIM J B ， SICHITIU M L. An asynchronous scheduled MACprotocol for wireless sensor nenvorks [J] . Computer Networks . 2013 ，57（1） ： 85-98.