能量采集傳感器網絡中MAC協議研究綜述

鄭祖朋，汪祖民，彭 楊，季長清，秦 靜

1.大連大學 信息工程學院，遼寧 大連 116622

2.華盛頓大學博賽爾分校 計算機系，華盛頓 博賽爾 98021

3.大連大學 物理科學與技術學院，遼寧 大連 116622

1 引言

WSN由大量具有一定感知、計算能力的傳感器節點組成，通過多跳的方式將采集到的信息傳輸到匯聚節點，實現對部署區域的監測[1]。隨著通信技術的發展，WSN已被應用到各個領域。如智能家居[2]、智慧醫療[3-4]、智慧交通[5]、工業檢測[6]、軍事偵查[7-8]、災害預測管理[9]、建筑物安全監測[10]、食品安全檢測管理[11]等。WSN的使用為智能化的發展提供了強大的動力與支持。傳統的WSN由電池提供能量，其使用壽命嚴重受限于電池的容量。如何提高WSN的網絡壽命，是一個比較困難的問題。一個解決方案是更換電池來延長使用壽命，但在很多情況下是難以實現的，甚至是不切實際的。電池的更換需要消耗大量的資源，且會帶來更多環境污染問題。另一個解決方案是通過最小化能源消耗來延長網絡壽命。通過MAC協議的設計來降低網絡的能耗，能夠大大提高網絡的使用壽命。傳統的MAC協議，如S-MAC[12]、Z-MAC[13]等，其主要目標是節能，卻忽略了網絡性能（網絡吞吐量、延遲、公平性、負載平衡等參數都未考慮）。最終，WSN的壽命還是受限于有限的電池容量。

能量采集（EH）技術的提出為能量受限問題提供了一個很好的解決方案。EH是將環境能量（太陽能、風能、熱能、射頻能等）轉化成電能的技術[14]。利用EH技術來代替電池供電，傳感器節點的設計可以更加精簡，WSN的網絡壽命可以極大延長。目前能量采集傳感器網絡（EH-WSNs）正被應用到各個領域[15-18]。EH-WSNs的實現主要是EH技術和協議棧的相互協作完成的，其主要的工作是傳感、接收數據和發送數據，因此MAC協議的設計是非常重要的。EH-WSNs下的MAC協議，主要目標是利用現有的能量提高WSN的性能和能量效率。傳感器網絡在延遲、吞吐量、公平性等方面的性能很大程度上都取決于MAC協議的設計[19]。因此EHWSNs下的MAC協議相比傳統的電池供電MAC協議具有很大的不同，且更具有挑戰性。

2 EH-WSNs中的MAC協議設計要求

EH-WSNs中，傳感器節點的能量采集能力受到環境條件的影響，無法保持持續的供電，節點的數據傳輸也都需要考慮剩余能量水平。因此，傳統的MAC協議無法直接使用到EH-WSNs中。為了更好地提高EHWSNs的網絡性能，需要考慮MAC協議的設計要求。主要包含以下幾個方面：

（1）設計原則：電池供電的WSN，其網絡壽命受到電池容量的限制。其MAC協議的主要目標是降低傳感器節點的能源消耗來延長網絡壽命，但是降低了網絡性能。在EH-WSNs中，傳感器節點通過EH，極大地延長了網絡壽命。MAC協議中不再以延長網絡壽命為主要任務，而是在短暫通信的時間內提高網絡的性能。

（2）自適應占空比：傳感器節點通過EH獲取足夠的能量來進行數據的傳輸，但是每個節點的能量采集能力不同。無法保證相鄰節點能夠同時采集完成，然后進行通信傳輸。EH-WSNs下的MAC協議需要根據節點的能量采集率和可用能量源的多少，自適應控制其睡眠/喚醒機制來進行同步通信。

（3）能量中性（Energy Neutral Operation，ENO）[20]：EH-WSNs下的傳感器節點需要保證剩余的能量大于或等于傳輸數據所需消耗的能量，才能保證網絡的最大性能。這就需要節點自適應占空比，根據自身條件調整能量的采集與數據的傳輸。

（4）服務質量（QoS）[21]：QoS的好壞代表著網絡性能的高低，在網絡中MAC協議的改進就是為了提高QoS指標。由于WSN的應用環境不同，所要取得的性能指標也不同。QoS的性能指標主要有吞吐量、數據傳輸延遲、丟包率、能源利用率、適應性、寬帶利用率等。

（5）可擴展性：能量采集環境條件多變，EH-WSNs必須在不同的節點密度和流量負載下都能進行良好的工作。且MAC協議能夠根據傳感器節點的增加或減少，自適應改變其工作狀態。因此，可擴展性也是MAC協議需要考慮的一個關鍵因素。

3 EH-WSNs中的MAC協議分類

基于EH的MAC協議相比傳統電池供電的MAC協議具有很大的不同，電池供電下的MAC協議無法直接應用到EH-WSNs中。首先，環境能量具有隨機性，只提供間歇性的能量。傳感器節點的能量采集速率和能源可用性都比較依賴于環境因素，無法保證處于能量采集狀態的節點能夠按照同步調度進行喚醒，因此多采用異步MAC協議[22-23]。其次，環境能量采集率較低，傳感器節點需要進行長時間的能量采集以能夠進行短時間的數據傳輸。異步MAC協議需要根據環境條件、采集率、爭用時間等進行自適應調整占空比，來協調能量的采集與數據傳輸。

如表1所示，異步MAC協議從初始化過程上可以分為發送端發起的MAC協議和接收端發起的MAC協議。發送端發起的協議通過發送序言來確認接收端是否準備好接收數據來進行數據傳輸工作，但是增加了空閑監聽和數據碰撞的概率。與接收端發起的MAC協議相比，接收端發起的MAC協議具有更大的優點。接收端發起的MAC協議通過發送信標通知發送端發送數據，縮短了占用信道的時間，且信標相比序言更短，減少了空閑監聽和數據沖突。EH-WSNs中的MAC協議主要分為基于占空比調整的MAC協議、基于CSMA/CA的MAC協議、基于能量采集與數據傳輸平衡的MAC協議，本文中介紹了幾種比較有代表性的MAC協議。

表1 EH-WSNs中MAC協議技術分析

4 EH-WSNs中的MAC協議分析

4.1 基于占空比調整的MAC協議

2014年，Liu等人提出了一種具有能量和負載均衡的異步接收端MAC協議——LEB-MAC[24]協議。該協議中節點根據能量采集率、剩余能量進行調整占空比，根據節點的能量水平利用模糊控制方法來確認合適的睡眠間隔。接收端將節點的喚醒時間和下一次預期喚醒時間等信息，通過信標的形式發送給鄰居節點。鄰居節點根據信標和節點的能量水平，來同步占空比。2016年，Nguyen等人提出了一種自適應占空比協議RFAASP[25]協議。該協議采用射頻能量采集的方式，使用兩種不同的天線進行能量采集和數據的傳輸，來實現能源效率和QoS的平衡。該協議中通過計算相鄰間隔信標的數據包數量來估計QoS參數的變化，以此來提高QoS。并根據網絡中的負載、節點的剩余能量來主動調整睡眠周期，最終降低網絡爭用，提高網絡的吞吐量和能源效率。2018年，Tanabe等人提出的ENRI-MAC[26]協議中根據需要進行數據傳輸的傳感器節點數量動態調整自己的間歇間隔，在多跳的環境中可以降低節點的丟包率。該協議同時兼顧可擴展性和能量中性，最后通過實景測試，相比傳統的間歇接收數據傳輸的協議具有更高的能量效率。2018年，Sarang等人提出了QPPD-MAC[27]協議，在動態采集環境中，節點根據能量的不同級別調整占空比。通過發送CCA查看介質的狀態，以進行協調節點的數據傳輸。并且在發送端對數據設定優先級級別，提高了數據傳輸率，降低了數據沖突。傳感器節點定期醒來進行數據傳輸，當接收到最高級別的數據時，取消定時器進行數據接收，降低了傳輸延遲。通過實景測試，在環境多變的太陽能采集中能取得較好的性能。

在自適應占空比協議中，都考慮到剩余能量水平和能量采集率來調整睡眠/喚醒周期。這種方式能夠根據實際的環境條件來調整節點的數據傳輸工作。LEBMAC協議中，接收方通過維護發送方的調度時間表和采用優先級機制來降低數據沖突問題。由于接收方的喚醒調度是可以知道的，所以根據鄰居節點的占空比可以相互協調通信，這種方式提高了網絡傳輸效率。但是在初次通信時，無法獲知接收方的調度信息，可能需要等待較長的時間來進行同步，會造成較長的延遲。而且在動態網絡中，沒有能量預測機制，對于數據傳輸的控制可能會更困難一些。RF-AASP協議中，能夠根據流量模式自適應調整充電時間，且可以通過調整信標中的參數來提高QoS。但是該協議只是在仿真的環境中進行的測試，沒有考慮真實的RF環境。對于射頻能量采集，需要在真實的環境中進行測試才比較合理。ENRIMAC協議中考慮了需要進行數據傳輸的傳感器節點數量，根據該數量來調整節點的間歇間隔，該種方式具有更高的能量效率。在QPPD-MAC協議中，采用了類似于LEB-MAC協議中的優先級機制。對數據包設定優先級，具有較高優先級的數據包優先傳輸。這種方式可以降低數據等待的時間，也會減少發生數據沖突的問題。同時采用了類似于RF-AASP協議中調整占空比的方法，提高了能源效率。這兩種方法在最近的研究中多次被使用，通過最后的實驗結果也可以看出，這兩種方法都是比較合理的。最后該協議在真實的環境中進行了實驗，從表2的性能比較中可以看出該協議取得了較好的性能（表2為分析各協議實驗結果總結得出）。

4.2 基于CSMA/CA的協議

2014年，Naderi等人提出的RF-MAC協議。RFMAC[28]協議在CSMA/CA協議的基礎上進行改進。通過信道感知對其數據傳輸和能量傳輸進行管理，它不僅使數據傳輸中斷最小化，而且優化了節點的能量傳遞。根據節點的剩余能量水平進行優先級的設定，傳感器節點的數據傳輸次序根據優先級的次序進行選擇，提高了網絡壽命。該協議通過真實的實驗驗證了各因素對其效率的影響，并對其進行改進，具有比較高的合理性。通過對能量發射器及其頻率的聯合選擇、設置最大能量充電閾值、請求和授予能量以及能量感知訪問優先級等問題的解決，提高了能量采集率和網絡的吞吐量。2018年Lee等人提出了CSMA-MAC[29]協議，該協議采用CSMA/CA機制（基于超幀結構）。傳感器節點在進行數據傳輸時，采用CSMA/CA機制進行信道爭取，調節節點通信。該協議中分析探討信道訪問與數據傳輸的關系，其中當請求節點的數量越多，每個超幀的槽分配成功率就會降低。同時超幀的持續時間越長，則超幀分配成功率就會越高。且該協議可以適應數據包大小，通過分析這些關系來合理控制數據傳輸。

表2 EH-WSNs中MAC協議性能比較

多節點進行數據傳輸時，節點通過發送信標等進行信道獲取，協調數據傳輸工作。在信道獲取時往往會發生信道沖突，MAC協議中使用CSMS/CA機制進行信道爭用，可以給每個節點提供一個合適的機會。通過最后的性能指標可以看出，該種方法可以獲得更好的公平性，也降低了延遲。在RF-MAC協議中，采用分布式發射機協同波束形成的思想進行無線能量傳輸，利用不同相位的高頻信號對輸出功率進行優化在一定程度上能提高能源效率。但是高頻信號的時間同步很難達到，且該協議不是在射頻能量采集環境下使用的。隨著通信技術的發展與使用，射頻信號的覆蓋率會越來越廣。適合射頻采集環境的MAC協議會是很有價值的。且CSMAMAC也只是在理論的仿真上進行的測試，實際的環境條件會更加復雜。

4.3 基于能量采集與傳輸平衡的MAC協議

EH下的傳感器節點往往具有較低的能量采集率，因此需要較長時間進行能量的采集以足夠發送數據的消耗。往往會出現較低能量采集率的傳感器節點需要傳輸較大的數據，這種能量采集與數據傳輸的不平衡嚴重影響傳感器網絡的性能。2016年Hawa等人針對這個問題提出了S-LEARN[30]協議，該協議采取獨立、分布式的方法控制傳感器節點，擁有學習行為。根據節點之間的沖突，學習節點的傳播規律，以此協調節點在合適的時間、頻段、時隙內進行傳輸。利用計數器感知周圍的變化來選擇合適的波段進行能量采集，減小了能量采集和數據傳輸之間的沖突。降低了數據沖突問題，提高了網絡吞吐量。2018年Kim等人提出了HE-MAC[31]協議。該協議中，傳感器節點先進行能量采集然后再進行數據的傳輸，有效協調ET和通信在相同頻段的工作。同時改進了分布式協調系統，使節點可以接受連續的幀傳輸，可以提高傳輸效率。并且采用了RTS/CTS來降低數據傳輸中的沖突問題。最后利用馬爾可夫鏈模型和穩態概率進行性能分析，通過對RF-MAC和DOS[32]協議進行比較，在能量采集率與網絡吞吐量上都取得比較好的性能。

在射頻能量采集環境中，ET和通信都在相同的頻段工作時，這就會出現兩者間的權衡。S-LEARN協議和HE-MAC協議都是考慮能量采集與數據傳輸而做出的改進。在S-LEARN協議中利用自學習技術，學習節點數據沖突時的廣播規律，來選擇合適的發送時間、頻段等信息。認知無線電技術可以大大提高頻譜數量，提高頻譜的使用率。對于射頻能量采集MAC協議的設計，認知無線電的使用會提高網絡的性能，且認知無線電技術在不久的將來會獲得突破性的發展。而HEMAC通過RTS/CTS技術來降低數據沖突。從最后的性能分析中可以看出，自學習技術是可取的。

5 總結與展望

在能量采集環境下的MAC協議中，每種協議都是針對特定的能量采集環境。至今為止，沒有一種協議能夠適應多種能量采集環境。在這特定MAC協議中，優化能源利用率仍然是其主要的目標，MAC協議中QoS的實現仍然受到很多的限制。因此，在未來MAC協議的設計中還需要考慮到其他幾種因素。

首先是關于能量的預測[33-34]。不僅要知道現有的能量水平，也要知道短期內將要獲得的能量水平，這樣就可以優化協議。然后是能源消耗與數據傳輸的平衡。大多數協議中使用了占空比調整和數據優先級機制來減少沖突和能耗問題，通過實驗看出，這些方法是有效的。但另一方面，為了提高EH-WSNs網絡的性能，MAC協議應該根據節點的實際能量水平與數據傳輸的數量動態改變能量獲取和傳輸的狀態。隨著通信技術的發展，射頻信號的覆蓋面積越來越廣，射頻能量采集技術已被廣泛用于各個領域。通過射頻信號為傳感器節點進行充電會更加的便捷，射頻能量采集具有非常大的潛力。但是可用的頻段依然有限，這限制了網絡性能的提升。在未來的MAC協議設計中，應多考慮如何擴大使用多頻段的信號。比如說利用認知無線電，可以允許次要用戶機會性地訪問頻譜所有者未充分利用的頻譜波段[35]。最后，在能量采集MAC協議中，大多都是進行仿真實驗。這些仿真對一些不現實的假設進行了妥協。在真實的環境下，這些協議的設計可能具有更大的挑戰。在未來，越來越多的物件連接到物聯網。WSNs作為物聯網浪潮中重要的一部分，用于物聯網中的MAC協議，兼容性是另一個比較大的挑戰。