無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效的MAC協(xié)議研究

摘要：目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議可分為發(fā)送端啟動和接收端啟動兩類。同步的發(fā)送端啟動協(xié)議同步代價高，基于前導(dǎo)的異步協(xié)議網(wǎng)絡(luò)利用率低，而接收端啟動的算法會產(chǎn)生發(fā)送端盲等等問題。本文結(jié)合這兩類協(xié)議的優(yōu)點，提出一種可自適應(yīng)變換數(shù)據(jù)傳輸模式的MAC協(xié)議(IL-MAC)。該協(xié)議根據(jù)節(jié)點的消息隊列長度決定當(dāng)前使用哪種傳輸模式，并通過局部同步算法減少發(fā)送端與接收端在建立連接時的盲等，解決了以上問題。在網(wǎng)絡(luò)仿真平臺NS2上的仿真實驗表明，IL-MAC要優(yōu)于RL-MAC，尤其在高負載下優(yōu)勢明顯。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；MAC協(xié)議；自適應(yīng)傳輸模式變換

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)由大量具有感知、計算和無線通信能力的廉價節(jié)點組成，通過節(jié)點間協(xié)作地感知和處理網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域中監(jiān)測對象的相關(guān)信息，為人們提供有關(guān)監(jiān)測對象的詳實而可靠的信息，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、戰(zhàn)場監(jiān)視、城市交通、智能家居等多個領(lǐng)域。
MAC協(xié)議負責(zé)在傳感器節(jié)點間分配有限的通信資源，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層通信結(jié)構(gòu)，因此是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個重要方面。
文獻統(tǒng)計了傳感器節(jié)點中通信單元、處理單元和傳感單元的能量消耗，如圖1所示。從圖中可以看到，傳感單元和處理單元的能耗遠遠低于通信單元的能耗，而在通信單元的四種狀態(tài)中，能耗依次按休眠、監(jiān)聽、接收及發(fā)送遞增，所以盡量增大節(jié)點休眠時間是節(jié)省能耗的一個重要措施。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議都將節(jié)省能耗作為研究重點，大部分協(xié)議都是通過節(jié)點周期性休眠以及不需要時關(guān)閉無線電收發(fā)器來節(jié)省能量。

目前傳感器網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議大致可以分為發(fā)送端啟動和接收端啟動兩類。在發(fā)送端啟動的同步協(xié)議中，各節(jié)點使用相同的休眠調(diào)度表，在各自規(guī)定的時間醒來參與通信活動，保證節(jié)點盡可能多地休眠而不會錯過任何一個數(shù)據(jù)。這類協(xié)議的典型代表有S-MAC、T-MAC等。此類協(xié)議可以極大地減少節(jié)點空閑監(jiān)聽的時間，但要求節(jié)點間保持精確同步，而其開銷卻是不可忽視的。在發(fā)送端啟動的異步協(xié)議中，各節(jié)點不需要按照相同的休眠調(diào)度表工作，發(fā)送端在有數(shù)據(jù)發(fā)送時在信道中發(fā)送一個長度略長于接收端休眠時間的前導(dǎo)信號，接收節(jié)點在醒來監(jiān)聽到前導(dǎo)信號時便開始接收數(shù)據(jù)。這類協(xié)議消除了顯式同步的需要，但由于大量的前導(dǎo)消息增大信道的壓力，降低了信道的整體利用率。這類協(xié)議的典型代表有B-MAC、X-MAC等。
接收端啟動的協(xié)議是近兩年提出的一種新協(xié)議，典型代表為RI-MAC。發(fā)送端有數(shù)據(jù)發(fā)送時在信道中靜默監(jiān)聽，接收端醒來后即發(fā)送信標(biāo)(beacon消息)，發(fā)送端在監(jiān)聽到信標(biāo)后發(fā)送數(shù)據(jù)。該算法由于消除了發(fā)送端前導(dǎo)信號對信道的占用，提高了信道的利用率。但是在高負載情況下，發(fā)送端的盲等、過聽會造成節(jié)點能量的大量消耗，另外正在發(fā)送的節(jié)點可能會較長時間占用信道，導(dǎo)致其它節(jié)點的數(shù)據(jù)包傳輸延遲增大。

1 問題描述與分析
由上述分析可知，異步的RI-MAC協(xié)議沒有采用發(fā)送端前導(dǎo)偵聽技術(shù)，這既是它的優(yōu)點，也是它的缺點。優(yōu)點是避免了某個發(fā)送節(jié)點長時間占用信道，缺點是發(fā)送端和接收端失去了有效的溝通渠道，在負載較大時可能導(dǎo)致發(fā)送端盲等和數(shù)據(jù)傳輸延遲增加。在圖2的例子中，S1和S2監(jiān)聽信道，等待各自的接收端R1和R2醒來。R2首先醒來發(fā)送beacon消息，s2向。R2發(fā)送數(shù)據(jù)。在此過程中R1醒來，發(fā)現(xiàn)信道被占用后轉(zhuǎn)入休眠。隨后S3監(jiān)聽信道準備向R3發(fā)送數(shù)據(jù)，R3醒來后與S3建立數(shù)據(jù)傳輸。在此過程中S1再次醒來，發(fā)現(xiàn)信道仍被占用，再次轉(zhuǎn)入休眠。S1監(jiān)聽整個時間段，始終未監(jiān)聽到R1，數(shù)據(jù)傳輸被長時間推遲。

在發(fā)送端啟動的異步MAC協(xié)議中，前導(dǎo)被發(fā)送端用來獲取信道并聲明有數(shù)據(jù)發(fā)送，只要相應(yīng)的接收端如期醒來，數(shù)據(jù)傳輸就能夠完成。而RJ-MAC依靠接收端發(fā)送beacon消息來聲明自己的存在，能否進行數(shù)據(jù)傳輸要取決于是否有發(fā)送端正準備向其發(fā)送數(shù)據(jù)。也就是說，作為數(shù)據(jù)生產(chǎn)者或轉(zhuǎn)發(fā)者的發(fā)送節(jié)點，只能被動等待傳輸請求，卻無法主動要求進行數(shù)據(jù)傳輸。