无线传感器网络MAC协议综述

IEEE802.11采用带冲突避免的载波侦听多路访问CSMA／CA协议，他可以作为基于竞争MAC协议的代表。但是该协议要求射频部分一直处于侦听状态，消耗r大量的能量，不适合无线传感器网络。S-MAC美国加州大学信息科学院的weiYe和Estrin等人在802．1lMAC协议的基础上，提出了S-AC(SensorMAC协议)该协议主要针对无线传感器网络的节省能量要求。S-AC协议通常假设传感器网络的数据传输量少，节点协作完成共同任务，网络内部能够进行数据处理和融合减少数据通信量，网络能够容忍一定程度通信延迟。S-MAC协议就是为减少空闲侦听、冲突避免和减少控制开销而设计的，采用了工作／休眠策略，将时间分为帧，每一帧分为工作阶段和休眠阶段。其主要采用以下儿种措施：(1)周期性侦听／睡眠：每个节点独立地调度他的工作状态，周期性地转入睡眠状态，睡眠期间关掉无线电收发部分，在苏醒后侦听信道状态，判断是否需要发送或接收数据。如图2所示。每个节点用SYNC消息通告自己的调度信息，同时维护一个调度表，保存所有相邻节点的调度信息。具有相同调度的节点形成一个虚拟簇，簇的边界节点记录两个或者多个调度，如图3所示。部署区域内，可能形成多个簇。为了适应新节点的加入，每个都要定期广播自己的调度，使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。(2)流量自适应侦听机制：通信节点的邻居节点在通信结束后不立即进入睡眠状态而是侦听信道一段时间，无须等待下一次调度，减少了多跳方式引起的传输延迟。(3)串音避免：每个节点在传输数据时，都要经历RTS／CTS／DATA／ACK的通信过程。每个分组都有一个域值(NAV)表示剩余通信过程需要持续的时间长度。若邻居节点处于侦听周期时，记录这个时间长度值，同时进入睡眠状态。NAV变为0时，节点就被唤醒。(4)消息传递：S-MAC协议利用RTS／CTS机制，一次预约发送整个长消息的时间，并把一个长消息分成许多短消息。如图4所示。不同的是：S-MAC的RTS／CTS控制消息和数据消息携带的时间是整个长消息的剩余时间，其他节点接收到这个剩余时间然后进入睡眠状态，直至长消息发送完成。而IEEE802．11MAC协议考虑网络的公平性，RTS／CTS只预约下一个发送短消息的时间，其他节点在每个短消息发送完成后都必须醒来进入侦听状态。S-MAC协议增加了能量的效率，避免了冲突造成的能量浪费，但是也存在不足：第一，由于是周期性的侦听和睡眠，一个节点给邻居发送数据只能等到他处于侦听状态，造成延时。第二，当邻居节点同时唤醒信道时，一致同步会增加邻居间冲突。第三，固定占空比不能随网络流量变化动态调整，低流量情况下会导致能量浪费，增加时延。T-MAC(timeoutMAC)协议［12］是在S-MAC协议的基础上提出的。T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调整活动时间，用突发方式发送信息，减少侦听时间。如图5所示，向上箭头表示发送消息，向下的箭头表示接收消息，上面部分的信息流表示节点一直处于侦听方式，下面部分表示采用T-MAC协议时的消息收发序列。发送数据时采用RTS／CTS／DATA／ACK的通信过程，节点周期性唤醒进行侦听，如果在一个给定时间TA(TimeActive)内没有发生下面任何一个激活事件，则活动结束：周期时间定时器溢出；在无线信道上收到数据；通过接收信号强度指示RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)感知存在无线通信；通过侦听RTS／CTS分组，确认邻居的数据交换已经结束。TA决定每个周期最小的空闲侦听时间，他的取值至关重要，其取值约束为：TAC+R+T，其中，C为竞争信道时间，R为发送RTS分组的时间，T为RTS分组结束到发出CTS分组开始的时间。T-MAC协议的优点是减少了空闲侦听功耗，适用于可变负载的场景，但是他根据当前网络通信情况，提前结束活动周期来减少空闲侦听，会带来早睡问题。为了解决早睡问题，提出了2种方法：未来请求发送；满缓冲区优先方案。但其效果如何在实践中仍未得到验证。T-MAC协议对网络动态拓扑结构变化的适应性也需要进一步研究。S-MAC和T-MAC协议采用周期性的活动／睡眠策略减少能量消耗，但出现数据在转发中走走一停停问题。处于睡眠状态的节点，要发送数据时必须等到活动周期才可以，中间节点要转发数据时，也必须等到下一跳节点处于活动周期。这种节点睡眠带来的延迟会随着路径上跳数的增加成比例增加。WiseMAC[3]由于唤醒前导会增加控制开销，必须把它压缩到最小。WiseMAC协议通过在数据确认包中携带节点下一次信道侦听时间，节点获得所有相邻节点的信道侦听时间。发送数据时，将唤醒前导压缩到最短。考虑到节点时钟漂移，唤醒前导长度Tp=min(4θL,Tw)。其中，θ是节点时钟漂移速度，L为从上次确认包到现在的时间，Tw是所有节点侦听信道的时间间隔。WiseMAC可以很好地适应网络流量变化。但由于节点需要存储相邻节点的信道侦听时间，会占用宝贵的存储空间，增加协议实现复杂度，尤其是在节点密度高的网络内这个问题尤为突出。DMACD-MAC分析了S-MAC和T-MAC的自适应工作/休眠策略，发现了数据转发中断问题，并提出了摆动唤醒策略来解决这个问题。从传感器节点到接收节点形成一棵数据汇集树，树中的数据传输是单向的，由孩子节点到父节点。节点采用工作/休眠状态转换，其中工作状态分为发送和接收两部分。摆动唤醒策略调整树中每层节点的工作周期，使孩子节点的发送时间与父节点的接收时间重合。在最理想情况下，数据转发会一直进行，没有任何延迟。DMAC协议就是针对这种数据采集树结构提出的，目的是减少网络的能量消耗和减少数据的传输延迟。主要采用如下的设计：(1)交错的唤醒调度：如图6所示，将节点周期划分为接收时间、发送时间和睡眠时间。其中接收时间和发送时间相等，均为发送一个数据分组时间。每个节点的调度时间具有不同的偏移，下层节点的发送时间对应于上层节点的接收时间。(2)当一个节点有多个分组要发送时，采用时隙到时隙的更新机制保证在多跳的路径上自适应增加他的占空比。(3)采用数据预测机制解决父结点早睡的问题。(4)采用(More-To-Send，MTS)分组机制，解决表兄弟结点间的干扰问题。DMAC这些机制都是为了减少数据在网络中的传输延迟以及减少网络能量的消耗。该协议非常适合边缘源节点数据流量小而中间融合节点数据流量大的传感器网络。DMAC协议需要节点间严格的时间同步。基于时分复用的MAC协议有许多优点：对信道进行预留，使得每个节点都可以公平地利用自己的时隙来发送数据，避免了信道竞争和串音问题，但是这类协议也存在许多不足：第一，网络扩展性方面存在不足；第二，需要时钟同步，很难调整时间帧的长度和时槽的分配；第三，对于传感器网络的节点移动、节点失效等动态拓扑结构适应性较差；第四，对于节点发送数据量的变化不敏感；第五，很难准确知道邻居节点间的干扰关系，难以完全避免冲突；第六，与竞争为主MAC协议相比，基于时分协议的信道利用率比较低，而且有比较高的时延。以数据为中心的无线传感器网络的一个重要的评价标准是实时性。基于调度的MAC协议由于无法完全避免冲突，网络中的端到端的延时无法预测，实时性无法得到保证。非碰撞的MAC协议由于在理论上完全避免了碰撞的产生从而可以保证实时性。TRAMA协议[8]。流量自适应介质访问(TRAMA)协议是一个高能效的，无冲突的MAC协议。TRAMA协议将时间划分为连续时隙，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布选举机制确定每个时隙的无冲突发送者。同时，通过避免把时隙分配给无流量的节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节省能量的目的。为发适应节点失败或节点增加等引起的网络拓扑结构变化，将时间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期。随机访问周期和调度访问周期的时隙个数根据具体应用情况而定。随机访问周期主要用于网络维护。TRAMA协议根据两跳范围内的邻居节点信息，由节点独立确定自己发送消息的时隙，同时避免把时隙分配给没有信息发送的节点，由此提高了网络吞吐量，克服了基于TDMA的MAC协议扩展性差的不足。但是TRAMA协议相对比较复杂，为了建立节点间一致的调度消息，计算和通信开销都比较大。TRAMA将时间分成时隙，用基于各节点流量信息的分布式选举算法来决定哪个节点可以在某个特点的时隙传输，以此来达到一定的吞吐量和公平性。Z-MAC。Z-MAC（zebraMAC）是一种结合CSMA和TDMA优点的混合MAC协议，节点根据网络的信道竞争程度自适应地调整信道的接入方式，利用TDMA解决高业务下节点间的竞争，可减少碰撞和串音；利用CSMA解决低业务下节点间对信道的竞争。可提高信道利用率并降低延时，Z-MAC协议是一个分布式的协议，具有良好的可扩展性，对节点的存储能力要求也较低，但Z-MAC协议的执行很复杂。薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀