无线传感器网络MAC协议
摘要近年来，无线传感器网络(WSNs)作为国内外一个新兴的研究方向，吸引了许多研究者和机构的广泛关注。本文从无线传感器网络MAC 协议角度出发，介绍了无线传感器网络的MAC 协议及当前的研究现状，分析了无线传感器网络协议和传统网络协议在设计上的不同点，对已有的MAC 协议进行分类，着重研究和比较了S-MAC和T-MAC无线传感器网络MAC 协议。最后，展望了无线传感器网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势。
关键词无线传感器网络(WSNs)，MAC协议，能量有效性
Abstract In recent years, wireless sensor networks (WSNs), as a new research direction at home and abroad, has attracted the attention of many researchers and organizations. We conduct a deeply research on wireless sensor network MAC protocol,and we propose the difference between WSN and traditional networks, not only given the characteristic of WSN, we also have illustrate the research orientation in this area.Focus on the research and comparison of S-MAC and T-MAC wireless sensor network MAC protocol. Finally, the future research strategies and trends of MAC protocols in WSNs are summarized.
Key words Wireless sensor networks (WSNs), MAC protocols, energy-efficiency
1、绪论
IEEE802系列标准把数据链路层分成MAC（Media Access Control，介质访问控制）和LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）两个子层。上面的LLC子层实现数据链路层与硬件无关的功能，比如流量控制、差错恢复等；较低的MAC子层提供LLC和物理层之间的接口。其中MAC子层定义了数据包怎样在介质上进行传输。在共享同一个带宽的链路中，对连接介质的访问是“先来先服务”的。物理寻址在此处被定义，逻辑拓扑（信号通过物理拓扑的路径）也在此处被定义。线路控制、出错通知（不纠正）、帧的传递顺序和可选择的流量控制也在这一子层实现[1]。
在无线传感器网络中，为了应对可能出现多个节点设备同时接入信道，从而导致分组之间相互冲突，使接收方无法分辨出接收到的数据，浪费信道资源，吞吐量显著下降。为了解决这些问题，就需要MAC（介质接入控制）协议，而MAC协议指的就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质，它决定了节点什么时候允许发送分组，而且通常控制对物理层的所有访问。
在无线传感器网络中，为了实现多点通信，由MAC（Medium Access Control）介质访问控制层协议决定了局部范围无线信道的使用方式，以及多跳自组织无线传感器网络节点之间的通信资源分配，也就是说必须实现两大基本功能目标：在传感器分布的现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享介质的访问，以便传感器网络节点能够公平有效地分享通信资源[2]。
2、无线传感器网络MAC协议
2.1、引言
MAC协议位于OSI七层协议中数据链路层，数据链路层分为上层LLC（Logical Links Control，逻辑链路控制），和下层的MAC（媒体访问控制），MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC（逻辑链路控制）层。
MAC协议的主要功能则是避免多个节点同时发送数据产生冲突，控制无线信道的公平合理使用，构建底层的基础网络结构。MAC 协议最重要的功能是确定网上的某个站点占有信道，即信道分配问题。
在设计无线传感器网络的MAC 层协议时，下面三个方面问题最值得重点关注[3]：能量感知和节省；网络效率（包括公平性、实时性、网络吞吐率和带宽利用率等）；可扩展性。尽管蓝牙（Bluetooth）、移动自组织网络（MANET）和无线传感器网络在通信基础设施上有相似的地方，但由于网络寿命的制约，没有哪个现存的蓝牙或移动自组织网络MAC 协议可以直接用在无线传感器网络。除了节能和有效节能外，移动性管理和故障恢复策略也是无线传感器网络MAC 协议首要关注的问题之一。尽管移动蜂窝网络、Ad-hoc 和蓝牙技术是当前主流的无线网络技术，
但它们各自的MAC 协议不适合无线传感器网络，如GSM 和CDMA 中的介质访问控制主要关心如何满足用户的QoS 要求和节省带宽资源，能耗是第二位的；Ad-Hoc 网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接，同时兼顾一定的QoS 要求，能耗也不是其首要关心的；而蓝牙采用了主从式的星型拓扑结构，这本身就不适合传感器网络自组织的特点。综上所述，需要为为无线传感器网络设计符合其自身特点的MAC 层协议。
2.2、无线传感器网络MAC协议分类
MAC协议主要负责协调网络节点对信道的共享。WSNs网络的MAC协议可以按以下几种不同的方式进行分类：
1）根据采用分布式控制还是集中控制，可分为分布式执行的协议和集中控制的协议。这类协议与网络的规模直接有关，在大规模网络中通常采用分布式的协议。
2）根据使用的信道数，即物理层所使用的信道数，可分为单信道、双信道和多信道，如S-MAC，LEEM分别为单信道和双信道的MAC协议。使用单信道的MAC协议，虽然节点的结构简单，但无法解决能量有效性和时延的矛盾；而多信道的MAC协议可以解决这个问题，但增加了节点结构的复杂性。
3）根据信道的分配方式，可分为基于TDMA的时分复用固定式、基于CSMA的随机竞争式和混合式三种。基于TDMA的固定分配类MAC层协议，通过把时分复用（TDMA）和频分复用（FDMA）或者码分复用（CDMA）的方式相结合，实现无冲突的强制信道分配，如下面要讨论的C-TDMA 协议；以竞争为基础的MAC协议，通过竞争机制，保证节点随机使用信道，并且不受其他节点的干扰，如S-MAC。混合式是把基于TDMA的固定分配方式和基于CSMA 的竞争方式相结合，以适应网络拓扑、节点业务流量的变化等，如Z-MAC[4]。
4）根据接收节点的工作方式，可分为侦听、唤醒和调度三种。在发送节点有数据需要传递时，接收节点的不同工作方式直接影响数据传递的能效性和接入信道的时延等性能。接收节点的持续侦听，在低业务的WSNs 网络中，造成节点能量的严重浪费。通常采用周期性的侦听睡眠机制以减少能量消耗，但引入了时延。为了进一步减少空闲侦听的开销，发送节点可以采用低能耗的辅助唤醒信道发送唤醒信号，以唤醒一跳的邻居节点，如STEM协议[5]。在基于调度的MAC 协议中，接收节点接入信道的时机是确定的，知道何时应该打开其无线通信模块，避免了能量的浪费。
5）根据不同的用户应用需求，可分为基于竞争的MAC协议、基于固定分配的MAC协议以及基于按需分配的MAC协议三类。其中基于竞争的MAC协议，即节点在需要发送数据时采用某种竞争机制使用无线信道。这就要求在设计的时候必须要考虑到如果发送的数据发生冲突，采用何种冲突避免策略来重发，直到所有重要的数据都能成功发送出去。基于固定分配的MAC协议，即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执行，这样以来就避免了冲突，不需要担心数据在信道中发生碰撞所造成的丢包问题。目前比较成熟的机制是时分复用（TDMA）。基于按需分配的MAC协议，即根据节点在网络中所承担数据量的大小来决定其占用信道的时间，目前主要有点协调和无线令牌环控制协议两种方式。
2.3、无线传感器网络MAC协议的设计思想
传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC 协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。在设计无线传感器网络的MAC 协议时[6-7]，需要着重考虑以下几个方面：（1）节省能量。传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，而且电池能量通常难以进行补充，为了长时间保证传感器网络的有效工作，MAC 协议在满足应用要求的前提下，应尽量节省使用节点的能量。
（2）可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。MAC 协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。
（3）冲突避免。冲突避免是MAC协议的一项基本任务。它决定网络中的节点何时、以何种方式访问共享的传输媒体和发送数据。在WSNs 网络中，冲突避免的能力直接影响节点的能量消耗和网络性能。
（4）信道利用率。信道利用率反映了网络通信中信道带宽如何被使用。在蜂窝移动通信系统和无线局域网中，信道利用率是一项非常重要的性能指标。因为在这样的系统中，带宽是非常重要的资源，系统需要尽可能地容纳更多的用户通信。相比之下，WSNs 网络中处于通信中的节点数量是由一定的应用任务所决定的，信道利用率在WSNs网络中处于次要的位置。
（5）延迟。延迟是指从发送端开始向接收端发送一个数据包，直到接收端成功接收这一数据包所经历的时间。在WSNs 网络中，延迟的重要性取决于网络的应用。
（6）吞吐量。吞吐量是指在给定的时间内发送端能够成功发送给接收端的数据量。网络的吞吐量受到许多因素的影响，如冲突避免机制的有效性、信道利用率、延迟、控制开销等。和数据传输的延迟一样，吞吐量的重要性也取决于WSNs网络的应用。在WSNs 网络的许多应用中，为了获得更长的节点生存时间，允许适当牺牲数据传输的延迟和吞吐量等性能指标。
（7）公平性。公平性通常指网络中各节点、用户、应用，平等地共享信道的能力。在传统的语音、数据通信网络中，它是一项很重要的性能指标。因为网络中每一个用户，都希望拥有平等发送、接收数据的能力。但是在WSNs网络中，所有的节点为了一个共同的任务相互协作，在某个特定的时刻，存在一个节点相比于其他节点拥有大量的数据需要传送。因此，公平性往往用网络中某一应用是否成功实现来评价，而不是以每个节点平等发送、接收数据的能力来评价。
由于现在传感器节点的能量供应问题没有得到很好解决，传感器节点本身不能自动补充能量，节约能量成为传感器网络MAC 协议设计首要考虑的因素。在传统网络中，节点能够连续地获得能量供应，如在办公室有稳定的电网供电，或者可以间断但及时地补充能量，如笔记本电脑和手机等；整个网络的拓扑结构相对稳定，网络的变化范围和变化频率都比较小。因此，传统网络的MAC 协议重点考虑节点使用带宽的公平性，提高带宽的利用率以及增加网络的实时性。而传感网的MAC 协议于传统网络的MAC 协议所注重的因素正好相反，这意味着传
统网络的MAC 协议不适用于传感器网络，需要研究和提出新的适用于传感器网络的MAC 协议。
在无线传感器网络中，造成网络能量浪费的主要原因包括以下几个方面[6-7]：
（1）消息碰撞（Message collision）。如果MAC 协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞。这就需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。
（2）窃听（Overhearing）。无线信道是一个共享媒体，一个节点可能会接收到发送给其他节点的消息，这时节点消耗在接收数据上的能量被浪费掉了。因此从节能考虑，这时应将其无线传输模块关闭。
（3）空闲侦听（Idle listening）。网络中的节点，由于不能预知它的邻节点什么时候会向其发送数据，所以将其无线收发模块始终保持在接收模式，节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。这种过度或没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费。原因在于典型的无线收发模块处于接收模式时消耗的能量，比其处于睡眠模式时要多几个数量级。
（4）在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网络能量。
（5）控制报文开销（Control-packet overhead）。在MAC协议的头字段和控制消息包（ACK/RTS/CTS）中没有包含有效的数据，因此可认为是一种损耗。为了提高能效应该尽可能减少控制消息。
（6）发送失效（Overemitting）。在目的节点没有准备好接收时，发送节点发送了消息，造成能量的浪费。
结合上述因素，在MAC 协议的设计，通常应该简单高效，避免协议本身开销大，消耗过多能量。
2.4、无线传感器网络MAC协议分析
（1）S-MAC协议
图1
S-MAC协议。S-MAC（Sensor medium ac-cess control）协议[11]是Wei 等在IEEE 802.11协议的基础上，针对WSNs网络的能量有效性而提出的专用于WSNs网络的节能MAC协议。S-MAC协议设计的主要目标是减少能量消耗，提供良好的可扩展性。它针对WSNs网络消耗能量的主要环节，采用了以下三方面的技术措施来减少能耗：a）周期性侦听和休眠。如图1所示，每个节点周期性地转入休眠状态，周期长度是固定的，节点的侦听活动时间也是固定的。如图2所示，图中向上的箭头表示发送消息，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的消息收发序列；下面部分的信息流，表示采用S-MAC 协议时的消息收发序列。节点苏醒后进行侦听，判断是否需要通信。为了便于通信，相邻节点之间，应该尽量维持调度周期同步，从而形成虚拟的同步簇。同时每个节点需要维护一个调度表，保存所有相邻节点的调度情况。在向相邻节点发送数据时唤
醒自己。每个节点定期广播自己的调度，使新接入节点可以与已有的相邻节点保持同步。如果一个节点处于两个
不同调度区域的重合部分，则会接收到两种不同的调度，节点应该选择先收到的调度周期。b）消息分割和突发传输。考虑到WSNs网络的数据融合和无线信道的易出错等特点，将一个长消息分割成几个短消息，利用RTS/CTS 机制一次预约发送整个长消息的时间，然后突发性地发送由长消息分割的多个短消息。发送的每个短消息都需要一个应答ACK，如果发送方对某一个短消息的应答没有收到，则立刻重传该短消息。c）避免接收不必要消息。采用类似于802.11的虚拟物理载波监听和RTS/CTS 握手机制，使不收发信息的节点及时进入睡眠状态。
图2 S-MAC协议
S-MAC协议同IEEE 802.11相比，具有明显的节能效果，但是由于睡眠方式的引入，节点不一定能及时传递数据，使网络的时延增加、吞吐量下降；而且S-MAC采用固定周期的侦听/睡眠方式，不能很好地适应网络业务负载的变化。针对S-MAC协议的不足，其研究者又进一步提出了自适应睡眠的S-MAC协议[12]。在保留消息传递、虚拟同步簇等方式的基础上，引入了如下的自适应睡眠机制：如果节点在进入睡眠之前，侦听到了邻居节点的传输，则根据侦听到的RTS 或CTS 消息，判断此次传输所需要的时间；然后在相应的时间后醒来一小段时间（称为自适应侦听间隔），如果这时发现自己恰好是此次传输的下一跳节点，则邻居节点的此次传输就可以立即进行，而不必等待；如果节点在自适应侦听间隔时间内，没有侦听到任何消息，即不是当前传输的下一跳节点，则该节点立即返回睡眠状态，直到调度表中的侦听时间到来。自适应睡眠的S-MAC在性能上通常优于S-MAC，特别是在多跳网络中，可以大大减小数据传递的时延。S-MAC和自适应睡眠的S-MAC协议的可扩展性都较好，能适应网络拓扑结构的动态变化。缺点是协议的实现较复杂，需要占用节点大量的存储空间，这对资源受限的传感器节
点，显得尤为突出。
（2）T-MAC协议
图3
T-MAC 协议[13]。T-MAC（Timeout MAC）协议，实际上是S-MAC协议的一种改进，如图3所示。S-MAC协议的周期长度受限于延迟要求和缓存大小，而侦听时间主要依赖于消息速率。因此，为了保证消息的可靠传输，节点的周期活动时间必须适应最高的通信负载，从而造成网络负载较小时，节点空闲侦听时间的相对增加。针对这一不足，从而提出了T-MAC协议。该协议在保持周期侦听长度不变的情况下，根据通信流量动态调整节点活动
时间，用突发方式发送消息，减少空闲侦听时间。其主要特点是引入了一个TA时隙。如图4所示，图中箭头表示的意义与图2相同。若TA 期间没有任何事件发生，则节点进入睡眠状态以实现节能。与S-MAC相比，主要的不同点是：T-MAC同样引入串音避免机制，但在T-MAC 协议中，作为一个选择项，可以设置也可以不设置。T-MAC 与传统无占空比的CSMA和占空比固定的S-MAC 比较，在负载不变的情况下，T-MAC和S-MAC节能相仿，而在可变负载的场景中，T-MAC要优于S-MAC。但T-MAC协议的执行，会出现早睡眠问题，引起网络的吞吐量降低。为此，它采用了两种方法来提高早睡眠引起的数据吞吐量下降：a）未来请求发送机制，b）满缓冲区优先机制，但效果并不是很理想。总之，T-MAC协议在节能方面优于S-MAC，但要牺牲网络的时延和吞吐量。T-MAC的其他性能与S-MAC相似。
图4 T-MAC协议
3、未来展望
无线传感器网络巨大的科学意义和应用价值，已经引起了学术界、工业界和军事部门的极大关注，成为当前热门的研究领域，其未来的广泛应用将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
在无线传感网络中，MAC 协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，处于传感器网络协议的物理层和路由层之间，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。因此，MAC 协议的效率对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。作为无线传感器网络的“基石”，对于构建网络拓扑，实现网络管理等诸多方面至关重要。
由于不同应用场合对网络的要求不同，对MAC协议来说，不存在一个适用于所有WSNs网络应用的MAC协议，也没有一种协议在各方面明显强于其他协议，各种MAC协议在能量有效性和网络延迟等性能之间[14-17]，都存在不同程度的矛盾性，且受到多方面因素的制约，但能量有效性是设计一个好的MAC协议的关键因素，能量高效的MAC协议仍然是今后的一个开放性研究课题，在现有研究的基础上，将来WSNs网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势如下：
1.利用多信道和动态的信道分屏技术进行节能研究。随着微电子机械技术的发展，低能、低成本、集成具有多信道或两个不同频率无线模块的收发器已经成为可能。合理地使用多个信道的资源，基于局部节点协作的方法，进行信道的动态分配，可以实现节能和改进网络性能。信道分配技术利用调度算法，在发送时隙和节点之间建立起特定的映射关系，为我们进行节能协议的设计提供了良好的条件。
2.采用跨层优化设计。WSNs网络由于受到节点的资源限制，分层的协议栈已不适应能量、内存等节点资源的有效利用。将MAC层、物理层以及网络层的设计相结合，根据局部网络的拓扑信息，采用综合各层的设计方法，实现对节点工作模式的有效控制，减少控制开销，从而取得更好的网络性能[18-20]。
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