无线传感器网络MAC协议进展作者：李红映高峰来源：《电脑知识与技术》2009年第13期摘要:MAC协议是无线传感器网络协议的重要组成部分,网络的性能(如吞吐量、容量、时延及功耗等)依赖于所采用的MAC协议,也是无线传感器网络设计研究的主要技术难点之一。

该文指出了无线传感器网络MAC协议设计的主要问题,对几种典型的MAC协议进行了分析和研究,并分析研究了无线传感器网络MAC协议的研究与应用方向。

关键词:无线传感器网络;MAC协议;基于预约的MAC协议;基于竞争的MAC协议;混合MAC协议中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)13-3394-04无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,简称WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者,使得人们能在任何时间、地点和任何环境条件下都能获取大量详实而可靠的信息。

传感器网络由于其具有易扩展、自组织、分布式结构、健壮性和实时性等特点,能够广泛地应用在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域。

在无线传感器网络中,介质访问控制(medium access control,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。

用来构建无线传感器网络系统的底层基础结构。

MAC协议处于传感器网络协议的底层部分,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。

1 无线传感器网络MAC协议设计要点传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限,因而单个传感器节点的处理能力通常比较弱。

无线传感器网络的强大功能需要众多节点密切协作才能实现。

局部范围内的多点通信需要MAC协议协调节点间的无线信道分配,以高效的支持在整个网络范围内的路由选择与通信路径的正确连通。

在设计无线传感器网络的MAC协议时,需要着重考虑以下几个方面:1) 能源有效性。

WSN的基本特征就是能量的局限性。

节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量,而且电池的能量通常难以进行补充。

在WSN中,无线通信是传感器能量的主要消耗。

MAC协议要尽可能的节约能源,如减少冲突和串音、最小化控制开销、降低占空比和尽量避免长距离通信。

协议中还应包括折中机制,使用户可以在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择。

另外,可利用多个频率段来减少传输时间,在节点处于空闲或完成阶段把无线电转为低功耗睡眠模式,避免在活跃和睡眠状态的额外转变以节省无线传输能量。

由于目前节点的能量供应问题并没有得到很好解决,传感器节点本身能量不能自动补充或补充不足,节约能量成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素。

2) 可扩展性。

通常大部分处于无人照看模式的传感器网络应用都部署大量的节点,并且在传感器网络生存期中存在节点数目、分布密度的不断变化、节点位置的移动以及新节点的加入等问题,所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。

因此,需要MAC协议具有可扩展性,以适应这种动态变化的拓扑结构。

3) 性能的综合测评。

MAC协议的设计需要在多种性能间取得平衡。

各项性能包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等方面。

各性能间的平衡往往比单个性能更重要。

因为一个不平衡的协议即使某一环境下表现好,很可能在另一环境表现很差。

比如,一个协议如果太频繁地关闭无线收发装置来节能,不仅使实时性和可靠性受到影响,包丢失引起的重传也会反过来影响节能的效果。

4) 分布式算法。

由于传感器节点计算能力和存储能力受限,需要众多节点协同来完成某项应用任务,所以MAC协议运行分布式的算法可以更有效地避免由某些节点的失效造成网络瘫痪等现象发生。

5) 可靠性。

可靠性包括无错误链路的仔细选择、对数据包的检测和修复等。

在无线网络中,包丢失主要是由缓冲器溢出和信号干扰造成的。

避免缓冲器溢出是由路由和MAC协议共同担负的责任。

可利用路由间均衡负载以减少达到转寄节点流量缓冲器的最大容量可能性,并利用MAC协议保证缓冲器管理机制的发送数据流的服务速率。

因信号干扰而导致的包丢失可以通过使用高传输功率和阻止节点间媒介接入的竞争来减少。

WSN的设计不仅仅需要基于这些设计目标、准则,而且还要在这些衡量的标准中取得一个很好的平衡,这比单个性能的提高更重要。

例如,一个MAC协议可以使用灵巧的方案来节省能量,但是这个方案并没有考虑到其他衡量的标准,如实时保证或包传送的可靠性,这样一来,不仅损害了在其他标准衡量下的性能,而且反过来是节省能量的性能急剧恶化。

假如节点的收发器开关太频繁,将造成数据包的丢失,而造成更大的能量损耗。

2 无线传感器网络MAC协议能量浪费原因由于节点能量有限,能量管理是无线传感器网络的协议设计中的核心问题。

已有的研究表明,无线通信模块是无线传感器网络中主要的耗能部件,MAC层协议为达到节能的目的,直接控制节点的通信模块,对节能起着最重要的作用。

通信模块能量浪费主要在四个方面:1) 空闲侦听:当无数据发往节点时,通信模块仍然保持接收状态侦听信道,等待发往本节点的数据,造成无必要的空闲侦听能量消耗。

2) 冲突:接收节点同时接收到来自多于一个节点的数据,无线信号重叠,造成接收到无用数据,即使只重叠一部分,也不得不丢弃已接收部分,重传整个数据包,因此导致额外的重传能量浪费。

3) 串音(overhearing):节点接收到发往其他目的节点的数据包,也是无用数据,必须丢弃,导致接收能量浪费。

4) 控制包开销:连接建立阶段的控制包交换和数据发送前后的握手协议或者是固定分配协议中周期建立分配表等都是非有用数据的控制包开销,MAC层协议应该最小化控制包开销。

无线传感器网络中数据量很少,突发性很强,节点约95%的时间都是空闲的,因此空闲侦听是主要的能量浪费,如果一直保持侦听状态会造成极大的能量浪费,因此降低能耗主要是从控制通信模块的开启时间入手。

冲突和串音在基于竞争的协议中易于发生,而在固定分配协议中得到较好的控制,当负载很重和节点密度很高的时候,冲突和串音也是比较严重的能量浪费源。

在协议启动阶段、协议维持阶段和数据转发过程中都应该使用尽量少的控制包达到可靠的传输,以减少控制包发送能耗。

MAC层协议的设计必须考虑以上四方面能量消耗,使这些能量浪费达到最小化。

3 无线传感器网络MAC协议分类无线传感器网络与应用高度相关,研究人员从不同的方面出发提出多种MAC协议。

但目前尚无统一分类方式。

可根据信道分配方式、数据通信类型、性能需求、硬件特点以及应用范围等策略,使用多种分类方法对其分类:1) 根据信道访问策略的不同可分为竞争协议、调度协议和混合MAC协议。

竞争协议无须全局网络信息,扩展性好、易于实现,但能耗大;调度协议有节省优势和延时保障,但帧长度和调度难以调整,扩展性差,且时钟同步要求高;混合协议具有上述两种MAC协议的优点,但通常比较复杂,实现难度大。

2) 根据使用单一共享信道还是多信道可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。

前者节点体积小、成本低,但控制分组与数据分组使用同一信道,降低了信道利用率;后者有利于减少冲突和重传,信道利用率高、传输时延小,但硬件成本高,且存在频谱分配拥挤问题。

3) 根据数据通信类型可分为单播协议和组播/聚播(convergecast)协议。

前者适于沿特定路径的数据采集,有利于网络优化,但扩展性差;后者有利于数据融合与查询,但时钟同步要求高,且数据冗余,重传代价高。

4) 根据传感器节点发射器硬件功率是否可变可分为功率固定MAC协议和功率控制MAC 协议。

前者硬件成本低,但通信范围相互重叠,易造成冲突;后者有利于节点能耗均衡,但易形成非对称链路,且硬件成本增加。

5) 根据发射天线的种类可分为基于全向天线的MAC协议和基于定向天线的MAC协议。

前者成本低、易部署,但增加了冲突和串音;后者有利于避免冲突,但增加了节点复杂性和功耗,且需要定位技术的支持。

6) 根据协议发起方的不同可分为发送方发起的MAC协议和接收方发起的MAC协议。

由于冲突仅对接收方造成影响,因此,接收方发起的MAC协议能够有效避免隐藏终端问题,减少冲突概率,但控制开销大、传输延时长;发送方发起的MAC协议简单、兼容性好、易于实现,但缺少接收方状态信息,不利于实现网络的全局优化。

此外,根据是否需要满足一定的QoS支持和性能要求,WSN MAC协议还可分为实时MAC 协议、能量高效MAC协议、安全MAC协议、位置感知MAC协议、移动MAC协议等。

4 无线传感器网络MAC协议分析4.1 基于预约的MAC协议基于预约的MAC协议尝试将近邻传感器节点组织起来,使得节点之间的通信按照有序的方式进行。

其基本思想是:采用某种调度算法,MAC协议规定每个传感器节点只在特定的时间段/子频带/正交码内访问信道,这样可以减少甚至消除碰撞、空闲侦听、串音等;没有参与通信的那些节点则进入睡眠状态,直到它们需要执行任务为止;MAC协议所使用的调度可静态分配,也可动态分配;为提高协议的可扩展性和信道利用率,采用分布式算法实现信道重用。

遗憾的是,设计实现高度信道重用的调度算法是一个NP-问题。

目前已提出了许多基于预约的MAC协议,根据所采用的调度算法,这些协议大体上可以进行如下分类:基于优先权的MAC协议(priority-based MAC protocols)、基于业务量的MAC协议(traffic-based MAC protocols)、基于聚类的MAC协议(clustering-Based MAC protocols)、基于TDMA的MAC协议(TDMA-based MAC protocols)等。

基于预约的MAC协议的显著优点是:每个节点只在其预约的时间段向中心代理(central agent)传送数据,所以基于预约的MAC协议可实现无冲突通信(collision-free communication)。

由此,节点的占空度(duty cycle)将减少,整个网络的能量效率(energy efficiency)将提高。

基于预约的MAC协议也存在一些局限:1) 需要增加额外的报文以建立和维护调度表。

2) 节点的移动性、节点的调配和节点的失效等都会使调度表的维护变得更加复杂。

3) 当新节点加入或旧节点失效时,其直接近邻节点需要重新分配网络资源,期间将导致有些资源未被使用,从而产生不必要的时延和数据报的丢失。

4) 在部分节点的状态发生错误的情况下,基于预约的MAC 协议也必须彻底地运行,对MAC状态的分割此时极有可能导致碰撞。