无线传感网-文献综述

无线传感器网络MAC层协议研究姓名：XXX学号：XXX摘要：无线传感器网络不仅是一种全新的信息获取和处理技术，也是一种新型的应用型网络，具有十分广阔的应用前景，引起了学术界和工业界的高度重视，成为当前热门的研究领域。在WSN中，各节点采集的信息以多跳的方式传送到汇聚点，从各节点到汇聚点形成一棵以汇聚点为根的传输树，这些节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络。由于无线传感器一般依赖电池供电，有效节省能源是无线传感器网络介质访问控制(MAC)协议设计的首要目标，也是无线传感器网络的重要研究课题之一。传统网络的MAC协议,并不能直接应用于无线传感器网络，且现有竞争型无线传感器网络MAC层协议的主要设计思路是通过牺牲系统性能来换取能量的节省。尽管这样做在一定程度上达到了节能的效果，但是较低的系统性能也会带来一些问题。针对无线传感器网络的特点和应用背景，研究人员提出了很多MAC协议。本文通过分析无线传感器网络的特点，介绍了影响MAC协议设计的有关问题，讨论了MAC协议的分类方法，然后着重研究与论述了基于竞争方式MAC层协议的核心实现机制和特点，井比较了这些MAC协议在性能上的差异。文章最后对无线传感器网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势进行的展望。关键字：无线传感器网络(WSN)；MAC协议；S-MAC；T-MAC1引言WSN是一种全新的信息获取和处理技术,它集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术，是一种新型的无基础设施的应用型无线网络,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,传送到需要这些信息的用户，具有十分广阔的应用前景,引起了学术界和工业界的高度重视，成为当前热门的研究领域。WSN具有与传统无线网络不同的特点，且与应用高度相关，是由部署在监测区域内大量智能传感器节点组成，因不依赖于固定的基础设施，所以网络节点要求具有自组织的能力，是通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。WSN的一个节点进入工作区域之后，它只能依赖于MAC层和物理层所能提供的有限的机制获得周围的一跳邻居的信息，对全网的拓扑结构信息将一无所知。这时候需要有一个算法将这些分散的节点有效地组织起来，协调一致来完成某一个特定的任务。在此之上，各种路由协议、传输层协议以及应用程序才能正常运作。也就是说，需要有一个网络协议为上层结构服务，而构成整个无线传感器网络结构基石的就是MAC层协议，它是用于建立可靠的点到点、点到多点或多点共享的通信链路技术，处于无线传感器网络协议栈的底层部分，是所有数据报文和控制消息在无线信道上进行发送和接收的直接控制者，解决无线传感器网络中节点以怎样的规则共享媒体才能保证满意的网络性能问题，MAC协议能否高效地使用无线信道是保证无线多媒体传感器网络通信的最关键的因数之一。本文首先简单地分析了WSN网络中MAC协议的特点，所面临的问题与挑战，讨论了MAC协议的分类方法，然后着重研究与论述了基于竞争方式的MAC层协议的核心实现机制和特点，井比较了这些MAC协议在性能上的差异。最后，指出了关于WSN网络MAC协议的未来发展趋势和研究策略，目的在于为进一步研究能量高效的WSN网络MAC协议提供参考和支撑。2无线传感器网络MAC协议的特点与面临的问题文献[1]指出，MAC协议的功能是在实现信道复用的同时，保障链路通信的可靠性。无线传感器网络中，成千上万的节点在传感区域内随机分布，MAC协议要在节点之间建立链路，保证所有的节点可以公平、有效的利用有限的带宽。WSN的特性和应用促使其MAC层协议与传统的无线MAC层协议在许多方面不同，其主要目标是节能和自组织，而每个节点的公平和时延是次要的。传统的无线网络内，主要的评价指标有吞吐量、带宽利用率、公平性和延时等但是对于无线传感器网络来说，能量效率是第一位的，有时甚至不惜牺牲其他方面，来获得更高的能量效率。为了研究和比较现有WSN网络MAC协议的性能，本节首先介绍了WSN网络MAC协议的特点，分析了WSN网络MAC协议设计的问题与挑战，接着分析了WSN网络节点间通信时造成能量浪费的潜在因素，最后，针对WSN网络应用的业务多样性，定义了网络中可能的通信模式，以分析不同MAC协议的适应性。2.1传统无线传感器网络MAC协议的特点文献[2]指出，传统的无线传感器网络MAC协议设计主要考虑以下3方面的内容，重要性依次递减：①节省能量；②可扩展性，对于节点数目、节点分布的密集程度和网络拓扑结构要具有可扩展性，以适应网络中节点数量增减和位置等变化；③网络效率，主要包括网络的公平性、实时性、网络的吞吐量、带宽利用率等。2.2无线传感器网络MAC层协议设计的问题与挑战WSN网络的强大功能，是通过众多资源受限的网络节点协作实现的[3]。由于节点无线通信的广播特征，节点间信息传递在局部范围，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。传统的MAC层协议的设计目标是最大化吞吐量、最小化时延并且提供公平性。而为WSN设计的MAC层协议关注的是最小化能耗，这就决定了它要适度地减小吞吐量和增加时延。由于WSN的节点总是协作完成某应用任务，所以公平性通常不是主要问题。另外，WSN的一些典型应用(如战场目标跟踪)也对其MAC层协议的设计提出了不同于传统无线网络的要求。文献[1]中无线传感器网络MAC层设计面临的一些主要问题归纳如下：1）能量受限WSN的基本特征就是能量受限。MAC层协议要尽可能地节约能源，如减少冲突和串音、降低占空比和尽量避免长距离通信。协议中还应包括折衷机制，使用户可以在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择[4]。另外，协议设计者应该注意能量不是随时可用的。因为节点可能处于休眠状态或者由于不可知的原因死亡。2）实时性，WSN经常被应用于军事、医疗等对实时性要求很高的领域，及时地检测、处理和传递信息是其不可缺少的要求。MAC层应和其它层合作提供实时保证。3）分布式算法，由于WSN的节点计算能力和存储能力受限，需要众多节点协同完成某应用任务，所以MAC层协议应该运行分布式的算法。这也是有效避免某些节点的死亡造成网络瘫痪的需要。4）灵活性，WSN针对不同的应用显示出了不同的网络特性，MAC层协议应该能适应不同应用的各种流量模式。5）各性能间的平衡，MAC层协议的设计需要在各种性能间取得平衡。各性能间的平衡往往比单个性能的表现更重要。因为一个不平衡的协议即使在实验室表现好，也可能在实际环境中表现很差。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。3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。目前针对无线传感器网络的MAC协议研究主要集中在信道接入技术、调度算法、差错控制以及数据包大小等方面[2]。研究人员从不同方面提出了多种MAC协议，对MAC协议的严格分类是非常困难的，采用不同的条件MAC协议有不同的分类方法[3]。文献[5]，根据传感器节点接入媒体的方式将MAC协议分为四类，分别是基于随机接入（RandomAccess）、时隙接入（SlotsAccess）、帧接入（FramesAccess）和混合接入（HybridAccess）的MAC协议[6]。3.1基于随机接入的MAC协议基于随机接入的无线传感器网络MAC协议是实现起来最简单的一类协议。这类协议不划分时间也不竞争信道。为了减少空闲侦听，协议通过延长MAC帧头，产生一段导言将接收节点的能量消耗转移到发送节点。每个节点除周期的侦听信道外，大部分时间都处于休眠状态。文献[5]对基于随机接入的MAC协议的发展和研究状况做了简要的介绍。首先指出低功率侦听(LPL)法是无线传感器网络基于随机接入MAC协议的设计雏形。其次，文献[5]还对B-MAC协议、WiseMAC协议、CSMA-MPSx协议、X-MAC协议、STEM协议、速度估计MAC协议、FMAC协议、RI-MAC协议、A-MAC协议、BuzzBuzz协议等基于随机接入的MAC协议进行了简要的介绍。3.2基于时隙接入的MAC协议基于时隙接入的MAC协议使节点的无线收发装置以较低的占空比运行，在休眠和侦听模式之间转换。将时间分为若干时隙，节点在每个时隙开始时醒来开始处理数据并等待传输。节点间基于竞争来分享信道。这类协议的设计重点是考虑有效的竞争方法、碰撞避免以及节点开始休眠的最佳时间等问题。文献[5]按时间先后顺序对SMAC协议、T-MAC协议、SCP-MAC协议、DMAC协议等基于时隙接入的MAC协议的发展和研究状况做了详细的介绍。3.3基于帧接入的MAC协议这类MAC协议主要研究内容是讨论如何分配帧内的时隙，建立节点调度时间，以及如何同步网络中的节点。类似TDMA协议[7]，基于帧接入的MAC协议采用调度时间表机制带来很多优点：分组碰撞几乎可以避免，空闲侦听和过听分组产生的能量消耗可以在很大程度上减少。文献[5]首先指出SMACS协议是基于帧接入MAC协议的设计基础，接着指出PEDAMACS协议是第一个在多跳无线传感器网络中运用分布式TDMA调度时间表的MAC协议，并对这两个协议进行了简单的介绍。随后又对TRAMA协议、FLAMA协议、MMAC协议、LMAC协议、AI-LMAC协议、SS-TDMA协议等基于帧接入的MAC协议进行了较为详细的介绍。3.4基于混合接入的MAC协议2005年文献[8]结合随机接入和帧接入方法提出Z-MAC（ZebraMAC）协议。Z-MAC协议在低网络负载情况下使用随机接入的CSMA方法进行信道接入，高网络负载时，使用帧接入的TDMA调度时间表方法接入信道。ZMAC协议动态地在两者之间转换，不仅提高了能量效率，还改善了网络的吞吐量。2006年，针对传感器网络的sink节点附近频繁发生数据分组碰撞和丢失的漏斗效应（funnelingeffect），文献[9]提出一种基于混合接入的Funneling-MAC协议。该协议在全网范围内使用CSMA/CA机制，只在sink节点附近使用TDMA和CSMA混合方式接入信道。Funneling-MAC协议中因为大部分节点使用CSMA机制接入信道，所以对时钟同步要求不高，其网络性能要优于需要全网络的时钟同步的Z-MAC协议。另一种结合CSMA和TDMA的协议是在2005年由俄克拉荷马州大学提出的PMAC(PatternMAC)协议[10]和2007年由K.Langendoen设计的CrankShaft协议[11]。这两个协议将接收的时隙进行划分。Crankshaft协议简单的根据节点ID对接收节点进行时隙分配，然后使用与SCP-MAC相似的竞争决定机制。PMAC协议中每一帧接收后都有一段特殊的时段，用来广播自己下一帧的休眠时长，并根据网络负载和邻近节点的变化来改变调度时间表。4基于竞争方式的MAC层协议文献[1][12],通过对当前WSN网络MAC协议的研究，都对基于竞争方式的MAC协议进行了详细的分析与论述。基于竞争的MAC协议的基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。传统传感器网络中关键问题在于能耗，而其主要能量损失的原因在于碰撞重传、串音以及空闲侦听，大多数基于竞争的协议都旨在通过避免以上矛盾以节约能量，增加节点寿命。目前主要的协议有S-MAC、T-MAC、Sift以及MD协议等。4.1S-MAC协议S-MAC（sensorMAC）协议[13]是在802.11MAC协议基础上，针对WSN网络的能量有效性而提出的专用于WSN网络的节能MAC协议。针对碰撞重传，串音，空闲侦听和控制消息等可能造成无线传感器网络消耗更多能量的主要因素，S-MAC协议采用以下机制：①周期性侦听/睡眠的占空比工作方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能量的消耗。每个节点独立地调度它的工作状态，如图4-1所示，周期性地转入睡眠状态，在苏醒后侦听信道状态，判断是否需要发送或接收数据。为了便于相互通信，相邻节点之间应该尽量维持睡眠/侦听调度周期的同步。邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，可减少节点的空闲侦听时间。图4-1S-MAC协议的周期性侦听/睡眠机制②通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟。在S-MAC协议中，采用流量自适应侦听机制，减少了通信延迟的累加效应。它的基本思想是在一次通信过程中，通信节点的邻居节点在通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间。如果节点在这段时间内接到RTS分组，则可以立即接收数据，无须等到下一次调度侦听周期，从而减少了数据分组的传输延迟。如果在这段时间内没有收到RTS分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。③采用带内信令来减少重传和避免侦听不必要的数据。④通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传递延迟。S-MAC协议减少了空闲侦听所消耗的能源，但是不足之处在于：由于睡眠的引入，节点不一定能及时的传输数据，而使网络的时延上升，吞吐量下降；节点的工作循环周期在协议开始工作时就已确定下来，不能根据网络中的业务量的变化来进行调整；协议假设网络的数据传输量少，网络能容忍一定程度的通信延迟。4.2T-MAC协议T-MAC（timeoutMAC）协议[14]在S-MAC的基础上引入适应性占空比，减少了闲时监听浪费的能量，但仍保持合理的吞吐量。S-MAC协议通过采用周期性侦听/睡眠工作方式来减少空闲侦听。周期长度是固定不变的，节点的侦听活动时间也是固定的。如图4-2(a)所示，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。S-MAC协议延迟要求和缓存大小通常是固定的，而消息速率通常是变化的。如果要保证可靠及时的消息传输，节点的活动时间必须适应最高通信负载。当负载动态较小时，节点处于空闲侦听的时间相对增加，针对这个问题，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，减少空闲侦听时间。如图4-2(b)所示，T-MAC协议相对S-AMC协议减少了处于活动状态的时间。图4-2S-MAC和T-MAC的基本机制在T-MAC协议中，发送数据时仍采用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：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，这些中的任何一个激活事件（activationevent），则活动结束。在每个活动期间的开始，T-MAC协议按照突发方式发送所有数据。TA决定每个周期最小的空闲侦听时间，它的取值对于T-MAC协议性能至关重要，其取值约束为：TA>C+R+T其中,C是竞争时间间隔的长度，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，如图4-3所示。虽然T-MAC协议比S-MAC有所改进，该协议存在早睡（earlysleeping）问题。图4-3T-MAC协议的基本数据交换5小结本文通过阅读大量相关文献，首先简要介绍了无线传感器网络的特点，接着介绍了影响MAC协议设计的有关问题，讨论了MAC协议的分类方法，然后着重研究与论述了基于竞争方式MAC层协议的核心实现机制和特点，井比较了这些MAC协议在性能上的差异。在阅读大量文献后，个人认为，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WSN网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势有：利用多信道和动态的信道分配技术进行节能研究；采用跨层优化设计等。参考文献[1]宋渊.无线传感器网络MAC协议研究及性能优化[D].西安电子科技大学硕士学位论文，2008.1[2]李瑞芳.无线多媒体传感器网络MAC协议研究综述[M].通信学报，2008.8[3]郑国强,李建东,周志立.无线传感器网络MAC协议研究进展[M].自动化学报，2008.3[4]/tos.[5]何晨光.无线传感器网络MAC协议高能效性能研究[D].哈尔滨工业大学博士学位论文，2011.6[6]LangendoenK.MediumAccessControlinWirelessSensorNetworks[M].NovaSciencePublisher,Netherlands,2008:535-560.[7]KulkarniS,ArumugamM.TDMAserviceforsensornetworks[C].The24thInt.Conf.onDistributedComputingSystem(ICDC04),Tokyo,Japan,2004:604-609.[8]RheeI,WarrierA,AiaM,etal.Z-MAC:ahybridMACforwirelesssensornetworks[C].The3rdACMConf.onEmbeddedNetworkedSensorSystems(SenSys2005),SanDiego,CA,2005:90-101.[9]AhnGS,MiluzzoE.Funneling-MAC:Alocalized,sink-orientedMACforboostingfidelitinsensornetwork[C].The4thACMConf.onEmbeddedNetworkedSensorSystems(Sensys2006).Boulder:ACMPress,2006:293-306.[10]ZhengT,RadhakrishnanS,SaranganV.Pmac:anadapt