S-MAC协议和T-MAC协议的比较

S-MAC协议和T-MAC协议的比较摘要：媒体访问控制协议是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一，传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的MAC协议。与传统网络的MAC协议不相同的是，无线传感器网络的MAC协议首要考虑的因素就是节省能量。针对无线传感器网络的要求，本文中将现有的MAC协议中S-MAC协议和T-MAC协议进行了比较和分析。关键字：S-MAC协议；T-MAC协议；无线传感器网络；ABSTRACT:MACprotocolisoneofthekeytoensureefficientnetworkprotocolsforwirelesssensornetworksforcommunication,suchastheperformanceofthesensornetworkthroughput,delayperformancedependsentirelyontheMACprotocolused.MACprotocolwiththetraditionalnetworkisnotthesamefactorsMACprotocolforwirelesssensornetworkstheprimaryconsiderationistosaveenergy.Fortherequirementsofthewirelesssensornetwork,inthispaper,theexistingMACprotocolsS-MACprotocolandT-MACprotocolwerecomparedandanalyzed.KEYWORDS:S-MACprotocol;T-MACprotocol;wirelesssensornetworks;1引言媒体访问控制协议简称MAC协议，处于无线传感器网络协议的底层部分，以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。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，传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的MAC协议。无线传感器网络的MAC协议首要考虑的因素就是节省能量。这意味着传统网络的MAC协议不适用于传感器网络，需要提出新的适用于传感器网络的MAC协议[1]。2无线传感器网络和MAC协议无线传感器网络（wirelesssensornetwork，WSN）是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络。其显著特点是节点能量和硬件资源有限、数量多、无中心自组织、分布密集、网络动态性强，其中能耗问题是WSN中至关重要的问题。介质访问控制（mediumaccesscontrol，MAC）协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。MAC协议的基本作用是避免点到点通信时冲突的发生[2]。它必须实现两大基本功能目标：在密集散布的传感器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。MAC协议在无线传感器网络中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，用来构建传感器网络系统的底层基础结构[3]。它处于传感器网络协议的底层部分，对网络的性能有较大的影响，是无线传感器网络的研究重点。3S-MAC协议S-MAC（Self-organizingMAC）协议[3]是在802.11MAC协议基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议。S-MAC协议采用以下机制：周期性侦听/睡眠的低占空比工作方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能量的消耗。邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少节点的空闲侦听时间。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。采用带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据。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输延迟[4]。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：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。4T-MAC协议T-MAC（TimeoutMAC）协议[4]是在S-MAC协议的基础上提出来的。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。而周期长度受限于延迟要求和缓存大小，活动时间主要依赖于消息速率。这样就存在一个问题：延迟要求和缓存大小是固定的，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，用突发方式发送消息，减少空闲侦听时间。T-MAC协议相对S-MAC协议减少了处于活动状态的时间。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，如果在一个经定时间TA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[4]。T-MAC协议根据当前的网络通信情况，通过提前结束活动周期来减少空闲侦听，但带来了早睡问题。为解决这个问题，提出了未来请求发送和满缓冲区优先两种方法。5S－MAC协议和T－MAC协议在无线传感器网络设计中针对节能考虑S－MAC（sensorMAC）协议采用以下机制：第一，周期性侦听／睡眠的低占空比工作方式，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，周期性地转入睡眠状态，在苏醒后侦听信道状态，判断是否要发送或接收数据。该机制由于采用周期睡眠会带来一定的通信延迟，所以为了便于相互通信，相邻节点应尽量维持睡眠／侦听调度周期的同步；此外该机制会占用大量存储空间缓存数据，这在资源受限的无线传感器网络中显得十分突出，给出了SMAC协议周期性侦听和睡眠。第二，采用带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据（即串音避免）：几乎每个节点都经历RTS／CTS／DATA／ACK通信过程，在传输的每个分组中，都有一个域值表示剩余通信过程需要持续的时间长度。源、目的节点的相邻节点在侦听到分组时，记录这个时间长度值，同时进入睡眠状态[5]。通信过程记录的剩余时间会随着时间不断减少，当剩余时间减至零时，若节点仍处于侦听周期，就会被唤醒；否则，节点处于睡眠状态直到下一个调度的侦听周期。每个节点在发送数据时，都要先进行载波侦听。只有虚拟或物理载波侦听表示无线信道空闲时，才可以竞争通信过程。第三，邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟族，具有相同调度的节点形成一个虚拟族，边界节点记录两个或多个调度，以减少节点的空闲侦听时间，从而减少能耗。第四，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：传感器节点在与相邻节点通信完后并不立即进入睡眠状态，而是继续侦听一段时间。如果节点在这段时间内收到RTS分组，则可以立即接收数据；否则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。通过采用流量自适应侦听机制，减少了通信延迟的累加效应。第五，通过消息分割和突发传递机制来减少协议开销和传递延迟：对于无线信道，传输差错与消息长度成正比，短消息成功传输的概率要大于长消息。根据这一原理，在S－MAC协议中消息传递技术将长消息分成若干短消息，利用RTS／CTS机制，一次预约发送整个长消息的时间，集中连续发送全部短消息。这样既提高发送成功率，又减少了协议开销。T－MAC（Timeout－MAC）协议与自适应睡眠的S－MAC协议基本思想相同数据传输仍然采用RTS／CTS／DATA／ACK机制，不同的是在节点活动的时隙内插入了一个TA（TimeActive）时隙，若TA时隙之间没有任何事件发生，则活动结束进入睡眠状态（见图3）。TA的取值对于T－MAC协议性能至关重要，其约束条件为：TA＝m（C＋R＋T），m＞1，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[5]。T－MAC协议虽然能根据当前网络的动态变化，通过提前结束活动周期来减少空闲侦听提高能效，但带来了“早睡”问题（如图4）。早睡问题是指多个传感器节点向一个或少数几个汇聚节点发送数据时，由于节点在当前TA没有收到激活事件，过早进入睡眠状态，没有监测到接下来的数据包，导致网络延迟。为了解决早睡问题，提出了未来清求发送（futurerequest－to－send，FRTS）和满缓冲区优先（fullbufferpriority，FBP）两个方法[5]。S－MAC协议和T－MAC协议的主要设计目标都是减少节点的能量消耗。S－MAC协议是通过采用周期性侦听／睡眠工作方式减少空闲侦听来减少能耗，但同时使得网络的传输延迟增加，吞吐量下降，针对这样的问题，人们提出了带有自适应睡眠的S－MAC协议[3]。SMAC协议监听时段是有固定长度的，而T－MAC协议自适应地缩短了监听时间，所以T－MAC协议与自适应睡眠的S－MAC协议保持基本相同的思想，优点是减少了空闲侦听功耗，但是它通过提前结束活动周期来减少空闲侦听，带来早睡问题。为保证能量有效性问题，通常对无线传感器网络MAC协议的其他性能都进行了一定折衷，随着各种具体应用的发展，无线传感器网络的应用需求不单是能量有效性的问题，还同时存在着对某个或某些指标作特别优化的需求。所以，分析各种性能指标之间的相互影响关系，研究综合权衡各种性能的策略是一项不可忽略的问题[5]。实际上，传感器网络是应用相关的网络，不存在一个适用于所有传感器网络的MAC协议，所以都要根据具体应用选择不同的MAC协议。结论：S－MAC协议和T－MAC协议的主要设计目标都是减少节点的能量消耗。S－MAC协议是通过采用周期性侦听／睡眠工作方式减少空闲侦听来减少能耗，但同时使得网络的传输延迟增加，吞吐量下降，针对这样的问题，人们提出了带有自适应睡眠的S－MAC协议。SMAC协议监听时段是有固定长度的，而T－MAC协议自适应地缩短了监听时间，所以T－MAC协议与自适应睡眠的S－MAC协议保持基本相同的思想，优点是减少了空闲侦听功耗，但是它通过提前结束活动周期来减少空闲侦听，带来早睡问题。由于传感器网络是面向任务的网络，不同应用场合对于网络的要求不同，对MAC协议来说，不存在一个适用于所有无线传感器网络的MAC协议。没有一种协议明显强于其它协议，随着无线传感器网络研