無線傳感器網絡高效的MAC協議研究

摘要：目前無線傳感器網絡中的MAC協議可分為發送端啟動和接收端啟動兩類。同步的發送端啟動協議同步代價高，基于前導的異步協議網絡利用率低，而接收端啟動的算法會產生發送端盲等等問題。本文結合這兩類協議的優點，提出一種可自適應變換數據傳輸模式的MAC協議(IL-MAC)。該協議根據節點的消息隊列長度決定當前使用哪種傳輸模式，并通過局部同步算法減少發送端與接收端在建立連接時的盲等，解決了以上問題。在網絡仿真平臺NS2上的仿真實驗表明，IL-MAC要優于RL-MAC，尤其在高負載下優勢明顯。
關鍵詞：無線傳感器網絡；MAC協議；自適應傳輸模式變換

0 引言
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks)由大量具有感知、計算和無線通信能力的廉價節點組成，通過節點間協作地感知和處理網絡分布區域中監測對象的相關信息，為人們提供有關監測對象的詳實而可靠的信息，可廣泛應用于環境監測、搶險救災、戰場監視、城市交通、智能家居等多個領域。
MAC協議負責在傳感器節點間分配有限的通信資源，構建傳感器網絡系統的底層通信結構，因此是傳感器網絡研究的一個重要方面。
文獻統計了傳感器節點中通信單元、處理單元和傳感單元的能量消耗，如圖1所示。從圖中可以看到，傳感單元和處理單元的能耗遠遠低于通信單元的能耗，而在通信單元的四種狀態中，能耗依次按休眠、監聽、接收及發送遞增，所以盡量增大節點休眠時間是節省能耗的一個重要措施。目前傳感器網絡中的MAC協議都將節省能耗作為研究重點，大部分協議都是通過節點周期性休眠以及不需要時關閉無線電收發器來節省能量。

目前傳感器網絡中的MAC協議大致可以分為發送端啟動和接收端啟動兩類。在發送端啟動的同步協議中，各節點使用相同的休眠調度表，在各自規定的時間醒來參與通信活動，保證節點盡可能多地休眠而不會錯過任何一個數據。這類協議的典型代表有S-MAC、T-MAC等。此類協議可以極大地減少節點空閑監聽的時間，但要求節點間保持精確同步，而其開銷卻是不可忽視的。在發送端啟動的異步協議中，各節點不需要按照相同的休眠調度表工作，發送端在有數據發送時在信道中發送一個長度略長于接收端休眠時間的前導信號，接收節點在醒來監聽到前導信號時便開始接收數據。這類協議消除了顯式同步的需要，但由于大量的前導消息增大信道的壓力，降低了信道的整體利用率。這類協議的典型代表有B-MAC、X-MAC等。
接收端啟動的協議是近兩年提出的一種新協議，典型代表為RI-MAC。發送端有數據發送時在信道中靜默監聽，接收端醒來后即發送信標(beacon消息)，發送端在監聽到信標后發送數據。該算法由于消除了發送端前導信號對信道的占用，提高了信道的利用率。但是在高負載情況下，發送端的盲等、過聽會造成節點能量的大量消耗，另外正在發送的節點可能會較長時間占用信道，導致其它節點的數據包傳輸延遲增大。

1 問題描述與分析
由上述分析可知，異步的RI-MAC協議沒有采用發送端前導偵聽技術，這既是它的優點，也是它的缺點。優點是避免了某個發送節點長時間占用信道，缺點是發送端和接收端失去了有效的溝通渠道，在負載較大時可能導致發送端盲等和數據傳輸延遲增加。在圖2的例子中，S1和S2監聽信道，等待各自的接收端R1和R2醒來。R2首先醒來發送beacon消息，s2向。R2發送數據。在此過程中R1醒來，發現信道被占用后轉入休眠。隨后S3監聽信道準備向R3發送數據，R3醒來后與S3建立數據傳輸。在此過程中S1再次醒來，發現信道仍被占用，再次轉入休眠。S1監聽整個時間段，始終未監聽到R1，數據傳輸被長時間推遲。

在發送端啟動的異步MAC協議中，前導被發送端用來獲取信道并聲明有數據發送，只要相應的接收端如期醒來，數據傳輸就能夠完成。而RJ-MAC依靠接收端發送beacon消息來聲明自己的存在，能否進行數據傳輸要取決于是否有發送端正準備向其發送數據。也就是說，作為數據生產者或轉發者的發送節點，只能被動等待傳輸請求，卻無法主動要求進行數據傳輸。