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365bet无线传感器网络MAC协议研究进展

发布日期:2020-08-19 04:22

  近几年来,随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步,使得信息采集、数据处理和无线通信等多种功能,能在低成本、低功耗、多功能的微型网络(wireless sensor networks,WSN)就是由大量的廉价微型的节点,通过无线通信方式形成的一个特殊的Ad hoc网络,广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。

  WSN与Ad hoc网络相比,其WSN的特点是节点的电源能量和硬件资源有限、无中心自组织、数量众多分布密集、网络动态性强。其中能耗问题是WSN中至关重要的问题,因此WSN的节点要求必须是低功耗的。图1是Deborah Estrin在Mobicom 2002会议的报告中关于节点各部分能量消耗统计情况。

  媒体介质访问控制(Medium Access Control,365bet。MAC)协议处于无线网络协议的底层部分,主要用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介,对传感器网络的性能有较大影响,是保证无线传感器网络离效通信的关键网络协议之一。无线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。由图1可以看出能量的消耗主要集中在WSN节点的射频模块部分,而MAC协议直接控制射频模块,对节点能耗有重要影响。因此,设计一个性能优越的MAC协议算法成为WSN研究的一个热点问题。

  无线传感器网络的强大功能是有众多节点协作实现的,多个节点的通信需要MAC协议协调其间的无线信道分配。在设计一个WSN的MAC协议时,应该考虑以下几个方面的因素:

  节省能量(Energy Efficient) 每个传感器节点由电池供电,受环境和其他条件的限制,节点的电池能量通常难以进行补充。MAC协议解决单节点的节能问题,即让传感器节点尽可能的处于休眠状态,以减少在通信时的能耗。

  可扩展性(Scalability) WSN中的节点在数目和分布密度、位置方面很容易发生变化,或者由于节点能量耗尽,新节点的加入引起的网络拓扑结构的变化。设计MAC协议时也应具有可扩展性,以适应拓扑结构的动态性:

  网络其他性能参数 如网络的公平性、实时性、信道利用率,带宽利用率、网络延迟、吞吐量等。

  在上述的三个方面中,重要性依次递减。由于现在的传感器节点的能量供应问题没确得到很好解决,传感器节点的能量都是一次性供给的,节约能量成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素。

  由传感器节点能力消耗情况(图1),可以看出造成网络能量浪费的因素包括以下几个方面:

  空闲侦听(Idle Listening) 节点不能预知他的邻居节点何时传输数据给自己,因此节点的射频模块需要一直保持为接收模式,就造成了节点能量的大量消耗。这是能量浪费的主要因素。

  冲突重传(Collision and Retransmission) 节点在发送数据的过程中,在竞争共享的无线信道中,可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞,数据包发送失败,这就浪赞了发送和接收数据上的能量,然后需要重传发送的数据,从而消耗节点更多的能量。

  串音(Overhearing) 数据包是在共享的无线信道中传输,一个节点可能会接收并处理不是发送给自己的数据包,此时,会造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。

  控制消息 MAC协议首部包括一些控制信息,如RTS/CTS/ACK,节点发送这些控制信息需要消耗一定的能量。

  传感器节点无线通信模块的状态包括发送、接收、侦听和休眠四种状态,目前的MAC协议在降低功耗方面主要集中在增加节点的休眠时间,减少节点对信道的侦听。

  目前针对不同的传感器网络应用,研究人员从不同的方面提出了多种MAC协议,但目前对WSN的MAC协议还缺乏一个统一的分类方式。本节提出的MAC分类方法是根据节点访问信道的方式:给节点分配固定的无线信道还是节点随机竞争访问信道,将WSN的MAC协议分为4类:基于竞争(Contention-based)的MAC协议;基于调度算法(Scheduling-based)的MAC协议;非碰撞(Collision free)的MAC协议;混合(Hybrid scheme)的MAC办议。

  多数分布式MAC协议采用载波侦听或冲突避免机制并采用附加的信令控制消息来处理隐藏和暴露节点问题。基于竞争随机访问的MAC协议是节点需要发送数据时,通过竞争方式使用无线 MAC协议采用带冲突避免的载波侦听多路访问(Carrier SensorMultiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)是典型的基于竞争MAC协议。在IEEES02.11 MAC协议的基础上,研究人员提出了许多用于传感器网络的基于竞争的MAC协议,例如:S-MAC协议、T-MAC协议、ARC-MAC协议、Sift-MAC协议、Wise-MAC协议等。

  CSMA/CA主要应用于无线MAC协议在分布式协凋(Distributed Coordination Function,DCF)工作模式下的一种协议。在DCF工作模式下,节点在侦听到无线信道忙之后,采用CSMA/CA机制和随机退避算法,实现无线信道的共享。

  IEEE802.15.4基本上是应用类似IEEF802.11的CSMA/CA方式竞争通信,如图2所示,节点定期侦听信道,接收Beacon帧.在没有数据发送和接收时进入休眠转台,协调器(Coordinator)缓存发往休眠节点的数据,定期发送Beacon帧,帧携带这些数据的目的节点地址,节点发现协调器缓存了发往自己的数据之后,向其发送POLL帧,表示自己可以接收数据,协凋器在收到POLL帧之后,首先向节点发送ACK帧,随后发送缓存的数据,在收到数据之后,节点向协调器发送ACK帧。

  S-MAC(Sensor-MAC)协议是较早的针对WSN的一种MAC协议,他是在802.11MAC的基础上,采用下面介绍的多种机制来减少了节点能量的消耗。固定周期性的侦听和睡眠:为了减少能量的消牦,传感器节点要尽量处于低功牦的睡眠状态。S-MAC协议采用了低占空比的周期性睡眠/侦听,如图3所示。为了使得S-MAC协议具有良好的扩展性,在覆盖网络中形成众多不同的虚拟簇。

  消息传递技术:对于无线信道,传输差错与包长度成正比,短包成功传输的概率要大于长包。在S-MAC协议中消息传递技术将长消息分成若干短包,利用RTS/CTS握手机制,一次性发送整个长消息,这样既提高发送成功率,有减少了控制消息。流量自适应侦听机制:传感器节点在与邻居节点通信结束后不立即进入睡眠状态,而保持侦听一段时间,采用流量自适应侦听机制,减少了网络中的传输延迟。

  S-MAC协议与IEEE802.11 MAC相比,在节能方面有了很大的改善。但睡眠机制的引入,使得网络的传输延迟增加,吞吐量下降。针对S-MAC协议存在的不足,研究人员对其进行了改进,提出了一种带有自适应睡眠的S-MAC协议。

  T-MAC(Timeout-MAC)协议与自适应睡眠的S-MAC协议基本思想大体相同。数据传输仍然采用RTS/CTS/DATA/ACK的4次握手机制,不同的是在节点活动的时隙内插入了一个TA(Time Active)时隙,若TA时隙之间没有任何时间发生,则活动结束进入睡眠状态。如图4所示。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),m1,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。在仿线

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