无线传感器网络低占空比MAC协议研究

引言

　　无线传感器网络是由众多微小传感器节点通过无线多跳自组织方式构成的，多学科高度交叉的新兴前沿研究领域。随着传感器节点微型化，在设计中大部分节点的能量有限，加之无线传感器网络无中心、自组织、多跳等特点,使得MAC协议的设计面临巨大的挑战。

　　媒体访问控制（MAC）协议的主要功能是控制传感器节点的报文传输对无线媒体的接入和占用，保证网络的整体性能。通过对现有系统的分析可知，无线传感器网络节点中通信部分的射频模块是节点中最大的耗能部件，是优化的主要目标。MAC协议直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键。本文主要讨论无线传感器网络MAC协议的基本问题。

　　1 MAC地址

　　无线传感器网络中，如果MAC协议要避免侦听，并在尽可能多的时间里处于休眠状态，那么MAC地址是非常重要的。MAC地址用于在数据转发过程中标识下一跳传感器节点。MAC地址包含在单播MAC分组数据包中，节点收到数据包后检查本节点路由表，确定下一跳MAC地址。这个过程延续到数据包到达目的节点。同时，节点判定哪些数据分组没有到达，数据未到达的节点可以进入休眠模式。无线传感器网络一般采用无线多跳方式通信，MAC地址具有空间复用特性：只要保证节点MAC地址在传输邻居节点间是唯一的，在传输邻居节点以外重复使用不影响MAC地址的邻居节点标识功能。在MAC层中，这种避免侦听（overhearing avoidance）的方式是一种非常重要的节省能量消耗的方法。

　　MAC地址的分配协议可分为网内唯一性和局部唯一性两种分布式分配。地址分配协议必须考虑网络链接的非对称性。如图1所示，非对称性是指节点A 能侦听到节点B，但是反过来，节点B却不能侦听到节点A。在假设所有节点都只与双向邻近节点通信的情况下，任意节点A的双向节点都必须有完全不同的地址。而且，任何单向输入节点的地址都必须不同于所有双向节点的地址。把节点的链接关系划分为双向链接、单向输入、单向输出。为了应对无线链接的时变和随机因素，这个邻近节点协议应该一次次重复运行，以便实时地更新和确认邻近节点间的链接关系。当节点A完成了对邻近节点状况的分析后，便开始广播消息，A的双向链接节点和单向输出节点发回INFO消息作为响应。通过类似的方法，节点A就知道每个邻近节点的身份了。节点A在过了门限期后，就知道其周围单跳节点和两跳邻近节点的情况了，如果节点A的单跳节点内有地址冲突，则发出一个CONFLICT消息。发生冲突的节点接到这个消息后，开始新一轮的地址选择。节点A 在成功执行地址分配算法后，就拥有了自己的地址。这种地址分配算法发生冲突的概率最小。

图1 双向链接节点、单向输入节点、单向输出节点

　　在基于内容的MAC协议中，MAC地址是必不可少的节省能量的措施，可以避免对周围邻近节点的侦听。

　　2 低占空比协议与唤醒问题

　　一个节点的理想状态应该是当一个分组传送给这个节点时，该节点总是处于接收状态。当这个节点自己要发送一个分组时，则该节点总是处于发送状态。在其他时间，这个节点总是处于休眠状态。低占空比（low duty cycle）协议使节点尽可能多地处于休眠状态，以使传感器节点的通信活动达到最少。为实现这一机制，几种MAC协议中引入了周期性唤醒（periodic wakeup）的方法。如图2所示，节点的大部分时间处于休眠状态，并且周期性地被唤醒以接收来自其他节点的数据。一个完整的唤醒周期包括休眠时段和监听时段。监听时段与唤醒时段的时间长度之比就是占空比。

图2 周期性唤醒方法

　　稀疏拓扑结构与能量管理（STEM）协议提供了一个解决空闲监听问题的方法。两个不同的信道，即唤醒信道和数据信道，如图3所示。数据信道一般处于休眠模式，除非进行数据发送或接收。在数据传输状态，数据信道仅执行MAC协议。在唤醒信道，时间被划分为若干个固定长度为T的唤醒时段。而一个唤醒时段又进一步划分为长度为TRX≤T的监听时段和一个休眠时段，表示唤醒信道的收发机进入休眠模式的时间段。如果一个节点进入监听时段，则其唤醒信道的接收机要开启，等待接收信号。如果在TRX时间内没有接收到任何信息，则再转换到休眠模式。否则，数据信道的收发机将启动一个分组传输。

图3 单一节点的STEM占空比

SMAC协议提供了减小空闲监听、冲突碰撞和串扰的机制，与STEM相反，SMAC不需要两个不同的信道。它采用周期性的唤醒方案，即每个节点根据预先确定的时间表，交替地改变固定长度的监听时段和固定长度的唤醒时段。不同于STEM的是，SMAC的监听时