无线传感器网络低占空比MAC协议研究

段可以用来接收并发送分组。如图4所示，节点x的监听周期被进一步划分为SYNCH、RTS、CTS三个阶段。SYNCH阶段，即同步阶段。节点x接收来自其相邻节点的SYNCH分组。分组中包含相邻节点的时间表，节点x将这些时间表存储在Schedule table中。

　　SYNCH阶段被进一步划分为时隙，x的相邻节点采用CSMA方式竞争信道，并有相应的回退。如果在之前任一时隙没有接收到数据，则每一个希望发送SYNCH分组的相邻节点y可以随机地拾取一个时隙并启动发送。在其他情况下，节点y会返回休眠模式，并等待节点x下一次被唤醒。节点x不需要在节点 y的每一个唤醒时段内均进行广播。

　　RTS阶段，也就是请求发送阶段，节点x监听来自邻居节点的RTS分组。在SMAC中，使用RTS/CTS握手方式来减小数据分组的碰撞和隐终端问题的影响，而且此阶段内的相邻节点可能会发生竞争。

　　CTS阶段，即清除发送阶段。若节点x前一阶段收到一个RTS分组，则节点x发送一个CTS分组，之后进行数据交换。

　　节点x在整个同步时段周期性地监听，以了解其相邻节点的状态。边界位置上的节点必须遵守两个或多个不同的时间表，以广播其SYNCH分组并发送数据。因此这些节点会比相邻节点都使用相同时间表的节点消耗更多的能量。

　　SMAC采用周期性唤醒方法，允许节点大多数数据停留在休眠模式，但也带来一定的通信延迟。此外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显得尤为突出。

　　MD（Mediation Device，仲裁设备）协议，是与IEEE 802.15.4标准所规定的对等通信方式兼容的。该协议为大规模、低占空比运行的节点间提供了不需要高精度时钟同步的可靠通信。MD协议允许无线传感网中节点周期性地进入休眠状态，并仅在唤醒模式下停留较短的时间，以便从相邻节点接收分组数据。该协议引进了动态同步（dynamic synchronization）的概念，是指不需要发送节点一直等待接收节点的询问信标，也可以实现同步。

图4 SMAC原理图

图5 MD协议

　　如图5所示，节点在绝大部分时间处于休眠状态,在醒来时发出询问信标。MD节点作为一个不停活动的仲裁者,通过接收由信息传输节点发出的RTS (请求发送)和目标节点的询问信标,协调两个节点暂时同步来传输数据。设置专门MD节点的方式称为"固定式MD"。由于MD节点不停地处于接收状态，不符合网络低能耗要求,又提出了分布式MD协议,即节点随机地成为MD。这样每个节点的平均占空比仍可很低,整个网络保持低功耗、低成本的异步网络。

　　对上述几种协议在以下几个方面进行比较，如表1所列。

表1 各协议特性比较

　　3 MAC协议分析与展望

　　本文介绍了一种MAC协议的相关技术，通过对几种MAC协议的分析可以看到，能量效率问题是无线传感器网络MAC协议的一个基本问题。因此，我们特别关注能够明显降低系统总体能量消耗的方法。无论何时都能够根据需要将节点导入休眠状态的方法，是一种有效保存能量的方法。为满足这一要求，本设计采用低占空比或唤醒技术的方法。休眠机制降低了能耗却增加了时延,多个性能指标间存在着矛盾。需要进一步地研究，如何根据应用需求在各优化指标间取得平衡。现有的MAC协议研究很少关注于网络的具体应用,而某些特定的应用需要其MAC协议针对某个或某些指标进行特别的优化。因此,MAC协议需要提供一种灵活多变的机制,以适用于多种不同应用的网络。