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无线传感器网络MAC协议研究*刘阿娜，于宏毅，李 宏（信息工程大学信息工程学院通信工程系 郑州 450002）摘要 本文首先从应用需求和业务特性两方面分析了无线传感器网络MAC协议设计面临的挑战。然后，结合现有典型协议，对无线传感器网络MAC协议的研究现状和趋势、节能策略及协议其他特点进行了分析与总结。最后，探讨了无线传感器网络MAC协议的待研究问题。关键词无线传感器网络；能量有效性；MAC协议1引言无线传感器网络是一种由大量集成了传感器、处理器和无线通信模块的传感器节点构成的，以自组织的协作方式获知监测信息的无线网络1。其中，每个传感器节点既是监测数据的采集和发送者，也充当监测数据的路由转发者，节点间协作完成数据的采集、处理和传输，从而有效突破传统监测手段（如单一大型传感器）在监测精度和可靠性方面的局限。由此可见，无线通信对无线传感器网络的正常运作至关重要。MAC协议的主要任务在于协调多个竞争节点共享信道资源，避免冲突发生，是确保数据成功发送的关键技术。因此，有必要对无线传感器网络MAC协议进行研究和分析。2无线传感器网络MAC协议设计面临的新挑战从通信角度讲，无线传感器网络是一种面向数据监测特殊应用的自组网，但与传统自组网存在本质区别：无线传感器网络以获取感知信息为主要目的，所有节点共同协作承担同一监测任务，每个节点都属于协作体的成员；而传统的自组织网是以提供用户与用户之间通信的服务为主要目的，每个节点都是一个独立的用户主体。因此，无线传感器网络的MAC协议设计既存在着自组网MAC协议设计的共性问题2，同时又存在其独有的问题，如节点能量受限、网络负载较低以及数据流向相对固定等，对MAC协议的设计提出了新的挑战。2.1应用需求（1）能量有效性能量有效性是无线传感器网络MAC协议设计的核心问题之一。无线传感器节点通常依靠电池提供能量，并由于大规模布设或工作于无人值守环境等原因，能量不便补充。此外，对传感器节点而言，无线收发模块的能耗相对较大3，而MAC层位于物理层之上，直接控制无线收发，对节点的能耗影响较大，所以，在满足应用需求的同时应该尽可能提高MAC协议的能量有效性。（2）时延需求无线传感器网络的时延需求针对具体应用场景有所取舍。无线传感器网络的典型应用包括周期报告、基于查询和事件触发4。周期报告属于持续性数据采集，如环境监测，几乎没有时延限制5。基于查询一般要求在sink发出命令后能及时得到相应的信息反馈，如sink对传感器节点重新配置。事件触发则要求监测到物理事件发生后及时采取相应措施5，如森林防火，后两类应用的时延需求受限于具体应用所要求的反应时间。（3）公平性所有节点协作是无线传感器网络的基本工作方式，这使网络的公平性要求不高，任何单一传感器节点的业务是否成功转发对整个网络获取信息的影响较小。并且，大规模密集布设使无线传感器网络具有一定的容错性，弱化了单一传感器节点对监测精度的影响。（4）灵活性和可扩展性传感器节点多为静止状态，但能量耗竭节点的失效和新节点的补充都会导致拓扑结构发生变化。无线传感器网络MAC协议要能够灵活适应局部拓扑结构的动态性，如有些信道资源的有效分配方案类似于图论中的点着色或边着色问题6，当节点间的相邻位置发生改变时，相应的信道分配方案必然需要调整。此外，大规模密集布设的特点也对MAC协议提出了局部业务密集条件下具有可扩展性的要求。2.2业务特性（1）业务单一，业务量较低与支持多媒体业务的传统自组网相比，用于监测信息获取的无线传感器网络其业务类型相对比较单一。此外，应用层的业务由物理事件监测产生，一般情况下监测数据的时间抽样率较低，产生的业务量远远低于通信网络的传输带宽。（2）业务流向规律，方向性强无线传感器网络的业务模式可归纳为：sink向传感器节点分配任务或查询的“一到多”模式；传感器节点向sink报告的“多到一”模式；传感器节点之间协作处理监测数据的“多到多”模式7。前两类业务模式构成了具有明显方向性的sink与传感器节点之间的业务流，是无线传感器网络业务的主要存在形式7。充分利用这些业务流向特点，有利于简化MAC协议运行机制，提高网络性能。（3）空间和时间上不同的业务分布特性对于无线传感器网络的不同典型应用，业务分布具有不同的时间和空间特性。在周期报告类应用中，所有传感器节点周期性采集监测信息向sink转发，可认为整个网络在时间上的业务密度分布均匀，在空间上由于距离sink的远近不同等原因而呈现不同的业务密度分布。在基于查询类和事件触发类的应用中，当sink的命令或监测的物理事件发生时，一定数量的传感器节点在一定时间内同时发起通信，从而使整个网络的业务在时间和空间上都具有很强的突发性。在某些其他应用中，网络的业务可能会同时具有上述两种特征。因此，MAC协议设计需要针对业务分布特点，同时从空间和时间的角度对无线资源进行调度，降低能耗和提高信道利用率。3无线传感器网络MAC协议分析3.1研究现状和趋势目前，无线传感器网络吸引了越来越多的研究力量，许多MAC协议也随之相继被提出。早期的无线传感器网络研究较多集中于能量有效性问题，MAC协议研究也侧重于能耗因素及相应节能策略，而其他方面并没有突破传统自组网MAC协议的设计策略。可以说，相当一部分无线传感器网络MAC协议主要研究如何将节能策略引入传统自组网MAC协议并避免对协议性能产生不利影响（如图1所示），其中休眠机制是被广泛采用的有效节能策略，并由此带来了如何使无业务节点最大可能进入休眠避免能耗，在业务到来时确保及时激活节点从而降低休眠机制对网络时延、吞吐等性能造成的损失问题。例如，S-MAC7的接入规程和冲突避免机制均与802.11 DCF基本协议相同，不同之处在于引入了周期激活/休眠机制等若干节能策略。随着无线传感器网络研究的深入以及其多样的应用场景越来越具体，各种不同于传统自组网的网络特点不断凸现，如业务流的方向性、节点的不同转发角色、监测信息在时间和空间上的相关性以及监测信息冗余等。因而，如图1所示，针对应用需求或业务特点量身设计，或者与节能策略相结合，以进一步提高能量有效性或在多个其他特殊需求中权衡取舍逐渐成为MAC协议研究的另一趋势，如D-MAC、EBRI-MAC、Sift和EMACs等协议8。3.2节能措施（1）能耗因素分析由于能量受限是无线传感器网络的突出问题，能量有效性成为无线传感器网络研究和设计的重要目标之一。从MAC层角度讲，能量有效性，即意味着最小化成功收发业务分组的能耗。然而，业务传输过程中，除了成功收发业务分组所用的能耗，还存在其他潜在能耗因素。首先，协调多节点竞争、避免冲突是MAC协议的基本任务，若发生冲突，虽然消耗了发送和接收的能耗，却并没有成功完成分组收发。其次，业务具有一定到达率，可能存在着无业务到来时，节点空闲监听信道导致的能量浪费；而业务到来时，在收发节点的通信过程中，无线信道的广播特性使其他与之相邻节点会接收它们的分组，引起串听能耗。另外，MAC协议往往需要交互一些专用控制分组或通过业务分组携带的相关控制信息以维护协议正常运行，这也会消耗一定的能量。所以说，MAC层潜在的主要能耗因素归纳为冲突、空闲监听、串听和控制开销7。其中，空闲监听在无线传感器网络中的能耗影响比在传统自组网中更为突出，这是因为：第一，无线传感器网络较低的业务特性使节点很长时间处于空闲监听状态，使空闲监听的能耗比重增大，不容忽视；第二，能量受限节点本身对能耗因素的影响较为敏感，而无线传感器网络密集布设的特点加剧了串听对能耗的不利影响。（2）休眠机制在无线通信模块的发送、接收、空闲监听及休眠（关闭无线收发信机）4种状态中，节点能耗依次减少。由此可见，将无收发业务的节点从较高能耗的空闲监听或接收状态暂时切换到低能耗休眠的状态，可以一定程度地节省能耗。为达到有效节能的目的，节点何时休眠及休眠多长时间成为休眠机制的关键问题。在基于TDMA方式的协议中，预先的时隙安排使业务到来时间比较确定，以便于确定节点的休眠时间和时长。而对于其他接入机制的协议，业务到达的随机性使上述问题成为难点，需要结合具体应用场景和业务模型，从不同角度设计有效的解决思路。如表1对当前休眠机制的归类与分析中所列，T-MAC根据业务需求动态调整每周期的激活期结束时间，最大限度降低空闲监听能耗；D-MAC利用传感器节点沿树状路由向sink传输数据的业务模式9，引入不同深度交错的激活/休眠周期，使多跳路径上的节点依次激活，避免节点同步休眠造成的数据转发中断，减小多跳时延。3.3协议特点无线传感器网络广泛的应用领域使其面临多样和特殊的应用需求和业务特性，从而激发了各种不同的MAC协议设计。这些MAC协议设计从多个层面、多个角度出发，具有不同的特点，同时又存在相互交叉的共同点，很难对其进行完备、系统的分类。表2列出了一些典型的MAC协议8，分别从网络结构、是否与多跳相关、控制方式、主要接入方式等方面对它们进行了分析对比。除了引入不同休眠机制，无线传感器网络MAC协议设计还具有其他特点，主要可归纳为以下内容。（1）基于TDMA的接入方式被较多采用不同于传统的自组网，基于TDMA的接入方式被无线传感器网络MAC协议采用得较多。其原因在于无线传感器网络多为准静止拓扑，网络承载的业务量较低，对信道利用率的要求不高；尤为重要的是，基于TDMA方式具有良好的能量有效性，本身具有无冲突的优势，并且可以通过相邻节点的时隙安排以预知业务何时到来，便于休眠机制的控制。但是，无线传感器网络大规模随机布设以及无中心分布式多跳的特点使时隙分配成为基于TDMA接入方式的一个瓶颈。通常需要引入随机接入机制交互控制分组以完成时隙资源分配，同时还要从控制时隙分配、维护的开销能耗和时隙复用两方面考虑时隙分配的有效性。（2）利用分群结构群首局部集中控制的机制由于网络节点的大规模布设，为便于信息的采集或汇聚，上层协议及网络管理通常采用分群结构，如LEACH中的一跳群重构。基于这种群结构，采用群首为中心的局部集中式控制，管理和调度本群成员节点的无线资源以及控制适时的休眠/激活切换，从而避免完全分布式控制的开销，如BMA。然而，各个群内的信道资源分配相互独立，必然存在群间干扰问题。此外，群首节点收集成员节点的监测数据，最终要转发给sink，采用何种方式完成群间通信也是一个关键问题，而EBRI-MAC提出的虚拟群结构避免了群间通信问题。（3）与多跳转发相关的资源分配策略在数据采集的协作过程中，不同节点承担的转发角色可能不同。一般情况下，靠近 sink的节点构成多跳转发骨干网络可能性较大，除了发送自己的监测数据之外，还负责为其他节点转发数据；处于网络边缘的节点承担转发的可能性较小，通常只发送自己的监测数据；另外，当传感器节点布设较为密集时，根据上层的网络管理决策(如网络均衡的拓扑控制策略)，可能还有一部份节点冗余，它们不参与任何监测和数据的发送。结合节点的不同角色设计不同的无线资源接入策略，有利于在满足不同需求的同时，进一步简化协议的控制规程和节省能量，如EMACs和Arisha。（4）冗余相关数据的隐聚合无线传感器网络多为随机布设，使某些区域内可能存在大量监测同一物理事件的传感器节点。这种情况下，并不需要监测到同一事件的所有节点都发送监测信息，只要有一部分节点将监测信息发送到sink节点就足以保证监测精度；而另一部分节点在侦听到其他节点发送了相关数据后，将不发送监测数据，这里称之为冗余相关数据的隐聚合。充分考虑这种隐聚合，有利于缓解局部空间的业务密度，提高MAC协议的性能，如Sift。4待研究问题为针对无线传感器网络特点以及不同行业的应用需求，促进MAC协议研究的全面性，还存在一些问题有待研究。（1）应用特点和业务模式的研究无线传感器网络应用领域的广泛性和特殊性，意味着MAC协议的设计面临着各种各样与应用相关的业务特性和需求，这些正是刺激MAC协议研究不断发展的原动力。随着无线传感器网络研究的逐渐深入，不可能针对各种具体应用一一进行业务特性和需求的分析，有必要对传感器网络特殊的应用特点和业务模式进行深入分析和总结，抽象出通用的分析模型。一方面利于为MAC协议研究的新课题指明方向，另一方面，利于为MAC协议性能分析和优化提供更接近现实的分析模型，如无线传感器网络业务的存在形式以“一对多”的广播或“多对一”的汇聚为主4，各个节点的业务不再相互独立，并与节点位置、转发策略以及相邻节点业务等许多复杂因素相关，不再适用传统的业务分析模型11。（2）跨层设计的问题跨层设计是通过层与层之间的信息共享来满足全局需要，优化网络性能12。从MAC层的角度分析，无线传感器网络转发具有一定的规律，这为MAC层控制和业务流向的有效结合提供了前提。如何有效利用已知拓扑信息和业务关系，简化MAC协议和提高网络性能已成为跨层设计的突出目标，如EBRI-MAC和EMACs。但随之出现了一个不可忽视的问题，即对于实现网络管理的控制分组业务及路由层的控制分组业务等，其产生取决于具体的网络管理规程和路由协议，很难归纳出其业务分布及流向等显著特征。所以，在考虑共享路由信息的同时，需要设计不同的接入机制并保证机制之间的平滑过渡，以确保对上述业务的支持。（3）能量有效性和其他性能指标的权衡通常为保证作为研究核心的能量有效性问题，无线传感器网络MAC协议的其他性能都进行了一定折衷，如SMAC的周期休眠策略避免了空闲监听的能耗，但导致了网络吞吐和时延性能的损失。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，如工业监控对时延的严格限制等。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。（4）安全问题由于无线传感器网络的无线传播、能量受限、分布式控制等特点，使其更加容易受到被动窃听、主动干扰、拒绝服务、剥夺休眠（节点无法进入休眠模式）、伪造等各种形式的网络攻击，从而使安全问题成为无线传感器网络研究的一个重点。MAC层的基本任务是保证点对点的可靠传输，MAC协议的设计应该根据不同需求引入一定的安全措施，如信道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理、访问控制等，提高网络对攻击的防御性13，并有必要针对无线传感器网络能源匮乏和计算能力弱等特点对安全协议进行相应的优化。参考文献1Akyildiz 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