无限传感网MAC协议节能研究

1、基于WSN网络的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效性成为WSN网络应用中首要的一个指标，能量高效的WSN网络通信协议是目前的一个热点研究领域。 通过对现有系统的分析可知，射频模块是节点最大的耗能部件，是优化的主要目标。介质访问控制协议（MAC）直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响，能源效率是无线传感网MAC层协议最主要的设计目标。WSN网络中能量浪费的主要原因： 1）空闲侦听节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频模块必须一直处于接收状态，消耗大量的能量。这是无效功耗的最主要的来源。2）消息碰撞（冲突）同时向同一节点发送多个数据包时，信号会互相干扰，接收方无法准确接收，这时节点消耗在发

2、送和接收数据上的能量就被浪费了，而重新发送数据消耗更多的能量。3）串扰（窃听）无线信道是一个共享的媒体，一个节点可能会接收到发送给其他节点的消息，这时节点消耗在接收数据上的能量属于无效功耗。4）控制报文开销在MAC协议的头字段和控制消息包中没有包含有效的数据，消耗的能量也是无效的。5）发送失效在目的节点没有准备好接收时。发生节点发送了消息，造成能量的浪费。MAC协议降低功耗的主要方法1）减少数据流 减少数据流量是最根本的解决方案，目前主要靠在网络层或者在数据链路层上增加一个数据融合层来实现，但在MAC层是否能够进行数据融合以及如何进行融合是目前的研究的较少的领域。 2） 增加射频模块的休眠时间

3、 节点在没有数据接收或发送时，关闭射频模块，节点转入休眠状态，这种方法可以降低工作占空比，减少串扰和空闲侦听带来的能量浪费，代价是增加延迟和降低系统的吞吐量。 3） 冲突避免 冲突避免主要采用RTS/CTS/DATA/ACK握手机制，既解决了隐藏节点的冲突，又实现了链路层的可靠传输，但也增加了控制开销。WSN网络中典型的MAC协议1)带冲突避免的载波侦听多路访问MAC层协议（CSMA/CA）为发尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各节点无序地争用无线信道，提出CSMA/CA协议，它主要是应用于无线局域网IEEE 802.11MAC协议的分布式协调工作模式下的一种协议。在节点侦听到无线信道忙之

4、后，采用CSMA/CA机制和随机退避时间，实现无线信道的共享。此类协议实现简单，易于扩展，但冲突会导致能量浪费，时延难以估计。2)IEEE802.15.4IEEE802.15.4为廉价设备提供了一种极低复杂度、成本和功耗、低数据率的无线互联标准，传感器网络是它的主要应用领域之一。标准定义了协议栈中的MAC层和物理层。MAC层采用CSMA/CA接入，物理层有3种频率选择：868MHz，915MHz和2.4GHz。为了降低功耗，标准采用了缓存机制。具体过程如下：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状态。网络协调者（coordinator）缓存发往休眠节点的数据，定期

5、发送beacon帧，帧携带这些数据的目的节点地址。节点发现网络协调者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。网络协调者在收到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，节点向网络协调者发送ACK帧。3）低功耗前导载波周期侦听协议LPL （Low Power Listening）CSMA/CA协议的主要缺点在于节点在空闲侦听时浪费了大量的能源，LPL引入了一种载波检测机制，通过使节点的无线收发装置有规律地处于“工作”、“待命”状态，而不丢失发送给该节点的数据，以减少空闲侦听的能量消耗。LPL的工作原理如下：节点周期性地短时间侦听信道，以

6、确定信道的状态。如果信道空闲，节点再次休眠。如果信道忙，节点继续侦听信道，直到数据接收完毕或再次空闲。节点在发送数据是，数据包前加入了前导载波，使得接收节点在数据包的数据部分发送前进入工作状态，已接收数据。 这种机制的主要思想是将接收节点消耗在空闲侦听上的能量，转移到发送数据节点消耗在发送前导载波的能量消耗上去，从而使接收节点能周期性地开启无线收发装置、侦听是否有发送过来的数据和检测是否有前导载波。如果接收节点在工作状态检测到前导载波，它就会一直侦听信道，直到数据被正确地接收;如果节点没有检测到前导载波，节点的无线装置将被置于“待命”状态，直到下一个前导载波检测周期到来。加入前导载波，减少了空

7、闲侦听，但增加了发送和接收的控制开销。4）S-MAC协议 S-MAC（Self-organizing MAC）协议是在802.11 MAC协议基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议。S-MAC协议采用以下机制： 周期性侦听/睡眠的低占空比工作方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能量的消耗。邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少节点的空闲侦听时间。通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟。采用带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据。通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传输延迟。S-MAC协议减少了空闲侦听所消耗的能源，

8、但是不足之处在于：节点的工作循环周期在协议开始工作时就已确定下来，不能根据网络中的业务量的变化来进行调整。 5）T-MAC协议 T-MAC（Timeout MAC）协议是在S-MAC协议的基础上提出来的。S-MAC协议通过采用周期性侦听/睡眠工作方式来减少空闲侦听，周期长度是固定不变的，节点的侦听活动时间也是固定的。而周期长度受限于延迟要求和缓存大小，活动时间主要依赖于消息速率。这样就存在一个问题：延迟要求和缓存大小是固定的，而消息速率通常是变化的。如果要保证可靠及时的消息传输，节点的活动时间必须适应最高通信负载。当负载动态较小时，节点处于空闲侦听的时间相对增加。针对这个问题，T-MAC协议在

9、保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调整活动时间，用突发方式发送消息，减少空闲侦听时间。T-MAC协议相对S-MAC协议减少了处于活动状态的时间。 在T-MAC协议中，发送数据时仍采用RTS/CTS/DATA/ACK的通信过程，节点周期性唤醒进行侦听，如果在一个经定时间TA内没有发生下面任何一个激活事件，则活动结束：周期时间定时器溢出;在无线信道上收到数据;通过接收信号强度指示RSSI感知存在无线通信;通过侦听RTS/CTS分组，确认邻居的数据交换已经结束。 6）P-MAC协议 P-MAC(pattern-MAC)协议是在S-MAC和T-MAC协议的基础上，进一步减少空闲侦听的能量消耗

10、。PMAC协议的主要思想是:用一串二进制字符来代表某一节点所处的模式(即负载的轻重状况)，节点把各自的模式信息通告给其相邻节点，根据收到的邻居节点模式信息调整其睡眠与工作时间.假设用PjN表示节点的模式，这里j为某一节点，N为一个周期帧的时隙数.若PjN=01010，则表示在一个周期帧的五个时隙内，节点j在l、3、5时隙转入睡眠状态，而在2、4时隙转入工作状态。 下图给出了S-MAC、T-MAC和P-MAC协议的周期侦听/睡眠执行过程，比较发现:P-MAC进一步减少了空闲侦听的时间，若忽略传输状态信息所消耗的能量，理论上节点在没有任何数据传输时，执行PMAC协议的能耗可以降为零. 7）DMAC协议 S-MAC和T-MAC协议采用周期性的活动/睡眠策略减少能量消耗，但是存在数据通信停顿问题，从而引起数据的传输延迟。而在无线传感器网络中，经常采用的通信模式是数据采集树，针对这种结构，为减少网络的能量消耗和数据的传输延迟，提出了DMAC协议。 DMAC协议采