无线传感器网络的媒质访问控制协议研究

无线传感器网络的媒质访问控制协议研究

0rol的mac协议无线传感器网络（无线传感器网络）是信息领域的研究热点，也是多学科交叉研究领域的研究热点。许多重要的技术需要发现和研究。其中，网络协议的设计是最重要的技术之一。当前的研究重点是网络层协议和数据链路层协议。数据链路层媒体访问控制（mac）是一个重要的技术，决定了无线传感器网络的正常运行。决定了无线通信网络的使用方式，并在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，以建立传感器网络系统的基本结构。MAC协议一个最主要的任务就是控制媒质的访问,以使所有传感器节点能够公平有效地访问和利用资源。在设计一个出色的WSNs的MAC协议时,应该考虑以下几点:首先,是能量高效,因为网络中的传感器节点是由电池来提供能量的,并且,很难为电池充电或更换。而事实上,更希望这些传感器节点更加的便宜,可以在用完之后随时丢弃,而不是重复使用它。因此,怎样通过节能延长网络的使用周期是设计MAC协议的一个关键问题。另一个重要因素就是对网络规模、节点密度和拓扑结构的适应性。在WSNs中,节点随时可能因电池耗尽而死亡,也有一些节点会加入到网络中,还有一些节点会移动到其他的区域,同样的网络拓扑也会因某种原因随时间变化。一个好的MAC协议应该具有可扩展性,以适应这种动态变化的拓扑结构。另外,网络的公平性、延迟、吞吐量,以及有限的带宽利用都是设计MAC协议时要考虑的问题。但节约能量成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素。1mac协议能耗特性在WSNs中,能量有效性是一个最重要的问题,要想设计一个能量有效的MAC协议,必须分析是哪些因素导致了能量损耗。经过人们的大量实验和理论分析中得出,下面就是导致能量损耗的几个方面:(1)冲突:它是能量消耗的第一个来源,当2个数据包在同一时间传输时,就会发生碰撞,然后,就会中断而丢弃,随后再重传,这些都要消耗能量。所有的MAC协议都设法寻求某种方法来避免碰撞。在基于竞争的协议中,碰撞是主要问题,但在象基于时分复用这样的预约协议中一般不会发生碰撞。(2)空闲侦听:它通常发生在节点的通信设备侦听信道是否有数据传输,在许多WSNs应用中,这种耗能是很大的,因为在这期间没有检测到任何东西,也没有数据传输,侦听是无效耗能的。空闲侦听的准确消耗主要依赖于硬件和操作模式。例如:Stemm和Katz测量了915MHz的Wavelan无线网络卡上的空闲、接收和传输所消耗的能量比率是1∶1.05∶1.4,而在Berkeley制造的Mica2mote上,频率为433MHz射频信号功率为1mW的传输模式下,无线通信的能量消耗比为1∶1∶1.41。在很多传感器网络长时间运作的应用中,节点将长时间处于空闲侦听状态,在这种情况下,空闲侦听是能量消耗的主要因素。(3)串音:当一个节点接收到传给其他节点的数据包时,就会产生串音。当流量负载和节点密度很大时,窃听不必要的流量是能量浪费的主要因素。(4)控制开销:当发送、接收和侦听控制包时,都要消耗能量,因为控制包没有直接的传输数据,同时,它们也会减少有效的吞吐量。一个MAC协议应该通过控制无线通信来避免和减少来自以上的能耗,从而达到节约能量的目的。因此,目前针对不同的传感器网络应用,在节约能量的前提下,研究人员采用不同技术和算法提出了多个MAC协议,其中,有一类就是基于时分复用(timedivisionmultipleaccess,TDMA)的MAC,本文将集中对大量的基于TDMA的MAC协议进行比较分析。2时隙内转向睡眠TDMA是实现信道分配的简单成熟的机制,就是为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时槽,而节点在其他空闲时隙内转入睡眠,TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题;数据传输时不需要过多的控制信息。这样满足传感器网络的节约能量的要求,但是,它要求节点之间严格的时间同步。许多研究人员结合传感器网络的具体应用,利用TDMA机制的优点,针对TDMA机制的不足,提出许多基于TDMA的传感器网络的MAC协议,下面将概括这些协议的个别特性。(1)smacs算法WSNs的自组织媒质访问控制(self-organizingmediumaccesscontrolforsensornetworks,SMACS)协议是结合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的MAC协议,其基本思想是为每一对邻节点分配一个特有频率进行数据传输,不同节点对间的频率互不干扰,从而避免同时传输的数据之间产生碰撞,无需任何全局或局部主节点,就能发现邻节点并建立传输/接收调度表。链路由随机选择的时隙和固定的频率组成。虽然各子网内邻节点通信需要时间同步,但全网并不需要同步。在链接阶段使用一个随机唤醒机制,在空闲时,关掉无线收发装置来达到节能的目。窃听与记录(eavesdrop-and-register,EAR)算法用来为静止和移动的节点提供不间接的服务。SMACS的缺点是从属于不同子网的节点可能永远得不到通信的机会。EAR算法作为SMACS协议的补充,但EAR算法只适用于那些整体上保持静止,且个别移动节点周围有多个静止节点的网络。(2)基于分簇的被动分簇基于TDMA的能量已知的分簇协议(powerawareclusteredTDMA,PACT)就是第一个基于TDMA的大型WSNs的MAC协议。为了延长寿命和整个网络的生命周期,它采用了被动分簇的方法来利用密集的拓扑结构。它采用基于TDMA的自适应流量的占空机制来节约能量,利用被动分簇来选择能量标准高的节点作为簇头,参与无线通信,从而减少串音的发生。有支持任何路由协议的标准组件结构,更好地适应任何网络拓扑。仿真结果表明:由于采用了更有效的能量管理,网络生命周期是IEEE802.11的5倍。随着网络传感器节点的密度的增加,由于使用了被动分簇,提高了网络的生命周期,他们的仿真指出,当密度因子增加到1.5时,网络的生命周期将是原来的2倍。(3)调度访问阶段分布式能量感知节点活动(distributedenergyawarenodeactivation,DEANA)协议将时间帧分为周期性的调度访问阶段和随机访问阶段。调度访问阶段由多个连续的数据传输时隙组成的,某个时隙分配给特定的节点用来发送数据,除相应的接收节点外,其他节点在此时隙处于睡眠状态。随机访问阶段由多个连续的信令交换时隙组成,用于处理节点的添加、删除和时间同步等。为了进一步节约能量,在调度访问部分中,每个时隙又分为控制时隙和数据传输时隙,控制时隙与数据传输相比很短。与传统的TDMA协议相比,DEANA协议在数据传输时隙前加入了一个控制时隙,使节点在得知不需要接收数据时进入睡眠状态,从而能够解决部分串音问题,但是,此协议对节点的时间同步精度要求较高。(4)edf法算法这个协议是针对蜂窝结构的网络,它假定周期流量具有有界的延迟。根据信息的目的地将信息分类;在同一个小区中的节点信息通过截止日期最早最优先(earliestdeadlinefirst,EDF)算法并使用TDMA来预约的,其他任何节点使用FDMA通过专门的路径节点来发送信息的。通过使用一种帧共享技术—FRASH提高网络利用率,这样的帧不能被预约的信息使用,而能被其他节点使用。通过优化使用EDF无需控制包而节约能量,同时,也能减少由于控制流量引入的串音。在大流量和密集的网络拓扑中,与纯的TDMA或基于竞争的协议相比,有着低延迟和较大的吞吐率。(5)mtdma时隙分散式文献介绍了分布式能量已知的MAC协议(distributedenergyawareMAC,DE-MAC),它的中心内容是让节点交换能级信息。DE-MAC用选举包和无线收发装置的能量状态包来交换信息,节点由能量信息来决定占有传输时隙的数量。它执行一个本地选举程序来选择能量最低的节点为“赢者”,使得这个“赢者”比其邻节点具有更多的睡眠时间,以此在节点间平衡能量,延长网络的生命周期。且这个选举程序与TDMA时隙分配集成到一起,从而不影响系统的吞吐量。但传感器节点只在自己占有时隙且无传输时,才能进入睡眠。而在其邻节点占有的时隙里,就算没有数据传输,它也必须醒着。另外,基于能量和速率的MAC(energyandratebasedMAC,ER-MAC)协议与上面所说的协议基本相同,它采用另外一个术语“能量关键度”作为节点生命周期的测量标准。(6)节点低能耗技术流量自适应媒质访问(trafficadaptivemediumaccess,TRAMA)协议,它通过利用TDMA预约技术来避免接收者间的碰撞的,采用2种技术来节能:用基于流量的传输调度表来避免可能在接收者发生的数据包冲突;使节点在无接收要求时进入低能耗模式。TRAMA将时间分成时隙,用基于各节点流量信息的分布式选举算法来决定哪个节点可以在某个特定的时隙传输,以此来达到一定的吞吐量和公平性,并能有效地避免了隐藏终端引起的竞争,但TRAMA的延迟较大,更适用于对延迟要求不高的应用。(7)实时数据广播使用能量有效的自适应控制的时间预约(timereservationusingadaptivecontrolforenergyefficiency,TRACE)协议,是一个为实时数据广播的能量有效的动态TDMA协议,使用动态的数据传输预约和数据概括优先于数据传输的方法来实现能量有效。它是一个把竞争与数据传输分开的集中式MAC协议,提供了较大的吞吐量和有界延迟,提高大范围的数据流的稳定性。(8)mac协议没有竞争的周期信息调度表的(contention-freeperiodicmessagescheduler,CFPMS)MAC协议,它采用了没有竞争的信息调度表,每个节点只需调度与它相关的信息,这样减少了网络调度表的空间和时间的复杂性,从而有效地利用内存和处理器并节约能量;同时,这个协议对大规模WSNs的扩展性好,但是带宽利用率较低。(9)tdma装置GANGS协议是一个基于分簇拓扑的协议,簇头形成传感器网络的主链。TDMA只用在簇头间的流量控制,而每一簇中的传感器节点采用基于竞争技术与簇头通信。这个协议适用于大流量的WSNs,与IEEE802.11相比,节约了能量并提高了吞吐量。(10)基于bma的分布式传感器通信文献提出一种基于比特位图帮助(bit-map-assisted,BMA)的内部分簇通信的适合大规模WSNs的MAC协议。BMA的特点是基于事件驱动的应用,用来减少由于空闲侦听和碰撞所消耗的能量,并且,BMA的调度能够根据传感器网络的不可预测的变化而动态改变。它是提供内部分簇通信的另一个选择。(11)竞争性mac协议采用数据采集树结构的MAC协议(datagatheringtree,DMAC)是针对竞争性MAC协议中的S-MAC(sensor-MAC)和T-MAC(timeout-MAC)协议的数据转发停顿问题而提出的。该协议使用采集树描述网路结构,采用不同深度节点间的交错调度机制,从而减少消息在网络中的传输延迟。但该协议实现复杂,许多细节需要进一步深入研究。(12)基于sisk-ods的wsns融合算法忙音请求式预约或请求式预约(busy-toneon-demandscheduling/on-demandscheduling,BTODS/ODS)的目的是:在WSNs中,利用专门的sink节点把来自大量的普通节点的数据进行融合。因为给这些sink节点预约额外的传输,这样,不会破坏其他节点间已经存在的数据流。(13)传输时隙和唤醒时隙在TDMA-W(TDMA-wakeup)协议中,每个节点在一个TDMA帧分配2个时隙,传输时隙和唤醒时隙,节点在唤醒时隙中总是保持对信道的侦听,以获取其他任何节点有无传输数据的信息,而在传输时隙内,如果节点没有数据传输,它们的收发装置就可以关闭,以减少节点的空闲侦听而节约能量,并保证各种数据流的可靠传输。(14)tdma自组织方案从“EYES”工程的传感器网络的MAC协议(EYESMAC,EMACs)的简要介绍看出:它是一个分布式自组织的TDMA方案。它把节点状态分为活动、被动和睡眠状态,当节点处于活动状态时,就进行数据的传输;节点处于被动状态时,它跟踪那些活动节点,如果有数据传输时就向活动节点发送请求;当节点处于睡眠状态时,将能量消耗至于最低状态。这个协议很容易与高层协议进行统一。3mac层协议以上所述的几种协议是目前人们提出的基于TDMA的MAC层协议,它们各有自身的特点。每种协议在网络性能(延迟、吞吐量等)和能量有效性之间进行不同的取舍