基于竞争的无线传感器网络
2008-03-14
作者：陆明洲1，2，王 箭2，何
摘 要：在分析传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络的MAC设计中需要考虑的问题的基础上，对近几年提出的几种典型的基于竞争的MAC协议进行了深入探讨，并讨论了其性能上的优劣，最后提出了无线传感器网络MAC协议的发展方向。
关键词：无线传感器网络 媒体接入控制协议 竞争机制
无线传感器网络是由一组无线传感器以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发送给观测者。同其他网络一样，媒体接入控制MAC（Medium Access Control）在成功运转无线传感器网络过程中是一项关键的技术。MAC协议的基本任务是解决节点共享网络媒体的接入问题。要为无线传感器网络设计一个好的MAC协议需要考虑以下几个方面：首先是能耗，无线传感器网络节点通常是电池供电，并且一般情况下很难为这些节点更换电池，节点拥有足够长的生命期是无线传感器网络首要特性；其次是针对网络拓扑结构以及节点稠密程度变化的自适应性调整，一个好的MAC协议应该能够很好地适应网络的这些变化；MAC协议设计时还应该考虑的性能准则包括公平性、吞吐量和延迟等[1]。其中，能量消耗" title="能量消耗">能量消耗问题最为重要。
目前，已经提出的众多MAC协议中并没有“最好的”。对于协议的适当选择取决于应用背景、所期待的负载类型、所希望的配置情况以及具体硬件的能量消耗等。本文介绍近年来出现的一些MAC协议，并讨论这些协议的优劣。
MAC层能耗分析及MAC协议分类
无线传感器网络节点收发机消耗较大的能量。文献[2]将一个收发机的状态分为四种，即发送状态、接收状态、空闲状态和休眠状态。其中，发送状态非常消耗能量，接收状态和发送状态能耗相当，空闲状态能量消耗相对较少，休眠状态则几乎不消耗能量。能量损耗主要在以下几方面[3]：
(1)碰撞。由于隐终端等问题的存在，网络中节点在发送数据的过程中，可能有多个节点同时发送数据而产生碰撞，产生碰撞后数据需要重传，这需要消耗更多的能量。
(2)偷听。无线媒体是一个广播媒体，如果源节点的所有相邻节点均处于接收状态，则每个节点均可以听到分组的传输，并且当某个分组不是发向某个节点时，这个节点会将其丢弃，称这个节点偷听了传输的分组，而节点在处理这些分组时要消耗不必要的能量。
(3)协议开销。协议开销包含在MAC的控制帧中，例如RTS/CTS(请求发送/清除发送)分组。此外，每个分组的首部和尾部也是一种开销。
(4)空闲监听。处于空闲状态的节点随时准备接收分组数据，但是在这个状态并没有接收到任何分组。这种准备就绪的状态是有消耗的，并且在网络负载较低的条件下是不必要的。
因此在设计MAC协议时，必须针对上述可能造成传感器网络能量损耗的主要因素进行分析，以提高协议的效率。
目前针对无线传感器网络MAC协议的分类方法有很多，基于解决所存在能量问题的方式可分如下两类：
(1)基于竞争的协议。这类协议的典型代表有STEM协议、S-MAC协议、CSMA协议、PAMAS协议以及仲裁设备协议等。
(2)基于时间表的协议。这些协议的典型代表有LEACH协议、SMACS协议以及TRAMA协议。
本文主要介绍基于竞争的MAC协议。
基于竞争的MAC协议分析
STEM协议
STEM(稀疏拓扑结构与能量管理)协议提供了一个解决空闲监听问题的方法。STEM目标网络是为等待并报告某些特定事件而开发的。这种网络有一个监视状态，当处于这种状态时，节点处于空闲状态，不做任何事情；另外，网络还有一个传输状态，当处于这种状态时节点表现出显著的侦听和通信能力。STEM试图取消监视状态中的空闲监听操作，并根据需要加快从监视状态进入传输状态的速度。
STEM目标网络的每个节点需要两个收发机，工作于两个不同的信道，分别称为唤醒信道和数据信道[4]。由于STEM目标网络的特殊性，数据信道一般总是处于休眠模式，除非进行数据发送或接收。在唤醒信道，时间被划分成一些固定长度为T的唤醒时段。而一个唤醒时段又进一步划分为一个长度为TRx<
如果一个节点进入监听时段，其唤醒信道的接收机要开启并调到f1频段等待接收信号。如果在TRx时段内没有接收到任何信息，则再转换到休眠模式。如果TRx时段内接收到某源节点发送的唤醒信标，则该节点数据信道的收发机将在f2频段启动一个分组的传输。这就避免了唤醒信道与数据信道的相互干扰。STEM使目标节点的接收机对源节点发射机引起重视的方法有两个：STEM-B和STEM-T。
STEM-B中，源发射机在唤醒信道周期性地发送信标，这种信标表明了源发射机和目标接收机的MAC地址，一旦接收机接收到该信标，它立即向唤醒信道发一个确认帧信标，并使接收机切换到数据信道，然后两个节点可在数据信道进行数据交换。
STEM-T中，发射机在其唤醒信道发送一个没有携带任何地址信息的忙音信号，所有邻近节点均能侦听到这个忙音信息并将自身切换到各自的数据信道，但并不发送确认信息。如果节点能从后续的数据交换中确定自己不是本次数据传输的对象，则重新转换到休眠模式。
在低负载" title="低负载">低负载的情况下，STEM-T比STEM-B更可取。从唤醒等待时间来看，如果唤醒信道没有碰撞发生，则STEM-B的唤醒等待时间约为STEM-T的一半。然而由于STEM-T的TRx比STEM-B的TRx要短，并且STEM-T无需确认分组，因此从能耗角度看，STEM-T的优越性更大一些。
S-MAC协议
在前文中分析了无线传感器网络能耗的四个方面，S-MAC协议在降低能耗方面考虑了所有四个能耗原因，并且，与STEM协议不同，S-MAC方法不需要两个不同的信道。这种方法的基本模式可以用图2描述[5]。图中，每个节点休眠一段时间后苏醒并且监听是否有节点要传送数据给它。在休眠期，节点关闭其收发机并且为一段时间后唤醒自己设定一个时钟。
S-MAC协议主要采用了如下机制：
(1)周期性唤醒：每个节点独立地调度它的工作状态，周期性地转入睡眠状态" title="睡眠状态">睡眠状态，在苏醒后监听信道状态，判断是否需要发送或接收数据" title="接收数据">接收数据。S-MAC将监听时段进一步划分为三个不同的时段：SYNCH阶段、RTS阶段和CTS阶段。其中，SYNCH阶段用来保证时间同步，并且新节点可以通过周期性地发送SYNCH分组了解网络拓扑结构；RTS阶段用来发送RTS分组，可与第三阶段的CTS分组一起减少数据分组的碰撞。
(2)冲突避免：如果一个节点的多个相邻节点同时要求与它通信，则这些节点会在目标节点苏醒开始监听时竞争信道。S-MAC的处理方法与802.11相似，它采用的是物理或虚拟载波侦听，并且采用RTS/CTS方法解决隐终端问题。所谓虚拟载波侦听是指每个节点中设一个变量NAV，用来记录其他节点间数据传输时间。每当一个传输时间结束，NAV减1。当某个节点初始化数据传送时，首先检查它的NAV，如果其值不是零，则信道忙，需等待一段时间才能发送。这个过程称为虚拟载波侦听。
(3)流量自适应侦听机制：在一次通信过程中，通信节点的相邻节点在通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间。如果节点在这段时间内接收到RTS分组，则可以立即接收数据，否则转入睡眠状态。
(4)信息通过方法：S-MAC协议采用一种“信息通过（Message-passing）”方法。所谓信息是一个较大的数据项，网络内部的处理通常要求节点的集合接收一个完整的信息。另一方面，对于无线媒体，最好将一个较长的分组拆分成若干较短的分组。S-MAC协议利用RTS/ CTS 机制，一次预约发送整个信息的时间，并将一个信息分割成几个小分组在预约的时间内突发传送。
S-MAC协议存在一个主要的缺点是不太适应唤醒时段长度的变化，这是因为一般情况下这个时段的长度是固定的[6]。
与S-MAC相似的另一个基于竞争的MAC协议是T-MAC协议。T-MAC协议的优势在于可以自适应地缩短监听时段，如果节点在确定的时间内侦听媒体没有得到相关信息，则允许其尽快返回休眠模式，即监听阶段可以尽快结束，也就是说T-MAC协议中节点休眠与活动时间是随通信流量动态变化的。而S-MAC的监听时段是固定长度的。
CSMA协议
Woo和Culler研究了CSMA协议的一些变化形式，着重研究了这些协议的内在能量消耗和公平性，但该协议没有采取任何措施以避免空闲监听或偷听的发生。
CSMA协议的目标网络和STEM目标网络具有相同的通信量模式。图3给出了节点数据发送过程的步骤[7]。当一个节点从其上层得到一个待发送的新分组时，会启动一个随机延迟，并将次数计数器num_retries置0。在后续的监听阶段，节点进行载波侦听操作。如果媒体为忙状态，且试验的次数小于设定的最大值，则节点进入回退模式；如果媒体处于忙状态且节点已经用尽最大试验次数，则将分组丢弃。如果载波侦听的结果是媒体空闲，则节点发送RTS分组并等待CTS分组，若CTS分组到达，则节点发送数据，若CTS分组未到达或另一个CTS分组被接收到，则节点根据num_retries的值决定是进入回退模式还是丢弃分组。
CSMA协议的若干变形，如无随机延迟与有随机延迟、固定窗口回退、指数增长回退等已经有不少在单跳触发情况下进行的研究。研究结果表明：这些方法可以得到很好的吞吐量以及比较低的能量消耗。
PAMAS协议
PAMAS协议最初是为ad hoc网络设计的。这个协议提供了一个避免偷听的机制，但是没有考虑空闲监听的问题。这个协议的关键思想是将忙音方法与RTS/CTS握手技术相结合。该协议的特点是使用了两个信道，这一点与STEM相似。它的两个信道分别为数据信道和控制信道。所有的信令分组（RTS，CTS，忙音等）都是经由控制信道传输，而数据信道则保留给数据分组。
现假设某节点x要发送数据给其相邻节点y。x先在其控制信道发送一个带有x和y的MAC地址的RTS分组，此时分两种情况：若y收到该分组且其周围没有其他分组传输，则发送一个CTS分组应答，一旦x收到CTS应答就利用数据信道传输数据，当y节点开始接收数据时在其控制信道发出一个忙音分组；若y周围有一个节点z正在接收数据，则z会返回忙音分组，这个忙音分组影响了y的CTS应答分组，此时，PAMAS协议要求y抑制其CTS的发送，从而引起x的回退。另外，PAMAS协议还提供了解决何时将节点收发机置于休眠模式问题的方法。
PAMAS协议应用于随机网络时，低负载情况下的能量节省取决于平均节点度（即一个节点拥有的相邻节点的平均数），低负载情况下控制分组的数量要比重负载情况少。仿真试验[8]结果表明，PAMAS协议在较低负载、较高节点度时节省60％的能量，而在较低负载、较低节点度时仍能节省20％～30%的能量，在高负载的情况下，可获得10％～40％的能量节省，节点度越高，能量节省的越多。
本文针对几种典型的基于竞争的MAC 协议进行了分析。可以看出现有的关于MAC协议的研究还不完善，主要问题在于网络动态特性对信道策略的不良影响以及在一定程度上节省了能量的同时却降低了带宽利用率和增加了通信时延。如果单独考虑MAC层的设计，现有协议对以上问题的解决都不是很理想。如果将其他层的设计渗透到MAC层中，采用跨层设计，就可以最大限度地利用无线网络的资源。这也是无线传感器网络MAC协议后续研究的一个方向。
参考文献
[1] CALLAWAY E H.Wireless Sensor Networks-Architectures and Protocols.Boca Raton：Auerbach Publications. 2004.
[2] HOLGER K，ANDREAS W.Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks，John Wiley &Sons Ltd， 2005.
[3] YE W，HEIDEMANN J，Estrin D.An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks[J].IEEE Info com，2002，3(6)：1567-1576.
[4] SCHURGERS C，TSIATSIS V，GANERIWAL S，et al.Optimizing Sensor Networks in the Energy-La-tency-Density Design Space，IEEE Transactions on Mobile Computing，2002，1(1)：70-80.
[5] YE W，HEIDEMANN J，ESTRIN D.Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks.IEEE/ACM Transactions on Networking.2004，12(3)：493-506.
[6] CHIRAS T，PATERAKIS M，KOUTSAKIS P.Improved Medium Access Control for Wireless Sensor Networks A Study on the S - MAC Protocol Local and Metropolitan Area Networks.The 14th IEEE Workshop on Local and Metropolitan Area Networks，2005.
[7] WOO A，CULLER D.A Transmission Control Scheme for Media Access in Sensor Networks.In Proceedings of the Seventh Annual International Conference on Mobile Computing and Networking 2001(MobiCom)，Rome，Italy，July 2001.
[8] SINGH S，RAGHAVENDRA C.PAMS－Power Aware Multi-Access Protocol with Signalling for Ad Hoc Networks.ACM Computer Communication Review，1998，28(3)：5-26.