無線通信分析現狀
1、引言（Introduction）
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks,WSNs）是由大量的集成了傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小節點構成的全分佈式的自組織網絡[1]。由於數量衆多,傳感器節點通常隨機投放在監測區域內,並且很難更換電源。通常相鄰節點間距離很短,適於採用低功率的多跳通信模式,節省功耗的同時增強了通信的隱蔽性和抗干擾性。由於WSNs具有易擴展、自組織、分佈式結構、健壯性和實時性等特點,使其在軍事、建築、農業、環境監測、醫療等領域有着傳統網絡無法比擬的優勢[2-6],必將開發出許多有價值的應用。同時這些獨特要求和制約因素也爲WSNs的研究提出了新的技術問題,其中如何有效地延長網絡的生命週期成爲研究WSNs的核心問題。信道接入技術是用於建立可靠的點到點、點到多點或多點共享的通信鏈路技術。如何控制共享信道的接入,是數據鏈路層的介質接入控制(Medium Access Control,MAC)子層的主要任務。
WSNs的上述特性和應用促使其MAC層協議與傳統的無線MAC層協議在許多方面不同,其主要目標是節能和自組織,而每個節點的公平和時延是次要的。本文的第三部分將分類介紹幾種爲WSNs設計的MAC層協議。
2、MAC層協議面臨的問題和挑戰 （Problems and challenges for MAC protocol）
傳統的MAC層協議的設計目標是最大化吞吐量、最小化時延並且提供公平性。而爲WSNs設計的MAC層協議關注的是最小化能耗,這就決定了它要適度地減小吞吐量和增加時延。由於WSNs的節點總是協作完成某應用任務,所以公平性通常不是主要問題。另外,WSNs的一些典型應用（如戰場目標跟蹤）也對其MAC層協議的設計提出了不同於傳統無線網絡的要求。其中一些主要問題歸納如下
能量受限
WSNs的基本特徵就是能量受限。MAC層協議要儘可能地節約能源,如減少衝突和串音、降低佔空比和儘量避免長距離通信。協議中還應包括折衷機制,使用戶可以在節能和提高吞吐量、降低延遲之間做出選擇[7]。另外,協議設計者應該注意能量不是隨時可用的。因爲節點可能處於睡眠狀態或者由於不可知的原因死亡。
實時性
WSNs經常被應用於軍事、醫療等對實時性要求很高的領域,及時地檢測、處理和傳遞信息是其不可缺少的要求。MAC層應和其它層合作提供實時保證。
分佈式算法
由於WSNs的節點計算能力和存儲能力受限,需要衆多節點協同完成某應用任務,所以MAC層協議應該運行分佈式的算法。這也是有效避免某些節點的死亡造成網絡癱瘓的需要。
靈活性
WSNs針對不同的應用顯示出了不同的網絡特性,MAC層協議應該能適應不同應用的各種流量模式。
各性能間的平衡
MAC層協議的設計需要在各種性能間取得平衡。各性能間的平衡往往比單個性能的表現更重要。因爲一個不平衡的協議即使在實驗室表現好,也可能在實際環境中表現很差。比如,一個協議如果太頻繁地關閉無線收發裝置來節能,不僅使實時性和可靠性受到影響,包丟失引起的重傳也會反過來影響節能的效果。
3、典型的MAC層協議（Some typical MAC protocols in WSNs）
現有的MAC層協議大體可以分爲固定分配類和基於競爭類。以下分別介紹其中的一些典型協議。
3.1 固定分配類MAC層協議
原有的固定分配類MAC層協議主要有頻分多址接入（FDMA）、時分多址接入（TDMA）、碼分多址接入（CDMA）三種。
FDMA是將頻帶分成多個信道,不同節點可以同時使用不同的信道。TDMA是將一個時間段內的整個頻帶分給一個節點使用。相對於FDMA,TDMA通信時間較短,但網絡時間同步的開銷增加。CDMA是固定分配方式和隨機分配方式的結合,具有零信道接入時延、帶寬利用率高和統計複用性好的特點,並能降低隱藏終端問題的影響,但其完全集中式的信道分配和基站的高複雜性,使其不適用於全分佈的WSN中。針對WSNs特點,本部分將介紹以下幾種基於固定分配類的MAC方案。
SMACS協議和EAR算法
SMACS(Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks)協議[8]是分佈式的協議,無需任何全局或局部主節點,就能發現鄰節點並建立傳輸/接收調度表。鏈路由隨機選擇的時隙和固定的頻率組成。雖然各子網內鄰節點通信需要時間同步,但全網並不需要同步。在鏈接階段使用一個隨機喚醒機制,在空閒時關掉無線收發裝置,來達到節能的目的。EAR(Eavesdrop-And-Register)算法[8]用來爲靜止和移動的節點提供不間斷的服務。SMACS的缺點是從屬於不同子網的節點可能永遠得不到通信的機會。EAR算法作爲SMACS協議的補充,但EAR算法只適用於那些整體上保持靜止,且個別移動節點周圍有多個靜止節點的網絡。
TDM- FDM
這是一個時分複用TDMA和頻分複用FDMA的混合方案[9]。在節點上維護着一個特殊的結構幀,類似於TDMA中的時隙分配表,節點據此調度它與相鄰節點間的通信。FDMA技術提供的多信道,使多個節點之間可以同時通信,有效地避免了衝突。由於預先定義的信道和時隙分配方案限制了對空閒時隙的有效利用,使得在業務量較小時信道利用率較低。
DE-MAC
DE-MAC(Distributed Energy-aware MAC) [10]的中心內容是讓節點交換能級信息。它執行一個本地選舉程序來選擇能量最低的節點爲“贏者”,使得這個“贏者”比其鄰節點具有更多的睡眠時間,以此在節點間的平衡能量,延長網絡的生命週期。且這個選舉程序與TDMA時隙分配集成到一起,從而不影響系統的吞吐量。DE-MAC用選舉包和無線收發裝置的能量狀態包來交換能量信息,節點由能量信息來決定佔有傳輸時隙的數量。各節點爲每個鄰節點維持一個表明其無線收發裝置能量狀態的變量,此信息用來設定其接收器接收鄰居的包。當一節點比原來的“贏者”能量值低時,它進入選舉階段。處於選舉階段的節點向所有鄰節點發送它的當前能量值,並收集它們的投票。如果鄰節點的能值都比此節點高,它將收到所有鄰節點的正選票。此節點佔有當前時隙,或者發送數據,或者進入睡眠。協議的缺點是傳感器節點只在自己佔有時隙且無傳輸時,才能進入睡眠。而在其鄰節點佔有的時隙裏,就算沒有數據傳輸,它也必須醒着。
TRAMA
TRAMA（Traffic-Adaptive Medium Access）[11]用兩種技術來節能：用基於流量的傳輸調度表來避免可能在接收者發生的數據包衝突;使節點在無接收要求時進入低能耗模式。TRAMA將時間分成時隙,用基於各節點流量信息的分佈式選舉算法來決定哪個節點可以在某個特定的時隙傳輸,以此來達到一定的吞吐量和公平性。仿真顯示,由於節點最多可以睡眠87%,所以TRAMA節能效果明顯。在與基於競爭類的協議比較時,TRAMA也達到了更高的吞吐量（比S-MAC和CSMA高40%左右,比802.11高20%左右）,因爲它有效地避免了隱藏終端引起的競爭。但TRAMA的延遲較長,更適用於對延遲要求不高的應用。
3.2 基於競爭類MAC層協議
基於競爭類的MAC協議一般使用廣播式信道,連接到這條信道上的節點都可以向信道發送廣播信息。想要通信的節點遵循某種規則競爭信道,得到使用權的節點可以發送信息。傳統的基於競爭類的MAC協議包括ALOHA和帶有衝突檢測的載波偵聽多路存取CSMA等。
S-MAC
Wei Ye等在2002年提出的S-MAC(Sensor-MAC)[11]應用了三種新技術來減少能耗並支持自組織：節點定期睡眠以減少空閒監聽造成的能耗;鄰近的節點組成虛擬簇,使睡眠調度時間自動同步;用消息傳遞的方法來減少時延。S-MAC用仍採用類似IEEE 802.11中的方式來避免衝突,包括虛擬和物理的載波監聽和RTS/CTS交換。與IEEE 802.11相比,S-MAC具有很好的節能特性,並且可以根據流量情況在能量和時延之間折衷。然而,每個節點的佔空比都相同,沒有對能量較少的節點給予保護。另外,虛擬簇技術還有待深入研究,同步調度會對能耗有很大的影響。
T-MAC
T-MAC（Timeout-MAC）[13]在S-MAC的基礎上引入適應性佔空比,來應付不同時間和位置上負載的變化。它動態地終止節點活動,通過設定細微的超時間隔（fine-grained timeouts）來動態地選擇佔空比。減少了閒時監聽浪費的能量,但仍保持合理的吞吐量。T-MAC通過仿真,與典型無佔空比的CSMA和佔空比固定的S-MAC比較,發現不變負載時T-MAC和S-MAC節能相仿（最多節約CSMA的98％）;但在簡單的可變負載的場景,T-MAC在5個因數上勝過S-MAC。仿真中存在早睡（early sleeping）問題,雖然提出了一些解決辦法,但仍未在實踐中得到驗證。
MD
對於許多應用,運行能耗遠大於待機能耗,故Edgar H. Callaway提出通過減少佔空比來獲得低能耗和高電池壽命的MD（Mediation Device）協議[2]。其中,節點在99.9％的時間處於睡眠,在醒來時發出詢問信標。MD作爲一個不停活動的仲裁者,通過接收有信息傳輸節點發出的RTS和目標節點的詢問信標,協調兩個節點暫時同步來傳輸數據。出於節能的考慮,又提出了分佈式MD協議,即節點隨機成爲MD。這樣每個節點的平均佔空比仍可保持很低,整個網絡保持低功耗、低成本的異步網絡。並且由於MD的功能是在所有網絡節點中隨機分佈的,無需精確佈置某種專用的MD來保護網絡分割。但是,由於節點必須等待臨近的節點成爲MD才能傳輸,時延將會增加。對於一些要求很低信息時延的應用,採用及時設置鄰節點成爲MD的方法來最小化時延,但又增加了能耗。另外,由於佔空比低,沒有過於考慮通道訪問的問題。
總的來說,基於固定分配類協議提供了可公平使用的信道,並且如果配備一個適當的調度算法,也可以很好的避免衝突。但許多協議需要使用全局信息來進行調度,這使得它們在大多數WSNs中不可用[14]。基於競爭的協議可以大幅度減少衝突的機會,從而節約了能源。但它們通常很難保證實時性要求,適用於一些對可預見性要求不高的網絡。
4、結束語（Conclusion）
WSNs自身的特點及其各種應用的要求,導致了傳統的無線協議很難在WSNs中適用,這也對MAC層協議的研究提出了挑戰。本文闡述了近年來針對WSNs所設計的一些MAC層協議,並比較了它們的優缺點,爲其進一步的研究與改善奠定了基礎。對於WSNs的MAC層協議的研究纔剛剛起步,存在許多亟待解決的問題,期待人們的更多關注。
