一种低功耗的无线传感器网络MAC协议

田海涛 谭敏生 陈伟

南华大学计算机学院 湖南 421001

0 引言

无线传感器网络是一个由大量廉价的无线传感器节点组成的全分布式的自组织网络，它集成了信息采集、信息处理、信息传输、信息管理与应用等多种技术。由于无线传感器网络具有自组织、易扩展、实时性和健壮性等特点，使其在军事、农业、医疗、环境监测等领域有着传统网络无法比拟的优势，具有很高的应用价值。不同的应用对无线传感器网络的能耗、吞吐量、延迟等有不同的要求，这些独特的要求和制约因素为无线传感器网络的研究提出了新的技术问题。而在这些技术问题中，能耗问题成为了无线传感器网络的首要问题。

媒介访问控制（Medium Access Control，MAC）是数据链路层的一部分，是使得WSNs能够正常运作的重要技术，其主要功能是控制媒介访问，协调多个竞争节点共享信道资源，避免冲突发生。无线传感器网络的性能如能耗、吞吐量、延迟等在很大程度上取决于所采用的MAC协议。因此，MAC协议的设计十分关键。

1 相关研究

目前针对不同的应用，研究人员从不同方面提出了多种MAC协议。

S-MAC是一种基于CSMA随机竞争方式的MAC协议，其冲突避免机制类似于IEEE802.11，采用物理载波侦听和虚拟载波侦听两种方式降低冲突发生概率，RTS/CTS握手机制避免隐藏终端问题。此外，S-MAC首先引入了周期激活/休眠机制以避免空闲监听，如图1所示，每个节点周期地在一段时间内侦听信道，等待业务的到来，然后进入休眠直到下一激活期。

图1 周期侦听和休眠

S-MAC协议采用消息传递（message passing）机制，很好地支持长消息传递。该机制是将长消息分为若干短包，采用RTS/CTS握手机制集中连续发送全部短包，即可提高发送成功率，又可减少控制开销。S-MAC协议的扩展性较好，可以适应网络拓扑结构的变化；其缺点是实现复杂，需要占用大量的存储空间，这对资源受限的无线传感器节点显得尤为突出。

为了减少能耗，T-MAC协议针对S-MAC协议进行了改进，在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态的调整活动时间，以突发方式发送信息，减少空闲侦听时间。如图2所示，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，节点周期性唤醒侦听，如果在一个给定时间TA（Time Active）内没有活动发生，直接进入休眠。

图2 S-MAC和T-MAC的基本机制

T-MAC协议虽然减少了空闲侦听，但却带来了早睡问题。T-MAC为此提出了两种解决方案，一种称为未来请求发送（Future Request-To-Send，FRTS）；另一种称为满缓冲区优先（full buffer priority），但是这两种方法都不是很好。

为了减少空闲监听，提出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。这种机制工作在物理层，它在每个无线数据包的前面附加了一个前导载波Preamble，这个前导载波Preamble的主要作用是通知接收节点将有数据发送过来，使其调整为接收模式准备接收数据。这种机制的主要思想是减少接收节点在空闲侦听上的能耗，使接收节点能周期性地开启无线收发装置，侦听是否有前导载波Preamble，从而决定是否要接收数据。如果接收节点在工作状态检测到前导载波Preamble，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，接收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，如图3所示。

这种有效的载波侦听方法可以和任何一种基于竞争的MAC协议相结合，将其与ALOHA协议结合，提出了前导字段侦听（Preamble sampling）协议；将其与CSMA协议结合，提出了低功耗侦听（Low power listening）协议。这两种协议统称为LPL协议。LPL协议通过周期性关闭无线装置节省节点的能耗，对节点的存储能力要求很低，并且不需要周期性的信息交换和维护邻居节点的状态信息，节省了协议的控制开销，具有良好的可扩展性，但减小了数据成功发送的概率。前导字段的长度与节点的无线模块通断时间有关。节点周期睡眠的时间越长，发送节点发送数据时前导字段的长度就越长。因此，随着前导字段长度的增加，发送节点的能量消耗也随之增加。

由于唤醒前导会随着节点周期休眠时间的增加而变长，增加了发送节点的控制开销，因此必须压缩前导序列的长度。WiseMAC采用动态调整前导长度方法减少控制开销，其基本思想是通过在数据确认包中携带节点下次信道侦听时间，节点获得所有邻居的信道侦听时间。在发送数据时，可以将唤醒前导序列压缩到最短。WiseMAC协议可以很好地适应网络流量变化，它是针对WiseNET设计的MAC协议。但是由于节点需要存储邻居节点的信道侦听时间，会占用宝贵的存储空间，增加协议实现复杂度，尤其是在节点密度较高的网络内这个问题尤为突出。

B-MAC协议是加州大学伯克利分校开发的伯克利媒介访问控制协议（Berkeley Media Access Control，B-MAC），该协议是一个设计和实现简单，且可配置的MAC协议。B-MAC协议采用空闲信道评估CCA（Clear Channel Assess）技术进行信道监测，采用低功耗侦听LPL（Low Power Listening）机制实现低功耗通信，采用退避算法减少碰撞，使得其性能远高于S-MAC协议。信道评估通过对接收信号强度RSSI采用指数加权滑动平均算法求出信道平均噪声，再将一小段时间内的最小RSSI值与平均噪声比较，以确定信道状态。B-MAC采用周期信道采样和发送前导序列的方法减少空闲侦听。退避算法包括初始退避和拥塞退避两种，可有应用程序设置。该协议的最主要贡献是它向上层协议提供了一系列双向接口，通过配置这些接口，可以使该协议应用于不同流量类型的网络。B-MAC协议无需共享调度信息，可以有效缩短唤醒时间，因此，在吞吐量和延迟等方面优于S-MAC协议，但在减少能耗方面并没有太大优势，对B-MAC协议和S-MAC协等协议进行比较后得出，B-MAC协议更适合于延迟要求不高的应用，在延迟要求较高的情况下，S-MAC等同步MAC协议更节能。

为了缩短前导长度，减少能耗，X-MAC协议将前导序列分为若干个较小的频闪前导（strobed preamble），每个频闪前导中都包含有目的地址，便于非接收节点尽早丢弃分组进入休眠。利用频闪前导之间的时间间隔，接收节点可以向源节点发送早期确认，发送节点接收到早期确认后立刻发送数据分组，从而避免发送节点过度前导和接收节点过度侦听。图4比较了B-MAC、WiseMAC等一般扩展前导MAC协议和XMAC协议的时序关系。X-MAC协议还设计了一种自适应算法，根据网络流量变化动态调整占空比以减少单跳延迟。

图4 低功率侦听扩展前导与X-MAC时序比较

X-MAC协议在能量效率、吞吐量和延迟等性能上优于B-MAC协议和WiseMAC协议。与传统的基于LPL的MAC协议相比，X-MAC协议更易于被支持分组无线收发器的无线传感器节点所实现，但是X-MAC协议对时间同步精度要求高于WiseMAC，分组长度、数据发送速率等协议参数还需进一步确定。

2 XW-MAC设计

XW-MAC协议是在采用低功耗侦听机制基础上，为了进一步节省能耗，结合了X-MAC协议和WiseMAC协议的优点，提出了优化低功率侦听扩展前导序列机制。另外，XW-MAC协议中还增加了自适应机制，以适应不同的网络流量。

2.1 优化低功率侦听扩展前导序列机制

优化低功率侦听扩展前导沿用了X-MAC协议的前导机制，在发送数据时，将前导分为若干个短前导码（short preamble），短前导码中只包含一个短的前导序列和一个目标地址。在发送前导序列时，每个短前导码之间都有一个接收ACK包的时间间隔，如果接收节点苏醒后收到短前导码中的目的地址是本地地址，那么就向发送节点发送一个ACK应答包。当发送节点发送一个短前导码后收到ACK应答包后，立即开始发送数据；如果发送完一个短前导码后没有收到ACK包，就接着发送下一个短前导码，直到收到ACK应答包或超出所能发送的最大短前导码数。XW-MAC协议的优化在于采用WiseMAC唤醒偏移机制，发送节点记录每个接收节点发送ACK应答包时发送的短前导码的个数，将其作为接收节点唤醒偏移，在以后向该节点发送数据时，根据偏移发送短前导码，这样可以减少发送短前导码的个数，从而减少能耗。如图5所示，X-MAC中在发送到第四个短前导码时收到ACK应答包，如果时序不变，在以后的通信中发送节点仍然要发送四个短前导码才能被接收节点侦听到；在XW-MAC协议中，两个节点的第一次通信与X-MAC协议一样，都发送四个短前导码，但经过此次通信后，发送节点记录接收ACK时发送的短前导码包的个数4作为接收节点的唤醒时间，在以后的通信中，发送节点先计时发送三个短前导码的时间，之后再开始真正发送短前导码，图中为了保证接收节点侦听的可靠性，提前多发送一个短前导码。相比之下，XW-MAC协议的优化前导序列比X-MAC协议中的能耗更少。

图5 优化前导序列与X-MAC序列比较

节点周期休眠和低功耗侦听机制是目前很多MAC协议采用的机制，它们也是XW-MAC协议优化前导序列实现的基础。在X-MAC协议中，发送节点无需知道接收节点苏醒的时间，当有数据要发送时，首先发送唤醒前导码，直到接收节点苏醒；在WiseMAC协议中，发送节点要知道接收节点严格的苏醒时间，发送节点在接收节点苏醒前开始发送信息；XW-MAC协议对前两种方式进行了折中，发送节点只要知道接收节点苏醒的大致时间，只要在这之前开始发送前导码即可，能够减少发送节点发送前导码的长度，也无需严格的时钟同步。另外，为了保证发送数据的可靠性，在XW-MAC协议中，当发送节点发送了指定偏移量的短前导码后仍没有收到接收节点的确认帧，就继续发送短前导码，直到达到最大短前导码数或收到确认帧才停止。

2.2 自适应设计

对于密集性网络，MAC协议的性能严重影响网络的吞吐量和延迟。为了使节点适应不同的网络应用，XW-MAC协议采用自适应机制，根据网络流量，动态调整检测间隔时间CT（check time）和前导长度L。在XW-MAC协议中，将流量分为三个级别：A、B、C，A代表流量较大，B代表流量一般，C代表流量较低，它们分别对应的（检测间隔，前导长度）为（CTa，La）、（CTb，Lb）、（CTc，Lc）。每个节点都以B为默认级别，当流量不断增加达到A级时，XW-MAC协议就改变节点的检测间隔和前导长度变为CTa和La；同理，当流量减少到B级，就调整为CTc和Lc。

3 能耗分析

无线传感器网络节点能耗问题是制约网络性能的关键因素之一，与网络的寿命密切相关。网络的寿命有节点寿命决定，节点寿命有其总能耗决定。能耗越小，节点寿命就长，因此，在保证节点正常通信前提下，尽量减少能耗，延长节点寿命，是无线传感器网络追求的目标之一。节点的总功率E，单位为毫瓦，一般是固定值，总能量E乘以节点寿命t得到总能耗。对于WSN应用，

E=Erx+Etx+Elisten+Ed+Esleep

其中，Erx代表接收功率，Etx代表发送功率，Elisten代表监听功率，Ed代表数据采样功率，Esleep代表休眠功率。传感器是WSN的一部分，一般也由节点供电，所以数据采样功率一般计算在总功率中。

对于采用不同的MAC协议的WSN，在相同的节点，相同的数据采样频率，相同的数据包大小情况下，其Erx、Etx和Ed都是相同的，又由于节点休眠时Esleep很小，所以Elisten成为影响节点能耗的关键参数。XW-MAC协议与X-MAC协议相比，采用相同的低功耗侦听和带ACK的前导序列，所以它们能耗的不同在于前导序列的平均长度。XW-MAC协议中前导序列一般都是固定的1～2个短前导码长度，只有在出现变更检测间隔变化时才会出现大于两个短前导码，而X-MAC协议的发送的短前导码个数不确定，要比XW-MAC协议的多，因此，XW-MAC协议比X-MAC协议更节能。

4 小结

以减少节点能耗为目标，结合X-MAC协议和WiseMAC协议的优点，提出了XW-MAC协议。通过定性的能耗分析，XW-MAC协议比X-MAC协议更节能。进一步的工作将通过仿真和实验进行定量的验证和分析。

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