基于无线传感器网络的MAC协议研究

刘琳++杨秀杰

摘要：无线传感器网络是一种应用极为广泛的新兴网络， MAC协议的研究已成为无线传感器网络中的研究热点。本文对几种典型MAC协议进行了分析，通过讨论其优缺点，指出了当前无线传感器网络面临的挑战，展望了进一步的研究方相。

关键词：无线传感器网络 MAC协议 基于竞争的MAC协议

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0025-01

1 引言

无线传感器网络在全球范围内广受瞩目，为各行各业的发展带来翻天覆地的变化。在无线传感器网络中，介质访问控制协议（ medium access control，MAC）处于无线传感器网络协议的底层部分，规定了无线信道的使用方式，负责分配传感器节点间有限的通信资源，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。

2 无线传感器网络MAC协议的类型

无线传感器网络广泛的应用领域使其面临多样性和特殊的应用需求，从而促成了各种不同的MAC协议设计。当前主要的无线传感器网络MAC协议大致划分为以下几类：基于竞争的MAC协议、基于调度的MAC协议和混合MAC协议。

2.1 基于竞争的MAC协议

基于竞争的MAC协议是一种按需使用信道的方式，大多数分布式MAC协议采用载波侦听（CSMA）或载波侦听/冲突避免（CSMA/CA）的机制，并采用附加的信令控制消息来处理隐藏和暴露节点问题。这类MAC协议有S-MAC、T-MAC、Wise-MAC等。

S-MAC是针对无线传感网络的节能需求，基于竞争机制并加入了同步功能的一种MAC协议。S-MAC协议利用周期性的休眠/监听机制减少了空闲监听所造成的能量浪费；通过让相邻节点同步减少了控制消耗；利用 RTS / CTS机制减少了数据冲突的机率。T-MAC协议在S-MAC协议的基础上引入适应性占空比，来应付不同时间和位置上负载的变化。T-MAC协议节点周期性地短时间监听信道，以确定信道空闲状态。如果信道空闲，节点再次进入睡眠阶段。如果信道忙，节点继续监听信道，直到数据接收完毕或信道再次空闲。节点在发送数据时，帧前加入唤醒前导，使得接收节点在帧的数据部分发送前进入工作状态，以接收数据，减少了空闲监听的能耗。Wise-MAC协议通过在数据确认包中携带节点下一次信道侦听时间，使节点获得所有邻居节点的信道侦听时间，这样在发送数据时，可以将唤醒前导压缩到最短，降低能量消耗。

2.2 基于调度的MAC协议

在基于调度的MAC协议中，传感器节点通过一个调度方法来决定是否发送数据。这样使每个节点可以独立使用无线信道资源，没有碰撞的风险。在这类协议中，主要的调度方法是时分复用（TDMA），就是将时间分为多个时槽，若干个时槽组成一帧，每一帧内分配一定数目的时槽给传感器节点发送数据。

2.3 混合MAC协议

混合MAC协议主要是将多种机制结合起来，以获取一个折衷。Z-MAC就是一种把CSMA和TDMA结合起来，更为有效的MAC协议。它能够在不同的竞争级别下具有良好的适应性，在较低竞争情况下它的性能像CSMA，在较高竞争情况下他像TDMA，对于网络拓扑的动态变化和时间同步失效有良好的适应性。混合MAC协议有很好的扩展性，更有利于整个网络的优化，但协议实现起来太难，算法复杂的太高。

3 面临的挑战

不同的实际应用对于无线传感器网络的要求是不同的，因此仅仅局限于一种MAC协议是不能满足实际应用的需求。根据不同应用需求所设计的MAC协议所体现的重点不同，有各自的优缺点。总的来说，无线传感器网络中MAC协议的设计最重要的目标是节省能耗。基于竞争的MAC协议简单、灵活，具有较好的可扩展性。但其在以下几个方面可能造成能量浪费。（1）节点采用竞争方式使用信道时，由于发生碰撞的现象重传数据而消耗节点更多的能量。（2）节点对无线信道过度的空闲监听，会造成节点的能量浪费。（3）在控制节点之间的信道分配时，控制消息过多也会消耗较多的网络能量。基于调度的MAC协议本身具有无冲突的特性，而且预先进行的信道分配使节点了解自己何时应监听信道何时可以关闭收发机，因此这种方式能够有力的避免由于碰撞、空闲监听及串音造成的能量浪费，非常适合节能的需求。但它们会有固定的控制开销（即进行信道分配的开销），在网络扩展性方面存在缺陷，还需要较严格的节点间时间同步。

4 总结和展望

近年来，随着对无线传感器网络应用需求的研究，新的MAC协议层出不穷。由于各种MAC协议采用的技术手段和具体应用各不相同，因而实际效果千差万别。通过对无线传感器网络MAC协议进行分析，现有的无线传感器网络MAC协议要具有实用性，还需要解决许多基础性问题和关键技术。事实上由于MAC协议的设计受物理硬件平台、物理层协议、应用领域等因素的影响，无线传感器网络MAC协议的发展趋势并没有呈现收敛性，不存在通用的MAC协议，也无法形成标准。影响无线传感器网络能耗的因素有很多方面，并不仅仅局限于MAC协议，改进MAC层的机制，采用跨层设计来进行能量优化将是未来研究的热点。

参考文献

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[2]蹇强，龚正虎，朱培栋，桂春梅.无线传感器网络MAC协议研究进展[J].软件学报，2008，19（2）：389-403.