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无线传感器网络MAC协议研究进展.pdf

无线传感器网络MAC协议研究进展

ice_boat
2010-08-04 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《无线传感器网络MAC协议研究进展pdf》,可适用于考试题库领域

ISSN,CODENRUXUEWEmail:josiscasaccnJournalofSoftware,Vol,No,February,pp−http:wwwjosorgcnDOI:SPJTelFax:©byJournalofSoftwareAllrightsreserved无线传感器网络MAC协议研究进展∗蹇强,龚正虎,朱培栋,桂春梅(国防科学技术大学计算机学院,湖南长沙)OverviewofMACProtocolsinWirelessSensorNetworksJIANQiang,GONGZhengHu,ZHUPeiDong,GUIChunMei(SchoolofComputer,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha,China)Correspondingauthor:Phn:,Email:qiangvipsinacom,http:wwwnudteducnJianQ,GongZH,ZhuPD,GuiCMOverviewofMACprotocolsinwirelesssensornetworksJournalofSoftware,,():−http:wwwjosorgcnhtmAbstract:Inwirelesssensornetwork,mediumaccesscontrol(MAC)hasbeenatthecoreofeffectivecommunicationSincethetraditionalMAClayerprotocolsdon’tadaptthemselvestotheperformancetraitsandtechniquerequestofwirelesssensornetwork,manyMACprotocolsforwirelesssensornetworkarestudiedDesignprinciplesandclassificationmethodsforMACprotocolsinwirelesssensornetworkaresummarized,andfundamentalmechanismofeachrecentrepresentativeMACprotocolisanalyzedindetailThecharacteristics,performance,andapplicationareasofvariousMACprotocolsinwirelesssensornetworkareadequatelycomparedFinally,thestatusofcurrentresearchdevelopmentareconcludedandtheopenresearchissuesonMAClayerdesignarepointedoutKeywords:wirelesssensornetwork(WSN)MAC(mediumaccesscontrol)protocolTDMAcontentionprotocolcrosslayerdesign摘要:在无线传感器网络体系结构中,MAC(mediumaccesscontrol)协议是保证网络高效通信的重要协议无线传感器网络有着与传统无线网络明显不同的性能特点和技术要求,传统无线网络MAC协议无法应用于传感器网络,各种针对特定传感器网络特点的MAC协议相继提出归纳无线传感器网络MAC协议的设计原则和分类方法,分析当前典型的各类MAC协议的主要机制,详细比较这些协议的特点、性能差异和应用范围最后总结无线传感器网络MAC协议的研究现状,指出未来的研究重点关键词:无线传感器网络MAC协议TDMA竞争协议跨层设计中图法分类号:TP文献标识码:A当前,信息技术可以实现信息的海量存储、高速传输和快速处理,但信息获取却仍未达到自动化水平微传感器技术、微电子技术、无线通信技术以及计算技术的进步,极大地推动了集信息采集、处理、无线传输等功能于一体的无线传感器网络(wirelesssensornetwork,简称WSN)的发展WSN正在给人类生活和生产的各个领∗SupportedbytheNationalHighTechResearchandDevelopmentPlanofChinaunderGrantNoAA(国家高技术研究发展计划())theNationalBasicResearchProgramofChinaunderGrantNoCB(国家重点基础研究发展计划())ReceivedAcceptedJournalofSoftware软件学报Vol,No,February域带来深远影响,在国防军事、医疗卫生、环境监测、城市交通以及空间探索等领域具有广阔的应用前景,目前,国内外WSN研究主要集中于网络协议、能量、定位、可靠性、网络架构以及数据处理等问题,网络协议的研究是其中的热点之一而作为WSN网络协议栈重要基础架构的介质访问控制(mediumaccesscontrol,简称MAC)协议,决定着无线信道的使用方式,负责为节点分配无线通信资源,直接影响网络整体性能,成为WSN网络协议研究的重中之重目前,已有大量针对WSN不同特点和具体应用的MAC协议相继提出为了吸取经验、分析不足,我们对当前WSN中典型的MAC协议进行总结和分类,详细分析和比较这些协议的核心机制、性能特点和应用范围,并指出未来的研究策略与重点,以期为WSNMAC协议的进一步研究提供参考WSNMAC协议概述WSNMAC协议设计原则在WSN中,节点能量有限且难以补充为保证WSN长期有效工作,MAC协议以减少能耗、最大化网络生存时间为首要设计目标其次,为了适应节点分布和拓扑变化,MAC协议需要具备良好的可扩展性传统无线网络关注的实时性、吞吐量及带宽利用率等性能指标成为次要目标此外,WSN节点一般属于同一利益实体,可为系统优化作出一定的牺牲,因此,能量效率以外的公平性一般不作为设计目标,除非多用途WSN重叠部署WSN中的能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗其中,通信能耗所占比重最大因此,减少通信能耗是延长网络生存时间的有效手段大量研究表明,通信过程中主要能量浪费存在于:冲突导致重传和等待重传非目的节点接收并处理数据形成串音发射接收不同步导致分组空传(overemitting)控制分组本身开销无通信任务节点对信道的空闲侦听等此外,无线发射装置频繁发送接收状态切换也会造成能量迅速消耗基于上述原因,WSNMAC协议通常采用“侦听休眠”交替的信道访问策略,节点无通信任务则进入低功耗睡眠状态,以减少冲突、串音和空闲侦听通过协调节点间的侦听休眠周期以及节点发送接收数据的时机,避免分组空传和减少过度侦听通过限制控制分组长度和数量减少控制开销尽量延长节点休眠时间,减少状态切换次数同时,为了避免MAC协议本身开销过大,消耗过多的能量,MAC协议尽量做到简单、高效当然,影响传统无线网络MAC协议设计的一些基本问题,如隐藏终端和暴露终端问题、无线信道衰减和无规律冲突(interferenceirregularity)问题等,在WSNMAC协议中依然存在,需要解决WSNMAC协议分类WSN与应用高度相关,研究人员从不同的方面出发提出多种MAC协议但目前尚无统一分类方式可根据信道分配方式、数据通信类型、性能需求、硬件特点以及应用范围等策略,使用多种分类方法对其分类:()根据信道访问策略的不同可分为竞争协议、调度协议和混合MAC协议竞争协议无须全局网络信息,扩展性好、易于实现,但能耗大调度协议有节省优势和延时保障,但帧长度和调度难以调整,扩展性差,且时钟同步要求高混合协议具有上述两种MAC协议的优点,但通常比较复杂,实现难度大()根据使用单一共享信道还是多信道可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议前者节点体积小、成本低,但控制分组与数据分组使用同一信道,降低了信道利用率后者有利于减少冲突和重传,信道利用率高、传输时延小,但硬件成本高,且存在频谱分配拥挤问题()根据数据通信类型可分为单播协议和组播聚播(convergecast)协议前者适于沿特定路径的数据采集,有利于网络优化,但扩展性差后者有利于数据融合与查询,但时钟同步要求高,且数据冗余,重传代价高()根据传感器节点发射器硬件功率是否可变可分为功率固定MAC协议和功率控制MAC协议前者硬件成本低,但通信范围相互重叠,易造成冲突后者有利于节点能耗均衡,但易形成非对称链路,且硬件成本增加()根据发射天线的种类可分为基于全向天线的MAC协议和基于定向天线的MAC协议前者成本低、易部署,但增加了冲突和串音后者有利于避免冲突,但增加了节点复杂性和功耗,且需要定位技术的蹇强等:无线传感器网络MAC协议研究进展支持()根据协议发起方的不同可分为发送方发起的MAC协议和接收方发起的MAC协议由于冲突仅对接收方造成影响,因此,接收方发起的MAC协议能够有效避免隐藏终端问题,减少冲突概率,但控制开销大、传输延时长发送方发起的MAC协议简单、兼容性好、易于实现,但缺少接收方状态信息,不利于实现网络的全局优化此外,根据是否需要满足一定的QoS支持和性能要求,WSNMAC协议还可分为实时MAC协议、能量高效MAC协议、安全MAC协议、位置感知MAC协议、移动MAC协议等WSNMAC协议分析传统竞争协议如IEEEDCF,建立在MACAW协议基础之上,因其简单性和健壮性,被广泛应用于WLAN和Adhoc网络但IEEE节点空闲侦听能耗过大,不适于WSN虽然提供功率节省(PS)模式,但主要为单跳网络设计,多跳网络下部署易造成网络分割Tseng等人改进了PS模式,提出了种睡眠调度机制,但无法实现节点调度同步,冲突概率、控制开销和传输延时都很大还有研究人员从其他角度出发,对AdhocMAC协议进行改进,但若作为WSNMAC协议则都差强人意与竞争协议相比,传统调度协议虽能实现无冲突通信,具有一定的节能优势,但总要在延时、吞吐量和能量高效之间加以折衷,扩展性差是一个大问题,实际部署中难以调整帧长度和时槽分配,无法有效应对节点失效和拓扑变化其中,部分协议(如LEACH及各变种)组织分簇结构,在一定程度上缓解了上述问题,但簇的建立和维护增加了存储和控制开销,且同步精度要求高,实现难度大近年来,学术界提出了众多WSN专用MAC协议,部分协议已经在实验环境甚至实际系统中得到应用和验证(如BMAC和EMACs等)我们对这些协议进行研究,选取了部分较为重要的和近期提出的MAC协议,对其核心机制、特点和优缺点等进行了分析和比较表列举了本文涉及的WSNMAC协议和部分Adhoc网络MAC协议(用粗线区分开)为了便于比较,我们基本上采用前述第种方法对其进行分类,其中,跨层设计的MAC协议已经突破了传统网络协议栈中MAC协议的实际内涵,不少协议已经兼备了链路层信道访问控制和网络层路由功能为此,我们将这些协议单独列举出来下面将对表中阴影部分的协议进行重点分析TableMACprotocolsforwireless(sensor)networks表无线(传感器)网络MAC协议ContentionBasedMACScheduleBasedMACHybridMACCrosslayerdesignedMACMACABI()IEEEDCF()PAMAS()Bluetooth()SMACS()ADAPT()BASIC()SEEDEX()ARC()WooCuller()SMACSEAR()LEACH()DEANA()NAMA,PAMA()MetaMAC()OAR()Lowpowerlistening()SMAC,STEM()Preamblesampling()Arisha()EnergyAwareTDMAbasedMAC()HTDMA()THolliday,etal()PCSMAC()SIFT()TMAC()PCMAC()ERMAC()TRAMA()EMACs()DEMAC()AmreElHoiydi()GeRaF()MINA()DSMAC()ACMAC()SMAC()BMAC()TDMAW()BMA()DMAC()LooseMAC()FPS()SCuiRMadan()PMAC()TEAMAC()TEEM()WiseMAC()RTMAC()SSTDMA()ZMAC()AIMRP()OTBMA()XMAC()ArDez()DSTDMA()AKesha,etal()FunnelingMAC()SARAM()基于竞争的MAC协议竞争协议采用按需使用信道的方式,当节点需要发送数据时,通过竞争方式使用无线信道,若发送的数据产生了冲突,就按照某种策略重发数据,直到数据发送成功或放弃发送为止在WSN中,睡眠唤醒调度、握手机制设计和减少睡眠延时是竞争协议重点考虑的三大问题一般而言,竞争协议对时钟同步精度要求没有调度协议JournalofSoftware软件学报Vol,No,February高,但为了实现及时可靠通信并保证协议能量高效,仍需为睡眠唤醒调度和控制分组安排合理的时序关系SMAC(sensorMAC)和TMAC(timeoutMAC)协议这两个协议均采用节点周期睡眠调度,不同点是调度周期中节点活跃时间所占的比例(占空比)SMAC基本思想是:节点周期睡眠以减少空闲侦听,苏醒后侦听信道,判断是否需要发送或接收数据具有相同睡眠调度的节点形成一个虚簇,既保证相邻节点调度周期同步,又满足可扩展性为了避免冲突和串音,SMAC采用与类似的虚拟和物理载波侦听机制以及RTSCTS通告机制,且在控制分组中捎带数据传输剩余时间,邻居节点据此计算NAV,并进入睡眠状态,直到长消息发送完毕为止SMAC成功实现周期睡眠调度,显著减少了空闲侦听,能够较好地满足WSN的节能需求其后,大多数竞争协议延续这一思想,并将其作为基准协议进行比较但SMAC协议帧长度和占空比(dutycycle)固定,帧长度受限于延迟要求和缓存大小,活跃时间主要依赖于消息速率,特别是当网络负载较小时,空闲侦听时间仍然过长周期睡眠造成通信延迟累加尽管SMAC改进版本采用流量自适应侦听机制将睡眠延时减少一半以上,但周期睡眠造成的传输延迟仍然十分显著因此,SMAC不适合健康监测、目标跟踪等实时性要求较高的应用TMAC针对SMAC的上述缺陷进行改进定义了个激活事件,如果在TA时间内没有发生任一激活事件,则节点认为信道空闲,节点进入睡眠状态每一帧中的活跃时间可根据网络流量动态调整,增加了睡眠时间但随机睡眠带来早睡问题,增加了延时TMAC为此提供两种解决方案:未来请求发送(FRTS)和满缓冲区优先(FBP),但仍存在缺陷:FRTS可以减少延时和提高吞吐率,但DS分组和FRTS分组带来额外的通信开销FBP方法减少了早睡发生的可能性,并具有简单流量控制作用,但当网络流量较大时增加了冲突概率图对SMAC和TMAC的基本协议机制进行了比较,其中箭头分别代表发送和接收分组FigBasicprotocolschemeofSMACandTMAC图SMAC和TMAC基本协议机制BMAC,WiseMAC和XMACSMAC和TMAC通过精确的时序关系控制节点的睡眠调度,因此对时钟同步的要求较高下面个协议则更多地利用了竞争协议对无线信道的“抢占”原则,睡眠调度更具主动性,同时减少对时钟同步精度的依赖BMAC协议使用扩展前导和低功率侦听(LPL)技术实现低功耗通信,采用空闲信道评估技术进行信道裁决节点在发送数据分组之前先发送一段长度固定的前导序列为避免分组空传,前导序列长度要大于接收方睡眠时间若节点唤醒后侦听到前导序列,则保持活跃状态,直到接收到数据分组或信道变得再次空闲为止BMAC无须共享调度信息,可以有效缩短唤醒时间,因此,在吞吐量和延时等方面优于SMAC,但在减少能量消耗上并没有太大优势较长的固定前导序列造成发送方和接收方能耗增加和发送方邻居节点串音在前导序列结束后才接收到有效数据,平均接收延时为前导长度的一半文献对BMAC和SMAC等协议进行比较后指出,BMAC更适合于延时要求不高的应用,在延时要求较高的情况下,SMAC等同步MAC协议更节能与BMAC不同,WiseMAC动态调整前导长度接收节点在最近ACK报文中捎带下次唤醒时间,使发送方了解每个下游节点采样调度,进而缩短前导长度为了减少固定前导冲突概率,采用随机唤醒前导考虑到时钟漂移,前导长度Tp=min(Lθ,Tw),其中,θ是节点时钟漂移速度,L为从收到上次确认到现在的时间,Tw是信道侦听时间间隔WiseMAC中采样调度表存储开销较大,当网络密度大时尤为突出WiseMAC使用非坚持CSMA减少空闲监听,无法克服隐藏终端问题WiseMAC宜用作网络负载较轻的结构化网络中下行链路MAC协议XMAC协议再次缩短前导序列的长度,同时引入握手机制进一步减小发送前导序列的能量开销前导序ActivestateSleepstateNormalSMACActivetimeNormalTATATATMACSleeptime蹇强等:无线传感器网络MAC协议研究进展列由若干较小的频闪前导(strobedpreamble)组成,其中包含目的地址,非接收节点尽早丢弃分组并睡眠利用频闪前导之间的时间间隔,接收节点向源节点发送早期确认发送节点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比较了BMAC,WiseMAC等一般扩展前导MAC协议和XMAC的时序关系XMAC还设计了一种自适应算法,根据网络流量变化动态调整节点的占空比以减少单跳延时每个节点统计n×t时间内接收到的报文数量k,并根据图动态调整占空比仿真实验表明,这种次优方法的近似比不小于XMAC在能量效率、吞吐量和延时等性能上优于BMAC和WiseMAC与传统的基于LPL的MAC协议相比,XMAC更易于被支持分组无线发射器的无线传感器节点(如MicaZ和iMote)所实现,但XMAC对时钟同步精度要求高于WiseMAC,分组长度、数据发送速率等协议参数还需进一步确定LongpreambleDataTargetaddressindataheaderReceivedataExtendedwaittimeDataReceivedataShortpreambleswithtargetaddressinformationLPLsenderLPLreceiverXMACsenderXMACreceiverTimeenergysavedTimeTimeTimeTimeEnergyOptimalsleepandlistentimes(ms)relaLoad:Expectedpacketspersecond(logsctivetoloadale)Listen(PMAC和Sift在基于竞争的MAC协议中,根据网络流量决定占空比是提高能量效率的有效手段,PMAC(patternMAC)协议和Sift协议采用的方法为我们提供了一种新的思路PMAC根据网络负载和流量模式自适应调整睡眠调度时间被分为连续的超时间帧(STF),每个STF包含两个子帧:模式循环时间帧(PRTF)和模式交换时间帧(PETF)PRTF由N个时隙和个附加时隙组成,节点根据模式(pattern)决定在每个时隙睡眠或唤醒,模式用一个比特串m表示,表示连续m个时隙睡眠和个时隙唤醒在附加时隙,所有节点均唤醒PETF也分为多个时隙,用于与邻居节点交换模式在首个PRTF,每个节点均唤醒,即模式为然后,在每个模式位为的时隙考察是否有数据需要发送,如果没有,则采用类似于TCP慢启动算法的方法逐步增加模式中位的数量,即增加节点休眠时间如果有数据需要发送,则将模式恢复为在PETF阶段,节点竞争信道并广播自己的模式,然后根据收集到的邻居节点模式计算下一个PRTF中的睡眠调度在PMAC中,当网络流量较小时节点睡眠时间更长,能量浪费更少模式交换保证只有传输路径上的节点需要唤醒以转发数据,减少了邻居节点过度侦听和分组冲突但通过广播交换模式增加冲突概率邻居节点间协商产生睡眠唤醒调度,收敛时间长协议各时隙长度、模式位数、竞争窗口大小等参数未确定Kyle等人提出的Sift协议针对事件驱动WSN设计,其目标是:若N个节点同时监测到同一事件,则只保证其中R个节点能够在最小时间内无冲突成功发送数据,抑制剩余N−R个节点的发送Sift中竞争窗口CW长度固定,节点并不选择发送的时隙,而是选择不同时隙的发送概率如果信道空闲,则逐步增加每个时隙的发送概率如果有其他节点使用该时隙发送数据,则重新计算发送概率节点第r个时隙的发送概率根据公式()计算:(),,,CWrrCWPrαααα−−=×=−CW()其中,CWNα−−=经证明,协议满足如下性质:()当存在N个竞争节点时,有且仅有个节点在第个时隙成功ms)Sleep(ms)Sleep(ms)Listen(ms)FigTimelinesofLPL’sextendedFigEnergyOptimalsleepandlisACKpreambleandXMAC’s图低功率侦听扩展前导与XMAC时序tentimes图能量优化睡眠和侦听时刻JournalofSoftware软件学报Vol,No,February发送的概率大()从第个到第r−个时隙,每个时隙中有且仅有个节点成功发送的概率也大Sift是一个新颖而简单的基于竞争窗口的MAC协议,能满足事件驱动WSN数据突发性和冗余性,但未考虑如何减少空闲侦听协议简单地认为,当节点监听到R个ACK后就取消相应事件报告,对如何选择R个节点及时无冲突发送并没有进一步研究协议要求时钟严格同步,因此只适于在WSN局部区域内(如簇内)使用基于调度的MAC协议调度协议通常以TDMA协议为主,也可采用FDMA或CDMA的信道访问方式,考虑到硬件成本和计算复杂度,在WSN中,后两种方式MAC协议较少调度协议基本思想是:采用某种调度算法将时槽频率正交码映射为节点,这种映射导致一个调度决定一个节点只能使用其特定的时槽频率正交码(个或多个)无冲突访问信道因此,调度协议也可称作无冲突MAC协议或无竞争MAC协议调度可静态分配,也可动态分配为提高协议可扩展性和信道利用率,往往采用分布式算法实现信道重用,但设计高度信道重用有效调度是NP难问题ClusterBasedMAC在TDMA协议中,时槽分配需要一定的全局视图,计算量较大很多TDMA协议利用了分簇网络便于管理维护、对系统变化反应迅速的特点,将时槽计算和分配任务交由簇头节点承担,既能避免扩大计算规模,又有利于实现信道重用下面两个协议就具有这样的特点EnergyAwareTDMABasedMAC协议包含个主要阶段:在数据发送阶段,活跃节点在分配的时槽根据转发表向网关节点发送转发数据,非活跃节点保持睡眠,除非向簇头报告状态或接收路由广播在更新阶段,节点在分配的时槽向簇头报告各自状态(剩余能量、位置等)在基于更新的重路由阶段,簇头根据接收信息重新计算时槽和更新转发表,并发布调度在事件触发重路由阶段,当拓扑变化或某节点能量小于阈值时,簇头产生新调度并发送给簇内节点协议提供两种时槽分配算法:宽度时槽分配和深度时槽分配宽度分配法为簇内节点提供连续时槽,减少硬件切换次数深度分配法有利于数据及时上传,减小报文丢失概率在BMA协议中,节点根据剩余能量选举簇头当选簇头广播当选通告,其余节点根据接收信号强度决定加入哪个簇稳定状态阶段由多个时间帧组成,每个时间帧又分成竞争时槽、数据传输时槽和空闲时槽部分节点在竞争时槽获得数据传输时槽,并在数据传输时槽向簇头报告状态簇头收集成员节点状态信息并发布调度,每个有数据发送的节点获得一个确定的发送时槽,且只在发送时槽向簇头节点发送数据,其余时间休眠上述两个协议各个阶段时长固定,无法适应网络流量变化,降低了信道利用率集中式时槽分配算法要求簇头节点必须具备很强的通信和计算能力,能耗很大,对时钟同步要求高如何合理选择簇头有待深入研究TRAMA(trafficadaptiveMAC)和TDMAW(TDMAwakeupMAC)固定的时槽分配调度虽然能够实现无冲突通信,但节点空闲侦听的能耗很大,且网络负载越小,空闲侦听比例越大因此,很多TDMA协议加入流量自适应技术,动态调整占空比,进一步减少能量开销TRAMA协议的目的是保证节点根据实际流量使用预先分配的时槽无冲突通信,没有通信任务的节点转入睡眠状态,从而减少冲突和空闲侦听导致的能量消耗所有节点首先获得一致的两跳内邻居信息并同步每个节点根据报文产生速率计算调度周期SI,并根据报文队列长度使用AEA算法选择t,SI中具有两跳内最高优先权的若干个时槽,即获胜槽(winningslots)节点使用获胜槽发送数据并使用位图指定接收者,最后一个获胜槽用于广播下一次调度信息AEA算法使用邻居协议NP和调度交换协议SEP选择发送节点和接收节点每个节点u在某一发送槽t的优先权为prio(u,t)=hash(u⊕t)在某一时槽t,如果节点具有两跳邻居内最高优先权并且有数据需要发送,则进入发送状态如果节点是当前调度的指定接收方,则进入接收状态否则,节点进入睡眠状态TRAMA时钟同步存在一定的通信开销随机和调度访问交替进行增加端到端延时协议对节点存储空间和计算能力要求很高,实现难度大在AEA算法中,使用本地节点保存不完全的邻居节点两跳邻居信息,虽然不影响算法的正确性,但可能造成空闲侦听,浪费能量TRAMA协议适用于周期性数据采集和监测等WSN应用TDMAW协议对TRAMA进行改进,使用固定时槽发送或接收数据相邻节点共享调度信息在调度产生阶段,首先采用类似于图着色的分布式算法为所有节点分配时槽,节点每一帧分配两个时槽:一个发送槽用于发送数据,一个唤醒槽用于侦听唤醒信号发送槽两跳范围内唯一,唤醒槽则可以共用在信道访问阶段,节点为每蹇强等:无线传感器网络MAC协议研究进展个邻居保存两个计数器,分别对应于输出和输入链路在无通信活动的情况下,计数器递减成功传输一次数据,则发送方和接收方分别使对应链路的计数器值加节点根据计数器的值是否为判断是否需要发送唤醒信号这一机制既能减少唤醒信号的发送,又能保证在流量较小的情况下,节点有充分的睡眠时间睡眠延时问题是TDMAW的主要缺陷理论分析表明,平均单跳延时为一个帧的长度调度的产生需要大量的广播消息,容易产生冲突,协议收敛时间长,不适于拓扑变化频繁的网络环境节点需要保存所有两跳内邻居的调度信息,存储开销很大TDMAW协议适用于数据量不大的基于事件的WSN应用DatagatheringtreebasedMAC−针对SMAC和TMAC中存在的睡眠延时问题和数据转发停顿(DFI)问题,DMAC提出了一种改进方法根据节点转发数据形成的数据采集树,采用交错唤醒调度机制,将一个周期划分为接收时间、发送时间和睡眠时间每个节点的调度具有不同的偏移,下层节点的发送时间对应于上层节点的接收时间在理想情况下,数据能够连续地从数据源节点传送到数据节点,消除了睡眠延时DMAC的调度机制可称为“梯型”调度,虽然有利于感知数据及时上报,却不利于兴趣查询或指令发布文献提出一种“双梯型”调度机制,其本质是在两个传输方向上对称部署梯型调度,同时减少双向传输延时双梯型调度机制过于复杂,且中间节点在一个调度周期中多次唤醒,能耗不均衡Keshavarzian等人提出一种“交叉梯型”调度机制其基本思想是,选取某一层的中间节点作为唤醒点,唤醒点下层节点采用梯型调度,上层节点采用双梯型调度上述两个协议则成为交叉梯型调度的特例为使能耗公平,各层节点轮流充当唤醒点以上个协议在不同程度上改善了睡眠延时问题,但为了减少流内竞争,多个接收发送时间才能发送一次分组,降低了网络吞吐量同时,引入额外的控制开销避免兄弟节点干扰这种基于数据采集树的MAC协议非常适合边缘节点数据流量小而中间节点数据流量大的WSN,但需要严格的时钟同步,且数据采集树相对稳定,不适合移动节点和规模较大的WSN图对梯型调度、双梯型调度和交叉梯型调度中双向传输延时进行了比较WakeupFigComparisonofladderpattern,twoladderspatternandcrossedladderspattern图梯型调度、双梯型调度和交叉梯型调度比较LooseMACTightMACBush等人首次提出一个同时满足分布式、自稳定、无冲突和无全局时钟等特点的MAC协议其独特之处在于,节点帧长度不等且无须帧对齐LooseMAC执行于协议初始阶段当所有邻居节点稳定后,执行TightMAC,进一步提高吞吐量和减少延时在LooseMAC中:节点帧长度相同,为不小于的最小的的整数幂,其min(,)δδ中,δ和δ分别为直接邻居和两跳邻居数量上限在每一帧节点随机选择一个数据发送时槽,并在该时槽将调度广播给邻居节点若在接下来一帧时间内接收到冲突报告消息或侦听到一次冲突,则重新选择一个未分配时槽,重复上述过程否则调度分配成功,节点进入ready状态在TightMAC中,帧长度进一步缩小为logiiLφ⎡⎢=⎤⎥,其中,()()max()()ijikjjkΔΔφδ∈∈=≈∑δForwarddelayBackwarddelayForwarddelayBackwarddelayForwarddelayBackwarddelay,φi是节点i两跳范围内两跳邻居数量的最大值,取近似值是为了减少通信Sink量和存储开销注意到LooseMAC和TightMAC中不同节点帧长度仍然是倍数关系,因此可以共存该协议仅根据节点本地信息建立调度,能够较好地适应网络拓扑变化,扩展性得到显著提升但在调度产生过程中,节点间的潜在冲突使协议收敛时间过长,影响效率该协议假设基于UnitDisc模型,与实际使用中基于信噪比的冲突检测模型尚有差距,无法利用捕获效应改善性能该协议更适合应用于流量稳定的网络应用环境LeverLeverLeverWakeupWakeupWakeupWakeupJournalofSoftware软件学报Vol,No,FebruaryEMACs(EYEsMAC)及LMAC(lightweightMACforWSNs)VanHoesel等人结合物理层与网络层的特点,提出两个TDMA协议EMACs为上层路由协议提供高效支持作为EMACs的补充,LMAC协议进一步减少发射接收切换次数,节省能量同时降低硬件要求EMACs和LMAC的基本原理是:采用分布式算法选举主动节点构成连通骨干网络,其他节点称为被动节点主动节点协商产生调度,时槽只能在跳外重用被动节点只能向特定主动节点发送数据,大多数情况下保持睡眠根据流量和剩余能量,主动节点和被动节点可以转换连通骨干网络有利于网络层建立路由(如动态源路由DSR(dynamicsourcerouting)),并减少路由开销在LMAC中,控制分组长度固定且包含控制消息(目标ID和跳数)和数据单元,因为没有冲突,所以可以一起直接发送,无须数据交换握手机制,更能有效减少无线收发器的切换次数EMACs和LMAC已经在欧洲研究计划EYEs的原型系统中得到实现但仍有明显缺陷:帧中存在空闲时槽,降低了信道利用率网络流量较大时分组丢失严重主动节点通信任务较重,而且调度协商存在冲突协议不能对广播和聚播通信提供有效支持EMACs和LMAC宜用作数据流量不大的结构化网络MAC协议ArDeZ(asymmetricrendezvousMAC)KvanWu等人借鉴了低轨道卫星系统中使用伪随机数机制建立TDMA信道的思想,提出了一个基于会合点(rendezvous)的MAC协议ArDeZ协议因无须调度协商和严格的时槽界限,适合在大规模WSN中部署ArDeZ为每对相邻节点间的上、下行链路分别建立两个占空比不同的独立时间信道节点根据伪随机数种子计算不同信道的会合周期(rendezvousperiod),并决定信道访问时刻然后不断循环迭代计算新的会合周期,避免周期调度协商,减少开销和延时具体执行过程是:节点首先保持活跃并侦听链路,当接收到邀请消息并同时满足以下个条件时成为受邀节点:()可用邻居数或平均会合周期(MRP)小于给定阈值()与邀请节点之间尚无链路()邀请节点和Sink之间有可达路径邀请消息最初由Sink发送如果邀请节点提供的两个种子和相应会合周期与受邀节点现有调度没有冲突,则回复一个发送信道请求消息CRM,请求采用邀请节点提供的种子建立信道,收到CRM的邀请节点则回复一个信道确认消息CAM上行链路和下行链路的种子Su和Sd由邀请节点在~之间随机选取,并结合时间戳计算会合周期,本次会合周期的结束时刻成为下一次会合周期的种子ArDeZ的伪随机特性保证仅当相邻链路的会合周期重叠且都有数据发送时才会发生冲突,但这样的冲突概率很小ArDeZ协议可获得比SMAC和TRAMA更好的节能特性,而且可根据网络流量调整会合周期,在延时和能耗之间平衡该协议有利于上层路由协议(如GPSR等地理路由协议)的实现,但该协议端到端通信的特性不能较好地满足广播通信的要求主路径上节点能量消耗较快ArDeZ更适用于环境监测等数据采集型WSN混合MAC协议混合协议包含竞争协议和调度协议的设计要素,既能保持所组合协议的优点,又能避免各自的缺点当时空域或某种网络条件改变时,混合协议仍表现为以某类协议为主,其他协议为辅的特性混合协议更有利于网络全局优化ZMAC(zebraMAC)ZMAC是一种CSMATDMA混合MAC协议在低流量条件下使用CSMA信道访问方式,可提高信道利用率并降低延时在高流量条件下使用TDMA信道方式,可减少冲突和串扰与TDMA协议不同,ZMAC中节点能在任何时槽发送数据,但时槽拥有者优先级更高当时槽拥有者不发送数据时,其邻居节点以CSMA方式竞争信道,获胜者“盗用”该时槽通过邻居发现,节点收集两跳内邻居信息,然后采用分布着色算法为每个节点分配时槽与LooseMAC一样,节点帧长度必须是的整数幂,邻居节点以CSMA方式竞争多余的时槽当竞争较强时,节点发出明确竞争通告(ECN)消息,如果节点在最近tECN时间内收到某一两跳邻居发出的ECN,则成为高竞争级(HCL)节点,否则为低竞争级(LCL)节点LCL节点可以竞争任何时槽,但在HCL状态下,只有时槽拥有者及其邻居节点可以使用该时槽,并且在时序上早于非拥有者发送这种ECN技术具有一定的拥塞控制能力ZMAC已经在TinyOS上实现与TinyOS默认协议BMAC相比,它在中、高网络流量下能够提供更高的吞吐量,能量消耗也更小在低流量情况下,性能比BMAC稍差作为一种混合MAC协议,ZMAC具有比传统TDMA协议更好的可靠性和容错能力,在最坏情况下,协议性能接近CSMAZMAC它存在的缺陷有:在启动阶蹇强等:无线传感器网络MAC协议研究进展段需要全局时钟同步在HCL模式下,节点只能在有限的时槽发送数据,增加了传输延时,在LCL模式下仍然存在隐藏终端问题ECN机制易产生内爆,为避免内爆增加了控制开销集中式调度分配算法只能在协议初始阶段为节点分配时槽,无法周期重运行,这也是ZMAC性能不如稍后介绍的FunnelingMAC的主要原因FunnelingMACWSN多跳聚播通信方式造成Sink附近分组易冲突、拥塞和丢失,文献称其为漏斗效应(funnelingeffect)Ahn等人为此提出一种混合协议FunnelingMAC该协议在全网范围内采用CSMACA,漏斗区域节点(f节点)则采用CSMA和TDMA混合的信道访问方式,因此,f节点有更多机会基于调度访问信道Sink周期广播信标,接收到信标的节点成为f节点,Sink逐渐增加广播功率级别,直到网络达到饱和为止f节点使用CSMA和TDMA帧交替访问信道,一个CSMA帧和TDMA帧合成为一个超帧,其中,TDMA帧包含多个时槽,用于f节点根据调度转发数据,CSMA帧用于发送f节点产生的数据以及路由和其他控制信息,如图所示Sink节点产生的TDMA调度分组在信标之后发送,信标广播周期包含的超帧数量和长度固定,因此,f节点知道何时接收信标和调度分组,减少冲突概率,且未收到调度分组的节点仍可使用CSMA帧发送数据,保证了协议的可靠性BeaconBeaconScheduleFigDivisionoftimeframesinfunnelingMAC图FunnelingMAC时间帧划分FunnelingMAC以CSMA为主,对时钟同步要求不高实验表明,其各种性能指标普遍优于ZMAC和BMAC,网络生存时间更长但协议中时槽分配算法只提供松散的TDMA调度,无法消除隐藏终端问题采用面向Sink的集中式TDMA调度算法,若Sink附近拓扑发生变化,则需重新部署,开销很大无线通信中存在的无规律冲突问题,造成漏斗边界的不确定性,影响协议性能因此,FunnelingMAC目前还无法应用于大规模WSN跨层设计MAC协议目前,大部分WSN研究仍然沿用传统的分层设计思想,虽然具有设计简化、网络稳定、兼容性好等优点,但协议栈各层往往关心不同的性能指标,缺少层间交互和信息的共享利用事实上,单一性能参数的改善并不一定能带来系统全局效率的提高,比如,物理层链路质量好的节点可能剩余能量较小,缓冲区待发送分组队列较长,因此,MAC协议不应该将该节点选作下一跳转发节点近年来,很多学者从跨层设计的角度研究MAC层与网络协议栈其他层之间的优化问题,如物理层和MAC层的交互、MAC协议和路由的结合等,以期进一步提高MAC协议效率,实现协议轻量化,减少开销跨层优化问题是目前WSNMAC协议的研究热点之一AIMRP(addresslightintegratedMACandrouting)AIMRP协议基于IEEE,集成了MAC和路由机制其主要特点是:无需全局地址,MAC协议也负责建立路由协议根据节点到Sink的跳数,形成一个以Sink为中心的多层环形结构,路由机制简化为数据分组从外环向内环逐层转发节点采用RTR(requesttorelay)CTR(cleartorelay)DATAACK握手机制实现信道访问控制,转发节点只响应直接上层节点的RTR请求AIMRP采用异步随机工作循环机制,实现节点休眠调度,其基本思想是:节点根据参数σ的分步决定睡眠时间长度Tσ,参数σ根据端到端延时需求确定,如果节点在睡眠状态下检测到事件,则立刻进入侦听状态否则,在睡眠结束后保持等待状态Ton时间,负责转发上层节点产生的数据,Ton远小于分组传输时间TData,保证节点有充足的睡眠时间之后再次进入睡眠状态,并重新计算睡眠时间,除非以下两类事件发生:()新数据产生()接收到上层节点的RTR请求,但尚未接收到来自本层其他节点的CTR响应由于节点睡眠唤醒相互独立,不需要相互交换睡眠调度信息实验表明,AIMRP能量效率高于SMA,但同步精度要求高采用集中式算法,虚拟拓扑动态适应性差路由机制类似于DSR等地理路由协议,未考虑能量优化AIMRP针对典型聚播流量,更适用于事件检测等WS

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