无线传感器网络高效的MAC协议研究

摘要：目前无线传感器网络中的MAC协议可分为发送端启动和接收端启动两类。同步的发送端启动协议同步代价高，基于前导的异步协议网络利用率低，而接收端启动的算法会产生发送端盲等等问题。本文结合这两类协议的优点，提出一种可自适应变换数据传输模式的MAC协议(IL-MAC)。该协议根据节点的消息队列长度决定当前使用哪种传输模式，并通过局部同步算法减少发送端与接收端在建立连接时的盲等，解决了以上问题。在网络仿真平台NS2上的仿真实验表明，IL-MAC要优于RL-MAC，尤其在高负载下优势明显。关键词：无线传感器网络；MAC协议；自适应传输模式变换0 引言 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)由大量具有感知、计算和无线通信能力的廉价节点组成，通过节点间协作地感知和处理网络分布区域中监测对象的相关信息，为人们提供有关监测对象的详实而可靠的信息，可广泛应用于环境监测、抢险救灾、战场监视、城市交通、智能家居等多个领域。 MAC协议负责在传感器节点间分配有限的通信资源，构建传感器网络系统的底层通信结构，因此是传感器网络研究的一个重要方面。 文献统计了传感器节点中通信单元、处理单元和传感单元的能量消耗，如图1所示。从图中可以看到，传感单元和处理单元的能耗远远低于通信单元的能耗，而在通信单元的四种状态中，能耗依次按休眠、监听、接收及发送递增，所以尽量增大节点休眠时间是节省能耗的一个重要措施。目前传感器网络中的MAC协议都将节省能耗作为研究重点，大部分协议都是通过节点周期性休眠以及不需要时关闭无线电收发器来节省能量。

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目前传感器网络中的MAC协议大致可以分为发送端启动和接收端启动两类。在发送端启动的同步协议中，各节点使用相同的休眠调度表，在各自规定的时间醒来参与通信活动，保证节点尽可能多地休眠而不会错过任何一个数据。这类协议的典型代表有S-MAC、T-MAC等。此类协议可以极大地减少节点空闲监听的时间，但要求节点间保持精确同步，而其开销却是不可忽视的。在发送端启动的异步协议中，各节点不需要按照相同的休眠调度表工作，发送端在有数据发送时在信道中发送一个长度略长于接收端休眠时间的前导信号，接收节点在醒来监听到前导信号时便开始接收数据。这类协议消除了显式同步的需要，但由于大量的前导消息增大信道的压力，降低了信道的整体利用率。这类协议的典型代表有B-MAC、X-MAC等。 接收端启动的协议是近两年提出的一种新协议，典型代表为RI-MAC。发送端有数据发送时在信道中静默监听，接收端醒来后即发送信标(beacon消息)，发送端在监听到信标后发送数据。该算法由于消除了发送端前导信号对信道的占用，提高了信道的利用率。但是在高负载情况下，发送端的盲等、过听会造成节点能量的大量消耗，另外正在发送的节点可能会较长时间占用信道，导致其它节点的数据包传输延迟增大。1 问题描述与分析 由上述分析可知，异步的RI-MAC协议没有采用发送端前导侦听技术，这既是它的优点，也是它的缺点。优点是避免了某个发送节点长时间占用信道，缺点是发送端和接收端失去了有效的沟通渠道，在负载较大时可能导致发送端盲等和数据传输延迟增加。在图2的例子中，S1和S2监听信道，等待各自的接收端R1和R2醒来。R2首先醒来发送beacon消息，s2向。R2发送数据。在此过程中R1醒来，发现信道被占用后转入休眠。随后S3监听信道准备向R3发送数据，R3醒来后与S3建立数据传输。在此过程中S1再次醒来，发现信道仍被占用，再次转入休眠。S1监听整个时间段，始终未监听到R1，数据传输被长时间推迟。

在发送端启动的异步MAC协议中，前导被发送端用来获取信道并声明有数据发送，只要相应的接收端如期醒来，数据传输就能够完成。而RJ-MAC依靠接收端发送beacon消息来声明自己的存在，能否进行数据传输要取决于是否有发送端正准备向其发送数据。也就是说，作为数据生产者或转发者的发送节点，只能被动等待传输请求，却无法主动要求进行数据传输。

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