大家好，我是极客范的本期栏目编辑小友，现在为大家讲解无线传感器网络MAC协议的基本问题解析问题。
序
无线传感器网络(WSN)是由许多微小的传感器节点通过无线多跳自组织构成的一个新的前沿研究领域。随着传感器节点的小型化，设计中大部分节点的能量有限，无线传感器网络无中心、自组织、多跳等特点使得MAC协议的设计面临巨大挑战。
媒体访问控制(MAC)协议的主要功能是通过传感器节点的消息传输来控制无线媒体的访问和占用，保证网络的整体性能。通过对现有系统的分析可以看出，无线传感器网络节点通信部分的射频模块是节点中最大的耗能部件，是优化的主要目标。媒体访问控制协议直接控制射频模块，射频模块对节点功耗有重要影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键。
1个媒体访问控制地址
在无线传感器网络中，如果媒体访问控制协议应该避免监听并尽可能长时间保持休眠状态，媒体访问控制地址是非常重要的。媒体访问控制地址用于在数据转发期间识别下一跳传感器节点。媒体访问控制地址包含在单播媒体访问控制数据包中。收到数据包后，节点检查其路由表，以确定下一跳的媒体访问控制地址。这个过程一直持续到数据包到达目的节点。同时，节点确定哪些数据包没有到达，没有到达的节点可以进入睡眠模式。无线传感器网络一般采用无线多跳通信，MAC地址具有空间复用的特点：只要节点的MAC地址在传输邻居中是唯一的，不影响MAC地址的邻居节点识别功能就可以在传输邻居之外复用。在MAC层，这种避免监听回避的方式是一种非常重要的节能方式。
媒体访问控制地址分配协议可以分为两种类型：网络内唯一性和本地唯一性。地址分配协议必须考虑网络链路的不对称性。如图1所示，不对称意味着节点A可以监听节点B，但反过来，节点B不能监听节点A，假设所有节点只与双向相邻节点通信，那么任意节点A的双向节点必须有完全不同的地址。此外，任何单向输入节点的地址必须不同于所有双向节点的地址。节点的链接关系分为双向链接、单向输入和单向输出。为了应对无线链路的时变和随机因素，这种邻居节点协议要反复进行，以便实时更新和确认邻居节点之间的链路关系。当节点A分析完相邻节点的情况后，开始广播消息，节点A的双向链路节点和单向输出节点发回INFO消息作为响应。以类似的方式，节点A知道每个相邻节点的身份。大门截止时间后，节点A将知道其相邻单跳节点和两跳相邻节点的情况。如果节点A的单跳节点存在地址冲突，就会发送冲突消息。收到此消息后，冲突节点开始新一轮的地址选择。成功执行地址分配算法后，节点A就有了自己的地址。这种地址分配算法的冲突概率最小。
图1双向链路节点、单向输入节点和单向输出节点
在基于内容的媒体访问控制协议中，媒体访问控制地址是必不可少的节能措施，可以避免监听相邻节点。
2低占空比协议和唤醒问题
一个节点的理想状态应该是，当一个包被发送到该节点时，该节点始终处于接收状态。当这个节点想要自己发送数据包时，它总是处于发送状态。在其他时候，这个节点总是处于休眠状态。低占空比协议使节点尽可能多的休眠，以最小化传感器节点的通信活动。为了实现这一机制，一些媒体访问控制协议引入了周期性唤醒的方法。如图2所示，该节点大部分时间处于休眠状态，并且周期性地醒来以从其他节点接收数据。完整的唤醒周期包括睡眠周期和倾听周期。听音周期与醒音周期的持续时间之比就是占空比。
图2周期性唤醒方法
稀疏拓扑和能量管理(STEM)协议为空闲监听问题提供了解决方案。图3显示了两个不同的通道，即唤醒通道和数据通道。除非发送或接收数据，否则数据通道通常处于睡眠模式。在数据传输状态下，数据通道只执行MAC协议。在唤醒信道中，时间被划分为若干个固定长度为T的唤醒周期，唤醒周期进一步被划分为长度为TRXT的监听周期和睡眠周期，睡眠周期代表唤醒信道的收发器进入睡眠模式的周期。如果一个节点进入监听周期，它的唤醒信道的接收器应该被打开并等待接收信号。如果在TRX时间内没有接收到信息，则切换到睡眠模式。否则，数据信道的收发器将开始分组传输。
图3单个节点的STEM占空比
t: 2em;">SMAC协议提供了减小空闲监听、冲突碰撞和串扰的机制，与STEM相反，SMAC不需要两个不同的信道。它采用周期性的唤醒方案，即每个节点根据预先确定的时间表，交替地改变固定长度的监听时段和固定长度的唤醒时段。不同于STEM的是，SMAC的监听时段可以用来接收并发送分组。如图4所示，节点x的监听周期被进一步划分为SYNCH、RTS、CTS三个阶段。SYNCH阶段，即同步阶段。节点x接收来自其相邻节点的SYNCH分组。分组中包含相邻节点的时间表，节点x将这些时间表存储在Schedule table中。SYNCH阶段被进一步划分为时隙，x的相邻节点采用CSMA方式竞争信道，并有相应的回退。如果在之前任一时隙没有接收到数据，则每一个希望发送SYNCH分组的相邻节点y可以随机地拾取一个时隙并启动发送。在其他情况下，节点y会返回休眠模式，并等待节点x下一次被唤醒。节点x不需要在节点 y的每一个唤醒时段内均进行广播。
RTS阶段，也就是请求发送阶段，节点x监听来自邻居节点的RTS分组。在SMAC中，使用RTS/CTS握手方式来减小数据分组的碰撞和隐终端问题的影响，而且此阶段内的相邻节点可能会发生竞争。
CTS阶段，即清除发送阶段。若节点x前一阶段收到一个RTS分组，则节点x发送一个CTS分组，之后进行数据交换。
节点x在整个同步时段周期性地监听，以了解其相邻节点的状态。边界位置上的节点必须遵守两个或多个不同的时间表，以广播其SYNCH分组并发送数据。因此这些节点会比相邻节点都使用相同时间表的节点消耗更多的能量。
SMAC采用周期性唤醒方法，允许节点大多数数据停留在休眠模式，但也带来一定的通信延迟。此外会占用大量存储空间缓存数据，这在资源受限的无线传感器网络显得尤为突出。
MD（Mediation Device，仲裁设备）协议，是与IEEE 802.15.4标准所规定的对等通信方式兼容的。该协议为大规模、低占空比运行的节点间提供了不需要高精度时钟同步的可靠通信。MD协议允许无线传感网中节点周期性地进入休眠状态，并仅在唤醒模式下停留较短的时间，以便从相邻节点接收分组数据。该协议引进了动态同步（dynamic synchronizaTIon）的概念，是指不需要发送节点一直等待接收节点的询问信标，也可以实现同步。
图4 SMAC原理图
图5 MD协议
如图5所示，节点在绝大部分时间处于休眠状态，在醒来时发出询问信标。MD节点作为一个不停活动的仲裁者，通过接收由信息传输节点发出的RTS （请求发送）和目标节点的询问信标，协调两个节点暂时同步来传输数据。设置专门MD节点的方式称为“固定式MD”。由于MD节点不停地处于接收状态，不符合网络低能耗要求，又提出了分布式MD协议，即节点随机地成为MD。这样每个节点的平均占空比仍可很低，整个网络保持低功耗、低成本的异步网络。
对上述几种协议在以下几个方面进行比较，如表1所列。
表1 各协议特性比较
3 MAC协议分析与展望
本文介绍了一种MAC协议的相关技术，通过对几种MAC协议的分析可以看到，能量效率问题是无线传感器网络MAC协议的一个基本问题。因此，我们特别关注能够明显降低系统总体能量消耗的方法。无论何时都能够根据需要将节点导入休眠状态的方法，是一种有效保存能量的方法。为满足这一要求，本设计采用低占空比或唤醒技术的方法。休眠机制降低了能耗却增加了时延，多个性能指标间存在着矛盾。需要进一步地研究，如何根据应用需求在各优化指标间取得平衡。现有的MAC协议研究很少关注于网络的具体应用，而某些特定的应用需要其MAC协议针对某个或某些指标进行特别的优化。因此，MAC协议需要提供一种灵活多变的机制，以适用于多种不同应用的网络。