异构无线传感器网络跨层MAC协议研究现状
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摘要: 在异构无线传感器网络（HWSN）中，节点异构性、链路异构性和网络协议异构性使得介质访问控制协议(简称mac协议)的研究备受关注.为提升HWSN整体性能，跨层协议设计理论及方法应运而生.但目前关于HWSN跨层MAC协议的研究仍处于起步阶段，实际应用于HWSN的跨层MAC协议尚不成熟.针对当前HWSN中主要的跨层MAC协议进行了总结、分类和比较，并从信道访问策略和跨涉层次等方面选取了较典型的协议进行详细分析，旨在为HWSN跨层MAC协议的进一步研究提供参考，并为相关研究工作提供一定的借鉴.
关键词: 异构无线传感器网络；跨层；MAC协议
中图分类号:TP 393 文献标志码:A 文章编号:1672-8513(2011)05-0381-07
Review on Cross-Layer MAC Protocol of Heterogeneous Wireless Sensor Networks
FAN Jing1, XIE Jianbin2, TAO Zhiqing1, GAO Fei1
(1.Key Lab of Wireless Sensor Networks, Yunnan University of Nationalities，Kunming 650031, China;2.School of Urban Construction and Management, Yunnan University, Kunming 650091, China)
Abstract: In heterogeneous wireless sensor networks (HWSN), nodes, links and protocol are all heterogeneity, which has aroused much attention to the research on media access control protocol (MAC Protocol) of HWSN. In order to improve the overall network performance, the relevant theory and methodology for the cross-layer design emerged. But the research of cross-layer MAC protocol for HWSN is just at the initial stage and the practical application of cross-layer MAC protocol for HWSN is still immature. In this paper, the current cross-layer MAC protocol of HWSN was summarized, classified and compared, and the typical protocol selected from the channel access strategy and related layers were analyzed in detail. Moreover, the possible development and existing problems of the cross-layer MAC protocol design were discussed to provide reference for future research.
Key words: heterogeneous wireless sensor networks; cross-layer; MAC protocol
当前，随着信息技术的迅猛发展，泛在式异构一体化综合网络［1］已成为各种通信网络的建设目标.无线传感器网络［2］、无线Mesh网络［3］、Ad Hoc网络以及UMB、WiFi等各种新兴无线网络［1］技术也由于各自不同的特性得到了应用和发展.
根据WSN和WMN特点，将无线Mesh网络作为异构无线传感器网络接入的骨干网络，并将无线传感器网络作为泛在网络的接入网络，可形成基于无线Mesh网络的由多种不同类型传感器节点构成的异构无线传感器网络［4-5］（Heterogeneous Wireless Sensor Network, HWSN）.异构无线传感器网络（HWSN）的异构特性主要体现在节点异构性（包括感知能力、计算能力、通信能力和能量等）、链路异构性和网络协议异构性等方面.目前关于基于无线Mesh网络的异构传感器网络研究则主要集中在网络协议、能量、定位、带宽分配、可靠性、数据处理等方面，其中网络协议一直是研究重点.在协议研究中，因介质访问控制协议(简称MAC协议)负责分配节点的无线信道网络资源、控制无线信道使用方式，且较直接影响无线异构网络的性能而备受关注.与此同时，为兼顾网络整体性能提升，跨层协议设计理论及方法运应而生.为提高HWSN性能、更有效地分配和利用有限的网络资源，研究基于无线Mesh网络的HWSN层间通信机制并进行相应的跨层设计是关键.因此跨层MAC协议的研究已成为目前HWSN研究重点和热点.
目前已有少量针对不同需求和应用对象的HWSN跨层MAC协议研究成果，但相应的跨层MAC协议各有利弊.为更好地探讨未来HWSN跨层MAC协议设计的研究发展方向，进一步促进跨层MAC协议实验平台设计和跨层MAC协议在网络中的实际应用，本文针对当前HWSN中的跨层MAC协议进行了总结、分类和比较，选取较典型的协议进行了详细分析，旨在为HWSN跨层MAC协议的进一步研究提供参考.
1 跨层MAC协议分类
由于异构无线传感器网络（HWSN）的异构特性使无线网络具有拓扑相对动态、链路质量变化大、能量有限等特点，因此针对有线网络而提出的分层、改进MAC协议的无线异构网络不适用.为促进网络资源的有效利用，在兼顾公平性、实时性的前提下，实现网络能量有效性、高吞吐量和高带宽利用率等应用需求，研究人员从不同角度提出了多种跨层MAC协议，但目前尚无统一的分类方式.本文从信道分配方式、数据处理方式、跨层涉及方式等方面将跨层MAC协议进行如下分类：
1) 鉴于信道分配策略与网络层的路由层关系密切，信道分配策略将影响网络拓扑从而影响路由选择；路由将影响不同信道流量分布从而影响信道分配策略.因此，根据信道访问策略不同可将HWSN跨层MAC协议分为按需分配接入方式跨层MAC协议、固定接入方式跨层MAC协议和混合型跨多层跨层MAC协议3种方式；
2) 鉴于HWSN使用了大量多载波和多信道的物理层技术，因此可根据信道共享方式将HWSN跨层MAC协议分为单一共享信道跨层MAC协议和多信道跨层MAC协议2种方式；
3) 鉴于HWSN中MAC层跨层设计既可在物理层与MAC层间进行，也可在MAC层和网络层间进行，因此可根据HWSN中MAC协议所涉及的跨涉层次将HWSN跨层MAC协议分为跨越一层的跨层MAC协议和多跨层的跨层MAC协议；
此外，根据应用需求，还有部分跨层MAC协议是混合型并具有安全性［6］、移动适应性［7］、环境位置感知能力［8］等.
2 典型跨层MAC协议分析
2.1 按需分配接入方式的跨层MAC协议
当前按需分配接入方式的跨层MAC协议主要思想是：当节点需发送数据时，网络根据拓扑、信道状态等信息并结合路由计算数据，设定相应竞争方式使用无线信道.在采用竞争的方式使用无线信道时，若发送的数据产生了碰撞，则按照综合优选策略重发数据，直至数据发送成功或丢弃为止.此类算法的优点是算法能及时有效地根据网络流量、规模和拓扑变化，自适应地调整信道接入方式从而获得较好的QoS保证.目前相关研究已提出了诸如CAEM［9］、SS-Trees［10］、MISIC(2006)［11］和CLPC［12］等基于竞争的传感器网络跨层MAC协议.
2.1.1 CAEM信道自适应能量管理算法
CAEM信道自适应能量管理算法的基本思想是：为优化能量管理，通过CAEM算法协同调节物理层和MAC层的信息交互，使每个传感器能基于接收信号的衰减程度进行自我调整以持续监测信道状态信息，并改变相应数据传输信道，从而保证能量有效分配.此外，CAEM算法还采用了CSMA-CD（带冲撞检测的载波侦听多路接入）作为信道接入方法的跨层能量管理方法.当采用CAEM协议时，网络中所有传感器持续感知信道状态，若网络中一节点需传输包，则在信道状态好时传输；当信道状态不好时，包被缓冲，传感器进入睡眠模式.CAEM协议的公平调度和队列机制有效避免了信道状态长时间不好时的能耗.因此，采用CAEM协议时的网络能量消耗和通信质量可平衡，相应的网络寿命比不采用CAEM协议时增加40%.
2.1.2 SS-Trees（感知休眠树）
SS-Trees的基本思想是：为最大化能效，采用深度优先贪婪方法，自底向上逐枝生成休眠感知树(SS-Trees), 并根据SS-Tree对传感器休眠调度进行优化，同时采用CSMA接入信道，在侦听请求时通过区分上游和下游阶段减少包冲撞次数以减少能耗.
SS-Trees计算过程为：以sink节点为根，运用Dijkstra算法，经多次巡航进程计算出端到端的最小路径从而形成一个SS-Trees.具体过程是，初始时所有节点待定，每次巡航沿路径逐跳增加，形成过程如图1所示.图1中有25个节点形成监测矩阵，不同灰度颜色表示形成不同的SS-Trees.在图1所示的SS-Trees树中，每颗SS-Trees采用不同的休眠调度以减少数据发送冲突，并在多跳沿路上采用如图2所示的时间协作型休眠周期模式，进一步节省了在同一颗树上的传送延时.
SS-Trees算法通过精确计算，优化协作了节点的休眠调度机制，更有效地节省了能量.SS-Trees算法可适用于多跳传输的无线网络，但算法的计算复杂性随着节点和跳数的增加也进一步加大.
2.2 固定接入方式跨层MAC协议
目前，固定接入方式的跨层MAC协议即分配调度型的跨层MAC协议主要采用TDMA方式进行信道分配.通常在固定接入方式跨层MAC协议中，物理信道被分为多个子信道，子信道又被静态或动态地分配给需要通信的节点.这类协议可根据网络通信流量情况最大限度地避免冲突、节省能量且无隐藏终端问题，有利于休眠的准确调度.当前比较典型的固定接入方式跨层MAC协议有Nikolaos(2009)［13］、IMAM (2011)［14］、SU H (2009)［15］、SHI L (2010)［16］、WANG H(2008)［17］等.
2.2.1 TDMA Scheduling for WSN
文献［13］表述了一种TDMA Scheduling for WSN算法，这种算法的基本思想是：为减少休眠延迟，提高能量有效性，采用收集跨层路由信息方式，在TDMA信道上有序分配休眠时隙和数据发送时隙，该算法的机制如图3所示.在这种算法中，为保证端到端的延迟尽可能小，算法根据沿途不同跳数设定节点的唤醒时间并基于路径唤醒策略允许转发节点采用更长的唤醒间隔.此外，该算法还在考虑路由信息和邻居节点信息的基础上，采用冲突避免的时隙分配方法以避免发送与接收的相互干扰，从而进一步保证了能量的有效性.
文献［13］提出的路径唤醒机制有效地减少了休眠延迟和端到端的延迟并大大减少了在延迟中消耗能量的可能性，因而网络生命得到有效的延长.但算法采用的是集中式的信道接入机制，因而算法不适用于规模较大的无线网络.但在异构无线网络中，可采用能力较强的节点承担复杂集中的计算任务，其它节点动态执行路径唤醒与冲突避免机制.另外，在如图所示的唤醒机制中，空闲等待的能耗可进一步优化，这将是未来无线异构网络的一个研究内容.
2.2.2 TDMA Scheduling for WMN
文献［14］提出了一种TDMA Scheduling for WMN思路,针对无线网状网络分别设计了基于图4和图5所示的联合STDMA分配算法和动态分配STDMA算法，并将STDMA算法与基于空间TDMA的最佳跨层路由相结合形成最佳路由分配和最佳容量分配机制，实现了端到端的延时最小化.此外，论文还基于拓扑改变时网络的连通性，研究了无线信道和包传输概率下端到端的平均时延和时延抖动情况.文献［14］的研究结果表明，当MESH网络密集时，STDMA算法性能不佳；但当网络较稀疏时，STDMA算法的性能则比较好.因此，TDMA Scheduling for WMN算法较适合于节点具有较少能量、连接链路稀疏的情况.
2.3 混合型信道分配跨层MAC协议
目前，混合型信道分配跨层MAC协议一般采用CSMA机制作为信道分配方法.但当信道竞争加剧时，混合型信道分配跨层MAC协议则大量使用TDMA信道分配机制并引入时间帧和跨层信息，为节点分配时隙.因此，节点可以选择任何时隙发送数据并在所分配的时隙发送过程中享有更高优先级.混合型信道分配跨层MAC协议组合了按需分配和调度型MAC协议的优点，并适度地避免了按需分配和调度型MAC协议各自的缺点.由于引入了跨层信息，混合型跨层MAC协议可进一步提高网络整体性能.研究成果表明，当前混合型接入方式跨层MAC协议主要有TDMA/CDMA［18］、FMH-MAC［19］、TM-MAC［20］和LEMMA［21］等.
2.3.1 TDMA/CDMA混合型
文献［18］研究并设计了一种混合型的跨层TDMA/CDMA媒体访问控制机制.在该机制中，通过在簇间采用TDMA分配不同超级帧来干扰簇的方式以避免簇间干扰，应用顶点染色模型解决基于STDMA的簇内干扰问题，并通过启发式搜索算法解决簇间时隙优化分配问题，根据能量和时间控制情况将CDMA调度应用于簇内传感器节点集合以减少簇内能量耗损.
在文献［18］的混合型跨层TDMA/CDMA媒体访问控制机制中，时间被划分为帧，帧又被划分为上行和下行子帧，同时根据簇内不同节点的访问窗口给帧依次分配了相应时隙，具体划分方法如图6所示.文献［18］的研究结果表明，簇间TDMA机制可有效避免能量的干扰损耗，针对每个簇内的CDMA机制又可保证簇内成员的传输同步，从而进一步节省能耗.
2.3.2 多跳多频多信道混合型
文献［19］设计了一个信道分配和快速MAC架构――CAFMA.CAFMA有效地利用了多频多信道的优越性，CAFMA提供了多渠道协调、基于多跳中继拓扑结构的快速数据通信机制以及与路由协议联合的分布式信道分配方案.文献［19］还在CAFMA框架下具体设计了一个多跳MAC协议――FMH-MAC协议.FMH-MAC协议跨涉了网络层和MAC层，FMH-MAC协议允许一个正在从某个干扰频率接收数据的节点提前与下一跳节点进行信道分配协商，并立即在第2个频段转发所收到的包.FMH-MAC协议通过一个包含跳数、信道控制干扰数的CAM矩阵与下层的MAC机制进行协同工作以避免冲突和分布式的信道分配.与单层MAC协议相比，文献［19］提出的CAFMA算法支持服务区分、计算简单且有更好的QoS，较适用于多跳网络.
2.4 涉及不同层次的跨层MAC协议
2.4.1 涉及网络层的跨层MAC协议
为解决HWSN中由于MAC协议利用监听和睡眠方案而导致的端到端延迟增加、网络吞吐量降低以及节点数目过大导致的sink节点附近拥塞问题，文献［22］设计了一种混合型跨层传输控制MAC协议――TC-MAC.TC-MAC基于周期性侦听和休眠，在侦听阶段进行多跳信道分配并在休眠阶段进行数据多跳转发；在TC-MAC中，监听时段被预留给多跳信道，拥塞由反压算法控制，特定信息就近转发以阻止临近节点竞争信道，由流量监测器监控拥塞状况以保证相对公平，并根据数据流的变化需求来分配相应的信道资源.TC-MAC中通过捎带和Schedule方法以实现冲突溶解的过程如图7所示，TC-MAC中的拥塞控制过程如图8所示.文献［22］的研究结果表明，当采用TC-MAC协议时，网络能耗可大大减少.
显然，文献［22］设计的TC-MAC涉及了网络层的拥塞控制和路由信息.此外，UMB-MAC［23］、MACRO［24］等跨层协议同样涉及了网络层的拥塞控制和路由信息.TC-MAC、UMB-MAC和MACRO的共同点是在MAC协议中都涉及了网络路由的相关计算，路由和接入控制协同计算以网络整体性能优化等方面.不同点是由于面向的网络环境不同、针对的应用对象不同，协议的设计方法和运行方式也不尽相同.
2.4.2 涉及物理层的跨层MAC协议
目前，涉及物理层的跨层MAC协议类型很多.由于面向不同的先进物理层技术，针对不同的应用需求，涉及物理层的跨层MAC协议有不同的设计方法.例如，文献［25］提出了2种k覆盖的调度机制，一种是每个节点根据探测当地邻居信息需要自动开启自己以实现k覆盖，另一种是允许一个节点激发周边必要的邻居节点数进行主动探测并实现k覆盖.协议的实现主要采用探测切片和主动节点调度方法，与此同时每个节点根据探测地信息和邻居状态信息自主设置开启状态.此外，文献［26］提出了一种用于超宽带（UWB）的跨层链路自适应能量有效的路由协议.文献［26］提出的协议使用了物理层和多种接入层的联合审议以减少网络能耗，并使用了多址作为UWB多跳信令结构，进而优化了多跳路由的能耗.文献［27］基于两物理层重要参数可被MAC协议所用的实际，提出了基于物理层参数调整的跨层方案.文献［27］的跨层方案主要原理是根据信道状态信息(CSI)和残余能量信息(REI)进行调度传输.文献［28］提出了一个带宽和元素分配联合调度的跨层设计方案.文献［28］的方案在满足带宽优化分配的同时，采用了代价意识的元素分配技术以减小总的天线元素，并通过一流量意识流控制链路分配机制来分配调度网络带宽.
3 各类跨层MAC协议比较
HWSN是一个比较新的研究领域，应用范围广泛，涉及的先进技术较多，因此HWSN中跨层MAC协议的研究也呈现出多样性的特点.在当前众多的HWSN跨层MAC协议设计中，没有通用的优化协议，无论哪种设计都有着自身的优点和不足.为对跨层MAC协议有一个整体直观认识，现将主要的跨层MAC协议进行了比较，表1列出了当前主要跨层MAC协议的基本情况.
4 总结与展望
当前尚无统一的异构无线传感器网络跨层MAC协议分类方式，但归结起来异构无线传感器网络跨层MAC协议分大致可按信道分配方式、数据处理方式和跨层涉及方式等进行划分.在当前众多的HWSN跨层MAC协议设计中，没有通用的优化协议，无论哪种设计都有着自身的优点和不足.
随着无线网络技术的不断更新，基于跨层设计的无线异构网络MAC协议设计与优化还有许多需要进一步研究的问题：①如何评估异构无线传感器网络MAC协议中由于跨层引起的开销和由于跨层所节约的开销是一个值得长期探讨的问题；②现有的跨层MAC协议对网络拓扑动态变化、网络移动性的支持明显不足，限制了跨层MAC协议的扩展性和可用性，因此移动跨层MAC协议的研究亟待深入；③由于进行跨层设计的同时引入了更为严峻的无线网络安全性问题.因此，如何在节能前提下提高跨层MAC协议的安全性、健壮性是今后研究的一个重点和难点；④研究既适用于异构无线传感器网络，又能与认知无线电技术、超宽带技术、定向天线技术等当前快速发展的先进网络技术协同工作的跨层MAC协议是今后研究的重点方向；⑤目前大多数关于异构无线传感器网络跨层MAC协议的研究成果处于理论和仿真研究水平，将理论成果进一步应用于实际网络仍需深入工作.
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收稿日期:2011-06-20.
基金项目:国家自然科学基金（60963026）；国家民委科研基金（09YN05）；云南省教育厅科学研究基金重点资助项目（09Z0053、08Z0051）.
作者简介:范菁（1976-），女，副教授，博士研究生，硕士生导师.主要研究方向：计算机网络、无线传感器网络、智能计算.