基于自适应更新的无线传感网络MAC协议
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摘 要：针对无线传感器网络节点能量受限问题，提出了一种新的自适应更新异步mac协议——AU-MAC协议。该协议以睡眠与工作状态切换、异步方式和自适应更新相结合的办法有效延长了网络寿命，减少了节点能耗。AU-MAC协议通过采用发方监听、接方激活数据传输，提高了信道利用的有效性。并且，它以建立邻居节点信息表，引入自适应更新机制，来减少空闲监听。在NS2网络仿真平台对提出的AU-MAC协议的性能进行了仿真评估。仿真结果表明，AU-MAC协议在保持相当的吞吐量以及端—端延迟的基础上，使无线传感器网络的能量有效性得到了改善。
关键词：无线传感网络；媒体访问控制；异步；自适应更新
中图分类号： TP212.9；TN915.04
文献标志码：A
MAC protocol based on adaptive update in wireless senor networks
LIU Ming-zhu，XU Shi-tao*，CHEN Guang
School of Measurement-Control Technology and Communication Engineering，
Harbin University of Science and Technology， Harbin Heilongjiang 150080，China
Abstract：
In order to solve the energy limitation problem on wireless sensor network nodes， this paper proposed a new adaptive update asynchronous MAC protocol — AU-MAC protocol. This protocol combined the sleep-work state switching mode， asynchronous mode with adaptive update to effectively extend the network life. AU-MAC protocol improved channel usage efficiency by making use of sender monitoring and receiver activating data transfer. And， it established a neighbor node information table and introduced adaptive updating mechanism， to reduce the free monitor. The functions of AU-MAC protocol had been estimated on NS2 network simulation platform. It shows that， AU-MAC protocol improves the energy efficiency at the basis of maintaining the same throughput and end-end transit delay.
英文关键词 Key words：
Wireless Senor Network （WSN）；Media Access Control （MAC）；asynchronous；adaptive update
0 引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）是一个通过共享无线介质而构成的多跳自组织网络[1] 。它以部署在监测区域内大量的传感器节点来感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象的信息，并发送给观察者。在实际应用中，由于传感器节点常布置在相对偏远、环境恶劣的地区或不便布设有线网络的地方，不易更换电池，因此如何有效降低能耗，延长网络的寿命成为无线传感网络一个重要的研究方向。无线传感器网络的媒体访问控制（Media Access Control，MAC）协议[2]决定着如何在节点之间分配有限的无线通信资源，对无线传感器网络的性能有着非常大的影响。近些年，来人们以降低能耗和一些具体的应用需求提出不同的MAC协议。但到目前为止，无线传感器网络MAC协议还没有一个统一的分类方式。相对来说普遍采用的是以信道分配方式来对MAC协议进行分类，可分为基于调度的MAC协议、基于竞争的MAC协议、混合MAC协议。
调度协议通常以时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）为主，也可采用频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）或码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的信道访问方式[3]。调度协议基本思想是：采用某种调度算法将时槽/频率/正交码分配给节点，这样就有效地避免了冲突。但设计信道的重用以及有效的调度方案是一个难题，并且调度协议通常需要严格的时钟同步，这样就增加了控制开销。
竞争协议主要采用载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA） [4-5]方式，其基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争来使用无线信道。由于通常无线传感器网络的数据传输流量较少，且是一个自组织的网络，这使得基于竞争的MAC协议具有一定的优势。因为这时发生碰撞的概率很小，而且也不需要事先给节点分配信道，使它具有良好的扩展性和适应性。但空闲监听是采用基于竞争的MAC协议节点的主要能量消耗因素。S-MAC（Sensor-MAC） [6]是Ye等在2002年提出的基于竞争类的最具代表性的协议。
混合MAC协议结合了前两者的特点，以Z-MAC [7]协议为代表。但它的协议复杂，难于实现，对节点硬件的处理能力要求高。
本文主要研究基于CSMA竞争机制的MAC协议。所以，本文要解决的就是空闲监听对无线传感器节点能量消耗的问题。普遍的做法是让传感器节点无线收发机在工作与睡眠两种状态之间进行周期性的切换，主要是在不影响通信的前提下，尽可能地使节点处于睡眠状态，减少能耗。
1 MAC协议异步唤醒机制
在竞争的MAC协议中，如果从MAC协议对时钟的要求来说，也可将MAC协议大致区分为同步唤醒的MAC和异步唤醒的MAC协议。同步MAC协议中，S-MAC和T-MAC [8]是具有代表性的，它们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。异步MAC协议中，B-MAC[9]、X-MAC[10]和Wise-MAC[11]协议是比较有代表性的。它们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。异步唤醒机制中，每个节点可选择自己的唤醒时刻，且每个周期只需很短的时间对信道进行监听。但异步唤醒机制中，发送节点要发送前导来激活目的节点，这无疑占用了部分信道资源，信道的利用效率大幅下降。
为了消除异步MAC协议中的信道被前导占用的缺陷，Sun等[12]提出了一种新的异步MAC协议——RI-MAC（Receiver Initiated MAC）。它以发方空闲侦听与收方发送信标帧的方式替代了长时间发送前导的方式，释放了大量被占用的信道时间。但RI-MAC中发送节点要长时间地监听来等待目的节点，直到收到接收节点信标帧。当网络负载增加，而节点的睡眠时间很长的情况下，由空闲侦听造成了大量无谓的能量消耗。
文献[13]中提出了PA-MAC（Passive-Asynchronous MAC）协议，它基于RI-MAC协议创建邻居信息表。邻居信息表中记录了邻居节点的ID、下次唤醒的时间。这样就避免了发送节点在发送数据前要长时间监听所要浪费的能量。但PA-MAC协议却有很明显的不足，即节点的信息表更新不够及时，且更新后的信息有效期至多为两个周期，在这之后节点又要以RI-MAC的方式完成通信。对于RI-MAC性能改进不大，没有充分地利用建立的邻居节点信息表来提高RI-MAC协议的性能。
本文在PA-MAC协议的基础上，提出了AU-MAC（Adaptive Update MAC）协议用以优化节点能量利用效率。AU-MAC中的数据传输也是由接收方发起的，并建立、维护邻居节点信息表。同时，AU-MAC中引入了自适应更新的算法，来解决PA-MAC中虽然建立了邻居节点信息表，但对RI-MAC协议性能改善不大的问题。本文在NS-2网络仿真平台上对AU-MAC协议的性能进行了仿真评估，并与PA-MAC协议进行了性能对比。结果表明，与PA-MAC相比，AU-MAC在保持相当的吞吐量以及端到端延迟的基础上，进一步提高了能量有效性。