无线传感器网络MAC协议研究.doc

无线传感器网络MAC协议研究*

刘阿娜，于宏毅，李宏
（信息工程大学信息工程学院通信工程系郑州450002）

摘要本文首先从应用需求和业务特性两方面分析了无线传感器网络MAC协议设计面临的挑战。然后，结合现有典型协议，对无线传感器网络MAC协议的研究现状和趋势、节能策略及协议其他特点进行了分析与总结。最后，探讨了无线传感器网络MAC协议的待研究问题。
关键词无线传感器网络；能量有效性；MAC协议

1引言
无线传感器网络是一种由大量集成了传感器、处理器和无线通信模块的传感器节点构成的，以自组织的协作方式获知监测信息的无线网络[1]。其中，每个传感器节点既是监测数据的采集和发送者，也充当监测数据的路由转发者，节点间协作完成数据的采集、处理和传输，从而有效突破传统监测手段（如单一大型传感器）在监测精度和可靠性方面的局限。由此可见，无线通信对无线传感器网络的正常运作至关重要。MAC协议的主要任务在于协调多个竞争节点共享信道资源，避免冲突发生，是确保数据成功发送的关键技术。因此，有必要对无线传感器网络MAC协议进行研究和分析。
2无线传感器网络MAC协议设计面临的新挑战
从通信角度讲，无线传感器网络是一种面向数据监测特殊应用的自组网，但与传统自组网存在本质区别：无线传感器网络以获取感知信息为主要目的，所有节点共同协作承担同一监测任务，每个节点都属于协作体的成员；而传统的自组织网是以提供用户与用户之间通信的服务为主要目的，每个节点都是一个独立的用户主体。因此，无线传感器网络的MAC协议设计既存在着自组网MAC协议设计的共性问题[2]，同时又存在其独有的问题，如节点能量受限、网络负载较低以及数据流向相对固定等，对MAC协议的设计提出了新的挑战。
2.1应用需求
（1）能量有效性
能量有效性是无线传感器网络MAC协议设计的核心问题之一。无线传感器节点通常依靠电池提供能量，并由于大规模布设或工作于无人值守环境等原因，能量不便补充。此外，对传感器节点而言，无线收发模块的能耗相对较大[3]，而MAC层位于物理层之上，直接控制无线收发，对节点的能耗影响较大，所以，在满足应用需求的同时应该尽可能提高MAC协议的能量有效性。
（2）时延需求
无线传感器网络的时延需求针对具体应用场景有所取舍。无线传感器网络的典型应用包括周期报告、基于查询和事件触发[4]。周期报告属于持续性数据采集，如环境监测，几乎没有时延限制[5]。基于查询一般要求在sink发出命令后能及时得到相应的信息反馈，如sink对传感器节点重新配置。事件触发则要求监测到物理事件发生后及时采取相应措施[5]，如森林防火，后两类应用的时延需求受限于具体应用所要求的反应时间。
（3）公平性
所有节点协作是无线传感器网络的基本工作方式，这使网络的公平性要求不高，任何单一传感器节点的业务是否成功转发对整个网络获取信息的影响较小。并且，大规模密集布设使无线传感器网络具有一定的容错性，弱化了单一传感器节点对监测精度的影响。
（4）灵活性和可扩展性
传感器节点多为静止状态，但能量耗竭节点的失效和新节点的补充都会导致拓扑结构发生变化。无线传感器网络MAC协议要能够灵活适应局部拓扑结构的动态性，如有些信道资源的有效分配方案类似于图论中的点着色或边着色问题[6]，当节点间的相邻位置发生改变时，相应的信道分配方案必然需要调整。此外，大规模密集布设的特点也对MAC协议提出了局部业务密集条件下具有可扩展性的要求。
2.2业务特性
（1）业务单一，业务量较低
与支持多媒体业务的传统自组网相比，用于监测信息获取的无线传感器网络其业务类型相对比较单一。此外，应用层的业务由物理事件监测产生，一般情况下监测数据的时间抽样率较低，产生的业务量远远低于通信网络的传输带宽。
（2）业务流向规律，方向性强
无线传感器网络的业务模式可归纳为：sink向传感器节点分配任务或查询的“一到多”模式；传感器节点向sink报告的“多到一”模式；传感器节点之间协作处理监测数据的“多到多”模式[7]。前两类业务模式构成了具有明显方向性的sink与传感器节点之间的业务流，是无线传感器网络业务的主要存在形式[7]。充分利用这些业务流向特点，有利于简化MAC协议运行机制，提高网络性能。
（3）空间和时间上不同的业务分布特性
对于无线传感器网络的不同典型应用，业务分布具有不同的时间和空间特性。在周期报告类应用中，所有传感器节点周期性采集监测信息向sink转发，可认为整个网络在时间上的业务密度分布均匀，在空间上由于距离sink的远近不同等原因而呈现不同的业务密度分布。在基于查询类和事件触发类的应用中，当sink的命令或监测的物理事件发生时，一定数量的传感器节点在一定时间内同时发起通信，从而使整个网络的业务在时间和空间上都具有很强的突发性。在某些其他应用中，网络