徐亞男

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的媒介訪問控制（ Medium Access Control，MAC）協(xié)議，主要負責(zé)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點間利用共享信道傳輸數(shù)據(jù)的時間和方式，同時避免節(jié)點間沖突。因此，MAC協(xié)議對節(jié)點間的通信方式有著重要影響，是確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。對競爭型MAC協(xié)議、調(diào)度型MAC協(xié)議和混合型MAC協(xié)議的核心思想、性能特點和應(yīng)用范圍進行了深入研究，對競爭型MAC協(xié)議中的典型機制和優(yōu)缺點進行了詳細的分析和比較。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);MAC協(xié)議;競爭型MAC協(xié)議;調(diào)度型MAC協(xié)議;混合型MAC協(xié)議

DOI： 10. 11907/rjdk.191319

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP393

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）001-0248-08

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ Wireless Sensor Networks，WSNs）由大量微型廉價的傳感器節(jié)點組成[1]，具有大規(guī)模、自組織、動態(tài)拓撲以及多跳路由等特點，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)跟蹤、軍事偵察以及生活家居等領(lǐng)域。媒介訪問控制（ Medium Access Control.MAC）協(xié)議位于WSNs中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分[2]，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一[3]。MAC協(xié)議的主要功能是解決網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多個節(jié)點間共享單一信道問題，并決定節(jié)點何時以及采用何種方式占用無線信道進行數(shù)據(jù)傳輸，避免節(jié)點在傳輸時產(chǎn)生碰撞，即確保網(wǎng)絡(luò)內(nèi)處于相互干擾范圍內(nèi)的兩個或多個節(jié)點間不會同時傳輸數(shù)據(jù)。

1 MAC協(xié)議性能指標(biāo)設(shè)計

由于WSNs與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)（如無線語音和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)）在網(wǎng)絡(luò)大小、硬件設(shè)施以及應(yīng)用需求等方面差異明顯，因此WSNs中的MAC協(xié)議在目標(biāo)設(shè)計、性能優(yōu)化以及技術(shù)支持等方面與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議不同，致使現(xiàn)階段應(yīng)用于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議不能直接應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中[4]。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)由于通信設(shè)備如Pad以及便攜式PC等對于能量的獲取比較方便，受能量約束不大，因此在設(shè)計MAC協(xié)議時主要目標(biāo)是提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、信道利用率，以及使各節(jié)點都能公平地利用信道進行數(shù)據(jù)傳輸。然而對于WSNs，節(jié)點中攜帶的能量是有限的，且節(jié)點間為了完成共同的監(jiān)測任務(wù)而相互協(xié)作，因此在設(shè)計WSNs中的MAC協(xié)議時，性能的側(cè)重點與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議完全不同。

在WSNs中，MAC協(xié)議主要控制以下幾個方面的網(wǎng)絡(luò)性能：

（1）能量有效性。該性能是WSNs中MAC協(xié)議設(shè)計時需要重點考慮的。由于WSNs中節(jié)點通常由電池供電，當(dāng)WSNs的規(guī)模較大或被部署在人跡罕至的地方時，人們難以對節(jié)點中的電池進行補充和更換。因此，如何使節(jié)點在工作時節(jié)能，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間，是設(shè)計MAC協(xié)議時的關(guān)鍵問題[5]。

（2）可擴展性。該性能表現(xiàn)在傳感器數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、生命周期、時間延遲、感知精度等方面的可擴展極限[6]。由于在WSNs中節(jié)點的數(shù)量、位置以及分布密度等都處于動態(tài)變化中，因此WSNs中的MAC協(xié)議需要具備自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化的可擴展能力。

（3）信道利用率。該性能通常用來直觀反映信道被占用，即節(jié)點利用信道發(fā)送數(shù)據(jù)的情況。在傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)中，由于帶寬資源有限，網(wǎng)絡(luò)中需容納盡可能多的用戶進行數(shù)據(jù)傳輸，因此該性能是傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中需要重點考慮的指標(biāo)。相比之下，在WSNs的各種應(yīng)用中，處于通信狀態(tài)的節(jié)點數(shù)量是不同的，因此在WSNs中該性能主要依賴于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，且通常在多數(shù)應(yīng)用中對該性能考慮較少。

（4）延遲。該性能指從發(fā)送節(jié)點開始發(fā)送數(shù)據(jù)包到接收節(jié)點成功收到該數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的時間。在WSNs的各種應(yīng)用中延遲要求不一，如在軍事偵察、醫(yī)療健康以及災(zāi)害預(yù)警等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，用戶需要實時獲得所監(jiān)測的數(shù)據(jù)，以便及時采取處理措施[7]。然而，對一些需要長期監(jiān)測環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間需重點考慮，因此通常會以犧牲延遲為代價減少節(jié)點能耗。

（5）網(wǎng)絡(luò)吞吐量。該性能指在一定時間內(nèi)發(fā)送節(jié)點通過信道成功發(fā)送給接收節(jié)點的數(shù)據(jù)量，反映了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作運行效率，并且與MAC協(xié)議關(guān)聯(lián)緊密[8]。在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，多種因素會限制網(wǎng)絡(luò)吞吐量大小，例如節(jié)點間進行數(shù)據(jù)傳輸時采用的傳輸速率、信道利用率、避免節(jié)點間發(fā)生沖突的調(diào)度算法、傳輸數(shù)據(jù)包時需要控制的開銷以及傳輸延遲等。同樣，在WSNs的各種應(yīng)用中對吞吐量的要求也不一樣，例如在動物習(xí)性監(jiān)測應(yīng)用中，需要對野生動物賴以生存的棲息地和它們的生存狀況進行長期監(jiān)測，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可能會為了節(jié)省能量延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間而降低對吞吐量的要求。

在設(shè)計高性能的MAC協(xié)議時不僅要滿足WSNs應(yīng)用中的某一性能要求，還要滿足其它方面的性能要求，因此需要在多種性能要求之間取得一種平衡。例如，在WSNs的緊急救援應(yīng)用如地震、水災(zāi)等情境下，通常對節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信延遲要求較高，數(shù)據(jù)傳輸要符合實時性要求，但為了讓數(shù)據(jù)能夠既準確又穩(wěn)定地傳輸?shù)阶罱K的匯聚節(jié)點，需要在減少延遲的同時確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。因此，在WSNs中設(shè)計一種高性能的MAC協(xié)議，取得網(wǎng)絡(luò)中各種性能要求之間的平衡是非常必要的。

2 MAC協(xié)議分類與分析

針對WSNs的不同應(yīng)用需求已經(jīng)有許多優(yōu)秀的MAC協(xié)議，但還未將MAC協(xié)議進行統(tǒng)一分類，因此本文主要根據(jù)節(jié)點獲得信道的方式將WSNs中的MAC協(xié)議劃分為競爭型MAC協(xié)議、調(diào)度型MAC協(xié)議和混合型MAC協(xié)議，下面對MAC協(xié)議分類進行詳細分析。

（1）競爭型MAC協(xié)議。競爭型MAC協(xié)議指網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點采用競爭的方式獲得信道，其核心思想是：當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時要通過競爭的方式獲得信道占用權(quán)[9]。如果節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)與其它節(jié)點產(chǎn)生了沖突，則節(jié)點需要按照一定的策略進行重傳，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或因重傳次數(shù)達到上限而放棄發(fā)送。競爭型MAC協(xié)議優(yōu)點有：①能較好地滿足節(jié)點數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化;②可讓節(jié)點根據(jù)自身需求而競爭信道;③對于時鐘精度的要求比較低;④不需要復(fù)雜的集中控制調(diào)度算法。因此該類型的MAC協(xié)議比較適合于低負載或節(jié)點分布密度較小的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。然而，在高負載或節(jié)點分布密度較大的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，該類型的MAC協(xié)議會大大增加節(jié)點間發(fā)生沖突的概率，不僅降低了數(shù)據(jù)傳輸速率，還浪費了節(jié)點有限的能量。在無線網(wǎng)絡(luò)中，比較典型的競爭型MAC協(xié)議是載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免機制（ Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance.CSMA/CA）。

為解決S-MAC協(xié)議由于占空比固定而在低負載時導(dǎo)致的空閑偵聽問題，T-MAC[17]協(xié)議和U-MAC [18]協(xié)議等提出了一種自適應(yīng)占空比機制。其中T-MAC協(xié)議讓節(jié)點喚醒后先偵聽一小段時間TA，若在此時間內(nèi)節(jié)點沒有偵聽到任何事件則節(jié)點立即睡眠;反之，則節(jié)點保持喚醒且進行相應(yīng)的操作如發(fā)送/接收消息。雖然該機制在S-MAC基礎(chǔ)上進一步節(jié)省了由空閑偵聽造成的能耗，但是卻引入了“早睡問題”，即當(dāng)鄰居節(jié)點要傳輸消息給它的接收節(jié)點時，該接收節(jié)點卻早已進入了睡眠狀態(tài)。為此，T-MAC協(xié)議提出了兩種解決方法：①發(fā)送未來請求幀（ Future-Re-quest-to-Send，F(xiàn)RTS），即讓鄰居節(jié)點串聽到CTS幀后，立即發(fā)送FRTS幀給它們的接收節(jié)點，以便接收節(jié)點在恰當(dāng)?shù)臅r間被喚醒，無睡眠延遲地接收數(shù)據(jù)。但是該方法沒有對鄰居節(jié)點加以區(qū)分，導(dǎo)致許多處于非傳輸路徑上的鄰居節(jié)點在串聽到CTS幀后也發(fā)送了FRTS幀。此外，該方法還容易導(dǎo)致多個節(jié)點間因同時發(fā)送FRTS幀而產(chǎn)生沖突;②滿緩沖區(qū)優(yōu)先，即當(dāng)節(jié)點偵聽到目的地址是自己的RTS幀時，若此時該節(jié)點的輸出隊列緩沖區(qū)已被待發(fā)消息占滿，則該節(jié)點立即向它的接收節(jié)點發(fā)送RTS幀，而不是向給自己發(fā)送RTS幀的節(jié)點反饋CTS幀，這樣可確保緩沖區(qū)滿的節(jié)點優(yōu)先發(fā)送消息，所以該機制比較適合于低負載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的單向傳輸，而對于高負載且全向傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境該機制會迅速增加節(jié)點之間產(chǎn)生沖突的概率。Zhou等[19]在T-MAC的基礎(chǔ)上依據(jù)中心極限定理動態(tài)調(diào)整TA時間的長短，盡可能避免早睡問題發(fā)生，但是該機制效果不太理想。

為了減少由于占空比機制引入的周期性睡眠延遲問題，需要讓數(shù)據(jù)盡可能在一個周期內(nèi)傳輸多跳距離。為此，LD-MAC[20]協(xié)議讓節(jié)點使用擴展的RTS/CTS幀和擴展的ACK（ Acknowledge）幀預(yù)約傳輸路徑上未來的多跳節(jié)點，以便實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)。但是這些擴展幀中添加了很多不必要字段，如在每一跳中需要傳輸擴展RTS/CTS幀中的“源節(jié)點地址”、“第三跳節(jié)點地址”，以及在擴展的ACK幀中“是否正確接收數(shù)據(jù)”等字段，毫無疑問，這些額外添加的字段現(xiàn)實意義較小，且增加了控制開銷。RMAC[21]協(xié)議在S-MAC基礎(chǔ)上，讓節(jié)點在Data時期發(fā)送數(shù)據(jù)之前將一個PION幀轉(zhuǎn)發(fā)多跳距離，PION幀可讓下一跳節(jié)點得知與它們上一跳節(jié)點開始通信的時間，用于預(yù)約未來的多跳節(jié)點，以便讓數(shù)據(jù)在預(yù)約的多跳節(jié)點之間實現(xiàn)無睡眠延遲傳輸。但是當(dāng)Data時間設(shè)置過長或PION幀被轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)過多時，容易導(dǎo)致在Data時期第一個發(fā)送PION幀的節(jié)點失去信道占有權(quán)，這是因為該節(jié)點在發(fā)送完P(guān)ION幀后未再發(fā)送任何信息。此外，距離該節(jié)點跳數(shù)較遠的節(jié)點可能會因等待接收PION幀的時間過長而放棄等待，選擇先與其它節(jié)點進行通信。此外還有類似設(shè)計的MAC協(xié)議，如PR_MAC[22]和CRMAC[23]協(xié)議等。

以上幾種協(xié)議都適合于低負載的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，而對于WSNs中流量負載的突發(fā)性和局部相關(guān)性考慮較少，容易造成節(jié)點間的沖突碰撞。為此，Sift[24]協(xié)議讓節(jié)點在不同的時隙中選擇不同的發(fā)送概率，使得局部區(qū)域內(nèi)同時檢測到事件發(fā)生的多個節(jié)點之間可以在不同的時隙內(nèi)無沖突地發(fā)送消息，因此Sift協(xié)議比較適合在WSNs的局部范圍內(nèi)使用。例如在分簇網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)簇內(nèi)的多個節(jié)點都要傳輸消息時，它們可在不同的時隙向簇頭節(jié)點傳輸消息，有效避免了沖突。但是該協(xié)議對于接收節(jié)點的空閑狀態(tài)考慮較少，且對節(jié)點間的時鐘同步要求較高。FP_MAC[25]協(xié)議是一種基于優(yōu)先級的同步實時MAC協(xié)議，該協(xié)議讓節(jié)點根據(jù)不同的優(yōu)先級選擇在不同的時隙傳輸消息以避免沖突。但是該協(xié)議中節(jié)點需要一直保持喚醒狀態(tài)以等待傳輸時隙的到來，且優(yōu)先級越低的節(jié)點等待時間越長，容易造成串聽問題。DW_MAC[26]協(xié)議針對高負載的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提出了一種低開銷調(diào)度算法以讓節(jié)點可以在睡眠周期內(nèi)按需喚醒，減少消息多跳傳輸時的延遲，但是該機制對于收發(fā)節(jié)點之間的時鐘同步要求較高。此外，LL-MCLMAC[27]協(xié)議、MX-MAC[28]協(xié)議、PW_MMAC[29]協(xié)議、EM_MAC[30]協(xié)議以及FDMCMAC[3l協(xié)議等，提出了利用多信道傳輸數(shù)據(jù)的方式，以便減少延遲以及提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但是多信道之間會存在相互干擾等問題。

為解決S-MAC中的節(jié)點在競爭信道時，從固定競爭窗口（ Contention Window，CW）值中選擇隨機退避時間值不能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負載大小的問題，Chu等[32]提出讓節(jié)點在競爭信道之前需要根據(jù)自身隊列長度判斷網(wǎng)絡(luò)負載情況，然后根據(jù)節(jié)點信道競爭成功與否以及網(wǎng)絡(luò)負載的大小自適應(yīng)調(diào)整其CW值，以降低高負載下節(jié)點間發(fā)生沖突的概率，減少低負載下節(jié)點的空閑偵聽時間。FPOoSD協(xié)議[33]、BDQR協(xié)議[34]、Li等[35]也提出讓節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載大小動態(tài)調(diào)整CW值。但以上機制在判斷網(wǎng)絡(luò)負載大小情況時選擇的參數(shù)比較單一，且僅從自身的相關(guān)信息進行判斷，容易對現(xiàn)實環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)負載的大小產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致結(jié)果不理想。CABEB算法[36]提出一種根據(jù)發(fā)送節(jié)點待發(fā)數(shù)據(jù)流的情況，和接收節(jié)點數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的擁塞情況兩方面信息自適應(yīng)調(diào)整CW值的機制，以便實現(xiàn)對高優(yōu)先級數(shù)據(jù)保護。但是該算法沒有考慮節(jié)點接人信道的公平性，這對于需要獲取全網(wǎng)信息進行綜合判斷的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說不太有利。

Zhu等[37]在S-MAC基礎(chǔ)上讓節(jié)點根據(jù)其信道競爭成功與否和節(jié)點接人信道的次數(shù)動態(tài)調(diào)整其CW值，以便在減少沖突的同時提高節(jié)點接入信道的公平性，但是該算法容易出現(xiàn)競爭窗口“震蕩”現(xiàn)象：當(dāng)信道競爭失敗時，CW值會倍增直至最大;當(dāng)信道競爭成功時，CW值又立即變?yōu)樽钚?，這樣就導(dǎo)致從最小CW值中選擇隨機退避時間的節(jié)點過多，主要包括初次競爭信道的節(jié)點、上一次發(fā)送成功的節(jié)點、經(jīng)過多次重傳后消息發(fā)送成功的節(jié)點，這樣會大大增加節(jié)點之間因競爭信道而發(fā)生碰撞的概率。AD-BEB算法[38]引入信道競爭能力參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)擁擠參數(shù)對CW值進行調(diào)整，且為了更好地減少延遲，該算法對CW值進行了兩次調(diào)整：第一次調(diào)整是在節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)后，根據(jù)發(fā)送成功與否對CW值進行指數(shù)調(diào)整;第二次調(diào)整是根據(jù)信道競爭能力參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)擁擠參數(shù)對CW值進行線性調(diào)整。但是該機制比較繁瑣，在實際操作中難以實施。PF-MAC協(xié)議[39]提出讓節(jié)點根據(jù)預(yù)測和反饋信息調(diào)整CW值，但是該機制計算復(fù)雜度較高。

ACW算法[40]讓節(jié)點根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)包時的失敗次數(shù)自適應(yīng)調(diào)整CW值。DSA-MAC協(xié)議[41]提出讓節(jié)點根據(jù)其數(shù)據(jù)傳輸成功次數(shù)和失敗次數(shù)動態(tài)調(diào)整CW值，以避免節(jié)點之間的沖突，且該協(xié)議讓節(jié)點根據(jù)內(nèi)部緩沖區(qū)隊列大小把一個偵聽/睡眠周期劃分為多個小周期，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負載變化。但是以上兩種算法中都沒有對數(shù)據(jù)發(fā)送失敗的原因加以區(qū)分，而盲目調(diào)整CW值又不太合理，可能會進一步增加數(shù)據(jù)傳輸延遲。這是因為導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送失敗的原因不僅僅是因為與其它節(jié)點發(fā)送的信號產(chǎn)生了沖突，還有可能是因為一些其它非沖突因素，如無線鏈路環(huán)境的不穩(wěn)定導(dǎo)致包丟失，噪音等因素干擾導(dǎo)致包解析出錯，以及接收節(jié)點失效等。因此以上兩種算法可能會讓一些因非沖突因素造成數(shù)據(jù)發(fā)送失敗的節(jié)點在下一次競爭信道時CW值倍增，從而降低節(jié)點接入信道的概率，對網(wǎng)絡(luò)吞吐量產(chǎn)生重要影響。

3.2 異步競爭型MAC協(xié)議

由于同步競爭型MAC協(xié)議實現(xiàn)節(jié)點間同步的過程比較復(fù)雜且耗費時間較長，這對于依賴電池供電且能量有限的傳感器節(jié)點來說非常不利，因此B-MAC協(xié)議[42]提出了第一個異步競爭型MAC協(xié)議。該協(xié)議讓網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點按照偵聽/睡眠調(diào)度表喚醒即可，無需彼此交換。同時，為了在兩個喚醒時間不同的節(jié)點之間實現(xiàn)通信，B-MAC在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要發(fā)送一段大于或等于接收節(jié)點睡眠周期的前導(dǎo)符，以便發(fā)送節(jié)點可以一直獲得信道占用權(quán)等待接收節(jié)點的喚醒，然后再傳輸正常的數(shù)據(jù)包。雖然B-MAC協(xié)議中節(jié)點之間無需同步，有效減少了節(jié)點能耗，但是該協(xié)議中節(jié)點發(fā)送的前導(dǎo)符過長，且在發(fā)送前導(dǎo)符過程中發(fā)送節(jié)點不知道接收節(jié)點的喚醒情況。即使接收節(jié)點已喚醒，發(fā)送節(jié)點仍需要把前導(dǎo)符發(fā)送完之后才能發(fā)送數(shù)據(jù)包，增加了數(shù)據(jù)傳輸延遲。此外，由于發(fā)送節(jié)點發(fā)送的前導(dǎo)符中沒有添加接收節(jié)點地址，容易導(dǎo)致鄰居節(jié)點串聽問題。值得注意的是，在B-MAC中即使接收節(jié)點與當(dāng)前發(fā)送節(jié)點完成通信后仍處于喚醒狀態(tài)，但是其余想要向該接收節(jié)點發(fā)送消息的節(jié)點不是立即向其傳輸數(shù)據(jù)，而是仍需要發(fā)送長的前導(dǎo)符之后再發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣既增加了數(shù)據(jù)傳輸時的延遲，又增加了節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時的額外開銷。

為了解決B-MAC協(xié)議中節(jié)點發(fā)送的前導(dǎo)符過長以及鄰居節(jié)點串聽等問題，X-MAC協(xié)議這[43]讓發(fā)送節(jié)點把長的前導(dǎo)符劃分為一系列帶有時間間隔的短的前導(dǎo)包，且在每個前導(dǎo)包中都添加了接收節(jié)點的地址。這樣鄰居節(jié)點在偵聽到前導(dǎo)包后可以立即睡眠以避免串聽，而接收節(jié)點在偵聽到前導(dǎo)包后則可以在兩個前導(dǎo)包之間的時間間隔內(nèi)給發(fā)送節(jié)點回復(fù)一個ACK幀，以便讓發(fā)送節(jié)點停止發(fā)送前導(dǎo)包轉(zhuǎn)而發(fā)送數(shù)據(jù)包，減少額外能耗。此外，為了解決B-MAC協(xié)議中即使接收節(jié)點完成當(dāng)前通信后還處于喚醒狀態(tài)，但其余發(fā)送節(jié)點仍向其發(fā)送前導(dǎo)符的問題，X-MAC協(xié)議讓其余的發(fā)送節(jié)點在偵聽到接收節(jié)點回復(fù)給當(dāng)前發(fā)送節(jié)點的ACK幀后，隨機退避一段時間，然后直接向接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)以減少延遲和控制開銷。同時接收節(jié)點會在完成當(dāng)前通信后保持喚醒且持續(xù)的時間為節(jié)點的最大退避時間，以等待其余節(jié)點向其發(fā)送數(shù)據(jù)。X-MAC協(xié)議比較適合于低負載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸，而對于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的高負載情況和突發(fā)性流量等情況考慮較少。此外，在X-MAC協(xié)議中，由于發(fā)送節(jié)點不知道接收節(jié)點的失效情況，容易出現(xiàn)接收節(jié)點已失效而發(fā)送節(jié)點仍向其持續(xù)發(fā)送前導(dǎo)包，這樣不僅增加了發(fā)送節(jié)點能耗還浪費了信道資源，特別是隨著網(wǎng)絡(luò)的運行，失效節(jié)點逐漸增多時，會大大降低網(wǎng)絡(luò)的通信效率。值得注意的是，在X-MAC協(xié)議中，接收節(jié)點在完成當(dāng)前通信后保持喚醒的這一段時間內(nèi)，若沒有收到其余節(jié)點向其發(fā)送數(shù)據(jù)，則接收節(jié)點喚醒的這段時間是無效的，且在等待過程中還會造成串聽問題。

MAC+協(xié)議[44]讓節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前要先發(fā)送3個前導(dǎo)塊，且每個前導(dǎo)塊中都包含接收節(jié)點的地址和剩余的前導(dǎo)塊數(shù)。當(dāng)周圍鄰居節(jié)點喚醒且偵聽到前導(dǎo)塊時，則判斷自己是不是接收節(jié)點，若是，則節(jié)點根據(jù)剩余前導(dǎo)塊數(shù)計算其在本次通信中開始接收數(shù)據(jù)的時間，然后立即進入睡眠狀態(tài)直到該時間的到來;若否，則節(jié)點立即進入睡眠狀態(tài)以避免串聽。與B-MAC相比，該協(xié)議雖然縮短了前導(dǎo)符長度、節(jié)省了能耗，但是該協(xié)議中節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)送的前導(dǎo)塊數(shù)是固定的，因此容易導(dǎo)致發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點錯過彼此的喚醒時間，出現(xiàn)當(dāng)發(fā)送節(jié)點發(fā)送完所有前導(dǎo)塊時接收節(jié)點還未喚醒的情況。還有許多類似設(shè)計的MAC協(xié)議，如SvncWUF協(xié)議[45]、SpeckMAC協(xié)議[46]以及MFP協(xié)議[47]等。但是這些協(xié)議中節(jié)點發(fā)送的前導(dǎo)塊之間都沒有插入時間間隔，因此發(fā)送節(jié)點在傳輸前導(dǎo)塊的過程中并不能知道接收節(jié)點的喚醒情況。

SW-MAC協(xié)議[48]首先讓收發(fā)節(jié)點之間通過一些系列的偵探幀建立握手，該偵探幀既可以像RTS幀一樣發(fā)起通信請求，又可以像CTS幀一樣確認請求。然后，SW-MAC協(xié)議讓接收節(jié)點以接收數(shù)據(jù)時等待的時間間隔為依據(jù)判斷發(fā)送節(jié)點的傳輸速率，從而按需調(diào)整睡眠窗口，以減少數(shù)據(jù)傳輸延遲。但是該協(xié)議中接收節(jié)點等待的時間間隔長度會受到一些其它因素影響，如由于網(wǎng)絡(luò)中的鏈路情況不好導(dǎo)致包丟失時也會使數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隔較大，若此時盲目地將睡眠窗口減小是不合理的。為此，DS-MAC協(xié)議[49]在SW-MAC基礎(chǔ)上讓接收節(jié)點根據(jù)本次接收量的多少動態(tài)調(diào)整節(jié)點的睡眠時間，從而讓節(jié)點既能在高負載環(huán)境又能在低負載環(huán)境下及時發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，大大減少了數(shù)據(jù)傳輸延遲，但是該協(xié)議對時鐘的要求較高。

CMAC協(xié)議[50]提出了一種新穎的收斂機制以減少數(shù)據(jù)傳輸延遲。當(dāng)節(jié)點要傳輸數(shù)據(jù)給Sink節(jié)點時，該協(xié)議讓節(jié)點把長的前導(dǎo)符分割成多個帶有時間間隔的“積極（ aggres-sive）”RTS幀，然后進行任播。偵聽到該RTS幀的所有鄰居節(jié)點會根據(jù)路由表選擇一個距離Sink節(jié)點最近的節(jié)點作為接收節(jié)點，以此類推，直到到達Sink節(jié)點的直接鄰居節(jié)點時，由任播轉(zhuǎn)為單播向Sink節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。但是該機制容易受到節(jié)點分布密度的影響，同時節(jié)點的通信能力容易受到網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)負載的影響。還有許多類似設(shè)計的MAC協(xié)議，如ContikiMAC協(xié)議[51]、TICER協(xié)議[52]、CSMA-MPS協(xié)議[53]、DPS-MAC協(xié)議[54]以及MH-MAC協(xié)議[55]等。

以上多種MAC協(xié)議中，發(fā)送節(jié)點在完成當(dāng)前通信后由于不知道其接收節(jié)點下一次的喚醒時間，因此在下一次通信之前發(fā)送節(jié)點仍需要連續(xù)發(fā)送前導(dǎo)包等待該接收節(jié)點喚醒，增加了控制開銷。為此，WiseMAC協(xié)議[56]讓接收節(jié)點在接收完數(shù)據(jù)包后給發(fā)送節(jié)點回復(fù)的ACK包中添加下一次喚醒的時間，這樣發(fā)送節(jié)點只需要在接收節(jié)點喚醒之前的一小段時間內(nèi)喚醒且向其發(fā)送一個小的前導(dǎo)包即可。但是該協(xié)議僅適合于低負載環(huán)境下的單向傳輸，在高負載或全向傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中可能會出現(xiàn)一些問題，如由于發(fā)送節(jié)點知道接收節(jié)點的喚醒時間，而接收節(jié)點不知道發(fā)送節(jié)點的喚醒時間，因此當(dāng)接收節(jié)點作為發(fā)送節(jié)點想要向該節(jié)點傳輸消息時，仍需要連續(xù)發(fā)送前導(dǎo)符等待該節(jié)點的喚醒。此外，當(dāng)發(fā)送節(jié)點下一次不再向該接收節(jié)點傳輸消息時，該接收節(jié)點通知給發(fā)送節(jié)點的下一次喚醒時間是無效的。PW-MAC協(xié)議[57]設(shè)置了一個偽隨機數(shù)生成函數(shù)，發(fā)送節(jié)點可以根據(jù)該函數(shù)預(yù)測接收節(jié)點下一次的喚醒時間。因此，與WiseMAC類似，發(fā)送節(jié)點僅需要在接收節(jié)點喚醒之前的一小段時間內(nèi)發(fā)送前導(dǎo)碼，與接收節(jié)點同步處于active狀態(tài)即可。此外，該協(xié)議提出了一種按需預(yù)測糾錯機制，用于減少由于硬件、系統(tǒng)帶來的傳輸延遲和解決時鐘漂移問題。最后，當(dāng)節(jié)點之間發(fā)生沖突或者包需要重傳時，該協(xié)議采用一種基于預(yù)知的重傳機制，用來提高能量有效性。但是該協(xié)議對于動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)負載情況考慮較少。還有許多類似設(shè)計的MAC協(xié)議，如AS-PW-MAC協(xié)議[58]、HELD-MAC協(xié)議[59]、THO-MAC協(xié)議[60]等。

為減少數(shù)據(jù)在多跳傳輸過程中的睡眠延遲，需要讓數(shù)據(jù)像管道傳輸一樣不間斷地傳輸直至目標(biāo)節(jié)點如Sink節(jié)點。為此，DMAC協(xié)議[61]根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚陕窂綐?gòu)建了一顆數(shù)據(jù)匯聚樹，且樹中的每個節(jié)點可以按其所在樹中的層數(shù)交錯喚醒，然后不間斷地傳輸數(shù)據(jù)包直到Sink節(jié)點。但是該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)可擴展性較差，靈活性較低，難以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中因節(jié)點的加入或失效引起的路由路徑變化。此外，該協(xié)議需要節(jié)點間嚴格的時間同步，一旦發(fā)生時鐘漂移則無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。類似地，Q-MAC協(xié)議[62]也采用了交錯喚醒方式，但是該協(xié)議是由Sink節(jié)點向源節(jié)點發(fā)起查詢進行數(shù)據(jù)匯聚的。Cao等[63]讓傳輸路徑上的節(jié)點根據(jù)距離源節(jié)點跳數(shù)的多少調(diào)整喚醒時間以便節(jié)點可以依次喚醒轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而最優(yōu)化數(shù)據(jù)的傳輸延遲，但是該機制對時鐘的要求較高。L-MAC協(xié)議[64]讓父節(jié)點通過協(xié)調(diào)多個子節(jié)點之間的喚醒時間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無中斷傳輸，但是該機制中父節(jié)點能耗較大。當(dāng)父節(jié)點失效時，子節(jié)點之間無法自動調(diào)節(jié)喚醒時間，也無法進行數(shù)據(jù)傳輸。Li等哺副提出了快速路徑算法（ Fast Path Algorithm），讓傳輸路徑上的節(jié)點通過添加額外的喚醒時間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，但是該方法卻大大增加了節(jié)點能耗;Lu等[65]證明了上述類似于管道傳輸?shù)臋C制都是不理想的。

以上多種協(xié)議都是由發(fā)送節(jié)點發(fā)起的數(shù)據(jù)通信，而對于接收節(jié)點的狀態(tài)考慮較少。為此，RIX-MAC協(xié)議[67]提出了一種由接收端發(fā)起通信的高效喚醒MAC協(xié)議。該協(xié)議在X-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，讓接收節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，在回復(fù)給發(fā)送節(jié)點的ACK幀中添加下一次喚醒時間，因此在下一次通信時發(fā)送節(jié)點僅需在接收節(jié)點喚醒前的一小段時間喚醒即可，減少了能量消耗。但是該機制沒有考慮時鐘漂移導(dǎo)致的誤差，容易使收發(fā)節(jié)點錯過彼此的喚醒時間。RI-MAC協(xié)議[68]也是一種由接收節(jié)點發(fā)起通信的協(xié)議，即在低負載環(huán)境時，節(jié)點喚醒后若偵聽到信道空閑，則節(jié)點立即廣播一個不包含競爭窗口字段的信標(biāo)幀表示自己已喚醒，若周圍鄰居節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送給該節(jié)點時可以立即向其傳輸數(shù)據(jù)。而在高負載環(huán)境下，節(jié)點喚醒后會在廣播的信標(biāo)幀中添加一個競爭窗口字段。若周圍鄰居節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送給該節(jié)點時，需要根據(jù)信標(biāo)幀中的競爭窗口選擇一個隨機退避時間，等到退避結(jié)束后才能向接收節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)以避免沖突。雖然RI-MAC協(xié)議能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載的大小動態(tài)調(diào)整節(jié)點間的通信方式，提高吞吐量，但是該協(xié)議容易出現(xiàn)發(fā)送節(jié)點已喚醒很久但接收節(jié)點仍未喚醒廣播信標(biāo)幀的情況，增加了數(shù)據(jù)傳輸延遲。還有許多類似的由接收節(jié)點發(fā)起通信的MAC協(xié)議，如RP-MAC協(xié)議[69]、Ko-ala協(xié)議[70]、AS-MAC協(xié)議[71]、A-MAC協(xié)議[72]、ACT-MAC協(xié)議[73]以及O-MAC協(xié)議[74]等。

RC-MAC協(xié)議[75]是一種在WSNs中利用樹形結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)匯聚的協(xié)議，樹中的父節(jié)點在喚醒后若偵聽到信道空閑，則廣播一個信標(biāo)幀，若此時子節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給它，則子節(jié)點間通過競爭的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，且父節(jié)點在收到數(shù)據(jù)后會在回復(fù)給子節(jié)點的ACK幀中包含下一個發(fā)送節(jié)點的ID號，以協(xié)調(diào)多個子節(jié)點間接人信道的順序，減少沖突，提高信道利用率。但是該協(xié)議中的子節(jié)點在偵聽到信道忙時，會一直偵聽信道，以等待父節(jié)點讓其接入信道發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣容易造成子節(jié)點的能量浪費。此外，該協(xié)議中父節(jié)點能耗較大，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能耗不均勻，縮短網(wǎng)絡(luò)生存時間。還有類似的由接收端發(fā)起且采用樹形結(jié)構(gòu)的協(xié)議如TRIX-MAC協(xié)議"副等。

4 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)絡(luò)研究的熱點，而MAC協(xié)議對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效運行有著重要影響。本文通過對同步競爭型MAC協(xié)議和異步競爭型MAC協(xié)議中的部分經(jīng)典協(xié)議進行分析和比較，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有MAC協(xié)議仍存在很多不足，有進一步改進的空間。本文認為在現(xiàn)有同步競爭型MAC協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸都是不連續(xù)的，通常在一個周期內(nèi)僅能傳輸一跳或兩跳距離，這無疑增加了數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳傳輸時的延遲，降低了實時性。此外，本文認為在現(xiàn)有異步競爭型MAC協(xié)議中并沒有很好地解決低延遲和低能耗之間的矛盾。MAC協(xié)議采用占空比機制減少能耗，以延長網(wǎng)絡(luò)生存時間，但是卻以犧牲大量延遲為代價，降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量和信道利用率。因此，如何在提高能量有效性的同時減少數(shù)據(jù)延遲，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和信道利用率，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究的重要課題。

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