王智群，張 波，朱明賀，周 鑫

（1.湖州師范學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.湖州學(xué)院，浙江 湖州 313000）

0 引言

無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展給人們的工作和生活提供了更加快速、便捷且低廉的無(wú)線通信服務(wù)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）在國(guó)內(nèi)外都是備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事[1]、醫(yī)療保健[2]、工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制[3]、環(huán)境觀察監(jiān)測(cè)[4]和智能家居[5]等軍事、民用領(lǐng)域。

WSN 通常由部署在特定區(qū)域的大量多功能、低功耗、低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)相比，WSN 具有價(jià)格更便宜、部署速度更快、無(wú)須布線、移動(dòng)性高等優(yōu)勢(shì)。WSN 中傳感器節(jié)點(diǎn)依賴(lài)電池供電，節(jié)點(diǎn)會(huì)利用這些電能進(jìn)行大量的通信、計(jì)算和存儲(chǔ)[6]，因某些條件因素的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)存在能量約束和能量耗盡而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效的問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)通信性能將會(huì)受到影響。因此，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，控制無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)能耗，解決“頻繁通信”問(wèn)題無(wú)疑成了關(guān)鍵[7]。MAC 協(xié)議位于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系中的數(shù)據(jù)鏈路層，負(fù)責(zé)調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信道接入，保障網(wǎng)絡(luò)的高效通信。

本文第1 節(jié)簡(jiǎn)要介紹WSN 中MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及分類(lèi)；第2 節(jié)重點(diǎn)分析經(jīng)典的競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議及國(guó)內(nèi)外最新的研究進(jìn)展；第3 節(jié)對(duì)部分競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議的運(yùn)行機(jī)制、性能等方面進(jìn)行研究，并歸納出各協(xié)議的不足之處；最后提出競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議未來(lái)重點(diǎn)的研究方向。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議

1.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

WSN 中的節(jié)點(diǎn)受能量、計(jì)算能力、通信等資源的約束，且各節(jié)點(diǎn)需要相互協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)WSN強(qiáng)大的功能。因此，與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的MAC 協(xié)議相比，WSN 中的MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)側(cè)重以下幾個(gè)方面[8]：

（1）能量有效性。WSN 由眾多節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)由電池供電，并且可能需要大量布置在復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，所以難以及時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)的電池進(jìn)行更換，因此，高效利用能量的MAC 協(xié)議對(duì)延長(zhǎng)WSN 的生命周期有著重要的意義。

（2）可擴(kuò)展性。當(dāng)WSN 中的節(jié)點(diǎn)失效、加入和移動(dòng)時(shí)，可擴(kuò)展性好的MAC 協(xié)議能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)的變化，保持WSN 性能的穩(wěn)定。

（3）整體綜合性能。WSN 中的節(jié)點(diǎn)一般最優(yōu)先考慮能量有效性，但是面對(duì)有著不同需求的WSN系統(tǒng)，MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)需要綜合考慮信道利用率、延遲、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等多種性能要求，從而達(dá)到整體綜合性能優(yōu)化。

1.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議分類(lèi)

根據(jù)信道訪問(wèn)策略的不同，MAC 協(xié)議分為3大類(lèi)，分別為調(diào)度類(lèi)MAC 協(xié)議、競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議和混合類(lèi)MAC 協(xié)議[7,9]。

調(diào)度類(lèi)MAC 協(xié)議的核心思想：某種調(diào)度算法將信道資源按照時(shí)隙、頻段和正交碼的方式進(jìn)行劃分，節(jié)點(diǎn)只能使用被分配的信道資源去通信。

競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議的核心思想：節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方式來(lái)獲得信道資源，如果該節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)失敗，則采用退避算法，退避一段時(shí)間再次傳輸，直到傳輸成功或者重傳次數(shù)達(dá)到上限而放棄傳輸。

混合類(lèi)MAC 協(xié)議的核心思想：節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況來(lái)選擇獲得信道的方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低的時(shí)候，采用競(jìng)爭(zhēng)的方式來(lái)獲取信道，減少了資源浪費(fèi)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高的時(shí)候，采用調(diào)度的方式來(lái)獲取信道，減少了節(jié)點(diǎn)沖突。

調(diào)度類(lèi)、競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)和混合類(lèi)MAC 協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)[8]如表1 所示。

表1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議對(duì)比

2 WSN 競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議分析

對(duì)于分布式的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，在低負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，相較于其他兩類(lèi)協(xié)議，競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議的時(shí)鐘同步要求低、復(fù)雜度低、可擴(kuò)展性好。根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)是否需要進(jìn)行時(shí)間同步，競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議又分為同步競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議和異步競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議。表2 對(duì)一些現(xiàn)有的競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議按年份進(jìn)行了劃分。從表2 中可以發(fā)現(xiàn)，最新的一些協(xié)議都是基于經(jīng)典的協(xié)議中所出現(xiàn)的問(wèn)題，提出新的改進(jìn)思路，從而獲得了能量有效性、可擴(kuò)展性和整體綜合性能的提升。同時(shí)，本節(jié)也重點(diǎn)對(duì)經(jīng)典的競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議進(jìn)行分析研究。

表2 競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議的研究進(jìn)展

2.1 同步競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議

2.1.1 核心思想

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)采用廣播的方式與它的鄰居節(jié)點(diǎn)交換偵聽(tīng)/睡眠調(diào)度表，從而進(jìn)行同步。節(jié)點(diǎn)通過(guò)此調(diào)度表獲得鄰居節(jié)點(diǎn)信息，從而決定被喚醒和睡眠的時(shí)間，如果節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)沖突，則節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)獲得信道。

2.1.2 經(jīng)典協(xié)議

S-MAC[10]協(xié)議采取周期性的工作方式，分為同步、數(shù)據(jù)和睡眠3 個(gè)階段。在同步階段，節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含地址信息和下一次睡眠時(shí)間的廣播數(shù)據(jù)包，并且具有相同調(diào)度的相鄰節(jié)點(diǎn)會(huì)形成虛擬簇，同一虛擬簇中的節(jié)點(diǎn)同步喚醒，從而同步時(shí)鐘。在數(shù)據(jù)階段，節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲得信道，然后交換請(qǐng)求發(fā)送（Request-to-Send，RTS）和清除發(fā)送（Clear-to-Send，CTS）幀建立握手，接著傳輸數(shù)據(jù)包，同時(shí)會(huì)把長(zhǎng)消息分隔成短的數(shù)據(jù)幀集中發(fā)送。在睡眠階段，不通信的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠。S-MAC 協(xié)議通過(guò)虛擬簇減少了同步開(kāi)銷(xiāo)，減少了串聽(tīng)和空閑偵聽(tīng)時(shí)間，但是S-MAC 協(xié)議的缺陷在于節(jié)點(diǎn)的周期性睡眠會(huì)導(dǎo)致較高的端到端延遲，因?yàn)閿?shù)據(jù)在一個(gè)周期中只能傳輸一段距離，這使得S-MAC 協(xié)議在多跳傳輸時(shí)增大了睡眠時(shí)延。

T-MAC[11]協(xié)議則提出了超時(shí)休眠機(jī)制，節(jié)點(diǎn)首先偵聽(tīng)一段TA時(shí)間，TA>C+R+T，C是RTS 爭(zhēng)用間隔的長(zhǎng)度，R是RTS 數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，T是RTS 數(shù)據(jù)包結(jié)束和CTS 數(shù)據(jù)包開(kāi)始之間的短時(shí)間，如果節(jié)點(diǎn)在TA時(shí)間內(nèi)沒(méi)有偵聽(tīng)到任何消息，則該節(jié)點(diǎn)不需要等待睡眠階段到來(lái)，可以直接進(jìn)入睡眠。T-MAC協(xié)議雖然比S-MAC 協(xié)議在減少空閑偵聽(tīng)方面效果更好，但是過(guò)早的睡眠會(huì)導(dǎo)致鄰居節(jié)點(diǎn)想要給該節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)早已睡眠，即早睡問(wèn)題。雖然文獻(xiàn)[12]通過(guò)中心極限定理動(dòng)態(tài)調(diào)整TA時(shí)間來(lái)改善早睡問(wèn)題，但是效果不理想。

2.1.3 研究進(jìn)展

S-MAC 協(xié)議節(jié)點(diǎn)的周期性睡眠會(huì)導(dǎo)致較高的端到端延遲，文獻(xiàn)[13]提出了S-MAC 協(xié)議的改進(jìn)型，建立了一個(gè)自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制，它會(huì)在傳輸末期尋找能偵聽(tīng)到發(fā)送過(guò)程的鄰居節(jié)點(diǎn)，并喚醒它們。如果這些喚醒的節(jié)點(diǎn)中包含下一跳的接收節(jié)點(diǎn)，那么直接發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)約了一半的時(shí)間，但是如果沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，又會(huì)造成空閑監(jiān)聽(tīng)問(wèn)題。文獻(xiàn)[14]在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)的范圍進(jìn)行了限定，只讓在收發(fā)節(jié)點(diǎn)一跳范圍的鄰居節(jié)點(diǎn)喚醒，其余的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行睡眠。LD-MAC[15]協(xié)議則使用擴(kuò)展RTS 幀、CTS 幀和確認(rèn)幀（Acknowledge Character，ACK）來(lái)預(yù)約多跳傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)，但是擴(kuò)展幀中的非必要信息增加了控制開(kāi)銷(xiāo)。

為了解決S-MAC 協(xié)議和T-MAC 協(xié)議中的轉(zhuǎn)發(fā)中斷問(wèn)題，D-MAC[16]協(xié)議根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)是單向的特點(diǎn)，構(gòu)建了一個(gè)數(shù)據(jù)采集樹(shù)，利用樹(shù)的深度及傳感器的喚醒和睡眠時(shí)間是交錯(cuò)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，減少了多跳傳輸中端到端的延遲，但它更適用于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性低的網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[17]使用載波感知控制數(shù)據(jù)包，以減少多跳傳輸中端到端的延遲。

RMAC[18]協(xié)議為了解決S-MAC 協(xié)議中的睡眠延遲問(wèn)題，設(shè)置了一個(gè)幀來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)多跳的距離，這有利于下一跳節(jié)點(diǎn)知道上一跳節(jié)點(diǎn)通信的時(shí)間，從而在多跳傳輸?shù)膱?chǎng)景下，減少了睡眠延遲的時(shí)間，但是這個(gè)幀被轉(zhuǎn)發(fā)得太多也會(huì)導(dǎo)致有些跳的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)空閑監(jiān)聽(tīng)問(wèn)題。PR-MAC 協(xié)議也是類(lèi)似的設(shè)計(jì)。

上述的同步競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議都不適合高負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生較高的延遲。DW-MAC[19]協(xié)議則提出了一種低開(kāi)銷(xiāo)調(diào)度算法來(lái)適應(yīng)高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，在睡眠周期內(nèi)，它可以讓節(jié)點(diǎn)按照自己的需求被喚醒，從而減少延遲。MX-MAC[20]和EM-MAC[21]等協(xié)議則提出了多信道傳輸?shù)姆椒▉?lái)減少在高負(fù)載環(huán)境下的延遲，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

S-MAC 協(xié)議使用二進(jìn)制指數(shù)退避，但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化時(shí)，固定競(jìng)爭(zhēng)窗口（Contention Window，CW）無(wú)法適應(yīng)其變化從而作出調(diào)整。Sift[22]協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)利用非平均概率分布于不同的時(shí)隙來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，使得沖突減少。FPQoSD[23]協(xié)議則是讓節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的大小，動(dòng)態(tài)地調(diào)整CW 值。PFMAC[24]協(xié)議提出節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)機(jī)制，并且根據(jù)節(jié)點(diǎn)反饋的信息調(diào)整CW 值，但是機(jī)制太過(guò)復(fù)雜。DSAMAC[25]協(xié)議提出根據(jù)傳輸成功和失敗的次數(shù)調(diào)整CW 值，但是此協(xié)議并沒(méi)有尋找失敗的原因，從而導(dǎo)致CW 值調(diào)整得不夠準(zhǔn)確，增加了不穩(wěn)定因素。

2.2 異步競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議

2.2.1 核心思想

異步競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議的核心思想是，節(jié)點(diǎn)間無(wú)須同步，而是通過(guò)發(fā)送前導(dǎo)序列和低功耗偵聽(tīng)的方式來(lái)進(jìn)行通信。當(dāng)發(fā)送方要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)發(fā)送前導(dǎo)序列，當(dāng)接收方醒來(lái)時(shí)偵聽(tīng)到發(fā)送方的前導(dǎo)序列后保持喚醒，直到完全接收到數(shù)據(jù)。

2.2.2 經(jīng)典協(xié)議

B-MAC[26]協(xié)議引入低功耗偵聽(tīng)（Low Power Listening，LPL）機(jī)制，在發(fā)送數(shù)據(jù)前，發(fā)送節(jié)點(diǎn)先發(fā)送前導(dǎo)序列，該前導(dǎo)序列大于或者等于睡眠周期，從而保證接收節(jié)點(diǎn)在喚醒后，能通過(guò)低功耗偵聽(tīng)中的空閑信道評(píng)測(cè)（Clear Channel Assessment，CCA）周期性地檢查信道中的活動(dòng)，從而感知到前導(dǎo)序列，并在前導(dǎo)序列發(fā)送完畢和接收節(jié)點(diǎn)喚醒的情況下，才能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。與S-MAC 協(xié)議對(duì)比，B-MAC協(xié)議不需要花費(fèi)能量在節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步上，縮短了節(jié)點(diǎn)喚醒的時(shí)間，但是B-MAC 協(xié)議的前導(dǎo)序列過(guò)長(zhǎng)，也不知道接收節(jié)點(diǎn)是否喚醒，即使已經(jīng)喚醒，也要等待前導(dǎo)序列發(fā)送完畢，這導(dǎo)致了能量的浪費(fèi)，同時(shí)也出現(xiàn)了串聽(tīng)問(wèn)題。

X-MAC[27]協(xié)議將B-MAC 協(xié)議的前導(dǎo)序列分成許多頻閃前導(dǎo)，當(dāng)發(fā)送方有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，會(huì)傳輸多個(gè)攜帶接收節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)（Identity Document，ID）的頻閃前導(dǎo)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)醒過(guò)來(lái)并接收到一個(gè)頻閃前導(dǎo)，它會(huì)查看其中的接收節(jié)點(diǎn)ID，如果此節(jié)點(diǎn)不是接收節(jié)點(diǎn)，它會(huì)返回睡眠。如果是接收節(jié)點(diǎn)，則發(fā)送ACK 幀給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到接收節(jié)點(diǎn)ACK 幀時(shí)，則立刻停止發(fā)送頻閃前導(dǎo)，轉(zhuǎn)而發(fā)送數(shù)據(jù)。X-MAC 協(xié)議還提出了根據(jù)流量負(fù)載來(lái)調(diào)整占空比的自適應(yīng)算法。該協(xié)議雖然改善了B-MAC 協(xié)議所存在的問(wèn)題，但是缺陷在于接收節(jié)點(diǎn)在保持隨機(jī)退避活躍狀態(tài)的時(shí)間內(nèi)，若沒(méi)有其他節(jié)點(diǎn)與之通信，操作無(wú)效會(huì)增加時(shí)延，且可能造成串聽(tīng)。

2.2.3 研究進(jìn)展

異步競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議采用低功耗偵聽(tīng)[28]或者前導(dǎo)序列采樣[29]的方法，節(jié)省了節(jié)點(diǎn)間同步所花費(fèi)的時(shí)間和能量。

X-MAC 協(xié)議改進(jìn)了B-MAC 協(xié)議前導(dǎo)序列過(guò)長(zhǎng)和竊聽(tīng)問(wèn)題，但是為了使X-MAC 協(xié)議的應(yīng)用更具有廣泛性，提出了CX-MAC[30]協(xié)議，它在時(shí)序上沒(méi)有X-MAC 協(xié)議那么嚴(yán)格，適合占空比比較大的應(yīng)用，它是為隨機(jī)生成的流量而設(shè)計(jì)的，且不會(huì)增加延遲。MF-MAC[31]協(xié)議用一些微幀取代了連續(xù)的前導(dǎo)，微幀包含的字段為類(lèi)型、目的地址、序列號(hào)和傳入數(shù)據(jù)的散列值。接收節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)微幀中的信息識(shí)別輸入數(shù)據(jù)是否有用，但是這依然會(huì)產(chǎn)生高延遲的問(wèn)題。此外，B-MAC+[32]協(xié)議、Speck-MAC[33]協(xié)議和PP-MAC[34]協(xié)議都是對(duì)前導(dǎo)序列進(jìn)行改進(jìn)后提出的協(xié)議。

除改進(jìn)前導(dǎo)序列外，研究者們也提出了通過(guò)獲取接收節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間的方法，來(lái)減少前導(dǎo)序列的發(fā)送時(shí)間。WiseMAC[35]協(xié)議提出了鎖時(shí)優(yōu)化機(jī)制，接收節(jié)點(diǎn)在接收完數(shù)據(jù)之后，在發(fā)送的ACK 幀中添加自己下一次喚醒的時(shí)間信息，這樣發(fā)送節(jié)點(diǎn)只需在接收節(jié)點(diǎn)醒來(lái)前的一小段時(shí)間醒來(lái)，就可避免發(fā)送過(guò)長(zhǎng)的前導(dǎo)序列。但是WiseMAC 協(xié)議只適合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不那么小的情況，否則又會(huì)退化到B-MAC協(xié)議的效果。PW-MAC[36]協(xié)議則設(shè)置了一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)來(lái)對(duì)接收節(jié)點(diǎn)的下一次喚醒時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。HELD-MAC[37]協(xié)議和THO-MAC[38]協(xié)議也是類(lèi)似的設(shè)計(jì)。

考慮到數(shù)據(jù)在多跳傳輸過(guò)程中的傳輸延遲，Q-MAC[39]協(xié)議構(gòu)建了一棵數(shù)據(jù)匯聚樹(shù)，采用交錯(cuò)喚醒方式，通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)起查詢(xún)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚。L-MAC[40]協(xié)議也是類(lèi)似的設(shè)計(jì)，但是這一類(lèi)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性較差，能量消耗相對(duì)較多。

低功耗探測(cè)（Low Power Probing，LPP）[41]協(xié)議規(guī)定接收者定期發(fā)送小數(shù)據(jù)包，因此也被稱(chēng)為探測(cè)器，目的是告訴發(fā)送者它已經(jīng)醒來(lái)并準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，發(fā)送探針后，接收者保證它的無(wú)線電會(huì)在短時(shí)間內(nèi)打開(kāi)，以偵聽(tīng)數(shù)據(jù)包，此時(shí)發(fā)送者打開(kāi)其無(wú)線電接收器并收聽(tīng)，直到接收到接收者的目的地址。

ContikiMAC[42]協(xié)議喚醒技術(shù)利用一種價(jià)格低廉的空閑信道評(píng)測(cè)（Clear Channel Assessment，CCA）機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種機(jī)制使用無(wú)線電收發(fā)器的接收信號(hào)強(qiáng)度指示值（Received Signal Strength Indicator，RSSI）來(lái)判斷指定信道的狀態(tài)。同時(shí)該技術(shù)還利用了快速睡眠機(jī)制和瑣時(shí)優(yōu)化機(jī)制?？焖偎邫C(jī)制使得節(jié)點(diǎn)更早地進(jìn)入睡眠狀態(tài)，節(jié)省能源?，崟r(shí)優(yōu)化機(jī)制類(lèi)似于WiseMAC 協(xié)議。類(lèi)似地通過(guò)收斂機(jī)制來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸延遲的協(xié)議還有CMAC[43]協(xié)議、DPS-MAC[44]協(xié)議和MH-MAC[45]協(xié)議等。

以上協(xié)議都是在低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下效果顯著，但是面對(duì)突發(fā)高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境效果不佳。突發(fā)感知高能效自適應(yīng)MAC（Burst-aware Energy-efficient Adaptive MAC，BEAM）[46]協(xié)議針對(duì)此問(wèn)題采用了占空比自適應(yīng)算法，接收節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間能根據(jù)有效負(fù)荷大小來(lái)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

上述協(xié)議是針對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)起的數(shù)據(jù)通信，但是也有一些MAC 協(xié)議是根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)起的數(shù)據(jù)通信。RI-MAC[47]協(xié)議中接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的時(shí)間表定期睡眠，在低負(fù)載的環(huán)境下，它會(huì)廣播一個(gè)不帶競(jìng)爭(zhēng)窗口的信標(biāo)幀，讓其他節(jié)點(diǎn)知道它已經(jīng)醒來(lái)；在高負(fù)載的情況下，它會(huì)廣播一個(gè)帶競(jìng)爭(zhēng)窗口的信標(biāo)幀，其他節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇一個(gè)退避時(shí)間，然后退避結(jié)束，傳輸數(shù)據(jù)。但是這樣的協(xié)議也會(huì)造成發(fā)送節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間較長(zhǎng)，從而增加了通信延時(shí)。此外，RIX-MAC[48]協(xié)議、FTA-MAC[49]協(xié)議和TRIX-MAC[50]協(xié)議也都是接收節(jié)點(diǎn)所發(fā)起的通信協(xié)議，其中TRIX-MAC 協(xié)議采用樹(shù)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚。

3 WSN 競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議歸納對(duì)比

基于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，WSN 中競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 的設(shè)計(jì)也多種多樣，表3 選取了相對(duì)有代表性的競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比了能量有效性、可擴(kuò)展性以及信道利用率、延遲、網(wǎng)絡(luò)吞吐量。表4 對(duì)各協(xié)議的主要機(jī)制、能量浪費(fèi)的來(lái)源以及主要缺點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)。

表3 競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議性能比較

表4 競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議特點(diǎn)比較

通過(guò)一系列對(duì)比，筆者發(fā)現(xiàn)WSN 中有許多不同的競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議，但是沒(méi)有一種協(xié)議能夠成為WSN 的標(biāo)準(zhǔn)MAC 協(xié)議，主要原因在于不同的應(yīng)用場(chǎng)景有不同的功能需求。同時(shí)，筆者也發(fā)現(xiàn)同步競(jìng)爭(zhēng)型MAC 協(xié)議即使沒(méi)有數(shù)據(jù)的收發(fā)，相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)也需要周期性地喚醒進(jìn)入活躍狀態(tài)，然后交換同步包來(lái)校對(duì)時(shí)鐘，這就導(dǎo)致在低流量的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)消耗了大量的能量去校準(zhǔn)時(shí)鐘，導(dǎo)致了同步消息的網(wǎng)絡(luò)過(guò)載，占空比進(jìn)一步提高。異步競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議則不需要同步，但是需要考慮低功耗的喚醒接收節(jié)點(diǎn)，避免串聽(tīng)和多余的控制開(kāi)銷(xiāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，WSN 越來(lái)越受市場(chǎng)的青睞，吸引了眾多研究者對(duì)其進(jìn)行研究。本文重點(diǎn)研究競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議。

筆者通過(guò)研究近十幾年的競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議的發(fā)展進(jìn)程發(fā)現(xiàn)，早期同步競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議，比如S-MAC 協(xié)議和T-MAC 協(xié)議等，有著串聽(tīng)和隱藏終端問(wèn)題，且數(shù)據(jù)傳輸是不連續(xù)的，只能在一個(gè)周期內(nèi)傳輸一跳或者兩跳，造成了較高的端到端延遲，同時(shí)還伴隨著高負(fù)載時(shí)高延遲等問(wèn)題，這造成了能量的浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的降低。研究者也陸續(xù)提出了一些機(jī)制來(lái)改善這些問(wèn)題，如D-MAC 協(xié)議構(gòu)建數(shù)據(jù)采集樹(shù)，RMAC 協(xié)議設(shè)置PION 幀來(lái)預(yù)約多跳，DW-MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)低開(kāi)銷(xiāo)調(diào)度算法以及DSA-MAC協(xié)議自適應(yīng)調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口等，但是效果有待提高。此外，筆者也發(fā)現(xiàn)了早期異步競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議，比如B-MAC 協(xié)議，雖然克服了同步節(jié)點(diǎn)所帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題，但是隨之產(chǎn)生了前導(dǎo)序列及串聽(tīng)的問(wèn)題，同時(shí)存在多跳傳輸中延遲過(guò)高，固定的占空比也難以適應(yīng)高低負(fù)載環(huán)境的變化的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，研究者們提出了改進(jìn)方法，比如X-MAC 協(xié)議改進(jìn)了前導(dǎo)序列，Q-MAC 協(xié)議構(gòu)建了數(shù)據(jù)匯聚樹(shù)，ContikiMAC 協(xié)議提出了新的收斂機(jī)制，BEAM 協(xié)議提出了自適應(yīng)占空比機(jī)制，還有設(shè)計(jì)由接收節(jié)點(diǎn)發(fā)起的異步競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議等，這些方法雖然在一定程度上改善了上述問(wèn)題，但還是有可提升的空間。

整體而言，競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議復(fù)雜度低，可擴(kuò)展性好，但是在高負(fù)載時(shí)沖突多，重傳次數(shù)增加，延遲高。因此，需要提高此類(lèi)MAC 協(xié)議面對(duì)突發(fā)流量的能力，降低延遲；面對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，比如可穿戴設(shè)備，不能只考慮協(xié)議的能量有效性，而是應(yīng)該綜合考慮整體性能；需要關(guān)注競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議的安全性，通過(guò)加密算法，防止協(xié)議被攻擊，造成網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。因此，競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)需要在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)需求的同時(shí)，改進(jìn)整體性能。