睡眠調(diào)度MAC協(xié)議在WSN中的應(yīng)用

【摘 要】WSN是由大量低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，因其工作環(huán)境和成本因素，節(jié)點(diǎn)通常不會(huì)更換電池，能量十分有限。節(jié)能是WSN媒體訪問控制（MAC）協(xié)議設(shè)計(jì)的首要問題，文章介紹和分析了幾種睡眠調(diào)度MAC協(xié)議，并著重對(duì)異步睡眠調(diào)度進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 睡眠調(diào)度 MAC協(xié)議

一、引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)具有感知、計(jì)算、存儲(chǔ)和無線通信能力的微型節(jié)點(diǎn)組成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)。由于不需要基礎(chǔ)設(shè)施，易于快速部署，且可以完成大范圍、長期的監(jiān)測任務(wù)，制約其大范圍、長期部署的最主要因素是能耗因素。研究表明，睡眠調(diào)度能顯著地減少空閑偵聽和降低能耗，同時(shí)由于其將影響節(jié)點(diǎn)訪問無線信道的方式，故通常在MAC協(xié)議中實(shí)現(xiàn)。

二、睡眠調(diào)度MAC協(xié)議的分類和比較

根據(jù)是否需要時(shí)鐘同步以及是否按需調(diào)度，睡眠調(diào)度MAC協(xié)議可分為同步調(diào)度、異步調(diào)度和按需調(diào)度三類。

（一）同步調(diào)度的MAC協(xié)議

它通過精確的時(shí)鐘控制對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行睡眠調(diào)度，能有效減少空閑偵聽和降低能耗。由于全網(wǎng)范圍內(nèi)的同步難度極大且效率不高，同步調(diào)度通常在局部范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。同步調(diào)度的MAC協(xié)議根據(jù)信道訪問方式又可以進(jìn)一步劃分為CSMA、TDMA和混合型三類[1]。例如S-MAC，即第一個(gè)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基于同步調(diào)度和采用CSMA方式的MAC協(xié)議。

（二）異步調(diào)度的MAC協(xié)議

與同步調(diào)度不同，異步調(diào)度MAC協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立進(jìn)行睡眠調(diào)度。當(dāng)節(jié)點(diǎn)切換至活躍狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)只需進(jìn)行在短時(shí)間內(nèi)判斷是否需要接收數(shù)據(jù)；如果沒有，節(jié)點(diǎn)立即再次轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。異步調(diào)度的MAC協(xié)議的關(guān)鍵在于收發(fā)雙方之間的握手機(jī)制設(shè)計(jì)。

為降低非發(fā)送節(jié)點(diǎn)的活躍時(shí)間，B-MAC[2]協(xié)議使用擴(kuò)展前導(dǎo)和低功率偵聽技術(shù)實(shí)現(xiàn)按需同步，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前先發(fā)送一段固定長度的前導(dǎo)序列（擴(kuò)展前導(dǎo)）；X-MAC[2]協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送若干較小的頻閃前導(dǎo)，其中包含接收節(jié)點(diǎn)的地址；RI-MAC[2]協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)周期性的進(jìn)行睡眠調(diào)度；為進(jìn)一步降低發(fā)送節(jié)點(diǎn)的活躍時(shí)間和等待能耗，OC-MAC協(xié)議采用與RI-MAC類似的握手機(jī)制，發(fā)送節(jié)點(diǎn)處于空閑偵聽狀態(tài)，安靜地等待接收節(jié)點(diǎn)的BEACON消息。

（三）按需調(diào)度的MAC協(xié)議

在按需調(diào)度MAC協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要安裝主模塊和次模塊。主通信模塊用于數(shù)據(jù)傳輸，功耗較高，在無收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)工作于睡眠模式。次通信模塊，通常是低功耗、低速率、短距離的被動(dòng)式模塊，用于在有數(shù)據(jù)接收時(shí)觸發(fā)主通信模塊。因此，接收節(jié)點(diǎn)的主通信模塊可以一直保持睡眠模式直到次通信模塊收到觸發(fā)信號(hào)，這能最小化通信延遲和等待能耗。但是，次通信模塊的成本較高、通信距離非常有限、可靠性較差等問題使得按需調(diào)度協(xié)議很少被實(shí)際采用。

三、基于異步睡眠調(diào)度的異步網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

由于異步睡眠調(diào)度在低流量網(wǎng)絡(luò)中的諸多優(yōu)勢，在異步調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)高效路由成為了可能。

（一）無狀態(tài)路由協(xié)議

無狀態(tài)路由協(xié)議通常借助地理位置或跳數(shù)的坐標(biāo)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)逐跳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在每跳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過比較自身、鄰居節(jié)點(diǎn)以及目的節(jié)點(diǎn)的地理位置，從中選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需存儲(chǔ)和維護(hù)自己以及鄰居節(jié)點(diǎn)的在網(wǎng)絡(luò)中的坐標(biāo)，而不需進(jìn)行全網(wǎng)范圍的路由發(fā)現(xiàn)，也不需要存儲(chǔ)大規(guī)模的路由表。因而，無狀態(tài)路由的可擴(kuò)展性較好，特別適合大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)使用的坐標(biāo)系統(tǒng)，無狀態(tài)路由可以大致分為地理位置路由和基于跳數(shù)虛擬坐標(biāo)的無狀態(tài)路由。

前者通常假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)，稱為錨節(jié)點(diǎn)，能通過GPS等定位裝置獲取自身的地理位置信息，而其余節(jié)點(diǎn)在錨節(jié)點(diǎn)的輔助下通過相關(guān)的定位算法來獲取地理位置信息。根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地的地理信息，發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇地理位置最佳的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

后者通過為節(jié)點(diǎn)建立基于跳數(shù)的虛擬坐標(biāo)，以代替地理位置信息來實(shí)現(xiàn)無狀態(tài)路由協(xié)議。例如，GLIDER協(xié)議挑選N個(gè)分布均勻的節(jié)點(diǎn)作為錨節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的其余節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身距離每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)并得到一個(gè)N維的虛擬坐標(biāo)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給距目的節(jié)點(diǎn)虛擬坐標(biāo)最近的鄰居節(jié)點(diǎn)。

（二）機(jī)會(huì)路由協(xié)議

在機(jī)會(huì)路由中，源節(jié)點(diǎn)也并不預(yù)先確定到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，數(shù)據(jù)包被逐跳地轉(zhuǎn)發(fā)。每跳的發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)即時(shí)的鏈路質(zhì)量，動(dòng)態(tài)地選擇最優(yōu)的鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。機(jī)會(huì)路由協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)即時(shí)的鏈路代價(jià)動(dòng)態(tài)地選擇下跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，從而避免質(zhì)量較差的鏈路。機(jī)會(huì)路由協(xié)議是一種基于局部知識(shí)的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只決定下跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，而不關(guān)心一跳范圍以外的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。機(jī)會(huì)路由協(xié)議通常會(huì)借助坐標(biāo)系統(tǒng)來指引逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的前進(jìn)方向。每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)被分配能反映自己到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的期望轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)的坐標(biāo)，并選擇坐標(biāo)更低的鄰居節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。例如在ExOR協(xié)議中，源節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)包，然后動(dòng)態(tài)地從正確接收該數(shù)據(jù)包的候選節(jié)點(diǎn)中選擇坐標(biāo)最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，這樣能避免在質(zhì)量較差的鏈路反復(fù)重發(fā)數(shù)據(jù)包。

與前期的機(jī)會(huì)路由協(xié)議不同，近幾年國內(nèi)外為異步調(diào)度網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了選播協(xié)議，例如AIMRP。在AIMRP中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以基站為中心根據(jù)節(jié)點(diǎn)到基站的跳數(shù)被分為若干層，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將內(nèi)層的鄰居節(jié)點(diǎn)視為候選節(jié)點(diǎn)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇最先醒來的候選節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，以降低等待時(shí)延。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫利民，李建中，陳渝等，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]，清華大學(xué)出版社，2005

[2]Polastre J.， Hill J.， and Culler D.， “Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Net-works，” in Proc. SenSys 2004，pp.95-107.