睡眠调度MAC协议在WSN中的应用

【摘 要】WSN是由大量低成本的传感器节点构成的自组织网络，因其工作环境和成本因素，节点通常不会更换电池，能量十分有限。节能是WSN媒体访问控制（MAC）协议设计的首要问题，文章介绍和分析了几种睡眠调度MAC协议，并着重对异步睡眠调度进行了分析。

【关键词】无线传感器网络 睡眠调度 MAC协议

一、引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量部署在监测区域内具有感知、计算、存储和无线通信能力的微型节点组成的自组织分布式网络。由于不需要基础设施，易于快速部署，且可以完成大范围、长期的监测任务，制约其大范围、长期部署的最主要因素是能耗因素。研究表明，睡眠调度能显著地减少空闲侦听和降低能耗，同时由于其将影响节点访问无线信道的方式，故通常在MAC协议中实现。

二、睡眠调度MAC协议的分类和比较

根据是否需要时钟同步以及是否按需调度，睡眠调度MAC协议可分为同步调度、异步调度和按需调度三类。

（一）同步调度的MAC协议

它通过精确的时钟控制对节点进行睡眠调度，能有效减少空闲侦听和降低能耗。由于全网范围内的同步难度极大且效率不高，同步调度通常在局部范围内实现。同步调度的MAC协议根据信道访问方式又可以进一步划分为CSMA、TDMA和混合型三类[1]。例如S-MAC，即第一个为无线传感器网络设计的基于同步调度和采用CSMA方式的MAC协议。

（二）异步调度的MAC协议

与同步调度不同，异步调度MAC协议中的节点能够独立进行睡眠调度。当节点切换至活跃状态时，节点只需进行在短时间内判断是否需要接收数据；如果没有，节点立即再次转入睡眠状态。异步调度的MAC协议的关键在于收发双方之间的握手机制设计。

为降低非发送节点的活跃时间，B-MAC[2]协议使用扩展前导和低功率侦听技术实现按需同步，节点在发送数据前先发送一段固定长度的前导序列（扩展前导）；X-MAC[2]协议中的节点发送若干较小的频闪前导，其中包含接收节点的地址；RI-MAC[2]协议中，节点周期性的进行睡眠调度；为进一步降低发送节点的活跃时间和等待能耗，OC-MAC协议采用与RI-MAC类似的握手机制，发送节点处于空闲侦听状态，安静地等待接收节点的BEACON消息。

（三）按需调度的MAC协议

在按需调度MAC协议中，每个节点需要安装主模块和次模块。主通信模块用于数据传输，功耗较高，在无收发数据时工作于睡眠模式。次通信模块，通常是低功耗、低速率、短距离的被动式模块，用于在有数据接收时触发主通信模块。因此，接收节点的主通信模块可以一直保持睡眠模式直到次通信模块收到触发信号，这能最小化通信延迟和等待能耗。但是，次通信模块的成本较高、通信距离非常有限、可靠性较差等问题使得按需调度协议很少被实际采用。

三、基于异步睡眠调度的异步网络路由协议

由于异步睡眠调度在低流量网络中的诸多优势，在异步调度的网络中实现高效路由成为了可能。

（一）无状态路由协议

无状态路由协议通常借助地理位置或跳数的坐标系统来实现逐跳的数据转发。在每跳的数据转发中，发送节点通过比较自身、邻居节点以及目的节点的地理位置，从中选择最优的转发节点。因此，每个节点只需存储和维护自己以及邻居节点的在网络中的坐标，而不需进行全网范围的路由发现，也不需要存储大规模的路由表。因而，无状态路由的可扩展性较好，特别适合大规模的无线传感器网络。根据使用的坐标系统，无状态路由可以大致分为地理位置路由和基于跳数虚拟坐标的无状态路由。

前者通常假设网络中的部分节点，称为锚节点，能通过GPS等定位装置获取自身的地理位置信息，而其余节点在锚节点的辅助下通过相关的定位算法来获取地理位置信息。根据数据包的目的地的地理信息，发送节点选择地理位置最佳的邻居节点作为下跳的转发节点。

后者通过为节点建立基于跳数的虚拟坐标，以代替地理位置信息来实现无状态路由协议。例如，GLIDER协议挑选N个分布均匀的节点作为锚节点，网络中的其余节点计算自身距离每个锚节点的跳数并得到一个N维的虚拟坐标。每个节点将数据包转发给距目的节点虚拟坐标最近的邻居节点。

（二）机会路由协议

在机会路由中，源节点也并不预先确定到目的节点的路径，数据包被逐跳地转发。每跳的发送节点根据即时的链路质量，动态地选择最优的邻居节点转发数据包。机会路由协议在传输数据时根据即时的链路代价动态地选择下跳转发节点，从而避免质量较差的链路。机会路由协议是一种基于局部知识的逐跳转发协议，每个节点只决定下跳的转发节点，而不关心一跳范围以外的转发路径。机会路由协议通常会借助坐标系统来指引逐跳转发的前进方向。每个节点会被分配能反映自己到目标节点的期望转发代价的坐标，并选择坐标更低的邻居节点作为转发节点。例如在ExOR协议中，源节点广播数据包，然后动态地从正确接收该数据包的候选节点中选择坐标最优的节点转发数据包，这样能避免在质量较差的链路反复重发数据包。

与前期的机会路由协议不同，近几年国内外为异步调度网络设计了选播协议，例如AIMRP。在AIMRP中，整个网络以基站为中心根据节点到基站的跳数被分为若干层，每个节点将内层的邻居节点视为候选节点。发送节点选择最先醒来的候选节点作为转发节点，以降低等待时延。

参考文献：

[1]孙利民，李建中，陈渝等，无线传感器网络[M]，清华大学出版社，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.