無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其巨大的應(yīng)用前景,已成為計算機與通信領(lǐng)域一個活躍的研究分支。恰當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議對降低無線通信能耗、延長網(wǎng)絡(luò)壽命具有重要的意義。低占空比mac（媒體接入控制）協(xié)議通過節(jié)點的休眠機制，大大降低了通信模塊的空閑監(jiān)聽能耗。本文對其中的典型協(xié)議進行了分析比較,給出了進一步的研究方向。

　　引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由眾多微小傳感器節(jié)點通過無線多跳自組織方式構(gòu)成的，多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究領(lǐng)域。隨著傳感器節(jié)點微型化，在設(shè)計中大部分節(jié)點的能量有限，加之無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無中心、自組織、多跳等特點,使得mac協(xié)議的設(shè)計面臨巨大的挑戰(zhàn)。

　　媒體訪問控制（mac）協(xié)議的主要功能是控制傳感器節(jié)點的報文傳輸對無線媒體的接入和占用，保證網(wǎng)絡(luò)的整體性能。通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的分析可知，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中通信部分的射頻模塊是節(jié)點中最大的耗能部件，是優(yōu)化的主要目標(biāo)。mac協(xié)議直接控制射頻模塊，對節(jié)點功耗有重要影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵。本文主要討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議的基本問題。

　　1 mac地址

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如果mac協(xié)議要避免偵聽，并在盡可能多的時間里處于休眠狀態(tài)，那么mac地址是非常重要的。mac地址用于在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中標(biāo)識下一跳傳感器節(jié)點。mac地址包含在單播mac分組數(shù)據(jù)包中，節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后檢查本節(jié)點路由表，確定下一跳mac地址。這個過程延續(xù)到數(shù)據(jù)包到達目的節(jié)點。同時，節(jié)點判定哪些數(shù)據(jù)分組沒有到達，數(shù)據(jù)未到達的節(jié)點可以進入休眠模式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用無線多跳方式通信，mac地址具有空間復(fù)用特性：只要保證節(jié)點mac地址在傳輸鄰居節(jié)點間是唯一的，在傳輸鄰居節(jié)點以外重復(fù)使用不影響mac地址的鄰居節(jié)點標(biāo)識功能。在mac層中，這種避免偵聽（overhearing avoidance）的方式是一種非常重要的節(jié)省能量消耗的方法。

　　mac地址的分配協(xié)議可分為網(wǎng)內(nèi)唯一性和局部唯一性兩種分布式分配。地址分配協(xié)議必須考慮網(wǎng)絡(luò)鏈接的非對稱性。非對稱性是指節(jié)點a 能偵聽到節(jié)點b，但是反過來，節(jié)點b卻不能偵聽到節(jié)點a。在假設(shè)所有節(jié)點都只與雙向鄰近節(jié)點通信的情況下，任意節(jié)點a的雙向節(jié)點都必須有完全不同的地址。而且，任何單向輸入節(jié)點的地址都必須不同于所有雙向節(jié)點的地址。把節(jié)點的鏈接關(guān)系劃分為雙向鏈接、單向輸入、單向輸出。為了應(yīng)對無線鏈接的時變和隨機因素，這個鄰近節(jié)點協(xié)議應(yīng)該一次次重復(fù)運行，以便實時地更新和確認(rèn)鄰近節(jié)點間的鏈接關(guān)系。當(dāng)節(jié)點a完成了對鄰近節(jié)點狀況的分析后，便開始廣播消息，a的雙向鏈接節(jié)點和單向輸出節(jié)點發(fā)回info消息作為響應(yīng)。通過類似的方法，節(jié)點a就知道每個鄰近節(jié)點的身份了。節(jié)點a在過了門限期后，就知道其周圍單跳節(jié)點和兩跳鄰近節(jié)點的情況了，如果節(jié)點a的單跳節(jié)點內(nèi)有地址沖突，則發(fā)出一個conflict消息。發(fā)生沖突的節(jié)點接到這個消息后，開始新一輪的地址選擇。節(jié)點a 在成功執(zhí)行地址分配算法后，就擁有了自己的地址。這種地址分配算法發(fā)生沖突的概率最小。

　　2 低占空比協(xié)議與喚醒問題

　　一個節(jié)點的理想狀態(tài)應(yīng)該是當(dāng)一個分組傳送給這個節(jié)點時，該節(jié)點總是處于接收狀態(tài)。當(dāng)這個節(jié)點自己要發(fā)送一個分組時，則該節(jié)點總是處于發(fā)送狀態(tài)。在其他時間，這個節(jié)點總是處于休眠狀態(tài)。低占空比（low duty cycle）協(xié)議使節(jié)點盡可能多地處于休眠狀態(tài)，以使傳感器節(jié)點的通信活動達到最少。為實現(xiàn)這一機制，幾種mac協(xié)議中引入了周期性喚醒（periodic wakeup）的方法。如圖2所示，節(jié)點的大部分時間處于休眠狀態(tài)，并且周期性地被喚醒以接收來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。一個完整的喚醒周期包括休眠時段和監(jiān)聽時段。監(jiān)聽時段與喚醒時段的時間長度之比就是占空比。

　　稀疏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與能量管理（stem）協(xié)議提供了一個解決空閑監(jiān)聽問題的方法。兩個不同的信道，即喚醒信道和數(shù)據(jù)信道，如圖3所示。數(shù)據(jù)信道一般處于休眠模式，除非進行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。在數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，數(shù)據(jù)信道僅執(zhí)行mac協(xié)議。在喚醒信道，時間被劃分為若干個固定長度為t的喚醒時段。而一個喚醒時段又進一步劃分為長度為trx≤t的監(jiān)聽時段和一個休眠時段，表示喚醒信道的收發(fā)機進入休眠模式的時間段。如果一個節(jié)點進入監(jiān)聽時段，則其喚醒信道的接收機要開啟，等待接收信號。如果在trx時間內(nèi)沒有接收到任何信息，則再轉(zhuǎn)換到休眠模式。否則，數(shù)據(jù)信道的收發(fā)機將啟動一個分組傳輸。

　　smac協(xié)議提供了減小空閑監(jiān)聽、沖突碰撞和串?dāng)_的機制，與stem相反，smac不需要兩個不同的信道。它采用周期性的喚醒方案，即每個節(jié)點根據(jù)預(yù)先確定的時間表，交替地改變固定長度的監(jiān)聽時段和固定長度的喚醒時段。不同于stem的是，smac的監(jiān)聽時段可以用來接收并發(fā)送分組。如圖4所示，節(jié)點x的監(jiān)聽周期被進一步劃分為synch、rts、cts三個階段。synch