【文章內(nèi)容簡介】
DMA,Code Division Multiple Access)三種[1821]。(1)SMACS/EAR協(xié)議SMACS/EAR(SelfOrganizing Medium Access Control for Sensor Networks/Eavesdrop And Register)協(xié)議是結(jié)合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的MAC協(xié)議。其基本思想是為每一對鄰居節(jié)點分配一個特有的頻率進行數(shù)據(jù)傳輸,不同節(jié)點對間的頻率互不干擾,從而避免同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之間產(chǎn)生碰撞。SMACS/EAR協(xié)議無需任何全局或局部主節(jié)點,就能發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點并建立傳輸/接收調(diào)度表。鏈路由隨即選擇的時隙和固定的頻率組成。雖然各子網(wǎng)內(nèi)鄰節(jié)點通信需要時間同步,但全網(wǎng)并不需要同步。在鏈接階段使用一個隨即喚醒機制,在空閑時關(guān)掉無線收發(fā)裝置,來達到節(jié)能的目的。(2)TDMFDM協(xié)議TDMFDM協(xié)議是一個時分復用TDMA和頻分復用FDMA的混合方案,每個節(jié)點都維護一個特殊的結(jié)構(gòu)幀,類似于TDMA中的時隙分配表,節(jié)點據(jù)此調(diào)度它與相鄰節(jié)點間的通信。FDMA技術(shù)提供多信道,使多個節(jié)點之間可以同時通信,有效地避免了沖突。由于預先定義的信道和時隙分配方案限制了對空閑時隙的有效利用,使得當業(yè)務(wù)量較小時信道利用率較低。(3)DEANA分布式能量感知節(jié)點活動協(xié)議(DEANA,Distributed EnergyAware Node Activation)中將幀分為調(diào)度訪問部分和隨機訪問部分。調(diào)度訪問部分由多個時隙組成,某個時隙協(xié)商為特定節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時間,其他節(jié)點在該時隙內(nèi)處于接收狀態(tài)或者睡眠狀態(tài)。為了進一步節(jié)省能量,每個時隙又細分為前部的控制部分和后部的數(shù)據(jù)部分。如果節(jié)點在其發(fā)送時隙內(nèi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送,則在時隙的控制部分發(fā)出控制消息,指出接收數(shù)據(jù)的節(jié)點ID,然后在時隙的數(shù)據(jù)部分發(fā)送出數(shù)據(jù)。在控制部分,所有節(jié)點都處于接收狀態(tài),如果節(jié)點不是數(shù)據(jù)接受者,則可以在隨后的數(shù)據(jù)發(fā)送部分進入睡眠狀態(tài),以便減少接收不必要的數(shù)據(jù)。控 制 數(shù) 據(jù)調(diào)度訪問隨機訪問(4)TRAMA流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問協(xié)議(TRAMA,TrafficAdaptive Medium Access)用基于流量的傳輸調(diào)度表來避免可能在接受者發(fā)生的數(shù)據(jù)表沖突,使節(jié)點在無接收要求時進入低能耗模式。TRAMA將時間分成時隙,用基于各節(jié)點流量信息的分布式選舉算法來決定哪個節(jié)點可以在某個特定的時隙傳輸,以此來達到一定的吞吐量和公平性。TRAMA協(xié)議包括鄰居協(xié)議(NP,Neighbor Protocol)、調(diào)度交換協(xié)議(SEP,Schedule Exchange Protocol)和自適應(yīng)時隙選擇算法(AEA,Adaptive Election Algorithm)。仿真顯示[22],由于節(jié)點最多可以睡眠87%,所以TRAMA節(jié)能效果明顯。在于基于競爭類的協(xié)議比較時,TRAMA也達到了更高的吞吐量,因為它有效地避免了隱藏終端引起的競爭,但TRAMA的延遲較長,更適用于對時延要求不高的應(yīng)用。 基于競爭類MAC層協(xié)議“競爭”的含義是,鏈接到信道上的節(jié)點咨詢某種規(guī)則征用信道,得到使用權(quán)的節(jié)點可以進行通信?;诟偁庮惖腗AC協(xié)議一般使用廣播式信道,連接到這條信道上的節(jié)點都可以向信道發(fā)送廣播信息。傳統(tǒng)的基于競爭類的MAC協(xié)議包括ALOHA和帶有沖突監(jiān)測的載波偵聽多路存取CSMA[2325]等。(1)SMAC2002年提出的SMAC(SensorMAC),針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議。,包括虛擬與物理的載波監(jiān)聽和RTS/CTS交換。SMAC協(xié)議假設(shè)通常情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量少,節(jié)點協(xié)作完成共同的任務(wù),網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量,網(wǎng)絡(luò)能夠容忍一定程度的通信延遲。它的主要設(shè)計目標是提供良好的擴展性,減少節(jié)點能量的消耗(2)TMACTMAC(TimeoutMAC)在SMAC的基礎(chǔ)上引入適應(yīng)性占空比,來應(yīng)付不同時間和位置上負載的變化。SMAC協(xié)議通過周期性偵聽/睡眠的工作方式來減少空閑偵聽,因此,SMAC中周期長度是不變的,節(jié)點的偵聽時間也是固定的。這就意味著,為了保證可靠、及時地通信,節(jié)點的活動時間必須適應(yīng)最高通信負載。這樣,在負載較小的情況下,節(jié)點將在空閑偵聽上耗費更多的時間。為了解決這個問題,TMAC在保持整個周期長度不變的基礎(chǔ)上,根據(jù)消息流量動態(tài)地終止了節(jié)點活動,通過設(shè)定細微的超時間隔(FineGrained Timeouts)來動態(tài)地選擇占空比。在TMAC協(xié)議中,仍采用SMAC的RTS/CTS/DATA/ACK通信方式,節(jié)點按固定周期喚醒偵聽一段時間TA,TA中若在信道上需要進行數(shù)據(jù)傳送,則執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送,此后再偵聽時間TA;若在TA時間內(nèi)未偵聽到數(shù)據(jù)傳送指令,則TA時間到時轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。通過這種動態(tài)改變活動時間的方式,減少了閑時監(jiān)聽浪費的能量,但仍可以保持合理的吞吐量。(3)MD對于很多應(yīng)用,運行能耗遠大于待機能耗,故Edgar H. Callaway提出通過減少占空比來獲得低能耗和高電池壽命的MD(Mediation Device)協(xié)議。其中,%的時間處于睡眠,在醒來時發(fā)出詢問信標。MD作為一個不?;顒拥闹俨谜?,通過接收有信息傳輸節(jié)點發(fā)出的RTS和目標節(jié)點的詢問信標,協(xié)調(diào)2個節(jié)點暫時同步來傳輸數(shù)據(jù)。 幾種主要的MAC層協(xié)議主要優(yōu)缺點比較MAC協(xié)議類型優(yōu)點缺點適 用 場 景SMACS/EAR固定分配類無需全局范圍內(nèi)的時間同步,避免沖突,降低網(wǎng)絡(luò)負載,并可實現(xiàn)移動節(jié)點和固定節(jié)點間的通信節(jié)點復雜性高,成本較高,不易實現(xiàn),適用范圍也有一定的局限性適用于子網(wǎng)較少或者移動節(jié)點較少,且移動節(jié)點周圍靜止節(jié)點較多的網(wǎng)絡(luò)TDMFDM固定分配類有效地避免了沖突業(yè)務(wù)量較小時信道利用率較低適用于業(yè)務(wù)量較大的應(yīng)用場景DEANA固定分配類部分解決接收不必要數(shù)據(jù)的過度監(jiān)聽問題可擴展性差,不能很好地支持節(jié)點移動,對同步要求高適用于規(guī)模較小,且節(jié)點靜止的應(yīng)用場景TRAMA固定分配類具有較高吞吐率及較好的節(jié)能效果時延較大適用于對延時要求不高的應(yīng)用場景SMAC基于競爭類避免了沖突造成的能量浪費不易實現(xiàn)適用于拓撲變化頻繁的網(wǎng)絡(luò)TMAC基于競爭類減少了空閑偵聽功耗不易實現(xiàn)適用于可變負載的場景MD基于競爭類整個網(wǎng)絡(luò)保持低功耗、低成本時延、能耗較大適用于大規(guī)模、節(jié)點低占空比運行且不需要高精度時鐘的應(yīng)用場景總的來說,基于固定分配類協(xié)議提供了可公平使用的信道,并且如果配備一個適當?shù)恼{(diào)度算法,也可以很好地避免沖突。但許多協(xié)議需要使用全局信息來進行調(diào)度,這使得它們在大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)中不可用,基于競爭的協(xié)議可以大幅度的減少沖突的機會,從而節(jié)約了能源,但它們通常很難保證實時性要求,適用于一些對可預見性要求不高的網(wǎng)絡(luò)。路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點,它主要包括兩個方面的功能:尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑,將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,由于節(jié)點能量有限且一般沒有能量補充,因此路由協(xié)議需要高效利用能力,同時傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目往往很大,節(jié)點只能獲取局部拓撲信息,路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡(luò)信息的基礎(chǔ)上選擇何時的路徑。另外,傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強的應(yīng)用相關(guān)性,所以不同應(yīng)用中的路由協(xié)議可能差別很大,沒有一個通用的路由協(xié)議。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點[2627]。第一,能量優(yōu)先。傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時,很少考慮節(jié)點的能量消耗問題。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量有限,延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期成為傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的重要目標,因此需要考慮節(jié)點的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問題。第二,基于局部拓撲信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了節(jié)省通信能量,通常采用多跳的通信模式,而節(jié)點有限的存儲資源和計算資源,使得節(jié)點不能存儲大量的路由信息,不能進行太復雜的路由計算。因此,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個基本問題就是,如何在節(jié)點只能獲取局部拓撲信息和資源有限的情況下,實現(xiàn)簡單高效的路由機制。第三,以數(shù)據(jù)為中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點隨機部署,所關(guān)注的是監(jiān)測區(qū)域的感知數(shù)據(jù),而不是具體哪個節(jié)點獲取的信息,不依賴于全網(wǎng)唯一的標識。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包含多個傳感器節(jié)點到少數(shù)匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)流,按照對感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等,以數(shù)據(jù)為中心形成消息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。第四,應(yīng)用相關(guān)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境千差萬別,沒有一個路由機制適合所有的應(yīng)用,設(shè)計者需要針對每一個具體應(yīng)用的需求,設(shè)計與之適應(yīng)的特定路由機制。針對傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機制的上述特點,在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計路由機制時,要滿足下面的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機制要求[2829]。(1)能量高效。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑,而且要從整個網(wǎng)絡(luò)的角度考慮,選擇使整個網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗的路由。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,不優(yōu)化的路由不僅能消耗更多節(jié)點的能量,而且使某些節(jié)點過早失效,從而會把網(wǎng)絡(luò)分割成多個孤立的部分。即使網(wǎng)絡(luò)有比較充足的能量,有些節(jié)點的數(shù)據(jù)也不能傳送到匯聚點。衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)路由性能的一個重要指標,就是合理地使用網(wǎng)絡(luò)中各個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的有限能量,使得網(wǎng)絡(luò)保持連通性的時間更長的能力(2)可擴展性。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,監(jiān)測區(qū)域范圍或節(jié)點密度不同,都會造成網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小不同;節(jié)點失敗、新節(jié)點加人以及節(jié)點移動等,都會使得網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)發(fā)生變化,這就要求路由機制具有可擴展性,以便適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。(3)魯棒性。能量用盡或環(huán)境因素造成傳感器節(jié)點的失敗,周圍環(huán)境影響無線鏈路的通信質(zhì)量以及無線鏈路本身的缺點等,這些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不可靠特性要求路由機制具有一定的容錯能力。(4)快速收斂性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化,節(jié)點能量和通信帶寬等資源有限,因此要求路由機制能夠怏速收斂,以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)變化,減少通信協(xié)議開銷,提高消息傳輸?shù)男?。相對于傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)而言,傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)研究的重點放在無線通信的服務(wù)質(zhì)量(QoS)上,而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是隨機分布,電池供電,因此目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究重點是如何提高能量效率上,當前流行的幾個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可簡單分為以下幾個類別。 泛洪路由協(xié)議(1)泛洪協(xié)議泛洪(Flooding)[30]協(xié)議是一種傳統(tǒng)的無線通信路由協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定,每個節(jié)點接受來自其他節(jié)點的信息,并以廣播的形式發(fā)送給其他鄰居節(jié)點。如此繼續(xù)下去,最后將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點。泛洪路由不進行維護網(wǎng)絡(luò)拓撲和相關(guān)路由計算,只負責以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,因此效率不高。而且這個協(xié)議容易引起信息的“內(nèi)爆”(Implosion),即一個節(jié)點可能得到一個數(shù)據(jù)多個副本的現(xiàn)象,傳感器節(jié)點A將采集到的數(shù)據(jù)沿著不同的節(jié)點B, C傳輸,最終傳給了同一個節(jié)點D,節(jié)點D對同一個數(shù)據(jù)收到了兩次,;還會引起消息“重置”(Overlap),即處于同一觀測環(huán)境的兩個相鄰的同類傳感器節(jié)點A和B同時對一個事件C作出反應(yīng),二者采集的數(shù)據(jù)性質(zhì)相同,數(shù)值相近,這兩個節(jié)點的鄰居節(jié)點C將收到雙份數(shù)據(jù)副本,造成資源的浪費。因此,在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了閑聊(Gossiping)協(xié)議。ACBDDataDataDataData 內(nèi)爆CBAb,ca,cacb(2)Gossiping協(xié)議Gossiping[31]協(xié)議是在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)上進行改進而提出的。它傳播信息的途徑是通過隨機的選擇一個鄰居節(jié)點,而不是用廣播。獲得信息的鄰居節(jié)點以同樣的方式隨機地選擇下一個節(jié)點進行信息的傳遞。如果一個節(jié)點第二次收到它的鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)副本,則將此數(shù)據(jù)發(fā)回鄰居節(jié)點。這種方式避免了以廣播形式進行信息傳播的能量消耗,節(jié)約能量,在一定程度上解決了信息“內(nèi)爆”問題,但其代價是延長了信息的數(shù)據(jù)傳輸平均時延,傳輸速度變慢,并且無法解決部分重置現(xiàn)象和盲目使用資源問題。ECBDDSDataDataDataData 以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議是基于查詢和對目標數(shù)據(jù)的命名之上的,通過數(shù)據(jù)聚合減少重復的數(shù)據(jù)傳送。以數(shù)據(jù)為中心路由還可分為事件驅(qū)動模式和查詢驅(qū)動模式。(1)SPIN協(xié)議SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)[32]協(xié)議是由Kaulik等提出的第一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)通信路由協(xié)議。節(jié)點僅廣播采集數(shù)據(jù)的屬性描述信息(元數(shù)據(jù)metadata)而不是數(shù)據(jù)本身,當有相應(yīng)的請求時,才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。SPIN協(xié)議的目的是通過節(jié)點之間的協(xié)商,解決Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議的內(nèi)爆和重疊現(xiàn)象。SPIN協(xié)議有三種類型的消息,即ADV、REQ和DATA。ADV用于數(shù)據(jù)的廣播,當某一個節(jié)點有數(shù)據(jù)可以共享時,可以用其進行數(shù)據(jù)信息廣播。REQ用于回復同意發(fā)送數(shù)據(jù),當某一個節(jié)點協(xié)議接受發(fā)送的DATA數(shù)據(jù)包時,發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包。DATA為傳感器采集的數(shù)據(jù)包。B AB AB AADVREQDATA在發(fā)送一個DATA數(shù)據(jù)包之前,一個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點首先對外廣播ADV數(shù)據(jù)包,如果某一個節(jié)點希望接受要傳來的數(shù)據(jù)信息,則向發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包的節(jié)點回復REQ數(shù)據(jù)包,這樣,便建立起發(fā)送節(jié)點和接受節(jié)點的聯(lián)系,發(fā)送節(jié)點便向接受節(jié)點發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包,如圖26所示。B AB AB AADVREQDATA(2)DD協(xié)議Directed Diffusion[33]是一種以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議,它是Estrin等人專門為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的路由策略,與己有的路由算法有著截然不同的實現(xiàn)機制。節(jié)點用一組屬性值來命名它所生成的數(shù)據(jù),比如將溫度傳感器生成的數(shù)