无线自组织网络、传感器网络和Mesh网络MAC协议优化

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：WASM应用程序引入了对MAC协议性能有影响的新因素。如第2章中所阐述的，大多数的传感器网络协议受限于严格的能量约束。表4-2给出一个按年代顺序的节能MAC协议表。表中上半部分的协议最初是为无线网络和自组织网络设计的，而表中下半部分的协议则是专门应用于传感器网络中的。来自于MACA和CSMA/CA的RTS-CTS信号方案基于这一协议。RTS-CTS-DATA-ACK序列同时也是IEEE 802.11中MAC协议的基础。T-MAC协议通过传输可变长度突变和在突变之间休眠中的所有消息来避免空闲监听。

WASM应用程序引入了对MAC协议性能有影响的新因素。如第2章中所阐述的，大多数的传感器网络协议受限于严格的能量约束。水下声纳网络（Underwater Acoustic Networks）解决了过度时延（Latency）的问题。由于高延迟，它们无法支持RTS-CTS信号发送。它们同时也需要在有限的带宽中提供服务。Mesh网络需要在一个相对更宽的带宽下满足高吞吐量的需求。在这些约束中，能量效率吸引了大量的研究工作，节能的无线MAC协议在20世纪90年代末已经被深入地研究。

节能的无线MAC协议应该使四种能量浪费最小化：空闲侦听、冲突、协议开销和串音（Overhearing）。表4-2给出一个按年代顺序的节能MAC协议表。它被分为两类：基于CSMA的协议和基于TDMA的协议。本书只对这些协议中的一部分进行阐述。关于这些协议的更详细的信息请参见Kumar等（2006）文献。表中上半部分的协议最初是为无线网络和自组织网络设计的，而表中下半部分的协议则是专门应用于传感器网络中的。

表4-2 WASM应用中的MAC协议

避免碰撞多址访问（Multiple Access with Collision Avoidance，MACA）（Karn，1990）是第一个讨论了隐藏终端和暴露终端问题的方案。来自于MACA和CSMA/CA的RTS-CTS信号方案基于这一协议。为应对不可靠的无线信道并保证传送成功，MACA无线（MACAW）协议通过在RTS-CTS-DATA帧的顶端加入第四个帧来改进MACA协议。当一个帧被正确接收时，将会有一个明确的应答（ACK）信息返回发送者节点。如果发送者节点没有及时接收到应答（ACK）信息，它将会重新传输数据。RTS-CTS-DATA-ACK序列同时也是IEEE 802.11中MAC协议的基础。

注意，这里RTS和CTS帧假定比数据帧短，同时RTS和CTS信号也可能会和其他基站的RTS和CTS信号发生碰撞。然而，由于RTS和CTS信号更短，它们发生碰撞所产生的开销要远小于DATA帧冲突所造成的开销。当DATA帧比IEEE802.11标准中的dot11RTSThreshold属性值小时，RTS-CTS发信号方案就没有用了。

RTS-CTS-DATA-ACK序列同时也被用于传感器MAC（S-MAC）（Ye et al.，2004）和超时MAC（T-MAC）（Dam和Langendoen，2003）。在这两种方案中，节点对一个公共时间段结构形成一致，并根据一个工作周期来周期性地交替打开和关上它们的无线电装置。S-MAC协议由三个主要的部分组成：周期性的侦听和休眠、避免冲突和串音、消息传递。节点会广播它们的休眠时间表。当节点们从它们的邻居节点处接收到这一时间表时，它们会调整自身的休眠时间表，使得所有节点同时进入休眠。在传输数据阶段，节点使用RTS-CTS-DATA-ACK发信方案交换数据。如果某个节点没有数据要发送或者接收，它就会进入休眠。周期性的监听和休眠通过避免空闲监听减少了能量消耗。

T-MAC（Dam and Langendoen，2003）在S-MAC基础上进行了改进，引进了一个活动/休眠工作周期，它通过一个简单的超时机制来适应网络信息流。节点使用RTS-CTS-DATA-ACK帧进行通信，这和S-MAC相似。T-MAC协议通过传输可变长度突变和在突变之间休眠中的所有消息来避免空闲监听。在T-MAC中，某个节点只要是处于活动工作周期时就会进行监听和传输。活动工作周期会在一定时间内没有检测到活动事件（数据接收等）时结束。

在这些MAC协议中，节点在相同的传输能量等级下传输它们的帧。通过应用能量控制（Cayirci and Nar，2005；Karlidere and Cayirci，2006），节点可以根据其预定的接收者调节它的传输能量等级。然而，出于能量控制的目的，为不同的节点分配不同的传输能量等级会造成不对称链路问题，即节点A可以到达节点B，但是节点B无法到达节点A，这种结果会造成严重的冲突。为了解决由不对称链路现象而引起的冲突，RTS和CTS在传输过程中处于最高的能量等级，而DATA和ACK在传输过程中处于使其到达目的地所需最低的能量等级，这就是BASIC方案中提出的思路（Jung and Vaidya，2002）。

能量控制MAC（Power Control MAC，PCM）（Jung and Vaidya，2002）被提出用来改进BASIC方案。PCM和BASIC方案的不同之处在于，PCM在DATA帧传输过程中周期性地增加传输能量等级直到最大值。在PCMAC方案（Lin et al.，2003）中，RTS、CTS、DATA和ACK的传输能量等级处于能够将帧传输到目的地所需的最小能量等级上，同时加入了一个独立的能量控制信道来防止帧在接收端发生冲突。

无线自组织网络、传感器网络和Mesh网络MAC协议优化

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