Contention Based Energy Efficient Wireless Sensor Network – A survey

一、基本信息

题目：Contention Based Energy Efficient Wireless Sensor
Network – A survey

作者：Vikas & Parma Nand （School of Computer Science & Engineering Galgotias University, UP, India ）

发布：ICCCA2015

​ 本文主要介绍了无线传感器网络中不同的MAC协议，如S-MAC、T-MAC、B-MAC、WISE-MAC等。此外还对这些MAC协议的参数、使用的机制和策略以及如何避免冲突和它们的优缺点。

二、介绍

​ 无线传感器有两种类型：结构化方式和非结构化方式。结构化无线传感器网络中，传感器的节点的布置是系统化的，而非结构化无线传感器网络中的传感器节点的布置是随机的。
​ WSN存在资源约束：指每个节点的能量固定、通信距离短、带宽短、处理和存储能力受限的传感器节点或微粒。而能量消耗是无线传感器应用实现的主要制约因素。本文主要讨论了MAC层的能耗问题。

三、分类设计和驱动程序

1 传统方法

传统上无线媒体分为3类：

1. 基于竞争
2. 基于预约
3. 混合

基于竞争的协议

​ 传感器节点与其他传感器节点一起访问无线媒体。基于竞争的协议使用CSMA，当一个节点想要传输数据时，它会先判断信道是否空闲，如果信道不空闲，它就会推迟数据的传输。但是使用CSMA当流量增加时存在性能下降问题。

基于预约的协议

​ 使用此方法传感器节点必须知道网络拓扑以便建立连接，之后节点就可以建立时间表并传输数据。基于预约的协议采用了TDMA方式，数据流被分成帧，每一帧又分成时隙，每个传感器节点分配一个时隙，并在该唯一时隙中所选传感器节点传输数据。
​ 这种方法有利于减少碰撞的发生，但是由于其必须知道网络拓扑和严格的同步，并没有吸引大多数人使用。

基于混合的协议

​ 它是基于竞争和基于预约的组合，利用了两者的优点。混合协议方法将信道分为两部分，一部分由信道控制报文，另一部分由数据控制报文。
​ 在信道控制报文中，数据以随机方式发送，而在数据报文中，数据在插槽信道中传输。该方法既节省了能源又提高了吞吐量。

2 设计WNS MAC协议的驱动程序

引起能耗的原因

​ 能量是设计无线传感器网络MAC协议的关键，而引起能源消耗的主要原因有：

1. 碰撞：多个节点都要在信道中传输数据包时会导致碰撞，接收端无法接收来自两个传感器节点的报文，从而导致报文冲突。因此会导致WSN的能量消耗
2. overhearing：当节点监听到的数据包或信号与自身无关，就造成了能量的浪费。
3. 协议开销：在同步无线通道中的通信时，MAC协议需要控制开销来传输数据包
4. 空闲监听：在空闲监听的传感器节点在空闲时间保持其无线电通道打开

降低能耗的机制

1. 减少碰撞：利用技术比如CSMA/CA、MACA。当两个传感器都要传输数据，它们需要通过RST和CST与彼此建立连接。MACA是对CSMA/CA的一种改进，使用数据传输前的任意后退时间，避免碰撞。
2. 减少Overhearing：可以通过PAMAS在MACA的基础上使用不同的信道进行RST/CTS交换来减少Overhearing，因此如果数据与节点无关，则传感器节点关闭信道。
3. 减少开销：通过CSMA/ARC减少开销。该方法采用RST/CTS进行MAC抑制，在保证转发流量之间的适当性的同时，减少了侦听。
4. 减少空闲监听：利用PSM方法让传感器节点尽量处于休眠模式。在该模式下，节点不时地醒来接收或收听频道，如果有人没有发送数据，它将进入睡眠模式，以节省能源。

四、MAC层协议概述

不同类型MAC的分类

占空比

​ 减少电源损耗或消耗的机制称为占空比，它是一种通过节点在清醒和休眠状态之间切换来节省传感器节点能量的技术。
​ 基于占空比，MAC协议可以分为同步和异步协议

同步占空比协议

1. S-MAC：遵循CSMA/CA机制，周期性的睡眠和清醒以减少无用的侦听。主要思想是让所有节点在同一时间内睡眠和醒来，从而节省能量。处于这种模式下，传感器节点在一定的时间周期性地进行睡眠模式，一段时间后传感器节点醒来，并监听可用的通道，看是否 有节点试图发送数据。

​ 监听间隔帧有SYNC和DATA组成，初始化时，每个节点监听信道固定的时间，如果在特定的时间间隔没有收到同步报文，那么节点将计算自己的睡眠和唤醒时间，并且广播一个同步报文到范围内的所有其他节点，称为同步器。
​ 在同步器范围内的节点收到SYNC报文，按照同步器的休眠模式启动。S-MAC协议的缺点是只控制网络中节点的局部交互，只维护单跳操作。

2. T-MAC：为了消除S-MAC的缺点，T-MAC提出了自适应占空比。它只在特定的时间内检查通道，但当通道在特定的时间内没有数据流通时，将进入睡眠模式。

传感器节点之间使用RTS、CTS和ACK等方法进行通信。只有当节点处于活动期时，它们才会侦听和传输。当所有数据传输完毕或者没有更多数据剩余，并且在将来TA让节点处于睡眠模式这段时间没有需要发送的数据，活动周期结束。这个TA就是每帧监听的最小值。

3. SCP-MAC：通过调度和通道轮询技术来降低能耗。继承了LPL（Low power listening）的信道轮询方式–同步所有相邻节点的轮询时间。

   同步的方法有两种。第一是通过初试引导阶段；第二是通过及时交换同步数据包。

   当一个节点试图加入网络时，它必须先获得网络的唤醒时间表。可以通过使用低功率占空比做到这一点。

4. DW-MAC：当有数据传输需求时，传感器节点唤醒，节点从休眠模式进入唤醒模式。在协议中，两个节点之间使用SCH滤波进行一对一映射。与RTS不同的是，SCH帧包含目标节点地址，因此SCH只唤醒传感器节点必须向其传输数据的预期接收器，减少了不必要的唤醒所消耗的能量。

5. D-MAC：实现了低延迟但不影响能量。数据的传输是单向的，分为发送和接收两部分。

异步占监控比协议

1. B-MAC：基于两种技术–使用低功率侦听的睡眠唤醒调度和使用透明信道评估的载波感知。该协议主要是为了克服S-MAC和T-MAC的缺点（每个节点必须在固定睡眠和苏醒时间后及时发送消息；每个节点在唤醒期间必须处于活动状态，以便节点可以尽可能多地等待传入的数据包）。
2. Wise-MAC：采用前置采样技术的异步协议，基于非持久化CSMA协议。该协议观察邻居采样时间偏移，在此基础上选择最小的唤醒序言长度。序言的任意长度有助于避免碰撞。由于该协议中的每个节点都要存储相邻节点的信道监听时间，消耗了存储空间，增加了协议实现的复杂性。
3. X-MAC：该协议的主要目标是节约能源、低开销、高吞吐量和低延迟的数据。由于异步MAC在接收数据或者发送数据时必须处于足够长的清醒时间来检查媒体，因此唤醒时间应较短（在此情况下，X-MAC必须在保持低占空比的情况下频繁地唤醒）。
4. PW-MAC：发送方传感器节点醒来并在目标接收方醒来之前打开无线电通道。该协议采用基于伪随机唤醒计划的预测传输机制，在相反的固定调度上使用伪随机唤醒调度，避免了相邻节点的定时唤醒。
5. RI-MAC：旨在减少发送方和指定接收方占用网络介质的时间来发送数据。发送方在向接收方发送短信标帧开始数据传输之前一直处于主动模式。如下图，节点S等待来自接收器R的信标打开时一直处于活动状态，一旦收到来自节点R的信标，就开始进行数据传输，当节点R收到第一个数据位，会发送另一个信标返回确认，当R收到所有的数据，节点S会再次检查媒体看是否又从接收端传入的数据，然后进入睡眠模式。

五、同步和异步MAC协议的比较

同步MAC协议

异步MAC协议

六、结论

​ 本文讨论了无线传感器网络中基于竞争的能效MAC协议。为了节省能量，节点必须在同步MAC协议中加入自适应监听、静态睡眠或动态睡眠模式。此外，为了在异步MAC协议中节省能源，节点必须进入低功率休眠或前导采样模式。本文在占空比的基础上，综述了几种同步和异步协议。为了在同步MAC协议中发送或接收数据，两个节点之间必须在传输数据之前建立连接,而在异步MAC协议建立连接时，MAC协议引入了基于预测的机制或技术来预测发送数据的合适唤醒时间。