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基于时分复用的一种无线传感器网络MAC协议的设计
引言
无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待发现和研究。在无线传感器网络中，MAC 协议决定了无线通道的使用方式，在无线传感器网络节点之间分配有限的无线通信资源，用来建立网络可靠的点到点或者点到多点的通信链路。MAC 协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响。MAC 协议设计的好坏是保证无线传感器网络通信高效与否的关键因素之一。
在设计无线传感器网络的MAC 协议时，主要需要考虑以下三个方面：节省能量，可扩展性和网络效率。以上三个方面，重要性一般是依次减低。在传统网络中，节点能够连续地获得能量供应，整个网络的拓扑结构相对稳定，网络的变化范围和变化频率都比较小，因此传统网络的MAC 协议重点考虑节点使用带宽的公平性、提高带宽的利用率以及增加网络的实时性。而在无线传感器网络中，节点的能量供应问题没有得到很好的解决，节点本身就不能自动补充能量或能量补充不足，所以节约能量就变成了无线传感器网络MAC 协议设计时需要首要考虑的因素。
1 目前典型的MAC协议
目前ＭＡＣ协议有很多种，也有很多种分类。按照采用固定分配通道方式还是随机访问信道方式分类可以分为：基于竞争的ＭＡＣ协议，基于时分复用的ＭＡＣ协议，其他类型的ＭＡＣ协议。
1.1 基于竞争的 MAC 协议
基于竞争的随机访问MAC 协议采用按需使用通道的方式，其基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线通道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。典型的基于竞争的随机访问MAC 协议是载波侦听多路访问(CSMA)。在IEEE 802.11 MAC 协议[1]的基础上，研究者提出了多个基于竞争的MAC协议用于传感器网络。比如：S-MAC 协议，T-MAC 协议等等。
1.2 基于时分复用的 MAC 协定
时分复用是实现通道分配的简单成熟的机制，现在应用较广的蓝牙网络就是采用了时分复用的MAC 协议。在无线传感器网络中采取时分复用机制，就是为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时间片，节点在其它空闲时间片内则转入睡眠状态。
1.3 其它类型的 MAC 协议
基于时分复用的MAC 协议也有自己的缺点，比如网络扩展性较差，需要节点间严格的时间同步，对能量和计算能力有限的节点而言实现起来比较困难。因此有很多研究人员考虑通过FDMA 或者CDMA 与TDMA 相结合的方法，为每对节点分配互不干扰的信道实现消息传输，从而增强协议的扩展性。
2 基于时分复用的一种MAC 协议设计
本文所讨论的协议是针对特定的分簇网络，基于周期性的时分复用ＭＡＣ协议。协议对每个节点划分了具体的工作时间片和工作时隙，最大地节省了节点的耗电量，而且增加了重传机制，能有效提高系统发送的成功率。
2.1 网络结构
无线传感器网络是由接收器（1 个）、中继器（多个）和传感器（大量）组成的分簇网络。接收器是整个无线传感器网络信息的集结点；中继器的主要工作就是收集它的下级节点（包括中继器和传感器）的采集信息并转发给它的上级节点（包括中继器或者接收器）；传感器的工作就是采集信息，发送给它的上级节点（包括中继器或者接收器），它自身没有转发功能。接收器和中继器由于汇聚了从多个传感器中的采集数据，因而也称为为骨干节点。整个无线传感器网络拓扑图所示。
2.2 时间片划分
每个骨干节点都有自己的时间片，此骨干节点的下级节点都只在此时间片内把采集到的数据上交，因此只要设计好各个时间片，就能有效避免设备之间的互相干扰。为了确保一个周期内所有传感器的采集数据都可以到达接收器，设计时先设定一个周期内时间片n 从大到小依次工作，而且保证同一条链路上的骨干节点越远离接收器，其时间片n 值就越大（接收器的时间片是0），这个保证可以在路由协议中实现。
是节点时间片划分的示例（传感器的时间片指的是其上级骨干节点时间片）。示例中有5 个骨干节点，得到的时间片分别是0 至4，它们在一个周期的工作流程如下：
1） 首先工作的是时间片4 的中继器和它的下级三个传感器，在工作时间内中继器获得下级三个传感器的数据。
2） 其次工作的是时间片3 的中继器和它的下级两个传感器，在工作时间内中继器获得下级两个传感器的数据。
3） 接下来工作的是时间片2 的中继器和它的下级一个中继器，在工作时间内中继器获得的下级中继器中保存的三个传感器的数据。
4） 紧接着工作的是时间片1 的中继器和它的下级两个传感器，在工作时间内中继器获得下级两个传感器的数据。
5） 最后工作的是时间片0 的接收器和它的下级三个中继器，在工作时间内接收器获得下级中继器中所有保留的数据（7 个传感器的数据）。
经过一个周期，接收器就能获得了无线传感器网络内所有传感器的采集数据。
2.3 时隙控制
因为一个骨干节点可能存在多个下级分支，所以在其特定时间片内，骨干节点需要一次查询多个下级节点。这种通讯控制是通过将节点分配在不同的时隙而完成的。如表1 所示，当节点进入其所在的时间片内，骨干节点率先发出数据信标，而后其下级各个节点依次将数据上报给中继器。当所有节点上报结束后，骨干节点发送DataAck 结束通讯过程。表中最大19１个时隙是根据具体硬件条件设置。根据需要进行通讯的下级节点的多少，时隙的个数是可变的。
2.4 重传机制
重传机制确保了通讯的可靠性。当骨干节点某个下级节点发送数据失败后，中继器将发起下一轮通讯，用来单独查询传输失败的下级节点。本协议规定的最大传输次数为3。如表3 所示，某骨干节点下级共有8 个传感器，当第一轮通讯之后，发现其中有3 个传感器的数据发送失败。这时，中继器会发起第二轮通讯。在第二轮通讯中，中继器只会和上一轮发送数据失败的3 个传感器通讯。当第二轮通讯结束，骨干节点发现仍然有1 个传感器出现了问题。因此，在第三轮通讯之中，骨干节点只与这1 个传感器通讯。
3 结论
在无线传感器网络中，节约能量是首要考虑的因素。MAC 协议处于传感器网络协议的底层部分，对节约能量起到决定性的作用。本文给出了一种基于时分复用的无线传感器网络MAC 协议设计，它主要针对实际应用的一种网络结构，对各个节点的工作时间做了严格的划分，在硬件条件满足的情况下，此协议能提高各个节点的能量利用率。
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[参考文献] (References)
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