1、引言（Introduction）

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由大量的集成了傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小節點構成的全分布式的自組織網絡[1]。由于數量眾多，傳感器節點通常隨機投放在監測區域內，并且很難更換電源。通常相鄰節點間距離很短，適于采用低功率的多跳通信模式，節省功耗的同時增強了通信的隱蔽性和抗干擾性。由于WSNs具有易擴展、自組織、分布式結構、健壯性和實時性等特點，使其在軍事、建筑、農業、環境監測、醫療等領域有著傳統網絡無法比擬的優勢[2-6]，必將開發出許多有價值的應用。同時這些獨特要求和制約因素也為WSNs的研究提出了新的技術問題，其中如何有效地延長網絡的生命周期成為研究WSNs的核心問題。

信道接入技術是用于建立可靠的點到點、點到多點或多點共享的通信鏈路技術。如何控制共享信道的接入，是數據鏈路層的介質接入控制(Medium Access Control，MAC)子層的主要任務。

WSNs的上述特性和應用促使其MAC層協議與傳統的無線MAC層協議在許多方面不同，其主要目標是節能和自組織，而每個節點的公平和時延是次要的。本文的第三部分將分類介紹幾種為WSNs設計的MAC層協議。

2、MAC層協議面臨的問題和挑戰 （Problems and challenges for MAC protocol）

傳統的MAC層協議的設計目標是最大化吞吐量、最小化時延并且提供公平性。而為WSNs設計的MAC層協議關注的是最小化能耗，這就決定了它要適度地減小吞吐量和增加時延。由于WSNs的節點總是協作完成某應用任務，所以公平性通常不是主要問題。另外，WSNs的一些典型應用（如戰場目標跟蹤）也對其MAC層協議的設計提出了不同于傳統無線網絡的要求。其中一些主要問題歸納如下

能量受限

WSNs的基本特征就是能量受限。MAC層協議要盡可能地節約能源，如減少沖突和串音、降低占空比和盡量避免長距離通信。協議中還應包括折衷機制，使用戶可以在節能和提高吞吐量、降低延遲之間做出選擇[7]。另外，協議設計者應該注意能量不是隨時可用的。因為節點可能處于睡眠狀態或者由于不可知的原因死亡。

實時性

WSNs經常被應用于軍事、醫療等對實時性要求很高的領域，及時地檢測、處理和傳遞信息是其不可缺少的要求。MAC層應和其它層合作提供實時保證。

分布式算法

由于WSNs的節點計算能力和存儲能力受限，需要眾多節點協同完成某應用任務，所以MAC層協議應該運行分布式的算法。這也是有效避免某些節點的死亡造成網絡癱瘓的需要。

靈活性

WSNs針對不同的應用顯示出了不同的網絡特性，MAC層協議應該能適應不同應用的各種流量模式。

各性能間的平衡

MAC層協議的設計需要在各種性能間取得平衡。各性能間的平衡往往比單個性能的表現更重要。因為一個不平衡的協議即使在實驗室表現好，也可能在實際環境中表現很差。比如，一個協議如果太頻繁地關閉無線收發裝置來節能，不僅使實時性和可靠性受到影響，包丟失引起的重傳也會反過來影響節能的效果。

3、典型的MAC層協議（Some typical MAC protocols in WSNs）

現有的MAC層協議大體可以分為固定分配類和基于競爭類。以下分別介紹其中的一些典型協議。

3.1 固定分配類MAC層協議

原有的固定分配類MAC層協議主要有頻分多址接入（FDMA）、時分多址接入（TDMA）、碼分多址接入（CDMA）三種。

FDMA是將頻帶分成多個信道，不同節點可以同時使用不同的信道。TDMA是將一個時間段內的整個頻帶分給一個節點使用。相對于FDMA，TDMA通信時間較短，但網絡時間同步的開銷增加。CDMA是固定分配方式和隨機分配方式的結合，具有零信道接入時延、帶寬利用率高和統計復用性好的特點，并能降低隱藏終端問題的影響，但其完全集中式的信道分配和基站的高復雜性，使其不適用于全分布的WSN中。針對WSNs特點，本部分將介紹以下幾種基于固定分配類的MAC方案。

SMACS協議和EAR算法

SMACS(Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks)協議[8]是分布式的協議，無需任何全局或局部主節點，就能發現鄰節點并建立傳輸/接收調度表。鏈路由隨機選擇的時隙和固定的頻率組成。雖然各子網內鄰節點通信需要時間同步，但全網并不需要同步。在鏈接階段使用一個隨機喚醒機制，在空閑時關掉無線收發裝置，來達到節能的目的。EAR(Eavesdrop-And-Register)算法[8]用來為靜止和移動的節點提供不間斷的服務。SMACS的缺點是從屬于不同子網的節點可能永遠得不到通信的機會。EAR算法作為SMACS協議的補充，但EAR算法只適用于那些整體上保持靜止，且個別移動節點周圍有多個靜止節點的網絡。

TDM- FDM

這是一個時分復用TDMA和頻分復用FDMA的混合方案[9]。在節點上維護著一個特殊的結構幀,類似于TDMA中的時隙分配表,節點據此調度它與相鄰節點間的通信。FDMA技術提供的多信道,使多個節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，使得在業務量較小時信道利用率較低。

DE-MAC

DE-MAC(Distributed Energy-aware MAC) [10]的中心內容是讓節點交換能級信息。它執行一個本地選舉程序來選擇能量最低的節點為“贏者”，使得這個“贏者”比其鄰節點具有更多的睡眠時間，以此在節點間的平衡能量，延長網絡的生命周期。且這個選舉程序與TDMA時隙分配集成到一起，從而不影響系統的吞吐量。DE-MAC用選舉包和無線收發裝置的能量狀態包來交換能量信息，節點由能量信息來決定占有傳輸時隙的數量。各節點為每個鄰節點維持一個表明其無線收發裝置能量狀態的變量，此信息用來設定其接收器接收鄰居的包。當一節點比原來的“贏者”能量值低時，它進入選舉階段。處于選舉階段的節點向所有鄰節點發送它的當前能量值，并收集它們的投票。如果鄰節點的能值都比此節點高，它將收到所有鄰節點的正選票。此節點占有當前時隙，或者發送數據，或者進入睡眠。協議的缺點是傳感器節點只在自己占有時隙且無傳輸時，才能進入睡眠。而在其鄰節點占有的時隙里，就算沒有數據傳輸，它也必須醒著。

TRAMA

TRAMA（Traffic-Adaptive Medium Access）[11]用兩種技術來節能：用基于流量的傳輸調度表來避免可能在接收者發生的數據包沖突；使節點在無接收要求時進入低能耗模式。TRAMA將時間分成時隙，用基于各節點流量信息的分布式選舉算法來決定哪個節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。仿真顯示，由于節點最多可以睡眠87%，所以TRAMA節能效果明顯。在與基于競爭類的協議比較時，TRAMA也達到了更高的吞吐量（比S-MAC和CSMA高40%左右，比802.11高20%左右），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，更適用于對延遲要求不高的應用。