国际传感器网络杂志，第27卷，第3期，2018年 137
介质访问控制的定性研究支持无线传感器网络移动性 的协议
扎卡里亚·哈米迪‐阿劳伊*和阿卜杜勒 巴基·埃尔贝尔希蒂·埃尔阿劳伊
计算机网络与系统实验室，理学院，穆莱·伊 斯梅尔大学，摩洛哥梅克内斯齐图恩邮政信 箱11201，50000邮箱： hamidialaouizakaria@gmail.com邮箱： a.elbelrhiti@fs‐umi.ac.ma*通讯作者
摘要
在许多无线传感器网络（WSN）应用中，移动性支持正逐渐成为实现特定任务的 重要因素。然而，移动无线传感器网络在无线信道访问方面面临着诸多挑战和限制，而现 有的介质访问控制（MAC）协议已对此进行了部分应对。事实上，这些协议在设计时考 虑了能量效率，并通过支持节点移动性来确保所有网络节点的信道访问。在本研究中，我 们提出一种决策支持工具，用于选择满足特定目标移动无线传感器网络应用需求的合适 MAC协议。该工具将基于对动态环境下MAC协议在能耗和延迟方面的深入分析与比较研 究。最后，我们以野生动物监测应用为例，应用该方法从所研究的MAC协议中筛选出最 合适的协议。
关键词 ： WSN；无线传感器网络；移动WSN；MAC；介质访问控制；MAC协议；移动性；移动 节点；切换；决策支持；延迟；能量效率。
参考本文的方式如下 ：Hamidi‐Alaoui,Z.和ElBelrhitiElAlaoui,A.(2018)‘无线传 感器网络中支持移动性的介质访问控制协议的定性研究’,国际传感器网络杂志,第27卷, 第3期,第137–148页。
1 引言
作为一种特殊的移动自组织网络（MANET），无线传 感器网络（WSN）是一种旨在收集环境信息并向外界 传递这些信息的新兴技术。它由数百甚至数千个能够监 测多种参数（如温度、湿度、压力、噪声、物体移动、 物体的存在或不存在等）的传感器节点组成，并通过这 些节点将数据进行通信。无线信道。这使得无线传感器网络能够应用于各种场景， 例如：
- 环境领域：野火检测、追踪野生动物等。
- 交通领域：管理道路交通等。
- 医疗领域：远程监控患者（心率、血压等）
- 建筑领域：结构演变、家庭自动化、检测地震等
- 军事领域：监控敌对区域，收集有关敌人位置及其移 动的信息等。
无线传感器网络设备通常以其在能量容量、处理能力、 内存和带宽方面的有限资源为特征。这些限制使得网络 设计变得困难，并且需要在算法方面进行大量工作以满 足不断出现的需求。因此，越来越多的应用需要一些移 动传感器节点（MN）来执行其特定任务。
从网络视角来看，有两种类型的移动性：节点移动 性和网络移动性。节点移动性指的是节点在网络中改变 其连接点的情况，而网络移动性则发生在子网络（即一 个路由器及其所连接的所有设备，整体表现为单一实体） 改变其连接点时。本文仅聚焦于节点移动性的研究。
从通信视角来看，存在两种移动场景：第一种场景 是移动节点（MN）在其当前邻近节点的范围区域内移 动时进行通信。在这种情况下，移动性被视为“无”， 该移动节点（MN）表现为固定传感器节点（FN）。第 二种场景是移动节点（MN）在更换其邻近节点时进行 通信。这种移动性会导致网络拓扑结构的变化，从而引 发通信中断。此外，当该移动节点（MN）加入新的邻 近节点组后，无法立即恢复通信，因为新邻近节点组中 的节点必须首先检测到该移动节点（MN）的存在，然 后决定如何与其协作。
因此，为了确保在这种动态环境中通信的连续性， 网络中的每个节点都必须能够访问信道，并具备加入其 新邻域的能力。这些操作由介质访问控制（MAC）协议 负责，以确保节点能够访问共享介质并协调通信，同时 避免碰撞。MAC协议还决定每个节点的工作模式（即睡 眠、发送或监听/接收），通过使发送方和接收方在同一 时间段内保持唤醒状态来实现同步。实际上，每个节点 必须在这些模式之间交替切换，以提供具有低延迟的可 靠信道访问。因此，节点的MAC协议必须既节能又对拓 扑结构变化具有鲁棒性，需注意的是，MAC协议仅能处 理微移动性（即节点在同一网络内的移动）。
本文的其余部分组织如下：第2节和第3节分别介绍 支持无线传感器网络中移动性的计划的MAC协议和前导 码MAC协议。每种协议的介绍之后均附有其分析研究。第4节总结了所研究MAC协议的重要特性。第5节描述了 我们将用于评估所有已调研的MAC协议，以及所开发工具在野生动物监测应 用案例中的应用示例。
2 调度式MAC协议
基于调度的MAC协议通过将时间划分为网络中所有节点 相等的间隔来解决同步问题。这些协议分为两类。第一 类是基于时分多址（TDMA）的协议，它将时间划分为 多个离散间隔（时隙）。这些时隙在网络中的所有节点 之间进行分配，以确保它们有均等的机会访问信道，在 其余时间，无线电设备进入睡眠模式以节省能量。这通 过网络中所有节点之间的强全局同步实现无碰撞通信方 案（拉杰恩德兰等人，2003年）。第二类在邻近节点之 间采用局部同步，并周期性地在睡眠和活跃阶段之间切 换。在活动阶段，节点使用CSMA/CA（载波侦听多路 访问/冲突避免）方法自由访问信道。
2.1 传感器MAC
S‐MAC协议（传感器MAC；Ye等，2004）将网络划分 为虚拟簇，每个虚拟簇由建立公共调度的邻近节点组成。在该协议中，节点周期性地交替进行睡眠/活动阶段，并 周期性地执行同步过程。为实现这一点，每个节点每隔 预定义数量的工作周期，便通过同步消息（SYNC）向其 邻居广播其调度。这使得每个节点能够知道何时必须唤 醒以与邻近节点通信。在虚拟簇中，如果有多个节点的 监听期时间间隔相同，则这些节点使用CSMA/CA方法访 问信道（图1）。
为了融入一个新的邻域（一个新的虚拟簇），S‐MAC要求移动 节点保持其无线电处于开启状态，直到接收到同步消息。
分析研究 : S‐MAC的特点是其简单性以及基于活跃和休眠周期的通信 方案通常有助于节约能量。然而，当移动节点在簇之间移动 时，需要定期更新其调度，这会增加信道监听时间和能 耗。此外，移动后重新建立调度所需的时间会延迟移动 节点与其新邻居节点之间的数据传输。另一方面，当移 动节点离开其簇时，必须保持其无线电处于开启状态， 直到接收到同步消息。该监听期会导致延迟并消耗移动 节点的能量。
2.2 支持移动性的S-MAC
MS‐MAC协议（支持移动性的S‐MAC；Pham和Jha， 2004）提高了移动节点与其邻居节点之间的同步速率， 使得移动节点在簇间移动时能够比S‐MAC更快地调整其 调度。同步速率可根据移动节点的移动速度进行调节。移动节点的速度是基于交换的SYNC消息的射频信号强 度指示（RSSI）来估计的，这些SYNC消息除了包含所 遵循的调度外，还包含有关移动性的附加信息。
分析研究 ： MS‐MAC的特点是使用一种简单的算法来估计邻域内的 移动性。它根据节点的移动速度自适应调整同步频率， 因此移动节点在尝试与新的虚拟簇中的节点建立连接的 同时，仍能与其当前的邻居节点保持通信。然而，与S‐MAC类似，移动节点需要定期更新其调 度以应对移动性。此外，MS‐MAC通过频繁地同步调度 来保持移动节点与其邻居之间的通信链路更新，从而确 保较短的切换延迟，但这导致了比S‐MAC更高的能耗。这种能耗不仅限于移动节点本身，还包括距离其两跳范 围内的所有邻居节点，因为它们也必须频繁更新自己的 调度。
2.3 自适应支持移动性的MAC
AM‐MAC（自适应支持移动性的MAC；Choi等，2008） 是S‐MAC的一种改进，利用虚拟簇的边界节点（BNs） 遵循其相邻簇所有调度的特点来支持节点的移动性。事实 上，AM‐MAC重新定义了S‐MAC的同步数据包：除了包 含描述节点所遵循调度的字段外，AM‐MAC还定义了另 一个字段以指示该节点是否为边界节点（BN）。
例如，在图2中，BNs遵循虚拟簇1和2的调度。因此， 每个BN通过在这些虚拟簇的所有监听周期激活BN指示 符，广播包含两个虚拟簇调度的同步数据包。其他节点 通过禁用BN指示符，仅广播其自身虚拟簇（1或2）调度 的同步数据包。当移动节点接近其虚拟簇的边界时，它可以接收到BN指示 符定义为的同步数据包“ON”。在这种情况下，该MN推断其可能正在移向另 一个虚拟簇，并计划根据从接收到的同步数据包中提取 的信息调整其调度。
分析研究 : AM‐MAC在监听周期内支持节点移动性并节省能耗， 并通过基于边界节点提供的信息对调度进行智能自适应， 从而实现快速切换。相比之下，边界节点的能量消耗迅速恶化，因为它 们必须同时遵循多个调度，并发送描述其所属簇调度的 同步消息。此外，如果网络中存在覆盖盲区，则位于这 些区域附近的边界节点仅遵循单一调度，因此无法提供 相邻簇的调度信息。在这种情况下，移动节点在穿越覆 盖盲区进入新簇时，无法规划其切换。
2.4 支持移动性的T-MAC
MT‐MAC（支持移动性的T‐MAC；Zareei等，2013） 是一种源自T‐MAC（VanDam和Langendoen， 2003）的移动性协议，而T‐MAC本身也是S‐MAC的一 个改进版本。实际上，T‐MAC会根据流量负载的变化采 用动态自适应调度。为了准确检测网络中节点的移动性， MT‐MAC使用了RSSI和链路质量指示器（LQI）。该协议中提出的方案以与T‐MAC类似的方式启动调度准备过 程，但增加了一个新的标识标志（NT），用于指示每个 节点的类型：‘FN’、‘BN’、‘CH’或‘MN’。在 完成调度准备过程后，每个虚拟簇中的节点将被分为三 种不同类型：簇头节点、固定节点和边界节点。
每个FN监听信道，一旦检测到接收到的同步数据包 的RSSI和LQI值发生变化，其NT标志的值将自动更改为 ‘MN’并触发一个定时器。该定时器的持续时间可根据 应用预先设置。定时器超时后，如果该节点仍处于同一 簇中，则将其NT标志的值从‘MN’更改为‘FN’。当边界节点（BN）检测到接收到的同步数据包的RSSI和 LQI值增加时，它通过同步数据包广播其NT，以通知移动节点 （MN）它正在接近簇的边界。在收到来自边界节点的该数据 包后，移动节点在其同步数据包中激活切换标志将其作为切换数据包进行广播。一旦边界节点接收到该 数据包，便通过同步数据包广播邻近簇的调度信息。因 此，移动节点可以根据接收到的信息调整其调度，并顺 利切换到另一个簇。
分析研究 : MT‐MAC的优势在于根据节点移动采用动态自适应调度。此外，该协议允许移动节点在不中断当前连接的情况下 切换到另一个虚拟簇，有助于减少丢失的数据包数量。作为回报，由于MT‐MAC需要处理扩展的控制数据 包并计算RSSI和LQI值以执行切换，因此其能量消耗高 于T‐MAC协议。
2.5 适应移动性、无冲突的媒体访问控制
MMAC（适应移动性、无冲突的媒体访问控制；阿里等 人，2005年）是对TRAMA协议（拉杰恩德兰等人， 2003年）的改进，旨在支持无线传感器网络中的移动性， 该协议采用时分多址原理来管理通信。在MMAC中，轮 转时间被划分为多个活动周期（图3）。每个活动周期又 分为两部分：计划接入部分和随机接入部分。计划接入 部分表示在节点间分配的传输时隙，而随机接入部分用 于交换有关邻域的信息。
为了管理移动性，MMAC提议以固定的时间间隔重新分 配时隙，并调整活动周期持续时间以允许移动节点参与。时隙的重新分配速率取决于移动节点的数量及其速度。为此，在每个活动周期开始时，每个节点预先确定其在 下一个活动周期中的未来位置，然后将该信息传输给其 对应的簇头（CH）。由于簇头（CH）始终处于活动模式，它能够收集簇 内所有节点的预测位置值，并在随机部分的下一个时隙 进行广播。这使得每个节点能够了解其邻居节点在下一 个活动周期的移动状态，并获知自身是否将在下一个活 动周期离开当前簇。基于这些信息，每个节点向其簇头 提议一个新的活动周期持续时间。簇头计算所有簇内节 点提议的平均值，并广播新的持续时间。当节点接收到 该信息后，会通过保持活动周期的持续时间不变来调整 调度部分和随机接入部分，直到下一轮所有网络簇头 （networkCHs）协商一致并应用新的持续时间。
分析研究 : MMAC具有一种自适应算法，可根据网络中的移动状态 （移动节点的数量和速度）调整活动周期持续时间。这种自 适应使得移动节点能够加入新的邻域。MMAC还能够基于 移动节点的移动历史预测所有移动节点的未来位置。尽管MMAC具有优势，但它存在以下缺点：用于预测未来位置和同步的算法非常复杂，因为它涉及 更多的处理过程和大量的控制消息。由于显式和定期传输同步数据包以获取网络拓扑、分配 时隙以及维持节点间的同步，导致控制开销较高。这也 会引起高延迟和高能耗。基于移动历史预测未来位置通常可能不是客观的。
2.6 基于移动性感知的TDMA MAC
M_TDMA（基于移动性感知的TDMAMAC；朱姆卡和 库尔卡尼，2007年）旨在支持网络拓扑变化。该协议使 用FLOP算法（德米尔巴斯等人，2006年）将节点组织 成互不重叠的簇。为了实现移动性管理，M_TDMA将轮转时间分为两 个部分（图4）：数据部分和控制部分。数据部分用于使 节点使用正常TDMA原理发送和接收数据，该部分中的 一些时隙被保留给未来将加入簇的节点以及消息重传。控制部分用于适应节点的移动性，该部分由轮转时间的 前三个时隙组成。在第一个时隙中，簇头广播簇信息， 例如ID、簇调度等。如果移动节点接收到此信息，则判 断其仍处于同一簇内，因此在第二个时隙中仅更新其状 态；否则，判定其已离开原簇，并在第二个时隙等待从 新的簇头接收此类信息以表明其存在。
当簇头在第二个时隙接收到一个新节点的ID时，会检查数 据部分是否有空闲时隙。如果有多个空闲时隙，簇头将在 第三个时隙自动为新节点分配一个时隙。如果仅有一个时 隙空闲，簇头将该时隙的带宽分为两部分：一半是分配给新节点，另一半留给未来的节点。否则，簇头会 取用已分配的一个时隙的一半。一旦时隙被分配，簇头 就会更新簇调度。
分析研究 : M_TDMA旨在确保无冲突通信的同时支持移动性。此 外，该协议不基于消耗簇头资源的定位算法（例如 MMAC）。相应地，移动节点的通信延迟在以下情况下会增加：如果一个移动节点由于其速度原因，在一个簇中停留的时间少于 一轮转时间，那么它可能永远无法受益于为其分配的时隙。移动节点只能在第一个时隙检测移动性。如果一个移动 节点是簇中的新节点且错过了这个时隙，则必须等到下 一轮才能检测其移动性并向簇头宣布其存在。•簇头节点无法处理同时的切换请求，这要求发生冲突 的节点等到下一轮。
2.7 Mobisense
Mobisense（Gonga等人，2011年）定义了媒体访问 控制和路由层，以管理无线传感器网络中节点的微移动 性。在该协议中，节点能够在不同的信道上运行，并被 组织成簇，其中固定节点被战略性地部署并作为簇头。Mobisense将轮转时间（也称为超帧）划分为同步 时隙、数据传输时隙、微型时隙间隔和发现时隙（图5）。在同步时隙期间，所有簇头节点发送同步数据包，以通 知移动节点其传输链路的变化。在发现时隙期间，每个 簇头节点在公共信道（CC）上发送消息，用于检测移动 性并告知移动节点通信所使用的信道。移动节点在公共 信道上检测到新簇后，会切换到该簇中使用的通信信道 （例如CC1），然后在微型时隙间隔内随机选择一个接入 时隙并发送其加入请求。
分析研究 : Mobisense的特点是其介质访问机制，可确保可靠的数据传输切换以及动态调度。此外，该协议采用多通道通信，可 减少干扰，提高吞吐量，并简化网络管理。同时由于发 现时隙的存在，移动节点在检测到进入新簇之前的监听 时间也得以减少。尽管如此，Mobisense仍存在以下缺 点：多通道通信的使用需要先进的媒体管理。由于移动节点只能在微型时隙间隔期间进行切换，因此移动 性无法立即处理。•为了能够在新簇中进行通信，时隙的顺序要求移动节 点等待三个回合：第一个回合用于检测移动性，第二个 回合发送加入请求，第三个回合实现同步并传输数据。从微型时隙间隔中随机选择一个时隙可能会导致碰撞。
2.8 IEEE 802.15.4
IEEE802.15.4（IEEE计算机学会，2006年）是IEEE为 满足无线个人区域网络需求而推出的一项标准，这类网 络的特点是低数据速率和低功耗，例如无线传感器网络。IEEE802.15.4为此类网络定义了物理层和MAC层。为了 能够通信和交换数据，该标准要求节点必须与一个全功 能设备协调器（FFD‐coordinator）相关联，该协调器 具有建立和维护网络的功能。为了节省能量，节点根据其关联的全功能设备协调 器所规定的节奏，在睡眠和活跃阶段之间交替（图6）。为实现这一点，协调器在超帧的第一个时隙中发送一个 信标，该信标包含有关超帧的信息，包括其长度、两个 信标之间的间隔、无冲突时隙的数量等。因此，每个节 点只能通过其预留时隙发送数据。非预留时隙可由所有 节点使用CSMA/CA方法进行访问。IEEE802.15.4包含一种检测协调器丢失的机制：如 果移动节点在连续四次（4）未接收到其协调器的信标消 息，则会向其协调器发送通知并等待响应。若未收到响 应，移动节点将判定已丢失当前协调器，并触发新协调 器关联的搜索过程。
分析研究 : IEEE802.15.4非常通用，被大多数低功耗和低数据速率网络 所采用。然而，与其他调度协议一样，该标准也存在一些缺点：•使移动节点能够感知协调器丢失并尝试查找新协调器 的机制，需要时间和能量。即使没有移动，移动节点也可能由于流量过载导致未接 收到连续四个信标而无需触发搜索以关联新的协调器。如果移动节点以高速移动，它可能在完成与协调器的连 接过程并发送数据之前就已离开交叉簇。
3 前导码MAC协议
基于前导码的MAC协议允许每个节点独立于其邻近节点， 自行决定其活跃和休眠周期的安排。在这些协议中，发 送方与接收方之间的同步仅对正在进行的传输有效。当 一个节点想要传输数据时，它会广播一系列符号（称为 前导码），以通知邻近节点有节点希望传输数据，从而 使这些节点保持唤醒状态，直到接收到数据，并判断自 己是否为目标接收方。前导码的发送时间长于睡眠周期， 以确保所有邻近节点（包括目标接收方）都能被唤醒。在接收到前导码确认后，发送方通过发送一个SYNC词来 指示前导码结束，然后开始发送数据（图7）。
传输前导码的需求延长了传输时间，并可能导致移动节 点在完成传输之前移出其邻区的通信范围，从而引发问 题。为此，如下所述的前导码MAC协议基于X‐MAC协议 （Buettner等，2006年），该协议通过将前导码划分为 包含目的地址的微帧（P），数据帧（图8）。每个节点在接收到微帧时，会验证自身 是否为接收方；如果是，则对该微帧进行确认，以便发 送方开始发送数据帧；否则，为节能起见，该节点将切 换至睡眠模式，而无需等待数据帧的接收。
我们注意到，X‐MAC协议没有针对移动性支持的特定机 制，因为它不对固定节点和移动节点进行区分，这两类 节点在访问信道时遵循相同的过程。
3.1 基于移动性的MAC
MA‐MAC（基于移动性的MAC；唐和达尔吉，2010年） 基于X‐MAC，其工作方式如下：当网络中仅有固定节点 时，MA‐MAC的工作方式类似于X‐MAC。然而，一旦检 测到移动性，MA‐MAC会允许移动节点在失去当前链路 之前，将剩余数据转发给一个新的节点。为此，该协议 定义了相对于接收节点的两个距离阈值：第一阈值促使 移动节点启动切换，而第二阈值定义了移动节点失去当 前链路并被迫与另一个邻居建立新链路的最大距离。这 些距离通过测量移动节点与其接收节点通信时交换的确 认消息的信号质量来计算。移动过程中，如果MN检测到其与接收节点之间的距 离超过了第一阈值，它将通过以广播模式发送其数据包 以及切换请求，开始搜索新的邻近中继节点。由于数据 原本是以单播模式发送，现在变为广播模式，当前的接 收节点会意识到MN希望改变其通信链路，于是停止发送 确认信息，以便该MN能够从其邻居节点收集切换响应。如果MN在超过第二阈值之前至少收到来自一个新节点的 确认信息，则启动切换，并随后恢复向新节点的数据传 输。否则，MN将继续与当前接收节点通信，同时持续发 送切换请求。
分析研究 : MA‐MAC允许在链路质量下降时通过切换到更强的链路 实现透明切换。但MA‐MAC存在以下缺陷：• MA‐MAC的性能主要取决于两个距离阈值的确定。然 而，用于计算这些距离的机制（基于信号质量）并不总 是可靠的。• MA‐MAC高度依赖于网络密度。如果移动节点周围的 邻近节点数量较少，或者除当前接收节点外所有邻近节 点均处于睡眠模式，则该移动节点无法找到新的中继节 点。因此，它只能继续向当前接收节点发送数据，希望 在失去该链路之前完成传输。
3.2 移动X-MAC
MoX‐MAC（移动X‐MAC；Ba等，2011）基于 X‐MAC。因此，若没有移动节点使用信道，则固定节点 的行为类似于使用X‐MAC协议的节点，只是发送方固定 节点在切换到睡眠模式前会有一个等待时间。如果网络中存在移动节点（MN），MoX‐MAC的工 作方式如下：任何由移动节点发起的通信都必须与固定节 点（FN）进行，随后由该固定节点将数据路由至其目的地。当一个移动节点想要发送数据时，它会先感知信道：如果 信道空闲，则该移动节点采用与X‐MAC相同的方法进行 传输。但如果信道正被一个固定节点占用，该移动节点将 等待此次传输结束后，再等待一段随机时间，然后向该作 为发送方的固定节点发送数据，以避免可能存在的竞争的 移动节点之间的碰撞（图9）。因此，每个作为发送方的固 定节点在完成其传输后，必须保持一段时间的唤醒状态， 以确保能够接收潜在移动节点发送的数据。
分析研究 : MoX‐MAC旨在保证X‐MAC的性能，同时减少丢包和降低 延迟以实现接入移动节点的信道。该协议还通过在每次传输前增加一段 随机时间，从而避免移动节点之间的碰撞。然而，如果信道繁忙，移动节点必须等到当前传输 结束才能发送其数据。因此，这会产生能耗‐延迟代价， 尤其是在能够传输其数据之前需要穿越多个簇时。
3.3 X-马基雅维利
X‐Machiavel协议（Kuntz等，2011）扩展自 X‐MAC，通过允许移动节点从固定节点处抢占无线信道， 从而优先处理移动节点的通信。因此，当移动节点希望 在信道空闲时发送数据包时，X‐Machiavel的操作方式 与X‐MAC类似。然而，当信道已被固定节点占用时， 移动节点通过广播一个特殊前导码（SP）来宣告其对信 道的抢占，随后直接将数据包发送给第一个确认正确接 收SP的固定节点（图10）。
分析研究 : X‐马基雅维利在两个方面对移动节点有利：在时间方面， 即使信道繁忙，它也允许移动节点立即访问信道，这对 于高速移动并传输关键数据的移动节点应用非常有利； 在能量方面，X‐马基雅维利使移动节点不参与数据路由。相反，X‐马基雅维利要求每个节点识别自身为固定 节点或移动节点。此外，当信道被其他移动节点占用时， 移动节点不能抢占信道，因此需要多次检查信道，直到 信道空闲或至少被固定节点占用。
4 综合
表1展示了我们调研的MAC协议的概要。因此，我们强调 了这些协议的主要特性（介质访问方法、拓扑结构、可 扩展性、吞吐量、开销等）。该表还说明了MAC协议如 何解决节点的移动性问题。
| 信道访问方法 | 需要同步 | 占空比类型 | 拓扑结构 | 可扩展性 | 吞吐量 | 开销 | 移动性估计 | 移动性处理 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S‐MAC 争用 基于 (载波侦听多路访问) | Yes | 固定 | Flat | 中等 | Low | High | 无移动性估计方案。 | 更新调度周期性地允许移动节点加入新簇。 |
| MS‐MAC 争用 基于 (载波侦听多路访问) | Yes | 自适应 | Flat | 中等 | Low | High | 基于接收到的同步信号消息。 | 运行同步频繁地根据网络中的移动状态网络。 |
| AM‐MAC 争用 基于 (载波侦听多路访问) | Yes | 自适应 | Flat | 中等 | Low | High | 移动节点在网络设置阶段，和簇检测到变化通过接收SYNC数据包形成基站。 | 基站帮助移动节点执行平滑通过提供切换相邻簇的调度。 |
| MT‐MAC 争用 基于 (载波侦听多路访问) | Yes | 自适应 | Flat | 中等 | 中等 | High | 基于 RSSI 和接收到的LQI同步数据包。 | 基站协助执行当移动节点请求时进行移动节点请求相邻簇的调度。 |
| MMAC 调度 基于 (TDMA) | Yes | 自适应 | Tree | 中等 | 中等 | High | 基于 AR‐1 算法。 | 调整帧时间根据A（惩罚级别）的水平网络中的移动性水平。 |
| M_TDMA 调度 基于 (时分多址) | Yes | 自适应 | Tree | 中等 | 中等 | Low | 簇信息由簇头广播在控制部分期间 | 允许移动节点检测它们的移动性控制部分服务于获取移动性信息并发送加入请求到簇头进而为新进入簇的移动节点分配空闲时隙进入簇的。 |
| Mobisense 调度 基于 (TDMA and FDMA) | Yes | 自适应 | Tree | Low | 中等 | 中等 | 信息在公共信道上广播公共信道发现期间 | 时隙允许移动节点检测该簇变化。在检测到新的簇头后，移动节点使用微型时隙按顺序发送请求以加入该簇。 |
| IEEE 802.15.4 调度 基于 (TDMA and CSMA) | Yes | 自适应 | 星型到 tree | 中等 | 中等 | Low | 检测到移动性当移动节点不接收4个连续的来自其信标协调器。 | 触发搜索过程以进行新的协调器关联。 |
| MA‐MAC 争用 基于 (载波侦听多路访问) | No | 动态 | Flat | High | High | 中等 | 基于RSSI的接收的数据包。 | 两个预定义的来自接收节点的距离阈值允许移动节点广播切换请求，以在失去当前连接之前连接链路。 |
| MoX‐MAC 争用 基于 (载波侦听多路访问) | No | 动态 | Flat | High | High | 中等 | 移动节点是预定义的网络设置阶段 | 当一个固定节点占用时信道，移动节点优先发送他们的数据到发送的固定节点在其通信结束时立即其通信。 |
| X‐马基雅维利 竞争 基于 (载波侦听多路访问) | No | 动态 | Flat | High | High | 中等 | 移动节点是预定义的网络设置阶段 | 移动节点能够巧妙地利用信道如果是被固定节点占用。 |
5 移动性成本的定性研究
鉴于无线传感器网络应用需求的多样化以及为管理移动 性而设计的MAC协议数量众多，拥有一个能够帮助应用 程序开发者快速确定一两种最能满足目标应用需求的 MAC协议的工具显得十分有意义。因此，在本节中，我 们描述了所提出的工具，该工具被视为一种预仿真阶段 的方法，通过它可以在现有MAC协议中做出适当选择， 以适应特定应用的时间和能量约束。实际上，该工具的 设计原理基于对所有调研过的MAC协议进行比较的表格， 该表格考虑了这些协议在动态环境下运行时的时间‐能量 代价。
我们注意到，在比较中主要选择时间和能量准则的 原因是，数据链路层不涉及其他条件，例如由OSI模型 其他层处理的部署环境和网络拓扑。
为了开发此类工具，我们关注这些协议在移动通信 情况下的行为，因为这种通信类型存在两种可能的场景：
- 一种无邻域变化的移动通信场景，其中移动节点在整 个通信持续时间内始终保持在其接收方节点的通信范围 内。
- 一种邻域变化的移动通信场景，其中移动节点在与其 接收方节点通信结束前离开了该接收方节点的通信范围。因此，移动节点必须将其数据中继到另一个接收方节点。
由于第一种场景等同于静态通信（两个固定节点之间的 通信），我们在研究中重点关注第二种移动通信场景， 以比较所研究的所有MAC协议。该比较基于对移动通信 的时间和能量消耗的分析，并将静态通信作为参考（图 11）。
在我们的研究中，我们假设网络是完全覆盖的。这 意味着当一个移动节点离开其当前邻域时，它会自动进 入另一个节点的通信范围。
时间性研究
在移动通信中，邻域变化会导致移动节点出现网络断连 期（DP）。在此期间，移动节点会尝试连接到一个新的 接收方节点，以恢复其剩余的数据传输。为此，它需要 花费时间执行以下两个过程：
- 检测/预测邻域变化的时间（TDNC）。
- 移动节点（MN）执行某些操作以加入新的邻域期间的切 换延迟（HL）。
然后，根据所采用的MAC协议的操作方案，MN将再次 花费时间接入信道（TAM）以恢复剩余数据包的传输 （图11）。
TAM用于表征移动节点（MN）在已知其已插入当前邻域的情 况下接入信道所需的时间。通过将MN的TAM与使用相同协议 的固定节点（FN）的TAM进行比较，来对其性能进行评定：
- 如果（该协议以固定节点为代价偏袒移动节点。例如， 移动节点将信道用于固定节点）那么，TAM的评级为 (AAA)
- Else if（该协议意味着移动节点和固定节点遵循相同的程序 来访问信道）然后，TAM的评级是（AA（平均级别））。
- 否则，TAM的评级为(A（惩罚级别）)。
当移动节点（MN）改变其邻域时，必须等待一个断连期（DP）才能 再次传输其数据。该时段汇总了邻域变化检测/预测时间（TDNC）和 切换延迟（HL）的延迟，在此期间移动节点试图融入新的邻域。
TDNC表征了预测/检测邻区变化所需的时间以及触 发切换的时间（见图11）。协议中的TDNC将被定性为：
- AAA：该协议允许移动节点预测邻区变化，并集成了 一种能够快速触发切换的机制。
- AA：切换在每次邻区变化后立即触发（无论该变化是 被检测到还是被预测到）。
- A：切换在邻区变化后的平均时间后触发（无论邻区变 化何时被检测到）。
- BBB：检测邻居变化并触发切换所需的时间正在受到A （惩罚级别）。
HL表示执行切换所需的时间，该时间包括在预测或检测到 邻区变化后，通过重新建立连接使移动节点集成到新邻区的 所有过程。因此，如果HL是最优的，则将协议评定为“ AAA”；如果是平均值，则为“AA”；如果是惩罚级别的， 则为“A”。
在对TDNC和HL延迟进行定性分析后，我们能够对 DP时期进行定性。在此，我们关注的是移动节点（ MN）在其新邻区的集成过程结束时刻，相对于其离开前 一邻区的时刻。为了理解用于定性DP所采用的方法，我 们在图12中表示了TDNC和HL延迟的所有评级。接下来， 我们将邻区变化的时刻作为参考点，以将时间划分为若 干时间段，每个时间段代表一个DP定性类别。根据 TDNC和HL的定性结果，DP定性的汇总结果见表2。
能耗研究
除了比较MAC协议在移动通信中的时间开销外，我们还 根据固定节点和移动节点在相同通信场景下的能量消耗 对这些MAC协议进行了评估。该消耗取决于额外的类型 和数量节点为确保移动通信而执行的任务。因此，MAC协议的 能量消耗可作如下评定：
- AAA：该协议在能量方面优先考虑节点（例如，协议 使该节点免于执行移动通信中的某些任务）。
- AA（平均级别）：移动通信不需要额外的节点能量。
- A（惩罚级别）：移动通信需要中等程度的额外能耗 （例如，节点仅在移动通信的信令过程开始时介入）。
- BBB：移动通信需要高能耗（例如，节点参与移动通 信信令过程中的大多数任务）。
表2 断连期的资格条件
| TDNC | HL | DP |
|---|---|---|
| AAA | AAA | AAA |
| AAA | AA | AAA |
| AAA | A | AA |
| AA | AAA | AA |
| AA | AA | AA |
| AA | A | A |
| A | AAA | A |
| A | AA | A |
| A | A | A |
| BBB | A | BBB |
| BBB | BBB | BBB |
| AAA | BBB | BBB |
| BBB | AA | BBB |
| BBB | BBB | BBB |
| A | BBB | BBB |
在表3中，我们基于定性研究方法对带钉MAC协议进行 评定，该评定可作为决策支持工具。事实上，如果我们 能够准确描述无线传感器网络应用的时间和能量约束， 则可以预测出最适合该应用的协议。
为了实践我们的方法，我们利用表3的结果，结合表 1中总结的MAC协议基本特性，来预测适合野生动物监测 应用需求的合适协议。在该应用中使用无线传感器网络 的意义在于收集关于野生动物的各种信息（健康、行为、 移动等）。该应用可归类为大规模开放区域。它需要战 略性分布的固定节点以覆盖部署区域，以及由被研究动 物携带的移动节点。此外，在此场景中：
- 从动物（移动节点）收集的信息类型需要足够的吞吐量 （在此应用中不一定是超高吞吐量）。
- 在此应用中，被研究的动物通常成群移动。因此，最 好采用允许MN之间进行多跳通信的扁平拓扑结构，以避 免群体中某些动物远离我们为此应用部署的FN的情况。
- 移动节点在接入信道以快速传输其信息时应具有优先 权，这要求将TAM评定为（AAA至AA）。
- 移动节点始终处于移动状态，这意味着需要快速切换（ DP评定为AAA至AA）。
- 在能量方面，由于FN的位置已知，它们配备有可充电 电池，而MN的电池则难以更换。因此，MN的能量消耗 必须评定为AAA至A，而FN的能量消耗为合理的AAA至 BBB。
表4总结了我们刚刚描述的野生动物监测应用约束条件的 推荐要求。因此，根据我们的决策支持工具，该表最后 一列显示了适用于此应用的最合适协议。
表3 MAC协议在移动的时间成本和能量成本方面的比较。
| 协议 | TDNC | HL | DP | TAM | 在移动节点 | 在固定节点 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| S‐MAC | BBB | AA | BBB | AA | BBB | AA：用于邻近节点。 |
| MS‐MAC | AA | AA | A | AA | BBB | BBB：同步频率影响位于移动节点周围的固定节点的能量。 |
| AM‐MAC | AAA | AAA | AAA | AA | A | A：用于帮助移动节点规划其切换。AA：用于其他节点。 |
| MT‐MAC | AAA | AA | AA | AA | A | BBB:为帮助移动节点规划的基站他们的切换。AA（平均级别）：用于其他节点。 |
| MMAC | AA | AA | A | AA | BBB | BBB：用于预测移动性的簇头节点调整活动周期持续时间。A：其他节点也计算它们的位置。 |
| M_TDMA | AA | AAA | AA | AA | A | A：用于广播簇信息并响应加入请求的簇头节点。信息并响应加入 请求。AA：用于其他节点。 |
| Mobisense | A | A | BBB | AA | A | BBB：用于管理移动性的簇头节点。AA（平均级别）：对于其他节点。 |
| IEEE 802.15.4 | A | AA | BBB | AA | BBB | A（惩罚级别）：针对必须响应的簇头节点邻域变化的验证 请求。AA：用于其他节点。 |
| MA‐MAC | AAA | AAA | AAA | AA | A | AA：无额外开销。 |
| MoX‐MAC | AA | AA | A | AAA | A | A：每次传输后 ,固定节点发送方必须保持唤醒一段时间 以接收潜在移动节点的数据。 |
| X‐马基雅维利 | AA | AAA | AA | AAA | AAA | BBB:移动节点从发送中的固定节点处窃取信道固定节点的发送。 |
表4 野生动物监测应用的需求以及可能适用的MAC协议概述
| 拓扑结构 | 可扩展性 | 吞吐量 | 移动的时间成本 DP | 移动的时间成本 TAM | 移动的能量成本 MNs | 移动的能量成本 FNs | 这些协议 可能适用 按优先顺序 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Flat | 中等至高 | 中等至高 | AAA至AA | AAA至AA | AAA至A | AAA至BBB | MA‐MAC；MT‐MAC |
6 结论
由于无线传感器网络应用的多样化以及为管理此类网络 中移动性而提出的大量MAC协议，拥有一个决策支持工 具变得至关重要。在此背景下，我们推荐了一种基于对 这些协议进行定性研究的方法。因此，为了选择在无线 传感器网络应用中实施的协议，应用程序开发者可以使 用我们的工具，以获得准确的指导，从而针对其应用的 延迟和能量约束选择最合适的MAC协议。在实施阶段， 选择某一特定协议而非其他协议时，还应在仿真过程中 考虑应用的其他约束条件，如部署环境条件、节点数量 和拓扑结构。
扫一扫
7750
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
