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Medium Access Control Issues in Sensor Networks无线传感器网络的媒体接入控制问题

ABSTRACT • 无线传感器网络的媒体接入控制近几年是一个非常活跃的研究领域。无线传感器网络的特点关注在能耗效率。有许多改进的工作需要在MAC层进行，但目前的努力尚未很好解决该问题。大部分的工作是对S-MAC协议的改进和完善。本文中我们指出未来媒体接入控制的研究方向。我们指出了一些公开的问题并讨论可能的解决办法。

1. INTRODUCTION • MAC层在物理层之上，控制着射频功能。MAC协议关注于能耗效率，而不是传统无线网络的公平性、时延和带宽利用率等指标。这些协议在各种指标中平衡，尽量节省能耗。 • MAC层的能量消耗主要来自于冲突、空闲侦听、串音和控制包的开销。 • 近来的MAC研究并没有一个清晰的趋势表明无线传感器网络的MAC在朝一个最好的解决方向集中。

1. INTRODUCTION • 大部分研究工作声明它相比于S-MAC协议有较好的表现。现在是时候指出其他的未解决的问题了，而不是只关注于能耗效率。本文中我们指出了WSN MAC协议研究、仿真和实验的方向，讨论技术的趋势，发现公开的一些问题并给出可能的解决方案。本文不讨论具体的MAC协议的区别以及它们的个别特点。

2. RESEARCH ISSUES & DIRECTIONS • 2.1 Towards a Sensor Network Architecture • 2.2 Standardized Radio Hardware • 2.3 Peaceful Coexistence • 2.4 Mobile Sensor Networks • 2.5 New Optimization Criteria • 2.6 Understanding and Exploiting Traffic Patterns • 2.7 Simulations Considered Harmful • 2.8 Embrace Software Radios • 2.9 Real-World Experiments

2.1 Towards a Sensor Network Architecture朝向一个传感器网络的构架 • 无线传感器网络的跨层设计引向单一的、垂直集成的解决方案，它可能单独地能工作，但对于其他的研究组来说没什么用。传感器网络架构一个鼓舞人的进步是Polastre et al.的sensornet protocol（SP），它是一个可替代目前的ZigBee的灵活的标准。 • SP为MAC提供一个标准的接口，附加一些双向的反馈和提供一个很重要的步骤来构建一个大型的传感器网络架构。SP位于网络层和数据链路层之间。 • 未来的MAC设计者应该保持一个目标，转向一个传感器网络架构，并努力使用SP提供的服务。

2.2 Standardized Radio Hardware标准化射频硬件 • IEEE 802.15.4是一个正在出现的针对底层（物理层和媒介接入）的标准。IEEE 802.15.4包括了物理MAC的标准。 • 新的和正在出现的传感器网络硬件平台，像Moteiv、Sun Labs和CrossBow等，已经使用IEEE 802.15.4兼容的射频。IEEE 802.15.4的视频接口是基于包的，没有在软件上考虑控制射频的灵活性。

2.3 Peaceful Coexistence和平共处 • 随着应用推广，不同厂商/平台的传感器网络需要在一个相同的物理环境、共同的频率带宽中运行（比如室内的2.4GHz）。这要求MAC协议需要对其他系统“友好”。 • 首先，MAC协议需要考虑其他系统或节点来保证无差错的运行。外部的信息要过滤，调度要调整，避免交织的活动部分，等等 • 第二，MAC协议必须考虑安全性，防止偷听和恶性行为。虽然几乎不可能避免攻击。TinySec是第一个在安全性方面考虑的MAC协议，但它依赖于共享密钥。更高级的策略需要提出。 • 注意的是硬件解决方案，如提供多射频信道，会减轻一些共处的问题，但安全问题仍需要被关注和解决。

2.4 Mobile Sensor Networks移动传感器网络 • MAC层的研究者通常忽视移动性，因为传感器网络原本就假定为由静止的节点构成的。然而，近来的工作像RoboMote和Parasitic-Mobility允许了传感器网络的移动性。因此，近来多了很多关于移动传感器网络MAC的研究，如MMAC，但仍有许多工作需要做。

2.5 New Optimization Criteria新的优化标准 • 目前，WSN的MAC协议主要的设计目标是能耗效率。但，随着新的传感器网络的应用，其他的优化标准（QoS），如时延、实时适应性、可靠的数据传输等越来越受重视。 • 许多应用需要在各个互相冲突的指标间平衡。MAC协议需要考虑根据具体应用的性能平衡。

2.6 Understanding and Exploiting Traffic Patterns识别和开发流量模式 • 大部分现有的WSN MAC协议试图支持任意的通信模式。而这限制了效率。 • 然而，许多传感器网络的应用表现了少数的非常具体的流量模式，比如广播、数据集合。而且，数据的产生也呈具体的模式。 • 考虑MAC协议的效率，可以通过识别和开发这些流量模式来设计。针对具体的模式的解决方案可以集成到流量自适应的MAC协议中，它们可以学习当前的模式，并适应。

2.7 Simulations Considered Harmful仿真 • 在仿真环境中作了许多假设，这些并不一定反映真实世界的情况。为了更好地明白MAC设计的复杂性，有必要不单纯在模型和仿真中讨论，而且要在真实的系统中去测试。 • 仿真器的选择对结果的有效性有很大的影响。常用的Ns-2，OMNet++，TOSSIM，Emstar各自有优越和不足之处。

2.8 Embrace Software Radios • 软件定义的射频可能是革命性的，在软件中，射频的特性，像媒介接入控制，数据编码，频率利用等，是可以编程的。引入新的媒介接入规则变成了一个简单的软件更改的问题。 • 软件射频允许网络研究者可以使用一种不昂贵的网络卡片来为新的MAC协议做实验。Neufeld et. al.已经设计了一个软件结构softMAC。

2.9 RealWorld Experiments真实世界的实验 • 更进一步的是真实世界的实验。长期的实验像Great Duck Island就是更真实的一个系统。但在解决问题之前需要许多的工程工作。控制的室内实验不像大规模的应用那么贵。它会更有效地验证MAC协议的性能。

3. CONCLUSIONS • 当我们温习无线传感器网络的MAC协议的时候，我们发现没有一个未来努力的清晰的方向。然而，一些建议如下： • 能耗效率可能是无线传感器网络MAC协议的主要目标，但它不能成为一个唯一目标。要优化时延、可靠性等指标，且实时性在未来会得到更多的重视。 • 无线传感器网络的应用表明一些具体的流量模式可以通过在MAC设计中开发这些流量模式来得到。（而不是支持任意的通信模式） • MAC协议应该考虑安全问题，防止偷听和恶意的行为

3. CONCLUSIONS • 运行在一个相同的物理环境、相似的频率带宽下的不同的无线传感器网络MAC协议应该能跟其他的MAC协议和平共处 • 现有的WSN MAC协议在移动传感器节点中不能提供一个可接受的表现。WSN MAC协议的设计应该明确考虑移动的传感器节点的影响 • 为了得到MAC层性能更真实的信息，研究者应该从实验仿真转到原型或真实环境的实验中

Addressing Mobility in Wireless SensorMedia Access Protocol无线传感器网络媒介接入协议的移动性

Abstract • 处理无线传感器网络的移动性提出了一些新的挑战。针对其他移动网络，如移动电话和Ad hoc网络，的技术在无线传感器网络中不可行，因为在那些网络中能耗并不是重要的考虑。本文提出了一种新的可适应移动感性的MAC协议（MS-MAC），在这种协议中，一个节点探测到它的邻居的移动，这是通过基于接收信号的幅度变化，或一个小时间段中的连接超时来探测的。通过传播移动的信息，和到最近的边界节点的距离，每个节点通过最近的移动节点和边界节点学习到它的相对距离。根据移动节点移动的方向，和到移动节点和边界节点的距离，一个节点触发它的邻居搜索机制来加快连接建立的时间。仿真结果表明，这种新的移动感应MAC协议可以在网络固定的情况下运行得非常能耗高效，但是在包含移动传感器的场景中，它在吞吐率上表现得比S-MAC更好。

1. INTRODUCTION • 无线传感器网络中节能是非常重要的设计准则。为了节能，协议常常让节点尽可能睡眠，只在可能产生数据通信的时候侦听。这种模式是通过QoS指标如时延、吞吐率等来换取节能指标的，在固定的网络中被证明很有效。但是，在移动环境中工作不好。 • 为了在固定和移动环境中都高效，我们需要在固定环境中节能高效的同时在移动环境中提供可接受的性能。这些协议需要移动感应。目前并没有相应的MAC被提出。

1. INTRODUCTION • 本文的主要贡献： • 详细设计了一种移动感应的MAC协议，在固定和移动网络中，节能的同时提供合理的QoS指标。 • 提出一种新颖的机制根据节点的移动状态，动态地处理移动性。 • 据我们所知，这是第一个考虑节点移动性的MAC协议。 • 通过离散事件仿真来确定了设想。

2. BACKGROUND AND RELATED WORK • CSMA • S-MAC • TDMA • Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks (SMACS)

2. BACKGROUND AND RELATED WORK • 在无线传感器网络中，节能是首要的设计限制。许多工作在网络层考虑移动性，考虑能量限制。在我们看来，既然大部分能耗都在数据链路层的空闲侦听上，如果移动性在链路层考虑，那么可以很大程度节省能量。 • 在链路层处理移动性，集中在怎样在保持的能耗水平的基础上，为移动传感器快速创建新的连接。在已有的协议中，在固定环境中节点不够智能睡眠更多时间来节能，而在移动环境中却不能足够频繁醒来处理移动的节点。

3. MS-MAC PROTOCOL • A. An extension to SMAC • 移动感应MAC协议（MS-MAC）应该跟S-MAC一样工作来在固定节点中节约能耗。另一方面，节点应该像IEEE 802.11那样保持awake来对付移动环境。

3. MS-MAC PROTOCOL • B. Mobility aware protocol • 节点需要能够探测到附近移动节点的存在，并相比于固定节点的情况更集中地搜索新的邻居 • 在MS-MAC中，接收到的SYNC信息射频信号强度的变化被用作移动节点存在的标志，虽然这种方法并不能提供非常高的准确率。错误的移动节点探测会触发不必要的邻居节点搜索过程。但它并不会降低网络性能。且这种方法并不会增加额外的能耗。 • 这种MS-MAC的移动感应机制保证了节点在固定和移动环境中高效工作

4. SIMULATIONS RESULTS AND DISCUSSIONS • 节点一时移动一时固定的情况下，MS-MAC比S-MAC相对地消耗多一些的能量。但MS-MAC在丢包率和端到端延时指标上比S-MAC表现更好。

5. CONCLUSION AND FURTHER RESEARCH • 新的移动和速度感应的MS-MAC协议目标是在固定和移动环境中达到能耗高效。我们在MAC层引入了一种新颖的移动处理机制，这种机制基于移动节点的存在探测来被激活和控制。仿真结果表明MS-MAC比S-MAC在包含移动传感器节点的环境中表现更好。更特别的是在有移动节点的情况下，它比S-MAC提供更低的丢包率，却只消耗跟S-MAC几乎一样的能量。我们的未来工作目标是在实际的硬件平台中测试协议的性能。

CSMAC: A Novel DS-CDMA Based MAC Protocol for Wireless Sensor NetworksCSMAC：一种新颖的基于DS-CDMA的无线传感器网络MAC协议

Abstract • 本文提出CSMAC（CDMA Sensor MAC），一种新颖的自组织的位置感应的基于DS-CDMA传感器网络的MAC协议，用在如战场那样的要求高吞吐率和严格时延的环境中。以前的MAC协议，如S-MAC，主要侧重于能耗效率，而不关心时延。我们提出的协议平衡了能耗效率、时延、准确率和容错率的考虑。 • CSMAC结合了DS-CDMA和信道分配中的频分，来减少信道冲突和信息时延。它开发了传感器节点的位置感应，使协作传感应用的网络高效运作。它使用了两个算法：TORN关闭冗余节点，和SMN选择最少邻居。仿真结果表明CSMAC相对于传统的无线传感器网络MAC协议，大大减少了平均信息时延和平均的单位信息能耗。

I. INTRODUCTION • 我们的MAC设计目标是： • 单个传感器节点的容错率 • 低时延 • 大量传感器节点的可量测性 • 能耗效率，最大化生命周期

II. RELATED WORK • 以前的WSN MAC协议大概可以分为无竞争的和基于竞争的MAC协议两类。无竞争的协议通常基于FDMA或TDMA方式，基于竞争的协议常从IEEE 802.11标准改进而来。 • SMACS (Self-organizing MAC for Sensor Networks)：分布式的协议，使用无中心信道分配策略。根据本地信息发现邻居节点并建立传输/接收调度表。

II. RELATED WORK • LEACH：提供了一个基于TDMA/CDMA的MAC方式。每个节点跟一个动态选择的簇首节点直接按照CDMA方式进行通信（无多跳）。簇首与一个远程的目标节点（sink）直接按照CDMA方式进行通信。但是，直接的通信常常是不现实的。 • S-MAC (Sensor-MAC)：周期侦听/睡眠机制减少能耗，不足是牺牲了时延性能。 • 基于竞争的协议缺点是低吞吐率和高时延，而且对于短数据传输来说RTS/CTS-DATA-ACK的握手过程开销比例过大。

III. THE PROTOCOL DESIGN • CSMAC的构成过程如图：有关键的几个过程 A. Location Broadcast B. Turning Off Redundant Node (TORN) C. Select Minimum Neighbor (SMN) D. Channel Setup • 协议的前提假设：每个节点 1. 大约在同一个时间启动； 2. 可以估算它的位置； 3. 在网络生存时间内是静止的（故位置估算只需要一次，估算位置的能耗可以忽略）

Location Broadcast位置广播 • 在这个阶段，每个节点广播自己的位置信息给它信号范围内的邻居。我们假定每个节点都能通过GPS或其他方法估算到自己的位置。 • 在位置信息广播完候，每个节点应该有一个它的信号范围内的邻居节点的位置信息表，叫做Redundant Neighbor List (RNL)

B. Turning Off Redundant Node (TORN)关闭冗余节点 • 在TORN节点，对于应用的传感目标来说多余的节点会关闭，以此来节能和减少网络冲突。 • 用Sensing Resolution (SR)来表示应用的感应准确度。每个节点根据相对它的距离排列它的RNL邻居，如果节点是密集应用的，在半径SR内有邻居的概率就很高，这些节点被判定为冗余节点。TORN让这些节点关闭。然后每个节点使用一个基于竞争的方法来判决谁该保持活动（alive）。一个有更多冗余邻居的节点会更可能在TORN变成活动的。以此保证公平 • 在TORN结束时，只要活动的节点保留在网络中。每个活动节点的结果的邻居表叫做non-redundant neighbor list (NNL).会用在SMN过程中。

C. Select Minimum Neighbor (SMN)选择最少邻居 • 在SMN节点，只有当没有其他的更低能耗的路径时，两个节点可以直接联系邻居节点。一个优化的算法被采用来从TORN阶段产生的NNL表选择它的邻居。 • SMN阶段后每个活动节点只有一个接近最优的邻居集，叫做minimum neighbor list (MNL).会用在下个阶段建立信道。

D. Channel Setup信道建立 • 在SMN结束时，每个节点只有一个邻居节点子集。现在要允许每个节点根据MNL表来跟它的邻居节点建立连接。每个节点估算到它的MNL表中最远邻居的传输能耗，并根据此来减少交互通信的能量级别。 • 一种基于竞争的方法被用来建立这个连接。当一个节点获得信道使用权时，它会保持使用直到完成跟它的MNL表中全部邻居节点的信道分配。

IV. CHANNEL ALLOCATION PATTERN信道分配模式 • DS-CDMA使用扩频调制技术，基带信号使用一个PseudoNoise (PN)序列来扩展频率。 • 如图，表示A和B谈判使用PN1来扩频通信。我们可以避免A和B再使用PN1来跟其他邻居通信。但我们无法避免C和D使用这个序列。 • 有两种方法解决这个问题：spatial division和frequency division （这里不具体展开了） • 我们的协议中采用了frequency division方法。对于广播，每个节点使用不同的PN序列码，但使用同一个频率来发送广播包。为了实现这点，我们要求节点采用两个接收器，一个用于单播，一个用于广播。这个方法时可靠的，而且减少冲突。

V. SIMULATIONS AND ANALYSIS • CSMAC在NS-2中仿真实验。DSSS（直接序列扩频）在包头使用PN序列。当一个数据包接收到后，它的PN序列码被检测，如果配对的PN码找到，数据包被转发下一跳进一步处理，如果没配对的PN码，数据包被丢弃。 • 右图可见，平均的节点能耗，相对于S-MAC，CSMAC节省了44.7%的能量。因为CSMAC没有控制包的交换。

右图所示，与S-MAC相比，SMAC达到了缩短69%的时延。右图所示，与S-MAC相比，SMAC达到了缩短69%的时延。

VI. CONCLUDING REMARKS AND FUTURE RESEARCH • 本文针对DS-CDMA传感器网络提出了一种新颖的自组织的、位置感应的MAC协议。适用于要求高流量，严格时延限制和容错要求的环境。 • 以前提出的MAC协议侧重于能耗效率，忽视了其他的要求。开发基于CDMA技术，自组织和位置感应的协议，我们平衡了能耗、时延、感应准确率和容错性能指标。 • 仿真结果表明，结合位置感应来提高能耗效率，和基于DS-CDMA技术来体构网络容量可以提供更好的能耗效率和时延性能。TORN和SMN的分析表明，在密集应用的网络中，他们减少了冲突，提高了能量效率和网络容量。

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