无线多媒体传感器网络MAC协议研究

2 WMSN媒体访问控制协议

在WMSN中，MAC协议处于无线传感器网络协议栈的底层，在相互竞争的传感器节点之间进行无线信道资源分配，决定着无线信道的使用方式和网络性能。根据信道接入机制，这些协议可以分为三类：非竞争占用、竞争占用和混合占用方案，如图2所示。下面详细讨论各类MAC协议对实时多媒体应用的支持能力。


2.1非竞争占用方案

非竞争MAC协议通常以TDMA方式为主，也可采用FDMA或CDMA的信道访问方式。Sohrabi等人提出的SMACS是一种基于TDMA的分布式MAC协议。在无全网同步情况下，SMACS能够发现邻居节点，建立发送／接收链路，并对邻节点发现和信道分配进行了合并。通信链路由一对随机选择在固定频率(或跳频序列)上的通信节点构成。在链接建立时通过随机唤醒，而在空闲时槽内关闭发射的机制有效减小了能量损耗。然而该方案有两个缺点：邻居节点的时槽数固定不变，并需要时间同步机制；固定时槽实现不够灵活，很难支持更高的带宽。另外，基于TDMA的方案均需要相邻节点间的时间同步工作。

在EDF调度算法基础上，Caccamo等人提出了一种基于FDMA的MAC协议。整个网络被分割成许多簇，相邻簇间以FDM方式使用不同的频率进行通信，而在簇内节点间采用TDMA方式通信。对应的，消息分为簇内信息交换和簇间信息交换两种。该方案保障了实时性业务的传输、带宽以及时延限制，但是在现有的无线传感器硬件平台上实现多种频率比较困难，且簇内节点周期性信息调度加快了能量消耗。

Liu等人提出了一种基于CDMA的MAC协议以支持无线传感器网络的实时业务。他们认为采用CDMA方案可提供多簇间带宽资源的灵活配置、安全性更好和业务吞吐量更大，同时允许进行时、空域多域联合通信。在全等正六边形簇结构上采用不同CDMA编码序列取代了多种频率。在发送信息时，每个节点拥有1个发射模块和6个接收模块，而在侦听／接收时拥有7个接收模块。与TDMA和FDMA方式相比，CDMA方式减小了内部通道间干扰，有效提高了带宽利用率，但缺点是需要特殊的传感器硬件支持，实现代价较大。

从本质上讲，非竞争占用方案有效地减小了分组信息碰撞，增加了网络吞吐量，降低了延迟并保障了实时性业务传输，尤其在支持流媒体应用方面具有很强的竞争力。但缺点是，这种方案结构比较复杂，并且需要集中控制，在实际部署中很难调整帧长度和时隙，无法有效应对节点失效和网络拓扑结构的变化，并需要多信道通信，对传感器节点硬件要求很高。