3.3　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)鍵問題

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議首先要考慮的問題就是減小能量消耗，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須在能量消耗和系統(tǒng)的時延、吞吐量等性能之間進行必要的折中。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MAC協(xié)議的多余能量消耗主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

? 碰撞：在無線信道上，如果有兩個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，那么這兩個發(fā)送節(jié)點都將發(fā)射不成功，這會造成能量的大量浪費。

? 持續(xù)偵聽：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的接收節(jié)點無法預(yù)測數(shù)據(jù)何時到達，另外每個節(jié)點還需要偵聽各節(jié)點的擁塞狀況，因此節(jié)點必須始終保持偵聽狀態(tài)，以防特殊情況的發(fā)生，但這里包含了許多沒必要的偵聽，從而浪費了許多能量。

? 控制開銷：為了保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性，MAC層協(xié)議需要使用一些控制分組來調(diào)節(jié)節(jié)點狀態(tài)，但這些控制分組中不存在有用的數(shù)據(jù)，因此也要消耗一部分的能量。

在現(xiàn)已提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議中，還有許多問題沒有解決，這些問題已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中比較熱門的關(guān)鍵性技術(shù)問題，這些問題的解決能夠有效地提高整體網(wǎng)絡(luò)的性能，下面對這些問題進行簡要的歸納。

1. 能量效率問題

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點一般都是靠干電池來供電的，但是從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成出發(fā)，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點是隨機撒播的，在一些人力所不能及的地區(qū)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電池是不可替換的，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計首先要考慮降低能耗，提高節(jié)點的壽命。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議中，降低能耗的主要方法是進行節(jié)點睡眠的調(diào)度，降低協(xié)議的復(fù)雜度。

在無線傳感器節(jié)點中，能量消耗主要體現(xiàn)在無線通信上面，無線通信模塊一般有4個狀態(tài)，即發(fā)送、接收、空閑和睡眠，在這4個狀態(tài)中，能量消耗逐級遞減。為了保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠最大限度地節(jié)省能量，這就要求節(jié)點大部分時間應(yīng)處在睡眠狀態(tài)；同時又要求節(jié)點能夠?qū)崟r接收到發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，因此MAC協(xié)議交替使用偵聽和睡眠狀態(tài)。偵聽時間過短會影響網(wǎng)絡(luò)的實時性，偵聽時間過長又不利于節(jié)省能量，因此協(xié)議必須合理選擇節(jié)點偵聽和睡眠的時間比例。另外，還需考慮睡眠期間節(jié)點的接收問題和喚醒期間節(jié)點收發(fā)的最大利用率問題，以最大限度地節(jié)省能量。

此外，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身存在一些限制條件，如節(jié)點處理能力和通信能力有限等，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議不能使用非常復(fù)雜的協(xié)議。例如，一些控制信息或者幀頭沒有傳輸有用的信息，這也相當(dāng)于一種能量的消耗，在設(shè)計協(xié)議時，應(yīng)當(dāng)把這些環(huán)節(jié)設(shè)置得盡量簡單些，以減少不必要的能量浪費，延長節(jié)點的生命周期。

2. 可擴展性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他無線網(wǎng)絡(luò)相比，具有規(guī)模大、分布密集等特點。其規(guī)模大，有時甚至多達成百上千萬個節(jié)點，如氣象監(jiān)測中使用的節(jié)點。受于其自身的限制，無線節(jié)點可能由于各種原因（如電池電量耗盡、元件損壞等）而退出網(wǎng)絡(luò)，或者由于新增加節(jié)點而使得網(wǎng)絡(luò)必須重新布置，有些節(jié)點的位置甚至能夠移動，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布結(jié)構(gòu)會動態(tài)變化，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議必須具備可擴展性。

3. 公平性

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，公平性主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是每個節(jié)點都有相同的權(quán)利來訪問信道；另一方面就是每個節(jié)點的能量消耗保持大概的平衡，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。但是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個無中心的網(wǎng)絡(luò)，因此要實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的公平性是比較困難的，一般這方面的實現(xiàn)在上層體現(xiàn)得比較多。

4. 信道共享問題

一般來說，在無線網(wǎng)絡(luò)中存在三種信道共享方式，即點對點、點對多點、多點對多點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的就是多點對多點共享方式，更準(zhǔn)確地說應(yīng)該是以一種多跳共享方式，每一個節(jié)點不受自己通信范圍外其他節(jié)點的影響，自己可以發(fā)送和接收信號，也可以說這是一種信道的空間復(fù)用方式。

信道共享帶來的第一個問題就是信道上數(shù)據(jù)的沖突。當(dāng)同一信道上有兩個節(jié)點都在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若它們相互干擾則將導(dǎo)致數(shù)據(jù)包發(fā)送不成功，這會使數(shù)據(jù)的時延增加，也將消耗一些不必要的能量，因此避免信道上的沖突是信道共享所必須考慮的一個問題。在現(xiàn)已提出的協(xié)議中，采用得最多的就是CSMA/CD協(xié)議，碰撞之后隨機等待一段時間再發(fā)送，可以有效地避免碰撞。

信道共享帶來的第二個問題就是串?dāng)_。在一個共享的無線信道中，每個節(jié)點都能夠接收到在信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，但是有許多數(shù)據(jù)是自己不需要的，接收之后再將其拋棄，在這個過程中也將造成能量的大量浪費。