能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(EHWSNs)MAC協(xié)議：研究

1、 能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（EH-WSNs）MAC協(xié)議：研究 Selahattin Kosunalp內(nèi)容摘要 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò))領(lǐng)域中，能量采集(EH)技術(shù)越來越流行：通過消除需要替換的負(fù)擔(dān)即充電能源耗盡的蓄電設(shè)備。能量采集（EH）能從周圍環(huán)境中提供一個(gè)替代的能源；因此，通過利用能量采集（EH）過程，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)永恒的生命。針對(duì)這個(gè)，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是放在新媒體訪問控制(MAC)協(xié)議：鑒于能量收獲率大于消耗，旨在通過使用最大可能的收獲能量而不是拯救任何殘余能量最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期。各種MAC協(xié)議的目標(biāo)提出了利用環(huán)境能量的能量采集網(wǎng)絡(luò)(EH-WSNs)。在本文中,首先,概

2、述EH-WSN架構(gòu)的基本屬性。然后,幾個(gè)MAC協(xié)議提出了EH-WSNs,描述他們的工作原理和基本特性。給一個(gè)洞察未來的研究方向，在本文末尾將討論一個(gè)開放的有關(guān)于設(shè)計(jì)權(quán)衡的研究問題。關(guān)鍵詞: 能量收獲、環(huán)境能源、太陽能、介質(zhì)訪問控制。一、介紹 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò))通常由一組資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)和容量有限的能源組成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有感應(yīng),計(jì)算和無線通信的功能為了執(zhí)行一個(gè)共同的任務(wù)1。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）在過去的二十年里,一直是一個(gè)重要的研究主題也是一個(gè)范圍廣泛的應(yīng)用程序,包括環(huán)境、工業(yè)、軍事和醫(yī)療應(yīng)用程序。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）的固有特性是他們隨機(jī)部署在難以接近的地區(qū)，在這些地區(qū)補(bǔ)充(充

3、電或更換)節(jié)點(diǎn)的能量來源常常是不切實(shí)際的。當(dāng)能源耗盡傳感器節(jié)點(diǎn)失去操作（停止工作）。因此,重點(diǎn)已經(jīng)被廣泛放在基于能源的有效利用最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 尋找延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的過程中,設(shè)計(jì)節(jié)能的介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議作為一個(gè)中心研究課題出現(xiàn)了,MAC協(xié)議通過在共享介質(zhì)中高效和智能的分配信道容量控制廣播的操作。眾所周知,通信在傳感器網(wǎng)絡(luò)中比計(jì)算更耗能,這使得發(fā)展節(jié)能MAC協(xié)議至關(guān)重要。大量的MAC協(xié)議提出了在傳統(tǒng)能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提供高信道利用率、低延遲、低能耗2,3。雖然這些MAC方案延長(zhǎng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期,但無可避免的電池?fù)p耗最終將導(dǎo)致一個(gè)網(wǎng)絡(luò)失去永恒的操作。最近的

4、能量收獲(EH)技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了新類型的傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)出爐(見圖1),它能從周圍環(huán)境中提取能量4。EH的主要來源包括太陽能、風(fēng)能、聲音、振動(dòng)、熱、電磁功率。對(duì)于電力傳感器節(jié)點(diǎn)這樣被用于積累能量的能源存儲(chǔ)設(shè)備，提取環(huán)境能量的概念是將收獲能源從現(xiàn)有環(huán)境資源轉(zhuǎn)化為電力。 能量采集（EH）傳感器節(jié)點(diǎn)有可能通過連續(xù)能量采集使電池的壽命永遠(yuǎn)不朽。這改變了EH-WSNs MAC協(xié)議的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。然而,可采集的環(huán)境能量的數(shù)量是隨著時(shí)間變化的，嚴(yán)重依賴環(huán)境條件5。新EH-WSN MAC協(xié)議的主要目的是提高網(wǎng)絡(luò)的性能與可用能量的收獲率6。 因?yàn)榄h(huán)境能量可用性的不確定性，為了協(xié)調(diào)EH-WSN節(jié)點(diǎn)的傳輸，合適的的

5、MAC協(xié)議被要求仔細(xì)檢查殘余能量的水平。實(shí)現(xiàn)一個(gè)成功的傳播，應(yīng)該采集一定數(shù)量的能源以傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包。另一方面，任何相關(guān)的能源存儲(chǔ)設(shè)備只有有限的能力，所以有潛在的過剩收獲能源的浪費(fèi)。因此,主要原則是實(shí)現(xiàn)能源使用和存儲(chǔ)之間一個(gè)有效的平衡。這樣,只要EH-WSN節(jié)點(diǎn)的能量水平超過最小值，如圖2所示，他們可以永遠(yuǎn)有效。 本文對(duì)有關(guān)EH-WSNs最近提議 MAC協(xié)議提供了一個(gè)詳細(xì)的調(diào)查。設(shè)計(jì)新的EH-WSNs MAC協(xié)議將在未來獲得極大的關(guān)注，因?yàn)殛P(guān)鍵的好處是可以節(jié)點(diǎn)永動(dòng)。有關(guān)這一主題的背景信息在第二部分提出，包括EH組件，設(shè)計(jì)問題和電源管理。第三部分介紹了EH-WSNs MAC協(xié)議的細(xì)節(jié)，突出他們的主

6、要機(jī)制。我們討論開放問題和研究人員潛在的研究方向在第四節(jié)。最后，第五部分是結(jié)論。二、EH-WSNs背景 發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量采集技術(shù)的潛力與從環(huán)境中提取能量的能力在6-8中已經(jīng)介紹了。在本節(jié)中,我們?cè)敿?xì)提供EH-WSNs的背景資料。1、EH-WSNs環(huán)境能量的主要來源 可以從環(huán)境中獲得的各種潛在的能源，可供EH-WSNs使用。在8和9可以找到研究環(huán)境能源的詳細(xì)信息。本節(jié)只介紹對(duì)EH-WSNs最有前途的能源。 太陽能可能是最有希望的能源,它是使用光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)化電能的轉(zhuǎn)換。太陽能能量轉(zhuǎn)換是一種已經(jīng)建立于商業(yè)上的技術(shù)，提供高功率輸出且適用于大規(guī)模的應(yīng)用。然而，太陽能的可用性是一個(gè)重要的約束，

7、強(qiáng)烈取決于環(huán)境條件,特別是陽光的強(qiáng)度。 風(fēng)能采集-氣流的能量轉(zhuǎn)化為電能-傳統(tǒng)上用于范圍廣泛的高功率應(yīng)用，如大型風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(WTGs)。典型的物理大小WTGs的小規(guī)模應(yīng)用是一個(gè)挑戰(zhàn)并且風(fēng)的強(qiáng)度隨著時(shí)間的推移,由于天氣原因上可以有很大的不同。因此，對(duì)于能量采集（EH）的效率的預(yù)測(cè)是一個(gè)重要的任務(wù)，而有效的模型提出了根據(jù)過去的能源觀察精確估計(jì)未來能源可用性10-11。針對(duì)EH-WSNs設(shè)計(jì)小型風(fēng)力能量采集（EH）仍在進(jìn)行研究；在參考資料12中EH-WSNs風(fēng)動(dòng)EH系統(tǒng)就是一個(gè)例子。 熱能采集技術(shù)是從兩個(gè)連接導(dǎo)電材料的溫度梯度差異中提取能量的過程，如安裝在人體的監(jiān)測(cè)設(shè)備。最近出版的設(shè)計(jì)提出了一種新

8、的熱電發(fā)生器，利用自然溫度變化(即使是很小的變化)收獲環(huán)境熱能13。EH-WSN驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)與環(huán)境溫度變化是一個(gè)獲取功率的有效方式。對(duì)于室內(nèi)應(yīng)用提出的光和熱能采集組合方案延長(zhǎng)了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期；從而提高了EH-WSN的性能14。 機(jī)械源，包括振動(dòng)、動(dòng)力、機(jī)械壓力和應(yīng)變運(yùn)動(dòng)，都可以被采集作為EH-WSN節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力，如基于環(huán)境振動(dòng)的采集等15。因此，采集這種類型的能源為EH-WSN節(jié)點(diǎn)提供了一種潛力巨大的動(dòng)力。特別是機(jī)械振動(dòng)可以為室內(nèi)應(yīng)用提供更高的能量密度。2、EH節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu) 一個(gè)很好的關(guān)于EH傳感器系統(tǒng)特點(diǎn)的調(diào)查最近被發(fā)表在4中。一個(gè)典型EH-WSN節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)EH設(shè)備獲取環(huán)境的能源。大多

9、數(shù)的節(jié)點(diǎn)在這一體系結(jié)構(gòu)（有一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)采集的能量）中使用Harvest-Store-Spend（收獲-儲(chǔ)存-耗盡）政策。當(dāng)環(huán)境能量收獲大于當(dāng)前的能源消耗時(shí)這一策略執(zhí)行的很好。而Harvest-Spend策略只有在需要時(shí)才允許能量采集,或者能量采集設(shè)備的功率輸出可以提供足夠的能量供一個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行。因?yàn)槲磥砟芰靠捎眯缘牟淮_定性,Harvest-Store-Spend政策更適合EH-WSN應(yīng)用程序,因?yàn)樗梢苑乐鼓茉丛谔囟ǖ陌才挪僮鲿r(shí)間短缺。選擇存儲(chǔ)組件在EH系統(tǒng)具有重要意義。兩個(gè)流行的EH-WSN節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)解決方案可充電電池和超級(jí)電容器?？沙潆婋姵靥峁┯邢薜某潆娭芷诤透唠姾纱螖?shù)16。超電容器的充電

10、特性是，理論上無限次數(shù),讓他們?cè)贓H-WSNs適合長(zhǎng)期使用。超電容器的另一個(gè)好處是他們有存儲(chǔ)高功率密度的能力。超電容器電路的復(fù)雜性很簡(jiǎn)單,不需要額外的電路保護(hù)系統(tǒng)完全充電或深放。這些能源存儲(chǔ)設(shè)備的主要特征歸納如表1所示。3、電源管理 在傳統(tǒng)的MAC協(xié)議、電源管理方案的主要目標(biāo)是減少能源消耗。然而,EH-WSNs MAC協(xié)議電源管理方案的目的是通過平衡能量采集和使用速率以最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期。因此,一個(gè)新的電源管理方法本質(zhì)上是提供常年操作所需考慮的相關(guān)能源的變量行為。實(shí)現(xiàn)永恒的一生(受制于硬件故障)，能量采集總是應(yīng)該大于或等于消耗的能量(見圖3)。這叫做ENO狀態(tài)17;網(wǎng)絡(luò)ENO狀態(tài)能夠繼續(xù)長(zhǎng)期

11、存在。三、MAC協(xié)議 在本節(jié)中,提出了EH-WSNs MAC協(xié)議的簡(jiǎn)要描述以及它們的基本設(shè)計(jì)屬性。此外,提出了幾種對(duì)帶有能量采集技術(shù)的傳統(tǒng)MAC協(xié)議的評(píng)估方法。1、概率輪詢MAC(PP-MAC) 通過CSMA和輪詢方案做出了對(duì)各種現(xiàn)有的MAC協(xié)議的性能分析，而在18已經(jīng)研究了單跳EH-WSNs場(chǎng)景。CSMA協(xié)議的兩個(gè)變量，時(shí)隙和非時(shí)隙，在用于EH-WSNs時(shí)已經(jīng)被修改。在接收器廣播輪詢包中ID的輪詢方案被認(rèn)為是包括查詢一個(gè)傳感器ID，還有查詢被查詢傳輸節(jié)點(diǎn)立即響應(yīng)的數(shù)據(jù)包。由于能源充電時(shí)間的變化，信宿隨機(jī)選擇調(diào)查ID。假設(shè)調(diào)查節(jié)點(diǎn)將被注冊(cè)為“充電”狀態(tài)，以免再調(diào)查下一輪。輪詢協(xié)議有很多缺點(diǎn),比

12、如長(zhǎng)時(shí)間等待相關(guān)的輪詢包或適應(yīng)新添加的節(jié)點(diǎn)或刪除了失敗的節(jié)點(diǎn)。 為了解決ID輪詢方案的缺點(diǎn),PP-MAC協(xié)議提出了根據(jù)工作的吞吐量，公平，和到達(dá)間隔時(shí)間提高信道的性能，這得益于EH節(jié)點(diǎn)密度和數(shù)據(jù)包的碰撞。在PP-MAC，節(jié)點(diǎn)首先僅在充電狀態(tài)收獲足夠的能量，然后在“接受”狀態(tài)接收一個(gè)輪詢包。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有足夠傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包的能量水平,然后節(jié)點(diǎn)回到充電狀態(tài)(Harvest-Spend政策)。PP-MAC獨(dú)特的特征是一個(gè)信宿傳輸?shù)囊粋€(gè)爭(zhēng)用概率，pc，在一個(gè)輪詢包中代替一個(gè)傳感器的廣播ID。這是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)來決定是否發(fā)送的概率。當(dāng)收到一個(gè)輪詢數(shù)據(jù)包,爭(zhēng)用概率將與一個(gè)確定的、范圍從0到1的數(shù)作比

13、較。如果pc大于生成的數(shù)字，那么傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)包。如果收到的輪詢包接近理想的預(yù)期，那么只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包。pc的動(dòng)態(tài)更新是基于節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)。如果信宿沒有監(jiān)聽到事情發(fā)生則發(fā)送輪詢包，然后增加pc的值。如果一個(gè)包由于微弱信號(hào)傳輸成功或失敗,則將pc保持在其當(dāng)前值。當(dāng)信宿中發(fā)生碰撞，pc的值減少。此外，如果新節(jié)點(diǎn)被添加到網(wǎng)絡(luò)pc值減小，當(dāng)節(jié)點(diǎn)損壞或從網(wǎng)絡(luò)中刪除pc值增大。時(shí)隙CSMA，ID輪詢和PP-MAC的分析模型已經(jīng)被提出和驗(yàn)證了，通過仿真開發(fā)的Qualnet19模擬器。仿真結(jié)果表明，PP-MAC實(shí)現(xiàn)高吞吐量和公平性，以及在密集EH-WSN中為了支持大量的節(jié)點(diǎn)靈活的提供可擴(kuò)展性

14、。EH率是從商業(yè)收集設(shè)備實(shí)際展示中獲得的20。然而,PP-MAC不支持多跳網(wǎng)絡(luò)。2、能量采集協(xié)議(EH-MAC)通過綜合考慮以下三個(gè)問題，EH-MAC作為PP-MAC在多跳場(chǎng)景下的延伸被提出：協(xié)調(diào)多個(gè)輪詢包傳輸在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中調(diào)節(jié)爭(zhēng)用概率的一個(gè)分布式的方法傳統(tǒng)的隱藏終端問題21 一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在一些隨機(jī)時(shí)間后，傳輸輪詢包之前監(jiān)聽信道，是為了看信道是否空閑。選擇一個(gè)介于0和tp(tp數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間)之間的隨機(jī)時(shí)間以降低輪詢包碰撞的概率。如果節(jié)點(diǎn)沒有檢測(cè)到空閑信道，然后等待，直到一個(gè)通道是空間的。并且，節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)被認(rèn)為是有限的(本文為十個(gè)數(shù)據(jù)包)，如果緩沖區(qū)已滿輪詢包將不發(fā)送。 在PP-MAC中，理論上

15、估計(jì)最優(yōu)爭(zhēng)用概率值是1 / nactive，在這里nactive指活躍鄰居的數(shù)量，即處于不充電狀態(tài)且可接收輪詢包的鄰居節(jié)點(diǎn)。 “和式增加，積式減少”(AIMD)和估計(jì)的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)量(ENAN)計(jì)劃是用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)爭(zhēng)用概率的最優(yōu)值。在PP-MAC中AIMD被研究學(xué)習(xí)，為了在設(shè)置了適當(dāng)?shù)膮?shù)時(shí)實(shí)現(xiàn)高吞吐量。在ENAN,最優(yōu)爭(zhēng)用概率調(diào)整使用1 /nest，nest1，在這里nest是估計(jì)的活躍節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。nest的值只取決于前面的輪詢包的結(jié)果。目的是讓只有一個(gè)響應(yīng),但如果有多個(gè)響應(yīng)，nest值加1，如果沒有收到響應(yīng)，nest值減1。 EH-MAC的性能評(píng)估取決于隨機(jī)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的不同數(shù)量,，從50到500

16、的兩個(gè)場(chǎng)景一個(gè)恒定不變的EH率和另一個(gè)變化的EH率。在圖4中給出了接收數(shù)據(jù)包與更新nest值的過程的例證，括號(hào)中所示為節(jié)點(diǎn)的鄰居。3、多層概率輪詢(MTTP) 一個(gè)MTTP協(xié)議是擴(kuò)展PP-MAC多跳數(shù)據(jù)交付的另一種方法22。MTTP在信宿中使用tier-based層次結(jié)構(gòu)模型形成的每一組節(jié)點(diǎn)在每一層對(duì)應(yīng)的距離。每一層由數(shù)字表示(例如,一級(jí),二級(jí),三級(jí),等等)。對(duì)于一級(jí)節(jié)點(diǎn)，信宿（信號(hào)接收器）廣播輪詢包與概率值。一級(jí)節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)，輪詢向上層播放相同的概率值，然后等待接收數(shù)據(jù)包。這個(gè)過程是一個(gè)如圖5所示的三層架構(gòu)場(chǎng)景。 層數(shù)是一個(gè)8bit位長(zhǎng)的數(shù)，被放在輪訓(xùn)數(shù)據(jù)包中發(fā)送。決定加入一個(gè)層之前，信宿的

17、直接鄰居被分配到第1層。最初，其他節(jié)點(diǎn)層數(shù)為255，這是最高的層數(shù)。然后,每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過接收到輪詢包的層的層數(shù)決定自己的層數(shù)。如果收到輪詢包的層數(shù)低于接收節(jié)點(diǎn)的層數(shù)，然后將接收節(jié)點(diǎn)的層號(hào)置為收到輪詢包的層數(shù)+ 1。這個(gè)計(jì)劃考慮的情況是下一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收來自上層輪詢包比接收來自較低的層的輪詢包更頻繁。每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)不是從較低層發(fā)送的輪詢包的數(shù)量。如果連續(xù)收到10個(gè)來自上層的輪詢數(shù)據(jù)包，然后將層數(shù)設(shè)置為上層層數(shù)。每當(dāng)一個(gè)輪詢包來自較低的層，重置計(jì)數(shù)器值。這樣做的目的是處理動(dòng)態(tài)環(huán)境和不斷變化的信道條件，如高度可變的通信范圍。 MTTP協(xié)議的性能已經(jīng)被通過兩層規(guī)模的商用型設(shè)備評(píng)估。因此，在更大范

18、圍的有更大潛能的性能評(píng)估能證明該協(xié)議的有效性。很明顯,大量的層可能產(chǎn)生相當(dāng)大的輪詢包的開銷，導(dǎo)致增加數(shù)據(jù)包的碰撞。協(xié)議的另一個(gè)缺點(diǎn)是，輪詢所覆蓋的節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該在上層所有節(jié)點(diǎn)所有輪詢包的感應(yīng)范圍內(nèi)。4、隨需應(yīng)變的MAC(OD-MAC) 對(duì)于EH-WSNs，OD-MAC協(xié)議提出了節(jié)點(diǎn)在被允許最大化他們的能源消耗基礎(chǔ)上支撐個(gè)體責(zé)任周期23。這樣做的目的是實(shí)現(xiàn)ENO狀態(tài)。最大化性能，是理想的希望收獲的能量等于消耗的能量，這樣所有的收獲能源都能夠被利用。OD-MAC協(xié)議,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)可用于接收，它廣播一個(gè)小指引包來表示它的可用性，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。傳輸節(jié)點(diǎn)希望在他們開始傳播之前等到一個(gè)合適的指引。減少由于

19、指示信號(hào)等待時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的端到端延遲高而造成的能源浪費(fèi)，這就是機(jī)會(huì)主義轉(zhuǎn)發(fā)方案介紹的概念。將以前的指示信號(hào)的所有者列出,而不是等待一個(gè)特定的指示信號(hào)，伺機(jī)將每個(gè)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到發(fā)送方收到的第一個(gè)信標(biāo)，假設(shè)它是包含在潛在的代理列表中。 與PP-MAC不同，OD-MAC節(jié)點(diǎn)有一個(gè)獨(dú)立的EH操作：可以在任何狀態(tài)采集可用能源。動(dòng)態(tài)調(diào)整工作周期時(shí)間,當(dāng)前EH率通過比較當(dāng)前的電池和一個(gè)預(yù)定義的閾值水平來確定感應(yīng)期一個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。性能評(píng)估，恒定的EH利率基于 Crossbow MicaZ 與在六中所說的特定的使用材料，它導(dǎo)致周期內(nèi)電池的電量按確定的數(shù)量增加。OD-MAC方法的一個(gè)缺點(diǎn)是缺乏重發(fā)機(jī)制，因?yàn)?/p>

20、它不確認(rèn)是否成功接收數(shù)據(jù)包，這使得它不適合在有損環(huán)境中。同時(shí),OD-MAC沒有機(jī)制來解決隱藏終端問題；因此，通過隱藏節(jié)點(diǎn)的能量浪費(fèi)。OD-MAC的性能評(píng)估是通過一個(gè)簡(jiǎn)單的基于網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。OD-MAC一個(gè)基本操作的實(shí)現(xiàn)是使用eZ430-rf2500傳感器節(jié)點(diǎn)20，在24已經(jīng)被提出，允許一個(gè)發(fā)射機(jī)來調(diào)整其工作周期探索可持續(xù)的操作。同時(shí)，OD-MAC背后的原理與MTTP非常相似。圖6展示了OD-MAC協(xié)議的基本操作。5、ERI-MAC receiver-initiated MAC協(xié)議EH-WSNs(ERI-MAC)是一個(gè)CSMA-based（以載波監(jiān)聽多路訪問為基礎(chǔ)）方案,采用隊(duì)列框架來調(diào)整節(jié)點(diǎn)

21、的占空比，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)ENO狀態(tài)25。包傳輸策略與PP-MAC和OD-MAC相似。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)醒來,如果沒有數(shù)據(jù)包可用于傳輸,節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)包含自己ID的信標(biāo)包。然后后發(fā)送方收到預(yù)期的指引，根據(jù)數(shù)據(jù)包的先進(jìn)先出隊(duì)列將在最前面的包傳輸。如在EH-MAC中，一個(gè)回送包將被作為收到數(shù)據(jù)包的確認(rèn)信息發(fā)送，也用作新的信標(biāo)。圖7顯示了一個(gè)發(fā)送者與接收者之間通信的示例操作。 ERI-MAC提出了幾個(gè)小數(shù)據(jù)包合并成一個(gè)更大的包的級(jí)聯(lián)計(jì)劃，這個(gè)包稱為superpacket（作者未給出中文命名，故使用通用翻譯理解為復(fù)合包）。在一個(gè)典型的MAC層包，包會(huì)添加一個(gè)首部，這可能會(huì)由于它的長(zhǎng)度帶來相對(duì)較高的開銷。將包連接在一

22、起的優(yōu)點(diǎn)是有效地減少首部，復(fù)合包只有一個(gè)首部。然而，數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度取決于所使用的特定的無線電平臺(tái)；例如，IEEE 802.15.4的CC2420電臺(tái)的最大數(shù)據(jù)包大小為127字節(jié)。因此，組成復(fù)合包的數(shù)據(jù)包的數(shù)量是有限的。 為了實(shí)現(xiàn)ENO狀態(tài)，ERI-MAC使用隊(duì)列數(shù)據(jù)包，每個(gè)隊(duì)列包延遲為一個(gè)安全的持續(xù)時(shí)間，以確保消耗能量小于收獲能量。在安全持續(xù)時(shí)間后檢查能量消耗與能量采集的比值。通過這種比較,一個(gè)節(jié)點(diǎn)決定它是否超過了能量水平充足的臨界。假定節(jié)點(diǎn)知道EH率來操作下一個(gè)ERI-MAC。這表明，在小的EH率(0.3 mW)時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)很容易消耗更多的能量。EH率為0.6 mW的速度，保證了此類節(jié)點(diǎn)不超過

23、前面所說的安全的持續(xù)時(shí)間。 ERI-MAC協(xié)議被評(píng)估（展現(xiàn)）在一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)距離固定的49-node網(wǎng)格拓?fù)渲小?、QAEE-MAC QoS-aware energy-efficient MAC (QAEE-MAC)協(xié)議受益于數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，允許緊急數(shù)據(jù)包先于正常數(shù)據(jù)包傳輸26。醒來后，每一個(gè)發(fā)送方廣播信標(biāo),一個(gè)Tx-beacon（未查到相關(guān)含義，暫定為作者命名的一種信標(biāo)類型），顯示其數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)；然后每個(gè)發(fā)送方都等待接受信標(biāo)。接收者需要更早喚醒且收集所有的Tx-beacon包。向所有發(fā)送方廣播包含可用傳輸節(jié)點(diǎn)的ID的信標(biāo)包(一個(gè)Rx-beacon)，其本質(zhì)是決定第一次傳輸?shù)陌l(fā)送方的最高優(yōu)先級(jí)

24、。最高優(yōu)先級(jí)的發(fā)送方開始傳輸數(shù)據(jù)包，而其他人進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)。在ERI-MAXv中，Rx-beacon表示成功接收到前面的數(shù)據(jù)包。圖8所示為一個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸過程的例子。在QAEE-MAC，節(jié)點(diǎn)依照他們的能量水平安排他們喚醒醒時(shí)間。 QAEE-MAC協(xié)議的性能評(píng)估局限于只有一個(gè)接收器和少量的發(fā)送者節(jié)點(diǎn)的單跳方式。同時(shí)，數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)機(jī)制為所有的發(fā)送方帶來很高的監(jiān)聽時(shí)間空閑。7、其他工作 傳統(tǒng)時(shí)分多址的性能和動(dòng)態(tài)framed-ALOHA方案已經(jīng)在27通過計(jì)算單跳WSN中不可預(yù)測(cè)的能量可用性的影響進(jìn)行了分析。成功向目的地交付一個(gè)數(shù)據(jù)包的過程(稱為交付概率)和時(shí)間效率(展現(xiàn)了在一個(gè)數(shù)據(jù)收集中心的通道

25、利用率)被引入以用于測(cè)量網(wǎng)絡(luò)性能。數(shù)值結(jié)果表明，交付概率和時(shí)間效率強(qiáng)烈依賴于EH率。EH率建模為離散隨機(jī)變量。 S-MAC協(xié)議的吞吐量性能已經(jīng)被在一個(gè)太陽能為基礎(chǔ)的WSN中驗(yàn)證28。特別是提出了s實(shí)現(xiàn)一個(gè)能量收獲者的不同工作周期的吞吐量的分析模型。以滿足服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求和所需的網(wǎng)絡(luò)壽命要求,工作周期可以選擇基于最低工作周期閾值的合適范圍。 EH-WSNs的兩個(gè)動(dòng)態(tài)duty-cycle（通信專業(yè)翻譯為頻寬比或占空比，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)翻譯為占空比，通用翻譯為工作周期、責(zé)任周期）調(diào)度方案提出了減少傳感器節(jié)點(diǎn)的工作周期和平衡創(chuàng)建傳感器節(jié)點(diǎn)之間的能耗29。第一個(gè)調(diào)整工作周期的方案僅基于當(dāng)前的剩余能量

26、水平。由于殘余能量隨著EH時(shí)間增加，第二個(gè)方案為了在需要時(shí)更積極減少工作周期需要預(yù)期隨時(shí)間增加的殘余能量。在每個(gè)工作周期的開始時(shí)計(jì)算能量消耗之間的差異和EH率。 在太陽能EH-WSN中，slotted-preamble（時(shí)隙報(bào)頭）技術(shù)已經(jīng)被引入用于sleep-wake-up（睡眠-喚醒-掛起）調(diào)度30。而不是發(fā)送長(zhǎng)的報(bào)頭包（序文包），突發(fā)的微小的序言包被從一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)的保留通道發(fā)送，這讓附近的節(jié)點(diǎn)快速取消了廣播。還在序言數(shù)據(jù)包傳輸中留下一個(gè)小的間隙以允許預(yù)期的接收者發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包。只要接收方處于喚醒狀態(tài)且他的能量水平大于一個(gè)預(yù)定義的閾值，發(fā)送方就試圖傳輸包。四、開放性問題和未來的研究方向 表2

27、總結(jié)了本文中調(diào)查的MAC協(xié)議的基本性質(zhì)。EH-MAC與PP-MAC具有相同的特性， 它是PP-MAC設(shè)計(jì)在多跳應(yīng)用環(huán)境的擴(kuò)展版本。協(xié)議的關(guān)鍵屬性和協(xié)議的修改集成已經(jīng)在單跳和多跳網(wǎng)絡(luò)做了充分的測(cè)試。然而，到目前為止的實(shí)驗(yàn)的規(guī)模相當(dāng)小，所以可以從更大范圍更好的觀察。沒有一個(gè)協(xié)議一直在測(cè)試一個(gè)隨機(jī)拓?fù)洹Ｒ虼?實(shí)施現(xiàn)有的和新的大規(guī)模多跳網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一個(gè)開放性話題。 本文中介紹的除了MTTP之外的所有協(xié)議都可以通過模擬來避免不切實(shí)際的假設(shè)。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可行性方案在實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)開放的問題，因?yàn)檎嬲膫鞲衅饔布默F(xiàn)實(shí)應(yīng)用需要面對(duì)各種挑戰(zhàn)，如傳感器節(jié)點(diǎn)的資源限制(能力和內(nèi)存)。因此，如果一旦有很大對(duì)性能的影響

28、存在，必須考慮新協(xié)議的可行性。 receiver-initiated策略被所有協(xié)議使用且依賴接收者的輪詢/信標(biāo)消息以調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸。開始數(shù)據(jù)傳輸，傳輸節(jié)點(diǎn)必須等到他們從目標(biāo)接收器接收到正確的信標(biāo)。因此，發(fā)件人必須打開收音機(jī)，直到它已經(jīng)成功接收到數(shù)據(jù)包。為了避免監(jiān)聽等待信標(biāo)時(shí)的空閑時(shí)間，新方法需要高效、有效地協(xié)調(diào)發(fā)送方和接收方之間的傳輸；并且特別強(qiáng)調(diào)可以預(yù)測(cè)接收者的喚醒時(shí)間，如參考資料31。為了更深入地了解receiver-initiated技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，可以在參考資料32中找到最近的一份有關(guān)MAC協(xié)議receiver-initiated類別的詳細(xì)調(diào)查。 以上簡(jiǎn)要提及了，能量采集率（EH rat

29、e）取決于環(huán)境條件的水平。然而，在協(xié)議的性能評(píng)估中EH率被假設(shè)是恒定的。然而，這是不現(xiàn)實(shí)的假設(shè),實(shí)際環(huán)境本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的。如果EH的平均速率可以以這樣一種取決于環(huán)境的屬性的方式分析表達(dá)，,然后一個(gè)時(shí)變EH速率可以被簡(jiǎn)單地確定并納入整個(gè)系統(tǒng)性能。因此認(rèn)為，未來的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮更實(shí)際的場(chǎng)景和更明確的動(dòng)態(tài)環(huán)境?？梢缘贸鼋Y(jié)論，一個(gè)聰明的方法是需要仔細(xì)調(diào)整EH過程的不可預(yù)知性以維護(hù)協(xié)議的性能在一個(gè)可接受的水平。 新興的另一種補(bǔ)充無線傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)電池能量的方法是通過定向無線電波33。這里，RF-MAC已經(jīng)被提出，目的是有效管理在同一波段的數(shù)據(jù)和能量的傳輸。部署后，傳感器可以通過向部署在附近的能量

30、發(fā)射器廣播有關(guān)能源的請(qǐng)求來充電。RF-MAC已展現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)吞吐量的改善在修改典型的無時(shí)隙CSMA-based MAC方案上。一個(gè)充滿環(huán)保EH組合戰(zhàn)略和無線能量傳遞設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議是可靠的。特別是，當(dāng)環(huán)境能量是不充足時(shí)，無線能量傳輸可以被申請(qǐng)為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供永久操作。五、結(jié)論本文介紹了最近有關(guān)能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(EH-WSN)MAC協(xié)議發(fā)展的研究。簡(jiǎn)要EH-WSNs背景介紹，使讀者了解EH-WSNs的基本情況。描述了許多有關(guān)EH-WSNs MAC方案的提議以及它們的特征。這些協(xié)議設(shè)計(jì)的靈感來自于receiver-initiated架構(gòu)。討論了MAC協(xié)議的特點(diǎn)和工作原理。為了有助于進(jìn)一步的研究，

31、公開討論了研究問題的考慮設(shè)計(jì)權(quán)衡。不再需要替換/充電廢棄的電池是有好處的，設(shè)計(jì)新的EH-WSNs MAC協(xié)議將打開無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一個(gè)新視角，并在將來獲得大量關(guān)注。本文希望引導(dǎo)研究人員研究探討將來可能的協(xié)議設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1 I.F. Akyildiz et al., “A Survey on Sensor Networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 40, no. 8, Aug. 2002, pp. 102114. 2 I. Demirkol, C. Ersoy, and F. Alagoz, “MAC Protocols for Wireless Sensor

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