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

1、 能量采集無(wú)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(wú)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(lái)越流行：通過(guò)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(guò)利用能量采集（EH）過(guò)程，無(wú)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(wèn)控制(MAC)協(xié)議：鑒于能量收獲率大于消耗，旨在通過(guò)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(lái)的研究方向，在本文末尾將討論一個(gè)開(kāi)放的有關(guān)于設(shè)計(jì)權(quán)衡的研究問(wèn)題。關(guān)鍵詞: 能量收獲、環(huán)境能源、太陽(yáng)能、介質(zhì)訪問(wèn)控制。一、介紹 無(wú)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(wú)線通信的功能為了執(zhí)行一個(gè)共同的任務(wù)1。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）在過(guò)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(wú)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(lái)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的過(guò)程中,設(shè)計(jì)節(jié)能的介質(zhì)訪問(wèn)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(guò)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期,但無(wú)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(jiàn)圖1),它能從周圍環(huán)境中提取能量4。EH的主要來(lái)源包括太陽(yáng)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(wèn)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(kāi)放問(wèn)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(wú)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(lái)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(yáng)能可能是最有希望的能源,它是使用光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化電能的轉(zhuǎn)換。太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)去的能源觀察精確估計(jì)未來(lái)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(guò)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(wú)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?lái)能量可用性的不確定性,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(wú)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(méi)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(lái)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(méi)有監(jiān)聽(tīng)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(guò)仿真開(kāi)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(guò)綜合考慮以下三個(gè)問(wèn)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(wèn)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(tīng)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(méi)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(méi)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)自上層輪詢包比接收來(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(guò)比較當(dāng)前的電池和一個(gè)預(yù)定義的閾值水平來(lái)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(shuō)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(méi)有機(jī)制來(lái)解決隱藏終端問(wèn)題；因此，通過(guò)隱藏節(jié)點(diǎn)的能量浪費(fèi)。OD-MAC的性能評(píng)估是通過(guò)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(lái)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(tīng)多路訪問(wèn)為基礎(chǔ)）方案,采用隊(duì)列框架來(lái)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(lái),如果沒(méi)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(lái)相對(duì)較高的開(kāi)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(wú)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(guò)這種比較,一個(gè)節(jié)點(diǎn)決定它是否超過(guò)了能量水平充足的臨界。假定節(jié)點(diǎn)知道EH率來(lái)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(guò)

23、前面所說(shuō)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(lái)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(kāi)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(guò)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(lái)很高的監(jiān)聽(tīng)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(guò)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(guò)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(yáng)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(kāi)始時(shí)計(jì)算能量消耗之間的差異和EH率。 在太陽(yáng)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(kāi)放性問(wèn)題和未來(lái)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(méi)有一個(gè)協(xié)議一直在測(cè)試一個(gè)隨機(jī)拓?fù)?。因?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(kāi)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(guò)模擬來(lái)避免不切實(shí)際的假設(shè)?，F(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(kāi)放的問(wèn)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(kāi)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(kāi)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(tīng)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(lái)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(guò)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(wú)線傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)電池能量的方法是通過(guò)定向無(wú)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(guò)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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(kāi)討論了研究問(wèn)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(kāi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一個(gè)新視角，并在將來(lái)獲得大量關(guān)注。本文希望引導(dǎo)研究人員研究探討將來(lái)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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