论文学习交流

1. 论文学习交流 古连华

2. A2-MAC: An Application Adaptive Medium Access Control Protocol for Data Collections in Wireless Sensor NetworksA2-MAC：一种针对数据采集无线传感器网络的应用适应的MAC协议

3. Abstract • 大部分现有的WSN MAC协议集中于能耗效率和自组织性。怎样设计一个可适应应用的MAC协议仍然是一个挑战性的问题。本文提出A2-MAC协议，针对于数据采集的无线传感器网络。A2-MAC主要的优势在于它使用应用传感间隔作为媒介接入控制的参考。分析结果表明A2-MAC可以达到高达90%的吞吐量和高达90%的节能性能（相比于802.11）。

4. I. INTRODUCTION • WSN的网络设计非常依赖于应用和传感活动。应用/传感活动的调度信息可以从一个智能应用提取层（类似于文献1所提的）传递到MAC层。这样的信息可以使MAC的设计适应应用，达到更好的网络性能，和节能。 • 而且，很流行的WSN应用是数据采集，比如环境监测等。 • 基于竞争的MAC协议 • 基于TDMA的MAC协议 • 本文提出A2-MAC协议，使用应用/传感活动的调度信息作为MAC层的调度参考。设计的目标是使用上层信息，提供更好的能耗效率和网络性能。它是CSMA/TDMA混合的协议，并采用应用/传感活动作为数据调度的参考，从而可以适应应用。 • 我们的设计是基于CSIRO Fleck sensor平台的。

5. II. A2-MAC MAIN FEATURES AND ARCHITECTURE • A2-MAC是基于是槽的，应用适应的。包含beacon period和signaling phase、data phase • Signaling phase传输控制信息。是非坚持CSMA接入的。 • Data phase传输数据。是TDMA调度接入的。 • A2-MAC是为混合的网络结构设计的，网络被分为一个个cell。A2-MAC只处理cell内的媒介接入。Cell之间的通信是由路由协议处理的。

6. III. PROTOCOL BRIEF DESCRIPTION • 时间帧如图。 • 协议的四个主要部分为： • A. Neighbourhood Discovery and Management邻居发现和管理 • B. Synchronization Update and Management同步更新和管理 • C. Registration and Scheduling Management注册和调度管理 • D. Duty Cycle Control占空比控制管理

7. A. Neighbourhood Discovery and Management • 单跳邻居发现： • 在signaling phase阶段，发送“发现包”，设置timer，在超时之前收到单跳邻居的回复，则记录到邻居表。超时无回复则认为无那个邻居。 • 两跳邻居管理： • 在发送包中的字段one-hop-table捎带发送节点的邻居表，接收点接收到后，对比该表和自己的邻居表，把邻居点的表有点而自己表中没有的信息添加为两跳邻居。两跳信息管理有利于消除隐藏终端问题。

8. B. Synchronization Update and Management • 同步在beacon period进行。 • 采用松散的本地同步策略。同步包如下图。 • 由最小编号的节点发送同步包，其他节点接收到后根据timestamp调整自身时钟偏移。 • 不是每个时间帧都需要启动同步过程。可以在N个帧中才同步一次

9. C. Registration and Scheduling Management • 定义：root node，在cell内管理注册和媒介接入调度的节点 • 只有root节点才在data phase收和发数据；而其他节点只在data phase的自己的时槽中发送数据给root • Root节点耗能更大，需要有轮换的机制选举root node • Root node至少和一个邻居的cell的root node互为一跳邻居

10. C. Registration and Scheduling Management • 注册过程由root管理。两个任务： • 节点注册。Root保留在cell中的leaf节点的记录，可以使用它的一跳邻居表来作为节点注册表。 • 应用调度（AS）注册。每个leaf node必须向root注册它的应用调度信息。Root在signaling phase广播调度请求包，来获取这些调度信息，Root使用AS信息来分配data phase的时槽，然后广播分配。Leaf收到分配包后跟从新的分配

11. D. Duty Cycle Control • Duty cycle控制是打开/关闭无线收发器来节能。 • 所有节点会在signaling phase保持侦听，而在data phase没分配到的时槽中进入睡眠。Root节点会在整个data phase侦听，或在它自己的时槽中发送。 • Signaling phase和data phase的长度可以根据应用来调整。

12. IV. PERFORMANCE ANALYSIS • 该文章没有作仿真。但进行了复杂的数学推导。 • A2-MAC的性能从信道吞吐量和平均节省能量来衡量。 • 相比于802.11 MAC，A2-MAC在吞吐量和节能性能上都更优

13. V. CONCLUSIONS AND FUTURE WORK • 本文提出一个混合的MAC协议，针对于数据采集的无线传感器网络。A2-MAC的特点是它能适应于应用/传感活动。分析表明，A2-MAC能达到高达90%的吞吐量和相对于802.11的90%的节能性能。 • 以后，我们打算扩展A2-MAC的数据分发，并在CSIRO FOS实验平台中实现协议。

14. 一种基于数据采集树的无线传感器网络的MAC协议一种基于数据采集树的无线传感器网络的MAC协议

15. Abstract • 在许多无线传感器网络中，主要的流量模式包括从许多源节点到汇聚节点的单向的数据采集。本文我们提出了DMAC，一种能量高效和低时延的MAC协议，设计的目标是适应这种数据采集树。我们首先指出以往的MAC协议有数据前传的中断问题，不是所有在多跳路径上的节点知道数据传递的进程，造成了很大的睡眠延时。DMAC解决了中断问题，并允许了连续的包传递，这依靠了节点交错的睡眠调度机制。DMAC也根据流量负载动态调整工作周期。我们进一步提出了数据预测机制，使用more-to-send（MTS）包来减轻信道竞争和冲突带来的问题。仿真结果表明，DMAC提供了低能耗低时延并保证了很高的数据可靠性。

16. 1 Introduction • 本文提出的DMAC协议采用一种交错的活动/睡眠调度，在多跳的路径上实现了连续的数据传递。在DMAC中，当多个子节点在同一个发送时槽有包要发送时，数据预测用来允许活动时槽请求，而More-to-Send包用在当同一层次数据采集树但不同父目标的节点竞争信道接入时。

17. 2 Data Forwarding Interruption Problem • 数据传递中断问题DFI存在于基于工作周期的技术中。因为串音范围有限，在串音范围之外的节点不知道正在发生的数据传输，而进入睡眠，直到它的下一个周期。数据传递过程可能会在这个节点处卡住，等到它的下一个工作周期才能继续传输。这会增加时延。

18. 3 DMAC Protocol Design • WSN最主要的传输模式是从传感节点到汇聚及节点的数据采集。如有多个源节点和一个汇聚节点，则形成一个数据采集树。数据交递过程中这些路径可能会变化，但我们假设节点固定，采集树的路径相对稳定，这样做一个合理的时间段内，数据采集树保持稳定。 • 数据采集树中数据流是单向地从传感节点到汇聚节点的。只有一个目标，就是汇聚节点。除了汇聚节点外，其他节点都逐跳传递数据给下一跳。除了汇聚节点外，其他节点都把接收到数据逐跳传递下去。 • 我们设计的可行性在于能交错活动调度从而使数据包能不间断地从传感节点传到汇聚点。DMAC目标是低能耗和低时延。

19. 3 DMAC Protocol Design • 在DMAC中，一个时间间隔分为接收、发送和睡眠三个部分。在发送和接受阶段，时长u足够长来传输一个数据包。 • 根据节点在采集树中的深度d，节点的活动周期按照du来偏移。 • 在这个结构中，数据传递只能单向进行。

20. 3 DMAC Protocol Design • 在DMAC中，RTS/CTS控制包没采用。因为相对于实际应用中很短小的数据包，它会带来不必要的开销比例。然而，链路层的ACK包含数据重传机制还是需要的，因为无线信道不良的质量和竞争。 • 本地同步是需要保证的，因为在DMAC中，节点需要知道邻居的调度。可以采用参考广播同步策略RBS来达到小于10us的同步精度。

21. 4 Performance Evaluation • 我们在NS-2中仿真。用S-MAC和全活动的CSMA/CA MAC作为对比。 • 由图，DMAC和full active CSMA/CA MAC都随跳数的增加而时延增加。SMAC有更大的时延。DMAC比SMAC消耗更少的能量。因为S-MAC中不是下一跳的节点的附加活动时间导致了附加的能耗。

22. 5 Conclusion and Future Work • 本文提出了DMAC，一种能耗高效和低时延的MAC协议，适用于基于采集树的无线传感器网络。DMAC利用数据采集树结构来达到能耗效率和低传输时延的。DMAC交错活动/睡眠调度，允许了连续的数据包在多跳的路径上传输。我们的仿真结构表明在数据采集树的无线传感器网络中DMAC达到了节能和低时延性能。未来的工作我们目标是在Mote-based平台上实现协议并测试其性能。

23. Multi-channel support for DMAC in WSNs一种无线传感器网络多信道的MAC协议

24. Abstract • 目前，大部分无线传感器网络MAC协议都是针对单信道的。然而，单信道MAC协议在更高的带宽限制要求中不足。本文我们提出了一种让DMAC协议支持多信道的方法。信道分配方法基于节点的本地信息。我们的多信道DMAC协议在从源节点到汇聚节点信息采集之前实施信道分配，并使广播变成可能。分析和仿真结果表明这个多信道协议明显减少了时延，但并不增加能耗。

25. 1 lntroductlon • 传统的有线网络和大部分的无线传感器网络都基于单信道，单信道引致激烈的竞争，且它不能反映多元的无线传感器网络的特征。只有引入多信道才能改善这种情况。 • 多信道MAC协议能减少竞争，冲突和由于冲突带来的重发。目前的收发器都支持多频率。比如uNode，CC2420，MC13192都有不同的信道。所以，多信道、低时延和高能量效率的MAC协议很值得研究。

26. 2 Related works • 现在的WSN MAC协议可以分为三类：基于竞争的方式、基于时分复用的方式和多信道方式。 • MMSN使第一个提出的多信道的无线传感器网络MAC协议，它包括信道分配和媒介接入方面。在信道分配方面MMSN提供了四种策略。媒介接入方面，它设计了一个可扩展的支持广播的方法。 • Ozlem Durmaz Inzel等人提出了一个基于LMAC的多信道策略。它允许节点在需要时利用新的频率。包含两部分：第一部分，节点根据LMAC方式在单信道中选择时槽；第二部分，节点在第一步中无法选择到时槽，就邀请空闲侦听的邻居节点协商一个新的频率信道和时槽。 • 上述的多信道MAC协议并没考虑物理层。如MMSN假设了信道数是无穷的。在媒介接入方面，这些协议基于竞争和时槽，这会在数据采集中导致冲突和时延，和能量浪费。

27. 8 DMAC protocol overview • 在DMAC中，许多源节点和一个汇聚节点的结构构成数据采集树。数据传递过程中路由可能改变，但DMAC假设传感器节点是不移动的，而且到汇聚节点的路由是非常持久稳定的，所以数据采集树在一个合理的时间段中是维持稳定的。只有一个目标节点，就是汇聚节点。除了汇聚节点之外，其他所有节点都先前传递它接收到的包。 • DMAC设计了一个可行的方法，让侦听时间交错，从而实现数据包能持续地从传感器节点流到汇聚点。

28. 8 DMAC protocol overview • 交错侦听调度有四个好处： • 1. 节点醒来传递数据包到下一跳，睡眠延时可以消除 • 2. 长活动周期的请求可以被传播到汇聚节点，从而多跳的路上的节点可以相应增加他们的工作周期，避免数据滞留 • 3. 因为活动周期是错开的，可以减少竞争 • 4. 只有在多跳路径上的节点才需要增加它们的活动周期，其他的节点可以保持在基本的低工作周期上，节省能量

29. 8 DMAC protocol overview • DMAC是针对单信道的传感器网络设计的，不能满足现代无线传感器网络的要求。时延会由于激烈的竞争而增大，同时由于冲突带来的重传会消耗许多能量。 • 为了保持DMAC的低时延和能耗特征，多信道的支持是必要的。

30. 4 Multlchannel support for DMAC4.1 Assumptlon • WSN中有三种通信模式：一是邻居节点之间的数据传递；二是从汇聚节点到源节点的控制包；三是从源节点到汇聚节点的数据。第三种是最主要的。 • 我们采用DMAC的数据采集树作为研究模型，并加以下前提： • 1. 每个节点安装了半双工的收发器，不能同时收和发 • 2. 提供16个不重叠频率的信道 • 3. 信道转换带来的时延可以忽略 • 4. 邻居节点之间可以同步 • 5. 为了消除单汇聚节点的瓶颈，协议中设定了许多汇聚节点

31. 4.2 Frequency assignment • ID：每个节点的地址ChID：物理信道的数目ChList：ChID和物理频率的关系表 • 通过使用不同的ChList可以容易控制信道 • 每个节点广播它的ID两次。第一次广播后，节点可以得到它的全部一跳邻居节点的ID；第二次，节点广播它在第一次广播中采集到的ID信息。之后，节点就知道了它两跳内的ID信息，节点就可以开始选择通信信道。 • 对于源节点，等待它的父节点广播信道使用的信息；对于中间节点和汇聚节点，计算采集到的ID信息赖选择信道，最后广播这些信道使用信息。节点采集和记录它们的父信道使用信息，如果它们有数据发送给父节点，它们就在它们父节点使用来接收信息的信道上发送。

32. 4.3 Medla access deslgn • 源节点：应该能感应和手机有用信息。由于事件发生随机，不可能预测，实际中源节点采用侦听/睡眠调度赖感知事件同时保持低能耗 • 中间节点：应该尽可能睡眠节能。只有有数据发给它的时候醒来传递数据，然后进入睡眠。交错的侦听调度是一个解决方法 • 簇首节点：应该能采集和筛选接收到的数据。我们的多信道DMAC中，我们假设有合适的调度保证数据采集和能量消耗的平衡。 • 当节点在Ch1广播它的控制信息，只有节点2醒来接收这个数据，其他节点继续保持睡眠状态。在节点1广播完毕后，节点2醒来，广播它自己的信道使用信息。同样，只有节点3醒来接收这个控制信息，当节点3广播时，只有节点4和5醒来接收。最后，节点4和5采集数据，然后在节点3的接收信道上传输给节点3。这样，数据一层层直到传输给节点1。分析这个过程，时延和可能的冲突减少到最低。

33. 5 Performance evaluation • 我们在NS-2中进行仿真。为了比较，我们同时仿真了单信道和多信道的DMAC协议。 • 由图可见：两个协议的能耗性能几乎是一样的；而多信道的DMAC明显比单信道的DMAC在时延上更短。

34. 6 Conclusions • 多信道的DMAC协议不仅让DMAC支持多信道，而且使DMAC中广播变成可能。从仿真结果可见，这个多信道DMAC协议在能耗的时延性能上表现很好。我们未来的研究工作主要在于在MC13192平台中实现这个协议，在实际的实验中测试其性能。