發送方

無線傳感器網絡因其低功耗、低成本、分佈式和自組織的特點，越來越受到人們的重視，其應用涵蓋了軍事反恐、交通能源、搶險救災、環境監測、醫療保健、家居生活、工業商業等各個不同領域，有着十分廣闊的應用前景。由於節點能量受限，無線傳感器網絡要儘可能高效地利用能量，作為協議棧基礎的媒體接入控制（Medium　Access　Control，MAC）協議就顯得尤為重要。如何設計一個高能效的MAC協議來協調競爭節點的信道接入一直以來就是人們關注的熱點問題。

異步的由接收方發起的MAC協議由於其低複雜性、低佔空比、高吞吐量等特點，得到越來越廣泛的應用。在異步協議設計中，提升協議性能的一個關鍵問題就是如何協調發送方與接收方之間的喚醒調度，使之能夠更好地進行數據收發之間的銜接與配合，從而提升系統容量，降低傳輸時延。對傳統的異步的由接收方發起的MAC協議而言，發送節點需要根據接收節點的喚醒調度調整自己的喚醒時間，從而使自己的數據發送能夠與接收節點的數據接收相匹配。從這個意義上講，接收節點在傳輸過程中佔據主導地位，數據的傳輸時延主要由接收節點的休眠調度決定。正是由於處於支配地位，接收節點不會主動調整自己的喚醒策略來迎合發送節點的數據傳輸；而發送節點則希望能儘快將數據發送出去，減少傳輸延遲，提高傳輸效率，但其數據傳輸卻不取決於自己，而是由接收節點來決定，由此導致了矛盾。究其原因，關鍵在於接收節點在數據傳輸過程中佔據主導地位。從喚醒調度上看，發送節點是受接收節點支配的，即發送節點的數據發送取決於接收節點選擇何時接收數據。這一點如果不改進，很難從根本上提高協議的傳輸效率 ^[1]  。

出現了許多基於佔空比（Duty　Cycle）的無線傳感器網絡MAC協議，通過在節點活動狀態與休眠狀態之間的切換降低能量消耗。基於佔空比的MAC協議可以分成兩類，即同步（Synchronous）協議和異步（Asynchronous）協議。同步協議通過同步的手段統一調度節點的休眠與活躍時間，使得節點能夠在共同的活躍期內喚醒進行數據傳輸。該方法能減少節點的空閒偵聽時間，但需要引入同步機制，增加了複雜性，帶來了開銷；同時，採用固定喚醒週期的方式不能適應網絡流量的頻繁變化。異步協議則無需節點間同步，降低了系統的複雜性。每個節點獨立決定自己的喚醒調度，能夠獲得較低的佔比空。

異步MAC協議可以分成兩類，即發送方發起（Sender－Initiated）的MAC 協議（如B－MAC，X－MAC，WiseMAC等）和接收方發起（Receiver－Initiated）的MAC 協議（如RIMAC，PW－MAC等）。

在發送方發起的MAC協議中，通信往往由發送方主動發起。B－MAC在發送數據前先發送一段固定長度的前導（Preamble）信號，其長度要大於接收方的睡眠時長，從而確保接收方在喚醒後會收到該信號，同時抑制其他節點的發送。

WiseMAC允許接收節點在其確認幀中捎帶下次喚醒時間，使發送方瞭解每個下游節點的採樣調度，進而縮短前導長度。X－MAC則通過定義頻閃前導（Strobed　Preamble）進一步縮短前導長度，避免過度偵聽，同時，發送方將目的地址放入頻閃前導中，非目的節點儘早丟棄分組並進入睡眠，目的節點則利用前導之間的間隙向源節點發送早期確認從而節省時間。

發送方發送的前導序列會抑制非目的節點間的通信，造成吞吐量下降，於是出現了由接收方發起的MAC協議。在接收方發起的MAC協議中，一旦有數據需要傳輸，發送節點就保持喚醒狀態，等待接收方發來的信號。接收節點按照自己的調度進行休眠喚醒，喚醒後主動發送一個信令Beacon，用以通知發送節點發送數據。由於該信令較前導信號更短，可以減少傳輸延遲，且由於發送方在數據發送前不會發送其他信號，因此不會抑制其他節點間的數據傳輸。RI－MAC就是一個典型的由接收方發起的MAC協議。在RI－MAC中，接收節點喚醒後就在信道上廣播一個Beacon信令，通知發送方發送數據。由於發送節點會一直保持活躍，一旦收到來自接收方的信號後就立刻開始數據傳輸。倘若在規定時間內沒有收到發送方發來的數據，接收節點會再次進入睡眠狀態。採用該方式可以保證接收節點在開始接收數據前信道是空閒的。PW－MAC在RI－MAC 的基礎上增加了預測機制，使發送節點可以預測接收節點的喚醒時間，從而在接收節點喚醒前提前喚醒，開始數據傳輸，避免能量過度消耗 ^[2]  。

接收方發起的MAC協議要求發送節點在接收節點之前喚醒，這樣才能捕捉到由接收節點發出的數據傳輸開始的信號。發送節點提前喚醒的方式一般有兩種，即接收方主導喚醒方式（Receiver－Dominated　Wakeup）和發送方主導喚醒方式（Sender－Dominated　Wakeup）。

接收方主導喚醒方式是指接收節點作為數據的接收方，在數據傳輸過程中自主設定自身的喚醒調度；而作為數據的發送方，發送節點應該根據接收節點的調度週期來調整自己的喚醒時刻，從而能夠在接收方喚醒前提前喚醒，做好數據傳輸準備。現有的接收方發起的MAC協議主要採用這種喚醒方式。

發送方主導喚醒方式是指發送節點的喚醒調度由其自主設置，接收節點需要根據發送節點的喚醒週期動態調整自己的喚醒調度，以便能夠在發送節點喚醒後立刻喚醒，發送Beacon信令，接收來自於發送節點的數據傳輸。RISD－MAC協議即採用該喚醒方式。

與接收方主導喚醒方式相比，發送方主導喚醒方式確立了發送節點在數據傳輸過程中的支配地位，明確數據傳輸應以發送方為主，接收方的喚醒時間需要根據其上游發送節點的週期調度進行自適應調整，以配合發送節點的數據發送，從而減少傳輸時延，提高傳輸效率。

在RISD－MAC協議中，節點有3種不同的調度模式，即主動調度模式（Active　Schedule　Mode）、被動調度模式（Reactive　Schedule　Model）以及喚醒加速模式（Wakeup　Acceleration　Model）。系統初始化時，節點處於主動調度模式，按照自身的調度策略進行休眠喚醒。當收到上游節點發來的數據，並且從其捎帶（Piggyback）的信息中得知發送節點隨後的喚醒調度後，下游節點切換至被動調度模式，主動調整自己的預設喚醒時間以與其上游節點相匹配。在隨後的數據傳輸過程中，一旦出現了接收方提前喚醒的情況（即接收節點發送Beacon後沒有收到預期的Data），接收節點立刻進入喚醒加速模式，重設自己下次喚醒的時間，以期能快速與發送節點相匹配。通信結束後，發送節點會在發送的最後一幀中捎帶結束標誌。收到該信息後，接收節點重新進入主動調度模式。

從通信方式看，RISD－MAC協議依然採用接收方發起的形式，即發送節點一旦有數據需要發送，立刻喚醒，隨時準備接收來自於接收方的信令。接收節點首先按照自身的調度進行休眠喚醒，喚醒後會主動發送一個信令通知發送方發送數據。倘若在規定時間內沒有收到任何數據，接收節點重新進入休眠狀態，等待下次喚醒。發送節點在收到來自接收節點的信令後，立刻開始數據傳輸，同時將自己下次喚醒的時間捎帶在數據幀中一併發送給對方。接收節點收到該信息後，切換至被動調度模式，根據發送方下次的喚醒時間動態調整自己的喚醒調度，從而能夠在發送節點喚醒後立刻喚醒，發送Beacon信令，開始數據傳輸。由於存在時鐘漂移及缺乏全局同步機制等問題，節點間會存在一定的時間誤差，可能導致接收節點按照重新設定的時間喚醒後卻沒有收到預期的來自發送方的數據，則接收節點進入喚醒加速模式，主動將自己下次喚醒的時間壓縮為當前時間值的一半，從而縮短睡眠時間以快速匹配發送節點的數據傳輸。

在RISD－MAC協議調度下，接收方能以較短的時間響應發送方的數據傳輸，在縮短自己睡眠時間的同時也減少了發送節點持續偵聽信道的時間，降低了能耗 ^[3]  。