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

1、 能量采集無線傳感器網(wǎng)絡（EH-WSNs）MAC協(xié)議：研究 Selahattin Kosunalp內(nèi)容摘要 在無線傳感器網(wǎng)絡(網(wǎng)絡)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擔即充電能源耗盡的蓄電設備。能量采集（EH）能從周圍環(huán)境中提供一個替代的能源；因此，通過利用能量采集（EH）過程，無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）可以實現(xiàn)一個永恒的生命。針對這個，設計的重點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)絡的生命周期。各種MAC協(xié)議的目標提出了利用環(huán)境能量的能量采集網(wǎng)絡(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。給一個洞察未來的研究方向，在本文末尾將討論一個開放的有關(guān)于設計權(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(網(wǎng)絡)通常由一組資源受限的傳感器節(jié)點和容量有限的能源組成，每一個節(jié)點都有感應,計算和無線通信的功能為了執(zhí)行一個共同的任務1。無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）在過去的二十年里,一直是一個重要的研究主題也是一個范圍廣泛的應用程序,包括環(huán)境、工業(yè)、軍事和醫(yī)療應用程序。無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）的固有特性是他們隨機部署在難以接近的地區(qū)，在這些地區(qū)補充(充

3、電或更換)節(jié)點的能量來源常常是不切實際的。當能源耗盡傳感器節(jié)點失去操作（停止工作）。因此,重點已經(jīng)被廣泛放在基于能源的有效利用最大化網(wǎng)絡的生命周期。 尋找延長無線傳感器網(wǎng)絡生命周期的過程中,設計節(jié)能的介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議作為一個中心研究課題出現(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)絡中比計算更耗能,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方案延長了無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期,但無可避免的電池損耗最終將導致一個網(wǎng)絡失去永恒的操作。最近的

4、能量收獲(EH)技術(shù)的進步導致了新類型的傳感器節(jié)點的設計出爐(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、風能、聲音、振動、熱、電磁功率。對于電力傳感器節(jié)點這樣被用于積累能量的能源存儲設備，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)點有可能通過連續(xù)能量采集使電池的壽命永遠不朽。這改變了EH-WSNs MAC協(xié)議的基本設計準則。然而,可采集的環(huán)境能量的數(shù)量是隨著時間變化的，嚴重依賴環(huán)境條件5。新EH-WSN MAC協(xié)議的主要目的是提高網(wǎng)絡的性能與可用能量的收獲率6。 因為環(huán)境能量可用性的不確定性，為了協(xié)調(diào)EH-WSN節(jié)點的傳輸，合適的的

5、MAC協(xié)議被要求仔細檢查殘余能量的水平。實現(xiàn)一個成功的傳播，應該采集一定數(shù)量的能源以傳輸一個數(shù)據(jù)包。另一方面，任何相關(guān)的能源存儲設備只有有限的能力，所以有潛在的過剩收獲能源的浪費。因此,主要原則是實現(xiàn)能源使用和存儲之間一個有效的平衡。這樣,只要EH-WSN節(jié)點的能量水平超過最小值，如圖2所示，他們可以永遠有效。 本文對有關(guān)EH-WSNs最近提議 MAC協(xié)議提供了一個詳細的調(diào)查。設計新的EH-WSNs MAC協(xié)議將在未來獲得極大的關(guān)注，因為關(guān)鍵的好處是可以節(jié)點永動。有關(guān)這一主題的背景信息在第二部分提出，包括EH組件，設計問題和電源管理。第三部分介紹了EH-WSNs MAC協(xié)議的細節(jié)，突出他們的主

6、要機制。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,我們詳細提供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)境能源的詳細信息。本節(jié)只介紹對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)模的應用。然而，太陽能的可用性是一個重要的約束，

7、強烈取決于環(huán)境條件,特別是陽光的強度。 風能采集-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用，如大型風力渦輪發(fā)電機(WTGs)。典型的物理大小WTGs的小規(guī)模應用是一個挑戰(zhàn)并且風的強度隨著時間的推移,由于天氣原因上可以有很大的不同。因此，對于能量采集（EH）的效率的預測是一個重要的任務，而有效的模型提出了根據(jù)過去的能源觀察精確估計未來能源可用性10-11。針對EH-WSNs設計小型風力能量采集（EH）仍在進行研究；在參考資料12中EH-WSNs風動EH系統(tǒng)就是一個例子。 熱能采集技術(shù)是從兩個連接導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)測設備。最近出版的設計提出了一種新

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)動節(jié)點與環(huán)境溫度變化是一個獲取功率的有效方式。對于室內(nèi)應用提出的光和熱能采集組合方案延長了無線傳感器節(jié)點的生命周期；從而提高了EH-WSN的性能14。 機械源，包括振動、動力、機械壓力和應變運動，都可以被采集作為EH-WSN節(jié)點的動力，如基于環(huán)境振動的采集等15。因此，采集這種類型的能源為EH-WSN節(jié)點提供了一種潛力巨大的動力。特別是機械振動可以為室內(nèi)應用提供更高的能量密度。2、EH節(jié)點體系結(jié)構(gòu) 一個很好的關(guān)于EH傳感器系統(tǒng)特點的調(diào)查最近被發(fā)表在4中。一個典型EH-WSN節(jié)點使用一個EH設備獲取環(huán)境的能源。大多

9、數(shù)的節(jié)點在這一體系結(jié)構(gòu)（有一個存儲設備存儲采集的能量）中使用Harvest-Store-Spend（收獲-儲存-耗盡）政策。當環(huán)境能量收獲大于當前的能源消耗時這一策略執(zhí)行的很好。而Harvest-Spend策略只有在需要時才允許能量采集,或者能量采集設備的功率輸出可以提供足夠的能量供一個節(jié)點運行。因為未來能量可用性的不確定性,Harvest-Store-Spend政策更適合EH-WSN應用程序,因為它可以防止能源在特定的安排操作時間短缺。選擇存儲組件在EH系統(tǒng)具有重要意義。兩個流行的EH-WSN節(jié)點存儲解決方案可充電電池和超級電容器?？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),讓他們在EH-WSNs適合長期使用。超電容器的另一個好處是他們有存儲高功率密度的能力。超電容器電路的復雜性很簡單,不需要額外的電路保護系統(tǒng)完全充電或深放。這些能源存儲設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)絡的生命周期。因此,一個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。實現(xiàn)永恒的一生(受制于硬件故障)，能量采集總是應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ENO狀態(tài)能夠繼續(xù)長期

11、存在。三、MAC協(xié)議 在本節(jié)中,提出了EH-WSNs MAC協(xié)議的簡要描述以及它們的基本設計屬性。此外,提出了幾種對帶有能量采集技術(shù)的傳統(tǒng)MAC協(xié)議的評估方法。1、概率輪詢MAC(PP-MAC) 通過CSMA和輪詢方案做出了對各種現(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場景。CSMA協(xié)議的兩個變量，時隙和非時隙，在用于EH-WSNs時已經(jīng)被修改。在接收器廣播輪詢包中ID的輪詢方案被認為是包括查詢一個傳感器ID，還有查詢被查詢傳輸節(jié)點立即響應的數(shù)據(jù)包。由于能源充電時間的變化，信宿隨機選擇調(diào)查ID。假設調(diào)查節(jié)點將被注冊為“充電”狀態(tài)，以免再調(diào)查下一輪。輪詢協(xié)議有很多缺點,比

12、如長時間等待相關(guān)的輪詢包或適應新添加的節(jié)點或刪除了失敗的節(jié)點。 為了解決ID輪詢方案的缺點,PP-MAC協(xié)議提出了根據(jù)工作的吞吐量，公平，和到達間隔時間提高信道的性能，這得益于EH節(jié)點密度和數(shù)據(jù)包的碰撞。在PP-MAC，節(jié)點首先僅在充電狀態(tài)收獲足夠的能量，然后在“接受”狀態(tài)接收一個輪詢包。如果一個節(jié)點沒有足夠傳輸一個數(shù)據(jù)包的能量水平,然后節(jié)點回到充電狀態(tài)(Harvest-Spend政策)。PP-MAC獨特的特征是一個信宿傳輸?shù)囊粋€爭用概率，pc，在一個輪詢包中代替一個傳感器的廣播ID。這是在每個節(jié)點設置一個來決定是否發(fā)送的概率。當收到一個輪詢數(shù)據(jù)包,爭用概率將與一個確定的、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)點發(fā)送這個數(shù)據(jù)包。如果收到的輪詢包接近理想的預期，那么只有一個節(jié)點可以傳輸一個數(shù)據(jù)包。pc的動態(tài)更新是基于節(jié)點的響應。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。如果一個包由于微弱信號傳輸成功或失敗,則將pc保持在其當前值。當信宿中發(fā)生碰撞，pc的值減少。此外，如果新節(jié)點被添加到網(wǎng)絡pc值減小，當節(jié)點損壞或從網(wǎng)絡中刪除pc值增大。時隙CSMA，ID輪詢和PP-MAC的分析模型已經(jīng)被提出和驗證了，通過仿真開發(fā)的Qualnet19模擬器。仿真結(jié)果表明，PP-MAC實現(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)點靈活的提供可擴展性

14、。EH率是從商業(yè)收集設備實際展示中獲得的20。然而,PP-MAC不支持多跳網(wǎng)絡。2、能量采集協(xié)議(EH-MAC)通過綜合考慮以下三個問題，EH-MAC作為PP-MAC在多跳場景下的延伸被提出：協(xié)調(diào)多個輪詢包傳輸在每個節(jié)點中調(diào)節(jié)爭用概率的一個分布式的方法傳統(tǒng)的隱藏終端問題21 一個節(jié)點，在一些隨機時間后，傳輸輪詢包之前監(jiān)聽信道，是為了看信道是否空閑。選擇一個介于0和tp(tp數(shù)據(jù)包傳輸時間)之間的隨機時間以降低輪詢包碰撞的概率。如果節(jié)點沒有檢測到空閑信道，然后等待，直到一個通道是空間的。并且，節(jié)點的緩沖區(qū)被認為是有限的(本文為十個數(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、估計最優(yōu)爭用概率值是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。 “和式增加，積式減少”(AIMD)和估計的活躍節(jié)點數(shù)量(ENAN)計劃是用于實現(xiàn)一個爭用概率的最優(yōu)值。在PP-MAC中AIMD被研究學習，為了在設置了適當?shù)膮?shù)時實現(xiàn)高吞吐量。在ENAN,最優(yōu)爭用概率調(diào)整使用1 /nest，nest1，在這里nest是估計的活躍節(jié)點的數(shù)量。nest的值只取決于前面的輪詢包的結(jié)果。目的是讓只有一個響應,但如果有多個響應，nest值加1，如果沒有收到響應，nest值減1。 EH-MAC的性能評估取決于隨機拓撲節(jié)點的不同數(shù)量,，從50到500

16、的兩個場景一個恒定不變的EH率和另一個變化的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，括號中所示為節(jié)點的鄰居。3、多層概率輪詢(MTTP) 一個MTTP協(xié)議是擴展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)點在每一層對應的距離。每一層由數(shù)字表示(例如,一級,二級,三級,等等)。對于一級節(jié)點，信宿（信號接收器）廣播輪詢包與概率值。一級節(jié)點中的一個，輪詢向上層播放相同的概率值，然后等待接收數(shù)據(jù)包。這個過程是一個如圖5所示的三層架構(gòu)場景。 層數(shù)是一個8bit位長的數(shù)，被放在輪訓數(shù)據(jù)包中發(fā)送。決定加入一個層之前，信宿的

17、直接鄰居被分配到第1層。最初，其他節(jié)點層數(shù)為255，這是最高的層數(shù)。然后,每個節(jié)點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)點的層數(shù)，然后將接收節(jié)點的層號置為收到輪詢包的層數(shù)+ 1。這個計劃考慮的情況是下一個節(jié)點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。每個節(jié)點設置一個計數(shù)器統(tǒng)計不是從較低層發(fā)送的輪詢包的數(shù)量。如果連續(xù)收到10個來自上層的輪詢數(shù)據(jù)包，然后將層數(shù)設置為上層層數(shù)。每當一個輪詢包來自較低的層，重置計數(shù)器值。這樣做的目的是處理動態(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)模的商用型設備評估。因此，在更大范

18、圍的有更大潛能的性能評估能證明該協(xié)議的有效性。很明顯,大量的層可能產(chǎn)生相當大的輪詢包的開銷，導致增加數(shù)據(jù)包的碰撞。協(xié)議的另一個缺點是，輪詢所覆蓋的節(jié)點都應該在上層所有節(jié)點所有輪詢包的感應范圍內(nèi)。4、隨需應變的MAC(OD-MAC) 對于EH-WSNs，OD-MAC協(xié)議提出了節(jié)點在被允許最大化他們的能源消耗基礎上支撐個體責任周期23。這樣做的目的是實現(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,當一個節(jié)點可用于接收，它廣播一個小指引包來表示它的可用性，能夠進行數(shù)據(jù)包傳輸。傳輸節(jié)點希望在他們開始傳播之前等到一個合適的指引。減少由于

19、指示信號等待時間長導致數(shù)據(jù)包的端到端延遲高而造成的能源浪費，這就是機會主義轉(zhuǎn)發(fā)方案介紹的概念。將以前的指示信號的所有者列出,而不是等待一個特定的指示信號，伺機將每個數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到發(fā)送方收到的第一個信標，假設它是包含在潛在的代理列表中。 與PP-MAC不同，OD-MAC節(jié)點有一個獨立的EH操作：可以在任何狀態(tài)采集可用能源。動態(tài)調(diào)整工作周期時間,當前EH率通過比較當前的電池和一個預定義的閾值水平來確定感應期一個周期的持續(xù)時間。性能評估，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方法的一個缺點是缺乏重發(fā)機制，因為

20、它不確認是否成功接收數(shù)據(jù)包，這使得它不適合在有損環(huán)境中。同時,OD-MAC沒有機制來解決隱藏終端問題；因此，通過隱藏節(jié)點的能量浪費。OD-MAC的性能評估是通過一個簡單的基于網(wǎng)格的拓撲結(jié)構(gòu)。OD-MAC一個基本操作的實現(xiàn)是使用eZ430-rf2500傳感器節(jié)點20，在24已經(jīng)被提出，允許一個發(fā)射機來調(diào)整其工作周期探索可持續(xù)的操作。同時，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CSMA-based（以載波監(jiān)聽多路訪問為基礎）方案,采用隊列框架來調(diào)整節(jié)點

21、的占空比，從而實現(xiàn)一個ENO狀態(tài)25。包傳輸策略與PP-MAC和OD-MAC相似。當一個節(jié)點醒來,如果沒有數(shù)據(jù)包可用于傳輸,節(jié)點廣播一個包含自己ID的信標包。然后后發(fā)送方收到預期的指引，根據(jù)數(shù)據(jù)包的先進先出隊列將在最前面的包傳輸。如在EH-MAC中，一個回送包將被作為收到數(shù)據(jù)包的確認信息發(fā)送，也用作新的信標。圖7顯示了一個發(fā)送者與接收者之間通信的示例操作。 ERI-MAC提出了幾個小數(shù)據(jù)包合并成一個更大的包的級聯(lián)計劃，這個包稱為superpacket（作者未給出中文命名，故使用通用翻譯理解為復合包）。在一個典型的MAC層包，包會添加一個首部，這可能會由于它的長度帶來相對較高的開銷。將包連接在一

22、起的優(yōu)點是有效地減少首部，復合包只有一個首部。然而，數(shù)據(jù)包的長度取決于所使用的特定的無線電平臺；例如，IEEE 802.15.4的CC2420電臺的最大數(shù)據(jù)包大小為127字節(jié)。因此，組成復合包的數(shù)據(jù)包的數(shù)量是有限的。 為了實現(xiàn)ENO狀態(tài)，ERI-MAC使用隊列數(shù)據(jù)包，每個隊列包延遲為一個安全的持續(xù)時間，以確保消耗能量小于收獲能量。在安全持續(xù)時間后檢查能量消耗與能量采集的比值。通過這種比較,一個節(jié)點決定它是否超過了能量水平充足的臨界。假定節(jié)點知道EH率來操作下一個ERI-MAC。這表明，在小的EH率(0.3 mW)時，這些節(jié)點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)點不超過

23、前面所說的安全的持續(xù)時間。 ERI-MAC協(xié)議被評估（展現(xiàn)）在一個相鄰節(jié)點距離固定的49-node網(wǎng)格拓撲中。6、QAEE-MAC QoS-aware energy-efficient MAC (QAEE-MAC)協(xié)議受益于數(shù)據(jù)優(yōu)先級機制，允許緊急數(shù)據(jù)包先于正常數(shù)據(jù)包傳輸26。醒來后，每一個發(fā)送方廣播信標,一個Tx-beacon（未查到相關(guān)含義，暫定為作者命名的一種信標類型），顯示其數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級；然后每個發(fā)送方都等待接受信標。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)點的ID的信標包(一個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

24、。最高優(yōu)先級的發(fā)送方開始傳輸數(shù)據(jù)包，而其他人進入“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所示為一個優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸過程的例子。在QAEE-MAC，節(jié)點依照他們的能量水平安排他們喚醒醒時間。 QAEE-MAC協(xié)議的性能評估局限于只有一個接收器和少量的發(fā)送者節(jié)點的單跳方式。同時，數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級機制為所有的發(fā)送方帶來很高的監(jiān)聽時間空閑。7、其他工作 傳統(tǒng)時分多址的性能和動態(tài)framed-ALOHA方案已經(jīng)在27通過計算單跳WSN中不可預測的能量可用性的影響進行了分析。成功向目的地交付一個數(shù)據(jù)包的過程(稱為交付概率)和時間效率(展現(xiàn)了在一個數(shù)據(jù)收集中心的通道

25、利用率)被引入以用于測量網(wǎng)絡性能。數(shù)值結(jié)果表明，交付概率和時間效率強烈依賴于EH率。EH率建模為離散隨機變量。 S-MAC協(xié)議的吞吐量性能已經(jīng)被在一個太陽能為基礎的WSN中驗證28。特別是提出了s實現(xiàn)一個能量收獲者的不同工作周期的吞吐量的分析模型。以滿足服務質(zhì)量(QoS)需求和所需的網(wǎng)絡壽命要求,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的兩個動態(tài)duty-cycle（通信專業(yè)翻譯為頻寬比或占空比，計算機科學技術(shù)翻譯為占空比，通用翻譯為工作周期、責任周期）調(diào)度方案提出了減少傳感器節(jié)點的工作周期和平衡創(chuàng)建傳感器節(jié)點之間的能耗29。第一個調(diào)整工作周期的方案僅基于當前的剩余能量

26、水平。由于殘余能量隨著EH時間增加，第二個方案為了在需要時更積極減少工作周期需要預期隨時間增加的殘余能量。在每個工作周期的開始時計算能量消耗之間的差異和EH率。 在太陽能EH-WSN中，slotted-preamble（時隙報頭）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)送長的報頭包（序文包），突發(fā)的微小的序言包被從一個傳輸節(jié)點的保留通道發(fā)送，這讓附近的節(jié)點快速取消了廣播。還在序言數(shù)據(jù)包傳輸中留下一個小的間隙以允許預期的接收者發(fā)送一個確認包。只要接收方處于喚醒狀態(tài)且他的能量水平大于一個預定義的閾值，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設計在多跳應用環(huán)境的擴展版本。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)絡做了充分的測試。然而，到目前為止的實驗的規(guī)模相當小，所以可以從更大范圍更好的觀察。沒有一個協(xié)議一直在測試一個隨機拓撲。因此,實施現(xiàn)有的和新的大規(guī)模多跳網(wǎng)絡協(xié)議是一個開放性話題。 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際的假設。現(xiàn)實應用的可行性方案在實際試驗臺是一個開放的問題，因為真正的傳感器硬件的現(xiàn)實應用需要面對各種挑戰(zhàn)，如傳感器節(jié)點的資源限制(能力和內(nèi)存)。因此，如果一旦有很大對性能的影響

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)點必須等到他們從目標接收器接收到正確的信標。因此，發(fā)件人必須打開收音機，直到它已經(jīng)成功接收到數(shù)據(jù)包。為了避免監(jiān)聽等待信標時的空閑時間，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；并且特別強調(diào)可以預測接收者的喚醒時間，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類別的詳細調(diào)查。 以上簡要提及了，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)議的性能評估中EH率被假設是恒定的。然而，這是不現(xiàn)實的假設,實際環(huán)境本質(zhì)上是動態(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，,然后一個時變EH速率可以被簡單地確定并納入整個系統(tǒng)性能。因此認為，未來的MAC協(xié)議設計應該考慮更實際的場景和更明確的動態(tài)環(huán)境?？梢缘贸鼋Y(jié)論，一個聰明的方法是需要仔細調(diào)整EH過程的不可預知性以維護協(xié)議的性能在一個可接受的水平。 新興的另一種補充無線傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點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)能源的請求來充電。RF-MAC已展現(xiàn)出網(wǎng)絡吞吐量的改善在修改典型的無時隙CSMA-based MAC方案上。一個充滿環(huán)保EH組合戰(zhàn)略和無線能量傳遞設計的MAC協(xié)議是可靠的。特別是，當環(huán)境能量是不充足時，無線能量傳輸可以被申請為傳感器網(wǎng)絡提供永久操作。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(EH-WSN)MAC協(xié)議發(fā)展的研究。簡要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)議設計的靈感來自于receiver-initiated架構(gòu)。討論了MAC協(xié)議的特點和工作原理。為了有助于進一步的研究，

31、公開討論了研究問題的考慮設計權(quán)衡。不再需要替換/充電廢棄的電池是有好處的，設計新的EH-WSNs MAC協(xié)議將打開無線傳感器網(wǎng)絡領(lǐng)域的一個新視角，并在將來獲得大量關(guān)注。本文希望引導研究人員研究探討將來可能的協(xié)議設計。參考文獻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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