第4章 MAC协议

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（1）能量有效性。 （2）可扩展性。 （3）冲突避免。 （4）信道利用率。 （5）延迟。
（6）吞吐量。
（7）公平性。 以上性能指标反映了一个MAC协议的特性。与传统网络的MAC协议重点 考虑节点使用带宽的公平性、提高带宽利用率以及增加网络的实时性等注重 的因素正好相反，能量有效性是设计WSN的MAC协议首要考虑性能指标； 其次是协议的可扩展性和适应网络拓扑变化的能力；而其他的网络性能指标 如延迟、信道利用率等，需要根据应用进行折中。所以传统网络的MAC协议， 并不适用于WSN。
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4.1.4 WSN的MAC协议设计策略 传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能 比较弱，而传感器网络主要是许多节点协调实现其主要的功能。多点通信需 要MAC协议协调局部范围的无线信道的分配，需要路由协议协调整个网络内 的通信路径。为了促进MAC协议研究的全面性，其设计策略为[2]： （1）由于不同场合对网络的要求不同，MAC协议的设计面临着各种各样 与应用相关的业务特性和需求，因此并不存在一种通用的MAC协议。但随着 WSN研究的逐渐深入，不可能针对各种具体应用进行不同的分析和设计，这 就需要根据WSN特殊的应用特点进行透彻的研究和总结，提取共同点。
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传感器节点无线通信模块的状态包括发送状态、接收状态、侦听状态和睡 眠状态等。单位时间内消耗的能量按照上述顺序依次减少。基于上述原因， 传感器网络MAC协议为了减少能量的消耗，通常采用“侦听/睡眠”交替的无 线信道使用策略。当有数据收发时，节点就开启无线通信模块进行发送或侦 听；如果没有数据需要收发时，节点就控制无线通信模块进入睡眠状态，从 而减少节点空闲侦听造成的能量消耗。另外，为了使节点在无线模块睡眠时 不错过发送给它的数据，或减少节点的过渡侦听，邻居节点间需要协调侦听 和睡眠的周期，同时睡眠或唤醒。
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2．SMACS/EAR协议
Sohrabi等提出的SMACS/EAR(Self-organizing medium access control/Eavesdrop and register，具有监听/注册能的WSN自组织MAC协议) 协议，是结合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的分布式MAC协议，用来 建立一个对等的网络结构。SMACS协议主要用于静止的节点之间连接的建 立，而对于静止节点与运动节点之间的通信，则需要通过EAR协议进行管理。 其基本思想是，为每一对邻居节点分配一个特有频率进行数据传输，不同节 点对间的频率互不干扰，从而避免同时传输的数据之间产生碰撞。
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（3）根据信道的分配方式，可分为基于TDMA的时分复用固定式、基于 CSMA的随机竞争式和混合式三种。基于TDMA的固定分配类MAC层协议， 通过把时分复用(TDMA)和频分复用(FDMA)或者码分复用（CDMA）的方式 相结合，实现无冲突的强制信道分配（如C-TDMA协议）。以竞争为基础的 MAC协议，通过竞争机制，保证节点随机使用信道，并且不受其他节点的干 扰（如S-MAC）。混合式是把基于TDMA的固定分配方式和基于CSMA的竞 争方式相结合，以适应网络拓扑、节点业务流量的变化等（如Z-MAC）。 （4）根据接收节点的工作方式，可分为侦听、唤醒和调度三种。在发送 节点有数据需要传递时，接收节点的不同工作方式直接影响数据传递的能效 性和接入信道的时延等性能。接收节点的持续侦听，在低业务的WSNs网络 中，造成节点能量的严重浪费。通常采用周期性的侦听睡眠机制以减少能量 消耗，但引入了时延。为了进一步减少空闲侦听的开销，发送节点可以采用 低能耗的辅助唤醒信道发送唤醒信号，以唤醒一跳的邻居节点，如STEM协 议。在基于调度的MAC协议中，接收节点接入信道的时机是确定的，知道何 时应该打开其无线通信模块，避免了能量的浪费。
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4.3 MAC协议分析比较 4.3.1 MAC协议分析 通过对当前WSN的MAC协议研究，并基于以上WSN的分类方法的考虑， 选取了以下较为重要的不同类型MAC协议，对其核心实现机制、特点以及优 缺点等进行了分析。 1．C-TDMA协议 Arisha等人针对分簇结构的WSN提出了基于TDMA机制的MAC协议(CTDMA)。支持C-TDMA协议的网络是一种基于分簇结构的网络。在多个传感 器节点形成的簇中，有一个簇头节点（Cluster head），簇头节点收集和处 理簇内节点发来的数据，并把处理后的数据发送到汇聚节点，同时负责为簇 内成员节点分配时隙。
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C-TDMA协议将WSN的节点划分为四种状态：感应、转发、感应并转发、 非活动。节点在感应状态时，收集数据并向其相邻节点发送；在转发状态时， 接收其他节点发送的数据，再转发给下个节点；而感应并转发状态的节点， 则要完成上述两项功能；节点没有接收和发送数据时，就自动进入非活动状 态。由于传输数据、接收数据、转发数据以及侦听信道，节点消耗的能量各 不相同，各节点在簇内扮演的角色也不一样，因此簇内节点的状态随时都在 变化。为了高效地使用网络（如让能量相对高的节点转发数据、及时发现新 的节点等），该协议将时间帧分为四个阶段：a）数据传输阶段：各节点在 各自被分配的时隙内，向网关发送数据；b）刷新阶段：节点周期性的向簇 头报告其状态；c）刷新引起的重组阶段紧：跟在刷新阶段之后，簇头节点根 据簇内节点的情况，重新分配时隙；d）事件触发的重组阶段：节点能量小 于特定值、网络拓扑发生变化等都是需耍重组的事件。若有以上事件触发， 网关就重新分配时隙。 C-TDMA协议能够减少空闲侦听，避免信道冲突，也考虑了可扩展性；但 是区域内簇头节点和成员节点需要严格的时钟同步，对簇头节点的处理能力、 能量和放置方式都有较高的要求。
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4.1.2 影响WSN的MAC协议因素 为了研究和比较现有WSN的MAC协议性能，首先讨论影响WSN的MAC协 议性能有关基本问题，并分析WSN节点间通信时造成能量浪费的潜在因素然 后，针对WSN应用的业务多样性，定义了网络中可能的通信模式，以分析不 同WSN协议的适应性[1,2]。 1．WSN的MAC协议设计主要问题[12] WSN的强大功能，是通过众多资源受限的网络节点协作实现的。由于节点 无线通信的广播特征，节点间信息传递在局部范围，需要MAC协议协调其间 的无线信道分配；在整个网络范围内，需要路由协议选择通信路径。WSN的 MAC协议设计，需要根据应用的要求考虑以下的网络性能问题。
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4.1.3 协议特点 WSN广泛的应用领域使其面临多样和特殊的应用需求和业务特性，从而激 发了各种不同的MAC协议设计。这些MAC协议设计从多个层面、多个角度出 发，具有不同的特点，同时又存在相互交叉的共同点，很难对其进行完备、 系统的分类。除了引入不同休眠机制，WSN的MAC协议设计还具有其他特 点，主要可归纳为以下内容[1,2,12]。 1．采用基于TDMA的接入方式 2．利用分群结构群首局部集中控制的机制 3．与多跳转发相关的资源分配策略 4．冗余相关数据的隐聚合
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（2）能量高效仍是MAC协议设计的关键因素，但不是唯一目标。在未来 的应用中，WSN的应用需求还可能存在着对某个或某些指标有特别的要求， 这就要求在MAC协议的设计上进行一定的折衷。 （3）由于最初WSN被假定为是由静态节点组成的，因此在研究时会忽略 MAC协议的移动性，但随着应用需求要求节点需要自主移动性，对MAC协议 移动性设计也提出了更高的要求。 （4）现有WSN的MAC协议安全性十分脆弱，窃听、传感器数据伪造、拒 绝服务攻击和传感器节点物理妥协等各种网络攻击层出不穷，这使得安全问 题和其他WSN性能问题同样重要，MAC协议的设计应考虑到网络安全的因 素，引入一定的安全机制，对现有安全协议进行优化。
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4.1.1 研究现状和趋势 目前，WSN吸引了越来越多的研究力量，许多MAC协议也随之相继被提 出。早期的WSN研究较多集中于能量有效性问题，MAC协议研究也侧重于 能耗因素及相应节能策略，而其他方面并没有突破传统自组网MAC协议的设 计策略。可以说，相当一部分WSN的MAC协议主要研究如何将节能策略引 入传统自组网MAC协议并避免对协议性能产生不利影响，其中休眠机制是被 广泛采用的有效节能策略，并由此带来了如何使无业务节点最大可能进入休 眠避免能耗，在业务到来时确保及时激活节点从而降低休眠机制对网络时延、 吞吐等性能造成的损失问题。例如，S-MAC的接入规程和冲突避免机制均与 802.11DCF基本协议相同，不同之处在于引入了周期激活/休眠机制等若干节 能策略随着WSN研究的深入以及其多样的应用场景越来越具体，各种不同于 传统自组网的网络特点不断凸现，如业务流的方向性、节点的不同转发角色、 监测信息在时间和空间上的相关性以及监测信息冗余等。因而，针对应用需 求或业务特点量身设计，或者与节能策略相结合，以进一步提高能量有效性 或在多个其他特殊需求中权衡取舍逐渐成为MAC协议研究的另一趋势，如DMAC、EBRI-MAC、Sift和EMACs等协议。
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3．通信模式 传感器网络是与应用高度相关的。不同的网络结构、不同的应用场景和目 的，其业务特征呈现多样性，需要采用不同的通信模式，以更有效地交换业 务。基于不同的业务特征，MAC协议对不同通信模式的支持，可以有效减少 节点能耗。所以对不同通信模式的支持与否，也是衡量MAC协议能量有效性 的重要因素。Kulkarni等定义了WSN的三种通信模式：广播（Broadcast）、 会聚(Convergecast)和本地通信(Local gossip)，Demirkol等定义了多播的通 信模式。上述各种通信模式的基本定义如下[14,15]： （1）广播模式： （2）会聚模式： （3）本地通信： （4）多播模式：
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4.2 WSN的MAC协议分类 MAC协议主要负责协调网络节点对信道的共享。由于研究人员从不同方面 提出了多种MAC协议，要想严格地对MAC协议进行分类那是非常困难的，因 此，采用不同的条件MAC协议有不同的分类方法。综合对目前提出的MAC协 议的研究，WSNs的MAC协议可以按以下几种不同的方式进行分类。 （1）根据采用分布式控制还是集中控制，可分为分布式执行的协议和集 中控制的协议。这类协议与网络的规模直接有关，在大规模网络中通常采用 分布式的协议。 （2）根据使用的信道数（即物理层所使用的信道数），可分为单信道、 双信道和多信道。如S-MAC和LEEM分别为单信道和双信道的MAC协议。使 用单信道的MAC协议，虽然节点的结构简单，但无法解决能量有效性和时延 的矛盾；而多信道的MAC协议可以解决这个问题，但增加了节点结构的复杂 性。
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Hale Waihona Puke 2．能耗因素分析 为了分析和评价MAC协议的能量有效性，需要分析是哪些因素导致了网络 能量浪费，其主要因素包括如下几方面[14,15]： （1）空闲侦听（Idle listening）。 （2）消息碰撞（Message collision）。 （3）窃听（Overhearing）。 （4）控制报文开销（Control-packet overhead）。 （5）发送失效(Overe mitting)。 （6）在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多 的网络能量。
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4.1 概述 在WSN中，介质访问控制（medium access control，MAC）协议决定了 无线信道的使用方式，在传感器节点间分配有限的通信资源，构建传感器网 络的底层基础结构。MAC协议对传感器网络的性能有较大地影响，是保障 WSN高效通信的关键协议之一。 基于WSN的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效性成为WSN应用 中首要的一个设计指标。能量高效的WSN通信协议，是目前的一个热点研究 领域。MAC处于WSN通信协议的底层部分，以解决WSN中节点以怎样的规 则共享媒体才能取得满意的网络性能问题。WSN的吞吐量、延迟等性能，与 所采用的MAC协议直接相关。近年来，研究人员己经提出了众多专用于 WSN的MAC协议。