第3章-MAC协议
无线传感器网络mac协议中退避算法的分析
摘要在无线传感器网络中，介质访问控制（MAC）协议决定了无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构，对传感器网络的性能有较大影响。
相对于有线网络，无线环境下的MAC技术要面对更多的问题，尤其对于能量受限、频率资源宝贵和网络拓扑结构动态变化的无线传感器网络而言，设计一种节能高效的MAC协议至关重要。
本文从网络信道分配方式的角度，对MAC层协议进行了分类，介绍了几种比较典型的MAC协议，并对它们进行了分析比较；在对MAC层能量消耗的主要原因进行分析的基础上，对基于竞争机制的MAC协议中的退避机制进行了探讨，通过借鉴无线网络中相关的退避算法，给出了一种无线传感器网络MAC层退避机制的改进方案。
改进的退避算法的基本思想是通过加入初始竞争窗口的参数，采用时隙利用率对当前信道的忙闲状态进行评估，使节点能够根据当前网络信道的状况来调整其竞争窗口的大小，减少发送数据冲突的同时，提高了能量利用率和系统吞吐率。
仿真中，本文将改进的退避方案在无线传感器网络基于竞争机制的具有代表性的MAC层协议S-MAC中加以应用，完成了改进算法在NS-2中的仿真实现，实验表明改进后的退避方案在能量消耗、吞吐量等方面的性能有很好的提高。
本文最后对所做工作进行了总结，并提出了今后的研究方向，如在硬件实验平台上进行实际性能的测试，对改进算法进行进一步的探讨，使之能适应不同拓扑的网络结构等。
关键词：无线传感器网络MAC协议竞争机制退避算法AbstractIn wireless sensor networks，medium access control (MAC) protocols allocate limited radio resource among sensor nodes and construct infrastructure. MAC protocols have a great influence on the performance of wireless sensor networks. Compared to cable networks, MAC technology in wireless condition faces more problems, especially for wireless sensor networks with constrain of energy, valuable resources of the frequency and dynamic changes of network topology, so it is crucial for the design of MAC protocols to achieve a highly energy-saving and efficient performance.Firstly, the analysis and compare of the typical MAC protocols (IEEE802.11、S-MAC、IEEE802.15.4 etc.) are introduced in this thesis. Then, based on the analysis of the energy consumption and performance evaluation indicators of MAC protocols, the thesis discusses the backoff strategy in MAC protocols with competition mechanism, and proposes a new backoff strategy The new backoff strategy brings forward a conception that the competition window changes dynamic. According to the new algorithm, the node in WSN can adjust its competition window adaptively based on the evaluation of the current network channels condition. The essential idea of the improved backoff algorithm is to evaluate the busy condition of the current channel according to the use rate of time slots, by adding a new parameter to the new algorithm which decreases the packets collision as well as improves the energy efficiency and the network throughput. The thesis applies the new algorithm into S-MAC protocol, which is a representation of MAC protocols with competition mechanism, and carries it out in NS-2, a network simulation tool, for simulation. The simulation results show that, in contrast with S-MAC protocol, the new algorithm puts up better performance on energy saving and mean throughput of the wireless networks.Finally, the thesis draws conclusions by summarizing the main contributions of the research and present directions of future work including its implement on hardware platform for experiments to test its practical performance, making it adaptive for other network topology by further study.Keyword: Wireless Sensor Networks MAC protocol Competition Mechanism Backoff Algorithm目录摘要 (I)Abstract (II)1 引言1.1 课题的背景 (1)1.2 研究现状及意义 (3)1.3 本文的研究工作和组织结构 (4)2 无线传感器网络MAC协议的分析2.1 无线传感器网络协议体系 (6)2.2 无线传感器网络现有MAC协议分析 (7)2.3 MAC协议设计的关键问题 (15)2.4 本章小结 (16)3 MAC层协议中改进退避方案的提出与设计3.1 基于竞争机制的MAC协议相关理论 (18)3.2 MAC层协议退避算法分析及改进 (20)3.3 本章小结 (37)4 改进算法的仿真实现与性能分析4.1 改进算法的仿真测试 (38)4.2 算法性能分析 (45)4.3 本章小结 (49)5 总结 (50)致谢 (52)参考文献 (53)1 引言1.1 课题的背景无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术，被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类社会未来的生活方式产生巨大影响。
第三章 LTE MAC协议解读 --- 非连续接收(DRX) 分享
[转载]第三章 LTE MAC协议解读 --- 非连续接收（DRX）分享(2012-01-10 10:10:32)[删除]标签：转载原文地址：第三章 LTE MAC协议解读 --- 非连续接收（DRX）分享作者：LTE通信人家3.4.3DRX(非连续接收)DRX，在一段时间里停止监听PDCCH信道，DRX分两种：IDLE DRX，顾名思义，也就是当UE处于IDLE状态下的非连续性接收，由于处于IDLE状态时，已经没有RRC连接以及用户的专有资源，因此这个主要是监听呼叫信道与广播信道，只要定义好固定的周期，就可以达到非连续接收的目的。
但是UE要监听用户数据信道，则必须从IDLE状态先进入连接状态。
而另一种就是ACTIVE DRX，也就是UE处在RRC-CONNECTED状态下的DRX，可以优化系统资源配置，更重要的是可以节约手机功率，而不需要通过让手机进入到RRC_IDLE 模式来达到这个目的，例如一些非实时应用，像web浏览，即时通信等，总是存在一段时间，手机不需要不停的监听下行数据以及相关处理，那么DRX就可以应用到这样的情况，另外由于这个状态下依然存在RRC连接，因此UE要转到支持状态的速度非常快。
这里我们先介绍ACTIVE DRX，而IDLE DRX我打算放在呼叫那部分来介绍。
而要理解DRX，我们就必须理解下面要描述的几个定时器与概念（所有的时间都是基于子帧的，也就是ms为单位）：On duration TimerUE每次从DRX醒来后维持醒着的时间,UE在该段时间内会搜索PDCCH。
Inactivity TimerUE在醒着时每次成功解码HARQ初始发送的PDCCH后保持active的时间，它的意思就是，当UE收到的PDCCH指示的是一个UL/DL的初始传输，而不是重传。
UE在醒着时每次成功解码HARQ初始发送的PDCCH后保持active的时间Active TimeUE从DRX醒来后保持醒着的总时间，在此时间段，UE监听PDCCH，包括所有导致UE 处于ACTIVE的状态，比如是DRX周期开始“On Duration”，或者收到初始传输的PDCCH，或者是监听重传，等等，在36.321 5.7节，是这样定义ACTIVE TIME的，如果配置了DRX，那么ACTIVE Time 包括以下时间：∙onDurationTimer、drx-InactivityTimer、drx-RetransmissionTimer以及mac-ContentionResolutionTimer运行的时间，或者∙有SR（调度请求）已近发送到PUCCH，并且处于挂起的状态（也就是这个调度请求还没有满足，如此之类的）或者，∙对一个挂起的HARQ重传存在上行授权，并且在对应的HARQ 缓冲区里面有数据；或者∙在非竞争随机接入后，成功收到随机接入响应消息，此时应该有PDCCH发送给UE 指示一个新的传输，但是这个PDCCH还没有收到，此时UE还是必须处于ACTIVE状态HARQ RTT TimerUE预期DL Retransmission到达的最少间隔时间，也就是说重传最早会什么时候到，那么UE暂且不需要理会，也就是说这一段时间，改怎样就怎样，等到这个定时器超时了，那么它就要处于醒着的状态。
MAC协议-IEEE 802.11
802 .11 M AC 协议的应答与预留机制
•
802 .1 1 M AC 协议中通过立即主动确认机制和预留机制 来提高 性能 , 如图 所示。在主动确认机制中, 当目标节点收到一个发给它的有效数据 帧 ( DA T A ) 时 , 必须向 源节点发送一个应答帧 ( ACK ) , 确认 数据 已 被 正确接 收到。为了保证目标节点 在发 送 ACK 过程中不与其他节点 发生 冲突 , 目 标 节点 使用 SIFS 帧间 隔。
网络的 MAC 协议分为三类
( 1) 采用无线信道的时分复用方式 ( time division multiple access , TDMA ) , 给每个 传感器节点分配固定的无线信道使用时段 , 从而避免节点之间的相互干扰 ; ( 2) 采用无线信道的随机竞争方式 , 节点在需 要发送数据时随机 使用无 线信道 , 重点考 虑尽量减少节点间的干扰 ; ( 3) 其他 M AC 协议 , 如通过采用频分复用或 者码 分复用等 方式 , 实现节 点间无 冲突的 无线信道的分配。
网络能量浪费 的主要原因
( 1) 竞争方式使用共享无线信 道 , 引起多个 节点之间发送的数据产生 碰撞。 ( 2) 节点接收并处理不必要的数据。 ( 3) 过度的空闲侦听或者没必要的空闲侦听同 样会造成节点能量的浪费。 ( 4 ) 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。
基于竞争的 MAC 协议
• 基于竞争的随机访问 MAC 协议采 用按需 使用 信道 的方式 , 它 的基 本思 想是 当 节 点需要发送数据时 , 通过竞争方式使用无线 信道 , 如果 发送 的数据 产生 了碰 撞 , 就 按照 某种策略重发数据 , 直到数据发送成 功或放 弃发 送。
第3章-MAC协议
3.1.3．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。
三种帧间间隔
当信道空闲时间大于 DIFS时使用信道
DIFS
信道忙
DIFS PIFS SIFS
竞争窗口
退避窗口 时间槽
下一帧 时间
推迟发送
CSMA/CA的基本访问机制
二进制随机退避机制
随机退机制
3.3.2 S-MAC协议
（4）消息传递（分片传输机制）
如果在发送长信息时由于几个比特错误造成重传，则会造成 较大的延时和能量损耗，如果简单地将长包分段，则又会由 于RTS/CTS的使用形成过多的控制开销。基于此，SMAC提 出了“消息传递”机制。将长的信息包分成若干个DATA， 并将它们一次传递，但是只使用一个RTS/CTS控制分组作为 交互。节点为整个传输预留信道，当一个分段没有收到ACK 响应时，节点便自动将信道预留向后延长一个分段传输时间 ，并重传该分段，整个传输过程中DATA和ACK都带有通信 剩余时间信息，邻居节点可以根据此时间信息避免串扰。
传统网络的MAC协议不适用于WSN。
3.1.2 MAC协议设计面临的问题
①空闲监听：
因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己 的射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损 耗；
②冲突（碰撞）：
如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败 ，发送包被丢弃。此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉
mac协议是什么
mac协议是什么Mac协议是什么？Mac协议是一种数据链路层协议，全称为媒体访问控制协议（Media Access Control Protocol）。
它是一种在局域网中控制计算机对传输媒介的访问的协议。
在计算机网络中，数据链路层是OSI模型中的第二层，它负责在物理层上传输数据的同时，也负责控制数据的访问。
Mac协议的作用就是控制多台计算机在共享传输媒介时的访问顺序，以避免数据冲突和混乱。
Mac协议的主要功能包括帧同步、媒体访问控制、逻辑链路控制和物理地址寻址。
它通过一定的规则来管理多台计算机对传输媒介的访问，以确保数据的传输顺利进行。
在局域网中，常见的Mac协议包括CSMA/CD（载波监听多点接入/碰撞检测）、CSMA/CA（载波监听多点接入/碰撞避免）等。
CSMA/CD是一种常见的Mac协议，它通过不断监听传输媒介上的载波情况，来确定何时发送数据。
如果多台计算机同时发送数据，就会发生碰撞，此时CSMA/CD协议会立即停止发送数据，并进行重传。
这样可以有效避免数据冲突，提高数据传输的效率。
而CSMA/CA是另一种Mac协议，它在发送数据之前，会先发送一个RTS （请求发送）信号，然后等待接收方的CTS（清除发送）信号，确认可以发送数据后再进行传输。
这样可以有效避免碰撞，提高数据传输的可靠性。
总的来说，Mac协议在局域网中起着非常重要的作用。
它通过一系列的规则和机制，来控制多台计算机对传输媒介的访问，避免数据冲突和混乱，提高数据传输的效率和可靠性。
除了局域网中的Mac协议，无线局域网中也有自己的Mac协议，如802.11协议。
它定义了在无线网络中的数据传输规则，包括数据帧的格式、传输方式、信道管理等。
无线局域网中的Mac协议与有线局域网中的Mac协议有所不同，但其基本功能和作用是相似的，都是为了控制数据的访问，确保数据传输的顺利进行。
总之，Mac协议是一种在局域网中控制计算机对传输媒介的访问的协议，它通过一系列的规则和机制，来管理数据的传输，避免数据冲突和混乱，提高数据传输的效率和可靠性。
MAC协议概述
MAC协议概述
网络结点无线通信模块的状态： 1、发送状态（消耗能量最多） 2、接收状态 （消耗能量稍小于发送） 3、侦听状态（消耗能量稍小于发送） 4、睡眠状态（消耗能量最少） 因此，为了减少能量的消耗，传感器网络MAC协议采 用的策略是“侦听/睡眠”交替——当数据收发时，结点 开启通信模块进行发送或侦听；如果没有数据需要收发， 节点控制通信模块进入睡眠状态，从而减少空闲侦听造成 的能量消耗。
MAC协议概述
本课主要介绍第二种类型协议的一种典型——载 波侦听多路访问（CSMA）接入方式。 例如，在无线局域网IEEE 802.11 MAC协议的分布 式协调工作模式中，我们采用了带冲突避免的载 波侦听多路访问（CSMA/CA）协议。 所谓CSMA/CA机制是指在信号传输之前，发射机 先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意 味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存 在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。 下面介绍IEEE 802.11 MAC协议的内容。
MAC协议概述
设计MAC协议需要考虑的问题： （1）节省能量。 （2）可扩展性。 （3）网络效率。
MAC协议概述
传统网络MAC协议与传感器网络MAC协议不同之 处：
1、传统网络结点能连续地获得能量供应（如办公室的电 网供电），或者间断但及时地能量补充（如笔记本电脑和 手机等）。网络拓扑结构稳定，变化范围和频率较小。设 计时重点考虑使用带宽的公平性，提高带宽利用率和增加 网络实时性。 2、由于传感器节点本身不能自动补充能量或能量补充不 足，节约能量就成为了设计传感器网络MAC协议的首要考 虑因素。
MAC协议概述
MAC协议（Medium Access Control） ：通过 一组规则和过程来实现有效、有序和公平 地使用共享资源的一种介质访问控制协议。 产生背景：在无线传感器网络中，可能有多 个节点设备同时接入信道，导致分组之间 相互冲突，使接收方难以分辨出接受到的 数据，从而浪费了信道资源，导致网络吞 吐量的下降。为了解决这些问题，就需要 设计MAC协议。
MAC协议
MAC协议MAC协议全称是媒体访问控制协议(Media Access Control Protocol)，是指在计算机网络中，用于控制多个节点同时访问共享信道的协议。
其作用是协调传输站点之间的顺序，使得数据包能够顺利地传输并减少冲突的发生。
MAC协议是在数据链路层中实现的，主要功能有：选择合适的传输介质、规定帧的格式和访问方式、控制帧的传输以及解决帧冲突等。
MAC协议的设计必须考虑到多个节点同时访问共享信道的情况，并且要避免节点之间的冲突，以确保数据传输的顺利进行。
常见的MAC协议有以下几种：1. CSMA/CD协议：该协议是最常用的MAC协议之一，全称是“载波侦听多路访问/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)”。
它通过先监听信道是否被占用，然后再发送数据，以避免冲突的发生。
如果发生冲突，则发送方会采取一定的算法进行重传。
2. CSMA/CA协议：该协议是无线局域网中常见的MAC协议，全称是“载波侦听多路访问/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access/Coll ision Avoidance)”。
它采用了一些控制机制来减少冲突的发生，如网络分区、数据帧传输时间的随机化等。
3. TDMA协议：该协议采用时分多路复用的方式，将时间分成若干时隙，每个节点只有在自己的时隙内才能发送数据。
它可以保证数据传输的实时性和可靠性，但同时也会浪费一部分时隙资源。
4. Token Ring协议：该协议使用了令牌环的方式来规定节点之间的通信顺序。
只有当节点拥有令牌时，才能发送数据。
该协议可以有效避免冲突的发生，但同时也会增加系统的延迟。
总之，MAC协议在网络通信中起着至关重要的作用，它不仅可以保证通信的可靠性，还可以有效减少冲突的发生。
随着网络技术的不断发展，我们相信MAC协议也会不断进化和完善，以适应现代网络通信的需求。
第3章MAC协议
证数据在多跳路径上的连续传输
DMAC协议-关键技术1
交错调度机制
假设网络中的节点保持静止，且每个路由节点 有足够的存活时间，可以在较长时间内保持网 络路径不发生变化
将长的信息包分成若干个短的DATA段 所有DATA使用一个RTS／CTS控制分组占用信道 每个DATA都有ACK保障传输成功
RTS 21
Data 19
Data 17
...
CTS 20
ACK 18
ACK 16
Data 1
...
ACK 0
RTS 3
Data 3
Data 3
...
CTS 2
ACK 2
• 传感器网络的强大功能由众多节点协作实现。 多点通信在局部范围需要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。
无线传感器网络MAC协议
网络特征：
传感器节点能量受限 传感器节点失效概率大 传感器节点计算处理能力有限 通信带宽有限 以数据为中心 高密度、大规模随机分布 对MAC协议的设计提出了新的挑战！
优点
网络流量和规模变化自适应 网络拓扑变化自适应 算法较简单
典型协议
SMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift
竞争型MAC协议
• 典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多 路访问
(carrier sense multiple access, CSMA) • 无线局域网将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision
• A8收02到.11C允T许S 要帧发后送就数可据发的送站其对数信据道帧进。行 预约。
无线传感器网络的MAC协议全解
基于竞争的MAC层协议
T-MAC协议
解决早睡问题的方法之一——FRTSFuture Request To Send ◆节点C监听到B发送给A的CTS时;立即向D 发送FRTS;告知D所需等待时间;D睡眠后醒 来与C通信; ◆A在发送DS占用信道;DS与FRTS长度相同 无有效信息;DS发送后;A开始发送数据; ◆FRTS机制提高了网络吞吐量;增大了数据 量和碰撞概率
知其它可能隐蔽的站点的效果 避免了隐蔽站点造成的冲突
CSMA机制
MAC层CSMA/CA机制
数个节点进入退避阶段，如选择的退避时间一致，有可能会发生碰 撞，CSMA采用二进制指数退避机制规避再次碰撞。 ◆确定基本退避时间（基数），一般定为2T，即一个竞争窗口 ◆定义K为重传次数，K=min[重传次数，10] ◆从集合[0,1,2,···,2k-1]中，随机取出一个数R，令退避时间为 t=R×2T ◆如数据帧在重传16次后仍无法成功发送，则认为传输失败并报告 给高层协议
MAC层能耗来源
空闲侦听(Idlelistening)
◆射频模块处于活动状态会消耗大量的能源。这是节点能量消耗的 最主要来源，射频收发器处于接收模式时消耗的能量比其处于待命 模式多两个数量级。 ◆为避免冲突，节点也需要不断的侦听信道，查询信道是否被占用。 空闲侦听的代价也是很大的。
MAC层能耗来源
DMAC协议基本机制
基于竞争的MAC层协议
DMAC协议
自适应忙闲比机制
◆如果节点在一个发送周期内有多个数据包要发送，就需要该节 点和树状路径上的上层节点一起加大发送周期占空比 ◆通过在MAC层数据帧的帧头加入一个标记(more data flag)，以较小 的控制开销发送占空比更新请求。在ACK帧中加入同样的标记位 ◆节点提高忙闲比的条件：节点将相关标志位置1，或收到了该标 志位置1的ACK帧，传输路径上的节点依次提高忙闲比，增加了网 络的数据传输量。
第3章 MAC协议
竞争协议无需全局网络信息，扩展性好，易于实现，但能耗大；调度协议没有冲突，因而节省能量， 但难于调整帧长度和时隙分配，难以处理拓扑结构变化，扩展性差，时钟同步精度要求高；混合MAC 协议具有上述两种MAC协议的优点，但通常比较复杂，实现难度大。
（2）根据MAC协议使用的信道数目可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。
如图3-1所示，节点A希望向节点B发送数据，节点C在A的无线通信范围内，节点D在节点B的无线通信范围内，但 不在节点A的无线通信范围内。 节点A首先向节点 B发送一个请求帧（request-to-send，RTS），节点B返回一个清除帧（clear-to-send，CTS） 进行应答。 在这两个帧中都有一个字段表示这次数据交换需要的时间长度，称为网络分配矢量（network allocation vector， NAV），其他帧的MAC头也会捎带这一信息。 节点C和 D在侦听到这个信息后，就不再发送任何数据，直到这次数据交换完成为止。NAV可看作一个计数器，以 均匀速率递减计数到零。当计数器为零时，虚拟载波侦听指示信道为空闲状态；否则，指示信道为忙状态。
无线传感网中能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗。其中通信能耗 所占比重远大于计算能耗，通信部件和计算部件的功耗比通常在1000倍以上。因 此减少MAC协议通信中的能量浪费，是延长网络生存时间的有效手段。
无线传感网MAC协议设计面临的问题
通信过程中造成能量损耗主要体现在以下几方面：
在无线传感网络中，MAC协议决定无线信道的使用方式。通过在传感器节点之间分配和共享 有限的无线信道资源，MAC协议构建起无线传感器网络通信系统的底层基础结构。由于多个 节点共享无线信道，且无线传感器网络通常采用多跳通信方式，因此MAC协议要解决隐藏终 端和暴露终端问题，使用分布式控制机制实现信道资源共享。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1．基本思想
(1)采用周期性睡眠和监听方法减少空闲监听带来的能量损耗 。对周期性睡眠和监听的调度进行同步，同步节点采用相同 的调度，形成虚拟簇，同时进行周期性睡眠和监听，适合多 跳网络。 (2)当节点正在发送数据时，根据数据帧特殊字段让每个与此 次通信无关的邻居节点进入睡眠状态，减少串扰带来的能量 损耗。 (3)采用消息传递机制，减少控制数据带来的能量损耗。
WSN中能量消耗的主要环节
1、空闲监听 2、冲突 3、串扰 4、控制开销
3.1 概述
在无线传感器网络中，介质访问控制（medium access control，MAC）协议决定无线信道的使用方式，在传感器节 点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统 的底层基础结构。 MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的 性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网 络协议之一。 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，而传感器网络的强大功能是由众多节 点协作实现的。多点通信在局部范围需要 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。
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）。
第4章 MAC协议
（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。
3.1.3．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。
（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）。
如果节点只有这一个邻居、那么节点放弃自己当前的调度方式，选择新的 调度方式； 如果节点还有其他邻居，那节点将融合这两种调度方式，即保持更大种调度方式的节 点位于簇与簇的交界处，是簇的边界节点。
（2）自适应监听
传感器网络往往来用多跳通信，而节点的周期性睡眠会导致 通信延迟的累加。为了减少通信延迟的累加效应，S-MAC采 用了一种流量自适应监听机制。其基本思想是在一次通信过 程中，通信节点的邻居在此次通信结束后唤醒并保持监听一 段时间。如果节点在这段时间接收到RTS帧，则可以立即接 收数据，而不需要等到下一个监听周期，从而减少了数据传 输延迟。
TRAMA
D-MAC Z-MAC
2003
2004 2005
分配性
分配性 混合性
是
是 是
TDMA/CSMA
TDMA/Sloted ALOHA TDMA/CSMA
3.3 几种经典MAC协议
3.3.1 802.11MAC协议 3.3.2 S-MAC协议 3.3.3 T-MAC协议 3.3.4 WiseMAC 协议 3.3.5 Sift协议
传统网络的MAC协议不适用于WSN。
3.1.2 MAC协议设计面临的问题
①空闲监听：
因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己 的射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损 耗；
②冲突（碰撞）：
如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败 ，发送包被丢弃。此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉
2．关键技术
（1）周期性监听和睡眠
侦听 睡眠 侦听 睡眠 侦听 睡眠
同步的维持
侦听 接收者 SYNC阶段 SYNC 发送者1 监听 RTS 发送者2 监听 SYNC 发送者3 监听 监听 RTS 接收CTS，发送数据 接收CTS，发送数据 休眠 RTS阶段 休眠
图 接收节点和发送节点的关系
①节点首先监听一个固定的时间段，其长度至少是一个调度周期。如果 在该时间段内节点没有接收到邻居发来用于同步的SYNC数据包，节点 马上选择一个本地默认的调度方式。同时，节点将自己的调度方式以 SYNC数据包的形式进行广播，SYNC数据包的发送使用CSMA/CA机制 。 ②如果节点在开始监听的固定时间段内接收到邻居发来的SYNC数据包 ，节点存储该调度方式信息，并采用此调度方式进行周期性监听和睡眠 。在以后的调度周期中，也广播自己采用的调度方式。 ③如果节点在开始周期性调度后，接收到不同调度方式的SYNC数据包 。有两种情形：
基于竞争的MAC协议有如下优点：
①由于基于竞争的MAC协议是根据需要分配信道，所以这种协议能 较好地满足节点数量和网络负载的变化； ②基于竞争的MAC协议能较好地适应网络拓扑的变化； ③基于竞争的MAC协议不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法
3.3.1 802.11协议
IEEE802.11MAC协议有分布式协调DCF和点协调（point coordination function，PCF）两种访问控制方式，其中DCF 方式是IEEE802.11协议的基本访问控制方式。 在DCF工作方式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用 CSMA/CA机制和随机退避时间，实现无线信道的共享。另 外，所有定向通信都采用立即的主动确认（ACK帧）机制： 如果没有收到ACK帧，则发送方会重传数据。 PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的控 制方式。它通过访问接入点（access point，AP）协调节点 的数据收发，通过轮询方式查询当前哪些节点有数据发送的 请求，并在必要时给予数据发送权
MAC协议分类
各种MAC协议方案的比较
协议方案 S-MAC T-MAC P-MAC WiseMAC Sift SMACS 出现时间 2002 2003 2005 2004 2003 2000 类型 竞争型 竞争型 竞争型 竞争型 竞争型 分配性 需要精确同步 否 否 否 否 否 是 信道接入机制 CSMA CSMA CSMA CSMA CSMA TDMA/FDMA
RTS请求发送分组 CTS清除发送分组 NAV网络分配矢量
三种帧间间隔
三种帧间间隔分别为： （1）SIFS（shortIFS）：最短帧间间隔。使用 SIFS的帧优 先级最高，用于需要立即响应的服务，如ACK帧、CTS帧和 控制帧等。 （2）PIFS（PCFIFS）：PCF方式下节点使用的帧间间隔 ，用以获得在无竞争访问周期启动时访问信道的优先权。 （3）DIFS（DCFIFS）：DCF方式下节点使用的帧间间隔 ，用以发送数据帧和管理帧。 上述各帧间间隔满足关系：DIFS>PIFS>SIFS。
通信模式分为四种：
（1）广播模式： （2）会聚模式： （3）本地通信： （4）多播模式：
3.1.4. 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： 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
（3）串扰避免
S-MAC协议中，在RTS/CTS帧中部带有目的地址和本次通 信的持续时间信息，接收到该帧后，如果发现目的地址不是 本地地址，节点马上进入睡眠状态，并将此次通信的持续时 间存储到本地的NAV(Network Vacation Vector)中。NAV会 随着本地时钟的运行递减。在NAV值非零期间节点都处于睡 眠状态，这就很大程度避免了串扰数据包的接收，减少了能 量损耗。 S-MAC采用物理侦听，防止了冲突解决了隐藏节点的问题； 采用虚拟侦听，节点收到NAV的时候，立刻进入休眠状态， 解决了串音问题。
第三章 MAC协议
3.1 概述 3.2 协议分类 3.3 几种经典MAC协议
1
MAC协议
数据链路层功能：将物理层提供的可能出错的物理链接改造 成逻辑上无差错的链路，同时提供流量控制功能，保证慢接 受方不被快发送方淹没。 MAC协议：解决无线信道合理共享问题，直接影响整个网 络性能。
3.2 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。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）根据控制方式：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：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。