第3章 无线传感器网络的MAC协议 郑军 机械工业出版社
无线传感网2
刘 强 仲伟冲
无线传感器网络MAC协议的特点
如同其它的介质共享的网络一样, 介质接人控制是保 证网络有效运行的一项重要技术。MAC协议的一项基本任务 就是解决多个节点对共享介质的接入控制问题, 避免相关 节点的冲突。具体对于无线传感器网络而言, 要想设计一 个性能良好的MAC协议,我们必须考虑以下几点： （1）耗能效率 （2）网络规模
(2)基于TDMA的MAC协议 该类协议基于介质的预留与调度, 因为它的任务 周期较小而且没有冲突和控制开销, 所以较基于竞争 的协议有着节能上的优势。但是使用该类协议, 节点 要形成物理上的簇进行通信。大部分节点的通信也会 受到簇的限制。同时, 簇内的通信与干扰的管理也是 一项复杂的工作, 而且随着簇内节点数目的变化, 动 态改变侦长度和时隙配置也不简单, 因此, 使用该种 协议时网络的稳健性以及协议实现的简单性将不如基 于竞争的一系列协议。
由于睡眠的引人,节点不一定能及时传输数据,而使网络的时 延有所上升,吞 吐量有所下降。另外,SMAC的不足之处在于: 节点的任务周期在开 始工作时就已经确定下来,不能根据网 络中的业务量变化进行调整。该协议是接下来多个协议的基 础,同时它的这个不足也成为后来 一 些协议改进的突破口。
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自适应睡眠的SMAC
该种机制中,如果节点在进人睡眠之前串听到了邻居节点的传输(理想状 态是只听到RTS/CTS),则根据其中的DURING字段判断此次传输所需要的时间, 然后在相应的 时间后醒来 一 小段 时 间 (该小段时间称为自适应听间隔)。如 果此时发现自己恰好是传输的下一跳 节 点,则 它 的邻 居 节 点 便可 以 立 即 传送 数据 给 它 而不 必 再去 等 待进 度 表 中侦 听 时 间 到 来。如 果节点在 此段时间没有收到 任何数据,即不是当前传输的下一跳节点,而它将返回睡眠 状态直到调度表中的侦听时间到来。值 得 注 意 的是,自适应听间隔不包括发 送同步分组的 时间。因为同步分组只在调度表的侦听时 间 内发送以确保所 有 的邻居节点都可以收到,达到同步的目的。在时延方面,由于节点性能随着 传输自适应 醒 来,所以该协议显然优于SMAC,尤其是在跳数较多的情况下。同 时在网络负载相对较小时,自适应睡眠的smac的耗能也将比smac小很多。而 吞吐量方面,虽然自适应睡眠的SMAC会随负载的减小而减小,但总体仍会优于 SMAC。
无线传感器网络的MAC协议全解
基于竞争的MAC层协议
S-MAC协议
基于竞争的MAC层协议
有“自适应侦听”机制的S-MAC协议
◆节点A、B确立通信关系时，节点C通过B的CTS帧内duration(持续 时间)字段得知信道通信结束时间。 ◆在节点A、B传输结束时，C立即唤醒自己，与B建立通信关系。 ◆两跳外的节点不参与其中。 ◆优点：提高通信效率。 ◆缺点：所有接收到RTS和CTS帧的节点，都会被唤醒，增加了能 耗和串音的几率；缺乏多跳感知能力。
基于竞争的MAC层协议
DMAC协议
数据预测机制
◆在数据采集树中，越靠近上层的节点，汇聚的数据越多，对树的 底层节点适合的占空比不一定适合中间节点 ◆如果一个节点（父节点）在接收状态下接收到一个数据包，该节 点预测子节点仍有数据等待发送。在发送周期结束后再等待3μ个周 期，节点重新切换到接收状态 ◆在前一周期竞争信道失败的子节点侦听到父节点的ACK帧，知道 父节点将在3μ后醒来，据此调整自身调度计划，在3μ后唤醒自己与 父节点建立通信
基于竞争的MAC层协议
B-MAC协议
S-MAC协议采用忙闲比模式，忙闲比模式在能耗方面主要问题： 1、节点需要定期发送消息，如SMAC中的SYNC数据包； 2、节点在侦听期间需要开启接收机等待可能到来的数据包。
B-MAC协议基于两种机制： ◆低功耗侦听（Low Power Listening，LPL）的休眠/唤醒调度机制， 也称前同步码采样机制 ◆空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA）机制
基于竞争的MAC层协议
DMAC协议
DMAC（Dynamic SMAC）基于SMAC和TMAC思想，采用预先分配方法 来避免睡眠延迟，在信道分配方面引入一种交错呼醒机制。
无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC
无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC摘要：无线传感器网络是一种新兴的网络技术，它的出现使得环境智能成为现实。
它是由一些微小的节点在特设环境中彼此连接，并相互配合，而形成的一个网络。
它具有广泛的应用，例如入侵者警报和跟踪，环境监测，工业过程监测和战术系统等潜在领域。
然而，当无线网络在地势陡峻的地方传播时，为了实现地区全覆盖就需要使用大量的无线传感器，但它们的电池一旦耗尽时要想更换就很困难。
所以节能对于传感器网络是非常必要的特别是在MAC层水平。
现已经提出了多种针对不同目标的MAC协议的无线传感器网络。
在各种协议中SMAC就是其中一个简单修改的成果。
SMAC有静态睡眠时间表同时TMAC有动态睡眠时间表。
在本文中，我们首先概述了无线传感器网络的基础知识，然后我们讨论了MAC层的性能特征，在随后的一节中概括了WSN中能源浪费的原因。
紧接着描述了 i.e SMAC 和TMAC两个协议的各自的优缺点。
最后，在结束之前，根据无线传感器网络与SMAC 和TMAC有关的各种设计过程都包含在文章中。
关键词：无线传感器网络，环境智能，MAC层，能源废物，SMAC，TMAC1.引言在开始介绍无线传感器网络前，我们需要了解为无线传感器网络发明铺平道路的要求和条件。
通常情况下在我们的工作场所我们所使用的系统，主要包括个人电脑，笔记本电脑，电脑，智能手机和平板电脑等。
这些系统都是建立在“人 - 系统”互动的概念上的。
在这种人与信息处理系统交流互动的系统中。
整个装置是间接连接到物理环境的。
由用户和用户交流系统读取物理环境。
另一方面，系统的装置与物理环境相互作用，并自行调整。
在图1和图2中描绘了这两个方案。
系统人环境图 1 人机交互系统环境人图 2 系统环境交互正如我们从图1和图2中观察到的，系统本身能够与环境相互作用，这就是我们所说的“嵌入式系统”。
例如洗衣机，微波炉，化学工艺厂或高炉温度调节装置。
由于科技发展了我们的能力让我们产生了这样一种感觉，大机器也有把它传授给小型设备和对我们的日常生活相关的东西的渴望。
第3章 无线传感器网络的MAC协议汇总
节点的休眠调度问题
要解决的问题 每个周期侦听多次时间 侦听的时间过长，能量浪费; 侦听时间过短，增大传输迟延 需要协调各节点的侦听和休眠周期，使收发节点保持 同步，避免节点在休眠时错过发送给它的数据
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协议的复杂度问题
如果协议设计得过于复杂，这种协议开销就会非常大， 将造成很大的能量浪费
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复杂度与性能间的折中问题
在复杂度与性能之间寻找最佳折中方案
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性能指标间的折中问题
为了降低功耗，可能会增大消息或数据的迟延
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3.3 无线传感器网络的MAC协议
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3.3.1竞争型MAC协议
S-MAC 竞争型
T-MAC
WSN MAC协议 非竞争型
SMACS
DEANA
混合型
Funneling-MAC
每个DATA都有ACK保障传输成功
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优点：
1. 减少了节点空闲监听的能量损耗
2. 减少了串扰和控制数据包带来的能量损耗
多跳通信网络中，节点的周期性休眠会导致通信延迟 的累加
流量自适应监听机制：
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。
优点：减少了两个节点间的数据传输延迟
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SMAC协议关键技术--消息冲突与串扰避免
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无线传感器网络概论第3章 无线传感器网络的数据链路层
4. 公平性
5. 可扩展性
6. 信道共享问题
3.2 MAC协议概述 3.2.1 MAC协议基础
在无线传感器网络中，MAC协议决定了无线信道分 配给节点的方式，在无线传感器网络内的节点之间分配 无线通信资源。MAC协议基础主要包括：
1. 信道接入机制 2. 隐终端和暴露终端 3. MAC协议的分类 4. 无线传感器网络对MAC协议设计的影响因素 5. MAC协议的设计 6. MAC层状态转换的实现 7. 主要能量消耗分析
（2）流量自适应侦听机制
（3）碰撞和串音避免
（4）消息传递技术
3.2 MAC协议概述
3.2.2 基于竞争的MAC协议
4． T-MAC（Timeout-MAC）协议
T-MAC协议产生了一种根据负载调整活动时间同 时整个周期长度不变的工作机制。 T-MAC协议在节点 活动的时隙内插入了一个TA时隙，若TA时隙之间没有 发生任何一个激活事件，则活动结束，进入睡眠状态。 节点周期性唤醒进行侦听，在唤醒的时间周期内，如 果节点没有任何活动，则继续进入休眠状态。过程如 下图所示。
本章目录
3.1 无线传感器网络数据链路层概述 3.2 MAC协议概述
3.1 无线传感器网络数据链路层概述
3.1.1 数据链路层的功能
数据链路层主要负责数据流的复用技术、数据帧检 测技术、介质访问接入技术和差错控制技术，实现接入 控制以及在节点之间建立可靠的通信链路。
数据链路层就是将PHY的物理连接链路转换成逻辑 连接链路，在这个过程中利用了PHY提供的数据传输功 能，形成一条正确的、可靠的链路。数据链路层同时也 向它的上层，即网络层提供透明的数据传送服务，主要 包括数据流多路复用、数据帧监测、媒体介入和差错控 制，使得无线传感器网络内点到点、点到多点都能顺利 连接。
无线传感网络MAC协议
Data prediction
问题：如果节点C有两个子节点(A，B),都有一个数据需 要发送，如果A通过竞争方式获得信道，并且发送数据，这 个数据是没有被标注more data flag,此时节点C就会睡眠， 导致节点B只能在下个周期发送数据，造成传输延迟。 解决方法：节点C在接受到节点A的数据之后，默认假设节点 A还会有数据要传输给它，因此它会先睡眠3u个时间，然后 醒来看有没有数据传送给它，如果没有，则进入睡眠状态， 直到下个周期才醒过来。对于节点B，它在竞争失败进入退 避时，如果收到一个ACK，他就知道有其他节点给节点C发送 了数据，并且节点C会在3u时间后醒过来，那么节点B先睡眠 3u，然后再醒过来发送数据
其他的基于竞争的协议 ■ AC-MAC ■ TEA-MAC ■ asTEA-MAC ■ Sift ■…
小结
这类协议是基于节点的需求，节点有数据要发送时，通过 竞争信道的方式获得发送权，对网络拓扑的改变有较强的 适应性。然而这种接入方式会导致数据传输时冲突的发生 导致数据重传而浪费能量。通过睡眠的方法能够很大程度 上降低空闲侦听所消耗的能量，但会导致一定的时延。
无线传感器网络on) 基于非竞争的协议(contention free) 其它类型的MAC协议
基于竞争的协议
1.IEEE 802.11 MAC 协议
IEEE 802.11协议主要有分布式协调DCF和点协调PCF两种 基本访问控制方式，其中DCF方式是IEEE 802.11的基本控 制方式。
DMAC在数据MAC头标注了一个more data flag用来暗示还 有待传数据，接受方如果收到数据，发现标注了more data flag他会延长自己的活跃时间并且会在ACK上也标注 more data flag. 节点决定延长活跃时间有两个条件： 1.节点发送了一个标注more data flag的数据包并且收到 一个标注more data flag的ACK。 2.节点收到了一个标注more data flag的数据包
3--无线传感器网络技术MAC协议
典型协议
SMACS、TRAMA、DMAC、BMAC
SMACS协议-基本思想1
结合TDMA、FDMA的基本思想
假设每个节点都能在多个载波频点上进行切换
将每个双向信道定义为两个时间段 发现邻居后立即分配信道 每个链路都分配一个随机选择的频点，相邻链路 都有不同的工作频点
SMACS协议-关键技术1
串扰避免
虚拟载波监听（控制信息）
信道忙时睡眠，避免接收串扰数据包
SMAC协议-关键技术3
消息传递
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
SMAC协议-算法描述1
GSA算法
减少网络中的调度方式，以减少边界节点的能量损耗抢占，CSMA方式（载波侦听多路访问） CSMA/CA主要使用兩種方法來避免碰撞： 送出资料前，侦听媒体状态，等沒有人使用媒体，维持一段時间后，再等待一段 随机的時間后依然沒有人使用，才送出资料。由於每個裝置采用的随机時间不同， 所以可以减少碰撞的机会。 送出资料前，先送一段小小的请求传送封包（RTS : Request to Send）給目标 端，等待目标端回应封包後，才开始传送 按需分配
Contend RTS CTS DATA ACK
B
C
Contend
Contend
D
Active FRTS TA
Active RTS
图 3-7 FRTS帧交换
TMAC协议-关键技术4
A
早睡问题解决办法
满缓冲区优先
无线传感网络Z-MAC协议
Z-MAC引言载波侦听多址访问协议(CSMA, Carrier Sense Multiple Access)常用的无线网络MAC 协议，由于其简单性、灵活性以及强壮性使得其非常流行。
与其它MAC协议相比，CSMA 对基础设施要求简单，不需要时钟同步，同时也不需要全网的拓扑信息，对于节点加入网络与退出网络，不需要任何额外操作就可以表现出很强的适应性.但是，这些优点是由接入尝试和传输错误作为代价的。
节点通过竞争方式进行抢占信道使用权，当有多个节点同时发送数据时，就会发生数据碰撞，并且要消耗部分能量。
CSMA 对于碰撞发生的可控范围为一跳相邻区域，对于一跳范围以外就不能发挥作用了。
对于数据在一跳范围以外发生碰撞的节点，称为隐含终端。
隐含终端问题将增加数据传输冲突发生的概率，数据流量越大，碰撞概率越大，吞吐量会严重下降，导致时延增加，这对网络性能的发挥有着严重的影响。
为了减轻因为隐含终端所导致的问题，CSMA 中加入了RTS/CTS 握手机制然而RTS/CTS 所占信道容量较高，其范围为40%-75%，严重增加了网络数据传输控制开销，这对于有限的无线信道容量来说是非常大的浪费。
时分多址(TDMA)协议的设计目的在于避免据传输过程中发生的冲突。
各节点使用自己的时隙，不同节点数据发送接收互不干扰，有效的解决了隐含终端的问题。
因为不需要RTS/CTS 握手机制，所以不会增加传输控制消息外开销。
但是TDMA 协议也有如下缺点：一、如何按照某一种扩展方式进行高效时间安排并非易事，中心节点要在保证并发性强、信道复用度高的情况下来寻找合理的传输时间安排，来避免碰撞的发生；二、TDMA 协议的特点，使得其对于时钟同步要求较高；三、由于电池能量消耗导致节点退网络、新的节点加入网络、物理因素导致的信道变化，都会导致WSN 网络拓扑发生变化，而TDMA协议对拓扑动态变化适应性较差；四、当数据流量低时，节点只能选择自己占有的时隙来进行数据发送。
无线传感器网络MAC协议
MAC协议：在WSN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。
多点通信在局部范围内需要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。
在设计WSN的MAC协议时，需要着重考虑一下几个方面：A、节省能量。
MAC协议应在满足应用要求的前提下，尽量节省使用节点的能量。
B、可扩展性。
由于WSN的拓扑结构具有动态性，因此MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。
C、网络效率。
包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。
而在WSN中，人们总结出可能导致网络能量浪费的主要原因如下：一、如果MAC协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的过程中，可能会引起多个节点发送数据的碰撞，这就需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。
二、节点接受并处理不必要的数据。
这种串音（overhearing）现象导致无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。
三、节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听（idle listening），以便接受可能传输给自己的数据。
四、在控制节点间信道分配时，如果控制信息过多，也会消耗较多的网络能量。
传感器节点无线通信模块的状态包括发送状态、接受状态、侦听状态和睡眠状态。
能量消耗依次减少，因此通常采用“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，节点就控制无线通信模块进入睡眠状态。
部分学者提出引入休眠机制来减少能量消耗、串音和冲突的发生，但这是以牺牲信息时延为代价的。
当然，MAC协议应该简单高效，避免协议本身开销大、消耗过多的能量。
下面重点介绍传感器协议(S-MAC协议)。
传感器协议（S—MAC协议）S—MAC协议设计的主要目的是节能。
无线传感器网络MAC协议64页文档
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇
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MAC层能量浪费的主要来源
1. 冲突 分组出错或丢失 重传分组 2. 串音 传感器节点接收到 发往其他节点的分组数据或消息
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3. 空闲侦听 为了接收可能来到的数据，侦听无线信道，而网络中实际上 并没有数据在传送 IEEE802.11 2Mbit/s，空闲侦听、接收、发送所消耗的能量 比率为1:2:2.5
1. 提高能量效率 降低“成功传输单位数据所消耗的能量” 2. 提高可扩展性 MAC协议适应网络大小变化的能力 3. 提高适应性 适应节点密度和网络拓扑变化的能力 4. 提向信道利用率 用于有效通信的带宽利用率
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3.2.1 设计目标
5. 降低端到端传输迟延。 源节点发送一个分组到目的节点，成功接收该分组所经历的 迟延。 6. 提高吞吐量。 单位时间内发送节点向接收节点成功传输的数据量 7. 保证公平性 公平性是指不同传感器节点公平地获得共享公共传输信道的 机会
多跳通信网络中，节点的周期性休眠会导致通信延迟 的累加
流量自适应监听机制：
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。
优点：减少了两个节点间的数据传输延迟
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SMAC协议关键技术--消息冲突与串扰避免
每个DATA都有ACK保障传输成功
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。
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SMAC协议
优点：
1. 减少了节点空闲监听的能量损耗
2. 减少了串扰和控制数据包带来的能量损耗
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非竞争型MAC协议
采用固定使用信道的方式，将共享信道根据时间、频率或伪噪 声码划分成一组子信道，并将这些子信道分配给各节点，使得 每一个节点拥有一个专用的子信道，用于数据的发送。 相互不干扰 避免冲突 时分多路接入(TDMA)、频分多路接入(FDMA)和码分多路接入 (CDMA)协议
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SMAC协议关键技术----长消息传递机制
发送长信息时存在的问题：
几个比特错误造成重传
简单地将长包分段，RTS/CTS的使用形成过多的控制开销
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SMAC协议关键技术----长消息传递机制
SMAC提出了“消息传递”机制：
将长的信息包分成若干个短的DATA段
所有DATA使用一次“RTS/CTS”控制分组 占用信道
4. 控制开销
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3.2.3 MAC协议设计的技术挑战
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节点的休眠调度问题
在传感器节点中，无线通信模块的状态： 发送、接收、侦听 和休眠 单位时间内消耗的能量依次递减 为了保证节点能够及时地接收到发送给它的数据，无线传感 器网络MAC协议通常采用“侦听/休眠”交替的机制访问无线 信道
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15
CSMA/CA的改进：冲突避免多路接入协议 (Multiple Aecess with Collision Avoidance，MACA)
在RTS和CTS报文中增加了一个附加的域，用来指示所需传送的 数据量，从而使其他节点能够了解所需退避的时间。
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无线传感器网络MAC协议
竞争型 非竞争型 混合型
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S-MAC 竞争型
T-MAC WSN
MAC协议 非竞争型 DEANA 混合型 Funneling-MAC SMACS
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SMAC协议(Sensor MAC)
802.11 MAC协议+能量效率 SMAC协议基本思想 周期性睡眠和监听 串扰避免 长消息传递
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SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听
扰避免机制 长消息传递机制
缺点：
额外的延迟，减小了系统吞吐量
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S-MAC 竞争型
T-MAC WSN
MAC协议 非竞争型 DEANA 混合型 Funneling-MAC SMACS
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TMAC协议(Timeout MAC)
SMAC协议缺陷：侦听/休眠调度占空比固定，不能很 好的适应网络流量的变化 。
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无线传感器网络也可以采用非竞争型MAC协议 TDMA DEANE、SMACS、DE-MAC、TRAMA协议
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无线传感器网络MAC协议
竞争型 非竞争型 混合型
23
3.2无线传感器网络MAC协议设计
协调多个节点对共享媒体的访问，避免来自不同节点数据之间 的冲突
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3.2.1 设计目标
Ta :决定了每个节点在一个调度周期中进行空闲 监昕的最短时间。
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图 3-4 TMAC基本机制
TMAC协议-基本思想
T- MAC协议和S-MAC 协议的休眠机制比较
图 3-4 TMAC基本机制
Ta :决定了每个节点在一个调度周期中进行空闲监听的最短时间
52
TMAC协议-关键技术
周期性监听同步
侦听和休眠的时间的合理长度与网络负载的大小有关
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TMAC协议-基本思想
动态调整调度周期中的活跃时间长度 各节点周期性地被唤醒，进入活动期
传送数据时，各节点采用RTS-CTS-DATA-ACK 的过程
如果在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠
在活动期间，可发送数据；
在休眠期间，节点如果有数据消息需要发迭，则必须等到下一 个活动期到来后再进行。
发送数据时，节点先侦听信道 当侦听到信道忙时，仍坚持侦听，一直侦听到信道空闲为止 当侦听到信道空闲后，节点可以采用2种不同的策略发送数据 ： 1-坚持CSMA 1-坚持CSMA 以概率1，立即发送数据 p-坚持CSMA
优点： p坚持CSMA 能够充分抓紧时间发送数据。 以概率p发送数据，以概率(1-p)延迟 一段时间，再重新侦听信道 缺点： 若有两个或多个节点同时在侦听 信道，则一旦信道空闲，这些节 点都会立即发送数据
第 3 章
无线传感器网络的MAC协议
1
传统无线网络中使用的MAC协议无法直接所用于无线传感器 网络 首先考虑网络的能量效率
2
3.1.1无线传感器网络MAC协议的特点
无线信道通信的带来的问题 频谱资源有限 多个传感器节点同时访问信道时，会导致数据之间的相 互冲突
必须采用有效的MAC协议
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3.2.2 节能设计
数据通信是能量消耗最主要的来源 100m的距离上发送1kbit的数据需要消耗3J的能量 一个具有每秒处理100万条指令能力的通用处理器用3J能量 能够处理300万条指令
传感器节点要先利用其处理能力先对数据进行局部、简单的处 理，然后再将经过部分处理后的数据传送给汇聚节点
SMAC协议中，在RTS/CTS帧中都带有目的地址和本 次通信的持续时间信息
节点接收到RTS/CTS帧后，如果发现目的地址不是自 己的地址
节点马上进入睡眠状态 将此次邻居节点间通信的持续时间存储到本地的网络分配 向量(NAV)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
延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧
节点上电启动后，要监听一段时间
如果该时间段内节点没有接收到SYNC帧，则节点自行选择一个 默认的调度方式，并通过SYNC 帧广播该调度方式。 如果时间段内节点接收到SYNC帧，则节点采用该SYNC帧中指明 调度方式
如果节点接收到不同的调度方式，节点调整调度
使用“全监听周期”，发现邻居
53
TMAC协议-关键技术--RTS操作
当节点发送RTS帧后，如果没有接收到相应的CTS帧，可能 的原因: ⑴ 接收节点处发生碰撞，没能正确接收RTS帧 ⑵ 接收节点处于睡眠状态
节点的休眠调度问题
要解决的问题 每个周期侦听多次时间 侦听的时间过长，能量浪费; 侦听时间过短，增大传输迟延 需要协调各节点的侦听和休眠周期，使收发节点保持 同步，避免节点在休眠时错过发送给它的数据
32
协议的复杂度问题
如果协议设计得过于复杂，这种协议开销就会非常大， 将造成很大的能量浪费
13
CSMA/CD协议
增加冲突检测 IEEE802.3标准 优点：发生冲突时，可以使信道很快地空闲下来 缺点： 节点必须能够同时接收和发送无线信号，增加节点成本 无线网络中，存在“隐终端问题”
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CSMA/CA协议
多跳的无线网络 CSMA/CA 在发送数据前，发送端先向接收端发送一个请求发送报文 (Request-To-Send，RTS)； 若信道空闲，接收端就响应一个允许发送报文(Clear-ToSend，CTS)； 然后开始传送。 通过一个RTS/CTS握手过程，可以使收发双方的相邻节点都能 够了解到信道上即将要进行的数据传送，从而及时退避，避免 发生冲突。
避免存在“节点互相发现不了对方”
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SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听
SMAC协议将监听时间分为两段
发送/接收SYNC包
发送/接收RTS和接收/发送CTS
41
SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听