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1、一、无线传感器网络一、无线传感器网络 MACMAC 协议有哪些基本分类，各有哪些典型的协协议有哪些基本分类，各有哪些典型的协 议，每种协议的特点是什么？议，每种协议的特点是什么？目前的 MAC 协议，主要是分为三类：随机竞争类 MAC 协议，固定分配类 MAC协议，混合型 MAC 协议。下面按照上述分类简单介绍几种主要的无线传感器网络 MAC 协议。 随机竞争类 MAC 协议1、带冲突避免的载波侦听多路访问 MAC 层协议（CSMA/CA）为发尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各节点无序地争用无线信道，提出 CSMA/CA 协议2，它主要是应用于无线局域网 IEEE 802.11MAC 协
2、议的分布式协调工作模式下的一种协议。在节点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。此类协议实现简单，易于扩展，但冲突会导致能量浪费，时延难以估计。IEEE 802.11 MAC 协议规定了三种基本帧间间隔，用来提供访问无线信道的优先级。分别为：最短帧间间隔 SIFS，用于需要立即响应的服务如 ACK 帧等。PCF 方式下使用的帧间间隔（PIFS），用以获得在无竞争访问周期启动时访问信道的优先权。DCF 方式下使用的帧间间隔，用以发送数据帧和管理帧。传统的载波侦听多路访问（CSMA）协议不适合传感器，当一个节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状态。如果信
3、道空闲，而且经过一个帧间间隔 DIF 后，信道仍然空闲，则站点开始发送信息。如果信道忙，要一直侦听到信道的空闲时间超过 DIFS。当信道最终空闲下来时，节点进一步使用二进制退避算法，来避免发生碰撞。节点进入退避状态时，启动一个退避计时器，当计时到达退避时间后结束退避状态。802.11MAC 协议中通过立即主动确认机制和预留机制来提高性能。2、S-MAC 协议S-MAC（Self-organizing MAC）协议3是在 802.11 MAC 协议基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络 MAC 协议。S-MAC 协议采用以下机制：周期性侦听/睡眠的低占空比工作方式，控制节点尽可能
4、处于睡眠状态来降低节点能量的消耗。邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少节点的空闲侦听时间。通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟。采用带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据。通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传输延迟。S-MAC 协议减少了空闲侦听所消耗的能源，但是不足之处在于：节点的工作循环周期在协议开始工作时就已确定下来，不能根据网络中的业务量的变化来进行调整。3、T-MAC 协议T-MAC（Timeout MAC）协议4是在 S-MAC 协议的基础上提出来的。S-MAC 协议通过采用周期性侦听/睡眠工作方式来减少空闲侦听，周期长度是固定
5、不变的，节点的侦听活动时间也是固定的。而周期长度受限于延迟要求和缓存大小，活动时间主要依赖于消息速率。这样就存在一个问题：延迟要求和缓存大小是固定的，而消息速率通常是变化的。如果要保证可靠及时的消息传输，节点的活动时间必须适应最高通信负载。当负载动态较小时，节点处于空闲侦听的时间相对增加。针对这个问题，T-MAC 协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调整活动时间，用突发方式发送消息，减少空闲侦听时间。T-MAC协议相对 S-MAC 协议减少了处于活动状态的时间。在 T-MAC 协议中，发送数据时仍采用 RTS/CTS/DATA/ACK 的通信过程，节点周期性唤醒进行侦听，如果在一
6、个经定时间 TA 内没有发生下面任何一个激活事件，则活动结束：周期时间定时器溢出;在无线信道上收到数据;通过接收信号强度指示 RSSI 感知存在无线通信;通过侦听 RTS/CTS 分组，确认邻居的数据交换已经结束。T-MAC 协议根据当前的网络通信情况，通过提前结束活动周期来减少空闲侦听，但带来了早睡问题。为解决这个问题，提出了未来请求发送和满缓冲区优先两种方法。4、Sift 协议Sift 协议5的核心思想是采用 CW 值固定的窗口，节点不是从发送窗口选择发送时隙，而是在不同的时隙中选择发送数据的概率。因此，Sift 协议的关键在于如何在不同的时隙为节点选择合适的发送概率分布，使得检测到同一个
7、事件的多个节点能够在竞争窗口前面的各个时隙内不断无冲突地发送消息。如果节点有消息需要发送，则首先假想当前有 N 个节点与其竞争发送，如果在第一个时隙内，节点本身不发送消息，也没有其他节点发送消息，节点就减少假想的竞争发送节点的数目，并相应地增加选择在第二个时隙发送数据的概率;如果节点没有选择第二个时隙，而且在第二个时隙上还没有其他节点发送消息，节点再减少假想的竞争发送节点数目，进一步增加选择第三个时隙发送数据的概率。依此类推。Sift 协议是一个新颖而简单的不同于传统的基于窗口的 MAC 协议，但对接收节点的空闲状态考虑较少，需要节点间保持时钟同步，因此适于在传感器网络的局部区域内使用。在分簇
8、网络中，簇内节点在区域上距离比较近，多个节点往往容易同时检测到同一个事件，而且只需要部分节点将消息传输给簇头。所以 Sift 协议比较适合在分簇网络中使用。 基于时分复用的 MAC 协议时分复用 TDMA 是实现信道分配的简单成熟的机制，TDMA 机制具有下列特点：没有竞争机制的碰撞重传问题;数据传输时不需要过多的控制信息;节点在空闲时隙能够及时进入睡眠状态。但是 TDMA 机制需要节点之间比较严格的时间同步。基于 TDMA 的 MAC 协议将时间区分为连续的时隙，每个时隙分配给某个特定的节点，每个节点只能在分配 的时隙内发送消息。这样，节点可以在非发送或接收的时隙内及时进入睡眠状态，从而有效
9、地减少能量消耗。1、DMAC 协议S-MAC 和 T-MAC 协议采用周期性的活动/睡眠策略减少能量消耗，但是存在数据通信停顿问题，从而引起数据的传输延迟。而在无线传感器网络中，经常采用的通信模式是数据采集树，针对这种结构，为发减少网络的能量消耗和数据的传输延迟，提出了 DMAC 协议。DMAC 协议6采用不同深度节点之间的活动/睡眠的交错调度机制，数据能够沿着多跳路径连续传播，减少睡眠带来的通信延迟。该协议通过自适应占空比机制，根据网络流量变化动态调整整条路径上节点的活动时间，通过数据预测机制解决相同父节点的不同子节点间的相互干扰问题，通过 MTS 机制解决不同父节点的邻居节点之间干扰带来的
10、睡眠延迟问题。但是，该协议实现复杂。2、DEANA 协议分布式能量感知节点活动协议（DEANA）7将时间帧分为周期性的调度访问阶段和随机访问阶段。调度访问阶段由多个连续的数据传输时隙组成，某个时隙分配给特定节点用来发送数据。除相应的接收节点外，其他节点在此时隙处于睡眠状态。随机访问阶段由多个连续的信令交换时隙组成，用于处理节点的添加、删除以及时间同步等。传统的 TDMA 协议相比，DEANA 协议在数据传输时隙前加入了一个控制时隙，使节点在得知不需要接收数据时进入睡眠状态，从而能够部分解决串音问题。但是，对时隙分配考虑较少。3、TRAMA 协议流量自适应介质访问（TRAMA）协议8将时间划分为
11、连续时隙，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布选举机制确定每个时隙的无冲突发送者。同时，通过避免把时隙分配给无流量的节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节省能量的目的。为发适应节点失败或节点增加等引起的网络拓扑结构变化，将时间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期。随机访问周期和调度访问周期的时隙个数根据具体应用情况而定。随机访问周期主要用于网络维护。TRAMA 协议根据两跳范围内的邻居节点信息，由节点独立确定自己发送消息的时隙，同时避免把时隙分配给没有信息发送的节点，由此提高了网络吞吐量，克服了基于 TDMA 的 MAC 协议扩展性差的不足。但是 TRAMA 协议相对比较复杂，为了建
12、立节点间一致的调度消息，计算和通信开销都比较大。 混合型 MAC 协议1、SMACS/EAR 协议SMACS/EAR（sefl-organizing Medium Access Control/Eavesdrop And Register）协议9是一种结合时分复用和频分复用的基于固定信道分配的 MAC协议。基主要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，不同节点对时间的频率互不干扰，从而避免同时传输的数据之间产生碰撞。SMACS协议主要用于静止节点间链路的建立，而 EAR 协议则用于建立少量运动节点与静止节点之间的通信链路。SMACS/EAR 协议不要求所有节点之间进行时间同步，只需
13、要两个通信节点间保持相对的帧同步。它不能完全避免碰撞，因为多个节点在协商过程中可能同时发出“邀请”消息或应答消息。于每个节点要支持多种通信频率，这对节点硬件提出了很高的要求，同时，由天每个节点需要建立的通信链路数无法事先预计，使得整个网络的利用率不高。2、基于 CDMA 方式的信道分配协议CDMA 机制为每个用户分配特定的具有正交性的地址码，因而在频率、时间和空间上都可以重叠。在无线传感器网络中，应用 CDMA 技术就是为每个节点分配与其他节点正交的地址码，这样多个节点同时传输消息，也不会相互干扰，从而解决发信道冲突问题。参考文献：1 任丰原,黄海宁,林闯,无线传感器网络J ,软件学报，200
14、3，14(7)：12821291 2 孙超, 张世庆, 张西良, 无线传感器网络 MAC 协议研究J 信号与系统，2006.8：3134 二、无线传感器网络和传统无线网络在协议栈设计中有何不同？如二、无线传感器网络和传统无线网络在协议栈设计中有何不同？如 何设计可靠的无线传感器网络路由协议？何设计可靠的无线传感器网络路由协议？传感器网络由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层、能量管理平面、移动性管理平面和任务管理平面八个部分组成。在物理层的各项标准确定之后，收发单位比特以及待机时所需的能耗基本确定，可以认为是三个相对确定的值。对于数据链路层的介质访问控制法和网络层的路由算法，其执行效率的
15、高低将直接影响到传感器节点收发控制性信息与非控制性的数据信息的比率，因而影响到传感器节点的能量损耗，并最终影响传感器网络的生存寿命。因此，数据链路层 MAC 子层和网络层路由算法是当今传感器网络研究的两个研究热点问题。1、物理层物理层负责数据传输的介质规范，如是无线还是有线；还规定了工作频段、工作温度、数据调制、信道编码、定时、同步等标准。为了确保能量的有效利用，保持网络生存时间的平滑性能，物理层与介质访问控制(MAC)子层应密切关联使用。物理层的设计直接影响到电路的复杂度和传输能耗等问题，研究目标是设计低成本、低功耗和小体积的传感器节点。2、数据链路层由于网络无线信道的特性，环境噪声、节点移
16、动和多点冲突等现象在所难免,而能量问题又是传感器网络的核心问题。因此，该层除了要完成传统网络数据链路层数据成帧、差错校验和帧检测等功能外，最主要的是设计一个适合于传感器网络的介质访问控制方法(MAC)。以减少传感器网络的能量损耗，或者说减少无效能耗损失，传感器节点的无效能耗主要有以下四个来源。 空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频收发模块必须一直处于工作状态，消耗大量能源，是无效能耗的主要来源。 冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确接收，重发造成能量浪费。 串扰：接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗。 控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效功耗。3、网络层实现数据融合，负责路由发现、路由维护和路由选择，使得传感器节点可以进行有效的相互通信。路由算法执行效率的高低，直接决定了传感器节点收发控制性数据与有效采集数据的比率。控制性数据越少能量损耗越少，控制性数据越多能量损耗越多，从而影响到整个传感器网络的生存时间，可以说“路由算法”是网络层的
