第三章MAC协议• 3.1概述• 3.2协议分类3.3儿种经典MAC协议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WSN中能量消耗的主要环节闲突扰制 空冲串控 、 、 、 、 12 3 4通讯3.1概述•在无线传感器网络中，介质访问控制(medium accesscontrol, 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3.1.1影响WSN的MAC协议因素在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面:(1)能量有效性(2)可扩展性(3)冲突避免(4)信道利用率(5)迟延(6)吞吐量(7)公平性传统网络的MAC协议重点考虑节点使用带宽的公平性.提高 带宽利用率已经增加网络的实时性等因素。
能量有效性是设计WSN的MAC协议首要考虑性能指标；其次是协议的扩展性和适应网络拓扑变化的能力O传统网络的MAC协议不适用于WSN3.1.2 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•③控制开销：•为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS/CTS,虽然 没有数据在其中，但是我们必须消耗一定的能量来发送它们；•④串扰（串音）：•出于无线信道为共享介质，因此，节点也可以接收到不是到达自己 的数据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的耗费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通信模式分为四种：(1)广播模式：(2 )会聚模式：(3) 本地通信：多播模式：3.1.4. 协议特点应用领域使其面临多样和特殊的应用需求和业务特性厂 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.冗余相关数据的隐聚合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、双信道和多信道女口 S-MAC和LEE M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) oSv（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MAC协议分类各种MAC协议方案的比较协议方案出现时间类型需要精确同步信道接入机制S-MAC2002竞争型否CSMAT-MAC2003竞争型否CSMAP-MAC2005竞争型否CSMAWiseMAC2004竞争型否CSMASift2003竞争型否CSMASMACS2000分配性是TDMA/FDMATRAMA2003分配性是TDMA/CSMAD-MAC2004分配性是TDMA/Sloted ALOHAZ-MAC12005混合性是TDMA/CSMA3.3几种经典MAC协议• 3.3.1 802.11 MAC 协议• 3.3.2 S-MAC协议• 3.3.3 T-MAC协议• 3.3.4 WiseMAC 协议335 Sift协'议•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，釆用 CSMA/CA机制和随机退避时间，实现无线信道的共享另 夕卜，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A| RTS数据CTSACK |111C1 NAViii1DNAV1上i B C DRTS请求发送分组CTS清除发送分组NAV« 明嫌体赴于忙的状杏NAV表明 媒体处于忙 的状态NAV网络分呢矢量三种帧间间隔•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，女HACK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>SIFSo三种帧间间隔当信道空闲时间大于DIFS时使用信道DIFS< bf DIFS .竞争窗口 1< P1FS>I 严< n/信道忙////退避窗口 /]/ 下 帧——►推迟发送4 ►. 时间■间槽CSMA/CA的基本访问机制二进制随机退避机制•随机退避时间计算：退避时间二Random () xaSlottimeDIFS―-__ | 竟争窗口 || || ||节点月帧11 」一H W H II II II II推迟 I! ■ . I I . i II 节点B - -I I 丨1 I I 丨厂厂！ II 帧 II I I I II如JI II I I I I I卄I蜒H 丨竞争窗口 II II卫点e 产hi~I 帧 II I ii II "竞争窗门Il ii□退避吋问 □剩余退避时间应答与预留机制・ DIFS _RTSDATA源站点■ ■CTSSIFS—目的站点NAV (RTS)其他站点NAV (CTS)CK—DIFS■竟争窗口./// // r-wi3.3.2 S-MAC协议• S-MAC(Sensor MAC)协议是较早提出的一种基于竞争的无 线传感器网络MAC协议，由USC/ISI的Wei Ye等人提出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 O对周期性睡眠和监听的调度进行同步，同步节点釆用相同 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I接收者SYNC阶段］ RTS阶段 休。