概述无线传感网的MAC协议
一、概述
介质访问控制（MAC）协议是无线传感网的关键技术之一，它决定了无线信道的使用方式。MAC协议的设计是保障无线传感网高效通信的关键技术之一。
无线传感网不同于自组织网络，它有如下特征：
a. 传感器受环境影响，通常采用不可更换电池供电，所以在考虑网络体系结构及各层协议时，能量效率是设计的主要考虑目标之一。
b. 由于无线传感网使用场合的特殊性，节点失效的概率大于传统网络，因此可靠性保障是必须的。
c. 传感器节点的计算各处理能力受限，通信带宽受限，与感知目标紧密耦合，以数据为中心，高密度，大规模随机分布。这些特点决定了网络效率在无线传感网中将尤其重要。
在无线传感网中，MAC协议决定了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，且无线传感器通常用多跳通信方式，因此MAC协议要解决隐藏终端和暴露终端的问题。
1、使用MAC设计所面临的问题
资源有限和以数据为中心的特点使得无线传感网在网络规模、硬件特点、流量特征和应用需求等方面与传统的网络存在着差异。在无线传感网中，为保证网络长期有效工作，MAC协议以减少能耗，最大化网络生存时间为首要设计目标；为适应节点分布和网络拓展变化，MAC协议还需要有良好的可扩展性。
无线传感网中能量消耗主要是通信能耗、感知能耗和计算能耗。其中通信能耗所占的比重远大于计算能耗，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。造成能量损耗的主要体现在以下几个方面：
1）空闲监听：节点不需要收发数据时仍保持对信道的空闲监听。
2）冲突重传：数据冲突导致的重传和等待重传
3）控制开销：为了保证可靠传输，协议将控制一些分组，虽没有数据在里面，但是必须消耗一定的能量来发送他们
4）串扰：因为传感网为共享介质，因此节点会接收并处理并非是传输给自己的分组而造成的串音。
根据传感网所面向的实际应用的特点，MAC协议设计中主要表现在如下几个方面：
1) 能量效率：这是无线传感网协议设计的核心
2) 可扩展性：要适应无线传感网规模、网络负载以及网络拓扑的动态变化。
3) 网络效率
4) 算法复杂度：众多节点协同完成应用任务，必然要增加算法的复杂度。
5) 与其它层协议协同：通过跨层设计而使得系统的整体性能优化。
2、MAC协议的分类
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分类标准 |
分类 |
优缺点 |
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信道分配策略 |
基于竞争的MAC协议 |
扩展性好、易于实现但是能耗高 |
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基于调度的MAC协议 |
没有冲突，节省能量、但难以调整帧的长度和时隙分配，难以处理拓扑结构变化 |
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混合MAC协议 |
具有上述两者的有点，但是复杂，实现难度较大。 |
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分类标准 |
分类 |
优缺点 |
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信道数目 |
单信道MAC协议 |
节点体积小，成本低，但降低了信道利用率 |
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多信道MAC协议 |
信道利用率高，传输时延小，硬件成本高、频谱分配拥挤 |
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分类标准 |
分类 |
优缺点 |
|
协议部署方式 |
集中式MAC协议 |
效率高，但需要严格的时钟同步、存在单点失效 |
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分布式MAC协议 |
具有良好的扩展性，但开销大 |
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分类标准 |
分类 |
优缺点 |
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数据通信类型 |
基于单播MAC协议 |
有利于网络优化，但信道利用率低、扩展性差 |
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基于组播聚播MAC协议 |
有利于数据融合和兴趣查询，但对时钟同步要求高，数据高度冗余，重传代价大 |
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