无线传感网MAC协议

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作者：zm1_1zm
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/zm1_1zm/article/details/53424786

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   什么是MAC协议？
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MAC（medium accesscontrol），介质访问控制，MAC协议是无线传感网的关键技术之一，决定了无线信道的使用方式，其性能直接影响了整个网络的性能。它是保障无线传感网高效通信的关键技术之一。

   无线传感网MAC协议设计主要表现在几个方面

（1）能量效率：MAC协议以减少能耗，最大化网络生存时间为首要目标；由于无线传感网应用的特殊性，MAC协议要尽可能地节约能量，提高能量效率，从而延长整个网络的生存周期，这是无线传感网协议设计的核心问题。

（2）可扩展性：网络实时性、吞吐量及带宽利用率为次要设计目标；MAC协议负责搭建无线传感网通信系统底层基础结构，必须能够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：能量效率以外的公平性一般不作为设计目标；网络效率包括网络的可靠性、实时性、吞吐量、公平性、QoS等。

（4）算法复杂度：众多节点协同完成应用任务，必然增加算法的复杂度。

（5）与其他层协议的协同：

   无线传感网的能量消耗主要体现在那几个方面？

通信能耗、感知能耗、计算能耗

   通信过程中造成能量损耗主要体现在几方面（无线传感网MAC协议设计面临的问题）

（1）空闲监听（idle listenning）：节点在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：保证可靠传输，使用一些控制分组：RTS/CTS

（4）串扰：节点因接收并处理并非传输给自己的分组造成的串音。由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。

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   基于竞争的MAC协议
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   典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问（CSMA，carrier sense multiple access）

   无线传感网IEEE802.11MAC协议的分布式协调（DCF，distributed coordination function）工作模式采用带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA，CSMA with collision avoidance）和点协调（PCF，point coordinationfunction）

   IEEE802.11MAC协议：有分布式协调（DCF）和点协调（PCF）两种访问控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11MAC协议的基本访问控制方式。由于在无线信道中难以检测到信号的碰撞，因而只能采用随机退避的方式来减少数据碰撞的概率。在DCF工作方式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避机制，实现无线信道的共享。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。IEEE802.11MAC协议中通过立即主动确认机制和预留机制来提高性能。

   IEEE802.11MAC协议规定的三种基本帧间间隔

最短帧间间隔SIFS、PCF方式下使用的帧间间隔PIFS、DCF方式下使用的帧间间隔DIFS

DIFS>PIFS>SIFS

退避时间=random（）*aslottime

aslottime是一个时隙实践，包括发射启动时间、媒体传播时延、检测信道的响应时间

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   S-MAC协议
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以无线传感网的能量效率为主要设计目标，较好地解决了能量问题，同时兼顾了网络的可扩展性。但是其较为固定的调度周期不能很好地适应网络流量的变化。

关键技术

周期性侦听和睡眠、自适应监听、减少碰撞和避免串音（在RTS阶段采用物理载波侦听和虚拟载波侦听机制）、消息传递

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   T-MAC协议
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采用了一种自适应调整占空比的方法，通过动态调整调度周期中的活跃时间长度来改变占空比，可以更加有效的降低能量消耗。

关键技术

周期性侦听的同步、RTS操作和TA的选择、避免串扰、早睡问题

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   什么是早睡问题？
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在采用周期性调度的MAC协议中，如果一个节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态，这种现象成为早睡。

解决早睡的两种方法：预请求发送机制（futurerequest-to-send，FRTS）和满缓冲区优先（full-buffer priority）机制

S-MAC协议、T-MAC协议区别与优缺点

S-MAC：通过采用低占空比的周期性监听和睡眠的调度，减少了节点空闲监听的能量损耗；通过采用串扰避免和消息传递机制，减少了串扰和控制数据包带来的能量损耗；但是周期性睡眠给数据传输带来额外的延迟，减少了系统吞吐量。

T-MAC：在S-MAC协议基本思想上，通过采用自适应调度方法，能较好地适应网络流量的变化提高了网络吞吐量。

Sift协议：是一种非常新颖的竞争型MAC协议，它充分考虑了无线传感器网络的业务特点，特别适合冗余，竞争与空间相关的应用场景。Sift协议实现简单，关键在于在固定长度的竞争窗口中选择时隙时需要用到一种递增的非均匀概率分布，而不是传统协议中可变长度竞争窗口。Sift协议提高了事件消息的实时性和网络的带宽利用率，但是没有充分考虑能量效率。

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基于时分复用的MAC协议
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基于分簇的MAC协议：数据传输阶段、刷新阶段、刷新引起的重组阶段、时间触发的重组阶段

DEANA协议：（distributed energy-aware node activation,分布式能量感知节点活动）将时间帧分为周期性的调度访问阶段和随机访问阶段，

TRAMA协议：（traffic adaptive medium access，流量自适应介质访问），将时间划分为连续时隙，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布式选举机制确定每个时隙的无冲突发送者。同时，通过避免吧时隙分配给无流量的节点，并让非发送节和非接收节点处于睡眠状态，以达到节省能量的目的。该协议的信道分配机制不仅能够保证能量效率，而且对于带宽利用率、延迟和公平性也有很好的支持。

该协议采用了流量自适应分布式选举算法，节点交换两跳内邻居信息，传输分配时指明在时间顺序上哪些节点是目的节点，然后选择在每个时隙上的发送节点和接收节点。TRAMA协议有三部分组成：邻居协议（neighbor protocol，NP）、分配交换协议（scheduleexchange protocol，SEP）、自适应选举算法（adaptive election algorithm，AEA），其中，NP和SEP允许节点交换两跳内的邻居信息和分配信息；AEA利用邻居和分配信息选择当前时隙的发送者和接收者，让其他与此次通信无关的节点进入睡眠状态，以节省能量。

DMAC协议：

DMAC协议基于S-MAC和T-MAC协议的思想，DMAC协议采用预先分配的方法来避免睡眠延迟。

DMAC协议分析了S-MAC协议中的监听睡眠调度机制的缺点，同步的睡眠会增加多跳传输的延迟，同步的监听和竞争信道会增加冲突的可能。S-MAC协议虽然也引入了自适应睡眠机制，但只减少了两跳延迟，数据在多跳传输到汇聚节点的过程中仍会因中间节点的睡眠而出现“走走-婷婷”现象。为了解决这些问题，DMAC协议引入了一种交错的监听睡眠调度机制，以保证数据在多跳路径上的连续传输。

交错唤醒机制：（P61）保证数据能在树状结构上持续传输，不被睡眠所中断。在一个多跳传输路径上，各个节点交错唤醒，。每个间隔分为接收，发送和睡眠三个周期。

数据预测机制：

简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理   CSMA/CA机制:

当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。

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