第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡數據鏈路層概述無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題無線傳感器網絡的MAC協議

競爭型分配型混合型第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡數據鏈路層概述第三章無線傳感器網絡數據鏈路數據鏈路層：就是利用物理層提供的數據傳輸功能，將物理層的物理連接鏈路轉換成邏輯連接鏈路，從而形成一條沒有差錯的鏈路，保證鏈路的可靠性。數據鏈路層也向它的上層——網絡層提供透明的數據傳送服務，主要負責數據流多路復用、數據幀監測、媒體介入和差錯控制，保證無線傳感器網絡內點到點以及點到多點的連接。無線傳感器網絡的數據鏈路層研究的主要內容就是MAC和差錯控制。怎樣實現無線傳感器網絡中無線信道的共享，即介質控制協議（MAC）的實現是無線傳感器網絡數據鏈路層研究的一個重點，MAC協議的好壞直接影響網絡的性能優劣。無線傳感器網絡數據鏈路層概述第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計數據鏈路層：就是利用物理層提供的數據傳輸功能，將物理層的物理1．網絡性能的優化

在MAC協議中，無線傳感器網絡的關鍵性能指標不是獨立存在的，而是互相影響的，在提高一種性能的同時可能會降低其他性能。現在所提出來的MAC協議往往只考慮一種或兩種性能指標，沒有綜合各種指標使之達到更好的性能。2．跨層優化

無線傳感器網絡區別于傳統的無線網絡最重要的就是無線傳感器網絡各層之間能夠實現合作和信息共享。在無線傳感器網絡中采用了跨層設計，各層之間能夠通過共享一些信息來共同調節網絡的性能。無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計1．網絡性能的優化無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章3．能量效率問題在無線傳感器節點中，能量消耗主要用于無線信號的收發。無線通信模塊一般有4個狀態，即發送、接收、空閑和休眠，在這4個狀態中，能量消耗逐級遞減。協議必須合理選擇節點偵聽和休眠的時間比例。還需考慮休眠期間節點的接收問題和喚醒期間節點收發的最大利用率問題，以最大限度地節省能量。無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計3．能量效率問題無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無

在無線傳感器網絡的鏈路層上，MAC協議的多余能量開耗主要體現在以下幾個方面：碰撞：在無線信道上，如果有兩個節點同時發送數據，那么這兩個發送節點都將發射不成功，這會造成能量的大量浪費。持續偵聽：在無線傳感器網絡中的接收節點無法預測數據何時到達，另外每個節點還需要偵聽各節點的擁塞狀況，因此節點必須始終保持偵聽狀態，以防特殊情況的發生，但這里包含了許多沒必要的偵聽，從而浪費了許多能量。控制開銷：為了保證無線傳感器網絡的可靠性，MAC層協議需要使用一些控制分組來調節節點狀態，但這些控制分組中不存在有用的數據，因此也要消耗一部分的能量。無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計在無線傳感器網絡的鏈路層上，MAC協議的多余能量3．公平性

每個節點都有相同的權利來訪問信道；

每個節點的能量消耗保持大概的平衡，從而延長整個網絡的壽命。5．可擴展性

無線傳感器網絡域與其他無線網絡相比，具有規模大、分布密集等特點。網絡的節點分布結構會動態性地變化，因此無線傳感器網絡的MAC協議必須具備可擴展性。4．信道共享問題

一般來說，在無線網絡中存在三種信道共享方式，即點對點、點對多點、多點對多點，無線傳感器網絡采用的就是多點對多點共享方式，更準確地說應該是以一種多跳共享方式，也可以說這是一種信道的空間復用方式。無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計3．公平性無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感信道共享容易造成兩個問題：數據的沖突：當同一信道上有兩個節點都在發送數據時，若它們相互干擾則將導致數據包發送不成功，這會使數據的時延增加，也將消耗一些不必要的能量，因此避免信道的上沖突是信道共享所必須考慮的一個問題。串擾：在一個共享的無線信道中，每個節點都能夠接收到在信道中傳輸的數據，但是有許多數據是自己不需要的，接收之后再將其拋棄，在這個過程中也將造成能量的大量浪費。無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據無線傳感器網絡MAC協議——分類1．按節點接入方式劃分發送節點發送數據包給目的節點，目的節點接收到數據包的通知方式通常可分為偵聽、喚醒和調度三種MAC協議；偵聽MAC協議主要采用間斷偵聽的方式；喚醒MAC協議主要采用基于低功耗的喚醒接收機來實現，當然也有集合偵聽和喚醒兩種方式的MAC協議，如低功耗前導載波偵聽MAC協議；調度MAC協議主要使用廣播中，廣播的數據信息包含了接收節點何時接入信道與何時控制接收節點開啟接收模塊。第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡MAC協議——分類1．按節點接入方式劃分第三章2．按信道占用數劃分

在無線傳感器網絡中，按物理層所采用的信道劃分方法，可以分為單信道、雙信道和多信道三種方式，目前無線傳感器網絡中采用的主要是單信道MAC協議。3．按分配信道方式劃分

在無線傳感器網絡中，競爭性是區分MAC協議最重要的一個依據，競爭是指節點在接入信道的過程中采用的是隨機競爭方式還是有計劃的競爭方式，因此MAC協議可以分為固定接入和隨機接入兩種。競爭MAC協議基本上都屬于隨機接入協議，其實現非常簡單，能靈活地解決無線節點移動的問題，能量波動非常小。無線傳感器網絡MAC協議——分類第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計2．按信道占用數劃分無線傳感器網絡MAC協議——分類第三章基于競爭的MAC協議基于分配的MAC協議混合型MAC協議跨層MAC協議無線傳感器網絡MAC協議——分類第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計基于競爭的MAC協議無線傳感器網絡MAC協議——分類第三章

根據無線傳感器網絡負載量小、針對節點間的公平性及通信延時要求不高等特點來設計的，其主要的設計目標是提供大規模分布式網絡所需的可擴展性，并同時降低能耗。S-MAC協議做出如下假設：大多數節點之間是進行多跳短矩離通信；節點在無線傳感器網絡中的作用是平等的，即一般情況下沒有基站；為了減少通信量，采用網內數據處理；運用信號的協作處理，改善感知信息的質量；節點具有較長的空閑時間而且可以容忍一定的延時；網絡壽命是首要考慮的問題。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計根據無線傳感器網絡負載量小、針對節點間的公平性及S-MAC協議采用的機制有以下幾種：將節點的工作模式分為偵聽和睡眠兩個狀態，并讓節點盡可能長時間睡眠以達到節能的目的；通過協商的一致性睡眠調度機制讓相鄰節點在相同時間活動、相同時間睡眠，從而形成虛擬簇；通過突發傳遞和消息分割機制來減少消息的傳輸延時和控制消息的開銷；通過流量自適應的偵聽機制，減少網絡延時在傳輸過程中的累加效應。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計S-MAC協議采用的機制有以下幾種：無線傳感器網絡MAC協議1）周期性地偵聽和睡眠睡眠偵聽機制S-MAC協議基本的節能手段是依靠傳感器節點定期進入睡眠狀態從而減少節點空閑偵聽的時間來實現的。S-MAC協議把時間分割成許多時隙，在每個時隙中又劃分為偵聽和睡眠兩個狀態，在偵聽狀態，節點可以和其通信范圍內的鄰居節點自由地進行通信；在睡眠狀態，為了減少節點功耗，不參與任何的數據傳遞活動，只是設定計時器開始計時，這樣在經過一段時間后自己就能自動醒來，醒來后則立刻查看是否有消息傳遞給自己。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計1）周期性地偵聽和睡眠睡眠偵聽機制S-MAC協議基本的節能手

S-MAC協議將節點的活動狀態分為兩個部分以保證節點能接收到數據包和同步包，第一個部分用于發送和接收同步包，第二部分用于發送和接收數據包，每個部分都設有載波幀聽時間。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計S-MAC協議將節點的活動狀態分為兩個部分以保

理論上，網絡中所有的節點都需要遵守相同的調度時間，不能有絲毫的誤差。但是由于傳感器節點的時間表本身就是隨時變化的，而且無線傳感器網絡還是多跳地傳遞數據，所以只有在局部節點之間才有可能形成同步。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計理論上，網絡中所有的節點都需要遵守相同的調度時2）沖突避免

如果有兩個或兩個以上的鄰居節點想同時與一個節點進行通信，那么它們都會試圖在該節點的偵聽時段發送消息，在這種情況下必然發生沖突和碰撞，于是它們就需要開始爭奪對信道的使用權。

如下所示的多跳網絡，它由節點A、B、C、D、E、F構成，每個節點只能和其一跳以內的鄰居節點進行數據的傳輸。假設此時節點A正向節點B發送數據，那么顯然節點D應該睡眠，因為它的傳輸干擾了B正確接收A發出的數據。而節點E和F不會影響其他節點，所以它們不需要睡眠。C和B之間的距離有兩跳遠，即使它傳輸數據也不會干擾到B接收，所以它可以自由地向其他節點（如E）發送數據。但是，C卻無法接收E的應答（CTS或其他數據等），這是因為E和A同時傳輸會在節點C處產生沖突，所以即使C傳輸，也是浪費能量。總而言之，不管是發送者還是接收者，它們之間相鄰的節點在聽到CTS或RTS包后都需要睡眠，一直要等到傳輸結束才可以醒來。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計2）沖突避免如果有兩個或兩個以上的鄰居節點想同時3）自適應偵聽S-MAC協議中，節點周期性地進入睡眠狀態會增加延時，這種延時并不會自動消除，反而會在每跳中累積，所以S-MAC采用自適應偵聽策略來減少這種累加的效應。它的基本思想是當一個節點在其通信范圍內得知相鄰的節點要傳輸數據時就睡眠并記錄其傳輸數據的時間，只有當其相鄰的節點傳輸數據結束后才能醒來一個短暫的時間，這時它可以通過偵聽信道查看信道的狀態（忙或空閑），判斷是否有數據需要傳輸。在這種方式下，如果此時正好有一個消息需要傳遞給該節點，那么它就可以立刻接收，而不用等到該節點的睡眠結束后再進行傳遞；假如沒有任何消息需要傳遞給該節點，那么它就繼續睡眠。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計3）自適應偵聽S-MAC協議中，節點周期性地進入睡眠狀態會增4）消息傳遞S-MAC傳輸大量數據無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計4）消息傳遞S-MAC傳輸大量數據無線傳感器網絡MAC協議—T-MAC協議1）基本思想相對于S-MAC協議來說，保持了S-MAC的周期，根據網絡負載的流量自適應地調整激活的時間。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計T-MAC協議無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第T-MAC協議規定，當鄰居節點還沒有結束通信時，節點不能進入到睡眠狀態，因為該節點很有可能就是下一個數據的目的節點。假設節點檢測到串擾以后能夠觸發一個空閑間隔TA，TA必須要足夠大，以保證節點能夠監測到串擾的CTS，T-MAC協議規定TA取值約束為

TA>C+R+T式中，C為競爭信道的時間，R為發送RTS的時間，T為RTS分組發送結束到開始發出CTS的時間。節點發送完RTS分組之后，如果未收到對應的CTS分組，那么就有三種情況：由于無線信道發生碰撞，目的節點沒有接收到RTS分組；目的節點已經收到串擾的分組；目的節點正處于睡眠狀態。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計T-MAC協議規定，當鄰居節點還沒有結束通信時，節點不能進入

如果發送節點在TA時間間隔內沒有收到CTS分組，它就會進入睡眠。但是從上面的前兩種情況可以看出節點還沒有收到CTS分組，直接進入睡眠會導致實時性降低，接收節點一直都處于空閑監聽，浪費大量的能量，因此TMAC協議規定，節點發送RTS分組之后沒有收到CTS分組，則重新發送一次RTS分組，還沒有收到則進入休眠狀態。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計如果發送節點在TA時間間隔內沒有收到CTS分2）需要解決的主要問題早睡問題無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計2）需要解決的主要問題早睡問題無線傳感器網絡MAC協議——基無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC未來請求發送：采用提前通知需要接收數據的節點的方法來實現早睡的避免：如上頁中的a所示，當節點C接收到CTS后，除了觸發自己保持監聽狀態之外，還發送一個FRTS分組給節點D，FRTS分組中含有節點D需要等待的時間，在此空閑狀態中，節點D必須要保持偵聽狀態。在節點C發送FRTS時看哪個節點會干擾節點A發送的數據，因此節點A需要延遲原數據的發送響應的時間，但是又必須保持對信道的占用，因此節點A在這段時間內發送一個與FRTS一樣長度的分組，該分組不包含任何有用的數據，然后才接著發送有用數據信息。從而數據傳到節點C之后節點D還是處于喚醒狀態，保證數據的實時傳輸。由于采用了未來請求發送機制，協議需要增加一個FRTS分組傳輸的時間，該方法提高了系統吞吐量和實時性，但是多了一些控制消息，相應地要消耗能量。第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC未來請求發送：采滿緩沖區優先：當節點的緩沖區快滿時，節點對收到的RTS分組不回復CTS，而是立即向緩沖區內數據的接收節點發送RTS，建立連接之后發送數據，以減輕緩沖區負載。如前頁中的b所示，節點B向節點C發送RTS，而節點C因為緩沖區滿不回復一個CTS分組，而是向節點D發送RTS以求數據傳輸。這種方法在一定程度上減少了早睡問題的發生概率，并可控制網絡負載流量，但在網絡負載過大時更容易發生沖突。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計滿緩沖區優先：當節點的緩沖區快滿時，節點對收到的RTS分組不Sift協議對CSMA/CA機制進行修改，競爭窗口的大小是原本就設定好的，采用非均勻概率來決定是否發送數據，它具有以下幾個特點：（1）無線傳感器網絡中基于空間的競爭。一般來說，許多無線傳感器網絡都在某一區域放置了多個節點，利用多個節點監測到同一事件來保證數據的可靠性。這種冗余數據的發生將導致鄰居節點間相互搶占信道，從而造成基于空間的競爭。（2）基于事件的報告方式。在無線傳感器網絡中，并非所有的節點都需要報告事件，匯聚節點只需接收到所發生事件的相關信息即可。（3）感知事件的節點密度的自適應調整。大量的無線傳感器節點接收到同一事件后，隨著目標的移動或者時間的推移，傳感器網絡感知到事件的節點也會相應地發生變化，從而能夠更好地觀測目標事件。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計Sift協議對CSMA/CA機制進行修改，競爭窗口的大小是原無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳SMACS協議1）基本思想SMACS協議假設每個節點都能夠在多個載波頻點上進行切換，該協議將每個雙向信道定義為兩個時間段，這類似于TDMA機制中分配的時隙。SMACS協議是一種分布式協議，允許一個節點集發現鄰居并進行信道分配。由于鄰近節點分配的時隙有可能產生沖突，為了減少沖突的可能性，每個鏈路都分配一個隨機選擇的頻點，相鄰的鏈路都有不同的工作頻點。當鏈路建立后，節點在分配的時隙中打開射頻部分，與鄰居進行通信，如果沒有數據收發，則關閉射頻部分進行睡眠，在其余時隙節點關閉射頻部分，降低能量損耗。無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計SMACS協議1）基本思想無線傳感器網絡MAC協議——基于分

2）關鍵技術：節點在上電后先進行鄰居發現，每發現一個鄰居，這一對節點就形成一個雙向信道，即一個通信鏈路。在兩個節點的超幀中為該鏈路分配一對時隙用于雙向通信。隨著鄰居的增加，超幀慢慢地被填滿。每對時隙都會選擇一個隨機的頻點，減少鄰近鏈路沖突的可能。這樣全網很快就能在初始化建立鏈路，這種不同步的時隙分配稱為異步分配通信SMACS協議無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計2）關鍵技術：節點在上電后先進行鄰居發現，每發現一個鄰居，

如圖所示，假設節點B、C、G進行鄰居發現。這些節點在隨機的時間段內打開射頻模塊，在一個固定的頻點監聽一個隨機長度的時間。如果在此監聽時間內節點沒有接收到其他節點發出的邀請消息，那么隨后節點將發送一個邀請消息。

圖中

，節點C就是在監聽結束后廣播的一個邀請消息Type1。節點B和節點G接收到節點C發出的Type1消息后，等待一個隨機的時間，然后各自廣播一個應答消息Type2。如果兩個應答消息不沖突，節點C將接收到節點B和節點G發來的邀請應答。

節點C在這里進行一個選擇，可以選擇最早到達的應答者，也可以選擇接收信號強度最大的應答者。在選擇了應答者后，節點C將立即發送一個Type3消息通知哪個節點被選擇。此處選擇最早到達的節點B作為應答者，節點G將關閉射頻部分進入睡眠，并在一個隨機的時間后重新進行鄰居發現。SMACS協議無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計如圖所示，假設節點B、C、G進行鄰居發現。這些節

如果節點C已經選擇了鄰居，將在消息Type3中攜帶分配信息，該信息包含節點C的下一個超幀的起始時間。在收到該分配消息后，節點B將和本地的超幀起始時間進行比較，得到一個時間偏移，并找出兩個共同的空閑時間段作為時隙對，分配給節點B和節點C之間的鏈路。在確定了時隙對后，節點B選擇一個隨機的頻點，將時隙對在超幀中的位置信息以及選擇的頻點通過消息Type4發送給節點C。經過這些測試信息的成功交換后，節點B和節點C之間就完成了時隙分配和頻率選擇。

在SMACS形成的網絡中，與超幀同步的節點組成一個子網，如圖3.10所示，節點A、節點D和節點B、節點C分別組成子網。隨著鄰居的增加，子網的規模會變大，并且會和其他子網的節點建立鏈路，實現整個網絡的無縫連接。兩個不同子網的節點在建立通信鏈路時，如果超幀有重疊的空閑時段，可以為新鏈路分配時隙，則可以成功建立鏈路；否則，節點只能放棄并尋找其他節點來建立鏈路。無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MACSMACS協議第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計如果節點C已經選擇了鄰居，將在消息Type3中攜3）移動性管理-EAR算法EAR算法定義了一種新的信令機制，主要使用4種消息，建立移動節點和靜止節點之間通信鏈路的機制主要有以下步驟：（1）靜止節點會每間隔固定個超幀發送一次BI消息，移動節點在接收到靜止節點的BI消息后將開始連接過程。（2）靜止節點在接收到MI消息后需要檢查連接是否可以建立。（3）連接建立后，移動節點在移動過程中會接收到新的鄰近靜止節點發送的BI消息，移動節點會根據信道質量選擇淘汰鄰居節點記錄中連接質量較差的鄰居節點。SMACS協議無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計3）移動性管理-EAR算法SMACS協議無線傳感器網絡MACTRAMA協議：在NAMA協議的基礎上引入了睡眠機制，該協議的信道分配機制不僅能夠保證能量效率，而且對于帶寬利用率、延遲和公平性也有很好的支持。1）基本思想TRAMA協議采用了流量自適應的分布式選舉算法，節點交換兩跳內的鄰居信息，傳輸分配時指明在時間順序上哪些節點是目的節點，然后選擇在每個時隙上的發送節點和接收節點。TRAMA協議由三個部分組成，

近鄰協議（NP）和分配交換協議（SEP）允許節點交換兩跳內的鄰居信息和分配信息；自適應選舉算法（AEA）利用鄰居和分配信息選擇當前時隙的發送者和接收者，讓其他與此次通信無關的節點進入睡眠狀態以節省能量。無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計TRAMA協議：在NAMA協議的基礎上引入了睡眠機制，該協議

TRAMA協議將一個物理信道分成多個時隙，通過對這些時隙的復用為數據和控制信息提供信道。每個時間幀分為隨機接入和分配接入兩部分無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計TRAMA協議將一個物理信道分成多個時隙，通過TRAMA協議2）關鍵技術（1）NP協議。在無線傳感器網絡中，由于節點失效或者新節點加入等現象存在，網絡拓撲在動態地變化，TRAMA協議需要適應這種變化。（2）分配交換協議（SEP）。分配交換協議用于建立和維護發送者和接收者選擇時隙要分配的信息。首先每個節點生成分配信息，然后通過廣播實現分配信息交換和維護。無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計TRAMA協議2）關鍵技術無線傳感器網絡MAC協議——基于分

為了提高能量效率，TRAMA盡可能地讓節點處于睡眠狀態，通過重用已經分配但未使用的時隙來提高帶寬利用率。在分配接入周期任一給定的時隙t中，任一節點的狀態是由該節點的兩跳鄰居信息和該節點的一跳鄰居發布的分配信息來確定的，有發送、接收、睡眠三種中的一個狀態。TRAMA協議無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計為了提高能量效率，TRAMA盡可能地讓節點處于睡競爭型MAC協議能很好地適應網絡規模和網絡數據流量的變化，可以更靈活地適應網絡拓撲結構的變化，無須精確的時鐘同步機制，較易實現；但存在能量效率不高的缺點，如沖突重傳、空閑監聽、串擾、控制開銷引起的能量消耗分配型MAC協議將信道資源按時隙、頻段或碼型分為多個子信道，各個子信道之間無沖突，互不干擾。數據包在傳輸過程中不存在沖突重傳，所以能量效率較高。此外，在分配型MAC（如TDMA）中，節點只在分配給自己的時隙中打開射頻部分，其他時隙關閉射頻部分，可避免冗余接收，進一步降低能量損耗。但是分配型MAC協議通常需要在網絡中的節點形成簇，不能靈活地適應網絡拓撲結構的變化混合型MAC協議根據通信情況自適應的采取競爭方式或分配方式無線傳感器網絡MAC協議——混合型MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計競爭型MAC協議能很好地適應網絡規模和網絡數據流量的變化，可1）基本思想ZMAC協議是一種混合型MAC協議，采用CSMA機制作為基本方法，在競爭加劇時使用TDMA機制來解決信道沖突問題。ZMAC引入了時間幀的概念，每個時間幀又分為若干個時隙。在ZMAC中，網絡部署時每個節點執行一個時隙分配的DRAND算法。在時隙分配完成后，每個節點都會在時間幀中擁有一個時隙。分配了時隙的節點成為該時隙的所有者，所有者在對應的時隙中發送數據的優先級最高。ZMAC協議無線傳感器網絡MAC協議——混合型MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計1）基本思想ZMAC協議無線傳感器網絡MAC協議——混合型M2）關鍵技術

在網絡部署階段，節點啟動以后ZMAC協議將順序執行以下步驟：鄰居發現→時隙分配→本地時間幀交換→全局時間同步。在網絡的運行過程中，除非網絡拓撲結構發生重大變化，否則節點不會重復上述步驟，避免浪費能量。（1）鄰居發現和時隙分配。（2）本地時間幀交換。每個節點在分配了時隙后需要定位時間幀，常規的方法就是所有的網絡節點都保持同步，并且所有的節點對應的時間幀都相同，也就是具有同樣的起始時刻和結束時刻。ZMAC協議無線傳感器網絡MAC協議——混合型MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計2）關鍵技術ZMAC協議無線傳感器網絡MAC協議——混合型M3）傳輸控制

在網絡的初始化階段完成之后，每個節點都同步到了一個全局的時鐘，并且都擁有了自己的時間幀和時隙，可以對外提供服務。在ZMAC協議下，每個節點可以工作在兩個模式：低沖突級別和高沖突級別。4）局部同步

由于使用了載波偵聽和擁塞退避機制，在發生時鐘錯位的情況下，ZMAC協議比TDMA協議有更強的生命力，在完全失去時鐘同步的情況下，ZMAC退化為CSMA協議。在低的沖突情況下，ZMAC可以不需要時鐘同步，此時協議的性能和CSMA相仿。在高沖突的情況下，ZMAC協議需要在時間同步的基礎上實現HCL。ZMAC協議無線傳感器網絡MAC協議——混合型MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計3）傳輸控制ZMAC協議無線傳感器網絡MAC協議——混合型MMINA是一種基于跨層設計的大規模無線網絡協議架構，網絡通常由數百個低電量低運算能力的傳感器節點組成，同時網絡中還有一些基站節點，基站通常具有較強的運算能力，并具有充足的能量。在MINA架構中，節點分為三種類型：大量靜止的低容量（內存、CPU、能量）傳感器節點；少量手持移動節點；靜止的大容量基站節點。MINA協議無線傳感器網絡MAC協議——混合型MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計MINA是一種基于跨層設計的大規模無線網絡協議架構，網絡通常MINA架構中網絡節點是以層的形式來組織的，距離基站跳數相同的節點組成一層。第一層節點距離基站跳數為1，第二層節點距離基站跳數為2，依次類推，如圖3.16所示，網絡共有三層。

根據距離基站的跳數，每個節點的鄰居也可以分為三類，即內部鄰居、同等鄰居、外部鄰居。距離基站跳數比本地更小的鄰居為內部鄰居，跳數相同的鄰居為同等鄰居，跳數更大的鄰居為外部鄰居。MINA協議無線傳感器網絡MAC協議——混合型MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計MINA架構中網絡節點是以層的形式來組織的，距離UNPF（UnifiedNetworkProtocolFramework）協議框架定義了MINA網絡的組織方式、路由協議和MAC協議。無線傳感器網絡主要工作在兩個交替的狀態。（1）網絡自組織狀態：在此期間節點發現鄰居，獲得關于鄰居的跳數，能量狀態、可用緩存大小、本地網絡拓撲等信息。（2）數據傳輸狀態：在此期間節點進行數據的發送或接收。需要路由協議來確定目的地址，MAC協議來完成信道訪問。MINA協議無線傳感器網絡MAC協議——混合型MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計UNPF（UnifiedNetworkProtocolMAC超幀和信標幀結構MINA協議——MAC楨結構無線傳感器網絡MAC協議——混合型MAC在每個超幀的起始階段，基站廣播一個控制幀（ControlPacket，CR），CR包括傳感器節點同步需要的時間信息，以及傳感器節點在信標幀（BeaconPacket，BI）內傳輸各自的信標信息的序號。BI緊跟在CR后，每個節點根據CR中的順序發送BI，BI包含了節點的能量狀態、距離基站的跳數、節點的接收信道信息?CR和BI都采用統一的控制信并以廣播方式發送?

在信標幀后緊緊跟著的就是數據傳輸幀?每個數據幀包括β個時隙，由MAC協議來負責分配?第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計MAC超幀和信標幀結構MINA協議——MAC楨結構無線傳感器MINA架構網絡提出了用DTROC（DistributedTDMAReceiverOrientedChannel）來進行信道分配假設網絡總共有L層，節點i位于l層，且l<L。Si表示txl+1層中將節點i選擇為下一跳地址的節點的集合。信道分配的基本思想是分配一個信道Ci給節點i的接收機，同時Si中每個節點都將發射機調整到這個信道。對于DTROC而言，主要結局兩個問題：在Si中共享信道Ci；分配信道時避免相互干擾。信道預留：每個數據信道都有固定數據（DFSIZE）的時隙，網絡中所有節點都有相同的DFSIZE。節點i為Si中每個節點分配時隙，這些都通過BI來完成。信道分配：每個節點選擇一種兩跳內鄰居都沒使用過的碼序列，此外信道分配就是為節點分配碼序列。假設節點i和j都位于l層，有對應節點集合Si和Sj；Rk表示節點k的廣播的傳輸范圍；Zi=URk，k屬于Si，表示集合Si中所有節點的傳輸范圍之和。如果ZiZj為空集，表示兩個集合之間的節點不會相互干擾，此時節點i和j可分配相同信道，否則就必須分配不同的信道。MINA協議——MAC協議無線傳感器網絡MAC協議——混合型MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計MINA架構網絡提出了用DTROC（Distributed

第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡數據鏈路層概述無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題無線傳感器網絡的MAC協議

競爭型分配型混合型第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡數據鏈路層概述第三章無線傳感器網絡數據鏈路數據鏈路層：就是利用物理層提供的數據傳輸功能，將物理層的物理連接鏈路轉換成邏輯連接鏈路，從而形成一條沒有差錯的鏈路，保證鏈路的可靠性。數據鏈路層也向它的上層——網絡層提供透明的數據傳送服務，主要負責數據流多路復用、數據幀監測、媒體介入和差錯控制，保證無線傳感器網絡內點到點以及點到多點的連接。無線傳感器網絡的數據鏈路層研究的主要內容就是MAC和差錯控制。怎樣實現無線傳感器網絡中無線信道的共享，即介質控制協議（MAC）的實現是無線傳感器網絡數據鏈路層研究的一個重點，MAC協議的好壞直接影響網絡的性能優劣。無線傳感器網絡數據鏈路層概述第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計數據鏈路層：就是利用物理層提供的數據傳輸功能，將物理層的物理1．網絡性能的優化

在MAC協議中，無線傳感器網絡的關鍵性能指標不是獨立存在的，而是互相影響的，在提高一種性能的同時可能會降低其他性能。現在所提出來的MAC協議往往只考慮一種或兩種性能指標，沒有綜合各種指標使之達到更好的性能。2．跨層優化

無線傳感器網絡區別于傳統的無線網絡最重要的就是無線傳感器網絡各層之間能夠實現合作和信息共享。在無線傳感器網絡中采用了跨層設計，各層之間能夠通過共享一些信息來共同調節網絡的性能。無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計1．網絡性能的優化無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章3．能量效率問題在無線傳感器節點中，能量消耗主要用于無線信號的收發。無線通信模塊一般有4個狀態，即發送、接收、空閑和休眠，在這4個狀態中，能量消耗逐級遞減。協議必須合理選擇節點偵聽和休眠的時間比例。還需考慮休眠期間節點的接收問題和喚醒期間節點收發的最大利用率問題，以最大限度地節省能量。無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計3．能量效率問題無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無

在無線傳感器網絡的鏈路層上，MAC協議的多余能量開耗主要體現在以下幾個方面：碰撞：在無線信道上，如果有兩個節點同時發送數據，那么這兩個發送節點都將發射不成功，這會造成能量的大量浪費。持續偵聽：在無線傳感器網絡中的接收節點無法預測數據何時到達，另外每個節點還需要偵聽各節點的擁塞狀況，因此節點必須始終保持偵聽狀態，以防特殊情況的發生，但這里包含了許多沒必要的偵聽，從而浪費了許多能量。控制開銷：為了保證無線傳感器網絡的可靠性，MAC層協議需要使用一些控制分組來調節節點狀態，但這些控制分組中不存在有用的數據，因此也要消耗一部分的能量。無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計在無線傳感器網絡的鏈路層上，MAC協議的多余能量3．公平性

每個節點都有相同的權利來訪問信道；

每個節點的能量消耗保持大概的平衡，從而延長整個網絡的壽命。5．可擴展性

無線傳感器網絡域與其他無線網絡相比，具有規模大、分布密集等特點。網絡的節點分布結構會動態性地變化，因此無線傳感器網絡的MAC協議必須具備可擴展性。4．信道共享問題

一般來說，在無線網絡中存在三種信道共享方式，即點對點、點對多點、多點對多點，無線傳感器網絡采用的就是多點對多點共享方式，更準確地說應該是以一種多跳共享方式，也可以說這是一種信道的空間復用方式。無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計3．公平性無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感信道共享容易造成兩個問題：數據的沖突：當同一信道上有兩個節點都在發送數據時，若它們相互干擾則將導致數據包發送不成功，這會使數據的時延增加，也將消耗一些不必要的能量，因此避免信道的上沖突是信道共享所必須考慮的一個問題。串擾：在一個共享的無線信道中，每個節點都能夠接收到在信道中傳輸的數據，但是有許多數據是自己不需要的，接收之后再將其拋棄，在這個過程中也將造成能量的大量浪費。無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡數據鏈路層關鍵問題第三章無線傳感器網絡數據無線傳感器網絡MAC協議——分類1．按節點接入方式劃分發送節點發送數據包給目的節點，目的節點接收到數據包的通知方式通常可分為偵聽、喚醒和調度三種MAC協議；偵聽MAC協議主要采用間斷偵聽的方式；喚醒MAC協議主要采用基于低功耗的喚醒接收機來實現，當然也有集合偵聽和喚醒兩種方式的MAC協議，如低功耗前導載波偵聽MAC協議；調度MAC協議主要使用廣播中，廣播的數據信息包含了接收節點何時接入信道與何時控制接收節點開啟接收模塊。第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡MAC協議——分類1．按節點接入方式劃分第三章2．按信道占用數劃分

在無線傳感器網絡中，按物理層所采用的信道劃分方法，可以分為單信道、雙信道和多信道三種方式，目前無線傳感器網絡中采用的主要是單信道MAC協議。3．按分配信道方式劃分

在無線傳感器網絡中，競爭性是區分MAC協議最重要的一個依據，競爭是指節點在接入信道的過程中采用的是隨機競爭方式還是有計劃的競爭方式，因此MAC協議可以分為固定接入和隨機接入兩種。競爭MAC協議基本上都屬于隨機接入協議，其實現非常簡單，能靈活地解決無線節點移動的問題，能量波動非常小。無線傳感器網絡MAC協議——分類第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計2．按信道占用數劃分無線傳感器網絡MAC協議——分類第三章基于競爭的MAC協議基于分配的MAC協議混合型MAC協議跨層MAC協議無線傳感器網絡MAC協議——分類第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計基于競爭的MAC協議無線傳感器網絡MAC協議——分類第三章

根據無線傳感器網絡負載量小、針對節點間的公平性及通信延時要求不高等特點來設計的，其主要的設計目標是提供大規模分布式網絡所需的可擴展性，并同時降低能耗。S-MAC協議做出如下假設：大多數節點之間是進行多跳短矩離通信；節點在無線傳感器網絡中的作用是平等的，即一般情況下沒有基站；為了減少通信量，采用網內數據處理；運用信號的協作處理，改善感知信息的質量；節點具有較長的空閑時間而且可以容忍一定的延時；網絡壽命是首要考慮的問題。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計根據無線傳感器網絡負載量小、針對節點間的公平性及S-MAC協議采用的機制有以下幾種：將節點的工作模式分為偵聽和睡眠兩個狀態，并讓節點盡可能長時間睡眠以達到節能的目的；通過協商的一致性睡眠調度機制讓相鄰節點在相同時間活動、相同時間睡眠，從而形成虛擬簇；通過突發傳遞和消息分割機制來減少消息的傳輸延時和控制消息的開銷；通過流量自適應的偵聽機制，減少網絡延時在傳輸過程中的累加效應。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計S-MAC協議采用的機制有以下幾種：無線傳感器網絡MAC協議1）周期性地偵聽和睡眠睡眠偵聽機制S-MAC協議基本的節能手段是依靠傳感器節點定期進入睡眠狀態從而減少節點空閑偵聽的時間來實現的。S-MAC協議把時間分割成許多時隙，在每個時隙中又劃分為偵聽和睡眠兩個狀態，在偵聽狀態，節點可以和其通信范圍內的鄰居節點自由地進行通信；在睡眠狀態，為了減少節點功耗，不參與任何的數據傳遞活動，只是設定計時器開始計時，這樣在經過一段時間后自己就能自動醒來，醒來后則立刻查看是否有消息傳遞給自己。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計1）周期性地偵聽和睡眠睡眠偵聽機制S-MAC協議基本的節能手

S-MAC協議將節點的活動狀態分為兩個部分以保證節點能接收到數據包和同步包，第一個部分用于發送和接收同步包，第二部分用于發送和接收數據包，每個部分都設有載波幀聽時間。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計S-MAC協議將節點的活動狀態分為兩個部分以保

理論上，網絡中所有的節點都需要遵守相同的調度時間，不能有絲毫的誤差。但是由于傳感器節點的時間表本身就是隨時變化的，而且無線傳感器網絡還是多跳地傳遞數據，所以只有在局部節點之間才有可能形成同步。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計理論上，網絡中所有的節點都需要遵守相同的調度時2）沖突避免

如果有兩個或兩個以上的鄰居節點想同時與一個節點進行通信，那么它們都會試圖在該節點的偵聽時段發送消息，在這種情況下必然發生沖突和碰撞，于是它們就需要開始爭奪對信道的使用權。

如下所示的多跳網絡，它由節點A、B、C、D、E、F構成，每個節點只能和其一跳以內的鄰居節點進行數據的傳輸。假設此時節點A正向節點B發送數據，那么顯然節點D應該睡眠，因為它的傳輸干擾了B正確接收A發出的數據。而節點E和F不會影響其他節點，所以它們不需要睡眠。C和B之間的距離有兩跳遠，即使它傳輸數據也不會干擾到B接收，所以它可以自由地向其他節點（如E）發送數據。但是，C卻無法接收E的應答（CTS或其他數據等），這是因為E和A同時傳輸會在節點C處產生沖突，所以即使C傳輸，也是浪費能量。總而言之，不管是發送者還是接收者，它們之間相鄰的節點在聽到CTS或RTS包后都需要睡眠，一直要等到傳輸結束才可以醒來。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計2）沖突避免如果有兩個或兩個以上的鄰居節點想同時3）自適應偵聽S-MAC協議中，節點周期性地進入睡眠狀態會增加延時，這種延時并不會自動消除，反而會在每跳中累積，所以S-MAC采用自適應偵聽策略來減少這種累加的效應。它的基本思想是當一個節點在其通信范圍內得知相鄰的節點要傳輸數據時就睡眠并記錄其傳輸數據的時間，只有當其相鄰的節點傳輸數據結束后才能醒來一個短暫的時間，這時它可以通過偵聽信道查看信道的狀態（忙或空閑），判斷是否有數據需要傳輸。在這種方式下，如果此時正好有一個消息需要傳遞給該節點，那么它就可以立刻接收，而不用等到該節點的睡眠結束后再進行傳遞；假如沒有任何消息需要傳遞給該節點，那么它就繼續睡眠。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計3）自適應偵聽S-MAC協議中，節點周期性地進入睡眠狀態會增4）消息傳遞S-MAC傳輸大量數據無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計4）消息傳遞S-MAC傳輸大量數據無線傳感器網絡MAC協議—T-MAC協議1）基本思想相對于S-MAC協議來說，保持了S-MAC的周期，根據網絡負載的流量自適應地調整激活的時間。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計T-MAC協議無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第T-MAC協議規定，當鄰居節點還沒有結束通信時，節點不能進入到睡眠狀態，因為該節點很有可能就是下一個數據的目的節點。假設節點檢測到串擾以后能夠觸發一個空閑間隔TA，TA必須要足夠大，以保證節點能夠監測到串擾的CTS，T-MAC協議規定TA取值約束為

TA>C+R+T式中，C為競爭信道的時間，R為發送RTS的時間，T為RTS分組發送結束到開始發出CTS的時間。節點發送完RTS分組之后，如果未收到對應的CTS分組，那么就有三種情況：由于無線信道發生碰撞，目的節點沒有接收到RTS分組；目的節點已經收到串擾的分組；目的節點正處于睡眠狀態。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計T-MAC協議規定，當鄰居節點還沒有結束通信時，節點不能進入

如果發送節點在TA時間間隔內沒有收到CTS分組，它就會進入睡眠。但是從上面的前兩種情況可以看出節點還沒有收到CTS分組，直接進入睡眠會導致實時性降低，接收節點一直都處于空閑監聽，浪費大量的能量，因此TMAC協議規定，節點發送RTS分組之后沒有收到CTS分組，則重新發送一次RTS分組，還沒有收到則進入休眠狀態。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計如果發送節點在TA時間間隔內沒有收到CTS分2）需要解決的主要問題早睡問題無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計2）需要解決的主要問題早睡問題無線傳感器網絡MAC協議——基無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC未來請求發送：采用提前通知需要接收數據的節點的方法來實現早睡的避免：如上頁中的a所示，當節點C接收到CTS后，除了觸發自己保持監聽狀態之外，還發送一個FRTS分組給節點D，FRTS分組中含有節點D需要等待的時間，在此空閑狀態中，節點D必須要保持偵聽狀態。在節點C發送FRTS時看哪個節點會干擾節點A發送的數據，因此節點A需要延遲原數據的發送響應的時間，但是又必須保持對信道的占用，因此節點A在這段時間內發送一個與FRTS一樣長度的分組，該分組不包含任何有用的數據，然后才接著發送有用數據信息。從而數據傳到節點C之后節點D還是處于喚醒狀態，保證數據的實時傳輸。由于采用了未來請求發送機制，協議需要增加一個FRTS分組傳輸的時間，該方法提高了系統吞吐量和實時性，但是多了一些控制消息，相應地要消耗能量。第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC未來請求發送：采滿緩沖區優先：當節點的緩沖區快滿時，節點對收到的RTS分組不回復CTS，而是立即向緩沖區內數據的接收節點發送RTS，建立連接之后發送數據，以減輕緩沖區負載。如前頁中的b所示，節點B向節點C發送RTS，而節點C因為緩沖區滿不回復一個CTS分組，而是向節點D發送RTS以求數據傳輸。這種方法在一定程度上減少了早睡問題的發生概率，并可控制網絡負載流量，但在網絡負載過大時更容易發生沖突。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計滿緩沖區優先：當節點的緩沖區快滿時，節點對收到的RTS分組不Sift協議對CSMA/CA機制進行修改，競爭窗口的大小是原本就設定好的，采用非均勻概率來決定是否發送數據，它具有以下幾個特點：（1）無線傳感器網絡中基于空間的競爭。一般來說，許多無線傳感器網絡都在某一區域放置了多個節點，利用多個節點監測到同一事件來保證數據的可靠性。這種冗余數據的發生將導致鄰居節點間相互搶占信道，從而造成基于空間的競爭。（2）基于事件的報告方式。在無線傳感器網絡中，并非所有的節點都需要報告事件，匯聚節點只需接收到所發生事件的相關信息即可。（3）感知事件的節點密度的自適應調整。大量的無線傳感器節點接收到同一事件后，隨著目標的移動或者時間的推移，傳感器網絡感知到事件的節點也會相應地發生變化，從而能夠更好地觀測目標事件。無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計Sift協議對CSMA/CA機制進行修改，競爭窗口的大小是原無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計無線傳感器網絡MAC協議——基于競爭的MAC第三章無線傳SMACS協議1）基本思想SMACS協議假設每個節點都能夠在多個載波頻點上進行切換，該協議將每個雙向信道定義為兩個時間段，這類似于TDMA機制中分配的時隙。SMACS協議是一種分布式協議，允許一個節點集發現鄰居并進行信道分配。由于鄰近節點分配的時隙有可能產生沖突，為了減少沖突的可能性，每個鏈路都分配一個隨機選擇的頻點，相鄰的鏈路都有不同的工作頻點。當鏈路建立后，節點在分配的時隙中打開射頻部分，與鄰居進行通信，如果沒有數據收發，則關閉射頻部分進行睡眠，在其余時隙節點關閉射頻部分，降低能量損耗。無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計SMACS協議1）基本思想無線傳感器網絡MAC協議——基于分

2）關鍵技術：節點在上電后先進行鄰居發現，每發現一個鄰居，這一對節點就形成一個雙向信道，即一個通信鏈路。在兩個節點的超幀中為該鏈路分配一對時隙用于雙向通信。隨著鄰居的增加，超幀慢慢地被填滿。每對時隙都會選擇一個隨機的頻點，減少鄰近鏈路沖突的可能。這樣全網很快就能在初始化建立鏈路，這種不同步的時隙分配稱為異步分配通信SMACS協議無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計2）關鍵技術：節點在上電后先進行鄰居發現，每發現一個鄰居，

如圖所示，假設節點B、C、G進行鄰居發現。這些節點在隨機的時間段內打開射頻模塊，在一個固定的頻點監聽一個隨機長度的時間。如果在此監聽時間內節點沒有接收到其他節點發出的邀請消息，那么隨后節點將發送一個邀請消息。

圖中

，節點C就是在監聽結束后廣播的一個邀請消息Type1。節點B和節點G接收到節點C發出的Type1消息后，等待一個隨機的時間，然后各自廣播一個應答消息Type2。如果兩個應答消息不沖突，節點C將接收到節點B和節點G發來的邀請應答。

節點C在這里進行一個選擇，可以選擇最早到達的應答者，也可以選擇接收信號強度最大的應答者。在選擇了應答者后，節點C將立即發送一個Type3消息通知哪個節點被選擇。此處選擇最早到達的節點B作為應答者，節點G將關閉射頻部分進入睡眠，并在一個隨機的時間后重新進行鄰居發現。SMACS協議無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計如圖所示，假設節點B、C、G進行鄰居發現。這些節

如果節點C已經選擇了鄰居，將在消息Type3中攜帶分配信息，該信息包含節點C的下一個超幀的起始時間。在收到該分配消息后，節點B將和本地的超幀起始時間進行比較，得到一個時間偏移，并找出兩個共同的空閑時間段作為時隙對，分配給節點B和節點C之間的鏈路。在確定了時隙對后，節點B選擇一個隨機的頻點，將時隙對在超幀中的位置信息以及選擇的頻點通過消息Type4發送給節點C。經過這些測試信息的成功交換后，節點B和節點C之間就完成了時隙分配和頻率選擇。

在SMACS形成的網絡中，與超幀同步的節點組成一個子網，如圖3.10所示，節點A、節點D和節點B、節點C分別組成子網。隨著鄰居的增加，子網的規模會變大，并且會和其他子網的節點建立鏈路，實現整個網絡的無縫連接。兩個不同子網的節點在建立通信鏈路時，如果超幀有重疊的空閑時段，可以為新鏈路分配時隙，則可以成功建立鏈路；否則，節點只能放棄并尋找其他節點來建立鏈路。無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MACSMACS協議第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計如果節點C已經選擇了鄰居，將在消息Type3中攜3）移動性管理-EAR算法EAR算法定義了一種新的信令機制，主要使用4種消息，建立移動節點和靜止節點之間通信鏈路的機制主要有以下步驟：（1）靜止節點會每間隔固定個超幀發送一次BI消息，移動節點在接收到靜止節點的BI消息后將開始連接過程。（2）靜止節點在接收到MI消息后需要檢查連接是否可以建立。（3）連接建立后，移動節點在移動過程中會接收到新的鄰近靜止節點發送的BI消息，移動節點會根據信道質量選擇淘汰鄰居節點記錄中連接質量較差的鄰居節點。SMACS協議無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計3）移動性管理-EAR算法SMACS協議無線傳感器網絡MACTRAMA協議：在NAMA協議的基礎上引入了睡眠機制，該協議的信道分配機制不僅能夠保證能量效率，而且對于帶寬利用率、延遲和公平性也有很好的支持。1）基本思想TRAMA協議采用了流量自適應的分布式選舉算法，節點交換兩跳內的鄰居信息，傳輸分配時指明在時間順序上哪些節點是目的節點，然后選擇在每個時隙上的發送節點和接收節點。TRAMA協議由三個部分組成，

近鄰協議（NP）和分配交換協議（SEP）允許節點交換兩跳內的鄰居信息和分配信息；自適應選舉算法（AEA）利用鄰居和分配信息選擇當前時隙的發送者和接收者，讓其他與此次通信無關的節點進入睡眠狀態以節省能量。無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計TRAMA協議：在NAMA協議的基礎上引入了睡眠機制，該協議

TRAMA協議將一個物理信道分成多個時隙，通過對這些時隙的復用為數據和控制信息提供信道。每個時間幀分為隨機接入和分配接入兩部分無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計TRAMA協議將一個物理信道分成多個時隙，通過TRAMA協議2）關鍵技術（1）NP協議。在無線傳感器網絡中，由于節點失效或者新節點加入等現象存在，網絡拓撲在動態地變化，TRAMA協議需要適應這種變化。（2）分配交換協議（SEP）。分配交換協議用于建立和維護發送者和接收者選擇時隙要分配的信息。首先每個節點生成分配信息，然后通過廣播實現分配信息交換和維護。無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計TRAMA協議2）關鍵技術無線傳感器網絡MAC協議——基于分

為了提高能量效率，TRAMA盡可能地讓節點處于睡眠狀態，通過重用已經分配但未使用的時隙來提高帶寬利用率。在分配接入周期任一給定的時隙t中，任一節點的狀態是由該節點的兩跳鄰居信息和該節點的一跳鄰居發布的分配信息來確定的，有發送、接收、睡眠三種中的一個狀態。TRAMA協議無線傳感器網絡MAC協議——基于分配的MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計為了提高能量效率，TRAMA盡可能地讓節點處于睡競爭型MAC協議能很好地適應網絡規模和網絡數據流量的變化，可以更靈活地適應網絡拓撲結構的變化，無須精確的時鐘同步機制，較易實現；但存在能量效率不高的缺點，如沖突重傳、空閑監聽、串擾、控制開銷引起的能量消耗分配型MAC協議將信道資源按時隙、頻段或碼型分為多個子信道，各個子信道之間無沖突，互不干擾。數據包在傳輸過程中不存在沖突重傳，所以能量效率較高。此外，在分配型MAC（如TDMA）中，節點只在分配給自己的時隙中打開射頻部分，其他時隙關閉射頻部分，可避免冗余接收，進一步降低能量損耗。但是分配型MAC協議通常需要在網絡中的節點形成簇，不能靈活地適應網絡拓撲結構的變化混合型MAC協議根據通信情況自適應的采取競爭方式或分配方式無線傳感器網絡MAC協議——混合型MAC第三章無線傳感器網絡數據鏈路層設計競爭型MAC協議能很好地適應網絡規模和網絡數據流量的變化，可1）基本思想ZMAC協議是一種混合型MAC協議，采用CSMA機制作為基本方法，在競爭加劇時使用TDMA機制來解決信道沖突問題。ZMAC引入了時間幀的概念，每個時間幀又分為若干個時隙。在ZMAC中，網絡部署時每個節點執行一個時隙分配的DRAND算法。在時隙分