后退跑2．其他基于IEEE802.11改进的MAC协议
尽管传统的基于CSMA⽅式的MAC协议也是基于载波监听和退避机制，但它们并不太适合⽆线传感器⽹络，因为它们都基本假设了随机分布的业务，并且趋向于⽀持独⽴的点到点的业务流。此外，⽆线传感器⽹络的MAC协议必须⽀持可变的⽽且⾼度相关和可控的周期业务。任意基于CSMA的MAC机制都有两个重要组成部分：监听和退避机制。实际上，⽆线传感器⽹络MAC协议关注的基本问题主要还是能耗管理，⽽射频通信模块是能耗的最⼤部件，⽽MAC协议直接控制射频通信模块，对⽆线传感器⽹络节点节能具有重要的影响。 (1) S-MAC／DSMAC
W.Ye等通过实验证实了⽆线传感器⽹络⽆效能耗的四⼤来源：空闲监听，由于节点不知何时邻居节点会向⾃⼰发送数据，射频通信模块⼀直处于接收状态，消耗⼤量能量；数据冲突，邻居节点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，重发数据造成能量浪费；串扰，接收和处理⽆关的数据；控制开销，控制报⽂不传送有效数据，消耗节点能量。在IEEE802.11MAC协议基础 上，W.Ye等提出了第⼀个完全针对⽆线传感器⽹络设计的MAC协议S-MAC(Sensor MAC)，具有有效节
能、扩展性和冲突避免三⼤优点。S-MAC协议对⽹络做了三⼤基本假设：拥有很多⼩的传感器节点；采⽤Ad-hoc⽹络配置；节点致⼒于协作完成⼀个或多个共同任务。此外，对于⽆线传感器⽹络应⽤，S-MAC协议还假设了⽹络能够容忍⼀定的通信延迟；具有较长的空闲周期(直到检测到事件发⽣为⽌)；应⽤关注⽹络的寿命。针对上⾯提到的四种能量浪费因素，S-MAC采⽤的主要应对机制如下：
1) 周期监听和睡眠机制
S-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应⽤程序决定。帧内分监听⼯作阶段和睡眠阶段。监听／睡眠阶段持续时间根据应⽤可调，当节点处于睡眠阶段就关掉⽆线电波以节省能量，但需缓存这期间收到的数据以便⼯作阶段集中发送并设置⼀个唤醒定时器。节点还需发送周期同步信息以同步邻居(通过虚拟簇⽅式)，相邻节点也可采⽤相同的监听／睡眠策略，新节点也可加⼊进来，节点还需要⼴播它们各⾃的监听／睡眠计划，这样使得S-MAC具有良好的扩展性。S-MAC协议采⽤RTS／CTS／DATA／ACK机制发送数据，发送数据期间不会进⼊睡眠阶段。该机制存在不⾜的是由于采⽤周期睡眠会带来⼀定的通信延迟，此外会占⽤⼤量存储空间缓存数据，这在资源受限的⽆线传感器⽹络显得尤为突出，如图3-4所⽰给出了S-MAC协议周期性监听和睡眠。
2) 冲突和串⾳避免机制
两个凡是
为了减少冲突和避免串⾳，S-MAC采⽤了物理和虚拟载波(使⽤⽹络分配⽮量NAV)监听机制和RTS／
CTS握⼿交互机制。与IEEE802.11 MAC协议不同的是当邻居节点正在通信时，S-MAC协议节点直接进⼊睡眠阶段；当接收⽅节点处于空闲并正在监听周期时，就会被唤醒。串⾳分组通常是不需要的分组，它随着节点密度和业务负载增加⽽变得更加严重，因⽽造成能量浪费。串⾳可以通过更新基于RTS／CTS的NAV来避免，当NAV不为零就进⼊睡眠阶段，从⽽避免串⾳现象发⽣。⼀个可以遵循的原则就是当发送⽅和接收⽅的所有邻居在节点发送数据期间监听到RTS／CTS后就应当进⼊睡眠阶段。博客动力
3) 消息传递机制
S-MAC协议采⽤了消息传递机制以很好⽀持长消息的发送。对于⽆线信道，传输差错和消息长度成正⽐，短消息传输成功的概率要⼤于长消息。消息传递技术根据这⼀原理，将长消息分为若⼲个短消息，采⽤⼀次RTS／CTS交互的握⼿机制预约这个长消息发送的时间，集中连续发送全部短消息，既可以减少控制报⽂开销，⼜可以提⾼消息成功发送率。IEEE802.11 MAC与S-MAC协议不同的是考虑了⽹络的公平性，RTS／CTS只预约下⼀个短消息发送的时间，其他节点在每个短消息发送完成后都不需醒来进⼊监听⼯作阶段，只要发送⽅没有收到某个短消息的应答，连接就会断开，其他节点便可以开始竞争信道。
4) 流量⾃适应监听机制
在多跳⽆线传感器⽹络中，节点周期性睡眠会导致通信延迟的累加。S-MAC协议采⽤了流量⾃适应监听机制，减⼩了通信延迟的累加效应。主要思想就是在⼀次通信过程中，通信节点的邻居节点在通信结束后不⽴即进⼊睡眠阶段，⽽是保持监听⼀段时间。如果节点在该时间段内收到RTS分组，则可⽴即接收数据，⽆须进⼊下⼀次监听⼯作周期，从⽽减少了数据分组的传输延迟。如果这段时间没有收到RTS分组，则转⼊睡眠阶段直到下⼀次监听⼯作周期。
包仁DSMAC协议是在S-MAC协议基础上引⼊了动态⼯作周期特征，旨在减少延迟敏感应⽤的传输延迟。在SYNC同步期间，所有节点共享⼀跳的延迟值(指当接收到进⼊队列的⼀个分组与其传输之间的时间间隔)，且开始都是相同的⼯作周期。如图3-5所⽰给出了DSMAC协议⼯作周期加倍的原理。当⼀个接收节点发现平均⼀跳延迟值较⾼时，就决定缩短其睡眠时间并在SYNC期间⼴播该消息。对应地，当发送节点收到睡眠时间缩短信号，则检查其队列的发往接收⽅的分组。如果存在⼀个分组且电池⾼于规定的阈值时，就决定将其⼯作周期加倍。
DSMAC协议⼯作周期加倍后使得邻居的调度将不受影响。这样其传输延迟要优于S-MAC协议的延迟。此外，对于每个分组⽽⾔，DSMAC 协议拥有更低的平均功耗。2011年华表奖
(2) T-MAC
se.20sqwT-MAC(Timeout-MAC)协议是在S-MAC协议基础上改进的，也将时间分为帧，帧长度固定，监听⼯作
长度可变。作者认为空闲监听的能耗占前⾯提到的四种⽆效能耗中绝对⼤的⽐例，特别是在消息传输频率较低的情况下。T-MAC协议规定了五种事件和⼀个计时器TA，根据TA确定监听⼯作阶段的结束时间。五种事件分别是：帧长度超时，即周期时间定时器溢出；节点在⽆线信道收到数据；通过接收信号强度指⽰RSSI感知数据传输冲突；节点的数据或确认发送完成；通过监听RTS／CTS确认邻居节点完成数据交换。如果在TA内，通信模块没有监听到这五种事件中的任何⼀种，就认为信道进⼊空闲状态。节点就关闭⽆线电波通信模块，进⼊睡眠阶段。为了减少空闲监听能耗，可以采⽤低能耗监听技术。T-MAC协议节点周期性地短时间监听信道，以确定信道空闲状态。如果⽆线信道空闲，节点再次进⼊睡眠阶段。如果信道忙，节点继续监听信道，直到数据接收完毕或信道再次空闲。节点在发送数据时，帧前加⼊唤醒前导，使得接收节点在帧的数据部分发送前进⼊⼯作状态，以接收数据。加⼊唤醒前导，增加了发送和接收数据的控制开销，但减少了空闲监听的能耗。⼤家知道，S-MAC协议的周期长度受限于应⽤延迟要求和节点缓存⼤⼩，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通常都是固定的，⽽消息速率是变化的。如果要保证及时可靠的消息传输，节点活动时间必须适应最⾼通信负载。当负载较⼩时，节点处于空闲监听时间相对增加。针对此问题，T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态调节活动时间，⽤突发⽅式发送消息，从⽽减少空闲监听时间。相对于S-MAC，T-MAC协议减少了处于活动阶段的时间。在每个活动阶段的开始，T-MAC按照突发⽅式发送所有数据，其中TA决定每个周期最⼩的空闲监听时间，它的取值对于整个协议性能⾄关重要，如图3-6所⽰。
由于⽆线传感器⽹络存在业务汇聚的数据单向通信情况，T-MAC协议存在⼀种特殊的通信延迟，即早睡(Early-sleep Problem)问题。如图3-7所⽰，假设节点A沿路线A→B→C→D传输数据到节点D。如节点A⾸先获得竞争优先权发送数据RTS消息给节点到B，B收到RTS后应答CTS消息。节点C收到B发出的CTS消息⽴即转⼊睡眠阶段，等节点B接收完数据才醒来，以便接收节点B发给它的数据。D由于不知道节点A和B之间的通信存在，故节点A→B的通信结束后就处于睡眠阶段，节点C只有等到下⼀个⼯作周期才能传数据给节点D，这样就存在⼀个通信延迟，即早睡现象。
为克服上⾯的⽬的节点早睡问题，T-MAC协议⼜提出了两种解决⽅案：第⼀种⽅法是在节点C和A分别引⼊FRTS(Future Request-To-Send)和DS(Data-Send)分组。节点C收到B发给A的CTS分组后⽴即向下⼀跳节点D发出FRTS，其中包含D接收数据前需等待的时间，节点D必须睡眠该等待时间后才能唤醒接收数据。节点A收到CTS分组后需发送⼀个与FRTS等长度的分组DS才能实现对⽆线信道的占⽤，节点A在DS分组之后就可发送数据消息了。尽管FRTS⽅法提⾼了数据吞吐率，但带来了额外的分组FRTS和DS通信开销。第⼆种⽅法就是满缓冲区优先策略(Full Buffer Priority)。当节点缓冲区快要满时，对收到的RTS不予应答，⽽⽴即向⽬标接收者发送RTS消息，并传输数据给⽬标节点。该⽅法优点是减⼩早睡问题发⽣的可能性，起到⼀定⽹络流量控制作⽤，然⽽增加了⽹络冲突的可能性。
(3) Sift
Sift协议是K.Jamieson等提出的基于事件驱动的⽆线传感器⽹络MAC协议，不同于上⾯IEEE802.11和其他基于竞争的MAC协议，它充分考虑了⽆线传感器⽹络的三个特点：⼤多数传感器⽹络是事件驱动的⽹络，因⽽存在事件检测的空间相关性和事件传递的时间相关性；由于汇聚节点的存在，不是所有节点都需要报告事件；感知事件的节点密度随时间动态变化。
Sift协议设计的⽬的是当共享信道的N个传感器节点同时监测到同⼀事件时，希望R个节点(R≤N)能够在最⼩时间内⽆冲突地成功地发送事件检测消息，抑制剩余(N-R)个节点的消息发送。Sift协议不但保留了S-MAC和T-MAC协议都具有的尽可能让节点处于睡眠阶段以节省能量的功能。⽽且，由于⽆线传感器⽹络的流量具有突发性和局部相关性，Sift协议很好地利⽤了这些特点，通过在不同时隙采⽤不同的发送概率，使得在短时间内部分节点能够⽆冲突地⼴播事件，从⽽在节省能量的同时也减少了消息传输的延迟，这是和以往的MAC协议的最⼤不同之处。
通常⼀般的基于窗⼝的竞争性MAC协议中，当有数据需要发送时，节点⾸先在发送窗⼝[1，CW]内的概率随机选择⼀个发送时隙；然后节点监听直到选择的发送时隙到来。如监听期间没有其他节点使⽤信道，则节点⽴即发送数据，否则需在信道空闲时重新选择发送时隙。当多个节点选择相同⼀个时隙时就会发⽣冲突。多数协议都是规定冲突节点倍增CW值，并在新窗⼝内重新选择发送时隙，以增⼤⽆冲突发送的概率。但是，这种⽅法使⽆线传感器⽹络存在新的问题：当多个节点同时监测到同⼀事件，并同时发送数据时，导致事件区域内节点同时闲忙，忙时竞争加剧，需要经过很长时间来调整C
W值，以适应发送节点的数⽬；如果CW值很⼤，⽽同时监测同⼀事件的节点数⽬很少时，就会造成报告事件的延迟较⼤；此外，CW取值是为了保证所有活动节点都有机会发送数据，⽽⽆线传感器⽹络只需N个活动节点中有R个节点能够⽆冲突地报告事件。Sift协议采⽤的是CW值固定的窗⼝，节点不是从发送窗⼝选择发送时隙，⽽是在不同时隙中选择不同发送数据的概率。因此，关键在于如何在不同时隙为节点选择合适的发送概率分布，使得监测到同⼀事件的多个节点能够在竞争窗⼝前⾯各个时隙内⽆冲突地发送数据消息。
Sift协议⼯作过程如下：当节点有消息发送时，⾸先假定当前有N个节点与其竞争发送。如果在第⼀个时隙内节点不发送消息，也⽆其他节点发送消息，则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，且⽆其他节点在该时隙发送消息，则节点继续减少假想的竞争发送节点数⽬，并进⼀步增加选择第三个时隙发送数据的概率。依次类推，节点在选择第r个时隙发送数据的概率Pr为：
式中，α为分布参数(0<α<1)。如果选择时隙过程中有其他节点发送消息，节点就进⼊重新开始竞争过程。Sift协议就是通过⾮均匀概率分布将优胜节点从整个竞争节点中筛选(Sift)出来的。式(3-1)中参数α选择与N和CW值相关。具体设置见参考⽂献[13]。
Sift协议和S-MAC以及T-MAC协议⼀样只是从发送数据的节点考虑问题，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，特别适合于传感器⽹络内局部区域使⽤，如分簇结构⽹络。簇头可以⼀直处于监听状态，这样节点发送消息给⼀直处于活动状态的簇头节点，通过簇头节点的能量消耗换来消息传输延迟的缩短。
(4) WiseMAC
由于T-MAC协议在帧前加⼊了唤醒前导，这样就引⼊了控制开销。为了将控制开销压缩到最⼩，WiseMAC协议在数据确认分组中携带了下⼀次信道监听时间，节点获得所有邻居节点的信道监听时间。在发送数据时可以将唤醒前导压缩到最短。
考虑节点时钟的漂移，唤醒前导长度TP=min(4θL,TW)。其中，θ是节点的时钟漂移速度，L是从上次确认分组到现在的时间，TW是所有节点监听信道的时间间隔。尽管WiseMAC协议能够很好地适应⽹络流量的变化，但是节点需要存储邻居节点的信道监听时间，会占⽤⼤量存储空间，并增加协议实现的复杂度，对于⾼密度的⽆线传感器⽹络，该问题较为突出。
(5) B-MAC
B-MAC(Berkeley-MAC)协议采⽤信道估计和退避算法分配信道，通过链路层保证传输可靠性，利⽤低功耗技术减少空闲监听，实现低功耗通信。
信道估计凭借对接收信号强度指⽰RSSI，采⽤指数加权移动平均算法计算出信道的平均噪声，再将⼀⼩段时间内的最⼩RSSI值与平均噪声相⽐较，从⽽确定信道的冲突状态。退避算法根据应⽤需求可以选择初始退避和拥塞退避两种⽅式。
(6) IEEE 802.15.4 MAC协议
IEEE 802.15.4为⽆线传感器⽹络的应⽤提供了⼀种低成本、低功耗和低速率的⽆线联⽹的标准。该标准不但定义了物理层，即可以有三种频率选择(2.4GHz、915MHz和868MHz)，⽽且也规定了MAC层协议采⽤CSMA／CA的竞争性接⼊⽅式。为降低功耗，采⽤了缓存节能机制，如图3-8所⽰。节点周期监听信道，接收信标(Beacon)帧，当没有数据接收和发送时就进⼊睡眠阶段。⽹络协调者暂时缓存发往睡眠节点的数据，并定期发送信标帧，信标帧携带了这些缓存数据的⽬的节点的地址。当节点发现⽹络协调者缓存了发往⾃⼰的数据之后，向其发送轮询帧(Poll)，表明⾃⼰可接收数据了。当⽹络协调者收到轮询帧后，⾸先向节点发送确认帧(ACK)，然后发送缓存的数据。收到数据后，节点再向⽹络协调者发送确认帧。
(7) BMA协议
BMA协议适合于分簇的⽆线传感器⽹络，分为簇建⽴和稳定两个阶段。在簇建⽴期间，节点是根据剩余能量多少来选择簇头节点的。所有当选簇头通过⾮持续的CSMA⽅式向其他节点⼴播当选通告。其
他节点收到通告后根据接收信号强度决定加⼊哪⼀个簇。经过⼀段时间系统进⼊稳定⼯作阶段。该阶段由若⼲定长的会话组成，每个会话包括竞争阶段、数据传输阶段和空闲阶段。竞争阶段所有节点都打开通信模块，竞争数据传输阶段。竞争阶段之后，簇头建⽴数据发送调度策略并向簇内节点⼴播数据发送调度策略，这样每个需要发送数据的节点获得了⼀个确定的发送时间。各个节点只有在⾃⼰的发送时问内打开通信模块，向簇头发送数据，其余时间都转⼊睡眠阶段。如果⼀个长会话内没有节点发送数据，那么数据传输阶段长度为0。簇头收到簇内节点数据后，需要进⾏数据融合，并向汇聚节点发送。相⽐于传统的TDMA和有效节能的TDMA协议(节点在分配给它的时隙⾥没有数据发送就将⽆线电通信模块关掉)，BMA协议最⼤的贡献就是使得平均分组延迟⼤⼤减⼩。
此外，除了上⾯主要关注节能和延迟的MAC协议外，Woo和Culler提出了⼀个新的基于CSMA的⽆线传感器⽹络的MAC竞争协议，考虑了有效节能和公平性问题，没有引⼊额外的控制分组开销，并从仿真实验证实了采⽤固定的监听周期策略且在退避期间关掉⽆线电波⽅式较为节能，⽽且引⼊随机延迟使得⽆线传感器⽹络对于避免数据的反复冲突提供了鲁棒性。他们还提出了⼀种⾃适应传输速率控制机制，实现了公平性和较好的吞吐性能。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议