無線傳感網(wǎng)-文獻(xiàn)綜述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議研究姓名：XXX學(xué)號(hào)：XXX摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，也是一種新型的應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，成為當(dāng)前熱門的研究領(lǐng)域。在WSN中，各節(jié)點(diǎn)采集的信息以多跳的方式傳送到匯聚點(diǎn)，從各節(jié)點(diǎn)到匯聚點(diǎn)形成一棵以匯聚點(diǎn)為根的傳輸樹，這些節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)。由于無線傳感器一般依賴電池供電，有效節(jié)省能源是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究課題之一。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議,并不能直接應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，且現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的主要設(shè)計(jì)思路是通過犧牲系統(tǒng)性能來換取能量的節(jié)省。盡管這樣做在一定程度上達(dá)到了節(jié)能的效果，但是較低的系統(tǒng)性能也會(huì)帶來一些問題。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用背景，研究人員提出了很多MAC協(xié)議。本文通過分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，介紹了影響MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的有關(guān)問題，討論了MAC協(xié)議的分類方法，然后著重研究與論述了基于競(jìng)爭(zhēng)方式MAC層協(xié)議的核心實(shí)現(xiàn)機(jī)制和特點(diǎn)，井比較了這些MAC協(xié)議在性能上的差異。文章最后對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的進(jìn)一步研究策略和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行的展望。關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)；MAC協(xié)議；S-MAC；T-MAC1引言WSN是一種全新的信息獲取和處理技術(shù),它集成了傳感器、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和無線通信四大技術(shù)，是一種新型的無基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用型無線網(wǎng)絡(luò),能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,并對(duì)其進(jìn)行處理,傳送到需要這些信息的用戶，具有十分廣闊的應(yīng)用前景,引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，成為當(dāng)前熱門的研究領(lǐng)域。WSN具有與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)不同的特點(diǎn)，且與應(yīng)用高度相關(guān)，是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成，因不依賴于固定的基礎(chǔ)設(shè)施，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要求具有自組織的能力，是通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WSN的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作區(qū)域之后，它只能依賴于MAC層和物理層所能提供的有限的機(jī)制獲得周圍的一跳鄰居的信息，對(duì)全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息將一無所知。這時(shí)候需要有一個(gè)算法將這些分散的節(jié)點(diǎn)有效地組織起來，協(xié)調(diào)一致來完成某一個(gè)特定的任務(wù)。在此之上，各種路由協(xié)議、傳輸層協(xié)議以及應(yīng)用程序才能正常運(yùn)作。也就是說，需要有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為上層結(jié)構(gòu)服務(wù)，而構(gòu)成整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基石的就是MAC層協(xié)議，它是用于建立可靠的點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)或多點(diǎn)共享的通信鏈路技術(shù)，處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的底層部分，是所有數(shù)據(jù)報(bào)文和控制消息在無線信道上進(jìn)行發(fā)送和接收的直接控制者，解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)以怎樣的規(guī)則共享媒體才能保證滿意的網(wǎng)絡(luò)性能問題，MAC協(xié)議能否高效地使用無線信道是保證無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的最關(guān)鍵的因數(shù)之一。本文首先簡(jiǎn)單地分析了WSN網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議的特點(diǎn)，所面臨的問題與挑戰(zhàn)，討論了MAC協(xié)議的分類方法，然后著重研究與論述了基于競(jìng)爭(zhēng)方式的MAC層協(xié)議的核心實(shí)現(xiàn)機(jī)制和特點(diǎn)，井比較了這些MAC協(xié)議在性能上的差異。最后，指出了關(guān)于WSN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的未來發(fā)展趨勢(shì)和研究策略，目的在于為進(jìn)一步研究能量高效的WSN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議提供參考和支撐。2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的特點(diǎn)與面臨的問題文獻(xiàn)[1]指出，MAC協(xié)議的功能是在實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用的同時(shí)，保障鏈路通信的可靠性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，成千上萬的節(jié)點(diǎn)在傳感區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，MAC協(xié)議要在節(jié)點(diǎn)之間建立鏈路，保證所有的節(jié)點(diǎn)可以公平、有效的利用有限的帶寬。WSN的特性和應(yīng)用促使其MAC層協(xié)議與傳統(tǒng)的無線MAC層協(xié)議在許多方面不同，其主要目標(biāo)是節(jié)能和自組織，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)的公平和時(shí)延是次要的。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)有吞吐量、帶寬利用率、公平性和延時(shí)等但是對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，能量效率是第一位的，有時(shí)甚至不惜犧牲其他方面，來獲得更高的能量效率。為了研究和比較現(xiàn)有WSN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的性能，本節(jié)首先介紹了WSN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的特點(diǎn)，分析了WSN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的問題與挑戰(zhàn)，接著分析了WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)造成能量浪費(fèi)的潛在因素，最后，針對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的業(yè)務(wù)多樣性，定義了網(wǎng)絡(luò)中可能的通信模式，以分析不同MAC協(xié)議的適應(yīng)性。2.1傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的特點(diǎn)文獻(xiàn)[2]指出，傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)主要考慮以下3方面的內(nèi)容，重要性依次遞減：①節(jié)省能量；②可擴(kuò)展性，對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)分布的密集程度和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量增減和位置等變化；③網(wǎng)絡(luò)效率，主要包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、帶寬利用率等。2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)的問題與挑戰(zhàn)WSN網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能，是通過眾多資源受限的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)作實(shí)現(xiàn)的[3]。由于節(jié)點(diǎn)無線通信的廣播特征，節(jié)點(diǎn)間信息傳遞在局部范圍，需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)其間的無線信道分配；在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，需要路由協(xié)議選擇通信路徑。傳統(tǒng)的MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大化吞吐量、最小化時(shí)延并且提供公平性。而為WSN設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議關(guān)注的是最小化能耗，這就決定了它要適度地減小吞吐量和增加時(shí)延。由于WSN的節(jié)點(diǎn)總是協(xié)作完成某應(yīng)用任務(wù)，所以公平性通常不是主要問題。另外，WSN的一些典型應(yīng)用(如戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)跟蹤)也對(duì)其MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的要求。文獻(xiàn)[1]中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層設(shè)計(jì)面臨的一些主要問題歸納如下：1）能量受限WSN的基本特征就是能量受限。MAC層協(xié)議要盡可能地節(jié)約能源，如減少?zèng)_突和串音、降低占空比和盡量避免長(zhǎng)距離通信。協(xié)議中還應(yīng)包括折衷機(jī)制，使用戶可以在節(jié)能和提高吞吐量、降低延遲之間做出選擇[4]。另外，協(xié)議設(shè)計(jì)者應(yīng)該注意能量不是隨時(shí)可用的。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可能處于休眠狀態(tài)或者由于不可知的原因死亡。2）實(shí)時(shí)性，WSN經(jīng)常被應(yīng)用于軍事、醫(yī)療等對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的領(lǐng)域，及時(shí)地檢測(cè)、處理和傳遞信息是其不可缺少的要求。MAC層應(yīng)和其它層合作提供實(shí)時(shí)保證。3）分布式算法，由于WSN的節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力受限，需要眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成某應(yīng)用任務(wù)，所以MAC層協(xié)議應(yīng)該運(yùn)行分布式的算法。這也是有效避免某些節(jié)點(diǎn)的死亡造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓的需要。4）靈活性，WSN針對(duì)不同的應(yīng)用顯示出了不同的網(wǎng)絡(luò)特性，MAC層協(xié)議應(yīng)該能適應(yīng)不同應(yīng)用的各種流量模式。5）各性能間的平衡，MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)需要在各種性能間取得平衡。各性能間的平衡往往比單個(gè)性能的表現(xiàn)更重要。因?yàn)橐粋€(gè)不平衡的協(xié)議即使在實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)好，也可能在實(shí)際環(huán)境中表現(xiàn)很差。比如，一個(gè)協(xié)議如果太頻繁地關(guān)閉無線收發(fā)裝置來節(jié)能，不僅使實(shí)時(shí)性和可靠性受到影響，包丟失引起的重傳也會(huì)反過來影響節(jié)能的效果。3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類MAC協(xié)議主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的共享。目前針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議研究主要集中在信道接入技術(shù)、調(diào)度算法、差錯(cuò)控制以及數(shù)據(jù)包大小等方面[2]。研究人員從不同方面提出了多種MAC協(xié)議，對(duì)MAC協(xié)議的嚴(yán)格分類是非常困難的，采用不同的條件MAC協(xié)議有不同的分類方法[3]。文獻(xiàn)[5]，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)接入媒體的方式將MAC協(xié)議分為四類，分別是基于隨機(jī)接入（RandomAccess）、時(shí)隙接入（SlotsAccess）、幀接入（FramesAccess）和混合接入（HybridAccess）的MAC協(xié)議[6]。3.1基于隨機(jī)接入的MAC協(xié)議基于隨機(jī)接入的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議是實(shí)現(xiàn)起來最簡(jiǎn)單的一類協(xié)議。這類協(xié)議不劃分時(shí)間也不競(jìng)爭(zhēng)信道。為了減少空閑偵聽，協(xié)議通過延長(zhǎng)MAC幀頭，產(chǎn)生一段導(dǎo)言將接收節(jié)點(diǎn)的能量消耗轉(zhuǎn)移到發(fā)送節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)除周期的偵聽信道外，大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)。文獻(xiàn)[5]對(duì)基于隨機(jī)接入的MAC協(xié)議的發(fā)展和研究狀況做了簡(jiǎn)要的介紹。首先指出低功率偵聽(LPL)法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于隨機(jī)接入MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)雛形。其次，文獻(xiàn)[5]還對(duì)B-MAC協(xié)議、WiseMAC協(xié)議、CSMA-MPSx協(xié)議、X-MAC協(xié)議、STEM協(xié)議、速度估計(jì)MAC協(xié)議、FMAC協(xié)議、RI-MAC協(xié)議、A-MAC協(xié)議、BuzzBuzz協(xié)議等基于隨機(jī)接入的MAC協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。3.2基于時(shí)隙接入的MAC協(xié)議基于時(shí)隙接入的MAC協(xié)議使節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)裝置以較低的占空比運(yùn)行，在休眠和偵聽模式之間轉(zhuǎn)換。將時(shí)間分為若干時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)醒來開始處理數(shù)據(jù)并等待傳輸。節(jié)點(diǎn)間基于競(jìng)爭(zhēng)來分享信道。這類協(xié)議的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是考慮有效的競(jìng)爭(zhēng)方法、碰撞避免以及節(jié)點(diǎn)開始休眠的最佳時(shí)間等問題。文獻(xiàn)[5]按時(shí)間先后順序?qū)MAC協(xié)議、T-MAC協(xié)議、SCP-MAC協(xié)議、DMAC協(xié)議等基于時(shí)隙接入的MAC協(xié)議的發(fā)展和研究狀況做了詳細(xì)的介紹。3.3基于幀接入的MAC協(xié)議這類MAC協(xié)議主要研究?jī)?nèi)容是討論如何分配幀內(nèi)的時(shí)隙，建立節(jié)點(diǎn)調(diào)度時(shí)間，以及如何同步網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。類似TDMA協(xié)議[7]，基于幀接入的MAC協(xié)議采用調(diào)度時(shí)間表機(jī)制帶來很多優(yōu)點(diǎn)：分組碰撞幾乎可以避免，空閑偵聽和過聽分組產(chǎn)生的能量消耗可以在很大程度上減少。文獻(xiàn)[5]首先指出SMACS協(xié)議是基于幀接入MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，接著指出PEDAMACS協(xié)議是第一個(gè)在多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用分布式TDMA調(diào)度時(shí)間表的MAC協(xié)議，并對(duì)這兩個(gè)協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。隨后又對(duì)TRAMA協(xié)議、FLAMA協(xié)議、MMAC協(xié)議、LMAC協(xié)議、AI-LMAC協(xié)議、SS-TDMA協(xié)議等基于幀接入的MAC協(xié)議進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。3.4基于混合接入的MAC協(xié)議2005年文獻(xiàn)[8]結(jié)合隨機(jī)接入和幀接入方法提出Z-MAC（ZebraMAC）協(xié)議。Z-MAC協(xié)議在低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下使用隨機(jī)接入的CSMA方法進(jìn)行信道接入，高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)，使用幀接入的TDMA調(diào)度時(shí)間表方法接入信道。ZMAC協(xié)議動(dòng)態(tài)地在兩者之間轉(zhuǎn)換，不僅提高了能量效率，還改善了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。2006年，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的sink節(jié)點(diǎn)附近頻繁發(fā)生數(shù)據(jù)分組碰撞和丟失的漏斗效應(yīng)（funnelingeffect），文獻(xiàn)[9]提出一種基于混合接入的Funneling-MAC協(xié)議。該協(xié)議在全網(wǎng)范圍內(nèi)使用CSMA/CA機(jī)制，只在sink節(jié)點(diǎn)附近使用TDMA和CSMA混合方式接入信道。Funneling-MAC協(xié)議中因?yàn)榇蟛糠止?jié)點(diǎn)使用CSMA機(jī)制接入信道，所以對(duì)時(shí)鐘同步要求不高，其網(wǎng)絡(luò)性能要優(yōu)于需要全網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步的Z-MAC協(xié)議。另一種結(jié)合CSMA和TDMA的協(xié)議是在2005年由俄克拉荷馬州大學(xué)提出的PMAC(PatternMAC)協(xié)議[10]和2007年由K.Langendoen設(shè)計(jì)的CrankShaft協(xié)議[11]。這兩個(gè)協(xié)議將接收的時(shí)隙進(jìn)行劃分。Crankshaft協(xié)議簡(jiǎn)單的根據(jù)節(jié)點(diǎn)ID對(duì)接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙分配，然后使用與SCP-MAC相似的競(jìng)爭(zhēng)決定機(jī)制。PMAC協(xié)議中每一幀接收后都有一段特殊的時(shí)段，用來廣播自己下一幀的休眠時(shí)長(zhǎng)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和鄰近節(jié)點(diǎn)的變化來改變調(diào)度時(shí)間表。4基于競(jìng)爭(zhēng)方式的MAC層協(xié)議文獻(xiàn)[1][12],通過對(duì)當(dāng)前WSN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的研究，都對(duì)基于競(jìng)爭(zhēng)方式的MAC協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的分析與論述。基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議的基本思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競(jìng)爭(zhēng)方式使用無線信道，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵問題在于能耗，而其主要能量損失的原因在于碰撞重傳、串音以及空閑偵聽，大多數(shù)基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議都旨在通過避免以上矛盾以節(jié)約能量，增加節(jié)點(diǎn)壽命。目前主要的協(xié)議有S-MAC、T-MAC、Sift以及MD協(xié)議等。4.1S-MAC協(xié)議S-MAC（sensorMAC）協(xié)議[13]是在802.11MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，針對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)的能量有效性而提出的專用于WSN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能MAC協(xié)議。針對(duì)碰撞重傳，串音，空閑偵聽和控制消息等可能造成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)消耗更多能量的主要因素，S-MAC協(xié)議采用以下機(jī)制：①周期性偵聽/睡眠的占空比工作方式，控制節(jié)點(diǎn)盡可能處于睡眠狀態(tài)來降低節(jié)點(diǎn)能量的消耗。每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地調(diào)度它的工作狀態(tài)，如圖4-1所示，周期性地轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，在蘇醒后偵聽信道狀態(tài)，判斷是否需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。為了便于相互通信，相鄰節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)該盡量維持睡眠/偵聽調(diào)度周期的同步。鄰居節(jié)點(diǎn)通過協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機(jī)制形成虛擬簇，可減少節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽時(shí)間。圖4-1S-MAC協(xié)議的周期性偵聽/睡眠機(jī)制②通過流量自適應(yīng)的偵聽機(jī)制，減少消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。在S-MAC協(xié)議中，采用流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制，減少了通信延遲的累加效應(yīng)。它的基本思想是在一次通信過程中，通信節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)在通信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時(shí)間。如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)接到RTS分組，則可以立即接收數(shù)據(jù)，無須等到下一次調(diào)度偵聽周期，從而減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。如果在這段時(shí)間內(nèi)沒有收到RTS分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。③采用帶內(nèi)信令來減少重傳和避免偵聽不必要的數(shù)據(jù)。④通過消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來減少控制消息的開銷和消息的傳遞延遲。S-MAC協(xié)議減少了空閑偵聽所消耗的能源，但是不足之處在于：由于睡眠的引入，節(jié)點(diǎn)不一定能及時(shí)的傳輸數(shù)據(jù)，而使網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延上升，吞吐量下降；節(jié)點(diǎn)的工作循環(huán)周期在協(xié)議開始工作時(shí)就已確定下來，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)量的變化來進(jìn)行調(diào)整；協(xié)議假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量少，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。4.2T-MAC協(xié)議T-MAC（timeoutMAC）協(xié)議[14]在S-MAC的基礎(chǔ)上引入適應(yīng)性占空比，減少了閑時(shí)監(jiān)聽浪費(fèi)的能量，但仍保持合理的吞吐量。S-MAC協(xié)議通過采用周期性偵聽/睡眠工作方式來減少空閑偵聽。周期長(zhǎng)度是固定不變的，節(jié)點(diǎn)的偵聽活動(dòng)時(shí)間也是固定的。如圖4-2(a)所示，向上的箭頭表示發(fā)送消息，向下的箭頭表示接收消息，上面部分的信息流表示節(jié)點(diǎn)一直處于偵聽方式下的消息收發(fā)序列，下面部分的信息流表示采用S-MAC協(xié)議時(shí)的消息收發(fā)序列。S-MAC協(xié)議延遲要求和緩存大小通常是固定的，而消息速率通常是變化的。如果要保證可靠及時(shí)的消息傳輸，節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)時(shí)間必須適應(yīng)最高通信負(fù)載。當(dāng)負(fù)載動(dòng)態(tài)較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于空閑偵聽的時(shí)間相對(duì)增加，針對(duì)這個(gè)問題，T-MAC協(xié)議在保持周期長(zhǎng)度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)地調(diào)整活動(dòng)時(shí)間，用突發(fā)方式發(fā)送信息，減少空閑偵聽時(shí)間。如圖4-2(b)所示，T-MAC協(xié)議相對(duì)S-AMC協(xié)議減少了處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間。圖4-2S-MAC和T-MAC的基本機(jī)制在T-MAC協(xié)議中，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)仍采用RTS/CTS/DATA/ACK的通信過程，節(jié)點(diǎn)周期性喚醒進(jìn)行偵聽，如果在一個(gè)給定時(shí)間TA（timeactive）內(nèi)沒有發(fā)生：周期時(shí)間定時(shí)器溢出；在無線信道上收到數(shù)據(jù)；通過接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI感知存在無線通信；通過偵聽RTS/CTS分組，確認(rèn)鄰居的數(shù)據(jù)交換已經(jīng)結(jié)束，這些中的任何一個(gè)激活事件（activationevent），則活動(dòng)結(jié)束。在每個(gè)活動(dòng)期間的開始，T-MAC協(xié)議按照突發(fā)方式發(fā)送所有數(shù)據(jù)。TA決定每個(gè)周期最小的空閑偵聽時(shí)間，它的取值對(duì)于T-MAC協(xié)議性能至關(guān)重要，其取值約束為：TA>C+R+T其中,C是競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間間隔的長(zhǎng)度，R為發(fā)送RTS分組的時(shí)間，T為RTS分組結(jié)束到發(fā)出CTS分組開始的時(shí)間，如圖4-3所示。雖然T-MAC協(xié)議比S-MAC有所改進(jìn)，該協(xié)議存在早睡（earlysleeping）問題。圖4-3T-MAC協(xié)議的基本數(shù)據(jù)交換5小結(jié)本文通過閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)，首先簡(jiǎn)要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，接著介紹了影響MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的有關(guān)問題，討論了MAC協(xié)議的分類方法，然后著重研究與論述了基于競(jìng)爭(zhēng)方式MAC層協(xié)議的核心實(shí)現(xiàn)機(jī)制和特點(diǎn)，井比較了這些MAC協(xié)議在性能上的差異。在閱讀大量文獻(xiàn)后，個(gè)人認(rèn)為，能量有效性是設(shè)計(jì)一個(gè)好的MAC協(xié)議的關(guān)鍵因素，能量高效的MAC協(xié)議仍然是今后的一個(gè)開放性研究課題。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，將來WSN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的進(jìn)一步研究策略和發(fā)展趨勢(shì)有：利用多信道和動(dòng)態(tài)的信道分配技術(shù)進(jìn)行節(jié)能研究；采用跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)等。參考文獻(xiàn)[1]宋淵.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究及性能優(yōu)化[D].西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.1[2]李瑞芳.無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究綜述[M].通信學(xué)報(bào)，2008.8[3]鄭國(guó)強(qiáng),李建東,周志立.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展[M].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2008.3[4]/tos.[5]何晨光.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議高能效性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2011.6[6]LangendoenK.MediumAccessControlinWirelessSensorNetworks[M].NovaSciencePublisher,Netherlands,2008:535-560.[7]KulkarniS,ArumugamM.TDMAserviceforsensornetworks[C].The24thInt.Conf.onDistributedComputingSystem(ICDC04),Tokyo,Japan,2004:604-609.[8]RheeI,WarrierA,AiaM,etal.Z-MAC:ahybridMACforwirelesssensornetworks[C].The3rdACMConf.onEmbeddedNetworkedSensorSystems(SenSys2005),SanDiego,CA,2005:90-101.[9]AhnGS,MiluzzoE.Funneling-MAC:Alocalized,sink-orientedMACforboostingfidelitinsensornetwork[C].The4thACMConf.onEmbeddedNetworkedSensorSystems(Sensys2006).Boulder:ACMPress,2006:293-306.[10]ZhengT,RadhakrishnanS,SaranganV.Pmac:anadapt