无线传感网MAC协议分析和研究

近年来，在很多国家关于智慧城市的研究和建设已经得到了很大的关注和进展。而国内自2010年来，也有不少城市相继开展了智慧城市的建设。智慧城市建设的总体框架可划分为感知层，通信层，数据层和应用层，感知层作为智慧城市框架的底层，它是否能良好的实现对于智慧城市建设具有重要的影响。而现在作为研究热点的无线传感网是完全可以成为智慧城市感知网络的一种实现方式的。

1. 无线传感网

1.1 无线传感网的概念

无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织的无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。无线传感网络是集数据采集、数据处理和数据通信三大功能的微型化、智能化、集成化、系统化和网络化的分布式传感器系统。

无线传感器网络在环境、医疗、军事、工业和智能家居等领域表现出巨大的潜在应用价值，它在未来将是一个无孔不入的十分庞大的网络，将完全融入我们的生活，具有十分广阔的应用前景。

在环境监测和保护方面，无线传感器网络为随机性研究数据的获取提供了便利，还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如可以将传感器分布在海洋，火山，冰原等地区，检测该地的环境状态。

在医疗护理领域，可以通过在老龄人，残障人士等生活不方便的人衣物、家具、电器等地方嵌入无线传感器，组成网络，便可实时获取他们的信息，帮助生活不能自理的人士更方便的接受护理，同时还能减轻护理人员的负担。无线传感器还可以用在药物管理方面，还可以通过在病人身上安装有特殊用途的传感器，让医生可实时获取病人病情信息。

在军事战争领域，无线传感器网络非常适合用于恶劣的战场环境中，可以通过飞机撒播，人工部署等方式将传感器节点分布在敌方战场，用于监控兵力、侦察敌方地形及布防、定位攻击目标以及探测核、生物和化学攻击等。

在工业生产方面，无线传感器网络可以提高工业生产中自动化程度、降低生产风险。例如可以在设备上部署传感器节点，对设备状态进行监控，工作人员可根据监控信息对设备进行调整。而一些危险的工业环境，如矿井、核电厂等，工作人员可以通过无线传感器网络来实施监测，达到对突发事件在第一时间进行处理。

在智能家居方面，可以通过在家具，电器等生活用品中嵌入特定的传感器，并将这些节点与互联网相连，在家庭网络操作系统管理下，可实现远距离控制，为人们提供舒适、方便和人性化的家居环境。

无线传感器网络具有非常广泛的应用前景，在物联网，车载网，智慧城市建设等领域都会占有重要的一席之地，这个技术将会给人类的生活方式带来极大的

变革。

1.2 无线传感网的特点和协议体系

无线传感网是一种自组织网络，同Ad-hoc网络很类似，但是也有其自身的特殊性。其主要特点如下：

⑴ 传感器节点的能量有限。网络中的传感器一般由电池供电，而传感器网又要求工作时间较长，而且工作环境也比较恶劣，更换电池的可能性很小，而太阳能供电或洋流供电对于传感器节点的技术要求也很高，这样就造成了能源方面突出矛盾。

⑵ 传感器节点的通信能力有限。感器网的传感器的传输速率低，通信距离近一般只有几十米到几百米；而且工作环境恶劣，更容易受地势地貌和自然灾害等的影响，一方面造成传感器之间的通信不可靠，另一方面可能使传感器出现长时间故障、甚至损坏。

⑶ 计算能力有限。传感器网中的传感器一般采用嵌入式处理器和存储器，但由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算处理能力十分有限。

⑷ 网络规模大，拓扑结构复杂。传感器网中节点密集，数目庞大，可能达到几百甚至几千万个，而且它的感知范围也会很大。另外由于有的节点会因为故障退出网络，有的节点又会新加入网络，导致拓扑结构不断变化。

⑸ 数据传输方向性强。在传感器网络中，通常，查询信息是通过广播或多播的方式从观察者向网络内传感器传输，而探测结果信息则是由分布在各处的传感器节点向查询节点汇聚。

传感器网络的这些特点使得以前适用于传统网络的协议都不再适用，需要进行修改或重新制定。比如说现在传感器网络将节省能量作为主要的考虑因素，而对于数据传输速率，实时性的考虑会相对弱化一些，而传统网络可能更注重数据传输的质量和速率，对于能耗的要求并没有那么严格。无线传感网的这些特殊要求和制约因素为传感器网络的协议研究，拓扑结构研究等带来了新的技术挑战。

到目前为止，无线传感网络协议研究方面还没有形成一个标准无线传感网络协议栈，现在比较通用的协议栈是将其划分为物理层、数据链路层、网络层、应用层、能量管理平面、移动性管理平面和任务管理平面七个部分组成。

①物理层：在这层中，数据作为比特流进行处理，其功能是为上层提供数据传输的物理连接，负责数据传输的物理规范性。在无线传感器网络中使用的是共享信道方式进行通信。

②数据链路层：在这层中要完成传统网络数据链路层的帧填充、差错校验和帧检测等功能。同时要设计一个适合于无线传感器网络的媒体介质访问控制(MAC)，以减少无线传感器网络的能量损耗，这是无线传感器网络协议研究重点内容。

③网络层：在这层中负责路由发现、路由维护和路由选择，使得节点间可以进行有效的相互通信。路由算法执行效率的高低，直接决定了无线传感器节点收发控制性数据与有效采集数据的比率．

④应用层：该层主要完成节点传感器数据采集管理，实现数据融合，支持感知数据的存储、查询、分析、挖掘等各种数据管理和分析处理软件系统，以便为终端用户的决策提供有效的支持。

⑤三个管理平面：无线传感器网络协议栈中三个管理平面，应在网络协议栈中的物理层、数据链路层、网络层和应用层中实现。任务管理平面更多实现在网

络层和应用层。能量管理更多实现在数据链路和网络层。移动性管理平面更多实现在数据链路和网络层。

2. MAC层协议简介

MAC子层处理所有的物理无线电信道接入。利用物理层提供的服务为高层提供使用MAC层数据服务和管理服务，实现MAC层的数据在物理层提供的数据服务中正确收发，和维护MAC层相关协议状态的信息数据库，并负责以下的任务：

① 如果设备是协调者就要产生网络信标帧； ② 普通设备依据信标帧与协调器同步； ③ 支持PAN的关联与解除关联操作； ④ 支持无线信道通信安全；

⑤ 采用CSMA-CA机制进行信道接入； ⑥ 处理和维护GTS机制；

⑦ 为两个对等MAC层实体提供可靠地连接。

MAC协议处于无线传感器网络协议的底层，对网络的性能有直接的影响，是网络高效通信的关键协议。在无线传感器网络中，单个节点资源有限，功能比较弱，而无线传感器网络的强大功能是由大量(成千上万)的节点共同协作实现。多点通信在局部范围内需要MAC协议协调无线信道的分配。MAC协议的选择要考虑三个方面：节省能量、可扩展性以及网络效率，包括公平性、实时性、网络吞吐量以及宽带利用率等。

① 节省能量：传感器网络的节点一般使用电池提供能量，由于电池能量非常有限，而且传感器节点一般工作在环境比较险恶的场所，通常难以进行补充或者更换电池，为了保证无线传感器网络的长时间有效工作，MAC协议在满足应用要求的前提下，应当尽量节省能量。

② 可扩展性：由于节点失效退出网络，或者添加新节点都会导致网络拓扑发生变化，所以就要求MAC协议具有可扩展性，以适应网络拓扑的动态变化。

③ 网络效率：虽然传感器网络对于实时性并没有传统网络的要求高，但对于一些实时性要求比较高的应用仍要考虑延时问题，传感器网络的延时主要来自节点的周期睡眠，睡眠导致数据包在节点内的滞留而带来睡眠延时，降低延时应缩短数据包在节点内的滞留时间但不影响节点的周期睡眠。吞吐量的重要性也是由应用决定的，吞吐量为固定时间内发送节点向接收节点成功发送的数据量，通常以每秒发送的比特数或字节数来衡量。吞吐量和冲突避免、信道利用率、延时和控制包开销密切相关。在无线传感网中，带宽利用率往往是次要的考虑因素，有时为了获得更高的其它性能，不惜牺牲带宽利用率来换取高能效，低延时等。对于接入公平性而言，在传感器网络中，节点间协调完成同一个任务，每个时刻节点需转发的数据量并不相等，让每个节点都平等地接入信道，获得平等的带宽并不适用，因此，节点和用户的公平性也是次要的。

一般情况下，以上三个因素对于无线传感网MAC协议的重要性依次递减，而传统的有线网络的MAC协议的目标更多的是考虑接入的公平性和无冲突传输。另外对于无线网络而言，隐藏终端和暴露终端的问题也是需要考虑的一个方面。

WSN中的能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗，研究表明，其中通信能耗占得比重最大。而通信过程中的能量主要浪费在以下四个方面：

① 空闲侦听：节点不能预知他的邻居节点何时传输数据给自己，因此节点

的射频模块需要一直保持为接收模式，就造成了节点能量的大量消耗。这是能量浪费的主要因素。

② 冲突重传：节点在发送数据的时候，在竞争共享的无线信道中，可能出现不同节点发送的数据产生碰撞，导致传输失败，浪费了接受和发送的能量，而且需要重传，消耗节点更多的能量。

③ 串音：数据包可能接收并处理共享信道中不是发给自己的数据包，会造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多不必要的能量。

④ 控制消息：MAC协议首部包括一些控制信息，如RTS／CTS／ACK，节点发送这些控制信息需要消耗一定的能量。

针对以上一些原因，无线传感网的MAC协议设计通常采用“侦听/休眠”交替的信道访问机制，节点无任务就进入睡眠状态以减少冲突、串音和空闲侦听等；通过协调节点间的侦听/休眠周期以及节点发送/接收数据的时机,避免分组空传和减少过度侦听；通过控制分组长度和数量减少控制开销；尽量延长节点休眠时间以减少状态切换次数，因为状态切换时能量会快速的消耗。目前的MAC协议在降低功耗方面主要集中在增加节点的休眠时间，减少节点对信道的侦听等。

无线传感网是与应用密切相关的，所以针对不同的应用场合，研究者们提出了多种MAC协议，分类方式根据侧重点不同也有多种。MAC协议根据信道访问策略的不同可分为竞争协议、调度协议和混合MAC协议；根据使用单一共享信道还是多信道可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议；根据传感器节点发射器硬件功率是否可变可分为功率固定MAC协议和功率控制MAC协议。

2.1 竞争协议

竞争协议采用按需使用信道的方式，当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，若发送的数据产生了冲突，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送为止。在无线传感网中，竞争协议重点考虑的三个问题是“侦听/休眠”调度，握手机制设计和减少睡眠延时。由于采用“侦听/休眠”机制的时候，要尽量保证相邻节点保持相同的“侦听/休眠”周期，即同时睡眠同时工作，所以竞争协议对于时钟同步也有一定的要求。

基于竞争的适用于无线传感网的MAC协议主要有：S-MAC、T-MAC、B-MAC、P-MAC和Sift协议等。

S－MAC通过让节点处于周期休眠状态来降低侦听时间，每个节点休眠一段时间，然后唤醒并侦听是否有其它节点想和它通信。在休眠期间，节点关闭无线装置，并设置定时器，随后唤醒自己。侦听和休眠的一个完整周期称为一帧，侦听间隔与整个帧之比为占空比。为了降低开销，我们希望邻居节点能保持同步。邻居节点通过周期地向它们的直接邻居广播SYNC包来交换它们的时间表，具有相同时间表的节点形成一个虚拟簇，簇内的对等节点直接通信。多个邻居节点通过竞争协议使用信道，通过虚拟载波侦听和物理载波侦听以及RTS/CTS通告机制结合的方式实现冲突避免。在控制分组中捎带数据传输剩余时间，邻居节点据此计算 NAV,并进入睡眠状态，直到长消息发送完毕为止。单播分组在发送者和接收者之间遵循RTS/CTS/DATA/ACK序列。RTS和CTS成功交换后，两个节点将利用它们的休眠时间进行数据分组传输，直到它们完成传输后才遵循它们的休眠时间表。在每个侦听间隔内，由于占空比操作和竞争机制，S-MAC有效地标识由于侦听和碰撞产生的能量消耗。但是S-MAC协议仍存在以下的缺陷：它的帧长度和占空比固定，不能很好的适应网络流量的变化，特别是当网络流量小时，空闲侦听时间仍然过长；周期睡眠造成通信延迟累加；同步调度消耗能量过多等。虽然以后的S-MAC

改进版本采用流量自适应侦听机制将睡眠延时减少一半以上，但周期睡眠造成的传输延迟仍然十分显著。因此，S-MAC不适合健康监测、目标跟踪等实时性要求较高的应用。

T-MAC针对S-MAC的上述缺陷进行改进，在保持周期长度固定的基础上，按照通信流量动态地调整活动的时间，用突发方式发送信息，减少了侦听时间。T-MAC定义了5个激活事件：1)周期的帧定时器打开；2)利用收发器接收其他节点的数据3)感知网络上的通信状况，如发生冲突；4)传送数据结束，等待对方发送确认信息；5)监听网络上的RTS和CTS数据包，与相邻节点进行数据交换。当节点处于活动状态，但经过TA时间后仍无激活事件发生，则节点立即进入睡眠状态。但是随机睡眠也带来了节点早睡问题，增加了延时。T-MAC为此提供两种解决方案：未来请求发送(FRTS)和满缓冲区优先(FBP),但仍存在缺陷：FRTS可以减少延时和提高吞吐率，但DS分组和FRTS分组带来额外的通信开销；FBP方法减少了早睡发生的可能性，并具有简单流量控制作用，但当网络流量较大时增加了冲突概率。除了早睡问题外，T-MAC协议还存在多跳同步的缺陷。

虽然S-MAC和T-MAC协议采用周期性的睡眠/活动策略能够减少能量消耗，但会导致信息传输时“走走停停”，产生传输延迟。

B-MAC协议使用扩展前导和低功率侦听(LPL)技术实现低功耗通信,采用空闲信道评估技术实现信道裁决，节点在发送数据分组之前先发送一段固定长度且大于接收方睡眠时间的前导序列。若节点唤醒后侦听到前导序列，则保持活跃状态，直到接收到数据分组或信道变得再次空闲为止。B-MAC无须共享调度信息,可以有效缩短唤醒时间，可提高信道利用率，有较高的吞吐量和较好的能量利用率。但是前导序列长度较长导致发送节点和接收节点耗费能量增加，同时也增大了延时。另外由于任何节点都采用LPL通信来唤醒它的邻节点，但当这些节点不是目标节点时，接到数据包后就会将其丢弃，导致额外的能量浪费，且这种情况随着信道流量的增加会更严重。

PMAC根据网络负载和流量模式自适应调整睡眠调度。该协议的帧分为模式循环时间帧(PRTF)和模式交换时间帧(PETF)。PRTF由N个数据时隙和1个附加时隙组成，节点根据模式(pattern)决定在每个时隙睡眠或唤醒，模式用一个比特串0m1表示，表示连续m个时隙睡眠和1个时隙唤醒。在数据时隙内，节点可以传输数据，在附加时隙内，所有节点都被唤醒，用来广播信息。PETF也分为多个时隙，用于与邻居节点交换模式。然后，节点以模式1开始每一个帧时间，在每个模式位为1的时隙考察是否有数据需要发送，如果没有，则采用类似于TCP慢启动算法的方法逐步增加模式中0位的数量，即增加节点休眠时间；如果有数据需要发送，则将模式恢复为1。在PETF阶段，节点竞争信道并广播自己的模式，然后根据收集到的邻居节点模式计算下一个PRTF中的睡眠调度。在PMAC中，当网络流量较小时节点睡眠时间更长，能量浪费更少；模式交换保证只有传输路径上的节点需要唤醒以转发数据，减少了邻居节点过度侦听和分组冲突。但通过广播交换模式增加冲突概率；邻居节点间协商产生睡眠-唤醒调度，收敛时间长；协议各时隙长度、模式位数、竞争窗口大小等参数未确定。

Sift协议针对事件驱动WSN设计，其目标是:若N个节点同时监测到同一事件，则只保证其中R个节点能够在最小时间内无冲突成功发送数据，抑制剩余N−R个节点的发送。Sift中竞争窗口CW长度固定，节点并不选择发送的时隙，而是选择不同时隙的发送概率。如果信道空闲，则逐步增加每个时隙的发送概率；如果有其他节点使用该时隙发送数据，则重新计算发送概率。经证明,协议满足如下性

质：当存在N个竞争节点时，有且仅有1个节点在第1个时隙成功发送的概率大；从第2个到第r−1个时隙，每个时隙中有且仅有1个节点成功发送的概率也大。Sift是一个基于竞争窗口的MAC协议，能满足事件驱动WSN数据突发性和冗余性。但未考虑如何减少空闲侦听，协议简单地认为，当节点监听到R个ACK后就取消相应事件报告，对如何选择R个节点及时无冲突发送并没有进一步研究，协议要求时钟严格同步，因此只适于在WSN局部区域内(如簇内)使用。

2.2 调度协议

调度协议的基本思想是将通信资源按时隙/频率/码字空间等进行划分，然后将这些划分好的时隙/频率/码字分配给各个节点以减少冲突，提高信道利用率。考虑到硬件成本和计算复杂度，调度协议通常以TDMA为主，FDMA和CDMA用的比较少。基于调度的适用于无线传感网的MAC协议如下：基于分簇的MAC协议，比如Energy-Aware TDMA-Based MAC协议和BMA协议；加入流量自适应技术的TDMA协议，比如TRAMA和和TDMA-W；基于数据采集树的MAC协议，比如D-MAC协议；以及DENA、EMACs和LMAC、ArDeZ等MAC协议。

Energy-Aware TDMA-Based MAC协议包含4个主要阶段：在数据发送阶段，活跃节点在分配的时槽根据转发表向网关节点发送/转发数据,非活跃节点保持睡眠，除非向簇头报告状态或接收路由广播；在更新阶段，节点在分配的时槽向簇头报告各自状态(剩余能量、位置等)；在基于更新的重路由阶段，簇头根据接收信息重新计算时槽和更新转发表,并发布调度；在事件触发重路由阶段，当拓扑变化或某节点能量小于阈值时，簇头产生新调度并发送给簇内节点。更新机制使得该协议适应网络动态变化的能力。

在BMA协议中,节点根据剩余能量选举簇头。当选的簇头广播信息，其他节点根据信号强度选择加入哪个簇。稳定状态阶段由多个时间帧组成，每个时间帧又分成竞争时槽、数据传输时槽和空闲时槽3部分。节点在竞争时槽获得数据传输时槽，并在数据传输时槽向簇头报告状态。簇头收集成员节点状态信息并发布调度，每个有数据发送的节点获得一个确定的发送时槽，且只在发送时槽向簇头节点发送数据，其余时间休眠。

由于分簇网络的便于管理维护、对系统变化反应迅速的特点，将时槽计算和分配任务交由簇头节点承担，既能避免扩大计算规模，又有利于实现信道重用。但是簇头的任务较重，它的计算能力和存储能力要求也很高；另外簇头的选举算法也会带来额外的开销；而且上述两个协议各个阶段时长固定，无法适应网络流量变化，降低了信道利用率；节点空闲侦听的能耗也很大，且网络负载越小，空闲侦听比例越大。

TRAMA协议将时间划分为连续的时隙，采用分布式选举机制确定每个时隙的无冲突发送者，同时不给无流量的节点分配时隙并让无发送接收的节点处于睡眠状态以节省能量。为了适应网络动态变化，将时间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期，并在随机访问周期内完成网络拓扑变化。TRAMA协议包括三个部分：邻居协议NP、调度交换协议SEP和自适应时隙选择算法AEA。在随机访问周期内，节点根据邻居协议获得一致的两跳内拓扑结构和节点流量信息并要实现节点间的时间同步。每个节点根据报文产生速率计算调度周期SI,并根据报文队列长 度使用AEA算法选择[t,SI]中具有两跳内最高优先权的若干个时槽,即获胜槽(winning slots)。节点使用获胜槽发送数据并使用位图指定接收者。发送者和接收者的调度信息的建立和维护是通过调度交换协议SEP来完成的。在每个调度间隔内，为防止调度信息的不一致和发送调度分组时产生冲突，最后一个获胜槽

用于广播下一次调度信息。每个节点u在某一发送槽t的优先权为prio(u,t)=hash(u⊕t)。在某一时槽t,如果节点具有两跳邻居内最高优先权并且有数据需要发送,则进入发送状态；如果节点是当前调度的指定接收方,则进入接收状态；否则,节点进入睡眠状态。

TRAMA协议通过分布式协商保证节点无冲突发送数据，在接收能耗的同时保证网络具有较高的数据传输率。相比基于CSMA机制的传感器网络MAC协议，TRAMA通过位图实现了更高的睡眠时间百分比和更低的数据发送冲突概率。此外，相比 其他协议的多播和广播模式，TRAMA协议的通信开销也更少些。存在的不足是：需要较大的存储能力来存储两跳内拓扑结构和节点流量信息；时钟同步存在一定的通信开销；随机和调度访问交替进行增加端到端延时；由于传输时隙设置为7倍的随机访问周期，这会使得工作周期比例仍然较大。鉴于以上分析，TRAMA协议适用于周期性数据采集和监测等WSN应用。

DMAC协议是针对采集树的结构的传感器网络提出的，采用不同深度节点之间的活动／睡眠的交错调度机制，数据能够沿着多跳路径连续传播，减少睡眠带来的通信延迟。协议将节点周期划分为三个阶段：接收时间、发送时间和睡眠时间。下节点的发送时间对应上节点的接收时间，所以不同的调度时间就有一定的偏移，这样可以保证信息传输的连续性，不会因为链路上节点的睡眠机制导致大的延迟出现。DMAC协议采用三个重要的机制保证传输延迟减小和能量消耗减少：自适应占空比机制，数据预测机制和MTS（more to send）分组机制。自适应占空比机制，解决传输数据量大的问题，节点在一个发送周期内需要发送多个分组，则需要增加节点的占空比，并请求传输路径上的节点增加占空比，DMAC协议在数据分组头中增加一个标志位(more data flag)，设置为1表示发送节点还有数据需要发送。在ACK分组头中增加同样的标志位，设置为1表示接收节点准备好继续接收数据。当发送缓存非空或收到下一跳节点发来标志设置为1的数据分组时，节点设置它的数据分组中的标志为1。节点决定增加活动周期的条件是：节点发送了标志设置为l的数据分组，或者收到了标志设置为1的ACK分组。通过这种机制，在传输路径上逐跳进行预约，能够提高网络的数据传输速率。数据预测机制是解决父节点在收到一个子节点传送的消息后进入睡眠状态而不接收其它有数据要发送的节点的发送请求。数据预测机制让父节点在接收完一个子节点的数据分组后，预测是否有其它子节点有分组要发送，有则在3A时间内苏醒（A为一次数据通信过程的时间长度），竞争失败的子节点在退避时间内收到父节点的ACK后，调整自己的调度表，并在3A时间后醒来给父节点发送分组。过MTS机制解决不同父节点的邻居节点之间干扰带来的睡眠延迟问题。

DMAC协议非常适合边缘源节点数据流量小而中间融合节点数据流量大的传感器网络，但需要严格的时钟同步,且数据采集树相对稳定,不适合移动节点和规模较大的WSN。

EMACs和LMAC是Van Hoesel等人结合物理层与网络层的特点,提出两个TDMA协议。它们的基本工作原理是：采用分布式算法选举主动节点构成连通骨干网络， 主动节点协商产生调度,时槽只能在3跳外重用；被动节点只能向特定主动节点发送数据,大多数情况下保持睡眠；根据流量和剩余能量,主动节点和被动节点可以转换；连通骨干网络有利于网络层建立路由(如动态源路由DSR),并减少路由开销。在LMAC中不需要数据交换握手机制，更能有效减少无线收发器的切换次数。存在的缺陷是：帧中存在空闲时槽，降低了信道利用率；网络流量较大时分组丢失严重；主动节点通信任务较重，而且调度协商存在冲突；协议不能对广播和聚

播通信提供有效支持。EMACs和LMAC宜用作数据流量不大的结构化网络MAC协议。

DENA（distributed energy-aware node activation）协议将时间帧分为周期性的调度访问阶段和随机访问阶段。随机访问阶段由若干个连续信令交换时隙组成，用于完成维护节点的加入和撤出，以及时间同步等任务。调度访问阶段由多个连续的数据传输时隙组成，某个时隙分配给特定节点用来发送数据。在调度访问部分中，每个时隙又细分为控制时隙和数据传输时隙，控制时隙较小，控制时隙指明接收节点，此时所有节点处于接收状态，如果发现接收者不是自己就进入睡眠状态，与传统的TDMA协议相比，DEANA协议在数据传输时隙前加入了一个控制时隙，使节点在得知不需要接收数据时进入睡眠状态，从而能够部分解决串音问题。但是该协议对节点的时间同步精度要求较高。

2.3 混合协议

竞争协议和调度协议各有各的优缺点，混合协议包含竞争协议和调度协议 的设计要素，既能保持所组合协议的优点，又能避免各自的缺点，更有利于网络全局优化。这里介绍一种混合协议Z-MAC。

Z-MAC在低流量条件下使用CSMA信道访问方式，可提高信道利用率并降低延时；在高流量条件下使用TDMA信道方式，可减少冲突和串扰。Z-MAC中节点能在任何时槽发送数据,但时槽拥有者优先级更高。当时槽拥有者不发送数据时,其邻居节点以CSMA方式竞争信道,获胜者“盗用”该时槽。通过邻居发现,节点收集两跳内邻居信息,然后采用分布着色算法为每个节点分配时槽。邻居节点以CSMA方式竞争多余的时隙，当竞争较强时,节点发出明确竞争通告(ECN)消息,如果节点在最近TECN时间内收到某一两跳邻居发出的ECN,则成为高竞争级(HCL)节点,否则为低竞争级(LCL)节点。LCL节点可以竞争任何时槽,但在HCL状态下,只有时槽拥有者及其邻居节点可以使用该时槽,并且在时序上早于非拥有者发送。这种ECN技术具有一定的拥塞控制能力。

作为一种混合MAC协议，Z-MAC具有比传统TDMA协议更好的可靠性和容错能力,在最坏情况下,协议性能接近CSMA。Z-MAC存在的缺陷有：在启动阶段需要全局时钟同步；在HCL模式下,节点只能在有限的时槽发送数据,增加了传输延时,在LCL模式下仍然存在隐藏终端问题；ECN机制易产生内爆,为避免内爆增加了控制开销；集中式调度分配算法只能在协议初始阶段为节点分配时槽,无法周期重运行。

WSN是一个较新的研究领域，应用范围很广，因此针对应用提出的MAC协议也是多种多样。以上三大类的协议各具特点，有其自身的优缺点，并不能相互取代。目前大多数的MAC协议都只是处于理论研究阶段，如果应用于实际，肯定还有更多的问题，所以对于MAC协议的研究还有很长的路要走。

3. MAC协议的改进方向及预期结果

近年来，研究人员针对无线传感器网络的应用和新特性不断提出新的MAC 协议，但是MAC协议的发展趋势并没有呈现收敛性，还没有形成通用的标准。究其原因，一方面是因为MAC协议是建立在物理层之上的，而现在物理层也并没有形成统一的标准规范；另一方面是因为MAC协议要兼顾WSN的应用特性，不同的WSN网络关注的重点不同，导致偏重不同性能的MAC协议出现。

通过对各种MAC协议的研究和分析，可以看到MAC协议的设计主要在能量节约、冲突避免、支持网络动态性即可扩展性、信道利用率、控制开销、时间同步、实时性、协议本身的复杂性等方面进行考虑，而现有的MAC协议在这些方面也是存在诸多问题的，新的MAC协议需要在这些方面进行改进。另一方面，

以往的一些MAC协议对于安全性并没有太多的关注，而对于窃听和恶意攻击的防范在技术上是可行的，也是必须的；同时，现在的无线传感网的协议是基于分层结构的，虽然分层结构实现较简单，但是对于层间的信息交互不利，造成通信效率较低，能量利用率不高的问题，所以在以后的MAC协议设计中，也可以往跨层协议方向发展，实现路由层或物理层与MAC层的信息交互，从而提高节点的利用率，也可以实现协议的简化。

对于改进的新MAC协议，我的设想是能够融合竞争协议和调度协议的优点，同时尽可能简化协议本身的复杂度，比如考虑CDMA、TDMA或者FDMA与CSMA相结合的基于“侦听/休眠”机制的MAC协议等；另外一个改进点是基于跨层思想的MAC协议，比如基于路由信息的或物理层信息的跨层MAC协议等。希望出现的结果是协议首先对于能耗的减少有较大的改进，其次是能像基于竞争的MAC协议那样较好地支持网络拓扑的动态变化而协议本身的控制信息不至于太复杂，然后能改善传统的基于竞争的MAC协议的延时较大的问题，这点可以通过调度协议来实现。