【正文】 )與擴展前導技術降低通信能量。在數據分組傳輸前先發(fā)送一個前導序列，此序列長度固定且要不小于接收方的睡眠時間。只有當傳感器節(jié)點被喚醒并接受到前導序列時，其才轉入活躍狀態(tài)，一直到通信完成時才再次轉入睡眠狀態(tài)。[37]參考文獻[37]陳敏. 無線傳感器網絡物理層和MAC層協(xié)議研究[D]. 南京郵電大學, 2013.[38]陸明洲, 王箭, 何菊. 基于競爭的無線傳感器網絡MAC協(xié)議研究綜述[J]. 電子技術應用, 2007, 33(9):69.[39]林鐘楷. 大規(guī)模無線傳感器網絡MAC協(xié)議研究[D]. 廣東工業(yè)大學, 2011.[40]蘇美君. 基于競爭的無線傳感器網絡MAC協(xié)議研究[D]. 重慶郵電大學, 2011.[41]趙雪瑩. 基于SMAC的無線傳感器網絡MAC協(xié)議的分析與優(yōu)化[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2011, 34(19):4648.[42]趙志偉, 張信明, 劉道科,等. 基于競爭允許TDMA的無線傳感器MAC層協(xié)議[J]. 計算機 工程, 2007, 33(21):116118.[43]萬躍輝. 基于無線傳感器網絡的MAC層協(xié)議研究[D]. 南昌航空大學, 2013.[44]唐鐵斌, 李太君. 無線傳感器網絡MAC協(xié)議研究進展[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2007, 30(23):305316.六、M2M基于分配的Mac層技術M2M 可以通過移動通信網、有線局域網、無線局域網等多種網絡實現(xiàn)，由于 M2M 終端數量巨大，現(xiàn)有的隨機接入和資源調度算法已不能滿足M2M業(yè)務的QoS需求，因此合理的資源分配成為了研究的重點。如：Ray K. Lam 基于異質吞吐量請求的 M2M 業(yè)務，提出一個按照業(yè)務請求比例分配傳輸速率的分布式擁塞控制機制[45]；WenChien Hung 建立 M/G/k/k 模型解決多級控制機制處理M2M 群組設備的最大比特率分配問題[46] [52]?；诜峙涞腗ac層技術的核心內容是事先分配資源從而不會發(fā)生數據沖突以降低功耗，因此對于能量控制有很重要的意義，對于物理層的能耗情況，其可以實現(xiàn)能量調度與節(jié)能控制[47]?；诜峙涞腗ac層技術是比較成熟的通信技術, 有各種復用資源的方式。比較常用的途徑有時分復用（TDM，Time Division Multiplexing）和頻分復用(FDM, Frequency Division Multiplexing)。時分復用是Mac層常用的方式,因為該方式更適合添加結點的休眠時段,有利于節(jié)省有限的能源；而頻分復用的實質是多信道的使用,這種設計需要硬件的支持[48]。其顯著的優(yōu)點為：（1）減少數據包的沖突，降低重傳率；（2）在節(jié)點數目較少且固定不變的情況下，預先進行時隙的分配；而在節(jié)點數目變化時，進行動態(tài)的時隙分配；（3）提高系統(tǒng)的吞吐量；（4）無隱藏終端問題；（5）節(jié)點易于休眠，降低能耗[49] [50]。（1）時隙的分配Lightweight Mac(LMAC)技術LMAC是一個建立在TDMA基礎上的輕量級的技術,其設計的目的是高效使用能源,從而延長傳感器網絡運行時間。它通過一種特定的分布式的時槽分配算法,將每個結點的時間分割成固定的時槽,結點就在分配給自己的時槽上收發(fā)信息,而在其余時間可進行休眠,直到下個時槽的到來。該協(xié)議不需要依賴中心控制單元或基站,每個傳感器結點可以根據局部信息選擇分配給自己合適的時槽,從而在與鄰居結點通信時避免沖突[48]。TrafficAdaptive Medium Access(TRAMA)技術TRAMA是一種能源高效、無收發(fā)沖突的無線傳感器基于時槽的媒體訪問控制層技術[48]，它將時間劃分為連續(xù)時隙,根據局部兩跳內的鄰居節(jié)點信息,采用分布式選舉機制確定每個時隙的無沖突發(fā)送者。同時通過避免把時隙分配給無流量的節(jié)點,非發(fā)送和接收節(jié)點處于睡眠狀態(tài)以達到節(jié)省能量的目的[50]。TRAMA算法特別之處在于根據各個結點的負載情況協(xié)商預約分配時槽,從而適應網絡的流量。該算法將傳輸信道分成一個個時槽,并且將這些時槽分成傳輸槽(Transmission slots)和信號槽(Signing slots),其間有短暫的切換期(Switching Period),如圖1.。傳輸槽內時槽是預先分配好的,基于預約訪問(Scheduled Access)。而信號槽中的時槽則是隨機訪問(Random Access)的。傳輸槽用于各種信息的交換以及信號槽的分配,其核心是一套結點使用時槽的選舉算法[50]。 TRAMA協(xié)議時槽組織[48]該技術還另使用兩種技術來節(jié)能：用基于流量的傳輸調度表來避免可能在接收者發(fā)生的數據包沖突；使節(jié)點在無接收要求時進入低能耗模式。TRAMA將時間分成時隙,用基于各節(jié)點流量信息的分布式選舉算法來決定哪個節(jié)點可以在某個特定的時隙傳輸,以此來達到一定的吞吐量和公平性[48]。Datagathering Mac(DMAC)技術DAMC算法是由Southern California大學研究者提出的Mac技術,對于樹狀的網絡拓撲結構、單向傳送信息的場合,該技術可以異常高效地工作。DMAC要求網絡中存在多個源結點,單個匯聚結點,信息的傳送按照樹結構從葉到根的過程進行。這樣就可以按照樹的層次來分配時槽,使分組的傳送環(huán)環(huán)相扣,從而在同樣節(jié)省能源的情況下保證比較小的延時，[48]。 DAMC網絡工作示意圖[50]DAMC還可以在樹的分支結點中對信息進行裁減,減少需要發(fā)送的信息。當某個接收結點偵測到接收有沖突時,會多工作一個時槽時間,給發(fā)送受到阻塞的結點多一次機會,從而進一步減少延遲時間。當沖突比較頻繁時,就固定接收結點工作五個時槽來接收,避免該結點長時間接收而無法發(fā)送[48]。同時，該技術的核心思想是采用交錯調度機制,將節(jié)點周期劃分為接收時間、發(fā)送時間和睡眠時間。其中接收時間和發(fā)送時間相等,均為發(fā)送一個數據分組的時間。每個節(jié)點的調度具有不同的偏移,下層節(jié)點的發(fā)送時間對應上層節(jié)點的接收時間, 這很好地解決了數據在轉發(fā)中“走走一停?！钡臄祿ㄐ磐ｎD問題在隨著路徑上跳數的增加成比例增加而帶來的延遲[50]。分布式節(jié)點協(xié)調技術分布式節(jié)點協(xié)調（Distributed point coordination functionM, DPCFM）技術主要用于解決M2M 通信中的能量限制，其帶延時的隨機喚醒機制有效地減小了能量的損耗[47]。此技術結合 CSMA/CA 和節(jié)點協(xié)調函數（PCF）的優(yōu)點實現(xiàn)信道接入。DPCFM 協(xié)議被設計用于本地 M2M 節(jié)點和網關節(jié)點的場景中，網關節(jié)點帶有本地通信的小范圍接口和一個射頻單元接口（M2M 節(jié)點只帶有低能量的小范圍射頻）。對于鄰居節(jié)點之間的本地通信，此協(xié)議工作在 CSMA/CA 非 beacon 模式。但是，當 M2M 節(jié)點需要通過單元網連接外部服務器時，其需要通過網關節(jié)點發(fā)送數據[51]。 DPCF協(xié)議幀結構[51]DPCFM 。設備1是一個 M2M 節(jié)點，有數據要發(fā)送到外部服務器。設備 1 首先通過 CSMA/CA 協(xié)議接入到本地信道，然后發(fā)送網關請求包到其所選定的網關，也就是設備 2。在收到網關請求包之后，設備2成為主節(jié)點并組建一個集群，周期性地發(fā)送 beacon 幀，偵聽到 beacon 幀的設備會成為從節(jié)點。之后，從節(jié)點設備停CSMA/CA的操作，只會在主節(jié)點的允許下傳輸數據。主節(jié)點會為集群中的節(jié)點分配各自的工作時隙與鄰居通信,沒有通信任務時,節(jié)點關閉射頻模塊的電源,進入睡眠狀態(tài),以節(jié)約能量。，假定設備1和設備N有數據要發(fā)送給網關并且分別被分配時隙1和時隙N[51]。該協(xié)議采用多信道,且用中心調度方式來對信道進行分配。節(jié)點的射頻模塊可在不同的信道采用不同的頻率,從而降低了沖突發(fā)生的概率[47]。（2）信道的分配SMACS/EAR協(xié)議是基于固定信道分配的協(xié)議。其基本思想是為了每一對鄰居節(jié)點分配一個特有頻率進行數據傳輸,不同“節(jié)點對”之間的頻率互不干擾,從而避免同時傳輸的數據之間產生碰撞。協(xié)議假設傳感器節(jié)點靜止,當節(jié)點啟動時通過共享信道廣播一個“邀請”消息,通知鄰居節(jié)點與其建立連接。接收到“邀請”消息的鄰居節(jié)點與發(fā)出“邀請”消息的節(jié)點交換消息,協(xié)商兩者之間的通信頻率和一對時隙。如果節(jié)點收到多個鄰居節(jié)點對其“邀請”消息的應答,則選擇最先應答的鄰居節(jié)點建立無線鏈路。為了與更多鄰居建立鏈路,節(jié)點需要定時地發(fā)送“邀請”消息。協(xié)議主要用于靜止節(jié)點間鏈路的建立,而協(xié)議則用于建立少量運動傳感器節(jié)點與靜止節(jié)點之間的通信鏈路。其基本思想是運動節(jié)點偵聽固定節(jié)點發(fā)出“邀請”消息,根據消息的信號強度、節(jié)點號等信息決定是否建立鏈路,如果運動節(jié)點認為需要建立鏈路,則通過與對方交換信息分配一對通信時隙和通信頻率[50]。參考文獻：[45] Lam Ray K., Chen KwangCheng. Congestion control for M2M traffic with heterogeneous throughput demands[C]. IEEE Wireless Communications and Networking Conference, WCNC, 2013.[46] WenChien Hung, SunJen Huang, FengMing Yang, et al. A Multistage Control Mechanism for GroupBased MachineType Communications in an LTE System[J]. Journal of Applied Mathematics. 2013.[47] [48] [49] [50] [51] [52] 七、M2M混合mac技術．自動切換CSMA/CD與TokenBus混合型MAC技術從大量的分析可知,CSMA/CD在網絡負載較輕時，能獲得較好的通信效率[52]，TokenPassingBus在絡負載重時能保證較高的通信效及實時響應能力。因此一種新型的、帶自動切換機制CSMA/CD介質和TokenBus混合型介質訪問控制協(xié)議。其基本思想是在網絡徑載時采用CSMA/CD介質訪問技制機制,而當網絡負載增加到一定程度時,它能自動切換到使用TokenBus介質訪問制機制。一旦網絡負載下降到一定程度。它又能自動切換到使用CSMA/,這種協(xié)議在任何網絡負載下都能獲得較高的通信效率和較好的實時響應能力。[53]在初始時，網絡處于非持續(xù)型CSMA/CD操作方式下，網絡中每個節(jié)點都競爭使用總線介質。[53]也就是說，任何結點一旦有一個分組要發(fā)送則它首先偵聽總線，當總線空閑時它就發(fā)送分組，否則，它將延遲一段時間，在試圖發(fā)送。如果某個站點開始發(fā)送后再檢測到沖突發(fā)生，則該站點終止當前的分組發(fā)送，并發(fā)送一段阻塞信息，以加強沖突信號，然后隨機延遲一段時間后再次試圖發(fā)送。[54]?我們定義，CSMA/CD方式下一個站點延遲的概念:如果一個站點發(fā)生下列兩種情況之一，這個站點就認為被延遲了，該站點正在發(fā)送的分組與其它站發(fā)送的分組沖突；當該站點要發(fā)送一個分組時，或它再次試圖發(fā)送上次被延遲的分組時，檢測到總線，介質處于忙狀態(tài)。[53]此外，我們定義:當一個站點因為發(fā)送同一個分組而連續(xù)多次被延遲時，該站點被延遲的次數就等于該分組沖突的次數。因此，一旦該站點將這個分組成功地發(fā)送到總線介質上，則該站點的延遲次數就恢復為等于0了。顯然，一個站點被延遲的概率隨著網絡負載的增加而增加。因此我們可以通過一個站點被延遲的次數來估計網絡的負載情況。我們讓每個站點使用一個計數器來記錄它被延遲的次數。而當某個站點成功地發(fā)送出一個分組后則使該計數器清零這樣我們規(guī)定，任何一個站點不能被延遲超過n次，一旦某個站點的延遲次數超過n，則該站點將要求整個網絡切換到TokenBus操作方式。[53]當整個網絡處于CSMA/CA操作方式時，如果其中一個站點決定切換到TokenBus方式，則它向網絡上以CSMA/CD方式發(fā)送一個特殊的廣播分組，這個分組被每個個站點接受并識別出來后，它們分別將自己切換到TokenBus方式下，并立即開始邏輯環(huán)初始化過程。完成后即網絡進入TokenBus方式。[53]在切換時也存在兩種情況：如果該站點第二次延遲的原因時由于它發(fā)送的分組與其它站點發(fā)送的分組發(fā)生了沖突，則該站點緊接著發(fā)送一串阻塞字節(jié)，將沖突加強，以保證每個站點都能檢測到介質上的沖突。然后，該站點馬上發(fā)送一個特殊的廣播分組，通知網絡上的每個結點切換到TokenBus方式下。當整個網絡處于TokenBus方式下時，如果其中一個站點決定切換到CSMA/CD方式，則它等待獲得令牌；一旦獲得令牌，它首先發(fā)送一個能被所有站點識別的廣播分組，每個站收到該分組后將自己切換到CSMA/CD方式，然后網絡上每個節(jié)點都按CSMA/CD方式競爭使用網絡介質。[53]．基于TDMA與CDMA混合的傳感網絡MAC技術（1）TDMA/CDMA混合技術：設計了基于TDMA與CDMA混合機制的HCTMAC協(xié)議信道分配方案,這個方案分兩個階段,初始化階段和網絡通信階段。未初始化之前,整個網絡是一個平面結構,所有的節(jié)點都是平等的,任何一個節(jié)點都可以使用無線信道競爭成為簇首[56]。經過初始化階段后,無線傳感器網絡由平面結構轉化為分層結構,接著進入網絡通信階段。在初始化階段中,當節(jié)點被部署到監(jiān)測區(qū)域后,所有的節(jié)點都休眠,節(jié)點在一個隨機時間內醒來,然后偵無線信道，初始階段的算法如算法1所示。算法1“初始階段算法”(1)初始化,生成一個隨機時間t；(2)節(jié)點在t時間內,是否收到簇首信息幀(Mframe),未收到則向通信范圍節(jié)點廣播Mframe,宣布自己成為簇首。收到則轉向(3)；(3)根據收到的所有M