【正文】 )與擴(kuò)展前導(dǎo)技術(shù)降低通信能量。在數(shù)據(jù)分組傳輸前先發(fā)送一個(gè)前導(dǎo)序列，此序列長度固定且要不小于接收方的睡眠時(shí)間。只有當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)被喚醒并接受到前導(dǎo)序列時(shí)，其才轉(zhuǎn)入活躍狀態(tài)，一直到通信完成時(shí)才再次轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。[37]參考文獻(xiàn)[37]陳敏. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層和MAC層協(xié)議研究[D]. 南京郵電大學(xué), 2013.[38]陸明洲, 王箭, 何菊. 基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究綜述[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2007, 33(9):69.[39]林鐘楷. 大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究[D]. 廣東工業(yè)大學(xué), 2011.[40]蘇美君. 基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究[D]. 重慶郵電大學(xué), 2011.[41]趙雪瑩. 基于SMAC的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的分析與優(yōu)化[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 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(jì)算機(jī) 工程, 2007, 33(21):116118.[43]萬躍輝. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議研究[D]. 南昌航空大學(xué), 2013.[44]唐鐵斌, 李太君. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2007, 30(23):305316.六、M2M基于分配的Mac層技術(shù)M2M 可以通過移動(dòng)通信網(wǎng)、有線局域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，由于 M2M 終端數(shù)量巨大，現(xiàn)有的隨機(jī)接入和資源調(diào)度算法已不能滿足M2M業(yè)務(wù)的QoS需求，因此合理的資源分配成為了研究的重點(diǎn)。如：Ray K. Lam 基于異質(zhì)吞吐量請求的 M2M 業(yè)務(wù)，提出一個(gè)按照業(yè)務(wù)請求比例分配傳輸速率的分布式擁塞控制機(jī)制[45]；WenChien Hung 建立 M/G/k/k 模型解決多級控制機(jī)制處理M2M 群組設(shè)備的最大比特率分配問題[46] [52]?；诜峙涞腗ac層技術(shù)的核心內(nèi)容是事先分配資源從而不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)能量調(diào)度與節(jié)能控制[47]?；诜峙涞腗ac層技術(shù)是比較成熟的通信技術(shù), 有各種復(fù)用資源的方式。比較常用的途徑有時(shí)分復(fù)用（TDM，Time Division Multiplexing）和頻分復(fù)用(FDM, Frequency Division Multiplexing)。時(shí)分復(fù)用是Mac層常用的方式,因?yàn)樵摲绞礁m合添加結(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)段,有利于節(jié)省有限的能源；而頻分復(fù)用的實(shí)質(zhì)是多信道的使用,這種設(shè)計(jì)需要硬件的支持[48]。其顯著的優(yōu)點(diǎn)為：（1）減少數(shù)據(jù)包的沖突，降低重傳率；（2）在節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少且固定不變的情況下，預(yù)先進(jìn)行時(shí)隙的分配；而在節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化時(shí)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的時(shí)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(diǎn)易于休眠，降低能耗[49] [50]。（1）時(shí)隙的分配Lightweight Mac(LMAC)技術(shù)LMAC是一個(gè)建立在TDMA基礎(chǔ)上的輕量級的技術(shù),其設(shè)計(jì)的目的是高效使用能源,從而延長傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間。它通過一種特定的分布式的時(shí)槽分配算法,將每個(gè)結(jié)點(diǎn)的時(shí)間分割成固定的時(shí)槽,結(jié)點(diǎn)就在分配給自己的時(shí)槽上收發(fā)信息,而在其余時(shí)間可進(jìn)行休眠,直到下個(gè)時(shí)槽的到來。該協(xié)議不需要依賴中心控制單元或基站,每個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)可以根據(jù)局部信息選擇分配給自己合適的時(shí)槽,從而在與鄰居結(jié)點(diǎn)通信時(shí)避免沖突[48]。TrafficAdaptive Medium Access(TRAMA)技術(shù)TRAMA是一種能源高效、無收發(fā)沖突的無線傳感器基于時(shí)槽的媒體訪問控制層技術(shù)[48]，它將時(shí)間劃分為連續(xù)時(shí)隙,根據(jù)局部兩跳內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息,采用分布式選舉機(jī)制確定每個(gè)時(shí)隙的無沖突發(fā)送者。同時(shí)通過避免把時(shí)隙分配給無流量的節(jié)點(diǎn),非發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)以達(dá)到節(jié)省能量的目的[50]。TRAMA算法特別之處在于根據(jù)各個(gè)結(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況協(xié)商預(yù)約分配時(shí)槽,從而適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的流量。該算法將傳輸信道分成一個(gè)個(gè)時(shí)槽,并且將這些時(shí)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(nèi)時(shí)槽是預(yù)先分配好的,基于預(yù)約訪問(Scheduled Access)。而信號槽中的時(shí)槽則是隨機(jī)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(jié)點(diǎn)使用時(shí)槽的選舉算法[50]。 TRAMA協(xié)議時(shí)槽組織[48]該技術(shù)還另使用兩種技術(shù)來節(jié)能：用基于流量的傳輸調(diào)度表來避免可能在接收者發(fā)生的數(shù)據(jù)包沖突；使節(jié)點(diǎn)在無接收要求時(shí)進(jìn)入低能耗模式。TRAMA將時(shí)間分成時(shí)隙,用基于各節(jié)點(diǎn)流量信息的分布式選舉算法來決定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在某個(gè)特定的時(shí)隙傳輸,以此來達(dá)到一定的吞吐量和公平性[48]。Datagathering Mac(DMAC)技術(shù)DAMC算法是由Southern California大學(xué)研究者提出的Mac技術(shù),對于樹狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、單向傳送信息的場合,該技術(shù)可以異常高效地工作。DMAC要求網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)源結(jié)點(diǎn),單個(gè)匯聚結(jié)點(diǎn),信息的傳送按照樹結(jié)構(gòu)從葉到根的過程進(jìn)行。這樣就可以按照樹的層次來分配時(shí)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(shí)，[48]。 DAMC網(wǎng)絡(luò)工作示意圖[50]DAMC還可以在樹的分支結(jié)點(diǎn)中對信息進(jìn)行裁減,減少需要發(fā)送的信息。當(dāng)某個(gè)接收結(jié)點(diǎn)偵測到接收有沖突時(shí),會(huì)多工作一個(gè)時(shí)槽時(shí)間,給發(fā)送受到阻塞的結(jié)點(diǎn)多一次機(jī)會(huì),從而進(jìn)一步減少延遲時(shí)間。當(dāng)沖突比較頻繁時(shí),就固定接收結(jié)點(diǎn)工作五個(gè)時(shí)槽來接收,避免該結(jié)點(diǎn)長時(shí)間接收而無法發(fā)送[48]。同時(shí)，該技術(shù)的核心思想是采用交錯(cuò)調(diào)度機(jī)制,將節(jié)點(diǎn)周期劃分為接收時(shí)間、發(fā)送時(shí)間和睡眠時(shí)間。其中接收時(shí)間和發(fā)送時(shí)間相等,均為發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)分組的時(shí)間。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度具有不同的偏移,下層節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間對應(yīng)上層節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)間, 這很好地解決了數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)中“走走一停?！钡臄?shù)據(jù)通信停頓問題在隨著路徑上跳數(shù)的增加成比例增加而帶來的延遲[50]。分布式節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)技術(shù)分布式節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)（Distributed point coordination functionM, DPCFM）技術(shù)主要用于解決M2M 通信中的能量限制，其帶延時(shí)的隨機(jī)喚醒機(jī)制有效地減小了能量的損耗[47]。此技術(shù)結(jié)合 CSMA/CA 和節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)函數(shù)（PCF）的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信道接入。DPCFM 協(xié)議被設(shè)計(jì)用于本地 M2M 節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的場景中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)帶有本地通信的小范圍接口和一個(gè)射頻單元接口（M2M 節(jié)點(diǎn)只帶有低能量的小范圍射頻）。對于鄰居節(jié)點(diǎn)之間的本地通信，此協(xié)議工作在 CSMA/CA 非 beacon 模式。但是，當(dāng) M2M 節(jié)點(diǎn)需要通過單元網(wǎng)連接外部服務(wù)器時(shí)，其需要通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)[51]。 DPCF協(xié)議幀結(jié)構(gòu)[51]DPCFM 。設(shè)備1是一個(gè) M2M 節(jié)點(diǎn)，有數(shù)據(jù)要發(fā)送到外部服務(wù)器。設(shè)備 1 首先通過 CSMA/CA 協(xié)議接入到本地信道，然后發(fā)送網(wǎng)關(guān)請求包到其所選定的網(wǎng)關(guān)，也就是設(shè)備 2。在收到網(wǎng)關(guān)請求包之后，設(shè)備2成為主節(jié)點(diǎn)并組建一個(gè)集群，周期性地發(fā)送 beacon 幀，偵聽到 beacon 幀的設(shè)備會(huì)成為從節(jié)點(diǎn)。之后，從節(jié)點(diǎn)設(shè)備停CSMA/CA的操作，只會(huì)在主節(jié)點(diǎn)的允許下傳輸數(shù)據(jù)。主節(jié)點(diǎn)會(huì)為集群中的節(jié)點(diǎn)分配各自的工作時(shí)隙與鄰居通信,沒有通信任務(wù)時(shí),節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻模塊的電源,進(jìn)入睡眠狀態(tài),以節(jié)約能量。，假定設(shè)備1和設(shè)備N有數(shù)據(jù)要發(fā)送給網(wǎng)關(guān)并且分別被分配時(shí)隙1和時(shí)隙N[51]。該協(xié)議采用多信道,且用中心調(diào)度方式來對信道進(jìn)行分配。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)分配一個(gè)特有頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,不同“節(jié)點(diǎn)對”之間的頻率互不干擾,從而避免同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之間產(chǎn)生碰撞。協(xié)議假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)靜止,當(dāng)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)通過共享信道廣播一個(gè)“邀請”消息,通知鄰居節(jié)點(diǎn)與其建立連接。接收到“邀請”消息的鄰居節(jié)點(diǎn)與發(fā)出“邀請”消息的節(jié)點(diǎn)交換消息,協(xié)商兩者之間的通信頻率和一對時(shí)隙。如果節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)對其“邀請”消息的應(yīng)答,則選擇最先應(yīng)答的鄰居節(jié)點(diǎn)建立無線鏈路。為了與更多鄰居建立鏈路,節(jié)點(diǎn)需要定時(shí)地發(fā)送“邀請”消息。協(xié)議主要用于靜止節(jié)點(diǎn)間鏈路的建立,而協(xié)議則用于建立少量運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)與靜止節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路。其基本思想是運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)偵聽固定節(jié)點(diǎn)發(fā)出“邀請”消息,根據(jù)消息的信號強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)號等信息決定是否建立鏈路,如果運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為需要建立鏈路,則通過與對方交換信息分配一對通信時(shí)隙和通信頻率[50]。參考文獻(xiàn)：[45] 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Journal of Applied Mathematics. 2013.[47] [48] [49] [50] [51] [52] 七、M2M混合mac技術(shù)．自動(dòng)切換CSMA/CD與TokenBus混合型MAC技術(shù)從大量的分析可知,CSMA/CD在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，能獲得較好的通信效率[52]，TokenPassingBus在絡(luò)負(fù)載重時(shí)能保證較高的通信效及實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。因此一種新型的、帶自動(dòng)切換機(jī)制CSMA/CD介質(zhì)和TokenBus混合型介質(zhì)訪問控制協(xié)議。其基本思想是在網(wǎng)絡(luò)徑載時(shí)采用CSMA/CD介質(zhì)訪問技制機(jī)制,而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加到一定程度時(shí),它能自動(dòng)切換到使用TokenBus介質(zhì)訪問制機(jī)制。一旦網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下降到一定程度。它又能自動(dòng)切換到使用CSMA/,這種協(xié)議在任何網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下都能獲得較高的通信效率和較好的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。[53]在初始時(shí)，網(wǎng)絡(luò)處于非持續(xù)型CSMA/CD操作方式下，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都競爭使用總線介質(zhì)。[53]也就是說，任何結(jié)點(diǎn)一旦有一個(gè)分組要發(fā)送則它首先偵聽總線，當(dāng)總線空閑時(shí)它就發(fā)送分組，否則，它將延遲一段時(shí)間，在試圖發(fā)送。如果某個(gè)站點(diǎn)開始發(fā)送后再檢測到?jīng)_突發(fā)生，則該站點(diǎn)終止當(dāng)前的分組發(fā)送，并發(fā)送一段阻塞信息，以加強(qiáng)沖突信號，然后隨機(jī)延遲一段時(shí)間后再次試圖發(fā)送。[54]?我們定義，CSMA/CD方式下一個(gè)站點(diǎn)延遲的概念:如果一個(gè)站點(diǎn)發(fā)生下列兩種情況之一，這個(gè)站點(diǎn)就認(rèn)為被延遲了，該站點(diǎn)正在發(fā)送的分組與其它站發(fā)送的分組沖突；當(dāng)該站點(diǎn)要發(fā)送一個(gè)分組時(shí)，或它再次試圖發(fā)送上次被延遲的分組時(shí)，檢測到總線，介質(zhì)處于忙狀態(tài)。[53]此外，我們定義:當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)因?yàn)榘l(fā)送同一個(gè)分組而連續(xù)多次被延遲時(shí)，該站點(diǎn)被延遲的次數(shù)就等于該分組沖突的次數(shù)。因此，一旦該站點(diǎn)將這個(gè)分組成功地發(fā)送到總線介質(zhì)上，則該站點(diǎn)的延遲次數(shù)就恢復(fù)為等于0了。顯然，一個(gè)站點(diǎn)被延遲的概率隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而增加。因此我們可以通過一個(gè)站點(diǎn)被延遲的次數(shù)來估計(jì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況。我們讓每個(gè)站點(diǎn)使用一個(gè)計(jì)數(shù)器來記錄它被延遲的次數(shù)。而當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)成功地發(fā)送出一個(gè)分組后則使該計(jì)數(shù)器清零這樣我們規(guī)定，任何一個(gè)站點(diǎn)不能被延遲超過n次，一旦某個(gè)站點(diǎn)的延遲次數(shù)超過n，則該站點(diǎn)將要求整個(gè)網(wǎng)絡(luò)切換到TokenBus操作方式。[53]當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于CSMA/CA操作方式時(shí)，如果其中一個(gè)站點(diǎn)決定切換到TokenBus方式，則它向網(wǎng)絡(luò)上以CSMA/CD方式發(fā)送一個(gè)特殊的廣播分組，這個(gè)分組被每個(gè)個(gè)站點(diǎn)接受并識(shí)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)入TokenBus方式。[53]在切換時(shí)也存在兩種情況：如果該站點(diǎn)第二次延遲的原因時(shí)由于它發(fā)送的分組與其它站點(diǎn)發(fā)送的分組發(fā)生了沖突，則該站點(diǎn)緊接著發(fā)送一串阻塞字節(jié)，將沖突加強(qiáng)，以保證每個(gè)站點(diǎn)都能檢測到介質(zhì)上的沖突。然后，該站點(diǎn)馬上發(fā)送一個(gè)特殊的廣播分組，通知網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)結(jié)點(diǎn)切換到TokenBus方式下。當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于TokenBus方式下時(shí)，如果其中一個(gè)站點(diǎn)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(gè)能被所有站點(diǎn)識(shí)別的廣播分組，每個(gè)站收到該分組后將自己切換到CSMA/CD方式，然后網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都按CSMA/CD方式競爭使用網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)。[53]．基于TDMA與CDMA混合的傳感網(wǎng)絡(luò)MAC技術(shù)（1）TDMA/CDMA混合技術(shù)：設(shè)計(jì)了基于TDMA與CDMA混合機(jī)制的HCTMAC協(xié)議信道分配方案,這個(gè)方案分兩個(gè)階段,初始化階段和網(wǎng)絡(luò)通信階段。未初始化之前,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)平面結(jié)構(gòu),所有的節(jié)點(diǎn)都是平等的,任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以使用無線信道競爭成為簇首[56]。經(jīng)過初始化階段后,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為分層結(jié)構(gòu),接著進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)通信階段。在初始化階段中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)被部署到監(jiān)測區(qū)域后,所有的節(jié)點(diǎn)都休眠,節(jié)點(diǎn)在一個(gè)隨機(jī)時(shí)間內(nèi)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(gè)隨機(jī)時(shí)間t；(2)節(jié)點(diǎn)在t時(shí)間內(nèi),是否收到簇首信息幀(Mframe),未收到則向通信范圍節(jié)點(diǎn)廣播Mframe,宣布自己成為簇首。收到則轉(zhuǎn)向(3)；(3)根據(jù)收到的所有M