【正文】 表51 MAC協(xié)議的特征比較比較參數(shù)CTDMASMACS/EARSMACTMACPMACLPLLMACZMACLEEMGERAF能量有效性較好較好較好較好好較好較好較好較好較好可擴展性差較好好好好好差較好較好好信道利用率差差較好較好較好較好差較好較好好延遲差差一般一般一般一般差一般好較好吞吐量差一般較好好好較好一般好較好較好同步要求需要不需要不需要不需要不需要需要不需要低需要不需要類型TDMATDMA/FDMACSMACSMACSMACSMATDMACSMA。在非優(yōu)化的參數(shù)，如節(jié)點的占空比等一定的情況下，執(zhí)行該協(xié)議的能效性較差。GERAF協(xié)議實現(xiàn)容易，并且協(xié)議的執(zhí)行是分布式的，具有良好的可擴展性，對節(jié)點的內(nèi)存資源要求也很低。而在這個過程中，為了進一步避免可能的隱藏和暴露終端問題，利用忙音信道在數(shù)據(jù)信道偵聽消息期間發(fā)送忙音，從而確保建立的數(shù)據(jù)鏈路不會受到鄰居節(jié)點的干擾。由于可能存在多個相同優(yōu)先級的候選接收節(jié)點，同時用CTS消息進行應(yīng)答，所以需要采用碰撞分解的方法解決CTS消息的碰撞，以選取唯一的候選節(jié)點作為接收中繼節(jié)點。但這里的RTS消息中，并不指定特定的下一跳鄰居節(jié)點。GERAF協(xié)議假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置是固定的，或具有很低的位置移動性；每個節(jié)點的位置己知，并且所有節(jié)點都知道最終目的節(jié)點SINK的位置；每個節(jié)點具有兩個無線收發(fā)模塊：數(shù)據(jù)信道和忙音信道。10)GERAF協(xié)議文獻[21，22]提出了一種基于節(jié)點的地理位置信息，并通過接收節(jié)點間競爭來選抒中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法。LEEM協(xié)議是針對基于事件驅(qū)動的WSNs網(wǎng)絡(luò)特點而設(shè)計的MAC協(xié)議，通過增加節(jié)點硬件的復雜性，控制信道采用周期偵聽/睡眠的工作方式，減少了節(jié)點的能量消耗，并且使時延最小。如果接收到拒絕的NACK應(yīng)答，說明當前預約接收節(jié)點的數(shù)據(jù)信道忙，該節(jié)點的控制信道立即轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，等到下一個控制信道的偵聽活動時間到來時，再繼續(xù)執(zhí)行上述同樣的過程，直至接收到正確的PACK應(yīng)答才可以在數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)的傳輸；d)正在接收數(shù)據(jù)報文的節(jié)點，當其控制信道的周期偵聽活動時間到來時，根據(jù)正在接收的數(shù)據(jù)報文包含的控制信息，在控制信道發(fā)送RES請求報文，按照同源節(jié)點發(fā)送REQ報文執(zhí)行的類似過程，預約其接收節(jié)點并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，持續(xù)執(zhí)行這個過程，直至將數(shù)據(jù)傳遞到最終日的節(jié)點。c)感知事件發(fā)生源節(jié)點，根據(jù)接收到的應(yīng)答ACK是確認還是拒絕，決定執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸還是轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。LEEM協(xié)議執(zhí)行一跳預約的過程如下：a)當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點感知到事件發(fā)生時，等待直到其控制信道的偵聽活動時間到來，然后在控制信道發(fā)送REQ請求報文(該報文中除了包括接收節(jié)點地址外，還包括一個附加字段，用于指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)時間)。若用Ttotal、Tsleep，和Tactive分別表示節(jié)點控制信道的偵聽周期、周期睡眠時間和偵聽時間，用Tdata表示數(shù)據(jù)報文的傳輸時間，則當Tdata。LEEM協(xié)議是對STEM協(xié)議[20]的改進，LEEM協(xié)議要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用雙頻的無線收發(fā)器結(jié)構(gòu)，其中控制信道執(zhí)行信道的一跳或N跳預約，數(shù)據(jù)信道傳遞數(shù)據(jù)報文。所以ZMAC協(xié)議是一個分布式的協(xié)議，具有良好的可擴展性，對節(jié)點的存儲能力要求也較低；但ZMAC協(xié)議的執(zhí)行很復雜，每周期控制時隙的引入，隨著網(wǎng)絡(luò)的密度增加會引入較多的控制開銷，在低業(yè)務(wù)情況下又造成了延時增加和能量的嚴重浪費。ZMAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)布置初期引入大量的網(wǎng)絡(luò)開銷，而通過網(wǎng)絡(luò)的長期高效運行，對開銷所消耗的能量可以進行彌補。如果偵聽信道空閑，節(jié)點就開始傳輸數(shù)據(jù)；如果偵聽信道忙，節(jié)點就等待，直到信道空閑，并重復同樣的過程。b)如果節(jié)點i是當前時隙的非擁有者，而且處于低競爭等級模式，或者雖然處于高競爭等級模式，但當前時隙為空閑時隙，那么節(jié)點i首先等待T0，然后在競爭時間窗口[T0，Tn}內(nèi)隨機同退。 ZMAC協(xié)議的具體數(shù)據(jù)傳輸控制規(guī)則如下：當節(jié)點i有數(shù)據(jù)要傳輸時，首先檢測節(jié)點i是否是當前時隙的擁有者；然后根據(jù)不同的檢測結(jié)果，分別采用以下三種執(zhí)行方式：a)如果節(jié)點i是當前時隙的擁有者，節(jié)點i在固定窗口大小為T0的時間間隔內(nèi)，執(zhí)行隨機回退。在低競爭等級模式中，節(jié)點在任意時隙都可以通過競爭去傳輸數(shù)據(jù)；但在高竟爭等級模式中，僅允許當前時隙的擁有者和其一跳的鄰居節(jié)點競爭占用該時隙。在執(zhí)行上述節(jié)點時隙調(diào)度分配和本地幀構(gòu)成規(guī)則之后，ZMAC協(xié)議要求每個節(jié)點將敵地幀的大小、占用的時隙等信息轉(zhuǎn)發(fā)給兩跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點，這樣每個節(jié)點具有兩跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點的幀結(jié)構(gòu)信息和時隙占用信息，ZMAC協(xié)議根據(jù)這些信息，執(zhí)行傳輸控制。注意，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布均勻的情況下，如果整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的幀時隙大小一致，則空閑時隙的數(shù)量很小；但在網(wǎng)絡(luò)非均勻分布的情況下，如果采用全局一致的幀大小，則局部稀疏的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點維護的幀中，將存在大量的空閑時隙。所以增加了信道的利用率，減少了信息傳輸?shù)臅r延。如果整個網(wǎng)絡(luò)采用相同的幀調(diào)度機制，圖中的節(jié)點A和B，就需耍每六個時隙占用一個傳輸時隙，即周期幀的幀長為6個時隙。一個簡單的網(wǎng)絡(luò)拓撲，每個節(jié)點旁的數(shù)字，表示節(jié)點在每一幀中所分配的時隙Sj，而括號內(nèi)的數(shù)字，表示參數(shù)Nj。也即把每2m，個時隙組成的本地幀中的第Sj個時隙，分配給節(jié)點i。在這個階段，通過執(zhí)行一個有效的分布可擴展時隙調(diào)度DRANA算法，并按照如下的幀形成規(guī)則，確定節(jié)點維護的幀時隙大小和每個時隙的狀態(tài)，為每個節(jié)點預先分配一個特定的時隙，而且這個時隙還可以由兩跳之外的其他節(jié)點重新使用。在競爭等級較低的情況下，ZMAC協(xié)議的執(zhí)行更像CSMA；在竟爭等級高的情況下，ZMAC協(xié)議按類似TDMA的方式分配信道。8)ZMAC協(xié)議[18] Rhee等在文獻[18]中提出了一種結(jié)合CSMA和TDMA優(yōu)點的混合MAC協(xié)議ZMAC。當檢測到未占用時隙上有消息傳遞時，將該時隙標記為占用，并在下一個幀中相應(yīng)時隙進行監(jiān)聽。圖 54 LMAC協(xié)議的節(jié)點時隙調(diào)度LMAC協(xié)議的不足之處在于，欲加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點必須監(jiān)聽整個幀結(jié)構(gòu)中的所有控制時段，甚至包括沒有被使用的時隙。新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點Newnode通過偵聽整個幀的時間，獲取所有鄰居節(jié)點(圖中的節(jié)點7)關(guān)于幀時隙占用的比特組信息；節(jié)點Newnode將獲取的這些信息，執(zhí)行或運算得到表示鄰居節(jié)點時隙占用的比特序列：111011l，其中只有第4位為零，即該位對應(yīng)的時隙為空閑，這樣節(jié)點New node就可以選取該時隙作為其控制時隙，并在該時隙到來時，在控制時段發(fā)布其表示幀時隙占用的比特組信息：1111111。圖54說明了LMAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時隙調(diào)度情況。與其他的MAC協(xié)議相比，接收端正確接收一個消息后，LMAC協(xié)議不需耍向發(fā)送端同送確認消息，LMAC協(xié)議將可靠性問題留給高層協(xié)議來處理，通過讓節(jié)點選擇一個在兩跳范圍內(nèi)的無重用時隙來調(diào)度“幀結(jié)構(gòu)”。幀結(jié)構(gòu)的管理機制非常簡單，每個節(jié)點控制一個時隙，當一個節(jié)點需耍發(fā)送數(shù)據(jù)包時，它會一直等待，直到屬于自己的時隙到來。 7) LMAC協(xié)議[17] LMAC協(xié)議是一種基于分布式TDMA的信道接入?yún)f(xié)議。為此在LPL協(xié)議的基礎(chǔ)上，文獻[16]提出了改進的LPL協(xié)議，稱為WiseMAC，其基本思想是：使每個發(fā)送節(jié)點知道鄰居接收節(jié)點的具體抽樣調(diào)度，從而縮短Preamble的長度，WiseMAC協(xié)議在保持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的抽樣調(diào)度不變的情況下，發(fā)送節(jié)點可提前知道接收節(jié)點的抽樣調(diào)度，直到接收節(jié)點將要偵聽時，發(fā)送節(jié)點才發(fā)送適當長度的Preamble，這樣就減少了Preamble的長度，從而節(jié)省能量消耗。節(jié)點周期睡眠的時間越長，發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時前導Preamble的長度就需耍越長，所以前導長度的增加，又增加了發(fā)送節(jié)點的能量消耗。LPL協(xié)議通過周期性關(guān)閉無線裝置節(jié)省節(jié)點的能耗，對節(jié)點的存儲能力要求很低，并且不需要周期性的信息交換和維護鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息，節(jié)省了協(xié)議的控制開銷，具有良好的可擴展性，但減小了數(shù)據(jù)成功發(fā)送的概率。這種有效的載波偵聽方法可以和任何一種基于競爭的MAC協(xié)議相結(jié)合，文獻[14]將其與ALOHA協(xié)議結(jié)合，提出了前導字段偵聽(Preajrnble sampling)協(xié)議；文獻[15]將其與CSMA協(xié)議結(jié)合，提出了低功耗偵聽(Low power listening)協(xié)議。這種機制的主要思想是：將接收節(jié)點消耗在空閑偵聽上的能量，轉(zhuǎn)移到發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點消耗在發(fā)送前導載波Preamble的能量消耗上去，從而使接收節(jié)點能周期性地開啟無線收發(fā)裝置、偵聽是否有發(fā)送過來的數(shù)據(jù)和檢測是否有前導載波Preamble。協(xié)議的主要缺點在于節(jié)點在空閑偵聽時浪費了大量的能源，文獻[14]和[15]各自獨立提出了一種載波檢測機制，通過使節(jié)點的無線收發(fā)裝置有規(guī)律地處于“工作”、“待命”狀態(tài)，而不丟失發(fā)送給該節(jié)點的數(shù)據(jù)，以減少空閑偵聽的能量消耗。研究表明，同SMAC、TMAC協(xié)議相比，PMAC協(xié)議具有很好的能效性和可擴展性，但協(xié)議的執(zhí)行非常復雜，并進一步增加了控制開銷和對節(jié)點存儲能力的要求。節(jié)點J能夠根據(jù)周圍節(jié)點發(fā)出的模式信息和自身的信息，在每一個時隙更新玲，以達到自適應(yīng)調(diào)節(jié)節(jié)點睡眠時間與工作時間的目的。則表示在一個周期幀的五個時隙內(nèi)，節(jié)點j在l、5時隙轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，而在4時隙轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。PMAC協(xié)議的主要思想是：用一串二進制字符來代表某一節(jié)點所處的模式(即負載的輕重狀況)，節(jié)點把各自的模式信息通告給其相鄰節(jié)點，根據(jù)收到的鄰居節(jié)點模式信息(Pattern information)節(jié)點調(diào)整其睡眠與工作時間?？傊?，TMAC協(xié)議在節(jié)能方面優(yōu)于SMAC，但要犧牲網(wǎng)絡(luò)的時延和吞吐量，TMAC的其他性能與SMAC相似。但TMAC協(xié)議的執(zhí)行，會出現(xiàn)早睡眠問題，引起網(wǎng)絡(luò)的吞吐量降低。與SMAC相比，主要的不同點是：TMAC同樣引入串音避免機制，但在TMAC協(xié)議中，作為一個選擇項，可以設(shè)置也可以不設(shè)置。其主要特點是引入了一個TA時隙。因此，為了保證消息的可靠傳輸，節(jié)點的周期活動時間必須適應(yīng)最高的通信負載，從而造成網(wǎng)絡(luò)負載較小時，節(jié)點空閑偵聽時間的相對增加。4)TMAC協(xié)議[12] TMAC(Timeout MAC)協(xié)議，實際上是SMAC協(xié)議的一種改進。SMAC和白適應(yīng)睡眠的SMAC協(xié)議的可擴展性都較好，能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。如果節(jié)點在進入睡眠之前，偵聽到了鄰居節(jié)點的傳輸，則根據(jù)偵聽到的RTS或CTS消息，判斷此次傳輸所需要的時間；然后在相應(yīng)的時間后醒來一小段時間(稱為自適應(yīng)偵聽間隔)，如果這時發(fā)現(xiàn)自己恰好是此次傳輸?shù)南乱惶?jié)點，則鄰居節(jié)點的此次傳輸就可以立即進行，而不必等待；如果節(jié)點在白適應(yīng)偵聽間隔時間內(nèi)，沒有偵聽到任何消息，即不是當前傳輸?shù)南乱惶?jié)點，則該節(jié)點立即返問睡眠狀態(tài)，直到調(diào)度表中的偵聽時間到來。針對SMAC協(xié)議的不足，其研究者又進一步提出了自適應(yīng)睡眠的SMAC協(xié)議[11]。使不收發(fā)信息的節(jié)點及時進入睡眠狀態(tài)?？紤]到WSNs網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合和無線信道的易出錯等特點，將一個長消息分割成兒個短消息，利用RTS/CTS機制一次預約發(fā)送整個長消息的時間，然后突發(fā)性地發(fā)送由長消息分割的多個短消息。在向相鄰節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時喚醒自己。為了便于通信，相鄰節(jié)點之間，應(yīng)該盡量維持調(diào)度周期同步，從而形成虛擬的同步簇。上面部分的信息流，表示節(jié)點一直處于偵聽方式下的消息收發(fā)序；下面部分的信息流，表示采用SMAC協(xié)議時的消息收發(fā)序列。每個節(jié)點周期性地轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，周期長度是固定的，節(jié)點的偵聽活動時間也是固定的。SMAC協(xié)議設(shè)計的主要目標是減少能量消耗，提供良好的可擴展性。但是由于無法事先預計并且很難動態(tài)調(diào)整侮個節(jié)點需要建立的通信鏈路數(shù)，因此整個網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率不高。在可擴展性方面，SMACS/EAR協(xié)議可以為變化慢的移動節(jié)點，提供持續(xù)的服務(wù)，但并不適用于拓撲結(jié)構(gòu)變化較快的WSNs網(wǎng)絡(luò)。如果運動節(jié)點認為需要建立連接，則與對方交換信息，分配一對時隙和通信頻率。SMACS協(xié)議假設(shè)節(jié)點靜止，節(jié)點在啟動時廣播一個“邀請”消息，通知附近節(jié)點與本節(jié)點建立連接，接收到“邀請”消息的鄰居節(jié)點，與發(fā)出“邀請”消息的節(jié)點交換信息，在二者之間分配一對時隙，供二者以后通信。SMACS協(xié)議主要用于靜止的節(jié)點之間連接的建立，而對于靜止節(jié)點與運動節(jié)點之間的通信，則需要通過EAR協(xié)議進行管理。若有以上事件觸發(fā)，網(wǎng)關(guān)就重新分配時隙，CTDMA協(xié)議能夠減少空閑偵聽，避免信道沖突，也考慮了可擴展性；但是區(qū)域內(nèi)簇頭節(jié)點和成員節(jié)點需要嚴格的時鐘同步，對簇頭節(jié)點的處理能力、能量和放置方式都有較高的要求。CTDMA協(xié)議將WSNs網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點劃分為四種狀態(tài)：感應(yīng)、轉(zhuǎn)發(fā)、感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)、非活動。l) CTDMA協(xié)議[8] Arisha等人針對分簇結(jié)構(gòu)的WSNs網(wǎng)絡(luò)，提出了基于TDMA機制的MAC協(xié)議(CTDMA)。接收節(jié)點接入信道的時機是確定的，知道何時應(yīng)該打開其無線通信模塊，避免了能量的浪費。在低業(yè)務(wù)的WSNs網(wǎng)絡(luò)中，造成節(jié)點能量的嚴重浪費，通常采用周期性的偵聽睡眠機制以減少能量消耗，但引入了時延，為了進一步減少空閑偵聽的開銷，發(fā)送節(jié)點可以采用低能耗的輔助喚醒信道發(fā)送喚醒信號，以喚醒一跳的鄰居節(jié)點。4)根據(jù)接收節(jié)點的工作方式，可分為偵聽、喚醒和調(diào)度三種?；鵗DMA的固定分配類MAC層協(xié)議，通過把時分復用(TDMA)和頻分復用(FDMA)或者碼分復用(CDMA)的方式相結(jié)合，實現(xiàn)無沖突的強制信道分配，如下面要討論的CTDMA協(xié)議；以競爭為基礎(chǔ)的MAC協(xié)議，通過競爭機制，保證節(jié)點隨機使用信道，并且不受其他節(jié)點的干擾，如SMAC。使用單信道的MAC協(xié)議，雖然節(jié)點的結(jié)構(gòu)簡單，但無法解決能量有效性和時延的矛盾；而多信道的MAC協(xié)議可以解決這個問題，但增加了節(jié)點結(jié)構(gòu)的復雜性。這類協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模直接有關(guān)，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中通常采用分布式的協(xié)議。注意，由于研究人員采用不同的策略或多種策略組合來設(shè)計MAC層協(xié)議，故同一MAC協(xié)議可分屬不同的類型。研究人員從不同方面提出了多種MAC協(xié)