1．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議特點(diǎn)與設(shè)計(jì)原則
mac協(xié)議就是當(dāng)信道使用產(chǎn)生競(jìng)爭時(shí)，如何采用有效協(xié)調(diào)機(jī)制或服務(wù)準(zhǔn)則來分配信道的使用權(quán)。
mac協(xié)議：以一定的順序和有效的方式分配節(jié)點(diǎn)訪問媒體的規(guī)則。
mac協(xié)議的功能：決定終端通過何種方式接入介質(zhì)傳送數(shù)據(jù)包，處理mac的組織結(jié)構(gòu)及協(xié)調(diào)終端節(jié)點(diǎn)共享信道資源，規(guī)范網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)源的接入、避免沖突、功率控制、qos管理等。
選擇適當(dāng)?shù)膍ac協(xié)議，提高無線資源的使用效率，提高系統(tǒng)的容量和傳輸質(zhì)量。
由于wsn獨(dú)特的資源限制和應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)mac協(xié)議時(shí)，有以下幾個(gè)原則：
（1）能量有效性
由于節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，電池能量難以補(bǔ)充和更換，有效利用節(jié)點(diǎn)能量，延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，是設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議要考慮的重要問題。節(jié)點(diǎn)能耗消耗中，無線收發(fā)電路消耗占據(jù)絕大部分，mac協(xié)議直接控制無線收發(fā)電路，因此mac協(xié)議的能量有效性直接影響節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的生存壽命。
（2）可擴(kuò)展性
是mac協(xié)議適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)大小、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)密度不斷變化的能力。一個(gè)好的mac協(xié)議應(yīng)具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化。
（3）沖突避免
是mac協(xié)議的基本任務(wù)。在wsn中，沖突避免的能力直接影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量性能、帶寬利用率以及節(jié)點(diǎn)的節(jié)能效果。
（4）延遲
指從發(fā)送節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包需要的時(shí)間。在wsn中，延遲的重要性取決于具體的應(yīng)用要求，與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有關(guān)系。
（5）吞吐量
指在單位時(shí)間內(nèi)從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。網(wǎng)絡(luò)的吞吐量受許多因素的影響，例如沖突避免機(jī)制的有效性、信道利用率、延遲、控制開銷等。
（6）公平性
指網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能夠平等地共享信道。對(duì)于節(jié)點(diǎn)間共同協(xié)作完成同一個(gè)任務(wù)，保證網(wǎng)絡(luò)性能具有重要意義。
傳統(tǒng)的mac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。而為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的mac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。
2．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議的分類
根據(jù)信道的分配策略可以分為：
固定分配類
隨機(jī)競(jìng)爭類
按需分配類
根據(jù)協(xié)議的應(yīng)用場(chǎng)合和業(yè)務(wù)種類可分為：
面向話音業(yè)務(wù)類
面向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類
面向綜合話音與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為：
有基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的中心類
用于ad hoc結(jié)構(gòu)的分布式；
根據(jù)媒質(zhì)接入方式大致可分為：
基于競(jìng)爭的mac協(xié)議
基于調(diào)度的mac協(xié)議
（1）基于競(jìng)爭的mac協(xié)議——采用按需使用信道的方式。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競(jìng)爭方式使用無線信道，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生了碰撞，就按照某種策略重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。
①dcf分布協(xié)調(diào)功能協(xié)議
基于ieee 802.11標(biāo)準(zhǔn) ，主要是從macaw(maca：multiple access with collision avoidance for wireless )協(xié)議演進(jìn)而來。該協(xié)議很簡單并且能很大程度上解決隱藏終端問題，但要求射頻接收部分一直處于偵聽狀態(tài)，耗能大，不適合wsn。
② pamas協(xié)議（power aware medium protocol and signaling）
該協(xié)議基于csma，要求節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)分離的信道（控制和數(shù)據(jù)），每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有當(dāng)它的鄰居不接收或發(fā)送時(shí)，才偵聽數(shù)據(jù)信道并回復(fù)連接請(qǐng)求。不傳輸或不接收的節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉無線收發(fā)模塊以節(jié)省能量。由于雙信道的使用，增加了傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜度。
（2）基于調(diào)度的mac協(xié)議
基于調(diào)度的mac協(xié)議通過集中控制點(diǎn)預(yù)先安排其控制的所有節(jié)點(diǎn)在互相獨(dú)立的子信道接入共享媒質(zhì)，具有代表性的協(xié)議有trama、smacs/ear、d-mac等。
①trama（traffic adaptive medium access）協(xié)議
這是一種感知路由的分布式tdma調(diào)度協(xié)議，包括3個(gè)協(xié)議：鄰居協(xié)議np、調(diào)度交換協(xié)議sep和自適應(yīng)時(shí)隙選擇算法aea。將時(shí)間分為連續(xù)時(shí)隙，采用分布式選舉每個(gè)時(shí)隙的發(fā)送者，通過避免將時(shí)隙分配給無流量節(jié)點(diǎn)或使非接收或發(fā)送節(jié)點(diǎn)休眠來節(jié)能。
②smacs/ear協(xié)議（self-organizing medium access control for sensor networks/eaves-drop and register）
該協(xié)議是結(jié)合tdma和fdma的mac協(xié)議，為每一對(duì)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)之間的頻率互不干擾，從而避免傳輸碰撞。
3．典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議**
（1）s-mac協(xié)議（sensor mac）
第一個(gè)完全針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基于競(jìng)爭的mac協(xié)議，具有有效節(jié)能、擴(kuò)展性和沖突避免三大優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)wsn數(shù)據(jù)鏈路層的無效能耗問題，如
空閑偵聽：通信模塊始終處于接收狀態(tài)
數(shù)據(jù)沖突：數(shù)據(jù)碰撞重傳造成能量浪費(fèi)
串?dāng)_：接收和處理無關(guān)數(shù)據(jù)，造成接受模塊與處理模塊耗能增多
控制開銷：控制報(bào)文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗結(jié)點(diǎn)能量，造成能量損失
針對(duì)上述能量損耗，s-mac采用的主要機(jī)制如下 ：
① 周期監(jiān)聽和睡眠機(jī)制：s-mac協(xié)議將時(shí)間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。監(jiān)聽／睡眠階段持續(xù)時(shí)間根據(jù)應(yīng)用可調(diào)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于睡眠階段就關(guān)掉無線電波以節(jié)省能量，但需緩存這期間收到的數(shù)據(jù)以便工作階段集中發(fā)送，并設(shè)置一個(gè)喚醒定時(shí)器。節(jié)點(diǎn)還需發(fā)送周期同步信息以同步相鄰節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)也可采用相同的監(jiān)聽／睡眠策略，新節(jié)點(diǎn)也可加入進(jìn)來，節(jié)點(diǎn)還需要廣播它們各自的監(jiān)聽／睡眠計(jì)劃，這樣使得s-mac具有良好的擴(kuò)展性。s-mac協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)期間不會(huì)進(jìn)入睡眠階段。該機(jī)制存在的不足是由于采用周期睡眠會(huì)帶來一定的通信延遲，此外會(huì)占用大量存儲(chǔ)空間緩存數(shù)據(jù)，這在資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)顯得尤為突出。
② 沖突和串音避免機(jī)制：采用了物理和虛擬載波監(jiān)聽機(jī)制和rts/cts握手交互機(jī)制來減少?zèng)_突和避免串音。
與ieee 802．11 mac協(xié)議不同的是當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)正在通信時(shí)，s-mac協(xié)議節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)入睡眠階段；當(dāng)接收方節(jié)點(diǎn)處于空閑并正在監(jiān)聽周期時(shí)，就會(huì)被喚醒。串音分組通常是不需要的分組，它隨著節(jié)點(diǎn)密度和業(yè)務(wù)負(fù)載增加而變得更加嚴(yán)重，因而造成能量浪費(fèi)。串音可以通過更新基于rts／cts的nav來避免，當(dāng)nav不為零就進(jìn)入睡眠階段，從而避免串音現(xiàn)象發(fā)生。一個(gè)可以遵循的原則就是當(dāng)發(fā)送方和接收方的所有鄰居在節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)期間監(jiān)聽到rts／cts后就應(yīng)當(dāng)進(jìn)入睡眠階段。
③消息傳遞機(jī)制：長消息轉(zhuǎn)為多個(gè)短消息，只需一次rts/cts，提高消息成功發(fā)送率。
對(duì)于無線信道，傳輸差錯(cuò)和消息長度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長消息。消息傳遞技術(shù)根據(jù)這一原理，將長消息分為若干個(gè)短消息，采用一次rts／cts交互的握手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長消息發(fā)送的時(shí)間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息，既可以減少控制報(bào)文開銷，又可以提高消息成功發(fā)送率。
④流量自適應(yīng)監(jiān)聽機(jī)制：在多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)周期性睡眠會(huì)導(dǎo)致通信延遲的累加。s-mac協(xié)議采用了流量自適應(yīng)監(jiān)聽機(jī)制，減小了通信延遲的累加效應(yīng)。主要思想就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)入睡眠階段，而是保持監(jiān)聽一段時(shí)間。如果節(jié)點(diǎn)在該時(shí)間段內(nèi)收到rts分組，則可立即接收數(shù)據(jù)，無須進(jìn)入下一次監(jiān)聽工作周期，從而減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。如果這段時(shí)間沒有收到rts分組，則轉(zhuǎn)入睡眠階段直到下一次監(jiān)聽工作周期。
盡管流量自適應(yīng)監(jiān)聽機(jī)制將通信延遲減少到一半以上，但周期睡眠造成的延遲依然很顯著(特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大的時(shí)候)。因此，s-mac并不適合健康監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤等實(shí)時(shí)性較高的應(yīng)用。
（2）t-mac協(xié)議
該協(xié)議是在s-mac協(xié)議基礎(chǔ)上改進(jìn)的，也將時(shí)間分為幀，幀長度固定，監(jiān)聽工作長度可變。 t-mac協(xié)議規(guī)定了5種事件和一個(gè)計(jì)時(shí)器ta，根據(jù)ta確定監(jiān)聽工作階段的結(jié)束時(shí)間。
5種事件分別是——
幀長度超時(shí)，即周期時(shí)間定時(shí)器溢出；
節(jié)點(diǎn)在無線信道收到數(shù)據(jù)；
通過接收信號(hào)強(qiáng)度指示(rssi)感知數(shù)據(jù)傳輸沖突；
節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)或確認(rèn)發(fā)送完成；
通過監(jiān)聽rts／cts(request to send/clear to send)確認(rèn)鄰居節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)交換。
如果在ta內(nèi)，通信模塊沒有監(jiān)聽到這5種事件中的任何一種，就認(rèn)為信道進(jìn)入空閑狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)就關(guān)閉無線電波通信模塊，進(jìn)入睡眠階段。
為了減少空閑監(jiān)聽能耗，可以采用低能耗監(jiān)聽技術(shù)——
t-mac協(xié)議節(jié)點(diǎn)周期性地短時(shí)間監(jiān)聽信道，以確定信道空閑狀態(tài)。
如果無線信道空閑，節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入睡眠階段。
如果信道忙，節(jié)點(diǎn)繼續(xù)監(jiān)聽信道，直到數(shù)據(jù)接收完畢或信道再次空閑。
節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，幀前加入喚醒前導(dǎo)，使得接收節(jié)點(diǎn)在幀的數(shù)據(jù)部分發(fā)送前進(jìn)入工作狀態(tài)，以接收數(shù)據(jù)。加入喚醒前導(dǎo)，增加了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的控制開銷，但減少了空閑監(jiān)聽的能耗。針對(duì)此問題，t-mac協(xié)議在保持周期長度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)活動(dòng)時(shí)間，用突發(fā)方式發(fā)送消息，從而減少空閑監(jiān)聽時(shí)間。
t-mac協(xié)議的基本交互過程如圖所示。
t-mac協(xié)議的基本交互過程
（3）sift協(xié)議
sift協(xié)議是k.jamieson等提出的基于事件驅(qū)動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議，不同于上面ieee 802.11和其他基于競(jìng)爭的mac協(xié)議。
該協(xié)議充分考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)特點(diǎn)：
①事件驅(qū)動(dòng)性，存在事件檢測(cè)的空間相關(guān)性和事件傳遞的時(shí)間相關(guān)性；
②并非所有節(jié)點(diǎn)都需要報(bào)告事件；
③感知事件的節(jié)點(diǎn)密度隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化
sift協(xié)議不但保留了s-mac和t-mac協(xié)議都具有的盡可能讓節(jié)點(diǎn)處于睡眠階段以節(jié)省能量的功能，而且由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的流量具有突發(fā)性和局部相關(guān)性，sift協(xié)議很好地利用了這些特點(diǎn)，通過在不同時(shí)隙采用不同的發(fā)送概率，使得在短時(shí)間內(nèi)部分節(jié)點(diǎn)能夠無沖突地廣播事件，從而在節(jié)省能量的同時(shí)也減少了消息傳輸?shù)难舆t，這是和以往的 mac協(xié)議的最大不同之處。
通常一般的基于窗口的競(jìng)爭性mac協(xié)議中，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先在發(fā)送窗口[1，cw]內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)發(fā)送時(shí)隙，然后節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽直到選擇的發(fā)送時(shí)隙到來。如監(jiān)聽期間沒有其他節(jié)點(diǎn)使用信道，則節(jié)點(diǎn)立即發(fā)送數(shù)據(jù)，否則需在信道空閑時(shí)重新選擇發(fā)送時(shí)隙。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇相同一個(gè)時(shí)隙時(shí)就會(huì)發(fā)生沖突。
sift協(xié)議采用的是cw值固定的窗口，節(jié)點(diǎn)不是從發(fā)送窗口選擇發(fā)送時(shí)隙，而是在不同時(shí)隙中選擇不同發(fā)送數(shù)據(jù)的概率。
假定當(dāng)前有n個(gè)節(jié)點(diǎn)與其競(jìng)爭發(fā)送，在選擇第r個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)的概率pr為：
上式中為分布參數(shù)（0<<1），的選擇與n和cw值相關(guān)。 sift協(xié)議就是通過非均勻概率分布將優(yōu)勝節(jié)點(diǎn)從整個(gè)競(jìng)爭節(jié)點(diǎn)中篩選（sift）出來的。
sift協(xié)議和s-mac以及t-mac協(xié)議一樣只是從發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)考慮問題，對(duì)接收節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)考慮較少，需要節(jié)點(diǎn)間保持時(shí)鐘同步，特別適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)局部區(qū)域使用。
4.3.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議
1．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議特點(diǎn)與設(shè)計(jì)原則
與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：
（1）能量優(yōu)先
由于節(jié)點(diǎn)的能量有限，因此需要考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問題。
（2）基于局部拓?fù)湫畔?br>節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔⑶屹Y源有限，需要實(shí)現(xiàn)簡單高效的路由機(jī)制。
（3）以數(shù)據(jù)為中心
傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包含多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，按照對(duì)感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，以數(shù)據(jù)為中心形成信息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。
（4）應(yīng)用相關(guān)
傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境千差萬別，需要針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)與之適應(yīng)的特定路由機(jī)制。
根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的特點(diǎn)，現(xiàn)階段wsn路由協(xié)議設(shè)計(jì)要遵從如下原則：
（1）能量利用率優(yōu)先考慮
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議以節(jié)能為目標(biāo)，采用各種方式減少通信消耗，延長wsn的生存時(shí)間。
（2）數(shù)據(jù)為中心
以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議要求采用基于屬性的命名機(jī)制，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障并不會(huì)影響整個(gè)協(xié)議的運(yùn)行，提高了網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)健性。
（3）不影響傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)精度條件下的數(shù)據(jù)聚合
通過數(shù)據(jù)聚合，將多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)綜合成有意義的信息，提高了感知信息的準(zhǔn)確性，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的強(qiáng)健性。
（4）實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位和目標(biāo)追蹤
通過節(jié)點(diǎn)定位，達(dá)到路由決策的目的，同時(shí)降低整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗，提高系統(tǒng)的生存時(shí)間。