1、WSN 两种竞争 MAC 的分析与比较【摘要】无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）是集成了传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点构成的全分布式的自组织网络。易扩展、分布式结构、健壮性和实时性等特点,使其在众多领域有着传统网络无法比拟的优势。 【关键词】WSN S-MAC T-MAC 一、竞争型 MAC 协议 竞争型 MAC 协议采用按需使用信道的方式。当节点需要发送数据时,使用无线信道,若发送的数据产冲突,就按照某策略重发数据,直到发送成功或放弃发送为止。特点：扩展性好，算法简单易实现。典型协议：SMAC 和 TMAC。 二、SMAC 协议的分析和研究
2、（一） SMAC 协议的基本思想。 SMAC（Sensor-MAC）协议是较早针对 WSN 的一种 MAC 协议，采用下面介绍的多种机制来减少了节点能量的消耗。固定周期性的侦听和睡眠：为减少能量的消牦，传感器节点要尽量处于低功牦的睡眠状态。SMAC 协议采用了低占空比的周期性睡眠/侦听，可以使得 SMAC 具有良好的扩展性，在覆盖网络中形成众多不同的虚拟簇。 （二）消息传递技术。 无线信道的传输差错与包长度成正比。在 SMAC 中消息传递技术将长消息分成若干短包，利用 RTS/CTS 握手机制，一次性发送整个长消息提高发送成功率。流量自适应侦听机制采用流量自适应侦听机制，减少了网络中的传输延迟
3、。 同时为减少 WSN 消耗的能量，基于 IEEE 80211 提出一种新机制。当 WSN 发现冲突重传、接收到不是发送给自己的数据、控制信号、空闲侦听等从而造成传感器网络耗能时，它引入了节点间的 SYNC 机制，允许没有数据发送和接收的节点进入休眠状态以节省耗能。所以 SMAC 协议是一种基于竞争的控制协议。 （三）SMAC 协议减少能量消耗的优势。 1.减少能量消耗方式之一就是睡眠机制。如果节点收到不是发给自己的数据包，节点直接进睡眠状态。 2.随机退避原理也可减少能量消耗。节点在发送数据前要随机地退避一段时间。从每个周期的开始，消息队列非空的节点会随机地选择一个退避数，当信道空闲时，每过
4、一个时隙，退避数器就会减 1，当退避数器为 0 时，节点就会发送数据。此时没有竞争到信道的节点就会停止退避计数，转而进入睡眠状态，等待下一个周期的到来，重新竞争信道。 三、TMAC 协议的分析和研究 （一）TMAC(Time SMAC)基本思想。 协议提出了一种自适应调整占空比的方法：通过动态调整调度周期中的活跃时间长度来改变占空比，从而提高信道利用率，减小网络延时，增加网络的吞吐率。 （二）TMAC 中工作原理。 数据的发送都是突发方式进行，每个节点都周期性地唤醒，进入活跃状态，和邻居进行通信，然后进入睡眠状态，直到下一个周期的开始。同时，新的消息在队列中进行缓存。节点之间进行单播通信使用的
5、方法，以确保避免冲突和可靠传输。在活跃状态下，节点可能保持监听，也可能发送数据。 （三）TMAC 引入的新机制。 1.数据传输仍然采用 4 次握手机制，不同的是在节点活动的时隙内插入了一个 TA（Time Active）时隙，若 TA 时隙之间没有任何时间发生，则活动结束进入睡眠状态。TA 的取值对于协议性能至关重要，其约束条件为：TA=m（C+R+T） ，m1，其中 C 为竞争信道时间，R 为发送 RTS 分组的时间，T 为 RTS 分组结束到发出 CTS 分组开始的时间。在仿真的时候，一般选取 m=1.5，即：TA=1.5。 2.TMAC 通过周期性发送 SYNC 帧来保持节点间的同步。
6、（四）TMAC 的优势。 针对 WSN 的串行避免和早睡问题，TMAC 进行如下修改： 1.在 TAMC 中，串扰避免机制是可选的，串扰避免机制能够显著减少串扰带来的能量损耗，但是这样会导致冲突的增加所以协议不宜采用串扰避免机制。 2.在采用周期性调度的 MAC 协议中，如果一个节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态，这种现象称为早睡。为防止信道不能合理利用，浪费资源。因此协议提出了两种方法进行缓解。 预请求发送(Future request-to-send，FRTS) 当一组节点的发送方收到另一组节点发出的请求建立通信的要求后，立即向接收发送一个 FRTS。FRTS 帧包含节点接收数据前
7、需要等待的时间，因此接收方在此时间内保持监听状态。 由于发送的 FRTS 可能干扰另一组发送的数据，所以另一组发送方需要将发送的数据延迟相应的时间。准备通信的一组在接收到 CTS 之后发送一个与 FRTS 长度相同的帧，该帧不包含有用信息，只是为了保持对信道的占用，在此之后建立好的信道立即发送数据信息。 满缓冲区优先机制： 当节点的缓冲区接近占满时，对接收到的 RTS 帧不回复 CTS，而是立即向缓冲区中数据包的目的节点发送 RTS，以建立数据传输。这个方法的优点是减少了早睡问题发生的可能性，在一定程度上能够控制网络的流量。 SMAC 和 TMAC 通过时序关系控制节点的工作和睡眠时间，因此关注与时钟同步问题。 四、WSN 研究意义 WSN 的应用前景广阔，其应用小到健康护理，智能家电，大型车间和仓库管理；大到城市交通疏导，机场，军事，太空都有所涉及，因此深入研究 WSN 的意义重大而深远。 参考文献： 1许毅.无线传感器网络原理及方法M.清华大学出版社,2012 2谭励.无线传感器网络理论与技术应用M.机械工业出版社,2011 3王殊.无线传感器网络的理论及应用M.北京航空航天大学出版社,2007 4彭刚,刘戎,王方年,孙广义.无线传感器网络研究概述J.广西科学院学报:2007. 5尚凤军.无线传感器网络通信协议M.电子工业出版社，2011.
