一、无线网络的设计目标
1、通用无线网络
① 存在问题：无线网络需要满足众多终端节点的上行或下行链路传输需求。
② 目标：高公平性、高吞吐量。（强调节点公平的最大化通信带宽利用率）
③ 追求：节点的数据能高速且完整地传输给接收方。
④ 默认条件：每个节点都有充足的能源供应。
2、无线传感网络
① 存在问题：无线网络整体需要更长的生存时间。
② 目标：高能量效率、高适应性、高可靠性、可扩展性、低延时和可预测性。
③ 追求：节点间协同完成一项任务。
④ 默认条件：每个节点都有能源限制。
二、MAC协议的设计目标
MAC协议的设计目标是依据无线传感网（WSN）中存在的问题而设定的，MAC协议是构建WSN的基础，当MAC协议能够实现高能量效率、高适应性、高可靠性、可扩展性、低延时和可预测性，实质上也就实现了WSN中的设计目标。
1、针对能量效率的MAC协议设计
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目标1：实现动态能量管理（使节点在不同的状态下进行切换）
① 工作状态（Active Mode）：消耗能量较大，如发送数据时。
② 空闲状态（Idle Mode）：消耗能量较低，如节点无任务时。
③ 睡眠状态（Sleep Mode）：消耗能量极低，可被唤醒并转至其他状态，如节点不收发数据、不感知环境时。 -
原因：WSN中的流量通常既有周期性突发的特点，因此动态能量管理是一种有效的节能方式。
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目标2：降低MAC协议的开销（使MAC协议在交互过程中的协议开销降低）
① 精简报文头的设计
② 降低交互过程的时间周期
③ 精简报文交互的步骤
④ 控制交互过程中所使用的报文数量
⑤ 提高交互过程中逻辑的可靠性 -
原因：WSN中的MAC协议直接控制着物理层空口的使用，因此MAC协议的优良设计可以提高能量效率。
补充：空口即空中接口，是基站和网络节点之间的无线传输规范，定义每个无线信道的使用频率、带宽、接入时机、编码方法以及越区切换等内容。
2、针对可扩展性的MAC协议设计
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目标：使用分布式的MAC协议（依赖局部信息进行无线资源的接入控制）
① 每个节点依据自身感知到邻近节点的信息，然后控制自身信道的接入。当无线网络达到收敛后，达到信道利用率的次优解。
② 网络被分层管理，形成多个簇，簇内使用星形拓扑，而簇间可以使用点对点拓扑（Ad hoc）或星形拓扑。 -
原因：WSN中通常采用多跳和对等的通信与组网模式，大部分节点的能源受限，网络规模经常发生变化，集中式管理的MAC协议一般难以在WSN中良好工作，因此需要采用分布式MAC协议。
补充：收敛对于路由协议，表示的是网络上的路由器在一条路径不能使用时必须决定替代路径，并且是在最佳路径的判断上所有路由器达到一致的过程。
3、针对适应性的MAC协议设计
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目标：使用动态的MAC协议（基于当前的需求和网络状态实现介质访问控制）
① WSN需要具备自我管理能力，可以根据网络的变化做出动态调整。（如拓扑结构、网络规模、节点分布密度等）
② MAC协议需要适应网络的变化而不是显著地增加开销。 -
原因：WSN中的网络变化会影响网络整体的介质控制，从而产生大量的开销，固定的MAC协议一般难以在WSN中良好工作，因此需要采用动态的MAC协议。
4、针对低延时和可预测性的MAC协议设计
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目标：使用时延约束的MAC协议（传感器数据的采集、汇聚和传输等过程需要尽可能在时延截止期内完成）
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原因：WSN中的时延控制需要全局考虑，许多因素都有可能影响时延，并且确定理论的时延上界需要考虑网络的整体设计，因此需要采用时延约束的MAC协议。
5、针对可靠性的MAC协议设计
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目标：使用高可靠的MAC协议（着重关注节点失效和信道传输错误，能够检测和恢复传输差错和传输碰撞）
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原因：WSN中需要一个可靠性高的环境，而MAC协议的设计会影响可靠性，因此需要采用高可靠性的MAC协议。
三、LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议
1、概念：一种面向微传感器网络的低能耗自适应分簇的分层式MAC协议。
2、特点：① 自适应、自动分簇
② 数据传输局部控制
③ 低能耗媒质接入
④ 可根据特定应用进行数据融合
3、协议流程：
Step1：建立阶段（分布式分簇形成算法：无需全局控制、灵活、容错性高）
① 动态地自适应成簇，并且确定簇头。
② 每个簇建立自己的调度表。
③ 簇头能量消耗较大，簇头会轮换。
Step2：稳定阶段（簇头协调簇内数据传输）
① 簇内节点发送数据给簇头，进行低能耗的通信。
② 簇内通信基于TDMA（时分多址）的无竞争MAC协议，无干扰，每个节点都被分配有固定的传输时隙。
③ 簇间通信基于CSMA（载波监听多路访问）的基于竞争的MAC协议，存在潜在干扰。
补充：通过直接序列扩频通信（DSSS）技术，将每个簇分配到不同的特定扩频序列，可以克服簇间的通信干扰。并且部分保留扩频序列用于簇头和基站之间的通信（采用结合DSSS的CSMA技术）。
4、改进方案：LEACH-C协议（依靠基站确定簇头）
① 基本思路：在建立阶段，每个传感器节点都将自身的位置和能量信息传送到基站，基站根据收集的全局信息选择簇头，并通知其他节点按LEACH方法加入簇群。
② 优点：得到最优的分簇方案。
③ 缺点：需要使用到位置跟踪的方法，每个节点也需要与基站进行通信，扩展性不高，并且可能产生较大的控制开销。
