物聯網組網與通信技術——WSN的MAC協議

１.　概述
　　MAC協議的功能是解決多個節點共享信道的問題，並決定節點何時佔用無線信道進行數據的傳輸，同時避免節點之間的傳輸發生碰撞。MAC協議是確保WSN網絡高效運轉的關鍵技術。　
　　無線通信模塊是傳感器節點能量的主要消耗者，而MAC子層直接與物理層接口，即MAC協議直接控制着無線射頻收發器的活動並決定着何時將數據發送出去或接收數據，所以MAC協議節能效率的好壞將嚴重影響着網絡的生命週期。所以，設計高效節能的MAC協議對於WSN具有重要的現實意義。
⭐相關性能：
公平性：在WSN中，所有的節點爲了一個共同的任務相互協作，在某個特定的時刻，存在一個節點相比於其他節點擁有大量的數據要傳送。所以公平性往往用於網絡中某一應用是否成功實現來評價。
網絡吞吐量：取決於WSN網絡的應用。
延遲：在WSN中取決於網絡的應用。
信道利用率：在蜂窩移動通信系統和無線局域網中，信道利用率是一項非常重要的指標。但WSN是ｌｏｗ－ｄｕｔｙ－ｃｙｃｌｅ的設計，所以這是次要因素。
可擴展性：是指一個MAC協議適應網絡大小、拓撲結構、節點密度不斷變化的能力。WSN網絡的拓撲結構具有動態性，一個好的MAC協議也應該具有可擴展性，以很好地適應這種動態變化的拓撲結構。
能量有效性：WSN節點一般採用電池提供能量，並且電池能量難以補充和更換。在節點的耗能中，無線收發裝置的能耗佔絕大部分，而MAC層協議直接控制無線收發裝置，因此MAC協議的能量有效性直接影響網絡節點的生存時間。
⭐WSN的MAC協議設計原則及目標：
（１）能量有效性（２）可擴展性（３）應用相關性
如何在節能與其他指標之間取得平衡是WSN的MAC協議設計的一個重要問題。

⭐WSN的MAC協議的分類
信道訪問策略不同：基於競爭的MAC協議、基於調度的MAC協議和混合的MAC協議。
信道使用個數不同：單信道MAC協議和多信道MAC協議
協議的部署方式不同：集中式MAC協議、分佈式MAC協議
數據通信類型不同：基於單播的MAC協議（私聊）、基於組播的MAC協議（羣發@某些人），廣播（完全羣發）
發射器硬件功率可變：功率固定MAC協議、功率控制MAC協議
發射天線的種類：基於全向天線的MAC協議和基於定向天線的MAC協議。
協議發起方不同：發送方發起、接收方發起
2. 競爭型MAC協議
重點考慮的問題：睡眠/喚醒、握手機制、減少睡眠延時。
典型的基於競爭的隨機訪問MAC協議是載波監聽多路訪問（CSMA）。應用於傳統有線以太網的是CSMA/CD，應用於無線局域網的是CSMA/CA，應用於WSN中的是S-MAC、B-MAC、Sift協議等。
❤❤❤ S-MAC協議
※問：傳統的MAC協議爲什麼不能應用在WSN中？？？？
傳統的MAC協議中，節點需要一直監聽信道來接收可能的通信，測試證明，空閒監聽消耗了接收所需能量的50%-100%，而多數傳感器網絡的目標是長期運轉，節點將長時間處於空閒狀態，這樣，在這些浪費能量的因素中空閒監聽將處於主導地位。
※主要思想：
S-MAC協議是在802.11 MAC DCF PS（power save）的基礎上提出的。爲了減少能量消耗，每個節點週期性地進入偵聽/睡眠狀態。在偵聽狀態，節點利用CSMA/CA機制競爭信道和避免衝突，進行數據地接收或發送；在睡眠狀態，節點關閉收發器進入睡眠。爲使節點能夠在偵聽狀態下相互通信，減小網絡延遲，S-MAC協議使相鄰節點之間儘量保持偵聽/睡眠調度週期地同步。
※WSN中MAC協議能量消耗的主要原因：
（1）衝突：正在傳輸的分組被破壞不得不重新發送會導致能耗的增加。
（2）串音：節點收到傳給其他節點的分組。
（3）控制分組費用：RTS、CTS，首部，尾部。。
（4）空閒監聽
※S-MAC協議的設計目標：
（1）減少能耗（2）支持碰撞避免和良好的可擴展性。
※S-MAC協議的網絡及應用假設：
（1）WSN由大量利用短距離、多跳通信以達到節能目的的節點組成，該網絡是自組織的。
（2）WSN中的節點以長時間收集數據爲目標，數據量不大，空閒時間較長，對應用延遲不敏感。
（3）多個節點共同完成一項收集信息的應用任務。只保證應用層的性能，不需要保證分組的節點公平性。
※S-MAC的主要處理機制（都是在減少能耗）：
（1）對於空閒監聽，採用週期性休眠/監聽來減少能耗。週期性休眠/監聽的調度進行同步，同步節點採用相同的調度，形成虛擬簇（可理解爲劃分）

（2）衝突和串音避免機制
對於衝突，採用與802.11類似的CSMA/CA和RTS/CTS握手機制來儘量避免，能夠解決隱藏終端的問題。
對於串音，採用虛擬載波監聽機制，根據數據幀的特殊字段（告知休眠多久）讓每個與此次通信無關的鄰居節點進入休眠狀態，這樣發送和接收節點處於獨享信道的狀態（這是我獨享的moment~~O(∩_∩)O）
（3）長消息分割傳送機制
對於控制分組費用，採用長消息分割傳遞機制。控制分組爲每個小組已經提前預約好信道，不需要再設置控制分組。如果出錯則重傳小的分組即可，保證了傳輸的效率。

（4）自適應監聽機制



※在無線網絡中如何與鄰居節點同步？？？
初始化：



鄰居發現：

同步維護：

※ S-MAC時延分析————》》自適應監聽機制
時延：載波監聽時延、退避時延、發送時延、傳播時延、排隊時延、處理時延、休眠時延。
~~沒有休眠機制的時延：

~~有休眠機制的時延：


※S-MAC小結

3.調度型MAC

典型的調度型MAC協議：基於分簇網絡的C-TDMA、DEANA、TRAMA、DMAC等。


4.混合型MAC

❤作業：