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高分懸賞無線傳感器網絡混合類斑馬協議(Z-MAC)

3.3 常見的MAC協議分析與比較

3.3.1 S-MAC協議

S-MAC(Sensor-MAC)協議是較早的針對WSN的壹種MAC協議,他是在802.11MAC的基礎上,采用下面介紹的多種機制來減少了節點能量的消耗。固定周期性的偵聽和睡眠:為了減少能量的消耗,傳感器節點要盡量處於低功耗的睡眠狀態。S-MAC協議采用了低占空比的周期性睡眠/偵聽。為了使得S-MAC協議具有良好的擴展性,在覆蓋網絡中形成眾多不同的虛擬簇。

消息傳遞技術:對於無線信道,傳輸差錯與包長度成正比,短包成功傳輸的概率要大於長包。在S-MAC協議中消息傳遞技術將長消息分成若幹短包,利用RTS/CTS握手機制,壹次性發送整個長消息,這樣既提高發送成功率,有減少了控制消息。流量自適應偵聽機制:傳感器節點在與鄰居節點通信結束後並不立即進入睡眠狀態,而保持偵聽壹段時間,采用流量自適應偵聽機制,減少了網絡中的傳輸延遲。

S-MAC協議與IEEE802.11 MAC相比,在節能方面有了很大的改善。但睡眠機制的引入,使得網絡的傳輸延遲增加,吞吐量下降。針對S-MAC協議存在的不足,研究人員對其進行了改進,提出了壹種帶有自適應睡眠的S-MAC協議。

3.3.2 LMAC協議

LMAC協議使用時分多址 (TDMA)機制,時間被分成若幹個時隙, 節點在傳送數據時不需要競爭信道,可以避免傳輸碰撞造成的能量損耗。節點只能指派壹個控制時隙,在時隙期間,節點總是會傳送壹條信息,此信息包含兩部分:控制信息和數據單元。由於壹個時隙只能被壹個節點控制, 所以節點可以無沖突的進行通訊1。

3.3.3 T-MAC協議

T-MAC(Timeout-MAC)協議與自適應睡眠的S-MAC協議基本思想大體相同。數據傳輸仍然采用RTS/CTS/DATA/ACK的4次握手機制,不同的是在節點活動的時隙內插入了壹個TA(Time Active)時隙,若TA時隙之間沒有任何時間發生,則活動結束進入睡眠狀態。TA的取值對於T-MAC協議性能至關重要,其約束條件為:TA=m(C+R+T),m>1,其中C為競爭信道時間,R為發送RTS分組的時間,T為RTS分組結束到發出CTS分組開始的時間。在仿真的時候,壹般選取m=1.5,即:TA=1.5×(C+R+T)。

T-MAC協議雖然能根據當前網絡的動態變化,通過提前結束活動周期來減少空閑偵聽提高能效,但帶來了“早睡”問題。所謂早睡問題是指在多個傳感器節點向壹個或少數幾個匯聚節點發送數據時,由於節點在當前TA沒有收到激活事件,過早進入睡眠,沒有監測到接下來的數據包,導致網絡延遲。為解決這個問題,提出了未來清除發送和滿緩沖區優先兩個方法。

基於競爭的MAC協議通常很難提供實時性保證,而且由於沖突的存在,浪費了能量。基於競爭的協議在有些應用場合(比如主要考慮節能而不太關心時延的可預測性時)有較大的應用,基於競爭的協議需要解決的是提供壹個實時性的統計上界。根據這類協議的分布式和隨機的補償特性,基於競爭的協議沒有確切的保證不同節點的數據包的優先級。因此,有必要限制優先級倒置的概率以建立統計上的端到端的時延保證。

3.3.4 Wise-MAC協議

Wise - MAC協議在非堅持CSMA協議的基礎上,采用前導碼采樣技術控制節點處於空閑偵聽狀態時的能量消耗。與S-MAC和T-MAC協議相比,節能效果非常顯著。

無線信道在傳輸過程中經常出現錯誤,所以需要鏈路層的確認機制來恢復丟失的數據包。Wise-MAC協議的ACK數據幀不僅用來對接收到的數據包進行確認,還會通知其他鄰居節點到下壹次采樣的剩余時間。通過這種方式,每個節點不斷更新相鄰節點的采樣時間偏移表。利用這些信息,每個節點可以選擇恰當的時間,使用最小長度的喚醒前導碼向目的節點發送數據。

Wise-MAC協議可以很好地適應網絡流量變化,他是和WISENET超級功耗SoC芯片結合設計的。Wise-MAC協議的采樣同步機制會帶來數據包沖突的問題,也會由於節點學要存儲相鄰節點的信道偵聽時間,會占用寶貴的存儲空間,增加協議實現的復雜度,尤其是在節點密度較高的網絡內這個問題尤為突出。

3.3.5 DMAC協議

數據采集樹是無線傳感器網絡的壹種重要的通信模式,DMAC協議就是針對這種數據采集樹而提出的,目標是減少網絡的能量消耗和減少數據的傳輸延遲。DMAC協議采用不同深度節點之間的接收發送/睡眠的交錯調度機制。將節點周期劃分為接收、發送和睡眠時隙,數據能沿著多跳路徑連續地從數據源節點傳送到匯聚節點,減少睡眠帶來的傳輸延遲。

3.3.6 Z-MAC協議

綜合CSMA和TDMA二者各自的優點,由RHEE 等在2005年提出了壹種混合機制的Z-MAC協議。

Z-MAC將信道使用物化為時間幀的同時,使用CSMA作為基本機制,時隙的占有者只是有數據發送的優先權,其他節點也可以在該時隙發送信息幀,當節點之間產生碰撞之後,時隙占有者的回退時間短,從而真正獲得時隙的信道使用權。Z-MAC使用競爭狀態標示來轉換MAC機制,節點在ACK重復丟失和碰撞回退頻繁的情況下,將由低競爭狀態轉為高競爭狀態,由CSMA機制轉為TDMA機制。因而可以說,Z-MAC在較低網絡負載下,類似CSMA,在網絡進入高競爭的信道狀態之後,類似TDMA。

Z-MAC並不需要精確的時間同步,有著較好的信道利用率和網絡擴展性。協議達到即時的適應網絡負載的變化的同時,TDMA和CSMA機制的同步和互換會產生較大的能量耗損和網絡延遲問題。

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