物联网组网与通信技术——WSN的MAC协议

１.　概述
　　MAC协议的功能是解决多个节点共享信道的问题，并决定节点何时占用无线信道进行数据的传输，同时避免节点之间的传输发生碰撞。MAC协议是确保WSN网络高效运转的关键技术。　
　　无线通信模块是传感器节点能量的主要消耗者，而MAC子层直接与物理层接口，即MAC协议直接控制着无线射频收发器的活动并决定着何时将数据发送出去或接收数据，所以MAC协议节能效率的好坏将严重影响着网络的生命周期。所以，设计高效节能的MAC协议对于WSN具有重要的现实意义。
⭐相关性能：
公平性：在WSN中，所有的节点为了一个共同的任务相互协作，在某个特定的时刻，存在一个节点相比于其他节点拥有大量的数据要传送。所以公平性往往用于网络中某一应用是否成功实现来评价。
网络吞吐量：取决于WSN网络的应用。
延迟：在WSN中取决于网络的应用。
信道利用率：在蜂窝移动通信系统和无线局域网中，信道利用率是一项非常重要的指标。但WSN是ｌｏｗ－ｄｕｔｙ－ｃｙｃｌｅ的设计，所以这是次要因素。
可扩展性：是指一个MAC协议适应网络大小、拓扑结构、节点密度不断变化的能力。WSN网络的拓扑结构具有动态性，一个好的MAC协议也应该具有可扩展性，以很好地适应这种动态变化的拓扑结构。
能量有效性：WSN节点一般采用电池提供能量，并且电池能量难以补充和更换。在节点的耗能中，无线收发装置的能耗占绝大部分，而MAC层协议直接控制无线收发装置，因此MAC协议的能量有效性直接影响网络节点的生存时间。
⭐WSN的MAC协议设计原则及目标：
（１）能量有效性（２）可扩展性（３）应用相关性
如何在节能与其他指标之间取得平衡是WSN的MAC协议设计的一个重要问题。

⭐WSN的MAC协议的分类
信道访问策略不同：基于竞争的MAC协议、基于调度的MAC协议和混合的MAC协议。
信道使用个数不同：单信道MAC协议和多信道MAC协议
协议的部署方式不同：集中式MAC协议、分布式MAC协议
数据通信类型不同：基于单播的MAC协议（私聊）、基于组播的MAC协议（群发@某些人），广播（完全群发）
发射器硬件功率可变：功率固定MAC协议、功率控制MAC协议
发射天线的种类：基于全向天线的MAC协议和基于定向天线的MAC协议。
协议发起方不同：发送方发起、接收方发起
2. 竞争型MAC协议
重点考虑的问题：睡眠/唤醒、握手机制、减少睡眠延时。
典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波监听多路访问（CSMA）。应用于传统有线以太网的是CSMA/CD，应用于无线局域网的是CSMA/CA，应用于WSN中的是S-MAC、B-MAC、Sift协议等。
❤❤❤ S-MAC协议
※问：传统的MAC协议为什么不能应用在WSN中？？？？
传统的MAC协议中，节点需要一直监听信道来接收可能的通信，测试证明，空闲监听消耗了接收所需能量的50%-100%，而多数传感器网络的目标是长期运转，节点将长时间处于空闲状态，这样，在这些浪费能量的因素中空闲监听将处于主导地位。
※主要思想：
S-MAC协议是在802.11 MAC DCF PS（power save）的基础上提出的。为了减少能量消耗，每个节点周期性地进入侦听/睡眠状态。在侦听状态，节点利用CSMA/CA机制竞争信道和避免冲突，进行数据地接收或发送；在睡眠状态，节点关闭收发器进入睡眠。为使节点能够在侦听状态下相互通信，减小网络延迟，S-MAC协议使相邻节点之间尽量保持侦听/睡眠调度周期地同步。
※WSN中MAC协议能量消耗的主要原因：
（1）冲突：正在传输的分组被破坏不得不重新发送会导致能耗的增加。
（2）串音：节点收到传给其他节点的分组。
（3）控制分组费用：RTS、CTS，首部，尾部。。
（4）空闲监听
※S-MAC协议的设计目标：
（1）减少能耗（2）支持碰撞避免和良好的可扩展性。
※S-MAC协议的网络及应用假设：
（1）WSN由大量利用短距离、多跳通信以达到节能目的的节点组成，该网络是自组织的。
（2）WSN中的节点以长时间收集数据为目标，数据量不大，空闲时间较长，对应用延迟不敏感。
（3）多个节点共同完成一项收集信息的应用任务。只保证应用层的性能，不需要保证分组的节点公平性。
※S-MAC的主要处理机制（都是在减少能耗）：
（1）对于空闲监听，采用周期性休眠/监听来减少能耗。周期性休眠/监听的调度进行同步，同步节点采用相同的调度，形成虚拟簇（可理解为划分）

（2）冲突和串音避免机制
对于冲突，采用与802.11类似的CSMA/CA和RTS/CTS握手机制来尽量避免，能够解决隐藏终端的问题。
对于串音，采用虚拟载波监听机制，根据数据帧的特殊字段（告知休眠多久）让每个与此次通信无关的邻居节点进入休眠状态，这样发送和接收节点处于独享信道的状态（这是我独享的moment~~O(∩_∩)O）
（3）长消息分割传送机制
对于控制分组费用，采用长消息分割传递机制。控制分组为每个小组已经提前预约好信道，不需要再设置控制分组。如果出错则重传小的分组即可，保证了传输的效率。

（4）自适应监听机制



※在无线网络中如何与邻居节点同步？？？
初始化：



邻居发现：

同步维护：

※ S-MAC时延分析————》》自适应监听机制
时延：载波监听时延、退避时延、发送时延、传播时延、排队时延、处理时延、休眠时延。
~~没有休眠机制的时延：

~~有休眠机制的时延：


※S-MAC小结

3.调度型MAC

典型的调度型MAC协议：基于分簇网络的C-TDMA、DEANA、TRAMA、DMAC等。


4.混合型MAC

❤作业：