S-MAC协议的相关知识

(一)S-MAC协议的概念

S-MAC协议是在802.11MAC协议的基础上，针对于传感器网络的节省能量的需求而提出的传感器网络的MAC协议。

(二)S-MAC协议引入的主要原因

1）传统的蜂窝网络MAC协议主要要求是提供高质量的服务质量和带宽效率；

2）传感器网络在密集传感器现场建立一个基本网络所需的数据通讯链路；

3）传感器网络要使各个节点能够共同协作完成任务；

）针对于传感器网络需要进行长期的信息采集，但是其终端节点数量十分庞大，而不能进行电源的更换，因此为了降低由于碰撞重传，串音，空闲侦听和控制消息可能造成的能量消耗，所以提出了S-MAC协议。

(三)SMAC协议的缺陷

1）SMAC协议一直处于唤醒状态，是比较浪费能量的；但是，S-MAC协议进行同步周期性的唤醒与睡眠，以低占空比的工作方式降低了能量的消耗。

2）CSMA协议的目标是获得高质量的服务以及带宽效率，但是WSN的目标是获得比较全面的数据信息，需要的是各个节点的共同协作，提高扩展性。

（四）S-MAC协议采用的主要机制

1）周期性的侦听和睡眠

WSN的S-MAC采用周期性的侦听和睡眠，网络中所有的节点同步使用相同的睡眠和唤醒方式，所有的节点均已相同的占空比进行工作，使用同步帧发送机制，确保所有节点同时唤醒和同时睡眠，但所有节点都处于唤醒状态时，才进行侦听，以判断是否要发送或者接受数据，当所有节点都处于睡眠状态时，会自动关闭射频收发器以节省能量。

周期性的侦听与睡眠

注：每个节点使用SYNC消息通告自己的调度信息，同时维护一个调度表，保存所有节点的调度信息。

同步的侦听与睡眠机制的维护

当节点进入工作时：先侦听一段固定时间：

1）如果在侦听的这段时间，接收到其他节点的调度信息，则将自己的调度信息调整和其他相邻节点一致，经过一段随机的时间广播自己的调度信息；

2）当节点在侦听这段时间收到众多的邻居节点的调度信息都不一致时，可选择将自己的调度信息调整为和第一个接收到的邻居节点的调度信息一致，并记录其他邻居节点的调度信息。

3）如果在侦听的这段时间没有接收到任何节点发送来的调度信息，则自己产生一个调度信息，并进行广播；

具有相同调度的节点形成虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。在WSN网络中形成众多的虚拟簇，使得S-MAC具有良好的扩展性。

注：每个虚拟簇中的节点不是一成不变的，节点会随着通信的需要调整自己的调度信息，但是一个周期中，每个虚拟簇中的节点是固定的。

2）流量自适应的侦听机制

当邻居节点在进入休眠状态时，自身需要保持侦听状态，并进行数据的接受或者发送。

注：流量自适应的侦听机制是为了减少通信延迟的累加效应。

3）串音避免

依然采用CSMA/CA中的RTS，CTS，DATA，ACK，进行发送和接收消息，实现虚拟载波侦听。与CSMA/CA不同的是当邻居节点在发送数据的时候，节点处于睡眠状态。

4）消息传递机制

短消息：利用RTS/CTS，DATA／ACK机制进行发送；

长消息：将一个长消息分割为几个短消息在预约的时间内突发发送，短消息也是利用RTS/CTS，DATA／ACK，不同的是S-MAC中长消息分割的短消息的RTS/CTS，DATA／ACK帧中携带的是整个长消息传递剩余的时间。

（五）总结

优点：

（１）S-MAC很好的通过周期性的侦听与睡眠机制解决了无线传感网络中的能量问题：

　　高负载：当信道处于高负载的时候，侦听阶段得意充分利用；

　　低负载：睡眠阶段更好的节省了能量。

（２）使用CSMA协议中的RTS/CTS，DATA／ACK消息传递机制，有效避免了冲突；

缺点：

　S-MAC协议中的占空比是固定不变的，的信道中出现极端情况：（１）负载过高时，休眠时间太长，不利于数据的传递；（２）当负载过低时，侦听时间长，还是不能有效利用有限的能量，浪费能量。