无线传感网学习笔记（6）—— S-MAC协议 和 Z-MAC协议

一、S-MAC（Sensor-MAC）协议

1、概念：一种用于WSN的低能耗MAC协议。

2、设计考虑因素：
 ① 能量效率：WSN中的节点难以充电和更换，节点生存时间短。
 ② 可扩展性和自适应性：WSN中的网络规模、拓扑结构可能发生变化。
 ③ 其他：公平性、延时、吞吐量、带宽利用率等。

3、设计目标：
 ① 从所有的能耗源着手尽可能降低能量损耗。
 ② 在公平性、高信道利用率和低延时之间进行折中设计，以降低能量损耗。

主要的能耗源	解决方法
碰撞 ：需要重传损坏的分组包	使用RTS-CTS机制
监听 ：获取发送给其他节点的分组包	当节点无数据发送或接收时，将射频前端关闭
控制开销 ： 收发过程中控制分组包	使用消息传递机制
空闲侦听 ： 侦听潜在的流量数据	使用周期性侦听和睡眠

4、网络假设：
 ① WSN中的节点以Ad hoc模式部署
 ② 通信传输以节点间的通信为主，而非以与基站传输为主
 ③ 节点间协作完成某种应用任务
 ④ 节点能够实行自配置

5、特征：
① 协调睡眠：以周期性的侦听和睡眠方式实现

• 每个节点都周期性地进入睡眠模式，在此模式下，射频前端关闭，并设置计时器唤醒节点，再次进入侦听模式。（睡眠和侦听的时长依据应用场景而定）
• 邻居节点是同步的，即一起侦听和睡眠，以降低控制开销。（并非所有邻居节点都一起同步）
• 多个邻居节点要与同一个节点通信时，它们需要采用RTS-CTS竞争机制使用媒质资源。
• 节点进行数据传输时，不会进入周期睡眠模式，直到数据传输完毕。
• 每个节点都维持一个调度表，存储所有它已知的邻居节点，调度表的更新通过广播同步包SYNC完成。
• 每个节点之间的时钟偏移可能会导致同步差错，因此侦听周期要远大于预测的时钟飘移值，以维持同步。（时钟偏移：时钟之间的时间差）

② 自适应侦听：事件驱动

• 当事件发生时，需要将节点进行模式切换，从low-duty-cycle模式切换到更活跃的模式，以降低延时。

③ 碰撞和监听避免

• 碰撞避免：采用与IEEE 802.11中的RTS-CTS机制类似
• 监听避免：干扰节点在收到RTS或CTS包后，进入睡眠状态。

④ 消息传递

• 消息：是有意义的、相互关联的数据单元
• 面临的问题：长的消息分组包，在重传时代价太大；短的消息分组包，则会导致高的控制开销。（每次传输都要使用RTS、CTS）
• 解决办法：将消息分片，并以突发模式传输，利用MAC层的ACK机制实现分片级的差错恢复。这样就可以降低消息时延和控制开销，但公平性也因此降低。

二、Z-MAC（Zebra-MAC）协议

1、概念：一种用于WSN的混合型MAC协议。（结合了TDMA和CSMA的优势）

2、特征：
 ① 基本的数据传输以TDMA调度为基础，但节点又可以通过竞争机制在任何时隙内传输数据，从而获取高的信道利用率和低的竞争开销。

 ② 采取 DRAND（一种分布式的TDMA调度策略） 调度方式，可以使同一干扰区域内的两个节点分配到不同时隙，满足无冲突传输调度的需求。
 上图中左侧的是TDMA调度下的时隙分配，右侧的是DRAND调度下的时隙分配，可以看出，在不同的干扰域，节点的传输不会相互影响，但是普通的TDMA调度要使用更多的时隙来进行分配，可能会导致资源的浪费，而DRAND调度则可以高效地分配时隙，能够节约资源并且降低时延。

 ③ 明确竞争通告（ECN：Explicit Contention Notification）：用于通知所有的两跳邻居，不要在此时隙内发送数据。

• 如果一个节点经历高强度竞争（可以通过丢失ACK检测），它将会发送ECN信息。
• 当一个节点接收到ECN消息后，它将设置HCL标志，表示当前处于高竞争级别场景。
• 当一个节点收到单跳节点I的ECN消息后，如果该节点处于节点I的路由路径上，它将转发一个两跳ECN消息，否则将丢弃接收的单跳ECN消息。
  
  （注：图源自中国大学MOOC网中的无线传感网技术课程）