无线传感器网络中竞争性MAC协议

SMAC协议，TMAC协议，PMAC协议

1.SMAC协议

• 适用条件：传感器网络的数据传输量不大，能容忍一定程度的通信延迟。设计的目标是提供良好的扩展性，减少节点的能耗。

• SMAC协议的关键技术

  1. 周期性睡眠和监听

     • SMAC协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段监听和睡眠持续时间根据应用情况进行调整。当节点处于睡眠状态时，关闭无线电波以节省能量。当然节点需要缓存这期间收到的数据，以便工作阶段集中发送。

     • 相邻接点均需要维持侦听/睡眠调度周期同步

  2. 流量自适应侦听机制

     • 基本思想是：在一次通信结束中，通信节点的邻居在通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段之间。如果节点在这段时间内接收到RTS分组，则可以立刻接收数据，无须等到下一次调度侦听周期，从而减少了数据分组的传输延迟。如果在这段时间内没有接收到RTS分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。

  3. 冲突和串音避免机制

     • 为了减少冲突和避免串音，SMAC协议采用了与802.11MAC协议类似的虚拟和物理载波侦听机制，以及RTS/CTS握手交互机制。两者的区别在于当邻居节点处于通信过程时，执行SMAC协议的节点进入睡眠状态。

  4. 消息传递机制

     • SMAC协议采用了消息传递机制，可以很好的支持长消息的发送。由于无线信道的传输差错和消息长度成正比，短消息传输成功的概率要大于长消息。根据这个原理，将长消息分为若干个短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手机制预约这个长消息的发送时间，集中连续发送全部短消息。这样既可以减少控制报文的开销，又可以提高消息发送的成功率。

• SMAC协议的缺点：SMAC协议采用周期性侦听的工作方式，它的侦听周期是固定不变的。周期长度受限于延迟的要求和缓存的大小。由于消息速率是实时变化的，这样就导致延迟要求和缓存大小往往不满足这种变化的信息速率。为了保证可靠及时的消息传输，节点的活动时间必须适应最低通信负载。当负载动态较小时，节点处于空闲侦听的时间相对增加。

2.TMAC协议

• 工作原理：TMAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调整活动时间，用突发方式发送信息，减少空闲侦听时间。节点周期性唤醒进行侦听，在唤醒的时间周期内，如果节点没有任何和活动，则继续进入睡眠状态。

• TMAC协议的关键技术

  1. 周期性监听同步

     • 沿用SMAC协议思想，周期性广播帧

  2. RTS操作和TA的选择

     • 如果发送RTS未收到CTS，应该再发送一次

     • TA时间>竞争信道时间+RTS发送时间+CTS准备时间

  3. 早睡问题：节点在邻居准备向它发送数据时进入睡眠状态

  4. 早睡问题解决办法

     • 未来请求发送

     • 满缓存区优先

  5. 总结

     • TMAC协议引入了超过预定时间后关闭无线通信模块的思想

     • 在高网络负载的情况下，TMAC协议通过不进入睡眠模式确保不会增加延迟，同时保证较高的吞吐率。

     • 在消息速率变化的网络中，TMAC协议会比SMAC协议节省更多能量。TMAC协议降低了节点的能耗，所以在不增加延迟的情况下可以延长网络的寿命。

3. PMAC协议

• 基本思想

  1. 解决了SMAC调度占空比固定，TMAC早睡问题

  2. 引入模式信息，节点能够通过模式信息提前获知邻居的下一步活动，调度都根据模式信息来进行

• 模式的生成

  • 由一个二进制位串组成

  • 每一位表示节点在当前时隙应处于何种状态，1为监听，0为睡眠

  • 形式：0m1，m=0,1,…N-1，m代表串中0的个数

  • 每个节点启动时的模式串为1，表示流量很大

  • 节点根据网络流量更新模式

  • 在第一个时隙内无数据发送，更新模式为 01，在第二个模式中监听时隙内仍无数据发送：更新模式为 001；依此类推

• 模式的交换

  • 在当前周期结束时将进行广播来交换模式信息

  • 引入超帧STF ,分为两个子帧 PRTF和PETF

  • 模式重复时间帧PRTF，节点重复自己的模式

  • 模式交换时间帧，邻居之间进行模式信息交换