WSN两种竞争MAC的分析与比较
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【摘要】无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,wsn）是集成了传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点构成的全分布式的自组织网络。易扩展、分布式结构、健壮性和实时性等特点,使其在众多领域有着传统网络无法比拟的优势。
【关键词】WSN S-mac T-MAC
一、竞争型MAC协议
竞争型MAC协议采用按需使用信道的方式。当节点需要发送数据时,使用无线信道,若发送的数据产冲突,就按照某策略重发数据,直到发送成功或放弃发送为止。特点：扩展性好，算法简单易实现。典型协议：SMAC和TMAC。
二、SMAC协议的分析和研究
（一） SMAC协议的基本思想。
SMAC（Sensor-MAC）协议是较早针对WSN的一种MAC协议，采用下面介绍的多种机制来减少了节点能量的消耗。固定周期性的侦听和睡眠：为减少能量的消牦，传感器节点要尽量处于低功牦的睡眠状态。SMAC协议采用了低占空比的周期性睡眠/侦听，可以使得SMAC具有良好的扩展性，在覆盖网络中形成众多不同的虚拟簇。
（二）消息传递技术。
无线信道的传输差错与包长度成正比。在SMAC中消息传递技术将长消息分成若干短包，利用RTS/CTS握手机制，一次性发送整个长消息提高发送成功率。流量自适应侦听机制采用流量自适应侦听机制，减少了网络中的传输延迟。
同时为减少WSN消耗的能量，基于IEEE 802．11提出一种新机制。当WSN发现冲突重传、接收到不是发送给自己的数据、控制信号、空闲侦听等从而造成传感器网络耗能时，它引入了节点间的SYNC机制，允许没有数据发送和接收的节点进入休眠状态以节省耗能。所以SMAC协议是一种基于竞争的控制协议。
（三）SMAC协议减少能量消耗的优势。
1.减少能量消耗方式之一就是睡眠机制。如果节点收到不是发给自己的数据包，节点直接进睡眠状态。
2.随机退避原理也可减少能量消耗。节点在发送数据前要随机地退避一段时间。从每个周期的开始，消息队列非空的节点会随机地选择一个退避数，当信道空闲时，每过一个时隙，退避数器就会减1，当退避数器为0时，节点就会发送数据。此时没有竞争到信道的节点就会停止退避计数，转而进入睡眠状态，等待下一个周期的到来，重新竞争信道。
三、TMAC协议的分析和研究
（一）TMAC(Time SMAC)基本思想。
协议提出了一种自适应调整占空比的方法：通过动态调整调度周期中的活跃时间长度来改变占空比，从而提高信道利用率，减小网络延时，增加网络的吞吐率。
（二）TMAC中工作原理。
数据的发送都是突发方式进行，每个节点都周期性地唤醒，进入活跃状态，和邻居进行通信，然后进入睡眠状态，直到下一个周期的开始。同时，新的消息在队列中进行缓存。节点之间进行单播通信使用的方法，以确保避免冲突和可靠传输。在活跃状态下，节点可能保持监听，也可能发送数据。
（三）TMAC引入的新机制。
1.数据传输仍然采用4次握手机制，不同的是在节点活动的时隙内插入了一个TA（Time Active）时隙，若TA时隙之间没有任何时间发生，则活动结束进入睡眠状态。TA的取值对于协议性能至关重要，其约束条件为：TA=m（C+R+T），m>1，其中C为竞争信道时间，R为发送RTS分组的时间，T为RTS分组结束到发出CTS分组开始的时间。在仿真的时候，一般选取m=1.5，即：TA=1.5。
2.TMAC通过周期性发送SYNC帧来保持节点间的同步。
（四）TMAC的优势。
针对WSN的串行避免和早睡问题，TMAC进行如下修改：
1.在TAMC中，串扰避免机制是可选的，串扰避免机制能够显著减少串扰带来的能量损耗，但是这样会导致冲突的增加所以协议不宜采用串扰避免机制。
2.在采用周期性调度的MAC协议中，如果一个节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态，这种现象称为早睡。为防止信道不能合理利用，浪费资源。因此协议提出了两种方法进行缓解。
①预请求发送(Future request-to-send，FRTS)
当一组节点的发送方收到另一组节点发出的请求建立通信的要求后，立即向接收发送一个FRTS。FRTS帧包含节点接收数据前需要等待的时间，因此接收方在此时间内保持监听状态。
②由于发送的FRTS可能干扰另一组发送的数据，所以另一组发送方需要将发送的数据延迟相应的时间。准备通信的一组在接收到CTS之后发送一个与FRTS长度相同的帧，该帧不包含有用信息，只是为了保持对信道的占用，在此之后建立好的信道立即发送数据信息。
③满缓冲区优先机制：
当节点的缓冲区接近占满时，对接收到的RTS帧不回复CTS，而是立即向缓冲区中数据包的目的节点发送RTS，以建立数据传输。这个方法的优点是减少了早睡问题发生的可能性，在一定程度上能够控制网络的流量。
SMAC和TMAC通过时序关系控制节点的工作和睡眠时间，因此关注与时钟同步问题。
四、WSN研究意义
WSN的应用前景广阔，其应用小到健康护理，智能家电，大型车间和仓库管理；大到城市交通疏导，机场，军事，太空都有所涉及，因此深入研究WSN的意义重大而深远。
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