無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課件：數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議6.1CSMA機(jī)制6.2基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議6.3基于預(yù)約的MAC協(xié)議6.4混合MAC協(xié)議

6.1CSMA機(jī)制

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，絕大多數(shù)還是基于無(wú)線局域網(wǎng)WLAN中使用的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，即載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)CSMA機(jī)制。CSMA機(jī)制中，載波偵聽(tīng)是指節(jié)點(diǎn)在特定時(shí)隙對(duì)信道進(jìn)行偵聽(tīng)，以獲取無(wú)線信道的使用情況。CSMA機(jī)制的基本原理為節(jié)點(diǎn)首先對(duì)通信信道進(jìn)行一定時(shí)間的偵聽(tīng)，這個(gè)時(shí)間間隔稱為幀間間隔IFS，然后，節(jié)點(diǎn)按照以下兩種情況分別進(jìn)行操作：(1)如果在IFS期間信道是空閑的，節(jié)點(diǎn)可以立即進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；(2)如果在IFS期間信道被占用，節(jié)點(diǎn)推遲傳輸并且繼續(xù)偵聽(tīng)信道直到數(shù)據(jù)傳輸完成為止。IFS的持續(xù)時(shí)間確保節(jié)點(diǎn)只在信道空閑時(shí)進(jìn)行傳輸，這樣有助于預(yù)防沖突的發(fā)生。如果節(jié)點(diǎn)在IFS內(nèi)偵聽(tīng)到信道被占用，就知道此時(shí)其他的節(jié)點(diǎn)正在信道上傳輸數(shù)據(jù)。為了避免數(shù)據(jù)沖突，在CSMA機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)分組之前會(huì)延遲一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，這種機(jī)制稱為隨機(jī)退避機(jī)制。CSMA隨機(jī)退避機(jī)制的工作原理如下：當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸一旦結(jié)束，節(jié)點(diǎn)再延遲一個(gè)IFS。在這段時(shí)間里，如果信道仍處于空閑狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)分組之前，會(huì)等待一個(gè)一定數(shù)值范圍內(nèi)的隨機(jī)時(shí)間間隔，這個(gè)數(shù)值范圍稱為競(jìng)爭(zhēng)窗口。這種退避機(jī)制通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)器執(zhí)行，每經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)隙，退避定時(shí)器的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)減1。在節(jié)點(diǎn)都進(jìn)入隨機(jī)退避階段后，第一個(gè)隨機(jī)退避定時(shí)器計(jì)數(shù)結(jié)束的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始傳輸自己的數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到信道中新的數(shù)據(jù)傳輸后便暫停它們的退避時(shí)鐘，當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸完成后進(jìn)入下一個(gè)退避時(shí)段，重新啟動(dòng)退避時(shí)鐘開(kāi)始計(jì)時(shí)。CSMA協(xié)議中的隨機(jī)退避機(jī)制旨在預(yù)防節(jié)點(diǎn)在傳輸結(jié)束時(shí)的自同步，并避免與其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生沖突。然而，在網(wǎng)絡(luò)部署密度大的情況下，顯然有多個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)同時(shí)進(jìn)入隨機(jī)退避階段，因此，很可能會(huì)有一些節(jié)點(diǎn)選擇相同的退避時(shí)間而導(dǎo)致與其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生沖突。在這種情況下，產(chǎn)生沖突的節(jié)點(diǎn)會(huì)將它們的競(jìng)爭(zhēng)窗口加倍。CSMA機(jī)制的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是對(duì)隱藏終端沖突過(guò)于敏感。數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，那么發(fā)生隱藏終端問(wèn)題的概率就越高，為了解決這個(gè)問(wèn)題，WLAN中引入了無(wú)線信道共享機(jī)制CSMA/CA協(xié)議，其中CA表示無(wú)限網(wǎng)絡(luò)沖突避免機(jī)制。CSMA/CA協(xié)議中采用了四次握手機(jī)制，即源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS(ReadyToSend)分組預(yù)約信道，目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播CTS(CleartoSend)分組為該節(jié)點(diǎn)預(yù)留信道，這樣就可以減少?zèng)_突的概率。CSMA/CA機(jī)制在日常生活中應(yīng)用廣泛，因?yàn)樵摍C(jī)制是無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的一部分，幾乎所有WLAN都將IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議作為自己的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。CSMA/CA機(jī)制中的主要問(wèn)題之一是需要不間斷地進(jìn)行信道偵聽(tīng)。NAV通過(guò)讓節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸期間處于睡眠狀態(tài)直到NAV終止才被喚醒，在一定程度上減少了信道偵聽(tīng)所消耗的能量，NAV是無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議中最具使用價(jià)值的一種機(jī)制。為了進(jìn)一步減少能量消耗，一些解決方案中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立邏輯的分布式時(shí)間表，使得節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)的時(shí)間更長(zhǎng)，而僅僅在需要的時(shí)候被喚醒。

6.2基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議

6.2.1S-MAC協(xié)議S-MAC協(xié)議是一種基于CSMA隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，其沖突避免機(jī)制類似于IEEE802.11中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，其目標(biāo)是減少不必要的能量損耗，同時(shí)提供良好的可擴(kuò)展性和碰撞避免機(jī)制。S-MAC協(xié)議中提出了“適合于多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的節(jié)能方法”，具體節(jié)能方法如下：采用周期性睡眠和偵聽(tīng)方法可減少空閑偵聽(tīng)?zhēng)?lái)的能量消耗；當(dāng)節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的特殊字段讓每個(gè)與此通信無(wú)關(guān)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以減少串?dāng)_帶來(lái)的能量消耗；采用消息傳遞機(jī)制，減少控制分組帶來(lái)的能量損耗。S-MAC協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)包括周期性偵聽(tīng)與睡眠、串音避免、多跳感知、自適應(yīng)監(jiān)聽(tīng)和消息傳遞五種技術(shù)。1．周期性偵聽(tīng)與睡眠由于空閑偵聽(tīng)消耗大量的能量資源，S-MAC協(xié)議引入了占空比技術(shù)，在占空比操作中，根據(jù)幀的特定時(shí)間長(zhǎng)度調(diào)度節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)，節(jié)點(diǎn)在一定的時(shí)間處于偵聽(tīng)無(wú)線信道狀態(tài)，而在該幀的剩余時(shí)間節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)時(shí)間在該幀總的持續(xù)時(shí)間中所占的比例稱為占空比。在睡眠期間，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉無(wú)線收發(fā)機(jī)以節(jié)省能量，即這些節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地在一段時(shí)間內(nèi)偵聽(tīng)信道，等待業(yè)務(wù)的到來(lái)，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)直到下一個(gè)激活期。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以選擇自己進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)和睡眠的調(diào)度時(shí)間表，使用相同時(shí)間表，即在相同時(shí)間睡眠和喚醒的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成虛擬簇(不同于層次化路由協(xié)議中的簇概念)，所有節(jié)點(diǎn)都可以和它簇以外的節(jié)點(diǎn)自由通信。S-MAC協(xié)議中同步分組的結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)同步分組周期性地交換它們的調(diào)度時(shí)間表，同步分組包括發(fā)送節(jié)點(diǎn)的身份信息和下一次切換到睡眠狀態(tài)的時(shí)間，接收到該同步分組的每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)都知道該節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間，根據(jù)這一信息可決定給該節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間。S-MAC為協(xié)議構(gòu)造虛擬簇。如果節(jié)點(diǎn)在選擇它自己的調(diào)度時(shí)間表之前，接收到了來(lái)自鄰節(jié)點(diǎn)的調(diào)度時(shí)間表，它就遵循這個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的調(diào)度時(shí)間表，即成為跟隨節(jié)點(diǎn)。此外，跟隨節(jié)點(diǎn)等待隨機(jī)時(shí)延后廣播這個(gè)時(shí)間表。S-MAC協(xié)議并不按照單一的調(diào)度時(shí)間表同步整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而是采用相鄰節(jié)點(diǎn)之間互相同步的機(jī)制。因此，一個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇它自己的調(diào)度時(shí)間表之后可能又會(huì)收到鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度時(shí)間表，在這種情況下，該節(jié)點(diǎn)被稱為邊界節(jié)點(diǎn)(Border)，。邊界節(jié)點(diǎn)遵循兩個(gè)調(diào)度時(shí)間表并且在兩個(gè)調(diào)度時(shí)間表的偵聽(tīng)階段都會(huì)被喚醒。然而，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都試圖在選擇一個(gè)獨(dú)立的調(diào)度時(shí)間表之前遵循現(xiàn)有的調(diào)度時(shí)間表，因此一個(gè)節(jié)點(diǎn)遵循多個(gè)時(shí)間調(diào)度表的情況是很少的。2．串音避免調(diào)度時(shí)間表一旦建立，在偵聽(tīng)時(shí)段的“數(shù)據(jù)時(shí)隙”執(zhí)行數(shù)據(jù)分組傳輸，同樣使用CSMA/CA機(jī)制，即在數(shù)據(jù)時(shí)隙期間，有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)使用RTS-CTS機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)無(wú)線傳輸媒體。RTS-CTS交換后，傳輸節(jié)點(diǎn)開(kāi)始傳輸分組，虛擬簇中的其他節(jié)點(diǎn)切換到睡眠狀態(tài)等待該周期結(jié)束。這種機(jī)制避免了空閑偵聽(tīng)期間的能量消耗，稱為串音避免。3．多跳感知S-MAC協(xié)議的主要缺點(diǎn)是它僅僅控制網(wǎng)絡(luò)中局部節(jié)點(diǎn)間的交互，也就是維護(hù)單跳操作。CSMA/CA協(xié)議是S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)，然而該協(xié)議是為單跳無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)的，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳本質(zhì)，要求對(duì)CSMA/CA協(xié)議做改進(jìn)。然而，傳統(tǒng)的層次化體系結(jié)構(gòu)中在網(wǎng)絡(luò)層處理多跳通信，稱無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層處理多跳通信任務(wù)的技術(shù)為多跳感知。S-MAC協(xié)議的多跳感知問(wèn)題如圖所示，節(jié)點(diǎn)A試圖通過(guò)節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)分組。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A試圖將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給節(jié)點(diǎn)B時(shí)，需要先進(jìn)行載波偵聽(tīng)。如果節(jié)點(diǎn)A給節(jié)點(diǎn)B成功發(fā)送數(shù)據(jù)分組，那么節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的鄰居節(jié)點(diǎn)C、節(jié)點(diǎn)H和節(jié)點(diǎn)E就會(huì)偵聽(tīng)到此次傳輸并切換到睡眠狀態(tài)。然而，在S-MAC協(xié)議中，RTS/CTS分組交換是在所有節(jié)點(diǎn)都被喚醒時(shí)執(zhí)行的，在此期間沒(méi)有收到自己想要的數(shù)據(jù)分組的節(jié)點(diǎn)就會(huì)切換到睡眠狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)B成功接收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)分組后，嘗試查找到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的中繼節(jié)點(diǎn)C。然而，由于節(jié)點(diǎn)C處于睡眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)B不得不等待喚醒節(jié)點(diǎn)C并讓節(jié)點(diǎn)C接收RTS分組的后續(xù)偵聽(tīng)時(shí)隙的到來(lái)。因此，在單幀期間，數(shù)據(jù)分組僅能傳輸單跳的距離，這導(dǎo)致平均時(shí)延和路徑長(zhǎng)度成正比，從而嚴(yán)重影響多跳網(wǎng)絡(luò)的分組傳輸時(shí)延。多跳感知的理想解決方案需要很多前提：首先，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須保持時(shí)鐘同步，這樣才能保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能在精確的時(shí)間點(diǎn)被喚醒；其次，需提前獲取數(shù)據(jù)分組的傳輸路徑。4．自適應(yīng)偵聽(tīng)為了解決多跳感知問(wèn)題，S-MAC協(xié)議采取了一種自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制。自適應(yīng)偵聽(tīng)沒(méi)有假定關(guān)于路由的知識(shí)，也沒(méi)有嘗試調(diào)度發(fā)送分組路由上的所有節(jié)點(diǎn)，而是提供了一種盡力而為的解決方案，自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制允許節(jié)點(diǎn)在即將成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)南绿?jié)點(diǎn)并且在該傳輸結(jié)束時(shí)喚醒節(jié)點(diǎn)，然后偵聽(tīng)分組傳輸。圖為S-MAC協(xié)議自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制。節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)RTS分組。節(jié)點(diǎn)C偵聽(tīng)到了此次傳輸，則節(jié)點(diǎn)C將在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中切換到睡眠狀態(tài)以節(jié)約能量。節(jié)點(diǎn)C將通過(guò)RTS和CTS分組中的持續(xù)時(shí)間字段得知數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間，為此，節(jié)點(diǎn)C設(shè)置了一個(gè)定時(shí)器，這樣，節(jié)點(diǎn)C會(huì)在節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B傳輸數(shù)據(jù)分組結(jié)束時(shí)被喚醒，這就使得節(jié)點(diǎn)B能夠通過(guò)立即發(fā)送RTS分組找到下跳節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)C處于喚醒狀態(tài)，可以以CTS分組作響應(yīng)并且能在一幀內(nèi)把分組再向前傳輸一跳。5．消息傳遞在某些應(yīng)用中，為了傳輸生成的大量信息，傳感器節(jié)點(diǎn)可能需要發(fā)送突發(fā)性的分組。這些應(yīng)用中如果使用默認(rèn)的S-MAC協(xié)議可能會(huì)導(dǎo)致大量的偵聽(tīng)周期，偵聽(tīng)的主要原因是每個(gè)數(shù)據(jù)分組傳輸前的RTS-CTS分組的傳輸。圖中包括發(fā)送節(jié)點(diǎn)A和接收節(jié)點(diǎn)B，而且，節(jié)點(diǎn)C是節(jié)點(diǎn)B的鄰居節(jié)點(diǎn)，它偵聽(tīng)不到節(jié)點(diǎn)A的傳輸。節(jié)點(diǎn)A通過(guò)廣播RTS分組啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，節(jié)點(diǎn)B以CTS分組作響應(yīng)。如果節(jié)點(diǎn)C在傳輸過(guò)程中被喚醒，它就接收來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的確認(rèn)分組ACK并獲得傳輸持續(xù)時(shí)間。此后，它將一直保持睡眠狀態(tài)直到傳輸結(jié)束，這樣就可以防止長(zhǎng)數(shù)據(jù)分組在傳輸過(guò)程中的沖突問(wèn)題。與CSMA/CA協(xié)議相比，S-MAC協(xié)議采用占空比機(jī)制降低了能量消耗。S-MAC協(xié)議通過(guò)采用避免串音和有效的長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此外，S-MAC協(xié)議的同步機(jī)制導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)中虛擬簇的形成，因此，在沒(méi)有明確的分簇機(jī)制的前提下，為路由目的設(shè)計(jì)的基于簇的協(xié)議可以方便地和S-MAC協(xié)議結(jié)合。S-MAC協(xié)議設(shè)計(jì)假定了周期性流量網(wǎng)絡(luò)，但是，因?yàn)樗哒{(diào)度周期是固定長(zhǎng)度的，S-MAC協(xié)議的固定占空比模式不能為突發(fā)流量提供靈活性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量較低時(shí)，為了在沒(méi)有發(fā)送任何分組的條件下接收同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送的同步分組SYNC，每個(gè)節(jié)點(diǎn)不得不在每幀開(kāi)始時(shí)被喚醒。因此，由于占空比機(jī)制的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致S-MAC協(xié)議將消耗大量固定的能量。而且，如果網(wǎng)絡(luò)流量由于某事件驟增，偵聽(tīng)間隔可能不足以適應(yīng)這種增加的流量，這將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)不得不等待幾幀來(lái)傳輸其數(shù)據(jù)分組而增加通信時(shí)延。6.2.2B-MAC協(xié)議為了提供一種簡(jiǎn)單的并且由高層協(xié)議可重構(gòu)的核心數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，設(shè)計(jì)了B-MAC協(xié)議。為此目的，B-MAC協(xié)議給更高層提供了基本的CSMA機(jī)制，而且，在沒(méi)有任何RTS-CTS消息交換的條件下，提供了一種可選的鏈路層ACK機(jī)制。B-MAC協(xié)議基于以下兩種機(jī)制：使用低功耗偵聽(tīng)LPL(Low-PowerListening)的睡眠-喚醒調(diào)度機(jī)制和使用CCA(ClearChannelAssessment)的載波偵聽(tīng)機(jī)制，這兩種機(jī)制提高了節(jié)能效率和信道利用率。而且，一些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了B-MAC協(xié)議并且給網(wǎng)絡(luò)高層服務(wù)提供了簡(jiǎn)單接口以利于配置基本的媒體訪問(wèn)控制操作，這種方法允許跨層方案的快速設(shè)計(jì)，跨層方案要求媒體訪問(wèn)控制協(xié)議的基本功能。通過(guò)這種方法提供的接口，高層協(xié)議能夠在CCA和ACK服務(wù)間切換，能夠在每個(gè)分組上設(shè)置退避參數(shù)，還能夠有效地改變發(fā)送和接收的LPL模式，下面介紹B-MAC協(xié)議的LPL和CCA功能。1．LPL機(jī)制通過(guò)取消對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度要求，能夠解決S-MAC協(xié)議固定的占空比操作缺點(diǎn)，從而使網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)不需要同時(shí)喚醒和睡眠；相反，在沒(méi)有與其他節(jié)點(diǎn)交換任何同步消息的情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠確定自己的睡眠和喚醒調(diào)度周期。然而，這要求當(dāng)節(jié)點(diǎn)有要發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送者需和期望的目的節(jié)點(diǎn)建立同步。LPL的主要思想是：為了使目的節(jié)點(diǎn)上與固定占空比協(xié)議相關(guān)的“偵聽(tīng)代價(jià)”最小，要求在每個(gè)分組前發(fā)送一個(gè)前導(dǎo)碼(PREAMBLE)以喚醒期望的目的節(jié)點(diǎn)。從而，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性喚醒、關(guān)閉收發(fā)設(shè)備并且檢查信道活動(dòng)情況。LPL的運(yùn)行機(jī)制如圖，圖中有三個(gè)節(jié)點(diǎn)：發(fā)送節(jié)點(diǎn)A、接收節(jié)點(diǎn)B和鄰居節(jié)點(diǎn)C。該機(jī)制中，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)確定它的睡眠調(diào)度周期，睡眠調(diào)度周期幀長(zhǎng)度為TP，在每個(gè)TP周期，短時(shí)間喚醒節(jié)點(diǎn)檢測(cè)信道活動(dòng)情況，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間與其他節(jié)點(diǎn)不同步，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A有分組給節(jié)點(diǎn)B發(fā)送時(shí)，它首先發(fā)送長(zhǎng)度為TP的前導(dǎo)碼喚醒該節(jié)點(diǎn)。要注意的是，TP的長(zhǎng)度是喚醒任意節(jié)點(diǎn)的前導(dǎo)碼的長(zhǎng)度。當(dāng)喚醒節(jié)點(diǎn)B時(shí)，它偵聽(tīng)信道直到前導(dǎo)碼傳輸結(jié)束，它判斷分組的目的節(jié)點(diǎn)是否是它本身，并且不會(huì)切換到睡眠狀態(tài)以便等待后續(xù)的分組。節(jié)點(diǎn)A隨后發(fā)送數(shù)據(jù)分組，并且如果傳輸成功節(jié)點(diǎn)B以ACK分組作響應(yīng)。在前導(dǎo)碼傳輸期間，節(jié)點(diǎn)C也被喚醒，然而，因?yàn)樗皇欠纸M的目的接收者，將它切換回睡眠狀態(tài)以避免消耗更多的能量。LPL機(jī)制取消了S-MAC協(xié)議中建立虛擬簇發(fā)送周期性SYNC消息的必要性，然而，這種消除是以在每個(gè)數(shù)據(jù)分組前發(fā)送一個(gè)長(zhǎng)前導(dǎo)碼為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的，與基于睡眠-喚醒調(diào)度的協(xié)議相比，這種機(jī)制每個(gè)分組傳輸消耗的能量可能更高。然而，在沒(méi)有通信流量的情況下，這種機(jī)制肯定更節(jié)能。2．CCA機(jī)制通常，LPL技術(shù)的成功依賴于偵聽(tīng)信道上活動(dòng)的精確性。每個(gè)節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)信道，如果沒(méi)有檢測(cè)到前導(dǎo)碼傳輸?shù)娜魏位顒?dòng)，節(jié)點(diǎn)切換到睡眠狀態(tài)。一方面，如果節(jié)點(diǎn)判斷信道上存在活動(dòng)和沒(méi)有活動(dòng)而被喚醒時(shí)，則浪費(fèi)了寶貴的能量；另一方面，如果節(jié)點(diǎn)沒(méi)有檢測(cè)到目的節(jié)點(diǎn)是它自己的前導(dǎo)碼，發(fā)送者可能由于發(fā)送前導(dǎo)碼而浪費(fèi)能量，并且為了找到接收者必須等待另一個(gè)前導(dǎo)抽樣周期，這樣就會(huì)增加端到端的時(shí)延。

6.3基于預(yù)約的MAC協(xié)議

TRAMA協(xié)議是一種節(jié)能的并且免受沖突影響的MAC協(xié)議，該協(xié)議基于時(shí)隙結(jié)構(gòu)，并且使用了一種基于每個(gè)節(jié)點(diǎn)流量需求的分布式選擇方案，這樣，節(jié)點(diǎn)可能使用的時(shí)隙是確定的，從而避免了與其他節(jié)點(diǎn)的任何沖突。TRAMA協(xié)議是一種基于調(diào)度的(schedule-based)MAC協(xié)議，時(shí)隙的預(yù)約不需要中央實(shí)體，相反，為了分配通信實(shí)體傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)隙，要求相鄰節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)兩兩通信。TRAMA由鄰居發(fā)現(xiàn)、流量信息交換、調(diào)度建立和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?個(gè)主要階段組成。TRAMA協(xié)議的超幀結(jié)構(gòu)由預(yù)約周期信令時(shí)隙和數(shù)據(jù)周期傳輸時(shí)隙組成。TRAMA協(xié)議操作由三種機(jī)制構(gòu)成：鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議(NP)、調(diào)度信息交換協(xié)議(SEP)和自適應(yīng)選擇算法(AEA)。(1)鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用NP協(xié)議獲得關(guān)于它的每個(gè)兩跳鄰居信息；(2)調(diào)度信息交換協(xié)議，使用預(yù)約周期的信令時(shí)隙，SEP協(xié)議收集每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量信息；(3)自適應(yīng)選擇算法，基于SEP協(xié)議采集的流量信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用AEA算法計(jì)算它自己的優(yōu)先權(quán)并決定要使用的時(shí)隙。如果節(jié)點(diǎn)沒(méi)有任何分組要發(fā)送或接收，在分配時(shí)隙它處于睡眠狀態(tài)。1．NP協(xié)議TRAMA協(xié)議中的NP協(xié)議在相鄰節(jié)點(diǎn)間傳播一跳信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在信令時(shí)隙使用信令分組廣播它的鄰居信息來(lái)完成這一功能。為了保證信令分組小，信令分組僅給出了節(jié)點(diǎn)具有的一跳鄰居列表并且攜帶變化的鄰節(jié)更新信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送它的一跳鄰居的更新信息作為增加和刪除的鄰居節(jié)點(diǎn)的集合。如果沒(méi)有更新信息，仍發(fā)送信令分組作為表示節(jié)點(diǎn)“保持活動(dòng)狀態(tài)”的信標(biāo)幀。信令分組通知每個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)于它的兩跳鄰居信息，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)在某個(gè)確定時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有監(jiān)聽(tīng)到某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的消息，那么關(guān)于該鄰居節(jié)點(diǎn)的鄰居信息會(huì)被刪除。2．SEP協(xié)議使用NP協(xié)議收集的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，節(jié)點(diǎn)根據(jù)它所擁有的分組個(gè)數(shù)確定它期望的調(diào)度表。通過(guò)SEP協(xié)議將該調(diào)度表發(fā)送給鄰居節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)基于分組生成的速率計(jì)算調(diào)度間隔SCHEDULE_INTERVAL(SCHED)，SCHED表示根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)節(jié)點(diǎn)能夠向鄰居節(jié)點(diǎn)聲明的調(diào)度的時(shí)隙個(gè)數(shù)。3．AEA算法發(fā)送和接收數(shù)據(jù)分組的時(shí)隙的選擇通過(guò)TRAMA協(xié)議的分布式算法AEA確定，根據(jù)SEP協(xié)議從鄰居節(jié)點(diǎn)獲得的調(diào)度信息，AEA算法確定每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙上應(yīng)處于什么狀態(tài)：發(fā)送(TX)、接收(RX)或者休眠(SL)。TRAMA協(xié)議不需要關(guān)于時(shí)隙分配的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度的完整信息，而僅僅利用了時(shí)隙分配的局部信息交換。因此，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅根據(jù)有限的鄰居節(jié)點(diǎn)信息選擇它的時(shí)隙，可能會(huì)出現(xiàn)沖突，可以通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)各自的鄰居節(jié)點(diǎn)中每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的相對(duì)優(yōu)先級(jí)解決這種可能的沖突。

6.4混合MAC協(xié)議

通過(guò)合并隨機(jī)接入機(jī)制和基于預(yù)約的時(shí)分復(fù)用機(jī)制，混合MAC協(xié)議的目標(biāo)就是在信道分配中引入折中的方法。由于改進(jìn)了信道的組織方法并且自適應(yīng)動(dòng)態(tài)流量負(fù)荷，混合MAC協(xié)議就沖突預(yù)防和節(jié)能而言改進(jìn)了性能，下面介紹一種經(jīng)典的混合MAC協(xié)議：Z-MAC協(xié)議。為了提供基于競(jìng)爭(zhēng)程度的自適應(yīng)操作機(jī)制，Z-MAC協(xié)議結(jié)合了混合MAC方案中每種機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，其通信結(jié)構(gòu)仍然依賴類似于基于TDMA方案的時(shí)隙，把每個(gè)時(shí)隙暫時(shí)分配給節(jié)點(diǎn)。然而，與基于TDMA的方案不同的是，如果時(shí)隙的擁有者不使用該時(shí)隙，那么其他節(jié)點(diǎn)可以競(jìng)爭(zhēng)這些時(shí)隙。因此，當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)程度較低時(shí)，Z-MAC協(xié)議行為類似于CSMA協(xié)議，當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)程度較高時(shí)，Z-MAC協(xié)議行為類似于TDMA協(xié)議。與許多基于預(yù)約的協(xié)議類似，Z-MAC協(xié)議由建立階段和通信階段組成。建立階段由四個(gè)主要組件組成：鄰居發(fā)現(xiàn)、時(shí)隙分配、局部幀交換、全局時(shí)鐘同步。1．鄰居發(fā)現(xiàn)為了收集兩跳鄰居信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要執(zhí)行一次鄰居發(fā)現(xiàn)過(guò)程。在這個(gè)階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)給它的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播單跳鄰居信息，多次消息交換后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得了兩跳鄰居信息。由于隱藏終端問(wèn)題，無(wú)線信道中的沖突影響每個(gè)節(jié)點(diǎn)的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)的信息收集。2．時(shí)隙分配在Z-MAC協(xié)議中，DRAND協(xié)議[6]