2.3 數(shù)據(jù)鏈路層

在通信網(wǎng)絡(luò)中，通信的對(duì)等實(shí)體之間的數(shù)據(jù)傳輸通道稱為數(shù)據(jù)鏈路（Data Link），它包含了物理鏈路和必要的傳輸控制規(guī)范。由于無(wú)線信道的特點(diǎn)，使得無(wú)線鏈路不像有線鏈路那樣穩(wěn)定，無(wú)線信道常常存在電磁干擾等諸多不穩(wěn)定因素，使無(wú)線物理信道的通信質(zhì)量難以保證。數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議最主要的功能是通過(guò)該層協(xié)議的作用，在一條不太可靠的通信鏈路上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議是在物理層之上，加上必要的規(guī)程來(lái)控制節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)塊或數(shù)據(jù)幀的可靠傳輸。數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議主要包含MAC層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer，DLL）協(xié)議。

2.3.1 MAC概述

MAC層位于物理層之上，負(fù)責(zé)把物理層的“0”“1”比特流組建成幀，并通過(guò)幀尾部的錯(cuò)誤校驗(yàn)信息進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)；提供對(duì)共享介質(zhì)的訪問方法，包括以太網(wǎng)的帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CD）、令牌環(huán)（Token Ring）、光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）等。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MAC協(xié)議決定無(wú)線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線通信資源，用來(lái)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。MAC協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。

在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議時(shí)，需要著重考慮以下幾個(gè)方面。

（1）節(jié)省能量

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性，要求傳感器節(jié)點(diǎn)的價(jià)格低、功耗小，這必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲(chǔ)器容量比較小。因此，MAC協(xié)議必須利用好有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，完成諸多協(xié)同任務(wù)。

（2）可擴(kuò)展性

由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)分布密度等在傳感器網(wǎng)絡(luò)生存過(guò)程中不斷變化，節(jié)點(diǎn)位置也可能移動(dòng)，還存在新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)等問題，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)性，MAC協(xié)議應(yīng)具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（3）網(wǎng)絡(luò)效率

網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。

（4）算法復(fù)雜度

MAC協(xié)議要具備上述特點(diǎn)，眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成應(yīng)用任務(wù)，必然會(huì)增加算法的復(fù)雜度。由于傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力受限，MAC協(xié)議應(yīng)能根據(jù)應(yīng)用需要，在復(fù)雜度和上述性能之間取得折中。

（5）與其他層協(xié)議的協(xié)同

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性對(duì)各層協(xié)議都提出了一些共同的要求，如能量效率、可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)效率等，研究MAC協(xié)議與其他層協(xié)議的協(xié)同問題，通過(guò)跨層設(shè)計(jì)獲得系統(tǒng)整體的性能優(yōu)化。

MAC協(xié)議設(shè)計(jì)所面臨的問題如下。

（1）空閑監(jiān)聽

因?yàn)楣?jié)點(diǎn)不知道鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)何時(shí)到來(lái)，所以必須始終保持自己的射頻部分處于接收模式，形成空閑監(jiān)聽，這樣就造成了不必要的能量損耗。

（2）沖突（碰撞）

如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，并相互產(chǎn)生干擾，則它們的傳輸都將失敗，發(fā)送包被丟棄，此時(shí)用于發(fā)送這些數(shù)據(jù)包所消耗的能量就會(huì)被浪費(fèi)掉。

（3）控制開銷

為了保證可靠傳輸，協(xié)議將使用一些控制分組。

（4）串?dāng)_（串音）

由于無(wú)線信道為共享介質(zhì)，因此節(jié)點(diǎn)也可能會(huì)接收到不是到達(dá)自己的數(shù)據(jù)包，然后再將其丟棄，此時(shí)，也會(huì)造成能量的耗費(fèi)。

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，不同的應(yīng)用側(cè)重于不同的網(wǎng)絡(luò)性能，因此映射到MAC協(xié)議上就會(huì)有不同的設(shè)計(jì)偏重。根據(jù)當(dāng)前主流的分類方式，可將MAC層協(xié)議分為基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議、基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議和其他類型的MAC協(xié)議。

2.3.2 基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議

基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議訪問無(wú)線信道的方式是按需隨機(jī)訪問信道，其基本思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式使用信道，若競(jìng)爭(zhēng)成功則開始發(fā)送數(shù)據(jù)，若產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，就按照一定的重發(fā)策略開始數(shù)據(jù)重發(fā)流程。

基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）由于是根據(jù)需要分配信道，所以這種協(xié)議能較好地滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化。

2）能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?/p>

3）不需要復(fù)雜的時(shí)間同步或集中控制調(diào)度算法。

典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議有ALOHA協(xié)議、CSMA/CD協(xié)議、IEEE 802.11 MAC協(xié)議。

1.ALOHA協(xié)議

ALOHA協(xié)議是隨機(jī)訪問或者競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送協(xié)議。隨機(jī)訪問意味著無(wú)法預(yù)計(jì)其發(fā)送的時(shí)刻；競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送是指所有發(fā)送都可以自由競(jìng)爭(zhēng)信道的使用權(quán)。ALOHA協(xié)議或稱ALOHA技術(shù)、ALOHA網(wǎng)，是世界上最早的無(wú)線電計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)，它是1968年美國(guó)夏威夷大學(xué)的一項(xiàng)研究計(jì)劃的名字，由該校Norman Amramson等人為他們的地面無(wú)線分組網(wǎng)而設(shè)計(jì)。

ALOHA協(xié)議的思想很簡(jiǎn)單，只要用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送，就盡管讓他們發(fā)送。當(dāng)然，這樣會(huì)產(chǎn)生沖突從而造成幀的破壞，但由于廣播信道具有反饋性，因此發(fā)送方可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中進(jìn)行沖突檢測(cè)，將接收到的數(shù)據(jù)與緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以知道數(shù)據(jù)幀是否遭到破壞。同樣的道理，其他用戶也是按照此過(guò)程工作，如果發(fā)送方知道數(shù)據(jù)幀遭到破壞（即檢測(cè)到?jīng)_突），那么它可以等待一段隨機(jī)長(zhǎng)的時(shí)間后重發(fā)該幀。

由于在有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)并不首先進(jìn)行監(jiān)聽工作，因此ALOHA協(xié)議具有比較短的信道接入時(shí)延和傳輸時(shí)延，在網(wǎng)絡(luò)低負(fù)載的情況下，該協(xié)議具有較好的實(shí)時(shí)性；然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)沖突次數(shù)也會(huì)隨之增多，反過(guò)來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐率，增加數(shù)據(jù)的傳輸延遲。

2.CSMA/CD協(xié)議

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問）是IEEE 802.3使用的一種介質(zhì)訪問控制方法。

基本原理是：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都共享網(wǎng)絡(luò)傳輸信道，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，會(huì)檢測(cè)信道是否空閑，如果空閑則發(fā)送，否則就等待；在發(fā)出信息后，對(duì)沖突進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)沖突時(shí)，取消發(fā)送。

沖突檢測(cè)的方法很多，通常以硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)。一種方法是比較接收到的信號(hào)的電壓大小，只要接收到的信號(hào)的電壓擺動(dòng)值超過(guò)某一閾值，就認(rèn)為發(fā)生了沖突；另一種方法是在發(fā)送幀的同時(shí)進(jìn)行接收，將收到的信號(hào)逐比特地與發(fā)送的信號(hào)相比較，如果有不符合的，就說(shuō)明出現(xiàn)了沖突。

CSMA/CD是對(duì)傳統(tǒng)CSMA算法的進(jìn)一步完善，因其增加了沖突檢測(cè)機(jī)制，檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)可以停止無(wú)意義的數(shù)據(jù)發(fā)送，因而減少了信道帶寬的浪費(fèi)。

3.IEEE 802.11 MAC協(xié)議

IEEE 802.11 MAC協(xié)議有分布式協(xié)調(diào)功能（Distributed Coordination Function，DCF）和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（Point Coordination Function，PCF）兩種訪問控制方式，其中DCF方式是IEEE 802.11 MAC協(xié)議的基本訪問控制方式。由于在無(wú)線信道中難以檢測(cè)到信號(hào)的碰撞，因而只能采用隨機(jī)退避的方式來(lái)減小數(shù)據(jù)碰撞的概率。在DCF工作方式下，節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到無(wú)線信道忙后，采用CSMA/CA機(jī)制和隨機(jī)退避機(jī)制，實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道的共享。另外，所有定向通信都采用立即主動(dòng)確認(rèn)（ACK）機(jī)制，如果沒有收到ACK幀，則發(fā)送方會(huì)重傳數(shù)據(jù)。而PCF工作方式是基于優(yōu)先級(jí)的無(wú)競(jìng)爭(zhēng)訪問，是一種可選的控制方式，它通過(guò)訪問接入點(diǎn)（Access Point，AP）協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)，通過(guò)輪詢方式查詢當(dāng)前哪些節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送的請(qǐng)求，并在必要時(shí)給予數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)。

IEEE 802.11 MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本的幀間間隔（Inter-Frame Spacing，IFS），用來(lái)區(qū)分無(wú)線信道的優(yōu)先級(jí)。三種幀間間隔如下。

1）SIFS（Short IFS）：最短幀間間隔。使用SIFS的幀優(yōu)先級(jí)最高，用于需要立即響應(yīng)的服務(wù)，如ACK幀、CTS幀和控制幀等。

2）PIFS（PCF IFS）：PCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔，用以獲得在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)訪問周期啟動(dòng)時(shí)訪問信道的優(yōu)先權(quán)。

3）DIFS（DCF IFS）：DCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔，用以發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。

上述各幀間間隔的關(guān)系：DIFS>PIFS>SIFS。

根據(jù)CSMA/CA協(xié)議，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要傳輸一個(gè)分組時(shí)，它首先監(jiān)聽信道狀態(tài)，如果信道空閑，而且經(jīng)過(guò)一個(gè)幀間間隔DIFS后，信道仍然空閑，則立即開始發(fā)送信息；如果信道忙，則一直監(jiān)聽直到信道的空閑時(shí)間超過(guò)DIFS；當(dāng)信道最終空閑下來(lái)時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步使用二進(jìn)制退避算法（Binary Back off Algorithm），進(jìn)入退避狀態(tài)來(lái)避免發(fā)生沖突。

隨機(jī)退避時(shí)間按下面的公式計(jì)算：

退避時(shí)間=Random()×aSlottime

式中，Random（）是競(jìng)爭(zhēng)窗［0,CW］內(nèi)平均分布的偽隨機(jī)整數(shù)；CW是整數(shù)隨機(jī)數(shù)，其值處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的aCWmax和aCWmin之間；aSlottime是一個(gè)時(shí)隙時(shí)間，包括發(fā)射啟動(dòng)時(shí)間、介質(zhì)傳播時(shí)延和檢測(cè)信道的響應(yīng)時(shí)間等。

節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入退避狀態(tài)時(shí)，會(huì)啟動(dòng)一個(gè)退避計(jì)時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到退避時(shí)間后，結(jié)束退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，只有當(dāng)檢測(cè)到信道空閑時(shí)才進(jìn)行計(jì)時(shí)；如果信道忙，退避計(jì)時(shí)器中止計(jì)時(shí)，直到檢測(cè)到信道空閑時(shí)間大于DIFS后才繼續(xù)計(jì)時(shí)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)推遲且進(jìn)入隨機(jī)退避時(shí)，利用隨機(jī)函數(shù)選擇最小退避時(shí)間的節(jié)點(diǎn)作為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勝者。

IEEE 802.11 MAC協(xié)議中通過(guò)立即主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制和預(yù)留機(jī)制來(lái)提高性能。在主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制中，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)發(fā)給它的有效數(shù)據(jù)幀時(shí)，必須向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀ACK，確認(rèn)數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送ACK過(guò)程中不與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用SIFS幀間隔。主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制只能用于有明確目標(biāo)地址的幀，不能用于組播報(bào)文和廣播報(bào)文的傳輸。為減少節(jié)點(diǎn)間使用共享無(wú)線信道的沖突概率，預(yù)留機(jī)制要求源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前交換簡(jiǎn)短的控制幀，即發(fā)送請(qǐng)求幀RTS和清除幀CTS。從RTS（或CTS）幀開始到ACK幀結(jié)束的這段時(shí)間，信道將一直被這次數(shù)據(jù)交換過(guò)程占用；RTS幀和CTS幀中包含有關(guān)這段時(shí)間長(zhǎng)度的信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)定時(shí)器，記錄網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV，指示信道被占用的剩余時(shí)間，一旦收到RTS幀或CTS幀，所有節(jié)點(diǎn)都必須更新它們的NAV值，只有在NAV減到零時(shí)，節(jié)點(diǎn)才可以發(fā)送信息。通過(guò)此種方式，RTS幀和CTS幀為節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸預(yù)留了無(wú)線信道。

2.3.3 基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議

時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiple Access，TDMA）是實(shí)現(xiàn)信道分配的簡(jiǎn)單成熟的機(jī)制，藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)采用了基于TDMA的MAC協(xié)議。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用TDMA機(jī)制，就是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)隙，而節(jié)點(diǎn)在其他空閑時(shí)隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。

TDMA機(jī)制的一些特點(diǎn)非常適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的要求：TDMA機(jī)制沒有競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的碰撞重傳問題；數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不需要過(guò)多的控制信息；節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)隙能夠及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。TDMA機(jī)制需要節(jié)點(diǎn)之間達(dá)到比較嚴(yán)格的時(shí)間同步，時(shí)間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要求，多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)都使用了監(jiān)聽/睡眠的能量喚醒機(jī)制，利用時(shí)間同步來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；節(jié)點(diǎn)之間為了完成任務(wù)需要協(xié)同工作，這同樣不可避免地需要時(shí)間同步。TDMA在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性方面存在不足：很難調(diào)整時(shí)間幀的長(zhǎng)度和時(shí)隙的分配；對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、失效等動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較差；對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量的變化也不敏感。

2.3.4 其他類型的MAC協(xié)議

基于TDMA的MAC協(xié)議雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差，需要節(jié)點(diǎn)間達(dá)到嚴(yán)格的時(shí)間同步，對(duì)于能量和計(jì)算能力都有限的傳感器節(jié)點(diǎn)而言實(shí)現(xiàn)比較困難。而通過(guò)FDMA或者CDMA與TDMA相結(jié)合的方法，為每對(duì)節(jié)點(diǎn)分配互不干擾的信道實(shí)現(xiàn)信息傳輸，可以避免共享信道的碰撞問題，增強(qiáng)了協(xié)議的擴(kuò)展性。

1.SMACS/EAR協(xié)議

Sohrabi等人提出的SMACS/EAR（Self-organizing MAC/Eavesdrop and Register）是具有監(jiān)聽/注冊(cè)能力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織MAC協(xié)議，是結(jié)合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的分布式MAC協(xié)議，用于建立對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。SMACS協(xié)議主要用于靜止的節(jié)點(diǎn)之間建立連接，而對(duì)于靜止節(jié)點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的通信，則需要通過(guò)EAR協(xié)議進(jìn)行管理。基本思想是，為每一對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)特有頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不同節(jié)點(diǎn)對(duì)間的頻率互不干擾，從而避免同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之間產(chǎn)生碰撞。

SMACS協(xié)議假設(shè)節(jié)點(diǎn)靜止，節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)時(shí)廣播一個(gè)“邀請(qǐng)”消息，通知附近節(jié)點(diǎn)與本節(jié)點(diǎn)建立連接，接收到“邀請(qǐng)”消息的鄰居節(jié)點(diǎn)與發(fā)出“邀請(qǐng)”消息的節(jié)點(diǎn)交換信息，在兩者之間分配一對(duì)時(shí)隙，供兩者以后通信。EAR協(xié)議用于少量運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)與靜止節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽固定節(jié)點(diǎn)發(fā)出的“邀請(qǐng)”消息，根據(jù)消息的信號(hào)強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)ID號(hào)等信息決定是否建立連接，如果運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為需要建立連接，則與對(duì)方交換信息，分配一對(duì)時(shí)隙和通信頻率。

SMACS/EAR不需要所有節(jié)點(diǎn)的幀同步，可以避免復(fù)雜的高能耗同步操作，但不能完全避免碰撞，多個(gè)節(jié)點(diǎn)在協(xié)商過(guò)程中，可能同時(shí)發(fā)出“邀請(qǐng)”消息或應(yīng)答消息，從而出現(xiàn)沖突。在可擴(kuò)展性方面，SMACS/EAR協(xié)議可以為變化慢的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供持續(xù)的服務(wù)，但并不適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較快的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于協(xié)議要求兩節(jié)點(diǎn)間使用不同的頻率通信，固定節(jié)點(diǎn)還需要為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)預(yù)留可以通信的頻率，因此網(wǎng)絡(luò)需要有充足的帶寬以保證每對(duì)節(jié)點(diǎn)間建立可能的連接。由于無(wú)法事先預(yù)計(jì)并且很難動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要建立的通信鏈路數(shù)，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率不高。

2.S-MAC協(xié)議

S-MAC（Sensor MAC）協(xié)議是Wei等人在IEEE 802.11協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性而提出的專用于節(jié)能的MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是減少能量消耗，提供良好的可擴(kuò)展性，主要采用以下三方面的措施來(lái)減少能耗。

（1）周期性監(jiān)聽和休眠

每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，周期長(zhǎng)度是固定的，節(jié)點(diǎn)的監(jiān)聽活動(dòng)時(shí)間也是固定的。節(jié)點(diǎn)蘇醒后進(jìn)行監(jiān)聽，判斷是否需要通信，為了便于通信，相鄰節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)該盡量維持調(diào)度周期同步，從而形成虛擬的同步簇；同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)一個(gè)調(diào)度表，保存所有相鄰節(jié)點(diǎn)的調(diào)度情況，在向相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)喚醒自己。每個(gè)節(jié)點(diǎn)定期廣播自己的調(diào)度，使新接入節(jié)點(diǎn)可以與已有的相鄰節(jié)點(diǎn)保持同步。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于兩個(gè)不同調(diào)度區(qū)域的重合部分，則會(huì)接收到兩種不同的調(diào)度，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該選擇先收到的調(diào)度周期。

（2）消息分割和突發(fā)傳輸

考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合和無(wú)線信道的易出錯(cuò)等特點(diǎn)，將一個(gè)長(zhǎng)消息分割成幾個(gè)短消息，利用RTS/CTS機(jī)制一次預(yù)約發(fā)送整個(gè)長(zhǎng)消息的時(shí)間，然后突發(fā)性地發(fā)送由長(zhǎng)消息分割的多個(gè)短消息。發(fā)送的每個(gè)短消息都需要一個(gè)應(yīng)答ACK，如果發(fā)送方對(duì)某一個(gè)短消息的應(yīng)答沒有收到，則立刻重傳該短消息。

（3）避免接收不必要消息

采用類似于IEEE 802.11的虛擬物理載波監(jiān)聽和RTS/CTS握手機(jī)制，使不收發(fā)信息的節(jié)點(diǎn)及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

S-MAC協(xié)議同IEEE 802.11相比，具有明顯的節(jié)能效果，但是由于睡眠方式的引入，節(jié)點(diǎn)不一定能及時(shí)傳遞數(shù)據(jù)，從而使網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延增加、吞吐量下降；而且S-MAC采用固定周期的監(jiān)聽/睡眠方式，不能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載的變化。針對(duì)S-MAC協(xié)議的不足，研究者又進(jìn)一步提出了自適應(yīng)睡眠的S-MAC協(xié)議。在保留消息傳遞、虛擬同步簇等方式的基礎(chǔ)上，引入自適應(yīng)睡眠機(jī)制：如果節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入睡眠之前，監(jiān)聽到鄰居節(jié)點(diǎn)的傳輸，則根據(jù)監(jiān)聽到的RTS或CTS消息，判斷此次傳輸所需要的時(shí)間；然后在相應(yīng)的時(shí)間后醒來(lái)一小段時(shí)間（稱為自適應(yīng)監(jiān)聽間隔），如果這時(shí)發(fā)現(xiàn)自己恰好是此次傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)，則鄰居節(jié)點(diǎn)的此次傳輸就可以立即進(jìn)行，而不必等待；如果節(jié)點(diǎn)在自適應(yīng)監(jiān)聽間隔時(shí)間內(nèi)，沒有監(jiān)聽到任何消息，即不是當(dāng)前傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)立即返回睡眠狀態(tài)，直到調(diào)度表中的監(jiān)聽時(shí)間到來(lái)。

自適應(yīng)睡眠的S-MAC在性能上優(yōu)于S-MAC，特別是在多跳網(wǎng)絡(luò)中，可以大大減小數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)延。S-MAC和自適應(yīng)睡眠的S-MAC協(xié)議的可擴(kuò)展性都較好，能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，缺點(diǎn)是協(xié)議的實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，需要占用節(jié)點(diǎn)大量的存儲(chǔ)空間，這對(duì)資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)，顯得尤為突出。

3.T-MAC協(xié)議

T-MAC（Timeout MAC）協(xié)議，實(shí)際上是S-MAC協(xié)議的一種改進(jìn)。S-MAC協(xié)議的周期長(zhǎng)度受限于延遲要求和緩存大小，而監(jiān)聽時(shí)間主要依賴于消息速率。因此，為了保證消息的可靠傳輸，節(jié)點(diǎn)的周期活動(dòng)時(shí)間必須適應(yīng)最高的通信負(fù)載，從而造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)空閑監(jiān)聽時(shí)間的相對(duì)增加。該協(xié)議在保持周期監(jiān)聽長(zhǎng)度不變的情況下，可以根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)時(shí)間，用突發(fā)方式發(fā)送消息，減少空閑監(jiān)聽時(shí)間。主要特點(diǎn)是引入了一個(gè)TA（Time Active）時(shí)隙，若TA時(shí)隙之間沒有任何事件發(fā)生，則活動(dòng)結(jié)束進(jìn)入睡眠狀態(tài)。