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为什么说MAC协议是保证网络高效通信的关键协议之一

WSN的数据链路层和网络层都有反映自身特点的协议。在WSN中,数据链路层用于构建底层的基础网络结构,控制无线信道的合理使用,确保点到点或点到多点的可靠连接;网络层则负责路由的查找和数据包的传送。

MAC协议

多址接入技术的一个核心问题是:对于一个共享信道,当信道的使用产生竞争时,如何采取有效的协调机制或服务准则来分配信道的使用权,这就是媒体访问控制(medium access control,MAC)技术。

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无人驾驶的飞行器飞机在飞行中

MAC协议处于数据链路层,是无线传感器网络协议的底层部分,主要用于为数据的传输建立连接,以及在各节点之间合理有效地共享通信资源。MAC协议对无线传感器网络的性能有较大的影响,是保证网络高效通信的关键协议之一。

(1)MAC协议的设计原则。根据WSN的特点,MAC协议需要考虑很多方面的因素,包括节省能源、可扩展性、网络的公平性、实时性、网络的吞吐量、带宽的利用率,以及上述因素的平衡问题等,其中节省能源成为最主要的考虑因素。这些考虑因素与传统网络的MAC协议不同,当前主流的无线网络技术,如蜂窝电话网络、Ad hoc、蓝牙技术等,它们各自的MAC协议都不适合WSN。WSN的MAC协议主要设计原则如下。

1)节省能量。每个传感器节点都由电池供电,受环境和其他条件的限制,节点的电池能量通常难以进行补充。MAC协议直接控制节点的节能问题,即让传感器节点尽可能地处于休眠状态,以减少能耗。

2)可扩展性。WSN中的节点在数目、分布密度、分布位置等方面很容易发生变化,或者由于节点能量耗尽,新节点的加入也能引起网络拓扑结构的变化。因此MAC协议应具有可扩展性,以适应拓扑结构的动态性。

(2)MAC协议的分类

目前针对不同的传感器网络,研究人员从不同的方面提出了多种MAC协议,但目前对WSN的MAC协议还缺乏一个统一的分类方式。这里根据节点访问信道的方式,将WSN的MAC协议分为以下3类。

1)基于竞争的MAC协议。多数分布式MAC协议采用载波侦听或冲突避免机制,并采用附加的信令控制消息来处理隐情和暴露节点的问题。基于竞争随机访问的MAC协议是节点需要发送数据时,通过竞争的方式使用无线信道。

IEEE802.11MAC协议采用带冲突避免的载波侦听多路访问(carrier sensor multiple ccess with collision avoidance,CSMA/CA),是典型的基于竞争的MAC协议。在IEEE802.11MAC协议的基础上,研究人员提出了多种用于传感器网络的基于竞争的MAC协议,例如S-MAC协议、T-MAC协议、ARC-MAC协议、Sift-MAC协议、Wise-MAC协议等。

2)基于调度算法的MAC协议。为了解决竞争的MAC协议带来的冲突,研究人员提出了基于调度算法的MAC协议。该类协议指出,在传感器节点发送数据前,根据某种调度算法把信道事先划分。这样,多个传感器节点就可以同时、没有冲突地在无线信道中发送数据,这也解决了隐藏终端的问题。

在这类协议中,主要的调度算法是时分复用TDMA。时分复用TDMA是实现信道分配的简单成熟的机制,即将时间分成多个时隙,几个时隙组成一个帧,在每一帧中分配给传感器节点至少一个时隙来发送数据。这类协议的典型代表有DMAC协议、SMACS协议、DE-MAC协议、EMACS协议等。

3)非碰撞的MAC协议。以数据为中心的WSN的一个重要评价标准就是实时性。基于调度算法的MAC协议由于无法完全避免冲突,网络中端到端的延时无法预测,因而无法保证实时性。非碰撞的MAC协议由于在理论上完全避免了碰撞的产生,从而可以保证实时性。

非碰撞的MAC协议通过消除碰撞来节能。好的非碰撞协议能够潜在地提高吞吐量,减少时延。非碰撞的协议主要有TRAMA和IP-MAC等。

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作者: 时间:2018-10-17 阅读:1061 分享到: