导言
无线传感器网络是由很多细小传感器节点经过无线多跳自组织办法构成的，多学科高度穿插的新式前沿研讨范畴。跟着传感器节点微型化，在规划中大部分节点的能量有限，加之无线传感器网络无中心、自组织、多跳等特色，使得MAC协议的规划面对巨大的应战。
媒体访问操控（MAC）协议的首要功用是操控传感器节点的报文传输对无线媒体的接入和占用，确保网络的全体功用。经过对现有体系的剖析可知，无线传感器网络节点中通讯部分的射频模块是节点中最大的耗能部件，是优化的首要方针。MAC协议直接操控射频模块，对节点功耗有重要影响，是确保无线传感器网络高效通讯的要害。
1 MAC地址
无线传感器网络中，假如MAC协议要防止侦听，并在尽可能多的时刻里处于休眠状况，那么MAC地址是非常重要的。MAC地址用于在数据转发进程中标识下一跳传感器节点。MAC地址包括在单播MAC分组数据包中，节点收到数据包后查看本节点路由表，承认下一跳MAC地址。这个进程延续到数据包抵达意图节点。一起，节点断定哪些数据分组没有抵达，数据未抵达的节点可以进入休眠形式。无线传感器网络一般选用无线多跳办法通讯，MAC地址具有空间复用特性：只需确保节点MAC地址在传输街坊节点间是仅有的，在传输街坊节点以外重复运用不影响MAC地址的街坊节点标识功用。在MAC层中，这种防止侦听（overhearing avoidance）的办法是一种非常重要的节约能量耗费的办法。
MAC地址的分配协议可分为网内仅有性和部分仅有性两种分布式分配。地址分配协议有必要考虑网络链接的非对称性。如图1所示，非对称性是指节点A 能侦听到节点B，可是反过来，节点B却不能侦听到节点A。在假定一切节点都只与双向附近节点通讯的状况下，恣意节点A的双向节点都有必要有彻底不同的地址。并且，任何单向输入节点的地址都有必要不同于一切双向节点的地址。把节点的链接联系区分为双向链接、单向输入、单向输出。为了应对无线链接的时变和随机因素，这个附近节点协议应该一次次重复运转，以便实时地更新和承认附近节点间的链接联系。当节点A完成了对附近节点状况的剖析后，便开端播送音讯，A的双向链接节点和单向输出节点发回INFO音讯作为呼应。经过相似的办法，节点A就知道每个附近节点的身份了。节点A在过了门期限后，就知道其周围单跳节点和两跳附近节点的状况了，假如节点A的单跳节点内有地址抵触，则宣布一个CONFLICT音讯。产生抵触的节点接到这个音讯后，开端新一轮的地址挑选。节点A 在成功履行地址分配算法后，就具有了自己的地址。这种地址分配算法产生抵触的概率最小。
图1 双向链接节点、单向输入节点、单向输出节点
在依据内容的MAC协议中，MAC地址是必不可少的节约能量的办法，可以防止对周围附近节点的侦听。
2 低占空比协议与唤醒问题
一个节点的抱负状况应该是当一个分组传送给这个节点时，该节点总是处于接纳状况。当这个节点自己要发送一个分组时，则该节点总是处于发送状况。在其他时刻，这个节点总是处于休眠状况。低占空比（low duty cycle）协议使节点尽可能多地处于休眠状况，以使传感器节点的通讯活动到达最少。为完成这一机制，几种MAC协议中引入了周期性唤醒（periodic wakeup）的办法。如图2所示，节点的大部分时刻处于休眠状况，并且周期性地被唤醒以接纳来自其他节点的数据。一个完好的唤醒周期包括休眠时段和监听时段。监听时段与唤醒时段的时刻长度之比便是占空比。
图2 周期性唤醒办法
稀少拓扑结构与能量办理（STEM）协议供给了一个处理闲暇监听问题的办法。两个不同的信道，即唤醒信道和数据信道，如图3所示。数据信道一般处于休眠形式，除非进行数据发送或接纳。在数据传输状况，数据信道仅履行MAC协议。在唤醒信道，时刻被区分为若干个固定长度为T的唤醒时段。而一个唤醒时段又进一步区分为长度为TRX≤T的监听时段和一个休眠时段，表明唤醒信道的收发机进入休眠形式的时刻段。假如一个节点进入监听时段，则其唤醒信道的接纳机要敞开，等候接纳信号。假如在TRX时刻内没有接纳到任何信息，则再转换到休眠形式。不然，数据信道的收发机将发动一个分组传输。
图3 单一节点的STEM占空比
SMAC协议供给了减小闲暇监听、抵触磕碰和串扰的机制，与STEM相反，SMAC不需求两个不同的信道。它选用周期性的唤醒计划，即每个节点依据预先承认的时刻表，替换地改动固定长度的监听时段和固定长度的唤醒时段。不同于STEM的是，SMAC的监听时段可以用来接纳并发送分组。如图4所示，节点x的监听周期被进一步区分为SYNCH、RTS、CTS三个阶段。SYNCH阶段，即同步阶段。节点x接纳来自其相邻节点的SYNCH分组。分组中包括相邻节点的时刻表，节点x将这些时刻表存储在Schedule table中。
SYNCH阶段被进一步区分为时隙，x的相邻节点选用CSMA办法竞赛信道，并有相应的回退。假如在之前任一时隙没有接纳到数据，则每一个期望发送SYNCH分组的相邻节点y可以随机地拾取一个时隙并发动发送。在其他状况下，节点y会回来休眠形式，并等候节点x下一次被唤醒。节点x不需求在节点 y的每一个唤醒时段内均进行播送。
RTS阶段，也便是恳求发送阶段，节点x监听来自街坊节点的RTS分组。在SMAC中，运用RTS/CTS握手办法来减小数据分组的磕碰和隐终端问题的影响，并且此阶段内的相邻节点可能会产生竞赛。
CTS阶段，即铲除发送阶段。若节点x前一阶段收到一个RTS分组，则节点x发送一个CTS分组，之后进行数据交换。
节点x在整个同步时段周期性地监听，以了解其相邻节点的状况。鸿沟方位上的节点有必要恪守两个或多个不同的时刻表，以播送其SYNCH分组并发送数据。因而这些节点会比相邻节点都运用相一起间表的节点耗费更多的能量。
SMAC选用周期性唤醒办法，答应节点大多数数据逗留在休眠形式，但也带来必定的通讯推迟。此外会占用很多存储空间缓存数据，这在资源受限的无线传感器网络显得尤为杰出。
MD（Mediation Device，裁定设备）协议，是与IEEE 802.15.4规范所规则的对等通讯办法兼容的。该协议为大规模、低占空比运转的节点间供给了不需求高精度时钟同步的牢靠通讯。MD协议答应无线传感网中节点周期性地进入休眠状况，并仅在唤醒形式下逗留较短的时刻，以便从相邻节点接纳分组数据。该协议引进了动态同步（dynamic synchronizaTIon）的概念，是指不需求发送节点一向等候接纳节点的问询信标，也可以完成同步。
图4 SMAC原理图
图5 MD协议
如图5所示，节点在绝大部分时刻处于休眠状况，在醒来时宣布问询信标。MD节点作为一个不断活动的裁定者，经过接纳由信息传输节点宣布的RTS （恳求发送）和方针节点的问询信标，和谐两个节点暂时同步来传输数据。设置专门MD节点的办法称为“固定式MD”。因为MD节点不断地处于接纳状况，不符合网络低能耗要求，又提出了分布式MD协议，即节点随机地成为MD。这样每个节点的均匀占空比仍可很低，整个网络坚持低功耗、低成本的异步网络。
对上述几种协议在以下几个方面进行比较，如表1所列。
表1 各协议特性比较
3 MAC协议剖析与展望
本文介绍了一种MAC协议的相关技能，经过对几种MAC协议的剖析可以看到，能量功率问题是无线传感器网络MAC协议的一个基本问题。因而，咱们特别重视可以显着下降体系整体能量耗费的办法。不管何时都可以依据需求将节点导入休眠状况的办法，是一种有用保存能量的办法。为满意这一要求，本规划选用低占空比或唤醒技能的办法。休眠机制下降了能耗却增加了时延，多个功用目标间存在着对立。需求进一步地研讨，怎么依据使用需求在各优化目标间获得平衡。现有的MAC协议研讨很少重视于网络的详细使用，而某些特定的使用需求其MAC协议针对某个或某些目标进行特别的优化。因而，MAC协议需求供给一种灵敏多变的机制，以适用于多种不同使用的网络。
