[信息与通信]mac层协议

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1、MAC层协议张莹概述在无线传感器网络中，介质访问控制（mediumaccesscontrol，MAC）协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。概述在设计无线传感器网络的

2、MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：（1）节省能量。（2）可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。（3）网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。(4)算法复杂度。MAC协议要具备上述特点，众多节点协同完成应用任务，必然增加算法的复杂度。由于无线传感器网络的节点计算能力和存储能力受限，MAC协议应该根据应用需要，在复杂度和上述性能之间取得折中。(5)与其

3、他层协议的协同。无线传感器网络应用的特殊性对各层协议都提出了一些共同的要求，如能量效率、可扩展性、网络效率等，研究MAC协议与其他层协议的协同问题，通过跨层设计而获得系统整体的性能优化概述MAC协议设计面临的问题：①空闲监听：因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己的射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损耗；②冲突（碰撞）：如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败，发送包被丢弃。此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉③控制开销：为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS/CTS，虽然没有数据在其中，

4、但是我们必须消耗一定的能量来发送它们；④串扰（串音）：出于无线信道为共享介质，因此，节点也可以接收到不是到达自己的数据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的耗费。概述概述按照信道分配方式，MAC协议可以分为：基于竞争的MAC协议基于TDMA机制的MAC协议其他类型的MAC协议概述概述基于竞争的MAC协议基于竞争的MAC协议有如下优点：①由于基于竞争的MAC协议是根据需要分配信道，所以这种协议能较好地满足节点数量和网络负载的变化；②基于竞争的MAC协议能较好地适应网络拓扑的变化；③基于竞争的MAC协议不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法基于竞争的MAC协议访问无

5、线信道的方式是按需随机访问信道，基本思想是当节点需要发送数据时，就竞争访问信道，若竞争成功则开始发送数据，若产生了数据碰撞，就按照一定的重发策略开始数据重发流程。IEEE802.11MAC协议有分布式协调DCF和点协调PCF两种访问控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11协议的基本访问控制方式。在DCF工作方式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避时间，实现无线信道的共享。另外，所有定向通信都采用立即的主动确认（ACK帧）机制，如果没有收到ACK帧，则发送方会重传数据。PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的控制方式。它

6、通过访问接入点（accesspoint，AP）协调节点的数据收发，通过轮询方式查询当前哪些节点有数据发送的请求，并在必要时给予数据发送权。基于竞争的MAC协议-——IEEE802.11MAC协议DCF模式下，没有进行集中控制的访问接入点，节点独立运行协议，采用CSMA/CA机制实现无线信道的共享。CSMA/CA中有两个关键点:如何通过载波侦听确定无线信道的状态;另一个是侦听到信道空闲后，为了减少碰撞，采用什么样的无线信道访问机制。基于竞争的MAC协议-——IEEE802.11MAC协议解决第一个问题:如何通过载波侦听确定无线信道的状态IEEE802.11MAC中的

7、载波侦听有物理载波侦听和虚拟载波侦听两种侦听方式，前者由物理层提供，后者由MAC层提供，我们研究的是MAC协议，所以只讨论虚拟载波侦听。IEEE802.HMAC协议中的帧分为四种:RTS(RequestTosend，请求帧)、CTS(ClearTosend，清除帧)、ACK(Acknowledge，确认帧)DATA(数据帧)，虚拟载波侦听是通过RTS/CTS帧来实现的。RTS/CTS帧中都有一个字段表示本次数据交换还需要多长时间才能完成，这个字段叫做NAV(NetworkAllocationVector，网络分配矢量，)。基于竞争的MAC协议-——IEEE802.

8、11MAC