无线传感网络ZMAC协议.docx

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无线传感网络ZMAC协议

Z-MAC

引言

载波侦听多址访问协议（CSMA,CarrierSenseMultipleAccess）

常用的无线网络MAC协议，由于其简单性、灵活性以及强壮性使得其非常流行。

与其它MAC协议相比，CSMA对基础设施要求简单，不需要时钟同步，同时也不需要全网的拓扑信息，对于节点加入网络与退出网络，不需要任何额外操作就可以表现出很强的适应性.但是，这些优点是由接入尝试和传输错误作为代价的。

节点通过竞争方式进行抢占信道使用权，当有多个节点同时发送数据时，就会发生数据碰撞，并且要消耗部分能量。

CSMA对于碰撞发生的可控范围为一跳相邻区域，对于一跳范围以外就不能发挥作用了。

对于数据在一跳范围以外发生碰撞的节点，称为隐含终端。

隐含终端问题将增加数据传输冲突发生的概率，数据流量越大，碰撞概率越大，吞吐量会严重下降，导致时延增加，这对网络性能的发挥有着严重的影响。

为了减轻因为隐含终端所导致的问题，CSMA中加入了RTS/CTS握手机制然而RTS/CTS所占信道容量较高，其范围为40%-75%，严重增加了网络数据传输控制开销，这对于有限的无线信道容量来说是非常大的浪费。

时分多址（TDMA）协议的设计目的在于避免据传输过程中发生的冲突。

各节点使用自己的时隙，不同节点数据发送接收互不干扰，有效的解决了隐含终端的问题。

因为不需要RTS/CTS握手机制，所以不会增加传输控制消息外开销。

但是TDMA协议也有如下缺点：

一、如何按照某一种扩展方式进行高效时间安排并非易事，中心节点要在保证并发性强、信道复用度高的情况下来寻找合理的传输时间安排，来避免碰撞的发生；二、TDMA协议的特点，使得其对于时钟同步要求较高；三、由于电池能量消耗导致节点退网络、新的节点加入网络、物理因素导致的信道变化，都会导致WSN网络拓扑发生变化，而TDMA协议对拓扑动态变化适应性较差；四、当数据流量低时，节点只能选择自己占有的时隙来进行数据发送。

而在CSMA中，当节点有发送需求时，随时可以进行数据发送。

所以，与CSMA协议相比TDMA协议信道利用率过低，传输时延较高。

无线传感器网络Z-MAC协议概述

Z-MAC协议采用CSMA机制作为基本信道接入方法，TDMA机制则用来

在信道竞争加剧时解决信道冲突的问题。

作为经典的混合型MAC协议，它既综合了CSMA协议和TDMA协议的优点，同时又相互弥补了对方的缺点。

Z-MAC

协议具有网络竞争程度自适应能力：

当竞争程度较轻时，其表现的类似CSMA

，当竞争激烈时，表现的类似TDMA。

同时，Z-MAC协议具有很强的适应动态拓扑变化能力，其抗时钟同步失败能力也进一步增强。

Z-MAC协议引入了时间帧的概念，同时每个时间帧又被划分为多个时隙。

在网络部署时，每个节点通过

DRAND算法进行时隙分配。

在时隙分配后，每个节点都会拥有自己的时隙，

作为自己时隙的占有者，节点在对应的时隙中进行数据发送和接收时有最高的优

先级。

Z-MAC协议关键技术

当网络完成部署后，节点将进行加电启动，启动后MAC协议将顺序执行以

下步骤：

邻居节点发现；节点时隙分配；交换本地时间帧；全网时间同步。

在网

络的运行过程中，除非网络拓扑发生了重大变化，否则，节点将不会再执行以上

步骤，避免能量的浪费。

时间同步协议

Z-MAC协议采用无线传感器网络时间同步协议TPSN（Timing-syncProtocol

forSensorNetworks）。

当大量传感器节点分布在一定区域中，每个节点都要来维护一个16bit的寄存器用来作晶体振荡器的触发时钟。

TPSN通过同步每个传感器节点的16bit寄存器来提供时钟同步功能，为所有的节点建立公共的时间尺度

Z-MAC协议中发送节点与接收节点之间采用握手的传统时间同步方法。

节点对之间的握手消息交换过程如下图

Z-MAC

协议定义两种工作模式：

低冲突级别（LCL，LowContentionLevel）

与高冲突级别（HCL，HighContentionLevel）。

节点拥有ECNt周期，初始状态，节点处于LCL状态下，如果在ECNt周期中，节点收到了它两跳相邻节点发来的外

部冲突公告（ECN，ExplicitContentionNotification）消息，那么节点就从低冲突级

别转换到高冲突级别，如果没有收到外部冲突公告，则仍然处于低冲突级别的工

作模式下。

当节点工作在低冲突级别模式下，任何节点都可以竞争接入信道，这

和CSMA协议工作方式是相同的；当节点工作在高冲突级别模式下，拥有信道

使用权竞争的节点只有时隙占有节点和这个节点的一跳范围内的邻居节点，其它

节点不能进行信道竞争。

在这两种工作模式中，时隙占有节点始终拥有时隙使用

的优先权。

如果时隙的占有节点没有数据要进行传输，那么其它节点可以竞争接

入这个空闲时隙，来提高信道利用率。

Z-MAC协议建立在B-MAC（伯克利媒介访问控制协议）协议之上，B-MAC协议加州大学伯克利分校（UCB）开发的低功率无线传感器网络MAC协议，它有一个小的内核来分解高层功能，它的设计模式和实现方式都十分简单。

B-MAC

协议主要是针对监视应用开发的协议，它能够支持高层功能和接受高层

服务控制流量，灵活性较强，可以高效实现诸如目标跟踪、多跳路由、定位、事

件报告等服务Z-MAC协议为了实现低冲突级别和高冲突级别的工作模式的转换同样采用了退避（Backoff）、低能耗侦听（LPL）和信道空闲评估（CCA）。

Z-MAC协议传输控制方式

局部同步

Z-MAC协议采用局部时间同步策略，使得其相比TDMA协议，有着更强的

适应能力。

当节点失去时钟同步后，Z-MAC协议为纯CSMA协议。

在低冲突情

况下，其性能和CSMA协议性能相当，在高冲突时，Z-MAC切换到HCL状态，

这时需要时间同步，但是Z-MAC只维护附近节点的时间同步，是一种局部时间

同步。

节点通过在发送的时间同步包中加入发送节点时间信息，便可通过一定算

法来修正节点之间的时间偏移问题。

为了实现这种局部同步，Z-MAC协议节点

会在发送数据包的同时捎带时间同步包。

Z-MAC协议有两种工作方式：

轻度竞争LCL方式和激烈竞争HCL

方式。

两种工作方式的切换采用直接竞争通知消息（ECN）来进行切换。

当一个节点在最近的一个ECNt周期内接到其一个两跳相邻节点发送的一条直接竞争通知消息后才按照HCL方式工作，否则，节点按照LCL方式工作。

当节点在一个

ECNt周期按照HCL方式工作结束后，节点将转入LCL方式工作。

如果节点连续经历激烈竞争，那么节点必须周期性发送ECN消息来保持节点连续工作在

HCL方式下，其中ECN消息的刷新周期由系统设定。

ECN消息的使用，有效解决了隐藏终端问题，并且使网络节点处于软状态，有效优化了单一节点性能。

但是对于实际应用中的无线传感器网络，网络流量具有周期波动性和连续性的特点，如果网络连续处于高度竞争状态，那么节点会不断发送ECN消息，这造成了网络不必要的开销，频繁的工作模式的硬切换，造成了能量的浪费，并且影响了网络整体性能。

综合CSMA和TDMA二者各自的优点，由RHEE等在2005年提出了一种混合机制的Z-MAC协议。

Z-MAC将信道使用物化为时间帧的同时，使用CSMA作为基本机制，时隙的占有者只是有数据发送的优先权，其他节点也可以在该时隙发送信息帧，当节点之间产生碰撞之后，时隙占有者的回退时间短，从而真正获得时隙的信道使用权。

Z-MAC使用竞争状态标示来转换MAC机制，节点在ACK重复丢失和碰撞回退频繁的情况下，将由低竞争状态转为高竞争状态，由CSMA机制转为TDMA机制。

因而可以说，Z-MAC在较低网络负载下，类似CSMA，在网络进入高竞争的信道状态之后，类似TDMA。

Z-MAC并不需要精确的时间同步，有着较好的信道利用率和网络扩展性。

协议达到即时的适应网络负载的变化的同时，TDMA和CSMA机制的同步和互换会产生较大的能量耗损和网络延迟问题。

顾名思义，即融合了竞争协议和调度协议的优势，去其糟粕取其精华。

混合协议在全局

网络的优化中更占优势。

它是CSMA与TDMA的混合协议。

CSMA适用于流量较低时，可提升信道利用率和降

低时延；TDMA适用于流量高时，降低冲突与串音的干扰。

与TDMA协议的要划分时槽不同，Z-MAC协议不论何时都可传输数据帧。

当某个节点时槽空闲时，其余节点就以CSMA方式竞争信道；竞争激烈时，节点会发布明确竞争通告

（ECN），若节点在最近tECN时间内收到某一两跳邻居发出的ECN，则获胜为高竞争级（HCL）

节点。

此ECN技术具备很强的竞争控制能力。

Z-MAC与B-MAC协议相比，在网络流量越高时，吞吐量也越高，同时功耗也小，但流

量低时，就不如B-MAC优秀了。

正因为是混合了CSMA与TDMA两张协议，它比TDMA

协议具有更高的可靠性和容错力。

Z-MAC协议也存在着不足：

初始化时就要同步全局时钟；

只能在初始阶段为节点划分时槽，不可周期重运行；在LCL状态下依然无法避免隐藏终问

题；在HCL状态下，数据只能在有限的时槽传输，增加了传输延时，ECN机制易产生内爆。