3.4　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議

3.4.1　基于競爭的MAC協(xié)議

1. S-MAC協(xié)議

S-MAC協(xié)議是由美國南加利福尼亞大學(xué)的Wei Ye等人較早提出的，它適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，而且是在總結(jié)傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量小、針對(duì)節(jié)點(diǎn)間的公平性及通信時(shí)延要求不高等特點(diǎn)來設(shè)計(jì)的，其主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供大規(guī)模分布式網(wǎng)絡(luò)所需的可擴(kuò)展性，并同時(shí)降低能耗。S-MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)參考了PAMAS和IEEE 802.11MAC協(xié)議等MAC協(xié)議，并做出了如下假設(shè)。

? 大多數(shù)節(jié)點(diǎn)之間是進(jìn)行多跳短距離通信的；

? 節(jié)點(diǎn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的作用是平等的，即一般情況下沒有基站；

? 為了減少通信量，采用網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理方式；

? 運(yùn)用信號(hào)的協(xié)作處理，改善感知信息的質(zhì)量；

? 節(jié)點(diǎn)具有較長的空閑時(shí)間而且可以容忍一定的時(shí)延；

? 網(wǎng)絡(luò)壽命是首要考慮的問題。

S-MAC協(xié)議采用的機(jī)制有以下幾種。

? 將節(jié)點(diǎn)的工作模式分為偵聽和睡眠兩種，并讓節(jié)點(diǎn)盡可能長時(shí)間睡眠以達(dá)到節(jié)能的目的；

? 通過協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機(jī)制讓相鄰節(jié)點(diǎn)在相同時(shí)間活動(dòng)、相同時(shí)間睡眠，從而形成虛擬簇；

? 通過突發(fā)傳遞和消息分割機(jī)制來縮短消息的傳輸時(shí)延和減少控制消息的開銷；

? 通過流量自適應(yīng)的偵聽機(jī)制，減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延在傳輸過程中的累加效應(yīng)。

S-MAC協(xié)議雖然減少了空閑偵聽所消耗的能量，但其缺點(diǎn)是在協(xié)議初始節(jié)點(diǎn)的工作周期就已經(jīng)被設(shè)定并保持不變，無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化。

1）周期性地偵聽和睡眠

S-MAC協(xié)議基本的節(jié)能手段是依靠傳感器節(jié)點(diǎn)定期進(jìn)入睡眠狀態(tài)從而減少節(jié)點(diǎn)空閑偵聽的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。S-MAC把時(shí)間分割成許多時(shí)隙，在每個(gè)時(shí)隙中又劃分為偵聽和睡眠兩種狀態(tài)，如圖3.1所示。一次完整的偵聽和睡眠稱為一幀，其中偵聽的時(shí)間占一幀的比值稱為占空比。在偵聽狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)可以和其通信范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)自由地進(jìn)行通信；在睡眠狀態(tài)，為了減少節(jié)點(diǎn)功耗，節(jié)點(diǎn)不參與任何的數(shù)據(jù)傳遞活動(dòng)，只是設(shè)定計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，這樣在經(jīng)過一段時(shí)間后自己就能自動(dòng)醒來，醒來后則立刻查看是否有消息傳遞給自己。在S-MAC協(xié)議中規(guī)定，相鄰節(jié)點(diǎn)要最大限度地采用相同的調(diào)度時(shí)間表，也就是說要在相同的時(shí)間喚醒和睡眠，這樣有利于確保相鄰節(jié)點(diǎn)能及時(shí)進(jìn)行通信，減少在傳輸消息時(shí)的控制開銷。在無線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以通過定期向相鄰節(jié)點(diǎn)廣播同步包（SYNC）來交換調(diào)度信息，以達(dá)到同步的目的。

S-MAC協(xié)議將節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)狀態(tài)分為兩部分以保證節(jié)點(diǎn)能接收到數(shù)據(jù)包和同步包，第一部分用于發(fā)送和接收同步包，第二部分用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，每部分都設(shè)有載波幀聽時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)送同步包和數(shù)據(jù)包可能存在三種情況，如圖3.2所示，其中發(fā)送者1只發(fā)送同步包，發(fā)送者2只發(fā)送數(shù)據(jù)包，而發(fā)送者3既發(fā)送同步包又發(fā)送數(shù)據(jù)包。

理論上，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都需要遵守相同的調(diào)度時(shí)間，不能有絲毫的誤差。但是由于傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間表本身就是隨時(shí)變化的，而且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是多跳地傳輸數(shù)據(jù)，所以只有在局部節(jié)點(diǎn)之間才有可能形成同步。如果節(jié)點(diǎn)之間的調(diào)度時(shí)間是相同的，那么它們將構(gòu)成“虛擬簇”（Virtual Cluster），在部署區(qū)域廣闊的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能夠形成眾多不同的虛擬簇。假如某個(gè)節(jié)點(diǎn)的周圍有不同的虛擬簇，那么該節(jié)點(diǎn)就處于虛擬簇的邊界，稱為邊界節(jié)點(diǎn)（Border Node）。如圖3.3所示，節(jié)點(diǎn)A就是邊界節(jié)點(diǎn)，它一定要與其相鄰節(jié)點(diǎn)保持同步，所以邊界節(jié)點(diǎn)一般會(huì)記錄下兩個(gè)或兩個(gè)以上的調(diào)度信息，從而成為虛擬簇之間通信的橋梁。

2）沖突避免

如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的相鄰節(jié)點(diǎn)想同時(shí)與一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，那么它們都會(huì)試圖在該節(jié)點(diǎn)的偵聽時(shí)段發(fā)送消息，在這種情況下必然發(fā)生數(shù)據(jù)的沖突和碰撞，于是它們就需要開始爭奪對(duì)信道的使用權(quán)。S-MAC采用虛擬載波偵聽和物理載波偵聽的方法，并使用RTS/CTS（請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送）來解決沖突和碰撞問題。RTS/CTS/DATA/ACK是每個(gè)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)都要?dú)v經(jīng)的通信過程，在每個(gè)傳輸包中都有一個(gè)域值表示剩余的通信過程還需要維持多長的時(shí)間，所以如果某一個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到一個(gè)不是發(fā)給自己而是發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包時(shí)，它就會(huì)判斷自己還需要睡眠多長時(shí)間，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)會(huì)將這個(gè)值報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)分配矢量（NAV）并設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，該矢量會(huì)隨著接收到的數(shù)據(jù)分組而持續(xù)更新。當(dāng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)就每次將NAV值遞減1，一直到0。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)首先查看NAV值，如果NAV不為0，那么節(jié)點(diǎn)就認(rèn)為此時(shí)介質(zhì)忙；反之，則認(rèn)為介質(zhì)空閑。這個(gè)過程常被稱為虛擬載波偵聽。

物理載波偵聽是指在物理層偵聽信道，從而判別是否有數(shù)據(jù)傳輸。載波偵聽時(shí)間是在競爭窗口中隨機(jī)選擇的，這樣做是為了防止發(fā)生碰撞。只有當(dāng)虛擬和物理載波偵聽都指出介質(zhì)空閑時(shí)，介質(zhì)才能被認(rèn)定空閑。

例如，圖3.4所示是一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)，它由節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E、F構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能和其一跳以內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。假設(shè)此時(shí)節(jié)點(diǎn)A正向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)，那么顯然節(jié)點(diǎn)D應(yīng)該睡眠，因?yàn)樗膫鬏敻蓴_了節(jié)點(diǎn)B正確接收節(jié)點(diǎn)A發(fā)出的數(shù)據(jù)。而節(jié)點(diǎn)E和節(jié)點(diǎn)F不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)，所以它們不需要睡眠。節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)B之間的距離有兩跳遠(yuǎn)，即使它傳輸數(shù)據(jù)也不會(huì)干擾到節(jié)點(diǎn)B接收，所以它可以自由地向其他節(jié)點(diǎn)（如節(jié)點(diǎn)E）發(fā)送數(shù)據(jù)。但是，節(jié)點(diǎn)C卻無法接收節(jié)點(diǎn)E的應(yīng)答（CTS或其他數(shù)據(jù)等），這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)E和節(jié)點(diǎn)A同時(shí)傳輸會(huì)在節(jié)點(diǎn)C處發(fā)生沖突，所以即使節(jié)點(diǎn)C傳輸數(shù)據(jù)，也是浪費(fèi)能量。總而言之，不管是發(fā)送者還是接收者，它們之間相鄰的節(jié)點(diǎn)在偵聽到CTS或RTS包后都需要睡眠，一直要等到傳輸結(jié)束才可以醒來。

3）自適應(yīng)偵聽

在S-MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)周期性地進(jìn)入睡眠狀態(tài)會(huì)增加時(shí)延，這種時(shí)延并不會(huì)自動(dòng)消除，而是會(huì)在每跳中累積，所以S-MAC采用自適應(yīng)偵聽策略來減少這種累加的效應(yīng)。它的基本思想是當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)在其通信范圍內(nèi)得知相鄰的節(jié)點(diǎn)要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)就睡眠，并記錄其傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間，只有當(dāng)其相鄰的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束后才能醒來一個(gè)短暫的時(shí)間，這時(shí)它可以通過偵聽信道查看信道的狀態(tài)（忙或空閑），判斷是否有數(shù)據(jù)需要傳輸。在這種方式下，如果此時(shí)正好有一個(gè)消息需要傳遞給該節(jié)點(diǎn)，那么它就可以立刻接收，而不用等到該節(jié)點(diǎn)的睡眠結(jié)束后再進(jìn)行傳遞；假如沒有任何消息需要傳遞給該節(jié)點(diǎn)，那么它就繼續(xù)睡眠。

4）消息傳遞

在無線信道中，數(shù)據(jù)包越長，在傳輸時(shí)出錯(cuò)的概率越大；反之，數(shù)據(jù)包越短，在傳輸時(shí)出錯(cuò)的概率越小。也就是說，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出錯(cuò)的概率與數(shù)據(jù)包的長度成正比，長包成功傳輸?shù)母怕室∮诙贪８鶕?jù)這一原理，S-MAC協(xié)議將長消息分成很多子段，只采用一次RTS/CTS握手，就可以連續(xù)集中發(fā)送全部子段，這便是消息分段機(jī)制，如圖3.5所示。每個(gè)子段的發(fā)送都需要等待接收者的答復(fù)（ACK），假如發(fā)送者沒有收到某個(gè)子段的答復(fù)，就重傳該子段。整個(gè)發(fā)送過程只需要一次RTS/CTS握手，這樣既可減少控制開銷，又可提高發(fā)送成功率。

2. T-MAC協(xié)議

通過前面的分析可以知道，S-MAC雖然在一定程度上提高了能量效率，但是它不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載調(diào)整自己的調(diào)度周期。在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，研究人員提出了一種新的MAC協(xié)議—T-MAC協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議主要解決能量消耗問題，在幾個(gè)主要的耗費(fèi)能量的因素中，持續(xù)偵聽所耗費(fèi)的能量占了絕大部分，因此我們必須合理地安排偵聽時(shí)間，T-MAC協(xié)議根據(jù)一種自適應(yīng)占空比的原理，通過動(dòng)態(tài)地調(diào)整偵聽與睡眠時(shí)間的比值，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

1）基本思想

T-MAC協(xié)議相對(duì)于S-MAC協(xié)議來說，保持了S-MAC的周期，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的流量自適應(yīng)地調(diào)整激活的時(shí)間。在T-MAC協(xié)議中，為了減少無用的空閑偵聽，采用以下方式來發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖3.6所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地進(jìn)行睡眠，被喚醒進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，接著又進(jìn)入睡眠狀態(tài)，下一周期開始。

節(jié)點(diǎn)單播通信過程采用的是RTS/CTS/DATA/ACK交互的原理，節(jié)點(diǎn)有規(guī)律地被喚醒，如果在一個(gè)周期中沒有發(fā)現(xiàn)需要激活的事件，那么活動(dòng)結(jié)束，開始進(jìn)入睡眠狀態(tài)。激活事件的定義為：

? 周期定時(shí)器溢出，喚醒事件；

? 物理層接收到數(shù)據(jù)；

? 顯示無線信道忙，接收信號(hào)強(qiáng)度指示；

? 通過RTS/CTS幀的監(jiān)聽來確認(rèn)相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換是否已經(jīng)結(jié)束。

T-MAC協(xié)議規(guī)定，當(dāng)相鄰節(jié)點(diǎn)還沒有結(jié)束通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)入睡眠狀態(tài)，因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)很有可能就是下一個(gè)數(shù)據(jù)的目的節(jié)點(diǎn)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)檢測到串?dāng)_以后能夠觸發(fā)一個(gè)空閑間隔TA，TA必須足夠大，以保證節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測到串?dāng)_的CTS，T-MAC協(xié)議規(guī)定TA取值約束為

TA>C+R+T

式中，C為競爭信道的時(shí)間，R為發(fā)送RTS的時(shí)間，T為RTS分組發(fā)送結(jié)束到開始發(fā)出CTS的時(shí)間。

節(jié)點(diǎn)發(fā)送完RTS分組之后，如果未收到對(duì)應(yīng)的CTS分組，則有以下三種情況：

? 由于無線信道發(fā)生碰撞，目的節(jié)點(diǎn)沒有接收到RTS分組；

? 目的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到串?dāng)_的分組；

? 目的節(jié)點(diǎn)正處于睡眠狀態(tài)。

如上面所述，如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)在TA時(shí)間間隔內(nèi)沒有收到CTS分組，它就會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。但是從上面的前兩種情況可以看出節(jié)點(diǎn)還沒有收到CTS分組，直接進(jìn)入睡眠狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)性降低，接收節(jié)點(diǎn)一直處于空閑監(jiān)聽狀態(tài)，浪費(fèi)大量的能量，因此T-MAC協(xié)議規(guī)定，節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS分組之后沒有收到CTS分組，則重新發(fā)送一次RTS分組，若還沒有收到則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，T-MAC協(xié)議的基本數(shù)據(jù)交換如圖3.7所示。

2）主要解決的問題

在T-MAC協(xié)議中，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備向其相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，相鄰節(jié)點(diǎn)已進(jìn)入了睡眠狀態(tài)，那么我們稱這種情況為早睡，這也是T-MAC協(xié)議主要解決的問題。例如，AB、BC、CD是三對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)，可以相互通信，數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)锳→B→C→D。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A通過競爭方式獲得與節(jié)點(diǎn)B的通信權(quán)利之后，節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一個(gè)CTS分組給節(jié)點(diǎn)B，節(jié)點(diǎn)B接收到之后應(yīng)答一個(gè)CTS分組給節(jié)點(diǎn)A，則完成AB之間的通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)B發(fā)送CTS分組時(shí)，節(jié)點(diǎn)C也可以接收到，從而觸發(fā)了一個(gè)新的偵聽時(shí)段，在AB通信結(jié)束后接收節(jié)點(diǎn)B發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，而節(jié)點(diǎn)D由于沒有接收到CTS數(shù)據(jù)，因此節(jié)點(diǎn)D在BC通信結(jié)束后處于睡眠狀態(tài)，這樣節(jié)點(diǎn)C就只能等到下一個(gè)周期喚醒之后才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

在T-MAC協(xié)議中，有兩種方法可以解決早睡問題，如圖3.8所示。第一種是滿緩沖區(qū)優(yōu)先（Full-Buffer Priority）。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)快滿時(shí)，節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的RTS分組不回復(fù)CTS，而是立即向緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS，建立連接之后發(fā)送數(shù)據(jù)，以減輕緩沖區(qū)負(fù)載。如圖3.8（b）所示，節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送RTS，而節(jié)點(diǎn)C因?yàn)榫彌_區(qū)滿不回復(fù)一個(gè)CTS分組，而是向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送RTS以求數(shù)據(jù)傳輸。

這種方法在一定程度上減少了早睡問題的發(fā)生概率，并可以控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量，但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大時(shí)更容易發(fā)生沖突。

第二種方法是未來請(qǐng)求發(fā)送（Future Request-To-Send，F(xiàn)RTS），這種方法采用提前通知需要接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)的方法來避免早睡，如圖3.8（a）所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)C接收到CTS后，除了觸發(fā)自己保持監(jiān)聽狀態(tài)，還發(fā)送一個(gè)FRTS分組給節(jié)點(diǎn)D，F(xiàn)RTS分組中含有節(jié)點(diǎn)D需要等待的時(shí)間，在此空閑狀態(tài)中，節(jié)點(diǎn)D必須要保持偵聽狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)C發(fā)送FRTS時(shí)看哪個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)干擾節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)A需要延遲原數(shù)據(jù)的發(fā)送響應(yīng)的時(shí)間，但是又必須保持對(duì)信道的占用，因此節(jié)點(diǎn)A在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)送一個(gè)與FRTS一樣長度的分組，該分組不包含任何有用的數(shù)據(jù)，然后才接著發(fā)送有用數(shù)據(jù)信息。這樣當(dāng)數(shù)據(jù)傳到節(jié)點(diǎn)C之后節(jié)點(diǎn)D還是處于喚醒狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。由于采用了未來請(qǐng)求發(fā)送機(jī)制，協(xié)議需要增加一個(gè)FRTS分組傳輸?shù)臅r(shí)間，該方法提高了系統(tǒng)吞吐量和實(shí)時(shí)性，但是多了一些控制消息，相應(yīng)地要消耗能量。

T-MAC協(xié)議對(duì)S-MAC協(xié)議進(jìn)行了一定的改進(jìn)，減少了空閑偵聽，從而提高了能量效率。為了有效解決節(jié)點(diǎn)的早睡問題，T-MAC提出了兩種方案，但都不是很理想，該協(xié)議有待進(jìn)一步的研究。

3）Sift協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在這樣一種現(xiàn)象，多個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)都會(huì)發(fā)現(xiàn)同一事件并傳輸相關(guān)信息，因此節(jié)點(diǎn)會(huì)存在空間上的競爭，Sift協(xié)議就是為了解決這個(gè)問題而提出來的。Sift協(xié)議與無線局域網(wǎng)的MAC協(xié)議有所不同，它采用的是CSMA機(jī)制，競爭窗口的大小是原本就設(shè)定好的，采用非均勻概率來決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于空間的競爭。一般來說，許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都在某一區(qū)域放置了多個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到同一事件來保證數(shù)據(jù)的可靠性。這種冗余數(shù)據(jù)的發(fā)生將導(dǎo)致相鄰節(jié)點(diǎn)間相互搶占信道，從而造成基于空間的競爭。

（2）基于事件的報(bào)告方式。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，并非所有的節(jié)點(diǎn)都需要報(bào)告事件，匯聚節(jié)點(diǎn)只需接收到所發(fā)生事件的相關(guān)信息即可。

（3）感知事件節(jié)點(diǎn)密度的自適應(yīng)調(diào)整。大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)接收到同一事件后，隨著目標(biāo)的移動(dòng)或者時(shí)間的推移，傳感器網(wǎng)絡(luò)感知到事件的節(jié)點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，從而能夠更好地觀測目標(biāo)事件。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的空間競爭，對(duì)于同一事件，只需要監(jiān)測到事件的部分節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的傳輸。Sift協(xié)議規(guī)定，當(dāng)有N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)共享同一信道并同時(shí)監(jiān)測到同一事件時(shí)，R個(gè)節(jié)點(diǎn)（R<N）能夠以最快的速度無碰撞地發(fā)送這個(gè)事件的相關(guān)信息，從而阻止剩余N?R個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送該事件的相關(guān)信息。

Sift協(xié)議采用固定競爭窗口方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。一般來講，在基于競爭的MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要先在發(fā)送窗口[1，CW]內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙，并一直偵聽到該時(shí)隙來臨。若信道在偵聽期間一直保持空閑狀態(tài)，則節(jié)點(diǎn)立即發(fā)送數(shù)據(jù)，否則就一直等待，直到無線信道空閑為止，但這樣會(huì)存在以下幾個(gè)問題。

（1）當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)偵聽到同一事件并在同一時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)造成信道忙，同時(shí)發(fā)生競爭，因此需要重新調(diào)整CW值來重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這將浪費(fèi)大量時(shí)間。

（2）若調(diào)整后CW值過大，但當(dāng)同時(shí)偵聽到事件的節(jié)點(diǎn)數(shù)目很少甚至沒有時(shí)，等待時(shí)間過久將導(dǎo)致傳輸延遲。

（3）選擇的CW值必須能保證需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)隙被選中的概率也相同。而傳感器網(wǎng)絡(luò)只需要滿足N個(gè)節(jié)點(diǎn)中的R個(gè)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送事件的相關(guān)信息即可。

圖3.9展示了Sift協(xié)議的相關(guān)代碼，采用的是CW值固定的窗口，節(jié)點(diǎn)不再從此窗口中選擇發(fā)送時(shí)隙，而是根據(jù)窗口中的時(shí)隙來決定發(fā)送數(shù)據(jù)的概率。如圖所示，Sift協(xié)議采用pickslot在窗口[1，CW]中選擇時(shí)隙，Wait用來表示等待的時(shí)間。

Sift協(xié)議的工作流程是：當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送消息時(shí)，先假設(shè)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)競爭，如果節(jié)點(diǎn)在第一個(gè)時(shí)隙沒有發(fā)送消息，也沒有偵聽到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，則節(jié)點(diǎn)將減少假想的與它競爭的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，并增加它在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送消息的概率，如果第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)還是沒有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么節(jié)點(diǎn)再減少假想的競爭節(jié)點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)一步增加它在下時(shí)隙內(nèi)發(fā)送消息的概率。根據(jù)這樣的規(guī)定，節(jié)點(diǎn)在第r個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為

式中，α為分布參數(shù)，0<α<1；Pr隨r的增加呈指數(shù)增加，表示在窗口中時(shí)隙越靠后，發(fā)送的概率越大。參數(shù)α的選擇與N和CW的值有關(guān)，Sift協(xié)議的設(shè)計(jì)希望滿足下面的性質(zhì)：

（1）在第一個(gè)時(shí)隙，當(dāng)存在N個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，有且僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在這個(gè)時(shí)隙成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率最高。

（2）在第二、第三……，直到發(fā)送窗口的最后一個(gè)時(shí)隙中，有且僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙中成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率最高。參考文獻(xiàn)[4]證明當(dāng)α=N?1/(CW?1)時(shí)滿足上面的兩條性質(zhì)。

Sift協(xié)議的狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述代碼如圖3.9所示，節(jié)點(diǎn)有空閑、競爭、接收和等待確認(rèn)4種狀態(tài)，如果節(jié)點(diǎn)有消息需要發(fā)送，則按式（3.1）在各個(gè)時(shí)隙計(jì)算發(fā)送概率。如果在發(fā)送時(shí)隙之前有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，則節(jié)點(diǎn)需要更新計(jì)算時(shí)隙，而IEEE802.11 MAC協(xié)議需要記憶剩余時(shí)隙個(gè)數(shù)。

Sift協(xié)議是一種非常新穎的競爭性MAC協(xié)議，它充分考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，特別適合冗余、競爭與空間相關(guān)的應(yīng)用場景。Sift協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法簡單，關(guān)鍵在于在固定長度的競爭窗口中選擇時(shí)隙時(shí)需要用到一種遞增的非均勻概率分布，而不是傳統(tǒng)協(xié)議中的可變長度競爭窗口。Sift協(xié)議提高了事件消息的實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率，但是沒有充分考慮能量效率，研究人員下一步將考慮把Sift協(xié)議與SPAN或GAR協(xié)議結(jié)合，來提高能量效率。