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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