2.2.1　数据链路层概述

1.数据链路层功能概述

无线信道具有广播特性，即一个传感器节点可将数据传输给周围的多个节点，这就导致传感器节点在其广播范围内与其他节点共享无线信道。无线传感器网络的数据链路层研究的主要内容是如何实现无线传感器网络中无线信道的共享，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源并提供可靠传输，即介质控制（MAC）协议和差错控制。其中，MAC协议的实现是无线传感器网络数据链路层研究的一个重点，其好坏直接影响网络的性能优劣。

在总线形以太网中采用CSMA/CD的介质访问控制方式，在无线局域网WLAN中采用CSMA/CA的介质访问控制方式。网络中CSMA/CD和CSMA/CA的主要差别对比如下：

①CSMA/CD（带有冲突检测的载波监听多路访问），可以检测冲突，但无法“避免”；CSMA/CA（带有冲突避免的载波侦听多路访问），发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”。

②检测方式不同，CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。

③WLAN中，对某个节点来说，其刚刚发出的信号强度要远高于来自其他节点的信号强度，也就是说它自己的信号会把其他的信号覆盖掉。

④本节点处有冲突并不意味着在接收节点处就有冲突。

2.MAC协议设计时应该考虑的关键问题

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，由众多节点协作完成工作。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。在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下关键问题：

（1）节省能量

传感器网络的节点一般是以电池供电提供能量，而且电池能量通常难以后期补充，为了延长网络的生命周期，要求MAC协议在满足应用需求的前提下，应尽量节省能量。

①在无线传感器节点中，无线信号的收发是消耗能量的主要途径。

②无线通信模块一般有发送、接收、空闲和休眠四个状态，能耗依次递减。

③采用侦听/休眠交替的无线信道使用策略。

④协调节点的侦听和休眠周期。

（2）可扩展性

与其他网络相比，无线传感器网络具有动态性特点，其节点数目、拓扑结构处于不断变化中。由于网络的节点会动态性地变化，因此无线传感器网络的MAC协议必须具备可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。

（3）优化网络性能

无线传感器网络的关键性能指标不是独立存在，而是相互影响，在提高一种性能的同时可能会降低其他性能。因此，在设计MAC协议时只考虑一两种性能指标，没有综合各种指标使之达到最好的性能。

（4）公平性

每个节点都有相同的权利来访问信道。每个节点的能量消耗保持大概的平衡，从而延长整个网络的寿命。

（5）信道共享方式问题

一般来说，信道共享方式问题就是介质访问控制问题。按照不同的条件可以分为多种介质访问控制方式。但是，不同类型的MAC协议在节能、可扩展性和网络效率等方面的性能又各有不同。

（6）协议简单高效

MAC协议本身应该简单高效，快速收敛，避免协议开销大、消耗过多的能量。

（7）分布式算法

由于单个无线传感器节点的计算能力和存储能力受限，需要众多节点协同完成某项应用任务，所以MAC协议运行分布式算法可以有效地提高网络运行的效率。

（8）可靠性

数据链路层的MAC协议肩负着保证网络可靠运行的重任，必须保证可靠的数据链路传输，因此MAC协议在设计时必须考虑可靠性保障问题。

综上所述，对于无线传感器网络信道接入的研究，其关键就是设计出优秀的MAC协议，在上述的这些因素中折中选取。