无线传感器网络MAC协议
时间：2008-03-19 来源：zcwuwei
无线频谱是无线移动通信的通信介质，是一种广播介质，属于稀缺资源。在无线传感器网络中，可能会有多个节点设备同时接入信道，导致分组之间相互冲突，使接收方无法分辨出接收到的数据，浪费信道资源，吞吐量显著下降。为了解决这些问题，就需要MAC(介质接入控制)协议。所谓MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。
在无线传感器网络中，为了实现多点通信，由MAC(Medium Access Control)介质访问控制层协议决定了局部范围无线信道的使用方式，以及多跳自组织无线传感器网络节点之间的通信资源分配，也就是说必须实现两大基本功能目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享介质的访问，以便传感器网络节点能够公平有效地分享通信资源。由于传感器网络独特的资源限制和应用需求，传统的MAC协议不再适合于无线传感器网络应用范例，如对于一个基于基础设施的蜂窝系统，其MAC协议的设计基本目标是提供高质量的服务质量(QoS)和带宽效率，且主要致力于资源分配策略。而无线传感器网络没有像基站一样的中央控制机构，况且网络节点的有效节能直接影响无线传感器网络的使用寿命，因此在设计无线传感器网络的MAC协议时，有几个方面问题值得重点关注：能量感知和节省；网络效率(包括公平性、实时性、网络吞吐率和带宽利用率等)；可扩展性。尽管蓝牙(Bluetooth)、移动自组织网络(MANET)和无线传感器网络在通信基础设施上有相似的地方，但由于网络寿命的制约，没有哪个现存的蓝牙或移动自组织网络MAC协议可以直接用在无线传感器网络。相比之下，除了节能和有效节能外，移动性管理和故障恢复策略也是无线传感器网络MAC协议首要关注的问题之一。尽管移动蜂窝网络、Ad-hoc和蓝牙技术是当前主流的无线网络技术，但它们各自的MAC协议不适合无线传感器网络。GSM和CDMA中的介质访问控制主要关心如何满足用户的QoS要求和节省带宽资源，能耗是第二位的；Ad-Hoc网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接，同时兼顾一定的QoS要求，能耗也不是其首要关心的；而蓝牙采用了主从式的星型拓扑结构，这本身就不适合传感器网络自组织的特点。
目前，由于研究人员针对不同的无线传感器网络应用，没有采用统一的MAC协议分类方式，但是大体依据标准分为三种，如根据网络拓扑结构方式(分布式和集中式控制)；使用单一或多信道方式；采用固定分配信道还是随机访问信道方式。已有参考文献也将无线传感器网络MAC协议分为三类：确定性分配、竞争占用和随机访问。前两者不是传感器网络的理想选择。因为TDMA固定时隙的发送模式功耗过大，为了节省功耗，空闲状态应关闭发射机。竞争占用方案需要实时监测信道状态也不是一种合理的选择。随机介质访问模式比较适合于无线传感网络的节能要求。本书采用的是根据信道分配使用方式将无线传感器网络MAC协议分为基于无线信道随机竞争方式和时分复用方式及基于时分和频分复用等其他混合方式三种。
1) 无线信道随机竞争接入方式(CSMA)
节点需要发送数据时采用随机方式使用无线信道，典型的如采用载波监听多路访问(CSMA)的MAC协议，需要注意隐藏终端和暴露终端问题，尽量减少节点间的干扰。
2) 无线信道时分复用无竞争接入方式(TDMA)
采用时分复用(TDMA)方式给每个节点分配了一个固定的无线信道使用时段，可以有效避免节点间的干扰。
3) 无线信道时分／频分／码分等混合复用接入方式(TDMA／FDMA／CDMA)
通过混合采用时分和频分或码分等复用方式，实现节点间的无冲突信道分配策略。
1 基于竞争的MAC协议
基于无线信道随机竞争方式的MAC协议采用按需使用信道的方式，主要思想就是当节点有数据发送请求时，通过竞争方式占用无线信道，当发送数据发生冲突时，按照某种策略(如IEEE802.11 MAC协议的分布式协调工作模式DCF采用的是二进制退避重传机制)重发数据，直到数据发送成功或彻底放弃发送数据。由于在IEEE802.11 MAC协议基础上，研究者们提出了多个适合无线传感器网络的基于竞争的MAC协议，故本小节重点介绍IEEE802.11 MAC协议及近期提出改进的无线传感器网络MAC协议。
1．IEEE802.11 MAC协议
IEEE 802.11 MAC协议是IEEE 802.11无线局域网(WLAN)标准的一部分(另一部分是物理层规范)。其主要功能是信道分配、协议数据单元(PDU)寻址、组帧、纠检错、分组分片和重组等。IEEE 802.11 MAC协议有两种工作方式：一种是分布式协调功能(Distributed Coordination ，DCF)；另一种是中心点协调功能(Point Coordination，PCF)。由于DCF是采用竞争接入信道的方式，而且目前IEEE 802.11 WLAN有比较成熟的标准和产品，所以目前在无线传感器网络研究领域，很多的测试和仿真分析都基于这种方式。由于在无线信道中难以检测到信号的冲突，故只能采用随机退避机制来减小数据冲突的概率。在DCF方式下，节点采用CSMA／CA机制和随机退避等待时间算法实现无线信道共享。对于单向通信都采用立即主动确认机制(ACK帧)，即当没有收到ACK帧，则发送方会继续重传数据。而PCF方式是基于优先级的无竞争访问，通过访问接入点协调节点的数据收发，通过轮询方式查询当前哪些节点有发送数据请求，并在适当时候给予节点数据发送权。
DCF是用于支持异步数据传输的基本接入方式，它以“尽力而为”(Best Effort)方式工作。DCF实际上就是CSMA／CA(带冲突避免的载波侦听多址接入)协议。为什么不用CSMA／CD协议呢?因为冲突发生在接收节点，一个移动节点在传输的同时不能听到信道发生了冲突，自己发出的信号淹没了其他的信号，所以冲突检测无法工作。DCF的载波侦听有两种实现方法：第一种实现是在空中接口，称为物理载波侦听；第二种实现是在MAC层，称为虚拟载波侦听。物理载波侦听通过检测来自其他节点的信号强度，判别信道的忙闲状况。
节点通过将MAC层协议数据单元(MPDU)的持续时间放到RTS、CTS和DATA帧头部来实现虚拟载波侦听。MPDU是指从MAC层传到物理层的一个完整的数据单元，它包含头部、净荷和32bit的CRC(循环冗余校验)码。持续期字段表示目前的帧结束以后，信道用来成功完成数据发送的时间。移动节点通过这个字段调节网络分配矢量(NetworkAllocation Vector，NAV)。NAV表示目前发送完成需要的时间。无论是物理载波侦听还是虚拟载波侦听，只要其中一种方式表明信道忙，就将信道标注为“忙”。
接入无线信道优先级用帧之间的间隔表示，称做IFS(Inter Space)，它是传输信道强制的空闲时段。DCF方式中的IFS有两种：其一为SIFS(Short IFS)；另一个为DIFS(DCF-IFS)，DIFS大于SIFS。一个移动节点如果只需要等待SIFS时间，就会比等待DIFS时间的节点优先接入信道，因为前者等待的时间更短。对于DCF基本接入方式(没有使用RTS／CTS交互)，如果移动节点侦听到信道空闲，它还需要等待DIFS时间，然后继续侦听信道。如果此时信道继续空闲，那么移动节点就可以开始MPDU的发送。接收节点计算校验和确定收到的分组是否正确无误。一旦接收节点正确地接收到了分组，将等待SIFS时间后回复一个确认帧(ACK)给发送节点，以此表明已经成功接收到数据帧。如图3-1所示表明在DCF基本接入方式中，成功发送一个数据帧的时序图。当一个数据帧发送出去的时候，其持续期字段让听到这个帧的节点(目的节点除外)知道信道的忙时间，然后调整各自的网络分配矢量NAV。这个NAV里也包含了一个SIFS时间和后续的ACK持续期。
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前面已经提到一个节点无法知道自己的发送产生了冲突，所以即使冲突产生，也会将MPDU发送完。假如MPDU很大，就会浪费宝贵的信道带宽资源。解决的办法是在MPDU发送之前，采用RTS／CTS控制帧实现信道带宽的预留，减少冲突造成的带宽浪费。因为RTS为20字节，CTS为14字节，而数据帧的最大为2346字节，所以RTS／CTS相对较小。如果源节点要竞争信道，则首先发送RTS帧，周围听到RTS的节点从中解读出等待的持续时间字段，相应地设置这些节点的网络分配矢量NAV。经过SIFS时间以后，目的节点发送CTS帧。周围听到CTS的节点从中解读出等待的持续时间字段，相应地更新它们的网络分配矢量NAV。一旦成功地收到CTS，经过SIFS时间，源节点就会发送MPDU。周围节点通过RTS和CTS头部中的持续期字段更新自己的NAV，可以缓解“隐藏终端”问题。如图3-2所示表示了 RTS／CTS交互，然后发送MPDU的时序图。移动节点可以选择不使用RTS／CTS，也可以要求只有在MPDU超过一定的大小时才使用RTS／CTS，或者不管什么情况下均使用RTS／CTS。一旦冲突发生在RTS或者CTS，带宽的损失也是很小的。然而，对于低负荷的信道，RTS／CTS的开销会增加时延。
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在大的MPDU从逻辑链路层传到MAC层以后，为了增加传输的可靠性，会将其分片(Fragment)发送。那么怎样确定是否进行分片呢?用户可以设定一个分片阈值(Fragment_Threshold)，一旦MPDU超过这个阈值就将其分成多个片段，片段的大小和分片阈值相等，其中最后一个片段是变长的，一般小于分片阈值。当一个MPDU被分片以后，所有的片段按顺序发送，如图3-3所示。信道只有在所有的片段传送完毕或者目的节点没有收到其中一个片段的确认(ACK)的时候才被释放。目的节点每接收到一个片段都向源节点回送一个ACK。源节点每收到一个ACK，经过SIFS时间，再发送另外一个数据帧片段。所以，在整个数据帧的传输过程中，源节点一直通过间隔SIFS时间产生的优先级来维持信道的控制。如果已经发送的数据帧片段没有得到确认，源节点就停止发送过程，重新开始竞争接入信道。一旦接入信道，源节点就从最后未得到确认的数据片段开始发送。如果分片发送数据的时候使用RTS／CTS交互，那么只有在第一个数据片段发送的时候才进行。RTS／CTS头部中的持续期只到第一个片段的ACK被接收到为止。此后其他周围的节点从后续的片段中提取持续期，来更新自己的网络分配矢量NAV。
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CSMA／CA的冲突避免的功能由随机指数退避过程实现。如果一个移动节点准备发送一个数据帧，并且侦听到信道忙，节点就一直等待，直到信道空闲了DIFS时间为止，接着计算随机退避时间。在IEEE 802.11标准中，时间用划分的时隙表示。在时隙ALOHA中，时隙和一个完整分组的传输时间相同。但是在IEEE 802.11中，时隙远比MPDU要小得多，与SIF时间相同，被用来定义退避时间。需要注意的是，时隙的大小和具体的硬件实现有关，通常包括发射启动时间、介质传播时间及检测信道的响应时间等。这里将随机退避时间定义为时隙的整数倍。开始时，在[0，7]范围内选择一个整数，当信道空闲了DIFS时间以后，节点用定时器记录消耗的退避时间，一直到信道重新忙或者退避时间定时器超时为止。如果信道重新忙，并且退避时间定时器没有超时，节点就将冻结定时器。当定时器时间减到零时，节点就开始发送数据信息帧。假如两个邻近或者更多个邻近节点的定时器时间同时减到零，就会发生冲突。每个节点必须在[O，15]范围里面，随机选择一个整数作为退避时间。对于每一次重传，退避时间按22+irandom()增长，其中i是节点连续尝试发送一个MPDU的次数。经过DIFS空闲时间以后的退避时间称为竞争窗口(ContentionWindows，CW)，CW是处于标准规定的aCWmin和aCWmax之间的整数随机数。这种竞争信道的方式的优点是提高了节点之间的公平性。一个节点每当发送MPDU的时候，都需要重新竞争信道。经过DIFS时间之后，每个节点都有同样的概率接入信道。当多个节点推迟且进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者，从而占用共享信道资源发送数据。
2．其他基于IEEE802.11改进的MAC协议
尽管传统的基于CSMA方式的MAC协议也是基于载波监听和退避机制，但它们并不太适合无线传感器网络，因为它们都基本假设了随机分布的业务，并且趋向于支持独立的点到点的业务流。此外，无线传感器网络的MAC协议必须支持可变的而且高度相关和可控的周期业务。任意基于CSMA的MAC机制都有两个重要组成部分：监听和退避机制。实际上，无线传感器网络MAC协议关注的基本问题主要还是能耗管理，而射频通信模块是能耗的最大部件，而MAC协议直接控制射频通信模块，对无线传感器网络节点节能具有重要的影响。
(1) S-MAC／DSMAC
W.Ye等通过实验证实了无线传感器网络无效能耗的四大来源：空闲监听，由于节点不知何时邻居节点会向自己发送数据，射频通信模块一直处于接收状态，消耗大量能量；数据冲突，邻居节点同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确接收，重发数据造成能量浪费；串扰，接收和处理无关的数据；控制开销，控制报文不传送有效数据，消耗节点能量。在IEEE802.11MAC协议基础上，W.Ye等提出了第一个完全针对无线传感器网络设计的MAC协议S-MAC(Sensor MAC)，具有有效节能、扩展性和冲突避免三大优点。S-MAC协议对网络做了三大基本假设：拥有很多小的传感器节点；采用Ad-hoc网络配置；节点致力于协作完成一个或多个共同任务。此外，对于无线传感器网络应用，S-MAC协议还假设了网络能够容忍一定的通信延迟；具有较长的空闲周期(直到检测到事件发生为止)；应用关注网络的寿命。针对上面提到的四种能量浪费因素，S-MAC采用的主要应对机制如下：
1) 周期监听和睡眠机制
S-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。监听／睡眠阶段持续时间根据应用可调，当节点处于睡眠阶段就关掉无线电波以节省能量，但需缓存这期间收到的数据以便工作阶段集中发送并设置一个唤醒定时器。节点还需发送周期同步信息以同步邻居(通过虚拟簇方式)，相邻节点也可采用相同的监听／睡眠策略，新节点也可加入进来，节点还需要广播它们各自的监听／睡眠计划，这样使得S-MAC具有良好的扩展性。S-MAC协议采用RTS／CTS／DATA／ACK机制发送数据，发送数据期间不会进入睡眠阶段。该机制存在不足的是由于采用周期睡眠会带来一定的通信延迟，此外会占用大量存储空间缓存数据，这在资源受限的无线传感器网络显得尤为突出，如图3-4所示给出了S-MAC协议周期性监听和睡眠。
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2) 冲突和串音避免机制
为了减少冲突和避免串音，S-MAC采用了物理和虚拟载波(使用网络分配矢量NAV)监听机制和RTS／CTS握手交互机制。与IEEE802.11 MAC协议不同的是当邻居节点正在通信时，S-MAC协议节点直接进入睡眠阶段；当接收方节点处于空闲并正在监听周期时，就会被唤醒。串音分组通常是不需要的分组，它随着节点密度和业务负载增加而变得更加严重，因而造成能量浪费。串音可以通过更新基于RTS／CTS的NAV来避免，当NAV不为零就进入睡眠阶段，从而避免串音现象发生。一个可以遵循的原则就是当发送方和接收方的所有邻居在节点发送数据期间监听到RTS／CTS后就应当进入睡眠阶段。
3) 消息传递机制
S-MAC协议采用了消息传递机制以很好支持长消息的发送。对于无线信道，传输差错和消息长度成正比，短消息传输成功的概率要大于长消息。消息传递技术根据这一原理，将长消息分为若干个短消息，采用一次RTS／CTS交互的握手机制预约这个长消息发送的时间，集中连续发送全部短消息，既可以减少控制报文开销，又可以提高消息成功发送率。IEEE802.11 MAC与S-MAC协议不同的是考虑了网络的公平性，RTS／CTS只预约下一个短消息发送的时间，其他节点在每个短消息发送完成后都不需醒来进入监听工作阶段，只要发送方没有收到某个短消息的应答，连接就会断开，其他节点便可以开始竞争信道。
4) 流量自适应监听机制
在多跳无线传感器网络中，节点周期性睡眠会导致通信延迟的累加。S-MAC协议采用了流量自适应监听机制，减小了通信延迟的累加效应。主要思想就是在一次通信过程中，通信节点的邻居节点在通信结束后不立即进入睡眠阶段，而是保持监听一段时间。如果节点在该时间段内收到RTS分组，则可立即接收数据，无须进入下一次监听工作周期，从而减少了数据分组的传输延迟。如果这段时间没有收到RTS分组，则转入睡眠阶段直到下一次监听工作周期。
DSMAC协议是在S-MAC协议基础上引入了动态工作周期特征，旨在减少延迟敏感应用的传输延迟。在SYNC同步期间，所有节点共享一跳的延迟值(指当接收到进入队列的一个分组与其传输之间的时间间隔)，且开始都是相同的工作周期。如图3-5所示给出了DSMAC协议工作周期加倍的原理。当一个接收节点发现平均一跳延迟值较高时，就决定缩短其睡眠时间并在SYNC期间广播该消息。对应地，当发送节点收到睡眠时间缩短信号，则检查其队列的发往接收方的分组。如果存在一个分组且电池高于规定的阈值时，就决定将其工作周期加倍。
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DSMAC协议工作周期加倍后使得邻居的调度将不受影响。这样其传输延迟要优于S-MAC协议的延迟。此外，对于每个分组而言，DSMAC协议拥有更低的平均功耗。
(2) T-MAC
T-MAC(Timeout-MAC)协议是在S-MAC协议基础上改进的，也将时间分为帧，帧长度固定，监听工作长度可变。作者认为空闲监听的能耗占前面提到的四种无效能耗中绝对大的比例，特别是在消息传输频率较低的情况下。T-MAC协议规定了五种事件和一个计时器TA，根据TA确定监听工作阶段的结束时间。五种事件分别是：帧长度超时，即周期时间定时器溢出；节点在无线信道收到数据；通过接收信号强度指示RSSI感知数据传输冲突；节点的数据或确认发送完成；通过监听RTS／CTS确认邻居节点完成数据交换。如果在TA内，通信模块没有监听到这五种事件中的任何一种，就认为信道进入空闲状态。节点就关闭无线电波通信模块，进入睡眠阶段。为了减少空闲监听能耗，可以采用低能耗监听技术。T-MAC协议节点周期性地短时间监听信道，以确定信道空闲状态。如果无线信道空闲，节点再次进入睡眠阶段。如果信道忙，节点继续监听信道，直到数据接收完毕或信道再次空闲。节点在发送数据时，帧前加入唤醒前导，使得接收节点在帧的数据部分发送前进入工作状态，以接收数据。加入唤醒前导，增加了发送和接收数据的控制开销，但减少了空闲监听的能耗。大家知道，S-MAC协议的周期长度受限于应用延迟要求和节点缓存大小，活动时间主要依赖于消息速率。这样就存在一个问题：延迟要求和缓存大小通常都是固定的，而消息速率是变化的。如果要保证及时可靠的消息传输，节点活动时间必须适应最高通信负载。当负载较小时，节点处于空闲监听时间相对增加。针对此问题，T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态调节活动时间，用突发方式发送消息，从而减少空闲监听时间。相对于S-MAC，T-MAC协议减少了处于活动阶段的时间。在每个活动阶段的开始，T-MAC按照突发方式发送所有数据，其中TA决定每个周期最小的空闲监听时间，它的取值对于整个协议性能至关重要，如图3-6所示。
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由于无线传感器网络存在业务汇聚的数据单向通信情况，T-MAC协议存在一种特殊的通信延迟，即早睡(Early-sleep Problem)问题。如图3-7所示，假设节点A沿路线A→B→C→D传输数据到节点D。如节点A首先获得竞争优先权发送数据RTS消息给节点到B，B收到RTS后应答CTS消息。节点C收到B发出的CTS消息立即转入睡眠阶段，等节点B接收完数据才醒来，以便接收节点B发给它的数据。D由于不知道节点A和B之间的通信存在，故节点A→B的通信结束后就处于睡眠阶段，节点C只有等到下一个工作周期才能传数据给节点D，这样就存在一个通信延迟，即早睡现象。
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为克服上面的目的节点早睡问题，T-MAC协议又提出了两种解决方案：第一种方法是在节点C和A分别引入FRTS(Future Request-To-Send)和DS(Data-Send)分组。节点C收到B发给A的CTS分组后立即向下一跳节点D发出FRTS，其中包含D接收数据前需等待的时间，节点D必须睡眠该等待时间后才能唤醒接收数据。节点A收到CTS分组后需发送一个与FRTS等长度的分组DS才能实现对无线信道的占用，节点A在DS分组之后就可发送数据消息了。尽管FRTS方法提高了数据吞吐率，但带来了额外的分组FRTS和DS通信开销。第二种方法就是满缓冲区优先策略(Full Buffer Priority)。当节点缓冲区快要满时，对收到的RTS不予应答，而立即向目标接收者发送RTS消息，并传输数据给目标节点。该方法优点是减小早睡问题发生的可能性，起到一定网络流量控制作用，然而增加了网络冲突的可能性。
(3) Sift
Sift协议是K.Jamieson等提出的基于事件驱动的无线传感器网络MAC协议，不同于上面IEEE802.11和其他基于竞争的MAC协议，它充分考虑了无线传感器网络的三个特点：大多数传感器网络是事件驱动的网络，因而存在事件检测的空间相关性和事件传递的时间相关性；由于汇聚节点的存在，不是所有节点都需要报告事件；感知事件的节点密度随时间动态变化。
Sift协议设计的目的是当共享信道的N个传感器节点同时监测到同一事件时，希望R个节点(R≤N)能够在最小时间内无冲突地成功地发送事件检测消息，抑制剩余(N-R)个节点的消息发送。Sift协议不但保留了S-MAC和T-MAC协议都具有的尽可能让节点处于睡眠阶段以节省能量的功能。而且，由于无线传感器网络的流量具有突发性和局部相关性，Sift协议很好地利用了这些特点，通过在不同时隙采用不同的发送概率，使得在短时间内部分节点能够无冲突地广播事件，从而在节省能量的同时也减少了消息传输的延迟，这是和以往的MAC协议的最大不同之处。
通常一般的基于窗口的竞争性MAC协议中，当有数据需要发送时，节点首先在发送窗口[1，CW]内的概率随机选择一个发送时隙；然后节点监听直到选择的发送时隙到来。如监听期间没有其他节点使用信道，则节点立即发送数据，否则需在信道空闲时重新选择发送时隙。当多个节点选择相同一个时隙时就会发生冲突。多数协议都是规定冲突节点倍增CW值，并在新窗口内重新选择发送时隙，以增大无冲突发送的概率。但是，这种方法使无线传感器网络存在新的问题：当多个节点同时监测到同一事件，并同时发送数据时，导致事件区域内节点同时闲忙，忙时竞争加剧，需要经过很长时间来调整CW值，以适应发送节点的数目；如果CW值很大，而同时监测同一事件的节点数目很少时，就会造成报告事件的延迟较大；此外，CW取值是为了保证所有活动节点都有机会发送数据，而无线传感器网络只需N个活动节点中有R个节点能够无冲突地报告事件。Sift协议采用的是CW值固定的窗口，节点不是从发送窗口选择发送时隙，而是在不同时隙中选择不同发送数据的概率。因此，关键在于如何在不同时隙为节点选择合适的发送概率分布，使得监测到同一事件的多个节点能够在竞争窗口前面各个时隙内无冲突地发送数据消息。
Sift协议工作过程如下：当节点有消息发送时，首先假定当前有N个节点与其竞争发送。如果在第一个时隙内节点不发送消息，也无其他节点发送消息，则节点就减少假想的竞争发送节点的数目，并相应地增加选择在第二个时隙发送数据的概率；如果节点没有选择第二个时隙，且无其他节点在该时隙发送消息，则节点继续减少假想的竞争发送节点数目，并进一步增加选择第三个时隙发送数据的概率。依次类推，节点在选择第r个时隙发送数据的概率Pr为：
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式中，α为分布参数(0<α<1)。如果选择时隙过程中有其他节点发送消息，节点就进入重新开始竞争过程。Sift协议就是通过非均匀概率分布将优胜节点从整个竞争节点中筛选(Sift)出来的。式(3-1)中参数α选择与N和CW值相关。具体设置见参考文献[13]。
Sift协议和S-MAC以及T-MAC协议一样只是从发送数据的节点考虑问题，对接收节点的空闲状态考虑较少，需要节点间保持时钟同步，特别适合于传感器网络内局部区域使用，如分簇结构网络。簇头可以一直处于监听状态，这样节点发送消息给一直处于活动状态的簇头节点，通过簇头节点的能量消耗换来消息传输延迟的缩短。
(4) WiseMAC
由于T-MAC协议在帧前加入了唤醒前导，这样就引入了控制开销。为了将控制开销压缩到最小，WiseMAC协议在数据确认分组中携带了下一次信道监听时间，节点获得所有邻居节点的信道监听时间。在发送数据时可以将唤醒前导压缩到最短。
考虑节点时钟的漂移，唤醒前导长度TP=min(4θL,TW)。其中，θ是节点的时钟漂移速度，L是从上次确认分组到现在的时间，TW是所有节点监听信道的时间间隔。尽管WiseMAC协议能够很好地适应网络流量的变化，但是节点需要存储邻居节点的信道监听时间，会占用大量存储空间，并增加协议实现的复杂度，对于高密度的无线传感器网络，该问题较为突出。
(5) B-MAC
B-MAC(Berkeley-MAC)协议采用信道估计和退避算法分配信道，通过链路层保证传输可靠性，利用低功耗技术减少空闲监听，实现低功耗通信。
信道估计凭借对接收信号强度指示RSSI，采用指数加权移动平均算法计算出信道的平均噪声，再将一小段时间内的最小RSSI值与平均噪声相比较，从而确定信道的冲突状态。退避算法根据应用需求可以选择初始退避和拥塞退避两种方式。
(6) IEEE 802.15.4 MAC协议
IEEE 802.15.4为无线传感器网络的应用提供了一种低成本、低功耗和低速率的无线联网的标准。该标准不但定义了物理层，即可以有三种频率选择(2.4GHz、915MHz和868MHz)，而且也规定了MAC层协议采用CSMA／CA的竞争性接入方式。为降低功耗，采用了缓存节能机制，如图3-8所示。节点周期监听信道，接收信标(Beacon)帧，当没有数据接收和发送时就进入睡眠阶段。网络协调者暂时缓存发往睡眠节点的数据，并定期发送信标帧，信标帧携带了这些缓存数据的目的节点的地址。当节点发现网络协调者缓存了发往自己的数据之后，向其发送轮询帧(Poll)，表明自己可接收数据了。当网络协调者收到轮询帧后，首先向节点发送确认帧(ACK)，然后发送缓存的数据。收到数据后，节点再向网络协调者发送确认帧。
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(7) BMA协议
BMA协议适合于分簇的无线传感器网络，分为簇建立和稳定两个阶段。在簇建立期间，节点是根据剩余能量多少来选择簇头节点的。所有当选簇头通过非持续的CSMA方式向其他节点广播当选通告。其他节点收到通告后根据接收信号强度决定加入哪一个簇。经过一段时间系统进入稳定工作阶段。该阶段由若干定长的会话组成，每个会话包括竞争阶段、数据传输阶段和空闲阶段。竞争阶段所有节点都打开通信模块，竞争数据传输阶段。竞争阶段之后，簇头建立数据发送调度策略并向簇内节点广播数据发送调度策略，这样每个需要发送数据的节点获得了一个确定的发送时间。各个节点只有在自己的发送时问内打开通信模块，向簇头发送数据，其余时间都转入睡眠阶段。如果一个长会话内没有节点发送数据，那么数据传输阶段长度为0。簇头收到簇内节点数据后，需要进行数据融合，并向汇聚节点发送。相比于传统的TDMA和有效节能的TDMA协议(节点在分配给它的时隙里没有数据发送就将无线电通信模块关掉)，BMA协议最大的贡献就是使得平均分组延迟大大减小。
此外，除了上面主要关注节能和延迟的MAC协议外，Woo和Culler提出了一个新的基于CSMA的无线传感器网络的MAC竞争协议，考虑了有效节能和公平性问题，没有引入额外的控制分组开销，并从仿真实验证实了采用固定的监听周期策略且在退避期间关掉无线电波方式较为节能，而且引入随机延迟使得无线传感器网络对于避免数据的反复冲突提供了鲁棒性。他们还提出了一种自适应传输速率控制机制，实现了公平性和较好的吞吐性能。
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