ABSTRACT

CONTENTS 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 9.2 Wireless Sensor Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

9.2.1 Wireless Sensor Network Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 9.2.2 Power Consumption of a Sensor Node . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 9.2.3 Communication Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

9.3 Concepts and Fundamentals of Wireless MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9.3.1 Requirements and Design Constraints for Wireless MAC Protocols . . . . 234 9.3.2 Classification of Wireless MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

9.4 Medium Access for Wireless Sensor Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 9.4.1 Sources of Energy Consumption in a Wireless Sensor Network . . . . . . . . . 235 9.4.2 Wireless Sensor MAC Design Requirements and Trade-Offs . . . . . . . . . . . 237

9.5 Classification of Wireless Sensor Network MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 9.5.1 Unscheduled MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

9.5.1.1 Multichannel MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 9.5.1.2 Application-Oriented MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.5.1.3 Multi-Path Data Propagation MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.5.1.4 Rendezvous-Based MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.5.1.5 Preamble-Based MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

9.5.2 Scheduled MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 9.5.2.1 Slotted Contention-Based MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 9.5.2.2 Time Division-Based MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 9.5.2.3 Reservation-Based MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 9.5.2.4 Priority-Based MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

9.5.3 Hybrid MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 9.5.3.1 Preamble-Based Hybrid MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 9.5.3.2 Reservation-Based Hybrid Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9.5.3.3 Traffic-Sensitive Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9.5.3.4 Clustering-Based MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

9.5.4 Quality-of-Service-Specific MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 9.5.4.1 QoS Control for Sensor Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 9.5.4.2 An Energy-Efficient QoS-Aware MAC Protocol for Wireless

Sensor Networks (Q-MAC) Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 9.5.5 Cross-Layer MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

9.5.5.1 MAC+ PHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 9.5.5.2 MAC+Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 9.5.5.3 Network + PHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 9.5.5.4 Transport + PHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 9.5.5.5 3-Layer Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

9.6 IEEE 802.15.4/ZigBee MAC Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 9.6.1 IEEE 802.15.4/ZigBee Protocol Stack Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 9.6.2 ZigBee Network Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 9.6.3 Superframe Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 9.6.4 Data Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 9.6.5 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

9.7 Open Research Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 9.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

A Medium Access Control (MAC) protocol defines rules to access and control the shared medium and plays a critical role in the efficient and fair sharing of wireless bandwidth. The nature of the wireless channel brings new issues like location-dependent carrier sensing, time-varying channel, and burst errors. Low power requirements add new challenges. Wireless MAC protocols have been heavily investigated by the research community and several protocols have been proposed. Protocols have been devised for different types of architectures, different applications, and different media.