4.1 无线传感器网络IEEE 802.15.4协议
IEEE 802.15.4协议（简称802.15.4协议）是针对低速率无线局域网络、无线传感器网络而制定的，该标准中所规定的物理层和MAC层由于极大地满足了无线传感器网络的要求而被认为是目前最适合无线传感器网络的通信协议。在物理层，该协议规定了信号的成型方式、调制方式、扩频方式等，主要实现信道能量检测、信号质量提示、信道切换、收发数据帧等功能；在MAC层，该协议规定了信号的帧结构、接入方式、碰撞避免方式等，能够提升数据传输速率，减少数据包的丢失。
IEEE 802.15.4协议支持信标不使能网络和信标使能网络两种MAC层运行模式。信标不使能网络指设备通过无时隙的载波监听碰撞避免（CSMA/CA）机制发送数据。信标使能网络引入超帧的概念，由协调器周期性地产生信标，实现协调器和设备的时间同步，确认个人区域网络（PAN）及设备间的通信连接，PAN通过定义信标帧的内容来实现对超帧的控制，并周期广播。网络采用严格的时间同步，分时隙进行通信，可以在竞争访问时段（CAP）采用CSMA/CA机制通信，在非竞争访问时段（CFP）采用保障时隙（GTS）机制通信。下面具体介绍IEEE 802.15.4协议中，选用超帧结构为周期组织无线传感器网络内设备的通信。
无线传感器网络允许可选择性地使用超帧（superframe）结构。超帧的格式由协调器决定，在使用超帧结构的模式下，协调器会根据环境条件周期性地发送信标帧（beacon），信标帧可以用来识别个域网、同步个域网中的设备和描述超帧结构等。超帧由两个信标帧界定，包含在一个超帧长度（BI）里，分为一个活跃期（active）和一个非活跃期（inactive）。如图4.1所示，活跃期与超帧活跃长度（SD）相对应，分为16个时间段，由CAP和CFP组成，在非活跃期，协调器将进入低功耗模式，以节省电力资源。超帧的工作周期（DC）定义为DC=SD/BI。超帧的结构由两个属性指定，即信标参数（BO）和超帧参数（SO），BO指定协调器可以通信信标帧的时间周期，SO指定活动部分加上信标帧的持续时间。BO和SO满足0≤SO≤BO≤14。BI和SD由以下公式确定：
BI=aBaseSuperframeDuration×2BO
SD=aBaseSuperframeDuration×2SO
图4.1 IEEE 802.15.4协议的超帧结构
在CAP期间，节点利用时隙CSMA/CA机制来竞争媒体访问。时隙CSMA/CA采用二进制指数回退（BEB）算法作为一种降低无线信道碰撞概率的方法，算法流程如图4.2所示。BEB算法的操作如下。在进行任何传输尝试之前，需要初始化3个参数，即回退阶段数（NB）、竞争窗口（CW）和回退指数（BE），这些参数分别用0、2和mac MinBE（mac Min BE是802.15.4协议中定义的一个MAC属性，默认值为3）初始化。之后，节点从[0，2BE-1]范围内选择一个随机的持续时间后退，一旦退出期限到期，节点将进行两个明确的信道评估（CCA1和CCA2）。CCA的数量由参数CW控制，只要CW不为零，CCA就会进行。如果任一CCA显示信道繁忙，CW被重置为2。在开始传输之前，CCA需要检查无线媒体是否没有任何活动，只有当发现在两个CCA期间信道是空闲的（假定当前CAP的剩余时隙足够传输包及其ACK），包才开始传输，否则，节点必须延迟包传输到下一个超帧。但是，如果任意一个CCA显示信道繁忙，则BE的值将增加1，直到mac Max BE（mac Max BE是在802.15.4协议中定义的一个MAC属性，默认值为5）达到最大值，然后节点再次后退。也就是说，NB增加1，可以达到mac MaxCSMABackoffs（mac MaxCSMABackoffs是一个定义在802.15.4协议中的MAC属性，默认值为4）的最大值。如果达到最大值，则除非数据包传输成功/失败或数据包重传开始，否则不能更改。在这种情况下，BE被重置为mac MinBE。如果超过mac MaxCSMABackoffs，数据包将被丢弃，BEB进程将重新开始。一旦数据包成功传输，接收节点就会发送回一个ACK数据包。如果没有收到ACK报文，节点将尝试重传该报文。每次重试，都将重新应用完整的BEB过程。如果超过mac Max FrameRetries（mac Max FrameRetries是一个定义在802.15.4协议中的MAC属性，默认值为3），数据包将被丢弃。CSMA/CA使用的基本时间单位是a UnitBackoff Period。
CFP用于支持QoS要求（低延迟、特定数据带宽等）。CFP由许多保障时隙组成，需要专用带宽或低延迟传输的设备可以由PAN协调器在CFP中分配一个保障时隙。GTS在超帧的活动部分中紧随CAP开始。当设备希望使用GTS传输帧时，它首先检查信标帧上的列表，以查看是否为它分配了一个有效的GTS。如果找到一个有效的GTS，设备在GTS启动之前的某个时间启用其接收器，并在GTS期间传输数据。一个协调器最多可以分配7个GTS。具有指定GTS的节点在其GTS期间可以完全占用该信道。节点在其GTS期间的活动应该在下一个GTS开始之前或CFP结束之前完成。
图4.2 时隙CSMA/CA机制
802.15.4协议有几个对无线传感器网络有利的特点。特别地，后退机制是一种巧妙的方法，可以节省传感器节点的电力资源，同时减少通信介质上碰撞的可能性。节点在等待竞争介质的机会时保持睡眠模式，这样也可以节省电力。同时，让一些节点处于睡眠状态可以减少将要进行CCA的节点数量，从而减少数据包冲突的概率。此外，两个CCA周期的合并被用作保护ACK包不受碰撞的一种手段。换句话说，如果一个节点在另一个节点完成包传输的同时执行CCA1，第一个节点将感觉到信道是空闲的。因此，为了给第二个节点一个机会来接收它的ACK包，第一个节点需要执行另一个CCA，这样，802.15.4协议就隐含地采用了一种基于优先级的方法，在这种方法中，ACK包比其他数据包更受青睐。此外，增加BE背后的思想是找到合适的值，以便更好地适应信道上的回退时间。通过这种方式，节点逐渐调整它们的占空比，以减少遭受碰撞的可能性。从长期来看，节点会发现自己在获得信道（长期公平性）的机会方面受到了平等的对待。
然而，我们可以发现802.15.4协议具有几个弱点，这些弱点会导致协议的性能下降。BEB算法对业务实体的选择是随机的，没有考虑网络中可用节点的数量、介质上的通信活动水平（在选择业务实体时）以及分组冲突的可能性。有数据包要发送的节点总是以相同的方式逐渐增加BE。无论节点尝试访问介质多长时间，介质上当前可用的流量强度如何，或者节点流量有多紧急，都要这样做。此外，在成功传输、丢弃数据包或用尽最大传输重试次数后，BE会重置为最小值。这种重置是盲目进行的，没有考虑传输失败（或尝试失败）的原因。换句话说，所使用的BEB是无记忆的，因为它不保存关于网络状态或条件的信息。此外，我们可能会遇到节点睡眠过多的情况（因为对BE的选择是随机的），这可能会导致媒体在不必要的长时间内空闲。这对系统的吞吐量有直接影响。
此外，BEB的功能主要是确定性的，对网络中的变化（就网络规模、流量负载强度等而言）响应缓慢。该算法缺乏动态自适应能力，无法优化传感器节点的占空比，从而实现最小的功耗。而且，在当前CAP期间不能完成其事务的节点需要将其传输推迟到下一个CAP的开始。这种方法的问题是，在下一个超帧开始时，可能会有多个同时传输的数据，它们将争夺介质。这种情况会导致高概率的冲突，从而降低整个网络的吞吐量。802.15.4协议在饱和条件下（即当节点总是有数据包要发送时），短期内也可能表现不公平。这可以从未能访问介质的节点倾向于退避更长的时间（因为如上所述，BE不断增加），减少了其发送分组的机会来看出。然而，刚刚完成成功传输的节点会将其BE重置为最小值，这将导致更短的回退周期，从而提高访问介质的机会。也就是说，在许多情况下，最后一个成功的节点可能会因为其他节点而受到青睐。显然，在饱和条件下，我们将面临高速率的数据包冲突，这将导致过度功耗和吞吐量下降。
802.15.4协议也缺乏区分流量或节点优先级的措施。该标准考虑的唯一隐含的优先级与确认分组相关联，该确认分组被赋予比其他分组更高的优先级，没有使用特殊的规则来根据流量的紧急程度对其进行分类，也没有使用特殊的规则来根据节点访问介质的持久性对其进行分类。这种行为会加重节点的电力资源负担，因为某些节点在尝试访问时可能会持续不断，可能会以比其他节点更快的速度耗尽其电量。当谈到802.15.4协议对时间敏感型无线传感器网络的支持时，我们可以看到上面描述的GTS的重要特征。但是，该功能的设计有几个限制。GTS的资源非常有限，每个超帧中最多有7个全球定位系统可用，这对密集的无线传感器网络提出了一个主要的可扩展性问题。而且，具有低到达率的节点可以获取GTS（可以跨越15个时隙）。这意味着节点将无法充分利用GTS，重要的网络资源将被浪费。此外，全球地面运输系统是根据先到先得的原则授予的，因此，数据速率要求高的节点不会比数据速率要求低的其他节点更受青睐。
几项研究中强调的另一个缺点是802.15.4协议没有解决隐藏终端问题，即正在与目标节点通信的节点可能不知道另一个节点已经在向同一目标节点传输分组，而该节点由于超出其传输半径听不到。因此，会发生数据包冲突，并启动重传过程。这些程序会导致功耗增加。此外，隐藏终端问题会影响几个服务质量指标，如吞吐量、可靠性和传输延迟。802.15.4协议中的这些功能问题在无线传感器网络中是远远不能被接受的。因此，需要新的策略和算法来减少这些陷阱，从而实现更高效的性能。在实际部署基于802.15.4协议的无线传感器网络时，一个需要仔细关注的方面是该网络与其他无线网络的共存。共存问题会严重影响802.15.4协议的设计。
在实际部署中，基于IEEE 802.15.4协议的无线传感器网络在基于不同协议的其他无线网络附近运行。这种部署面临着干扰通信的挑战，因为这些协议类似于802.15.4协议，在2.4 GHz的工业、科学和医学（ISM）频带中运行，这些协议包括802.11协议（应用于无线局域网）和802.15.1协议（应用于蓝牙）。当2.4 GHz无线设备的操作在频率、空间或时间上重叠时，就会发生干扰。这种干扰会严重影响共存网络的性能。因此，需要减轻802.15.4协议在通信过程中受到的干扰和影响。从802.15.4协议的角度来看，有一些重要的方案被提出。例如，一个紫蜂网络与几个无线局域网网络并置，如何使前者找到一个无干扰的信道来开始其通信。调解方案由两部分组成，即信道状态观察部分和干扰调解部分。通过信道状态观察部分的即时消息检查通信信道，以评估网络遭到干扰的严重程度。如果严重性超过预定义的阈值，干扰调解部件将被激活。后者扫描可用信道，试图找到不重叠的信道，然后将它们分配给主要受干扰影响的网络。如果没有找到这样的信道，干扰调解部分会使用一种新的基于时分多址的干扰调解方案，该方案可以在处理可用网络（尤其是那些受到干扰严重影响的网络）时保持公平性。基本上，基于时分多址的方案允许在无线局域网PCF期间传输紫蜂数据，而无线局域网数据在紫蜂的非活动期间传输。也就是说，新的基于时分多址的方案利用新的超帧结构来解决干扰，其定义了一些方案来选择在新的超帧中无线局域网和紫蜂网络的时间占用率。这些方案根据可用网络是否需要在时间、吞吐量或数据传输方面得到公平对待来选择比率。结果表明，新的干扰调解方案能有效降低并置网络间的干扰效应。协调器节点承担着解决干扰问题的额外任务。此外，还应研究新方案的可扩展性。换句话说，无线传感器网络/无线局域网被拒绝进入受干扰影响区域的比率是多少？新方案如何降低这一比率？而且，不清楚即时消息是具有有限电源的传感器节点，还是具有丰富电源的节点。如果它是常规的传感器节点，那么它如何利用自己的电池就有一个严重的问题，因为它应该在没有睡眠周期的情况下管理无线局域网和紫蜂节点。另外，如果这是一个资源丰富的节点，其电力需求没有限制，则会出现严重的可扩展性问题。一种减轻802.15.4协议通信节点面临干扰的分散的方法被提出。这种方法基于在高干扰水平下对CCA阈值的自适应和分布式调整，考虑了3种共存场景：①802.15.4协议通信节点和802.11 b/g协议通信节点可以互相感知；②只有802.15.4协议通信节点可以感知802.11 b/g协议通信节点；③两个网络都不能感知对方的存在，但是当存在非常弱的802.15.4协议的通信链路时，802.15.4协议通信节点仍然可能遭受802.11 b/g协议的干扰。对于场景①，如果发生严重的802.11 b/g协议干扰，802.15.4节点将遭遇高信道接入故障和低冲突事件。在场景②中，802.11 b/g协议会导致通道访问失败和冲突。最后，场景③只能导致数据包冲突。过多信道接入失败的问题是节点被迫进行重复的CCA来发送单个分组，这导致功耗增加。因此，在802.11 b/g协议网络共存的情况下，目标是通过降低导致信道接入失败的干扰的影响来改善802.15.4协议网络的性能。这可以通过控制能量检测（ED）阈值来实现，CCA通过阈值来检查通信信道上的能量水平。在严重干扰的情况下，802.15.4协议通信节点将增加它们的ED阈值，这反过来减少了信道接入失败的数量。另外，随着干扰的减小，节点将把它们的ED阈值降低回初始值，以平衡所有节点之间的信道接入特权。但是，ED阈值的调整没有考虑802.11b/g协议通信节点的占空比，这可能会导致共存网络的数据包之间过度冲突。此外，随着ED阈值的增加，在传递数据包时会遇到一些延迟。
虽然共存问题是阻碍802.15.4协议发挥正常性能的主要因素之一，但该协议还存在其他弱点，可能会降低自身的性能。以下几类方法可以改进MAC层性能。
（1）基于参数调整的方法
基于参数调整的方法有利于最大限度地减少对标准的修改，以便在支持无线传感器网络的显著特征方面受益于其优势。因此，可以认为，只要参数调整得当，该标准可以实现卓越的性能。这些方法的好处是，它们试图避免引入新的开销，因为这些开销可能会给传感器节点平台带来额外的功耗。这些方法的缺点是它们往往是特定于应用的，并且可能需要传感器节点来解决优化问题，以便找到其参数的最佳调整方式，这可能导致额外的功耗。一些具体的实例如下。
第一，基于可靠性的角度对802.15.4协议的性能进行了综合分析。由于存在不可靠性这个问题，MAC层在成功到达目的地的数据包比例方面表现不佳。这种性能下降归咎于802.15.4协议媒体访问控制为节省传感器节点的功率资源而应用的功率管理机制（通过在超帧中使用CAP和CFP来实现）。这一点通过模拟研究启用或禁用电源管理时的数据包传递率得到了证实。为了克服这一缺陷，进行了额外的模拟，以了解802.15.4协议的默认属性（即mac MinBE、mac Max BE、mac MaxCSMABACKoffs和mac Max FrameRetries）对观察到的性能下降的影响。特别地，模拟中定义了3组CSMA-CA参数，即默认参数集（DPS）、标准参数集（SPS）和非标准参数集（NPS）。DPS采用802.15.4协议定义的默认参数值。SPS使用标准允许的最大值。NPS取决于超出标准允许最大值的值。所进行的模拟表明，在交付率和每包能耗方面，网络处理器实现了卓越的性能，尽管这些都是以增加延迟为代价的。所以，通过适当地调整标准媒体访问控制的参数，可以提高标准媒体访问控制的性能，这需要一组新的允许值。这一提议的好处是，避免了对802.15.4标准核心的任何修改，并提出了增强其整体性能的建议。
第二，提出了一种自适应MAC子层，以最小化功耗，同时实现可靠和及时的通信，其目标函数的作用是使总功耗最小化，并受到可靠性和数据包传递延迟的限制。决策变量被选择为媒体访问控制参数，即mac MinBE、mac MaxCSMABACKoffs和mac MaxFrameRetries。通过适当地调整决策变量可以延长网络寿命。
第三，提出了功率高效的MAC（Pe MAC）协议和带宽高效的MAC（Be MAC）协议，以优化802.15.4协议的性能。每个节点运行这些协议，以根据网络中的节点数量调整其本地争用参数。Pe MAC和Be MAC的目标分别是提高功率效率和带宽效率。然而，网络的大小不是一个直接控制的变量，因此，节点应该估计这个大小。这意味着需要使用自适应技术来调整争用参数，从而实现其最佳性能。于是在每个节点上实现一个查找表，以基于网络的估计大小来计算其争用参数，从而实现目标最佳性能。
第四，提出了指定802.15.4协议/紫蜂WSN内集群的超帧持续时间的策略。假设时分策略指定邻居协调器的活动部分在时间上如何不重叠，这意味着所有超帧都应该适当地偏移一定的偏移时间。本策略不要求对802.15.4协议的规范进行任何更改。假设最坏的情况是所有的协调器都有重叠的传输范围，所以，协调器不应在任何其他协调器的超帧期间发送其信标。这导致不同的超帧不能在时间上重叠，因此，当一个集群活动时，其余集群必须处于非活动模式。BI与数据包从一个集群传输到另一个集群时经历的延迟直接相关，因此，BI有一个上限。基于这些配置，设计了不同的策略来定义通用分层集群树网络中的可持续发展值。这些策略包括一个对所有协调器使用相同服务对象的策略，一个认为协调器的服务对象是其相关传感器服务对象的两倍的策略，以及一个使协调器服务对象与集群中产生的流量成比例的策略。在每种策略下研究网络的性能，研究发现，第3种策略能够实现网络中最高水平的吞吐量。
第五，提出了信标顺序自适应算法（BOAA），用于根据通信频率控制业务对象的值。BOAA是为星型拓扑的无线传感器网络设计的，由星型协调器运行。协调器监控周围传感器节点的通信行为，并自适应地调整业务对象。这样，协调器将能够通过适当调整其占空比来延长网络寿命。一旦协调器调用了BOAA，超帧就以低占空比进行调谐，以避免错过传感器消息。也就是说，在协调器开始启动时，业务对象被设置为零。协调器维护一个缓冲矩阵，以记录其星型网络中每个传感器的通信频率信息。矩阵中的每一行对应一个超帧步骤，而每一列指的是星型网络中的一个传感器节点。与每个节点相关联的行（即超帧步骤）是由协调器跟踪以了解每个节点通信活动的行。BOAA以周期工作，周期数等于超帧步数。显然，由于商业智能，每个步骤都遵循占空比模式。因此，两个连续步骤之间的时间取决于业务对象。这样，协调器调整业务对象，并将其发送到所有相应的传感器节点。对BOAA进行数学建模和模拟，以检验其性能，结果显示，BOAA实现了功率节省，并根据分组传递延迟进行了权衡。
（2）基于跨层的方法
基于跨层的方法倡导协议栈不同层之间的协作和信息交换，从而实现对MAC层参数的更好调整。虽然这些方法不一定会改变标准本身，但它们基于其他层提供的信息来配置其参数，因此可能会导致过度的延迟。除此之外，还要改变协议栈的体系结构，以便使用新的控制信道或层将配置数据从一层传送到另一层。这些方法的好处是它们致力于拥有一个优化传感器节点性能的综合解决方案。一些具体实例如下。
第一，提出了自适应接入参数调整（ADAPT）算法，这是一种用于无线传感器网络的跨层分布式框架，实现了802.15.4协议。ADAPT算法的目标是在无线传感器网络中实现可靠和节能的数据通信。另外，能耗完全取决于网络的运行条件，网络的运行条件本质上是非常动态的。因此，节约节点能量需要一个能够调整其参数的系统，从而延长网络的寿命。适配器采用适配模块，直接与紫蜂堆栈的所有层交互。为了便于交互，该模块被实现为垂直组件，可以直接访问协议栈的每一层。这种架构使适配模块能够从每一层收集信息，并优化节点的整体功能，因此，当应用层指定目标可靠性时，适配模块与MAC层交互，以使期望的可靠性成为可能的方式来调整其参数，即mac MinBE、mac MaxCSMABackoffs和mac Max FrameRetries。作者还提出了影响可靠性水平的主要因素，即争用和信道错误，并在ADAPT中引入了两种控制方案来减轻它们的影响。两种控制方案都调整媒体访问控制参数，使得可靠性被限制在特定的预定义范围内。ADAPT是针对单跳和多跳网络进行数学建模和仿真的。仿真结果表明，在每条消息的传递率和能耗方面，ADAPT的性能优于原802.15.4协议。
第二，提出了用于工业环境中的基于WSN控制应用的及时、可靠、节能和动态（趋势）跨层协议。集中跨层方法在捕获和利用不同协议层之间的复杂交互方面更有效，实现了更好的功能。TRade支持路由算法、MAC层和功率控制之间的协作，从而实现所需的可靠性和延迟。这是通过以最小化能耗为目标的优化过程来实现的。在TRade中，路由机制分为处理集群间通信的静态路由和处理节点间通信的动态路由。静态路由由遵循混合时分多址/CSMA方法的新型媒体访问控制协议支持。根据这种MAC协议，节点仅在与其簇相关联的时分多址时隙期间醒来发送/接收，这节省了更多的能量。时分多址周期的组织方式应考虑不同集群位置的不同流量模式。数据包在集群之间交换。在传输集群中，要发送数据包的节点进入监听状态。在接收集群中，每个节点向发送集群中的所有节点多播一个信标消息。接收信标的节点感知信道，一旦发现信道畅通，就将其分组单播给信标发送者。如果没有接收到信标，则发送集群中的节点要么继续监听下一个CSMA时隙，要么进入睡眠模式。汇聚节点负责根据可用流量和集群拓扑设置最佳操作参数（即唤醒概率、接入概率和时分多址时隙持续时间），并将这些参数传递给网络中的节点。仿真表明，TRade在可靠性、延迟、负载循环和负载平衡方面表现良好。
（3）基于IEEE 802.11协议的方法
基于IEEE 802.11协议的方法利用了BEB最初部署在IEEE 802.11协议中的事实。因此，迁移了一些为IEEE 802.11协议提出的解决方案，以便在802.15.4协议的环境中部署。这些方法预期在IEEE 802.11协议中被证明有效的解决方案应该在802.15.4协议网络中正常工作。这些方法的主要缺点是基于IEEE 802.11协议的算法没有考虑到以功率守恒作为主要要求。后者是基于802.15.4的无线传感器网络的关键要求。针对以上缺点，提出了对IEEE 802.11协议的背景下BEB的改进方式，称之为非重叠BEB（NO-BEB）。NO-BEB修改了BEB在访问失败后选择竞争窗口长度的方式。为了降低介质上的竞争水平，竞争窗口（W）是从范围[Wi-1，Wi]而不是[0，Wi]中随机选择的，其中Wi是第i回退阶段的竞争窗口。这种变化保证了不会出现与前一个范围（即[0，Wi]）重叠的情况。因此，经历不同数量的媒体访问失败的节点有更好的机会从非重叠区域获取不同的竞争窗口。NOBEB在仿真中使用马尔可夫链建模，在吞吐量、冲突概率和平均访问延迟方面的表现优于BEB。
（4）基于优先级的方法
基于优先级的方法通过识别节点访问介质的优先级来改进802.15.4协议。这些方法强调了这样一个事实，即该标准没有基于其流量的紧迫性对节点进行分类的特殊措施，节点被平等和公平地对待。一些具体实例如下。
第一，观察到802.15.4协议提供了一个与优先级无关的功能（这是由节点使用相同的争用访问参数造成的），开发了一个基于马尔可夫的CAP分析模型，其中允许不同优先级的节点使用不同的访问参数集。识别两种优先级：高优先级（1类）和低优先级（2类）。除了针对信道状态的马尔可夫链，还针对每个优先级开发了节点状态马尔可夫链。优先级或服务区分基于为1类节点分配竞争窗口1，为2类节点分配竞争窗口2。使用竞争窗口的这些设置，同时将其他退避参数保持在它们的标准定义的默认值，给高优先级节点更大的机会来访问介质。这是因为它们的小竞争窗口减少了它们的空闲信道感测的持续时间。
第二，提出区分CAP内的流量类别，以便为时间关键型消息提供区分服务。此方法基于对802.15.4协议参数mac MinBE、mac MaxBE和Winit（竞争窗口的初始大小）的适当调整。调整取决于帧是否被识别为高优先级。数据帧被视为低优先级，而命令帧（如报警报告和GTS请求）被视为高优先级。因此，节点根据其流量类型使用不同的参数设置。选择设置，以使高优先级帧的退避周期比低优先级帧的退避周期短。此外，当不同帧的队列建立时，使用优先级队列，以便首先选择较高优先级的帧进行传输。
第三，提出了GTS-TDMA算法，该算法旨在改进GTS调度，以识别不同优先级的节点。在GTS-TDMA中，节点不请求GTS，而是使用GTS分配方案将GTS分配给它们。网络被视为一个多级树，并为网络构建时分多址调度，该调度被构造成使得网络中的每个节点都达到最大数据速率。换句话说，GTS-TDMA算法寻求GTS的最佳分配，使每个节点提供所需的最大数据速率。
第四，解决了在非饱和条件下运行的基于802.15.4协议的无线传感器网络的服务差异问题，提出了两种机制，即竞争窗口区分（CWD）机制和退避指数区分（BED）机制，目的是支持基于优先级的无线传感器网络服务区分方案。在这些机制下，节点被分成不同的优先级。优先级根据要传输的数据包的重要性来识别。例如，需要高带宽并生成紧急数据的节点必须比其他节点具有更高的优先级。服务差异是通过竞争窗口的大小（使用CWD）和二进制指数（使用BED）的变化来实现的。对于CWD，具有不同优先级的节点被分配不同的竞争窗口，使得高优先级节点经历较短的竞争窗口，反之亦然。以同样的方式，BED为不同的节点优先级分配不同的二进制指数。BED和CWD都采用一种被称为退避计数器选择（BCS）的方案，该方案在任何CCA期间发现介质繁忙后，从缩短的范围（小于802.15.4协议中使用的范围）中选择下一个退避周期。缩短的范围使不同的节点有更好的机会选择不同的退避周期。
（5）基于占空比的方法
基于占空比的方法在超帧的活动和非活动期间管理节点对介质的访问，使得它变得更加节能。这些方法的优势在于，揭示了在不影响其他重要性能指标的情况下在WSN节省更多电力的额外机会。一些具体实例如下。
第一，提出了占空比学习算法（DCLA），以定义如何配置节点，从而在不同的流量条件下实现最佳的网络性能。DCLA减轻了对人工干预的需求，并以最小化功耗的方式调整了节点占空比，同时在成功的数据传输方面实现了卓越的性能。通过在协调器节点上运行，DCLA首先从不同的节点收集统计数据来估计传入的流量负载。基于收集的信息，强化学习（RL）框架用于决定要使用的占空比。基本上，反向链路依赖于与节点的重复交互，通过这种交互，选定的占空比被迭代更新，直到达到目标最佳性能的最佳占空比被命中。这样，DCLA可以实现一个完全自适应的系统，该系统可以根据介质状况自动校正其参数，而不需要任何符合不同应用特定要求的手动配置，使得DCLA可以减少安装、运行和管理的时间和成本。DCLA在协调器节点上作为软件运行，需要较小的内存和处理能力。仿真表明，与其他占空比适配方案相比，DCLA能够在能效、端到端延迟和成功概率方面实现更高的性能。
第二，提出了一种自适应CSMA/TDMA混合媒体访问控制协议，以提高802.15.4协议的吞吐量和能耗。观察到CSMA-CA在高交通负荷下表现不佳，因此，建议在超帧的CAP中加入时分多址（TDMA）的概念。换句话说，一个动态的TDMA周期被纳入CAP。协调器节点被分配任务自适应地将CAP划分为CSMA-CA时隙和TDMA时隙。划分基于节点队列的状态和无线介质上的冲突级别。数据队列的状态可以通过传输帧中的保留位得知。让协调器分配时分多址时隙解决了后者具有挑战性的同步问题，周期性发送的信标帧有助于解决这个问题。此外，由于目标场景是在高流量负载下运行的无线传感器网络，因此使用贪婪算法来分配时分多址时隙可以解决时分多址网络的已知问题，即通信信道的未充分利用。在CAP中包含时分多址时隙的主要优点是参与竞争的节点数量受到限制，因此，预计冲突会减少，这反映了吞吐量的提高。此外，由于节点遵循时分多址概念，它们不会争夺介质，因此它们的射频发射机会关闭，这有利于减少这些节点的能量消耗。然而，与802.15.4协议相比，除非超帧持续时间被仔细设置，否则CSMA/TDMA混合协议将导致端到端延迟增加。换句话说，当使用长超帧时，时分多址节点必须等待更长时间才能发送数据包，这将导致延迟增加。
（6）基于退避的方法
基于退避的方法通过设计新的退避算法，以更有效的方式控制节点的媒体访问，从而提高802.15.4协议的性能。这些方法中的许多设法使退避过程更加灵活和动态。一些具体实例如下。
第一，提出了一种分布式退避机制，以提高基于簇的无线传感器网络中802.15.4 MAC的传输性能。这一机制强调了信道接入拥塞的问题，该问题出现在在上一次CAP期间没有足够时间发送分组的节点中。这些节点将在下一个CAP开始的同时开始它们的分组传输，这将导致更高的冲突事件，因此会降低传输性能。为了减轻这种后果，在下一个CAP开始时，要求节点在CAP范围内的不同时刻开始它们的退避时段。节点应该使用常量BE，设置为默认的mac MinBE。退避的不同起始点由每个节点从分布窗口（DW）中随机选择。DW的长度可以是恒定的（CDW）或自适应的（ADW）。根据集群中经历的流量负载来调整ADW。也就是说，DW随着轻流量负载而缩小，反之则扩展。集群的协调器负责通知节点流量负载的繁重程度。通过仿真来检验这种新的退避机制在吞吐量和传输延迟方面的性能，结果表明，新机制的吞吐量直接受数据仓库长度的影响。DW的正确设置可以保证与传统802.15.4协议相当的吞吐量。新机制的有效性表现在它在大流量负载下减轻传输延迟方面优于802.15.4协议的能力。同样，DW的设置对后者的性能影响很大。
第二，提出了线性增加退避（LIB）方法，一种改进的CSMA/CA机制，以更好地服务于时间关键的应用。LIB的目标是在不影响能效和吞吐量的情况下提高数据包延迟方面的性能。引入LIB后的主要变化是，当两个CCA中的任何一个显示信道繁忙时，退避计数器呈线性增加，而不是指数增加。这种变化的动机是退避计数器的指数级增加可能迫使某些节点在能够开始其CCA之前等待一段延长的时间。这允许具有相对较短退避周期的其他节点更频繁地捕获介质。然而，退避计数器的线性增加可以保证退避周期保持在合理的长度，允许节点获得对介质的公平访问。LIB还要求对标准CSMA/CA算法进行其他更改。它规定，如果一个包不能在一个超帧内发送，它应该被丢弃，而不是被推迟到下一个超帧。在退避状态期间、成功传输结束时、超过重试限制时以及超过最大退避阶段数时，节点应该处于睡眠模式，而不是接收空闲模式。此外，LIB假设部署的传感器节点中的冗余可以消除使用确认分组的需要。一个综合的基于马尔可夫链的模型被开发出来用于分析LIB的特性。仿真结果表明，LIB能有效地降低延迟。此外，对于大规模网络和高流量密度，LIB在提高吞吐量和降低能耗方面显示出良好的效果。
（7）基于服务质量的方法
基于服务质量的方法旨在增强802.15.4协议的GTS特性。这些方法致力于设计更有效的GTS分配方案，能够以优化的方式分配全球贸易点，其目标是更好地利用请求节点专用的带宽。一些具体实例如下。
第一，提出了隐式GTS分配机制（i-GAME），以克服信标使能的802.15.4协议中与GTS分配机制相关的限制。在i-GAME中，多个节点将共享同一个GTS，而不是将单个GTS分配给一个请求节点，前提是PAN协调器可以形成一个符合共享节点要求的时间表。这意味着，与标准相反，不同的节点将以动态方式受益于每个超帧中共享GTS的时隙。i-GAME操作取决于请求节点的流量规格和延迟要求以及可用的GTS资源。节点将不再请求固定数量的时隙。相反，它们将自己的流量规格和延迟要求发送给协调器。协调器使用该信息来运行准入控制算法，该算法评估可用的GTS资源并根据评估结果做出响应。如果协调器可以创建一个满足其要求的时间表，请求将被接受；否则，请求将被拒绝。
第二，提出了一种GTS分配方案，旨在提高无线体域传感器网络的可靠性和带宽利用率。该方案基于以最小化带宽需求为目标的优化问题，定义了一个依赖于节点包生成速率的优先级度量，节点需要检查它们的缓冲区，以查看它们是否有大于定义的阈值的数据包数量。这一步帮助节点设置它们的优先级。它们向协调器提出的GTS分配请求中包括后一种信息。协调器在CAP期间收集这些请求，然后解决分数背包优化问题，以根据节点优先级更好地分配GTS。
（8）基于隐藏终端分辨率的方法
基于隐藏终端分辨率的方法增强了802.15.4协议的识别能力，使其更清楚隐藏终端的存在。一些具体实例如下。
第一，提出了跨层检测和分配（CL-DNA）方案，以解决基于802.15.4协议的无线传感器网络中的隐藏终端问题。CL-DNA不会在数据传输中引入任何额外的控制开销。CLDNA依赖于PHY层和MAC子层的操作。一旦发生数据包冲突，PHY层会从冲突信号中检测出相关节点的地址。节点地址的检测是根据802.15.4协议的能量检测（ED）功能来完成的。这样，可以识别隐藏的节点，然后，MAC层利用地址验证过程对隐藏终端的地址进行另一次检查，并将确认的地址添加到隐藏设备地址列表（HDAL）。HDAL在为隐藏终端准备不重叠的时间表时非常有用，这样冲突的可能性就大大降低了。
第二，提出了H-NAMe策略，这是一种用于集群无线传感器网络的隐藏终端避免机制。H-NAMe采用分组策略，将节点分开，以避免传输区域重叠。在集群内级别，定义了一个分组策略，将节点分成组，这些组在CAP期间有不同的通信时间窗口。这种分组保证了属于不同组的节点可以传输而不会面临隐藏的终端冲突。然而，这种策略不能保证相邻簇中的节点不会引起隐藏终端问题。因此，为了避免集群间隐藏终端的情况，我们需要一个集群间分组策略。后者指的是定义不同的集群组，允许这些集群的节点在同一时间窗口内进行通信。通过一个实验测试平台对其性能进行了评估，结果表明，在吞吐量、能耗和成功概率方面，H-NAMe可以有效地优于802.15.4协议。