无线传感器网络的MAC协议综述
无线传感器网络-MAC协议
FDMA的应用
FDMA频分多址采用调频的多址技术，业务信 道将不同的频段分配给不同的用户。FDMA适 合大量连续非突发性数据的接入，单纯采用 FDMA作为多址接入方式已经很少见。 除中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话 网采用FDMA和TDMA两种方式的结合外，广 电网中的的通信中也采用了时分多址的接入方 式
竞争窗口 竞争窗口
802.11 MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制提高性能。在主动确认机 制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧(DATA)时，必须向源节点 发送一个应答帧(ACK)，确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点在发
送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用SIFS帧间隔（为什么？）
所谓的CSMA/CA机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质 中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数
据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。
这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。 在IEEE 802.11 MAC协议基础上，人们设计出适用于传感器网
CDMA的特点
CDMA码分多址是采用数字技术的分支——扩频通 信技术发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术 ，它是在FDMA和TDMA的基础上发展起来的。 FDMA的特点是信道和时间资源共享，每一子信道 使用的频带互不重叠；TDMA的特点是独占时隙， 而信道资源共享，每一个子信道使用的时隙不重叠 ；CDMA的特点是所有子信道在同一时间可以使用 整个信道进行数据传输，由于有地址码区分用户， 所以对频率、时间和空间没有限制，在这些方面他 们可以重叠，因此，信道的效率高，系统容量大。
的节点作为竞争优胜者。
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无线传感器网MAC层协议研究综述
重庆邮电大学研究生堂下考试答卷2016-2017学年第1学期考试科目无线传感器网络姓名李明年级2016专业电子与通信工程2016年12 月19日无线传感器网MAC层协议研究综述李明（重庆邮电大学通信与信息工程学院电子信息与网络工程研究院）摘要：无线传感器网络是一种由多个节点通过无线自组织方式构成的网络。
其中MAC协议是无线传感器网络不可或缺的部分。
本文主要研究无线传感网络的MAC层协议。
主要介绍了几种主流的典型MAC协议，并简单的分析和比较这些协议的优缺点以及使用范围，重点研究近两年对WSN的MAC协议的成果，最后阐明了无线传感器网MAC层协议发展趋势。
关键词：无线传感器网络；MAC；时延；低能耗A Review of MAC Protocols in Wireless Sensor NetworksMing Li(Chongqing University of Posts and Telecommunications College of Communication and Information Technology Institute of Electronic Information and Network Engineering）Abstract：Wireless sensor networks (WSNs) are a kind of network composed of multiple nodes by wireless self-organization. MAC protocol is an indispensable part of wireless sensor network. This paper mainly studies the MAC layer protocol of wireless sensor network. This paper mainly introduces several typical MAC protocols in the mainstream, and analyzes and compares the advantages and disadvantages of these protocols and the scope of their use. It focuses on the results of MAC protocols over the last two years, and expounds the development trend of MAC protocols in wireless sensor networks. .Key words：Wireless sensor network; MAC; delay time ;low energy consumption1研究背景上世纪90年代由美国率先提出“国家智能交通系统项目计划”，旨在运用传感器技术、无线通信技术及嵌入式计算机信息处理技术将全球建立成一个全方位的实时、高效、精确的交通运输综合管理系统。
无线传感器网络MAC协议_物联网关键技术_[共8页]
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542．红外通信优点是：无需天线、无需申请频谱、不受电器设备干扰。
红外收发器简单，便宜。
PDA 和无线电话提供红外通信接口。
缺点是要求发射器和接收器间视线无遮挡、传输必须定向、传输距离短（1m）。
3．无线电通信无线电传输可以使用ISM（工业、科学、医学）频段，其中某些部分已经用于无绳电话和无线局域网（WLAN），频率分配见表2-1。
由于传感器网络对尺寸、价格、功耗的限制，以及天线效率和功耗的折衷，使得频率只能选择在超高频（UHF）频段。
在欧洲推荐使用433MHz ISM频带，在北美推荐使用915MHz ISM频带。
ISM频带使用自由，频带宽，便于实现节能。
很多传感器网络硬件基于RF电路。
例如，μAMPS无线节点使用与蓝牙兼容的2.4GHz收发器。
表2-1 ISM频段分配频段说明13.553～13.567MHz26.957～27.283MHz40.66～40.70MHz433～464MHz 欧洲标准902～928MHz 美国标准2.4～2.5GHz 全球WPAN/WLAN5.725～5.875GHz 全球WPAN/WLAN24～24.25GHz无线电通信的难点之一是天线尺寸。
为了保证收发效率，天线尺寸应为λ/4左右，λ是载频波长。
设尺寸为1mm，则载频应选75GHz，相应的器件价格昂贵。
第二个困难是减小调制、滤波、解调的能耗。
无线电通信的优点为：市场成熟、使用方便。
影响能耗的因素有调制制式、应用方式、数据速率、发射功率。
为有效管理能源，无线通信一般设置4种工作模式：发射、接收、空闲、休眠。
有3种调制方式：OOK、ASK、FSK。
OOK是ASK的特例，常用于传输控制信号，具有简单、便宜、节能（发“0”时空闲）的优点。
FSK在存在干扰时性能好，但更复杂、更昂贵。
ASK抗干扰好于OOK，比FSK简单、便宜。
OOK和ASK需要有自调整阈值或自动增益控制（AGC），FSK则不需要。
Mica2节点采用Chipcon的CC1000，是甚低功率CMOS收发器，传输速率最高为76.8kbit/s，有UART接口连接微控制器，低功耗方式电流为0.2μA。
第3章 无线传感器网络的MAC协议汇总
节点的休眠调度问题
要解决的问题 每个周期侦听多次时间 侦听的时间过长，能量浪费; 侦听时间过短，增大传输迟延 需要协调各节点的侦听和休眠周期，使收发节点保持 同步，避免节点在休眠时错过发送给它的数据
32
协议的复杂度问题
如果协议设计得过于复杂，这种协议开销就会非常大， 将造成很大的能量浪费
33
复杂度与性能间的折中问题
在复杂度与性能之间寻找最佳折中方案
34
性能指标间的折中问题
为了降低功耗，可能会增大消息或数据的迟延
35
3.3 无线传感器网络的MAC协议
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3.3.1竞争型MAC协议
S-MAC 竞争型
T-MAC
WSN MAC协议 非竞争型
SMACS
DEANA
混合型
Funneling-MAC
每个DATA都有ACK保障传输成功
当一个分段没有收到ACK响应时，节点便自动将信道预 留向后延长一个分段传输时间，并重传该分段。
整个传输过程中DATA和ACK都带有通信剩余时间信息，邻 居节点可以根据此时间信息优点：
1. 减少了节点空闲监听的能量损耗
2. 减少了串扰和控制数据包带来的能量损耗
多跳通信网络中，节点的周期性休眠会导致通信延迟 的累加
流量自适应监听机制：
在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信结束后唤 醒并保持监听一段时间； 如果节点在这段时间接收到RTS帧，则可以立即接收数据， 而不需要等到下一个监听周期。
优点：减少了两个节点间的数据传输延迟
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SMAC协议关键技术--消息冲突与串扰避免
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基于竞争机制的无线传感器网络MAC层协议的研究综述
的发射机和接收机将启动一个分组传输。ＳＴＥＭ使目 标节点的接收机对源节点发射机引起重视的方法有
两个：Ｓ１＇ＥＭ—Ｂ和ＳＴＥＭ—Ｔ。
ＳＴＥＭ—Ｂ中．源发射机在唤醒信道周期性地发送
表明了源发射机和目标接收机的ＭＡＣ地址的信标．
而没有先期的载波监听。一旦接收机接收到该信标．
它立即向唤醒信道发一个确认帧（使发射机停止发
Ｗｕｈｅ Ｃｕｌｌｅｒｍ研究了ＣＳＭＡ协议的一些变化形
式。着重研究了这些协议的内在能量消耗和公平性．
但该协议没有采取任何措施以避免空闲监听或偷听
的发生。 ＣＳＭＡ协议的目标网络和ＳＴＥＭ目标网络具有
相同的通信量模式。当一个节点从其上层得到一个待
发送的新分组时．会启动一个随机延迟．并将次数计
数器置０。在后续的监听阶段．节点进行载波侦听操
与ＩＥＥＥ８０２．１ ｌ ＭＡＣ相比．Ｓ—ＭＡＣ协议尽量延长 其他节点的休眠时间．降低了碰撞概率，减少了空闲 侦听所消耗的能源：通过流量自适应的侦听机制。减 少消息在网络中的传输延迟：采用带内信令来减少重 传和避免监听不必要的数据：通过消息分割和突发传 递机制来和带内数据处理来减少控制消息的开销和 消息的传递延迟。因而Ｓ－ＭＡＣ协议具有很好的节能 特性．这对无线传感网络的需求和特点来说是合理 的．但是由于ｓ＿ＭＡＣ中占空比固定不变．因此它不能 很好地适应网络流量的变化．而且协议的实现非常复 杂，需要占用大量的存储空间。这个对于资源受限的 传感器节点尤为突出。 １．４ Ｔ—ＭＡＣ协议
作。如果媒体为忙状态．且试验的次数小于设定的最
现 大值，则节点进入回退模式；如果媒体处于忙状态。且 代 节点已经用尽最大试验次数，则将分组丢弃。如果媒
计 体是空闲的．则节点发送ＲＴＳ分组并进入“等待Ｃ１ｓ
无线传感器网络低功耗MAC协议综述
（Ⅲ）
为了保证每个节点的唤醒时刻都是可预测的，PW-MAC协议中要 求每个节点按照一定的随机算法来计算自己每一次的唤醒时间。 同时，为了避免节点之间产生的唤醒时间序列重合，这就要求节 点的唤醒时间序列完全随机分布; 因此，为了保证发送节点能准 确预测接收节点的下一次唤醒时间，在协议中每一个节点采用相 同的伪随机算法来生成伪随机序列，来决定下一次唤醒的时间间 隔。目前比较适合无线传感器网络应用的伪随机算法主要是线性 同余算法LCG(Linear Congruence Generator) ，其计算公式为: Xn+1=(aXn+c) mod m (1)
（I）
WSN的MAC协议设计原则或目标是： （1）能量有效性。 （2）可扩展性。 （3）应用相关性。 应用相关性体现在对数据延迟、数据吞吐率、带宽利用率等指 标上，不同的应用对这些指标的需求也不同。这些指标是传统无线 网络中首要考虑的因素，在无线传感器网络中则成为次要的考虑因 素。一般情况下，MAC协议的能量使用效率与数据延迟、吞吐率等 指标之间是一个折衷平衡的关系。要获得较高的能量使用效率，就 必须以数据延迟等其它性能指标为代价。如何在节能与其它指标之 间取得平衡是无线传感器网络MAC协议设计的一个重要问题。
（Ⅱ）
with all of these sender-initiated protocols, a sender often shows much larger duty cycle than a receiver, transmitting the preamble until the receiver wakes up
（Ⅱ）
• • • •
Receiver-initiated wakeup beacons Avoid long sender-initiated preambles Immediately wakes up leading to a large sender duty cycle Idle listening until the receiver wakes up
无线传感器网络MAC协议
延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧 固定周期调度后全监听周期，发现邻居
RTS操作和TA的选择
发送RTS未收到CTS，应再发送一次
TA >竞争信道时间 +RTS发送时间 +CTS准备时间
A Contend RTS CTS
DATA
ACKΒιβλιοθήκη BC Contend
Contend
TA
图 1-3 TMAC基本数据交换
ACK
图 1- 6接收RTS节点优先
PMAC协议-基本思想
SMAC调度占空比固定，TMAC早睡问题
引入模式信息，节点能够通过模式信息提前获知 邻居的下一步活动，调度都根据模式信息来进行
SMAC协议的优缺点
优点 通过睡眠机制减少了空闲侦听的能量损耗，实现
简单，交换交换时间表减少了同步所需要的开销。 缺点
广播数据包并没有使用RTS-CTS，这样就增大 的冲突碰撞的可能性，自适应可能会导致空闲侦听 和窃听（overhearing），睡眠和监听的周期是预先定 义的，并且固定的，这样在复杂多变的网络负载条 件下，这种策略的效率会大大降低。
基本思想
发送时主动抢占，CSMA方式（载波侦听多路访问）
–
CSMA/CA主要使用两种方法来避免碰撞：
送出资料前，侦听媒体状态，等沒有人使用媒体，维持一段時间后，再等待一段 随机的时间后依然沒有人使用，才送出资料。由于每个裝置采用的随机时间不同， 所以可以减少碰撞的机会。
–
送出资料前，先送一段小小的请求传送封包（RTS : Request to Send）給目标
基本思想
周期性睡眠和监听 ；协商一致的睡眠调度机制（虚拟簇） 自适应的侦听机制，减少信息的传输延迟 消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息
无线传感网络MAC协议
Data prediction
问题：如果节点C有两个子节点(A，B),都有一个数据需 要发送，如果A通过竞争方式获得信道，并且发送数据，这 个数据是没有被标注more data flag,此时节点C就会睡眠， 导致节点B只能在下个周期发送数据，造成传输延迟。 解决方法：节点C在接受到节点A的数据之后，默认假设节点 A还会有数据要传输给它，因此它会先睡眠3u个时间，然后 醒来看有没有数据传送给它，如果没有，则进入睡眠状态， 直到下个周期才醒过来。对于节点B，它在竞争失败进入退 避时，如果收到一个ACK，他就知道有其他节点给节点C发送 了数据，并且节点C会在3u时间后醒过来，那么节点B先睡眠 3u，然后再醒过来发送数据
其他的基于竞争的协议 ■ AC-MAC ■ TEA-MAC ■ asTEA-MAC ■ Sift ■…
小结
这类协议是基于节点的需求，节点有数据要发送时，通过 竞争信道的方式获得发送权，对网络拓扑的改变有较强的 适应性。然而这种接入方式会导致数据传输时冲突的发生 导致数据重传而浪费能量。通过睡眠的方法能够很大程度 上降低空闲侦听所消耗的能量，但会导致一定的时延。
无线传感器网络on) 基于非竞争的协议(contention free) 其它类型的MAC协议
基于竞争的协议
1.IEEE 802.11 MAC 协议
IEEE 802.11协议主要有分布式协调DCF和点协调PCF两种 基本访问控制方式，其中DCF方式是IEEE 802.11的基本控 制方式。
DMAC在数据MAC头标注了一个more data flag用来暗示还 有待传数据，接受方如果收到数据，发现标注了more data flag他会延长自己的活跃时间并且会在ACK上也标注 more data flag. 节点决定延长活跃时间有两个条件： 1.节点发送了一个标注more data flag的数据包并且收到 一个标注more data flag的ACK。 2.节点收到了一个标注more data flag的数据包
无线传感器网络的MAC协议全解
基于竞争的MAC层协议
T-MAC协议
解决早睡问题的方法之一——FRTSFuture Request To Send ◆节点C监听到B发送给A的CTS时;立即向D 发送FRTS;告知D所需等待时间;D睡眠后醒 来与C通信; ◆A在发送DS占用信道;DS与FRTS长度相同 无有效信息;DS发送后;A开始发送数据; ◆FRTS机制提高了网络吞吐量;增大了数据 量和碰撞概率
知其它可能隐蔽的站点的效果 避免了隐蔽站点造成的冲突
CSMA机制
MAC层CSMA/CA机制
数个节点进入退避阶段，如选择的退避时间一致，有可能会发生碰 撞，CSMA采用二进制指数退避机制规避再次碰撞。 ◆确定基本退避时间（基数），一般定为2T，即一个竞争窗口 ◆定义K为重传次数，K=min[重传次数，10] ◆从集合[0,1,2,···,2k-1]中，随机取出一个数R，令退避时间为 t=R×2T ◆如数据帧在重传16次后仍无法成功发送，则认为传输失败并报告 给高层协议
MAC层能耗来源
空闲侦听(Idlelistening)
◆射频模块处于活动状态会消耗大量的能源。这是节点能量消耗的 最主要来源，射频收发器处于接收模式时消耗的能量比其处于待命 模式多两个数量级。 ◆为避免冲突，节点也需要不断的侦听信道，查询信道是否被占用。 空闲侦听的代价也是很大的。
MAC层能耗来源
DMAC协议基本机制
基于竞争的MAC层协议
DMAC协议
自适应忙闲比机制
◆如果节点在一个发送周期内有多个数据包要发送，就需要该节 点和树状路径上的上层节点一起加大发送周期占空比 ◆通过在MAC层数据帧的帧头加入一个标记(more data flag)，以较小 的控制开销发送占空比更新请求。在ACK帧中加入同样的标记位 ◆节点提高忙闲比的条件：节点将相关标志位置1，或收到了该标 志位置1的ACK帧，传输路径上的节点依次提高忙闲比，增加了网 络的数据传输量。
无线传感网络Z-MAC协议
Z-MAC引言载波侦听多址访问协议(CSMA, Carrier Sense Multiple Access)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。
简述s-mac协议的基本内容
简述s-mac协议的基本内容S-MAC协议是一种用于无线传感器网络中的节能协议，它的全称是Sensor-MAC协议。
该协议旨在通过优化传感器节点的能量消耗，延长网络的生命周期。
下面将简要介绍S-MAC协议的基本内容。
1. 节能机制：S-MAC协议采用了一种分时睡眠机制，将节点分为活动期和睡眠期。
在活动期，节点进行数据传输和接收；在睡眠期，节点进入低功耗模式以节省能量。
节点会周期性地进行活动期和睡眠期的切换，以平衡能量消耗和数据传输需求。
2. 时钟同步：为了保证节点之间的协调工作，S-MAC协议使用了时钟同步机制。
节点通过周期性地进行时间同步，保证整个网络的时间一致性。
这样可以避免因时间差异导致的数据冲突和能量浪费。
3. 碰撞避免：为了避免数据传输过程中的碰撞，S-MAC协议引入了一种分布式协调机制。
节点在进行数据传输之前，会先进行信道监听，如果信道空闲则进行传输，否则等待一段随机时间后再次监听。
这样可以有效避免多节点同时传输导致的碰撞问题。
4. 数据预取：为了减少数据传输时的能量消耗，S-MAC协议采用了数据预取机制。
节点可以主动向周围节点获取一些预取数据，并进行缓存。
当需要传输数据时，可以直接从缓存中获取，避免了额外的数据传输和能量消耗。
5. 睡眠调度：S-MAC协议通过灵活的睡眠调度机制，根据节点的实时负载情况和通信需求调整睡眠期的长度。
这样可以根据网络的实际情况，动态地调整节点的能量消耗，进一步延长网络的生命周期。
6. 路由选择：S-MAC协议还包括了一种基于链路质量的路由选择机制。
节点通过监测周围节点的信号强度和传输质量，选择最优的路径进行数据传输。
这样可以避免能量消耗过大和数据传输过程中的丢包问题。
7. 休眠唤醒：为了进一步降低能量消耗，S-MAC协议引入了一种休眠唤醒机制。
节点在睡眠期间可以周期性地唤醒，进行一些必要的工作，如时钟同步、邻居节点更新等。
这样可以保证网络的正常运行，同时避免了长时间的能量浪费。
无线传感器网络MAC协议综述
无线传感器网络MAC协议综述摘要:在无线传感器网络体系结构中,MAC(medium access control)协议是保证网络高效通信的重要协议。
无线传感器网络有着与传统无线网络明显不同的性能特点和技术要求，它的设计目标是有效地使用网络节点的受限资源，以最大化网络的服务寿命，传统无线网络MAC协议无法应用于传感器网络，各种针对特定传感器网络特点的MAC协议相继提出。
本文首先简要介绍无线传感器网络的MAC协议，归纳无线传感器网络MAC协议的设计原则和分类方法，分析当前典型的各类MAC协议的主要机制，详细比较这些协议的特点、性能差异和应用范围。
最后总结无线传感器网络MAC协议的研究现状，并展望未来的研究。
引言：近几年来，随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，使得信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，能在低成本、低功耗、多功能的微型传感器内实现。
无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)就是由大量的廉价微型的传感器节点，通过无线通信方式形成的一个特殊的Ad hoc网络，广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。
WSN与Ad hoc网络相比，其WSN的特点是节点的电源能量和硬件资源有限、无中心自组织、数量众多分布密集、网络动态性强。
其中能耗问题是WSN中至关重要的问题，因此WSN的节点要求必须是低功耗的。
媒体介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议处于无线传感器网络协议的底层部分，主要用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络离效通信的关键网络协议之一。
无线传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的MAC协议。
因此，设计一个性能优越的MAC协议算法成为WSN研究的一个热点问题。
1 无线传感器网路的MAC协议概述1.1无线传感器网路的MAC协议设计原则在WSN中，节点能量有限且难以补充。
低功耗无线传感器网络的MAC协议研究
低功耗无线传感器网络的MAC协议研究近年来，随着无线传感器网络技术的不断发展，低功耗无线传感器网络（Low-power Wireless Sensor Networks，LWSN）在实际应用中被越来越广泛地使用。
而在LWSN中，传感器节点的功耗成为了一个极为关键的因素，如何降低传感器节点的功耗成为了一个值得研究的重要问题。
MAC协议作为无线传感器网络的网络接入层协议，对于整个网络的功耗具有至关重要的影响，因此MAC协议的研究也就变得尤为重要。
一、低功耗无线传感器网络的基本概念低功耗无线传感器网络（LWSN）是由大量具有处理、传感和通信功能的微型传感器节点组成的，它们分布在某一区域，通过无线通信网络相互沟通和协调，共同完成某项特定任务。
其中，传感器节点是LWSN的最小单元，由处理器、传感器、收发器、电源等组件构成。
在LWSN中，传感器节点的最重要的属性之一是能耗，它是节点寿命、数据传输范围、数据传输速度等多种指标的关键因素，因此降低传感器节点的能耗是提高LWSN整体性能的重要途径。
传感器节点的能耗与传感器节点的执行任务有关，例如，数据采集、数据处理、数据发送等任务都将消耗不同的能量，因此降低能耗需要从多个方面入手。
二、MAC协议在低功耗无线传感器网络中的作用在LWSN中，MAC（Medium Access Control）协议是无线传感器网络的网络接入层协议。
MAC协议的主要功能是控制数据包在网络中的传输，以实现网络中各个节点的协调和协同工作。
目前，低功耗无线传感器网络所使用的MAC协议主要包括：CSMA/CA协议、TDMA协议、 FDMA协议等等。
其中，CSMA/CA协议（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）是一种无线网络协议，采用了先听模式，使每个节点在发起数据传输之前必须先监听信道的空闲状态，它适合于轻负载级别的应用场景。
MAC协议在无线传感器网络中的应用研究
MAC协议在无线传感器网络中的应用研究无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是指由由大量专门用于感知和采集物理环境信息，并通过无线通信技术传输数据的分布式传感器组成的网络系统。
WSN具有分布式、自组织、低功耗等特点，因此在环境监测、智能交通、农业、医疗等领域具有广泛的应用前景。
无线传感器网络的典型应用场景包括数据采集和监测、无线测控、目标追踪、环境监测、智能运输、人机交互等。
本文主要研究MAC协议在无线传感器网络中的应用，旨在探讨MAC协议在提高WSN的功率效率、减少碰撞率等方面的优势。
一、 MAC协议简介MAC（Media Access Control）协议是一种用于在无线网络中掌控访问媒介的协议，其作用是在共享媒介的网络中提供适度的公平性和访问控制。
MAC协议控制着传输数据的流程，所以其设计必须关注网络的完整性和性能需求。
传感器网络中常见的MAC协议有S-MAC、T-MAC、LEACH等。
每一种协议都有其适用范围和性能优劣。
二、 MAC协议划分MAC协议可以划分为两个部分：时间划分和信道访问控制。
时间划分是指将时间划分为一系列的时隙，每一个时隙内只有一个节点可以使用信道。
信道访问控制是指节点访问信道的方式，在分时传输模式下，所有节点都按某一顺序和确定时间间隔传输数据。
在分段传输模式下，有时隙，则所有节点都在对应的时隙内传输数据。
三、 MAC协议的优势1. 降低能耗：由于WSN中大多数传感器节点都是由电池驱动并提供能量，因此在设计MAC协议时必须考虑到能耗的问题。
MAC协议通过降低休眠状态与工作状态之间的转换次数，降低丢包率，从而减少节点能耗。
2. 提高功率效率：分时传输模式下的MAC协议可以使用时间分频多址技术，使得每个节点在特定时隙内不会受到其他节点的干扰，从而减少了碰撞发生的概率。
3. 增强网络容量：MAC协议可以提高网络的容量，使得更多的节点可以同时进入局域网中。
无线传感器网络MAC协议
MAC协议：在WSN中，介质访问控制（Medium Access Control，MAC）协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。
多点通信在局部范围内需要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WSN的MAC协议时，需要着重考虑一下几个方面：A、节省能量。
MAC协议应在满足应用要求的前提下，尽量节省使用节点的能量。
B、可扩展性。
由于WSN的拓扑结构具有动态性，因此MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。
C、网络效率。
包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。
而在WSN中，人们总结出可能导致网络能量浪费的主要原因如下：一、如果MAC协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的过程中，可能会引起多个节点发送数据的碰撞，这就需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。
二、节点接受并处理不必要的数据。
这种串音（overhearing）现象导致无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。
三、节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听（idle listening），以便接受可能传输给自己的数据。
四、在控制节点间信道分配时，如果控制信息过多，也会消耗较多的网络能量。
传感器节点无线通信模块的状态包括发送状态、接受状态、侦听状态和睡眠状态。
能量消耗依次减少，因此通常采用“侦听/睡眠”交替的无线信道使用策略。
当有数据收发时，节点就开启无线通信模块进行发送或侦听；如果没有数据需要收发，节点就控制无线通信模块进入睡眠状态。
部分学者提出引入休眠机制来减少能量消耗、串音和冲突的发生，但这是以牺牲信息时延为代价的。
当然，MAC协议应该简单高效，避免协议本身开销大、消耗过多的能量。
下面重点介绍传感器协议(S-MAC协议)。
传感器协议（S—MAC协议）S—MAC协议设计的主要目的是节能。
无线传感器网络MAC协议通用课件
提供了相关的模拟和性能评估 结果，以支持对这两种协议的 理解和分析。
基于跳频扩频的mac协议案例分析
描述了FHSS、DSSS和CSS三种 基于跳频扩频的MAC协议的基本
原理和特点。
分析了FHSS、DSSS和CSS在无 线传感器网络中的应用场景和优
缺点。
提供了相关的模拟和性能评估结 果，以支持对这三种协议的理解
无线传感器网络mac 协议通用课件
目录
• 无线传感器网络概述 • mac协议基础 • 无线传感器网络mac协议的特点与挑战 • 无线传感器网络mac协议的核心技术
目录
• 无线传感器网络mac协议的优化与改进建议 • 无线传感器网络mac协议的案例分析
01
无线传感器网络概述
定义与特点
定义
无线传感器网络是指由一组能够自组织形成网络的低功耗、 微型、低成本传感器节点组成的网络系统，利用传感器节点 之间的无线通信和协作，实现对环境和物体的感知、监测和 控制。
理和特点。
分析了TDMA和FDMA在无线传 感器网络中的应用场景和优缺点
。
提供了相关的模拟和性能评估结 果，以支持对这两种协议的理解
和分析。
基于码分复用的mac协议案例分析
描述了CDMA和SC-CDMA两 种基于码分复用的MAC协议的 基本原理和特点。
分析了CDMA和SC-CDMA在 无线传感器网络中的应用场景 和优缺点。
基于竞争的mac协议案例分析
描述了CSMA和 CSMA/CD两种基于 竞争的MAC协议的 基本原理和特点。
提供了相关的模拟和 性能评估结果，以支 持对这两种协议的理 解和分析。
分析了CSMA和 CSMA/CD在无线传 感器网络中的应用场 景和优缺点。
无线传感器网络的MAC层协议
无线传感器网络的MAC层协议作者：孙智博来源：《科技风》2016年第12期摘要：无线传感网络正在兴起，它具备成本低廉、能量损耗低等特点。
通常用延迟，数据包传递速率（PDR），能量消耗来衡量无线传感器网络的性能。
按照分配信道的方法划分协议，可将MAC层的协议划分为竞争型访问，预留型访问和混合型的路由协议。
MAC协议对于无线传感器网络来说，如果设计合适，可以提高无线传感网络的性能。
关键词：无线传感器网络；MAC层协议一、WSANs的MAC层协议简介按照分配信道的方法划分协议，可将MAC层的协议划分为以下三种：竞争型访问协议，一般是所有节点共享一个信道，允许节点访问介质的限制很少，并且可以结合其他协议来减少信道中碰撞次数，比如DCF协议。
而预留型访问协议通过明确地调度数据包来防止竞争。
TDMA被认为是最适合的。
混合型的路由协议是结合以上两种方式。
一些WSAN MAC协议是基于TDMA。
TDMA机制就是为每个无线传感器网络节点分配独立的用于数据收发的时隙，而节点在其他空闲时隙内转入睡眠节能状态。
相比随机竞争接入机制，时分复用方式本身就更能节省能量，是实现信道分配的简单成熟机制，因为无线电波的工作时间缩短，而且没有任何竞争带来的开销和冲突。
基于TDMA机制的MAC协议具有如下优点：1）无竞争机制的冲突重传问题。
2）数据传输不需额外的控制信息。
3）节点在空闲时隙能够及时进入睡眠阶段。
混合型协议可以获得更好的性能，保持竞争期远小于数据传输期，从而减少碰撞，延迟和能源浪费。
ATMA算法优于传统的SMAC， TMAC和ADV-MAC算法。
在许多协议中，将一个帧划分为2个部分，Contention Window （CW）和Data Window。
CW的大小决定了MAC算法的效率。
已经很多人研究CW大小自适应问题，特别是在IEEE 802.11和IEEE 802.15.4协议中。
二、算法介绍首先，参考文献做出以下假设：1）将节点随机放置在一个矩形无障碍区域，节点间相互独立且静止。
无线传感器网络MAC协议综述
IEEE802.11 采用带冲突避免的载波侦听多路访问CSMA／CA协议，他可以作为基于竞争MAC协议的代表。
但是该协议要求射频部分一直处于侦听状态，消耗r大量的能量，不适合无线传感器网络。
S-MAC 美国加州大学信息科学院的wei Ye和Estrin等人在802．1lMAC 协议的基础上，提出了S-AC(SensorMAC协议)该协议主要针对无线传感器网络的节省能量要求。
S-AC协议通常假设传感器网络的数据传输量少，节点协作完成共同任务，网络内部能够进行数据处理和融合减少数据通信量，网络能够容忍一定程度通信延迟。
S-MAC协议就是为减少空闲侦听、冲突避免和减少控制开销而设计的，采用了工作／休眠策略，将时间分为帧，每一帧分为工作阶段和休眠阶段。
其主要采用以下儿种措施：(1)周期性侦听／睡眠：每个节点独立地调度他的工作状态，周期性地转入睡眠状态，睡眠期间关掉无线电收发部分，在苏醒后侦听信道状态，判断是否需要发送或接收数据。
如图2所示。
每个节点用SYNC消息通告自己的调度信息，同时维护一个调度表，保存所有相邻节点的调度信息。
具有相同调度的节点形成一个虚拟簇，簇的边界节点记录两个或者多个调度，如图3所示。
部署区域内，可能形成多个簇。
为了适应新节点的加入，每个都要定期广播自己的调度，使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。
(2)流量自适应侦听机制：通信节点的邻居节点在通信结束后不立即进入睡眠状态而是侦听信道一段时间，无须等待下一次调度，减少了多跳方式引起的传输延迟。
(3)串音避免：每个节点在传输数据时，都要经历RTS／CTS／DATA／ACK 的通信过程。
每个分组都有一个域值(NAV)表示剩余通信过程需要持续的时间长度。
若邻居节点处于侦听周期时，记录这个时间长度值，同时进入睡眠状态。
NAV变为0时，节点就被唤醒。
(4)消息传递：S-MAC协议利用RTS／CTS机制，一次预约发送整个长消息的时间，并把一个长消息分成许多短消息。
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2010届无线传感器网络论文题目: 无线传感器网络的MAC协议综述院系名称：通信学院专业班级：电子与通信工程8班学生姓名：郭鑫学号： S********* 指导教师：王恒教师职称：教授2010年12月26日摘要：无线传感网络作为汁算机、通信和传感器三项技术相结合的产物，已成为计算机与通信领域一个活跃的研究分支。
进行实时检测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息，具有极为广阔的应用和发展前景。
本文主要介绍了无线传感网MAC协议的特点以及分类，然后对其中MAC协议进行了一一介绍．并作了性能对比。
最后阐明了无线传感网基于竞争的MAC协议的发展趋势。
关键词：无线传感网络 MAC协议性能对比Title：General Analysis of Wireless Sensor Network MAC ProtocolsAbstract：Wireless sensor networks as juice calculate machine, communication and sensor three technical combination of computer and communication, has become an active field of research branch. Real-time detection, awareness and collecting network distribution area of all sorts of monitoring information about objects, is extremely broad application and development prospect. This article mainly introduced the wireless sensor network MAC protocols of characteristic and classification, and then to the one which MAC protocols are introduced. And performance comparison. At last illustrates wireless sensor network based on competition of MAC protocols development trend.Keyword：Wireless Sensor Network MAC protocols Comparative performance 1.绪论1.1 研究本课题的意义随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的日益成熟，无线技术的迅猛发展和人们对检测需求的多样化，人们所希望的是能够检测一定区域内的各种环境变量和被监控对象的详尽信息，通过对这些信息的综合处理和传输，使用户获得所需要的各种信息，于是人们提出了无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)的概念。
无线传感网能进行实时检测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息，具有极为广阔的应用和发展前景。
现已成为计算机与通信领域一个活跃的研究分支，受到人们的极大重视。
1.2 无线传感器网络的应用无线传感器网络是一种低成本、低功耗特殊的无线自组网，传感器网由大量具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器节点组成，这些传感器节点不但能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，而且可以处理收集到的探测数据，并将处理后的数据以多跳无线传输的方式送到数据收集节点(sink node)或基地台(base station)，从而实现“无处不在的计算”理念。
无线传感器网络在军事侦察、生物栖息环境监测、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域都有着广泛的应用前景，是近年来军事部门、工业界、学术界极受关注的技术。
1.3 论文结构安排本文总共分为六章，各章的主要内容介绍如下：第1章绪论。
概括了无线传感网的感念引入和应用领域，介绍了本课题的研究意义；第2章无线传感器网络的体系结构。
从无线传感器网络的体系结构入手分析了传感器网络协议栈和其区别于传统的无线网络的特点；第3章无线传感器网络MAC协议。
详细列举了目前常用的多种MAC协议，并对它们进行了详细比较，分析了它们的优缺点；第4章结论与展望。
在前几章基础上对无线传感网技术进行总结,无线传感网领域的研究工作的道路艰苦而漫长向。
2.无线传感器网络的体系结构无线传感器网络是随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步而新兴的一种多跳自组织的网络系统。
2.1 体系结构无线传感器网络由部署在感知对象内部或者附区域内的多个无线传感器网络节点组成，这些节点通过自组织方式构成无线传感器网络，以协作的方式实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析，并以多跳中继方式将数据信息传回网关节点，再通过网关节点通过因特网和卫星再将信息传递给用户。
一个典型的无线传感器网络的体系结构包括传感器节点、网关节点、互联网和用户管理等，如图1所示。
图1 无线传感器网络的体系结构传感器、感知对象和观察者是构成了无线传感器网络的三个要素。
信息获取者可以是传感网的用户，也可以是感知信息的感知和应用者。
可以是人，也可以是计算机或其它设备。
信息获取者将对获得的感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，甚至对网络采取相应的行动。
2.2 传感器网络协议栈网络协议结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。
虽然无线传感器网络与传统网络相比有很多不同的地方，但是其网络协议栈都可以划分成TCP／IP的五层模型，如表1所示。
其中，物理层遵照IEEE 802.15.4标准提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层又分成两个子层：逻辑链接控制层(LLC)和介质访问控制层(MAC)，主要负责数据成帧、帧检测、媒介访问控制和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；应2.3 无线传感器网络的特点作为一种新型网络，相比传统的无线网络，无线传感器网络具有如下特点：（1）大面积的空间分布比如在农业应用方面，可以将无线传感器网络部署在田地里检测农产品的生长情况，形成大面积的监视网络。
（2）能源受限制由于布置传感器的区域有些是在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中，几乎不可能更换电源，而网络中每个节点的电源是有限的，这要求网络功耗小，以延长网络的寿命。
（3）网络自动配置无线传感网是由对等节点构成的网络，不存在中心控制。
无线传感器网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的对等网络，管理和组网都非常简单灵活。
（4）网络的自动管理和高度协作性传感器可以分布在很广泛的地理区域，感知的范围也很大。
在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，每个节点仅知道自己邻近节点的位置和标识，传感器网络通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信，具有很强的协作性。
（5）传感器网络的拓扑结构变化快传感器网络自身的特点使得传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法的有效性提出了挑战。
此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化，导致网络拓扑结构十分复杂。
（6）通信能力有限传感器网络的传感器的通信覆盖范围只有几十到几百米，通信带宽窄而且经常变化，而且由于更多地受到地理、地势、地貌以及天气等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线不能正常工作。
3.无线传感器网络MAC协议无线传感器网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的对等网络，WSN没有中心控制器，所有节点分布式运行，共同承担网络的构造和管理功能，具有很强的容错性和鲁棒性。
同时，这些网络特性也给WSN协议的设计和使用带来很大的挑战。
MAC协议处于无线传感器网络协议的底层，对网络的性能有直接的影响，是网络高效通信的关键协议。
3.1 MAC协议的分类针对不同的WSN应用，一般可以按照下列几种方式对MAC协议分类：第一，分布式控制还是集中控制。
分布式协议是无中心的，网络中各个节点地位是平等的；集中式控制协议，是有中心的基于接入点(Access Point)的MAC 协议。
第二，单信道还是多信道。
这种标准可以将协议有分为三类：(1)单信道MAC 协议，该类协议用于只有一个共享信道的WSN，如ALOHA、CSMA等，所有控制报文和数据报文都在同一信道上收发，容易发生控制报文之间、控制报文与数据报文之间、数据报文之间的冲突；(2)双信道MAC协议。
用于包含两个共享信道的网络，一个信道为只传递控制报文的控制信道和一个只传递数据报文的数据信道，这样控制报文就不会与数据报文冲突。
并能完全解决隐藏终端和暴露终端的影响，避免数据报文的冲突；(3)多信道MAC协议。
如DCA-PC、CSMA与双信道的区别是各节点具有多个数据信道，相邻节点可以使用不同数据信道同时进行通信。
第三，固定分配信道方式还是随机访问信道方式。
固定分配信道方式一般是采用时分复用(TDMA)、频分复用(FDMA)或者码分复用(CDMA)等方式，实现节点间无冲突的无线信道的分配；无线信道的随机竞争方式是指节点在需要发送数据时随机竞争使用无线信道，它重点考虑减少节点间的干扰和采用有效的退避算法来降低报文碰撞率。
3.2 几种经典无线MAC协议基于竞争的MAC协议基于竞争随机访问的MAC协议是节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道。
多数分布式MAC协议采用载波侦听或冲突避免机制并采用附加的信令控制消息来处理隐藏和暴露节点问题。
IEEE 802.11 MAC协议采用带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)是典型的基于竞争MAC协议。
例如：S-MAC协议、T-MAC 协议、ARC-MAC协议、Sift-MAC协议、Wise-MAC协议等。
基于CSMA/CA的MAC协议CSMA/CA主要应用于无线局域网IEEE 802.11MAC协议在分布式协调(DCF)工作模式下的一种协议。
在DCF工作模式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避算法，实现无线信道的共享。
基于S-MAC协议S-MAC(Sensor-MAC)协议是较早的针对WSN的一种MAC协议，他是在IEEE 802.11MAC的基础上，采用固定周期性的侦听和睡眠、消息传递技术等多种机制来减少了节点能量的消耗。
S-MAC协议与IEEE802.11 MAC相比，在节能方面有了很大的改善。
但睡眠机制的引入，使得网络的传输延迟增加，吞吐量下降。