无线传感器网络MAC协议进展
无线传感器网络MAC协议研究进展.
万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据３期郑国强等：无线传感器网络ＭＡＣ协议研究进展３１５本文研究的ＺＭＡＣ协议基础上，把ＴＤＭＡ和ＣＳＭＡ相结合，采用合适的分布式算法，根据节点的流量，基于概率的方法动态调整节点的分配时１ＡｋｙｉｌｄｉｚＩＦ，ＳｕＡｓｕｒｖｅｙｏｎｓｅｎｓｏｒＲｅｆｅｒｅｎｃｅｓＷＬ，Ｓａｎｋａｒａｓｕｂｒａｍａｎｉａｍｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥＹ，ＣａｙｉｒｃｉＥ．ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＭａｇ－隙，维护网络的局部连通性，避免和减少碰撞，使无关和低业务的节点，尽可能睡眠以节省能量．由于２ａｚｉｎｅ，２００２，４０（８）：１０２—１１４ＫｕｌｋａｒｎｉＳＳ，ＡｒｕｍｕｇａｍＭ．Ｔｄｍａｓｅｒｖｉｃｅｆｏｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔ－ＷＳＮｓ网络分布的环境恶劣，链路的易故障性和节点的易失效性，也可以进一步探讨利用认知无线电技术、基于分布式的方法，动态自适应地分配节点的多个信道，以适应不同业务、网络拓扑变化的要求，ｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＷｏｒｋｓｈｏｐｓ．Ｗａｓｈｉｎｇ－ｔｏｎ，Ｄ．Ｃ．，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００４．６０４－６０９３ＤｅｍｉｒｋｏｌＩ，ＥｒｓｏｙＣ，Ａｌａｇｏｚｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ：ａｓｕｒｖｅｙ．ＩＥＥＥＦ．ＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＭａｇａ－提高能效性和网络性能．２）采用跨层优化设计．ＷＳＮｓ网络由于受到节点的资源限制，分层的协议栈已不适应能量、内存等节点资源的有效利用．将ＭＡＣ层、物理层ｚｉｎｅ，２００６，４４（４）：１１５－－１２１４ＡｒｉｓｈａＫＡ，ＹｏｕｓｓｅｆＭＡ，ＹｏｕｎｉｓＭＦ．Ｅｎｅｒｇｙ－ａｗａｒｅＴＤＭＡ－ｂａｓｅｄＭＡＣｆｏｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ以及网络层的设计相结合，根据局部网络的拓扑信息，采用综合各层的设计方法，实现对节点工作模式的有效控制，减少控制开销，从而取得更好的网络ＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆＰｏｗｅｒＡｗａｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇ．ＮｅｗＹｏｒｋ，ＩＥＥＥＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００２．１８９－２０１５ＳｏｈｒａｂｉＫ，ＧａｏＪ，ＡｉｌａｗａｄｈｉＶ，ＰｏｔｔｉｅＧＪ．Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒ性能Ｅ２４，２６】．本文介绍的ＧｅＲａＦ协议，就是通过把ＭＡＣ、路由和拓扑管理结合为一体考虑，采用双射ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｏｆａｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ．ＩＥＥＥＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０００，７（５）：１６－－２７６ＹｊＰｅｒｓｏｎａｌＷ，ＨｅｉｄｅｍａｎｎＪ，ＥｓｔｒｉｎｓｅｎｓｏｒＤ．Ａｎｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔＭＡＣｐｒｏ－频模块的协作，解决数据传输的碰撞问题，并简化了采用分层协议可能带来的额外控制开销，使协议的ｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅｔｈｅⅢＥＥＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳｏｃｉｅｔｉｅｓ．ＮｅｗＹｏｒｋ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００２．２１ｓｔＡｎｎｕｍＪｏｉｎｔＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆ１５６７—１５７６执行简单，从而提高能效性和网络性能．但如何根据网络拓扑的变化，动态调整节点的工作参数和优化握手信号，利用最小的控制开销以节省节点的能量消耗、减少数据传输接入信道的时延，ＧｅＲａＦ协议７ＹｅＷ，ＨｅｉｄｅｍａｎｎＪ，Ｅｓｔｒｉｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄａｄａｐｔｉｖｅ－５０６Ｄ．Ｍｅｄｉｕｍａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈｓｌｅｅｐｉｎｇｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．ｏｆｆＩＥＥＥ／ＡＣＭＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，２００４，１２（３）：４９３并没有给出相应的解决方法．而基于竞争的白适应Ｓ—ＭＡＣ、ＰＭＡＣ协议，基于局部信息的维护，具有８适应业务、拓扑动态变化的能力；ＬＰＬ协议通过利用物理层的前导载波，减少了节点的空闲侦听．所以ＤａｍＴＶ．ＬａｎｇｅｎｄｏｅｎＫ．Ａｎａｄａｐｔｉｖｅｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１ｓｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓｏｒＯｌｌＥｍｂｅｄｄｅｄＮｅｔｗｏｒｋｅｄＳｅｎ－Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡ：ＡＣＭ，２００３．１７１－１８０Ｖ．ＰＭＡＣ：ａｎａｄａｐ－ｓｅｎｓｏｒ利用这些协议的优点，就可以进行跨层设计，从而增强协议的适应性，同时提高能效和网络性能．基于联合多层的参数优化，进行跨层和集成多层协议栈的９ＺｈｅｎｇＴ，ＲａｄｈａｋｒｉｓｈｎａｎＳ，Ｓａｒａｎｇａｎｒｉｖｅｅｎｅｒｇｙ－－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｎｅｔ・－ｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１９ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰａｒ－ａｌｌｅｌ综合设计，是ＷＳＮｓ网络今后的一个研究热点．万方数据Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ．ＮｅｗＹｏｒｋ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ．２００５．６６—７２３１６自动化学报３４卷１０ＥＩ—ＨｏｉｙｄｉＡ．Ａｌｏｈａｗｉｔｈｐｒｅａｍｂｌｅｓａｍｐｌｉｎｇｆｏｒｓｐｏｒａｄｉｃｓｅｎｓｏｒ２３ｔｒａｆｆｉｃｉｎａｄｈｏｃｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｎｏｆＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｆｅｎｃｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．ＮｅｗＰ，ＱｉａｏＣＭ，ＷａｎｇＸ．Ｍｅｄｉｕｍａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈａｄｙｎａｍｉｃｄｕｔｙｃｙｃｌｅｆｏｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００４ＩＥＥＥＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇＬｉｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．ＮｅｗＹｏｒｋ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００４．１５３４－１５３９Ｙｏｒｋ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００２．３４１８－－３４２３１１Ｅ．Ｍｉｃａ：ａｗｉｒｅｌｅｓｓｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｄｅｅｐｌｙｅｍｂｅｄｄｅｄｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥＭｉｃｒｏ，２００２，２２（６）：１２—２４ＨｉｌｌＪＬ，ＣｕｌｌｅｒＤＥＩ—ＨｏｉｙｄｉＡ．ＤｅｃｏｔｉｇｎｉｅＪ２４ＴａｙＹｃｓｍａａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＪｏｕｒｎａｌｏｎＣ，ＪａｍｉｅｓｏｎＫ，ＢａｌａｋｒｉｓｈｎａｎＨ．Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ－ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇｔｏｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥＳｅｌｅｃｔｅｄＡｒｅａｓｉｎ１２Ｄ．ＷｉｓｅＭＡＣ：ａｎｕｌｔｒａｌｏｗｐｏｗｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００４，２２（６）：ＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｔｈｅｄｏｗｎｌｉｎｋｏｆｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒ１０４８—１０５７ｔｉｏｎａｌｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ９ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａ－ＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｎｅｗ２５Ｙｏｒｋ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００４．２４４－２５１１３Ｒ，ＭａｚｚｉｎｉＧ．ＡｓｉｍｐｌｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔＭＡＣ—ｒｏｕｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ２００４ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＲｕｇｉｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＮｅｗＪｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００４．３４９９－３５０３ＣｈａｔｔｅｒｊｅａＳ，ＶａｎＨｏｅｓｅｌＬＦＷ，ＨａｖｉｎｇａＰＪＭ．ＡＩ—ＬＭＡＣ：ａｎａｄａｐｔｉｖｅ．ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ－ｃｅｎｔｒｉｃａｎｄｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｅｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００４ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｅｎｓｏｒｓ，ＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓａｎｄＩｎ－２６Ｇ，ＭａｄａｎＲ，ＧｏｌｄｓｍｉｔｈＡＪ，ＬａｌｌＳ．Ｊｏｉｎｔｒｏｕｔｉｎｇ，ＭＡＣ，ａｎｄｌｉｎｋｌａｙｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｎｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｗｉｔｈＣｕｉＳｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＣｏｎｆｅｆｅｎｃｅ．ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ．２００４．３８１——３８８１４Ｒｈｅｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｉｎ：ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎｏｆｔｈｅ２００５ＩＥＥＥＩｎｔｅｒ－Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００５．７２５－７２９Ｉ，ＷａｒｒｉｅｒＡ，ＡｉａＭ，ＭｉｎＪ．Ｚ－ＭＡＣ：ａｓｅｎｓｏｒｏｎｈｙｂｒｉｄＭＡＣｆｏｒＳｙｓｔｅｍｓ．ｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ３ｒｄＩｎｔｅｒｎａ－ＥｍｂｅｄｄｅｄＮｅｔｗｏｒｋｅｄＳｅｎｓｏｒｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＣａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡ：ＡＣＭ，２００５．９０－１０１１５郑国强西安电子科技大学博上研究生，河南科技大学副教授．主要研究方向ＤｈａｎａｒａｊＭ，ＭａｎｏｊＢＳ，ＳｉｖａＲＭＣ．Ａｎｅｗｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇｍｕｌｔｉ－ｈｏｐｌａｔｅｎｃｙｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ３ｒｄＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ＂ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｅｒｖａｓｉｖｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００５．１１７－１２６ｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒ为移动通信、无线网络．本文通信作者．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｙｚｈｅｎｇｇｕｏｑｉａｎｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎｆＺＨＥＮＧＧｕｏ－ＱｉａｎｇＰｈ．Ｄ．ｃａｎｄｉ—ａｎｄａｔｅａｔＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．ＨｅｉｓａｌｓｏａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒａｔＨｅｎａｎｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔｂｉｌｅ１６ＳｃｈｕｒｇｅｒｓＣ，ＴｓｉａｔｓｉｓＶ，ＧａｎｅｒｉｗａｌｔｉｍｉｚｉｎｇｓｅｎｓｏｒＳ，ＳｒｉｖａｓｔａｖａＭ．Ｏｐ－ｎｅｔｗｏｒｋｓｉｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙ－ｌａｔｅｎｃｙ—ｄｅｎｓｉｔｙｄｅ－Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｃｏｖｅｒｓｓｉｇｎｓｐａｃｅ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｏｂｉｌｅｍｏ－Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００２，１（１）：７０—８０１７ＺｏｒｚｉＭ，ＲａｏＲＲ．ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃｒａｎｄｏｍｆｏｒａｄＩＥＥＥ３４８１８ＺｏｒｚｉＭ，ＲａｏＲＲ．Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｆｏｒａｄｈｏｃｈｏｃａｎｄｓｅｎｓｏｒｏｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｃｏｒｒｅ８ｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒｏｆｔｈｉｓｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ（ＧｅＲａＦ）ｐａｐｅｒ．）ｎｅｔｗｏｒｋｓ：ｍｕｌｔｉｈｏｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＭｏｂｉｌｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００３，２（４）：３３７－李建东博上，西安电子科技大学通信工程学院教授．主要研究方向为个人通ｒａｎｄｏｍｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ（ＧｅＲａＦ）ａｎｄｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ：ｅｎｅｒｇｙａｎｄｌａｔｅｎｃｙｐｅｒ—ｆｏｒｍａｎｃｅ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｏｂｉｌｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００３，２（４）：３４９－－３６５１９信、移动通信网、分组无线网、自组织网络、软件无线电和宽带无线ＩＰ技术．（ＬＩＪｉａｎ－ＤｏｎｇＰｈ．Ｄ．，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒｉｎＪａｍｉｅｓｏｎＫ，ＢａｌａｋｒｉｓｈｎａｎＨ，ＷａｙＹＣ．Ｓｉｆｔ：ａｎＭＡＣｔｏｃｏｌｆｏｒｅｖｅｎｔ—ｄｒｉｖｅｎｗｉｒｅｌｅｓｓｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ３ｒｄＥｕｒｏｐｅａｎｓｏｒｓｅｎｓｏｒｐｒｏ－ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅａｔＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒ－ｅｓｔｃｏｖｅｒｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏ－ｏｎＷｏｒｋｓｈｏｐＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎ—ｐｅｒｓｏｎａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ：ＳｐｒｉｎｇｅｒＶｅｒｌａｇ，２００６．２６０—２７５２０ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｐａｃｋｅｔｒａｄｉｏｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｗｉｒｅｌｅｓｓａｄｈｏｃｓｏｆｔｗａｒｅＭｉｌｌｅｒＭＪ．ＶａｉｄｙａＮＨ．ＡｎＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｔｏｒｅｄｕｃｅｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｕｓｉｎｇａｗａｋｅｕｐｒａｄｉｏ．ＩＥＥＥｒａｄｉｏ，ａｎｄｂｒｏａｄｂａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓＩＰｓｙｓｔｅｍｓ．）Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ２１ｏｎＭｏｂｉｌｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００５，４（３）：２２８－－２４２Ｋ，Ｇａｒｃｉａ－Ｌｕｎａ－ＡｃｅｖｅｓＪＪ．Ｅｎｅｒｇｙ－ａｃｃｅｓｓ（周志立术．（ＺＨＯＵＨｅｎａｎ博上，河南科技大学教授．主ＲａｊｅｎｄｒａｎＶ，Ｏｂｒａｃｚｋａｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ－ｆｒｅｅｍｅｄｉｕｍｓｅｎｓｏｒ要研究方向为网络化车辆监测与控制技ｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＷｉｒｅｌｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋｓ，２００６，１２（１）：６３—７８Ｂ，ＲａｇｈａｖｅｎｄｒａＣＳ．ＡｎａｄａｐｔｉｖｅＺｈｉ－ＬｉＰｈ．Ｄ．，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒａｔ２２ＬｕＧ，ＫｒｉｓｈｎａｍａｃｈａｒｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ－ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔｃｏｖｅｒｓａｎｄｌｏｗ—ｌａｔｅｎｃｙＭＡＣｆｏｒｄａｔａｇａｔｈｅｒｉｎｇｉｎｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１８ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰａｒａｌｌｅｌａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｙｍｐｏ－ｓｉｕｍ．Ｐａｌｍｅｒｓｔｏｎ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００４．２２４－２３１ｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｎｏｌｏｇｙ．Ｈｉｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅｓｙｓｔｅｍｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．）万方数据无线传感器网络MAC协议研究进展作者：作者单位：郑国强，李建东，周志立， ZHENG Guo-Qiang， LI Jian-Dong， ZHOU Zhi-Li 郑国强,ZHENG Guo-Qiang(西安电子科技大学ISN国家重点实验室,信息科学研究所,宽带无线通信实验室,西安,100080;河南科技大学电子信息工程学院洛阳 471003，李建东,LI Jian-Dong(西安电子科技大学ISN国家重点实验室,信息科学研究所,宽带无线通信实验室,西安,100080，周志立,ZHOU Zhi-Li(河南科技大学车辆与动力工程学院洛阳471003 自动化学报 ACTA AUTOMATICA SINICA 2008,34(3 8次刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：参考文献(26条 1.Ye W;Heidemann J;Estrin D An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks[外文会议] 2002 2.Sohrabi K;Gao J;Ailawadhi V;Pottie G J Protocols for self-organization of a wireless sensor network[外文期刊] 2000(05 3.Arisha K A;Youssef M A;Younis M F Energy-aware TDMA-based MAC for sensor networks 2002 4.Dhanaraj M;Manoj B S;Siva R M C A new energy efficient protocol for minimizing multi-hop latency in wireless sensor networks[外文会议] 2005 5.Rhee I;Warrier A;Aia M;Min J Z-MAC:a hybrid MAC for wireless sensor networks 2005 6.Chatterjea S;Van Hoesel L F W;Havinga P J M AILMAC:an adaptive,information-centric and lightweight MAC protocol for wirelesssensor networks 2004 7.Zheng 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面向物联网的无线传感网络MAC协议设计与优化
面向物联网的无线传感网络MAC协议设计与优化随着物联网的快速发展，无线传感网络（WSN）作为其中重要的组成部分，正扮演着收集、传输和处理物理环境数据的角色。
无线传感网络MAC（Medium Access Control）协议是实现无线传感网络可靠通信的关键技术之一。
本文将讨论面向物联网的无线传感网络MAC协议的设计与优化问题，并提出一些相关的解决方案。
首先，针对传感节点能量受限的问题，设计低能量消耗的MAC协议是非常重要的。
传感节点的能量供应通常由有限的电池能量提供，因此降低能量消耗是延长网络寿命的关键。
为了实现低能量消耗，可以考虑以下几个方面的优化：1. 时隙分配策略：通过优化时隙分配策略，可以降低节点在空闲时隙的能量消耗。
传统的时隙分配方法通常使用静态或固定分配方式，但面向物联网的无线传感网络MAC协议应该根据节点的实时需求和能量状况，动态分配时隙。
一种常用的方法是基于节点优先级的动态时隙分配策略，将更多的时隙分配给能量较充足和任务重要性较高的节点。
2. 节点休眠与唤醒：传感节点在无数据发送或接收时可以进入休眠状态，以降低能量消耗。
当有数据需要传输时，通过优化唤醒机制，减少节点从休眠状态到活跃状态的能量开销。
一种常见的优化方法是使用预定唤醒机制，节点只在特定的时间窗口内唤醒，并通过邻居节点的信息交换进行数据传输。
其次，为了提高MAC协议的传输效率，需要解决传感节点之间的冲突问题。
由于节点数量庞大且分布广泛，节点之间的碰撞是不可避免的。
针对冲突问题，可以考虑以下几个方面的优化：1. 分布式协议：在面向物联网的无线传感网络中，传感节点通常以分布式的方式部署。
因此，设计分布式MAC协议是非常重要的。
分布式MAC协议基于局部决策，通过节点之间的协作来避免冲突。
常用的分布式MAC协议有S-MAC、T-MAC等，它们通过节点之间的时隙协调和协作来避免冲突，并提高数据传输效率。
2. 码分多址技术：码分多址（CDMA）技术在无线传感网络中可以有效减少碰撞问题。
无线传感器网络S-MAC协议研究
无线传感器网络S-MAC协议研究江雪(Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003)基金项目：国家自然科学基金(60372107)摘要：传感器节点能量受限，节能是传感器网络中媒体访问控制(MAC)协议设计的首要问题。
采用周期性睡眠机制、自适应侦听机制、串音避免机制和消息传递机制可使得传感器媒体访问控制(S-MAC)协议在网络能耗和时延方面得到改进。
对S-MAC协议的改进主要有两种方式：动态调整、区别控制包与数据包的发送条件进行发送。
对无线传感器网络，要想设计出一种满足各方面要求的MAC协议是不现实的，可针对不同应用的要求，灵活采用不同的方式，设计出相应的协议。
无线传感器网络通常包含大量自组织的分布式节点。
由于其组网快捷、灵活，且具有不受有线网络约束的优点，可广泛应用于紧急搜索、灾难救助、军事应用等特殊环境，因而具有广泛的应用前景。
由于传感器节点能量受限，节能成为传感器网络媒体访问控制(MAC)协议设计首要的问题。
由文献[1]可以看到传感器媒体访问控制(S-MAC)协议就是针对传感器网络的节能需求而提出的。
周期性睡眠机制、自适应侦听机制、串音避免机制和消息传递机制使得S-MAC协议在网络能耗和时延方面的性能很优越，但距离实际应用的要求还有一段差距。
1 S-MAC协议介绍S-MAC协议是在802.11协议的基础上提出的，设计的主要目标是减少能量消耗，提供良好的扩展性。
其主要实现机制包括周期性侦听和睡眠、串音避免、消息传递和流量自适应侦听。
1.1 S-MAC协议实现的关键技术(1)数据包的嵌套结构应用层MAC层物理层MAC：媒体访问控制图1 S-MAC协议中数据包格式MACCRC：循环冗余校验MAC：媒体访问控制图2 S-MAC协议的堆栈的网络模型S-MAC协议数据包的嵌套结构如图1所示。
在S-MAC协议中，上一层数据包包含了下一层数据包的内容。
无线传感器网络高效的MAC协议研究
无线传感器网络高效的MAC协议研究0 引言无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)由大量具有感知、计算和无线通信能力的廉价节点组成，通过节点间协作地感知和处理网络分布区域中监测对象的相关信息，为人们提供有关监测对象的详实而可靠的信息，可广泛应用于环境监测、抢险救灾、战场监视、城市交通、智能家居等多个领域。
MAC协议负责在传感器节点间分配有限的通信资源，构建传感器网络系统的底层通信结构，因此是传感器网络研究的一个重要方面。
文献统计了传感器节点中通信单元、处理单元和传感单元的能量消耗，。
从图中可以看到，传感单元和处理单元的能耗远远低于通信单元的能耗，而在通信单元的四种状态中，能耗依次按休眠、监听、接收及发送递增，所以尽量增大节点休眠时间是节省能耗的一个重要措施。
目前传感器网络中的MAC协议都将节省能耗作为研究重点，大部分协议都是通过节点周期性休眠以及不需要时关闭无线电收发器来节省能量。
目前传感器网络中的MAC协议大致可以分为发送端启动和接收端启动两类。
在发送端启动的同步协议中，各节点使用相同的休眠调度表，在各自规定的时间醒来参与通信活动，保证节点尽可能多地休眠而不会错过任何一个数据。
这类协议的典型代表有S-MAC、T-MAC等。
此类协议可以极大地减少节点空闲监听的时间，但要求节点间保持精确同步，而其开销却是不可忽视的。
在发送端启动的异步协议中，各节点不需要按照相同的休眠调度表工作，发送端在有数据发送时在信道中发送一个长度略长于接收端休眠时间的前导信号，接收节点在醒来监听到前导信号时便开始接收数据。
这类协议消除了显式同步的需要，但由于大量的前导消息增大信道的压力，降低了信道的整体利用率。
这类协议的典型代表有B-MAC、X-MAC等。
接收端启动的协议是近两年提出的一种新协议，典型代表为RI-MAC。
发送端有数据发送时在信道中静默监听，接收端醒来后即发送信标(beacon消息)，发送端在监听到信标后发送数据。
无线传感器网络MAC协议研究与发展现状
无线传感器网络MAC协议研究与发展现状摘要：MAC协议的选择对无线传感器网络性能有较大影响，也是保证无线传感器网络高效通信的关键协议之一。
文章着重介绍了目前常用的几种MAC协议。
结合当今MAC协议的研究进展，介绍了研究者对这些协议的研究与改进。
并展望了无线传感器网络的发展趋势。
关键词：MAC协议研究发展1无线传感器MAC层协议在无线传感器网络中，介质访问控制MAC(medium access control)协议决定了无线信道的使用方式，在节点之间分配有限的无线通信资源。
MAC协议处于无线传感器网络协议底层，对网络性能有着较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键协议之一。
1.能源有效性。
由于目前节点的能量供应问题并没有得到很好解决，节约能量也就成为设计无线传感器网络MAC协议首要考虑的因素。
2.可扩展性。
通常大部分处于无人照看模式的传感器网络应用都需要部署大量的节点，并且在传感器网络生命周期期存在节点数目、分布密度的不断变化、节点位置的变化以及新节点的加入等问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。
这就需要MAC协议具有可扩展性，来适应这种动态变化的拓扑结构。
3.性能的综合测评。
MAC协议的设计需要在多种性能间取得平衡。
各项性能包括网络的实时性、公平性、带宽利用率、网络吞吐量以及等方面。
4.分布式算法。
由于传感器节点的计算能力和存储能力有限，需要大量节点协同来完成某项任务，因此需要通过MAC协议的分布式算法有效的调度节点来完成任务。
2常用的MAC层协议分析针对无线传感器网络MAC 协议的研究通常根据应用环境不同而变换角度。
通过对现有传感器网络的MAC协议的分析，按照节点信道机制把现有MAC 协议大致分为两类：基于随机竞争的MAC协议和基于固定分配的MAC协议。
2.1基于随机竞争的MAC协议基于随机竞争的MAC协议采用按需使用信道方式，它的基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就基于某种策略重发数据，直到数据成功发送或放弃发送。
无线传感器网络MAC协议进展
ｔｈｅ
ｃｏｍｐｅｔｉ－
无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，简称ＷＳＮ）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信 方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者， 使得人们能在任何时间、地点和任何环境条件下都能获取大量详实而可靠的信息。传感器网络由于其具有易扩展、自组织、分布式 结构、健壮性和实时性等特点，能够广泛地应用在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域 远程控制等诸多领域。 在无线传感器网络中，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。用来构建无线传感器网络系统的底层基础结构。ＭＡＣ协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能 有较大影响。是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。
ＩＳＳＮ
１００９－３０４４
Ｅ—ｍａｉｌ：ｉｎｆｏ＠ｃｃｃｃ．ｎｅｔ．ｅｎ
Ｃｏｍｐｐｔｅｒ
Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脯知识与技术
Ｖ０１．５，Ｎｏ．１３，Ｍａｙ ２００９，ＰＰ．３３９４—３３９７
Ｔｅｌ：＋８６—５５ １—５６９０９６３
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｎｚｓ．ｎｅｔ．ｃａ ５６９０９６４
２无线传感器网络Ｍ．ＡＣ协议能量浪费原因
由于节点能量有限，能量管理是无线传感器网络的协议设计中的核心问题。已有的研究表明，无线通信模块是无线传感器网络 中主要的耗能部件，ＭＡＣ层协议为达到节能的目的，直接控制节点的通信模块，对节能起着最重要的作用。通信模块能量浪费主要 在四个方面： １）空闲侦听：当无数据发往节点时，通信模块仍然保持接收状态侦听信道，等待发往本节点的数据，造成无必要的空闲侦听能 量消耗。 ２）冲突：接收节点同时接收到来自多于一个节点的数据，无线信号重叠，造成接收到无用数据，即使只重叠一部分，也不得不丢 弃已接收部分，重传整个数据包，因此导致额外的重传能量浪费。 ３）串音（ｏｖｅｒｈｅａｒｉｎｇ）：节点接收到发往其他目的节点的数据包，也是无用数据，必须丢弃，导致接收能量浪费。 ４）控制包开销：连接建立阶段的控制包交换和数据发送前后的握手协议或者是固定分配协议中周期建立分配表等都是非有用 数据的控制包开销，ＭＡＣ层协议应该最小化控制包开销。 无线传感器网络中数据量很少，突发性很强，节点约９５％的时间都是空闲的，因此空闲侦听是主要的能量浪费，如果一直保持 侦听状态会造成极大的能量浪费，因此降低能耗主要是从控制通信模块的开启时间人手。冲突和串音在基于竞争的协议中易于发 生，而在固定分配协议中得到较好的控制，当负载很重和节点密度很高的时候，冲突和串音也是比较严重的能量浪费源。在协议启 动阶段、协议维持阶段和数据转发过程串都应该使用尽量少的控制包达到可靠的传输，以减少控制包发送能耗ｉ。ＭＡＣ层协议的设计 必须考虑以上四方面能量消耗．使这些能量浪费达到最小化。
无线传感网MAC协议分析和研究
无线传感网MAC协议分析和研究无线传感网MAC协议分析和研究近年来，在很多国家关于智慧城市的研究和建设已经得到了很大的关注和进展。
而国内自2010年来，也有不少城市相继开展了智慧城市的建设。
智慧城市建设的总体框架可划分为感知层，通信层，数据层和应用层，感知层作为智慧城市框架的底层，它是否能良好的实现对于智慧城市建设具有重要的影响。
而现在作为研究热点的无线传感网是完全可以成为智慧城市感知网络的一种实现方式的。
1.无线传感网1.1无线传感网的概念无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。
传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织的无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。
无线传感网络是集数据采集、数据处理和数据通信三大功能的微型化、智能化、集成化、系统化和网络化的分布式传感器系统。
无线传感器网络在环境、医疗、军事、工业和智能家居等领域表现出巨大的潜在应用价值，它在未来将是一个无孔不入的十分庞大的网络，将完全融入我们的生活，具有十分广阔的应用前景。
在环境监测和保护方面，无线传感器网络为随机性研究数据的获取提供了便利，还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。
比如可以将传感器分布在海洋，火山，冰原等地区，检测该地的环境状态。
在医疗护理领域，可以通过在老龄人，残障人士等生活不方便的人衣物、家具、电器等地方嵌入无线传感器，组成网络，便可实时获取他们的信息，帮助生活不能自理的人士更方便的接受护理，同时还能减轻护理人员的负担。
无线传感器还可以用在药物管理方面，还可以通过在病人身上安装有特殊用途的传感器，让医生可实时获取病人病情信息。
无线传感器网络的MAC协议综述
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。
无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC
无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC摘要：无线传感器网络是一种新兴的网络技术，它的出现使得环境智能成为现实。
它是由一些微小的节点在特设环境中彼此连接，并相互配合，而形成的一个网络。
它具有广泛的应用，例如入侵者警报和跟踪，环境监测，工业过程监测和战术系统等潜在领域。
然而，当无线网络在地势陡峻的地方传播时，为了实现地区全覆盖就需要使用大量的无线传感器，但它们的电池一旦耗尽时要想更换就很困难。
所以节能对于传感器网络是非常必要的特别是在MAC层水平。
现已经提出了多种针对不同目标的MAC协议的无线传感器网络。
在各种协议中SMAC就是其中一个简单修改的成果。
SMAC有静态睡眠时间表同时TMAC有动态睡眠时间表。
在本文中，我们首先概述了无线传感器网络的基础知识，然后我们讨论了MAC层的性能特征，在随后的一节中概括了WSN中能源浪费的原因。
紧接着描述了 i.e SMAC 和TMAC两个协议的各自的优缺点。
最后，在结束之前，根据无线传感器网络与SMAC 和TMAC有关的各种设计过程都包含在文章中。
关键词：无线传感器网络，环境智能，MAC层，能源废物，SMAC，TMAC1.引言在开始介绍无线传感器网络前，我们需要了解为无线传感器网络发明铺平道路的要求和条件。
通常情况下在我们的工作场所我们所使用的系统，主要包括个人电脑，笔记本电脑，电脑，智能手机和平板电脑等。
这些系统都是建立在“人 - 系统”互动的概念上的。
在这种人与信息处理系统交流互动的系统中。
整个装置是间接连接到物理环境的。
由用户和用户交流系统读取物理环境。
另一方面，系统的装置与物理环境相互作用，并自行调整。
在图1和图2中描绘了这两个方案。
系统人环境图 1 人机交互系统环境人图 2 系统环境交互正如我们从图1和图2中观察到的，系统本身能够与环境相互作用，这就是我们所说的“嵌入式系统”。
例如洗衣机，微波炉，化学工艺厂或高炉温度调节装置。
由于科技发展了我们的能力让我们产生了这样一种感觉，大机器也有把它传授给小型设备和对我们的日常生活相关的东西的渴望。
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
36
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
43
SMAC协议关键技术--消息冲突与串扰避免
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无线传感器网络MAC协议综述1
无限传感网络作业21.认识典型的无线传感器网络MAC协议的工作流程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。
（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。
T-MAC(timeout MAC)协议是在S-MAC协议的基础上提出的。
T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调整活动时间，用突发方式发送信息，减少侦听时间。
T-MAC协议的优点是减少了空闲侦听功耗，适用于可变负载的场景，但是他根据当前网络通信情况，提前结束活动周期来减少空闲侦听，会带来早睡问题。
无线传感器网络MAC协议研究进展
ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@Journal of Software, Vol.19, No.2, February 2008, pp.389−403 DOI: 10.3724/SP.J.1001.2008.00389 Tel/Fax: +86-10-62562563© 2008 by Journal of Software. All rights reserved.∗无线传感器网络MAC协议研究进展蹇强+, 龚正虎, 朱培栋, 桂春梅(国防科学技术大学计算机学院,湖南长沙 410073)Overview of MAC Protocols in Wireless Sensor NetworksJIAN Qiang+, GONG Zheng-Hu, ZHU Pei-Dong, GUI Chun-Mei(School of Computer, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)+ Corresponding author: Phn: +86-731-4516394, E-mail: 2002qiang@, Jian Q, Gong ZH, Zhu PD, Gui CM. Overview of MAC protocols in wireless sensor networks. Journal ofSoftware, 2008,19(2):389−403. /1000-9825/19/389.htmAbstract: In wireless sensor network, medium access control (MAC) has been at the core of effectivecommunication. Since the traditional MAC layer protocols don’t adapt themselves to the performance traits andtechnique request of wireless sensor network, many MAC protocols for wireless sensor network are studied. Designprinciples and classification methods for MAC protocols in wireless sensor network are summarized, andfundamental mechanism of each recent representative MAC protocol is analyzed in detail. The characteristics,performance, and application areas of various MAC protocols in wireless sensor network are adequately compared.Finally, the status of current research development are concluded and the open research issues on MAC layer designare pointed out.Key words: wireless sensor network (WSN); MAC (medium access control) protocol; TDMA; contentionprotocol; cross-layer design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,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.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,指出未来的研究重点.关键词: 无线传感器网络;MAC协议;TDMA;竞争协议;跨层设计中图法分类号: TP393文献标识码: A当前,信息技术可以实现信息的海量存储、高速传输和快速处理,但信息获取却仍未达到自动化水平.微传感器技术、微电子技术、无线通信技术以及计算技术的进步,极大地推动了集信息采集、处理、无线传输等功能于一体的无线传感器网络(wireless sensor network,简称WSN)的发展.WSN正在给人类生活和生产的各个领∗ Supported by the National High-Tech Research and Development Plan of China under Grant No.2005AA121570 (国家高技术研究发展计划(863)); the National Basic Research Program of China under Grant No.2003CB314802 (国家重点基础研究发展计划(973))Received 2007-03-02; Accepted 2007-09-13390 Journal of Software软件学报 V ol.19, No.2, February 2008域带来深远影响,在国防军事、医疗卫生、环境监测、城市交通以及空间探索等领域具有广阔的应用前景[1,2].目前,国内外WSN研究主要集中于网络协议、能量、定位、可靠性、网络架构以及数据处理等问题,网络协议的研究是其中的热点之一.而作为WSN网络协议栈重要基础架构的介质访问控制(medium access control,简称MAC)协议,决定着无线信道的使用方式,负责为节点分配无线通信资源,直接影响网络整体性能,成为WSN网络协议研究的重中之重.目前,已有大量针对WSN不同特点和具体应用的MAC协议相继提出.为了吸取经验、分析不足,我们对当前WSN中典型的MAC协议进行总结和分类,详细分析和比较这些协议的核心机制、性能特点和应用范围,并指出未来的研究策略与重点,以期为WSN MAC协议的进一步研究提供参考.1 WSN MAC协议概述1.1 WSN MAC协议设计原则在WSN中,节点能量有限且难以补充.为保证WSN长期有效工作,MAC协议以减少能耗、最大化网络生存时间为首要设计目标;其次,为了适应节点分布和拓扑变化,MAC协议需要具备良好的可扩展性;传统无线网络关注的实时性、吞吐量及带宽利用率等性能指标成为次要目标;此外,WSN节点一般属于同一利益实体,可为系统优化作出一定的牺牲,因此,能量效率以外的公平性一般不作为设计目标[3],除非多用途WSN重叠部署.WSN中的能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗.其中,通信能耗所占比重最大.因此,减少通信能耗是延长网络生存时间的有效手段.大量研究表明,通信过程中主要能量浪费存在于:冲突导致重传和等待重传;非目的节点接收并处理数据形成串音;发射/接收不同步导致分组空传(overemitting)[4];控制分组本身开销;无通信任务节点对信道的空闲侦听等.此外,无线发射装置频繁发送/接收状态切换也会造成能量迅速消耗[5].基于上述原因,WSN MAC协议通常采用“侦听/休眠”交替的信道访问策略,节点无通信任务则进入低功耗睡眠状态,以减少冲突、串音和空闲侦听;通过协调节点间的侦听/休眠周期以及节点发送/接收数据的时机,避免分组空传和减少过度侦听;通过限制控制分组长度和数量减少控制开销;尽量延长节点休眠时间,减少状态切换次数.同时,为了避免MAC协议本身开销过大,消耗过多的能量,MAC协议尽量做到简单、高效.当然,影响传统无线网络MAC协议设计的一些基本问题,如隐藏终端和暴露终端问题、无线信道衰减和无规律冲突(interference irregularity)问题等,在WSN MAC协议中依然存在,需要解决.1.2 WSN MAC协议分类WSN与应用高度相关,研究人员从不同的方面出发提出多种MAC协议.但目前尚无统一分类方式.可根据信道分配方式、数据通信类型、性能需求、硬件特点以及应用范围等策略,使用多种分类方法对其分类:(1) 根据信道访问策略的不同可分为竞争协议、调度协议和混合MAC协议[6].竞争协议无须全局网络信息,扩展性好、易于实现,但能耗大;调度协议有节省优势和延时保障,但帧长度和调度难以调整,扩展性差,且时钟同步要求高;混合协议具有上述两种MAC协议的优点,但通常比较复杂,实现难度大.(2) 根据使用单一共享信道还是多信道可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议.前者节点体积小、成本低,但控制分组与数据分组使用同一信道,降低了信道利用率;后者有利于减少冲突和重传,信道利用率高、传输时延小,但硬件成本高,且存在频谱分配拥挤问题.(3) 根据数据通信类型可分为单播协议和组播/聚播(convergecast)协议.前者适于沿特定路径的数据采集,有利于网络优化,但扩展性差;后者有利于数据融合与查询,但时钟同步要求高,且数据冗余,重传代价高.(4) 根据传感器节点发射器硬件功率是否可变可分为功率固定MAC协议和功率控制MAC协议.前者硬件成本低,但通信范围相互重叠,易造成冲突;后者有利于节点能耗均衡,但易形成非对称链路,且硬件成本增加.(5) 根据发射天线的种类可分为基于全向天线的MAC协议和基于定向天线的MAC协议.前者成本低、易部署,但增加了冲突和串音;后者有利于避免冲突,但增加了节点复杂性和功耗,且需要定位技术的蹇强等:无线传感器网络MAC协议研究进展391支持.(6) 根据协议发起方的不同可分为发送方发起的MAC协议和接收方发起的MAC协议.由于冲突仅对接收方造成影响,因此,接收方发起的MAC协议能够有效避免隐藏终端问题,减少冲突概率,但控制开销大、传输延时长;发送方发起的MAC协议简单、兼容性好、易于实现,但缺少接收方状态信息,不利于实现网络的全局优化.此外,根据是否需要满足一定的QoS支持和性能要求,WSN MAC协议还可分为实时MAC协议、能量高效MAC协议、安全MAC协议、位置感知MAC协议、移动MAC协议等.2 WSN MAC协议分析传统竞争协议如IEEE 802.11 DCF[7],建立在MACAW[8]协议基础之上,因其简单性和健壮性,被广泛应用于WLAN和Ad hoc网络.但IEEE 802.11节点空闲侦听能耗过大,不适于WSN.虽然802.11提供功率节省(PS)模式,但主要为单跳网络设计,多跳网络下部署易造成网络分割.Tseng等人[9]改进了PS模式,提出了3种睡眠调度机制,但无法实现节点调度同步,冲突概率、控制开销和传输延时都很大.还有研究人员从其他角度出发,对Ad hoc MAC协议进行改进,但若作为WSN MAC协议则都差强人意.与竞争协议相比,传统调度协议虽能实现无冲突通信,具有一定的节能优势,但总要在延时、吞吐量和能量高效之间加以折衷,扩展性差是一个大问题,实际部署中难以调整帧长度和时槽分配,无法有效应对节点失效和拓扑变化.其中,部分协议(如LEACH[10]及各变种)组织分簇结构,在一定程度上缓解了上述问题,但簇的建立和维护增加了存储和控制开销,且同步精度要求高,实现难度大.近年来,学术界提出了众多WSN专用MAC协议,部分协议已经在实验环境甚至实际系统中得到应用和验证(如B-MAC[11]和EMACs[12]等).我们对这些协议进行研究,选取了部分较为重要的和近期提出的MAC协议,对其核心机制、特点和优缺点等进行了分析和比较.表1列举了本文涉及的WSN MAC协议和部分Ad hoc网络MAC协议(用粗线区分开).为了便于比较,我们基本上采用前述第1种方法对其进行分类,其中,跨层设计的MAC协议已经突破了传统网络协议栈中MAC协议的实际内涵,不少协议已经兼备了链路层信道访问控制和网络层路由功能.为此,我们将这些协议单独列举出来.下面将对表1中阴影部分的协议进行重点分析.Table 1MAC protocols for wireless (sensor) networks表1无线(传感器)网络MAC协议Contention-Based MAC Schedule-Based MAC Hybrid MACCross layer designed MACMACA-BI (1997) IEEE 802.11 DCF(1997/1999)PAMAS(1999)Bluetooth(1999)SMACS(1999)ADAPT(1999)BASIC (2001) SEEDEX(2001)ARC(2001)Woo &Culler(2001)SMACS/EAR(2000)LEACH(2001)DEANA(2001)NAMA,PAMA(2001)Meta-MAC(2001)OAR (2002) Low powerlistening(2002)S-MAC,STEM(2002)Preamblesampling(2002)Arisha(2002)Energy-AwareTDMA-based MAC(2002)HTDMA(2002)T. Holliday, et al.(2002)PCSMAC (2003)SIFT(2003)T-MAC(2003)PCMAC(2003)ER-MAC(2003)TRAMA(2003)EMACs(2003)DEMAC(2003)Amre El-Hoiydi(2003)GeRaF(2003)MINA(2003)DSMAC (2004) AC-MAC(2004)S-MAC+(2004)B-MAC(2004)TDMA-W(2004)BMA(2004)D-MAC(2004)LooseMAC(2004)FPS(2004)S.Cui & R.Madan(2004)P-MAC (2005) TEA-MAC(2005)TEEM(2005)WiseMAC(2005)RTMAC(2005)SSTDMA(2005)Z-MAC(2005)AIMRP(2005)O-TBMA(2005) X-MAC(2006)ArDez(2006)D-S T D M A(2006)A. Kesha, et al.(2006)Funneling-MAC(2006)SARA-M(2006)2.1 基于竞争的MAC协议竞争协议采用按需使用信道的方式,当节点需要发送数据时,通过竞争方式使用无线信道,若发送的数据产生了冲突,就按照某种策略重发数据,直到数据发送成功或放弃发送为止.在WSN中,睡眠/唤醒调度、握手机制设计和减少睡眠延时是竞争协议重点考虑的三大问题.一般而言,竞争协议对时钟同步精度要求没有调度协议392 Journal of Software 软件学报 V ol.19, No.2, February 2008 高,但为了实现及时可靠通信并保证协议能量高效,仍需为睡眠/唤醒调度和控制分组安排合理的时序关系[13].2.1.1 S-MAC(sensor-MAC)[14]和T-MAC(timeout-MAC)[15]协议这两个协议均采用节点周期睡眠调度,不同点是调度周期中节点活跃时间所占的比例(占空比).S-MAC [14]基本思想是:节点周期睡眠以减少空闲侦听,苏醒后侦听信道,判断是否需要发送或接收数据.具有相同睡眠调度的节点形成一个虚簇,既保证相邻节点调度周期同步,又满足可扩展性.为了避免冲突和串音,S-MAC 采用与802.11类似的虚拟和物理载波侦听机制以及RTS/CTS 通告机制,且在控制分组中捎带数据传输剩余时间,邻居节点据此计算NAV,并进入睡眠状态,直到长消息发送完毕为止.S-MAC 成功实现周期睡眠调度,显著减少了空闲侦听,能够较好地满足WSN 的节能需求.其后,大多数竞争协议延续这一思想,并将其作为基准协议进行比较.但S-MAC 协议帧长度和占空比(duty cycle)固定,帧长度受限于延迟要求和缓存大小,活跃时间主要依赖于消息速率,特别是当网络负载较小时,空闲侦听时间仍然过长.周期睡眠造成通信延迟累加.尽管S-MAC 改进版本[16]采用流量自适应侦听机制将睡眠延时减少一半以上,但周期睡眠造成的传输延迟仍然十分显著.因此,S-MAC 不适合健康监测、目标跟踪等实时性要求较高的应用.T-MAC [15]针对S-MAC 的上述缺陷进行改进.定义了5个激活事件,如果在TA 时间内没有发生任一激活事件,则节点认为信道空闲,节点进入睡眠状态.每一帧中的活跃时间可根据网络流量动态调整,增加了睡眠时间.但随机睡眠带来早睡问题,增加了延时.T-MAC 为此提供两种解决方案:未来请求发送(FRTS)和满缓冲区优先(FBP),但仍存在缺陷:FRTS 可以减少延时和提高吞吐率,但DS 分组和FRTS 分组带来额外的通信开销;FBP 方法减少了早睡发生的可能性,并具有简单流量控制作用,但当网络流量较大时增加了冲突概率.图1对S-MAC 和T-MAC 的基本协议机制进行了比较,其中箭头分别代表发送和接收分组.Fig.1 Basic protocol scheme of S-MAC and T-MAC图1 S-MAC 和T-MAC 基本协议机制2.1.2 B-MAC [11],WiseMAC [17]和X-MAC [18]S-MAC 和T-MAC 通过精确的时序关系控制节点的睡眠调度,因此对时钟同步的要求较高.下面3个协议则更多地利用了竞争协议对无线信道的“抢占”原则,睡眠调度更具主动性,同时减少对时钟同步精度的依赖.B-MAC [11]协议使用扩展前导和低功率侦听(LPL)技术实现低功耗通信,采用空闲信道评估技术进行信道裁决.节点在发送数据分组之前先发送一段长度固定的前导序列.为避免分组空传,前导序列长度要大于接收方睡眠时间.若节点唤醒后侦听到前导序列,则保持活跃状态,直到接收到数据分组或信道变得再次空闲为止.B-MAC 无须共享调度信息,可以有效缩短唤醒时间,因此,在吞吐量和延时等方面优于S-MAC,但在减少能量消耗上并没有太大优势.较长的固定前导序列造成发送方和接收方能耗增加和发送方邻居节点串音.在前导序列结束后才接收到有效数据,平均接收延时为前导长度的一半.文献[19]对B-MAC 和S-MAC 等协议进行比较后指出,B-MAC 更适合于延时要求不高的应用,在延时要求较高的情况下,S-MAC 等同步MAC 协议更节能.与B-MAC 不同,WiseMAC [17]动态调整前导长度.接收节点在最近ACK 报文中捎带下次唤醒时间,使发送方了解每个下游节点采样调度,进而缩短前导长度.为了减少固定前导冲突概率,采用随机唤醒前导.考虑到时钟漂移,前导长度T p =min(4L θ,T w ),其中,θ是节点时钟漂移速度,L 为从收到上次确认到现在的时间,T w 是信道侦听时间间隔.WiseMAC 中采样调度表存储开销较大,当网络密度大时尤为突出.WiseMAC 使用非坚持CSMA 减少空闲监听,无法克服隐藏终端问题.WiseMAC 宜用作网络负载较轻的结构化网络中下行链路MAC 协议.X-MAC [18]协议再次缩短前导序列的长度,同时引入握手机制进一步减小发送前导序列的能量开销.前导序Active state Sleep state Normal S-MAC Active time Normal TA TA TAT-MAC Sleep time蹇强 等:无线传感器网络MAC 协议研究进展 393 列由若干较小的频闪前导(strobed preamble)组成,其中包含目的地址,非接收节点尽早丢弃分组并睡眠.利用频闪前导之间的时间间隔,接收节点向源节点发送早期确认.发送节点收到早期确认后立刻发送数据分组,从而避免发送节点过度前导和接收节点过度侦听.图2比较了B-MAC,WiseMAC 等一般扩展前导MAC 协议和X-MAC 的时序关系.X-MAC 还设计了一种自适应算法,根据网络流量变化动态调整节点的占空比以减少单跳延时.每个节点统计n ×t 时间内接收到的报文数量k ,并根据图3动态调整占空比.仿真实验[18]表明,这种次优方法的近似比不小于98.7%.X-MAC 在能量效率、吞吐量和延时等性能上优于B-MAC 和WiseMAC.与传统的基于LPL 的MAC 协议相比,X-MAC 更易于被支持分组无线发射器的无线传感器节点(如MicaZ [20]和iMote [21])所实现,但X-MAC 对时钟同步精度要求高于WiseMAC,分组长度、数据发送速率等协议参数还需进一步确定.Long preamble Data Target address in data headerReceive data Extended wait timeDataReceive data Short preambles with target address information LPL sender LPL receiver X-MAC sender X-MAC receiver Time & energy savedTimeTime Time Time Energy-Optimal sleep and listen times (ms) rela Load: Expected packets per second (log sc tive to load ale) Listen (2.1.3 PMAC [22]和Sift [19] 在基于竞争的MAC 协议中,根据网络流量决定占空比是提高能量效率的有效手段,PMAC (pattern-MAC)[22]协议和Sift [19]协议采用的方法为我们提供了一种新的思路.PMAC [22]根据网络负载和流量模式自适应调整睡眠调度.时间被分为连续的超时间帧(STF),每个STF 包含两个子帧:模式循环时间帧(PRTF)和模式交换时间帧(PETF).PRTF 由N 个时隙和1个附加时隙组成,节点根据模式(pattern)决定在每个时隙睡眠或唤醒,模式用一个比特串0m 1表示,表示连续m 个时隙睡眠和1个时隙唤醒.在附加时隙,所有节点均唤醒.PETF 也分为多个时隙,用于与邻居节点交换模式.在首个PRTF,每个节点均唤醒,即模式为1.然后,在每个模式位为1的时隙考察是否有数据需要发送,如果没有,则采用类似于TCP 慢启动算法的方法逐步增加模式中0位的数量,即增加节点休眠时间;如果有数据需要发送,则将模式恢复为1.在PETF 阶段,节点竞争信道并广播自己的模式,然后根据收集到的邻居节点模式计算下一个PRTF 中的睡眠调度.在PMAC 中,当网络流量较小时节点睡眠时间更长,能量浪费更少;模式交换保证只有传输路径上的节点需要唤醒以转发数据,减少了邻居节点过度侦听和分组冲突.但通过广播交换模式增加冲突概率;邻居节点间协商产生睡眠-唤醒调度,收敛时间长;协议各时隙长度、模式位数、竞争窗口大小等参数未确定.Kyle 等人[19]提出的Sift 协议针对事件驱动WSN 设计,其目标是:若N 个节点同时监测到同一事件,则只保证其中R 个节点能够在最小时间内无冲突成功发送数据,抑制剩余N −R 个节点的发送.Sift 中竞争窗口CW 长度固定,节点并不选择发送的时隙,而是选择不同时隙的发送概率.如果信道空闲,则逐步增加每个时隙的发送概率;如果有其他节点使用该时隙发送数据,则重新计算发送概率.节点第r 个时隙的发送概率根据公式(1)计算:(1), 1,...,1CW r r CW P r ααα−−=×=−CW (1) 其中,11CW N α−−=.经证明,协议满足如下性质:(1) 当存在N 个竞争节点时,有且仅有1个节点在第1个时隙成功ms)S l e e p (m s ) 87654321Sleep (ms)1600140012001000800600400200018000.010.1110 0.010.1110 L i s t e n (m s ) Fig.2 Timelines of LPL’s extended Fig.3 Energy-Optimal sleep and lis ACK 100 100 preamble and X-MAC’s 图2 低功率侦听扩展前导与X-MAC 时序ten times 图3 能量优化睡眠和侦听时刻394 Journal of Software软件学报 V ol.19, No.2, February 2008发送的概率大;(2) 从第2个到第r−1个时隙,每个时隙中有且仅有1个节点成功发送的概率也大.Sift是一个新颖而简单的基于竞争窗口的MAC协议,能满足事件驱动WSN数据突发性和冗余性,但未考虑如何减少空闲侦听.协议简单地认为,当节点监听到R个ACK后就取消相应事件报告,对如何选择R个节点及时无冲突发送并没有进一步研究.协议要求时钟严格同步,因此只适于在WSN局部区域内(如簇内)使用.2.2 基于调度的MAC协议调度协议通常以TDMA协议为主,也可采用FDMA或CDMA的信道访问方式,考虑到硬件成本和计算复杂度,在WSN中,后两种方式MAC协议较少.调度协议基本思想是:采用某种调度算法将时槽/频率/正交码映射为节点,这种映射导致一个调度决定一个节点只能使用其特定的时槽/频率/正交码(1个或多个)无冲突访问信道.因此,调度协议也可称作无冲突MAC协议或无竞争MAC协议.调度可静态分配,也可动态分配.为提高协议可扩展性和信道利用率,往往采用分布式算法实现信道重用,但设计高度信道重用有效调度是NP-难问题[23].2.2.1 Cluster-Based MAC在TDMA协议中,时槽分配需要一定的全局视图,计算量较大.很多TDMA协议利用了分簇网络便于管理维护、对系统变化反应迅速的特点,将时槽计算和分配任务交由簇头节点承担,既能避免扩大计算规模,又有利于实现信道重用.下面两个协议就具有这样的特点.Energy-Aware TDMA-Based MAC[24]协议包含4个主要阶段:在数据发送阶段,活跃节点在分配的时槽根据转发表向网关节点发送/转发数据,非活跃节点保持睡眠,除非向簇头报告状态或接收路由广播;在更新阶段,节点在分配的时槽向簇头报告各自状态(剩余能量、位置等);在基于更新的重路由阶段,簇头根据接收信息重新计算时槽和更新转发表,并发布调度;在事件触发重路由阶段,当拓扑变化或某节点能量小于阈值时,簇头产生新调度并发送给簇内节点.协议提供两种时槽分配算法:宽度时槽分配和深度时槽分配.宽度分配法为簇内节点提供连续时槽,减少硬件切换次数;深度分配法有利于数据及时上传,减小报文丢失概率.在BMA协议[25]中,节点根据剩余能量选举簇头.当选簇头广播当选通告,其余节点根据接收信号强度决定加入哪个簇.稳定状态阶段由多个时间帧组成,每个时间帧又分成竞争时槽、数据传输时槽和空闲时槽3部分.节点在竞争时槽获得数据传输时槽,并在数据传输时槽向簇头报告状态.簇头收集成员节点状态信息并发布调度,每个有数据发送的节点获得一个确定的发送时槽,且只在发送时槽向簇头节点发送数据,其余时间休眠.上述两个协议各个阶段时长固定,无法适应网络流量变化,降低了信道利用率.集中式时槽分配算法要求簇头节点必须具备很强的通信和计算能力,能耗很大,对时钟同步要求高.如何合理选择簇头有待深入研究.2.2.2 TRAMA(traffic-adaptive MAC)[26]和TDMA-W(TDMA-wakeup MAC)[27]固定的时槽分配调度虽然能够实现无冲突通信,但节点空闲侦听的能耗很大,且网络负载越小,空闲侦听比例越大.因此,很多TDMA协议加入流量自适应技术,动态调整占空比,进一步减少能量开销.TRAMA[26]协议的目的是保证节点根据实际流量使用预先分配的时槽无冲突通信,没有通信任务的节点转入睡眠状态,从而减少冲突和空闲侦听导致的能量消耗.所有节点首先获得一致的两跳内邻居信息并同步.每个节点根据报文产生速率计算调度周期SI,并根据报文队列长度使用AEA算法选择[t,SI]中具有两跳内最高优先权的若干个时槽,即获胜槽(winning slots).节点使用获胜槽发送数据并使用位图指定接收者,最后一个获胜槽用于广播下一次调度信息.AEA算法使用邻居协议NP和调度交换协议SEP选择发送节点和接收节点.每个节点u在某一发送槽t的优先权为prio(u,t)=hash(u⊕t).在某一时槽t,如果节点具有两跳邻居内最高优先权并且有数据需要发送,则进入发送状态;如果节点是当前调度的指定接收方,则进入接收状态;否则,节点进入睡眠状态.TRAMA时钟同步存在一定的通信开销;随机和调度访问交替进行增加端到端延时;协议对节点存储空间和计算能力要求很高,实现难度大;在AEA算法中,使用本地节点保存不完全的邻居节点两跳邻居信息,虽然不影响算法的正确性,但可能造成空闲侦听,浪费能量;TRAMA协议适用于周期性数据采集和监测等WSN应用.TDMA-W[27]协议对TRAMA进行改进,使用固定时槽发送或接收数据.相邻节点共享调度信息.在调度产生阶段,首先采用类似于图着色的分布式算法为所有节点分配时槽,节点每一帧分配两个时槽:一个发送槽用于发送数据,一个唤醒槽用于侦听唤醒信号.发送槽两跳范围内唯一,唤醒槽则可以共用.在信道访问阶段,节点为每。
对无线传感器网络MAC层协议探究解析
一、引言随着硬件技术的发展 , 低功耗的传感器节点可以仅由单独的芯片组成 , 在这个芯片中将会集成内存、处理器和收发装置等。
与其他的移动装置相比 , 低的功率容量限制了传感器节点的通信范围和覆盖区域。
因此 , 在目标跟踪和实时监测等应用中 , 传感器网络要有大量的节点才能覆盖目标区域。
与其他的无线网络相比 , 在无线传感器网络中给其节点充电或更换电池是比较困难的 , 也是不太实际的 , 因此最大化地延长节点或网络的生命周期将是我们工作的主要目标。
通常情况下 , 节点的通信过程比其计算过程消耗能量更多 , 所以要保证在网络正常运转的前提下使通信过程最小化。
尽管如此 , 在由多个低工作周期的节点所组成的密集网络中 , 考虑到能量的效率 , 媒体接入的方法仍是一个难以解决的问题。
在本文的第二部分 , 将介绍无线传感器网络的特性及在媒体接入通信中所隐含的能量浪费的原因。
第三部分是本文的主体 , 将给出传感器网络中一些重要的MAC 层协议 , 并列举它们的优缺点。
同时 , MAC 层和其他层融合的方法和相关协议也会在此部分进行探讨。
二、与传感器网络相关的 MAC 层协议特性传感器节点的电量耗完后 , 我们将会丢弃此节点 , 因此传感器网络研究的主要目的就是使网络的存在时间最大化。
在这种情况下 , 所提出的 MAC 层协议就需要减少潜在的能量浪费。
1. 能量浪费的原因①当一个接收节点同时接收到多于一个的分组且有部分冲突发生时 , 这些分组则被称为“ 有冲突的分组”, 发生冲突的所有分组都将会被丢弃或重新发送 , 而这将导致能量消耗的增加 ; ②串扰 , 即节点接收到发给其他节点的分组 ; ③控制分组的费用 , 我们将尽量满足使最小数量的控制分组用于数据的发送 ; ④空闲监听引起的 , 即监听一个空闲的信道以接收可能的信息量 ; ⑤当目的节点未准备就绪时 , 信息的发送已经开始而引起的。
在设计 MAC 协议时应避免以上 5种能量浪费情况的发生。
面向物联网的无线传感器网络MAC协议研究
面向物联网的无线传感器网络MAC协议研究随着物联网技术的快速发展，无线传感器网络（WSN）在物联网环境中的应用愈发广泛。
作为连接感知设备和互联网的基础，无线传感器网络需要可靠且高效的通信协议来实现数据的采集、处理和传输。
其中，媒体访问控制（MAC）协议是无线传感器网络中的重要组成部分，对网络的性能和能耗具有重要影响。
因此，面向物联网的无线传感器网络MAC协议的研究显得十分必要和紧迫。
无线传感器网络MAC协议在物联网环境中面临着多个挑战。
首先，物联网中的无线传感器节点数量庞大，网络通信量大，需要具备高效的多节点协同能力。
其次，由于无线传感器网络中的节点一般由电池供电，能耗是一个十分重要的问题，需要设计低功耗的协议以延长网络寿命。
此外，物联网环境中无线通信频率拥挤，会造成严重的信道冲突和干扰，需要设计抗干扰能力强的MAC协议。
针对上述问题，研究者们提出了许多面向物联网的无线传感器网络MAC协议的解决方案。
下面将介绍几个具有代表性的协议。
首先是低功耗媒体访问控制（LL-MAC）协议。
该协议通过引入时隙控制和休眠机制，降低了节点的活跃时间，从而减少功耗。
该协议采用分时复用和自适应帧长机制，有效地解决了网络的时隙冲突问题。
此外，协议还支持节点的自适应休眠，进一步降低了能耗。
另一个重要的MAC协议是无冲突媒体访问控制（COL-MAC）协议。
COL-MAC利用监听和避让技术，有效地解决了信道冲突和干扰问题。
该协议通过在发送前监听信道状况，避免了节点之间的碰撞，提高了通信的可靠性。
此外，COL-MAC还引入了动态距离感知技术，根据节点之间的距离选择适当的发送功率，进一步减少了干扰。
除了上述两个协议，基于重叠访问窗口技术的MAC协议（OAW-MAC）也是一种有潜力的研究方向。
该协议通过预设一组覆盖整个帧长的多个访问窗口，实现多节点同时传输的能力。
通过合理的访问窗口选择，OAW-MAC协议能够充分利用信道资源，提高网络吞吐量。
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。
无线传感器网络MAC协议仿真研究
WSN对MAC的要求
低功耗，延长节点的工作寿命； 自组织形成网络，适应网络拓朴和节点密度的变化； 可靠性；
WSN MAC主要成果
基于竞争的MAC：SMAC，TMAC…… 基于调度的MAC：TRAMA和SMACS……
nbicc & ict & swjtu
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பைடு நூலகம்
WSN MAC协议开发
目标
利用理论界已有的研究成果和我们自主研发的测试平台，快速实现 多种WSN应用解决方案需要的MAC协议。 采用跨层设计的新思路，开发适用于高速率实时业务的WSN MAC 协议，采用先仿真后实验的路线，提高调试和开发效率。
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WSN MAC协议开发
MAC协议性能分析
SMAC vs MACA
业务量较大时， 睡眠避免冗余数据包 的接收。 业务量较小时， 更多机会进入睡眠， 低功耗优势明显。
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WSN MAC协议开发
MAC协议性能分析
SMAC vs MACA
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国内外研究现状
主要研究方法对比
解析方法的有效性和精确性受假设限制很大。 模拟仿真方法可根据需要设计所需网络模型，只需较少的时间和费 用就能得到网络在不同条件下的各种特性，灵活，高效，低成本。 但目前网络模拟和仿真软件对WSN的模拟和仿真并不能完全真实和 有效的反映整个网络的状态。(注：采用解析和模拟仿真相结合的方 法是WSN理论研究的主要手段) 实验方法相对成本较高，不如仿真灵活，但能获得丰富有效的网络 数据，准确的测试和评估网络的性能，是将理论成果转化为网络标 准或产品的必经之路。
无线传感器网络MAC协议研究进展
无线传感器网络MAC协议研究进展关键词：传感器MAC SMACS 传感器1 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">传感器内实现。
无线传感器">传感器网络(wireless sensor networks，WSN)就是由大量的廉价微型的传感器">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。
图1是Deborah Estrin在Mobicom 2002会议的报告中关于传感器">传感器节点各部分能量消耗统计情况。
媒体介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议处于无线传感器">传感器网络协议的底层部分，主要用于在传感器">传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器">传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器">传感器网络离效通信的关键网络协议之一。
无线传感器">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。
由图1可以看出能量的消耗主要集中在WSN节点的射频模块部分，而MAC协议直接控制射频模块，对节点能耗有重要影响。
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。
2 无线传感器">传感器网络MAC协议性能指标设计分析无线传感器">传感器网络的强大功能是有众多节点协作实现的，多个节点的通信需要MAC协议协调其间的无线信道分配。
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。
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无线传感器网络MAC协议进展作者：李红映高峰来源：《电脑知识与技术》2009年第13期摘要:MAC协议是无线传感器网络协议的重要组成部分,网络的性能(如吞吐量、容量、时延及功耗等)依赖于所采用的MAC协议,也是无线传感器网络设计研究的主要技术难点之一。
该文指出了无线传感器网络MAC协议设计的主要问题,对几种典型的MAC协议进行了分析和研究,并分析研究了无线传感器网络MAC协议的研究与应用方向。
关键词:无线传感器网络;MAC协议;基于预约的MAC协议;基于竞争的MAC协议;混合MAC协议中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)13-3394-04无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,简称WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者,使得人们能在任何时间、地点和任何环境条件下都能获取大量详实而可靠的信息。
传感器网络由于其具有易扩展、自组织、分布式结构、健壮性和实时性等特点,能够广泛地应用在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域。
在无线传感器网络中,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。
用来构建无线传感器网络系统的底层基础结构。
MAC协议处于传感器网络协议的底层部分,对传感器网络的性能有较大影响。
是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。
1 无线传感器网络MAC协议设计要点传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限,因而单个传感器节点的处理能力通常比较弱。
无线传感器网络的强大功能需要众多节点密切协作才能实现。
局部范围内的多点通信需要MAC协议协调节点间的无线信道分配,以高效的支持在整个网络范围内的路由选择与通信路径的正确连通。
在设计无线传感器网络的MAC协议时,需要着重考虑以下几个方面:1) 能源有效性。
WSN的基本特征就是能量的局限性。
节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量,而且电池的能量通常难以进行补充。
在WSN中,无线通信是传感器能量的主要消耗。
MAC协议要尽可能的节约能源,如减少冲突和串音、最小化控制开销、降低占空比和尽量避免长距离通信。
协议中还应包括折中机制,使用户可以在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择。
另外,可利用多个频率段来减少传输时间,在节点处于空闲或完成阶段把无线电转为低功耗睡眠模式,避免在活跃和睡眠状态的额外转变以节省无线传输能量。
由于目前节点的能量供应问题并没有得到很好解决,传感器节点本身能量不能自动补充或补充不足,节约能量成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素。
2) 可扩展性。
通常大部分处于无人照看模式的传感器网络应用都部署大量的节点,并且在传感器网络生存期中存在节点数目、分布密度的不断变化、节点位置的移动以及新节点的加入等问题,所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。
因此,需要MAC协议具有可扩展性,以适应这种动态变化的拓扑结构。
3) 性能的综合测评。
MAC协议的设计需要在多种性能间取得平衡。
各项性能包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等方面。
各性能间的平衡往往比单个性能更重要。
因为一个不平衡的协议即使某一环境下表现好,很可能在另一环境表现很差。
比如,一个协议如果太频繁地关闭无线收发装置来节能,不仅使实时性和可靠性受到影响,包丢失引起的重传也会反过来影响节能的效果。
4) 分布式算法。
由于传感器节点计算能力和存储能力受限,需要众多节点协同来完成某项应用任务,所以MAC协议运行分布式的算法可以更有效地避免由某些节点的失效造成网络瘫痪等现象发生。
5) 可靠性。
可靠性包括无错误链路的仔细选择、对数据包的检测和修复等。
在无线网络中,包丢失主要是由缓冲器溢出和信号干扰造成的。
避免缓冲器溢出是由路由和MAC协议共同担负的责任。
可利用路由间均衡负载以减少达到转寄节点流量缓冲器的最大容量可能性,并利用MAC协议保证缓冲器管理机制的发送数据流的服务速率。
因信号干扰而导致的包丢失可以通过使用高传输功率和阻止节点间媒介接入的竞争来减少。
WSN的设计不仅仅需要基于这些设计目标、准则,而且还要在这些衡量的标准中取得一个很好的平衡,这比单个性能的提高更重要。
例如,一个MAC协议可以使用灵巧的方案来节省能量,但是这个方案并没有考虑到其他衡量的标准,如实时保证或包传送的可靠性,这样一来,不仅损害了在其他标准衡量下的性能,而且反过来是节省能量的性能急剧恶化。
假如节点的收发器开关太频繁,将造成数据包的丢失,而造成更大的能量损耗。
2 无线传感器网络MAC协议能量浪费原因由于节点能量有限,能量管理是无线传感器网络的协议设计中的核心问题。
已有的研究表明,无线通信模块是无线传感器网络中主要的耗能部件,MAC层协议为达到节能的目的,直接控制节点的通信模块,对节能起着最重要的作用。
通信模块能量浪费主要在四个方面:1) 空闲侦听:当无数据发往节点时,通信模块仍然保持接收状态侦听信道,等待发往本节点的数据,造成无必要的空闲侦听能量消耗。
2) 冲突:接收节点同时接收到来自多于一个节点的数据,无线信号重叠,造成接收到无用数据,即使只重叠一部分,也不得不丢弃已接收部分,重传整个数据包,因此导致额外的重传能量浪费。
3) 串音(overhearing):节点接收到发往其他目的节点的数据包,也是无用数据,必须丢弃,导致接收能量浪费。
4) 控制包开销:连接建立阶段的控制包交换和数据发送前后的握手协议或者是固定分配协议中周期建立分配表等都是非有用数据的控制包开销,MAC层协议应该最小化控制包开销。
无线传感器网络中数据量很少,突发性很强,节点约95%的时间都是空闲的,因此空闲侦听是主要的能量浪费,如果一直保持侦听状态会造成极大的能量浪费,因此降低能耗主要是从控制通信模块的开启时间入手。
冲突和串音在基于竞争的协议中易于发生,而在固定分配协议中得到较好的控制,当负载很重和节点密度很高的时候,冲突和串音也是比较严重的能量浪费源。
在协议启动阶段、协议维持阶段和数据转发过程中都应该使用尽量少的控制包达到可靠的传输,以减少控制包发送能耗。
MAC层协议的设计必须考虑以上四方面能量消耗,使这些能量浪费达到最小化。
3 无线传感器网络MAC协议分类无线传感器网络与应用高度相关,研究人员从不同的方面出发提出多种MAC协议。
但目前尚无统一分类方式。
可根据信道分配方式、数据通信类型、性能需求、硬件特点以及应用范围等策略,使用多种分类方法对其分类:1) 根据信道访问策略的不同可分为竞争协议、调度协议和混合MAC协议。
竞争协议无须全局网络信息,扩展性好、易于实现,但能耗大;调度协议有节省优势和延时保障,但帧长度和调度难以调整,扩展性差,且时钟同步要求高;混合协议具有上述两种MAC协议的优点,但通常比较复杂,实现难度大。
2) 根据使用单一共享信道还是多信道可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。
前者节点体积小、成本低,但控制分组与数据分组使用同一信道,降低了信道利用率;后者有利于减少冲突和重传,信道利用率高、传输时延小,但硬件成本高,且存在频谱分配拥挤问题。
3) 根据数据通信类型可分为单播协议和组播/聚播(convergecast)协议。
前者适于沿特定路径的数据采集,有利于网络优化,但扩展性差;后者有利于数据融合与查询,但时钟同步要求高,且数据冗余,重传代价高。
4) 根据传感器节点发射器硬件功率是否可变可分为功率固定MAC协议和功率控制MAC 协议。
前者硬件成本低,但通信范围相互重叠,易造成冲突;后者有利于节点能耗均衡,但易形成非对称链路,且硬件成本增加。
5) 根据发射天线的种类可分为基于全向天线的MAC协议和基于定向天线的MAC协议。
前者成本低、易部署,但增加了冲突和串音;后者有利于避免冲突,但增加了节点复杂性和功耗,且需要定位技术的支持。
6) 根据协议发起方的不同可分为发送方发起的MAC协议和接收方发起的MAC协议。
由于冲突仅对接收方造成影响,因此,接收方发起的MAC协议能够有效避免隐藏终端问题,减少冲突概率,但控制开销大、传输延时长;发送方发起的MAC协议简单、兼容性好、易于实现,但缺少接收方状态信息,不利于实现网络的全局优化。
此外,根据是否需要满足一定的QoS支持和性能要求,WSN MAC协议还可分为实时MAC 协议、能量高效MAC协议、安全MAC协议、位置感知MAC协议、移动MAC协议等。
4 无线传感器网络MAC协议分析4.1 基于预约的MAC协议基于预约的MAC协议尝试将近邻传感器节点组织起来,使得节点之间的通信按照有序的方式进行。
其基本思想是:采用某种调度算法,MAC协议规定每个传感器节点只在特定的时间段/子频带/正交码内访问信道,这样可以减少甚至消除碰撞、空闲侦听、串音等;没有参与通信的那些节点则进入睡眠状态,直到它们需要执行任务为止;MAC协议所使用的调度可静态分配,也可动态分配;为提高协议的可扩展性和信道利用率,采用分布式算法实现信道重用。
遗憾的是,设计实现高度信道重用的调度算法是一个NP-问题。
目前已提出了许多基于预约的MAC协议,根据所采用的调度算法,这些协议大体上可以进行如下分类:基于优先权的MAC协议(priority-based MAC protocols)、基于业务量的MAC协议(traffic-based MAC protocols)、基于聚类的MAC协议(clustering-Based MAC protocols)、基于TDMA的MAC协议(TDMA-based MAC protocols)等。
基于预约的MAC协议的显著优点是:每个节点只在其预约的时间段向中心代理(central agent)传送数据,所以基于预约的MAC协议可实现无冲突通信(collision-free communication)。
由此,节点的占空度(duty cycle)将减少,整个网络的能量效率(energy efficiency)将提高。
基于预约的MAC协议也存在一些局限:1) 需要增加额外的报文以建立和维护调度表。
2) 节点的移动性、节点的调配和节点的失效等都会使调度表的维护变得更加复杂。
3) 当新节点加入或旧节点失效时,其直接近邻节点需要重新分配网络资源,期间将导致有些资源未被使用,从而产生不必要的时延和数据报的丢失。
4) 在部分节点的状态发生错误的情况下,基于预约的MAC 协议也必须彻底地运行,对MAC状态的分割此时极有可能导致碰撞。