无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC
物联网讲座06WSNMAC协议5439825
（1）周期性侦听和睡机制 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/睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进行调整。当节点处于睡眠阶段时，关闭无线电波，以节省能量。当然节点需要缓存这期间收到的数据，以便工作阶段集中发送。
具有相同调度的节点形成一个所谓的虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。如果传感器网络的部署范围较广，可能形成众多不同的虚拟簇，使得S-MAC协议具有良好的可扩展性。 为了适应新加入节点，每个节点要定期广播自己的调度信息，使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。如果节点同时收到两种不同的调度，如图所示的处于两个不同调度区域重合部分的节点，那么这个节点可以选择先收到的调度，并记录另一个调度信息。
SMAC协议-前提条件和基本思想
前提条件数据量少，可进行数据的处理和融合节点协作完成共同的任务网络可以容忍一定程度的通信延迟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带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息的传递延迟
随机退避时间按下面公式进行计算： 退避时间=Random()×aSlottime 其中，Random()是在竞争窗口[0，CW]内均匀分布的伪随机整数；CW是整数随机数，它的数值位于标准规定的aCWmin和aCWmax之间；aSlottime是一个时槽时间，包括发射启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。
S-MAC
典型MAC协议：S-MAC协议
这里介绍一种适用于无线传感器网络的比较典型的MAC协议，即S-MAC协议(Sensor MAC)。这种协议是在802.1l MAC协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的。 S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能耗。
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。
论T-Mac和S-mac的异同
论T-Mac和S-mac的异同关于S-MAC和T-MAC协议能耗的比较田玉祥 20210801129 计算机科学与技术(1)班摘要：无线传感器网络的出现和发展对现代科学技术产生了及其深刻的影响，它在军事、工业、医疗、交通、环保等许多领域都具有广阔的应用前景和巨大的实用价值。
新的不同的应用对无线传感器网路的研究提出了新的技术问题，在这些技术问题中，能耗问题成为了首要问题。
文章就S－MAC协议和T－MAC协议在无线传感器网络中针对节能的需求做简要探讨。
关键字：无线传感器网络、S－MAC 协议、T－MAC 协议、能量消耗Abstraction：The emergence and development of wireless sensor networks to modern science and technology had its profound impact, it has broadapplication prospects and great practical value in many areas of military, industrial, medical, transportation, and environmental protection. New and different applications of wireless sensor networks proposed new technical problems in these technical problems, the energy issue has become a priority. Article on the S-MAC protocol and T-MAC protocol in wireless sensor networksfor energy demand briefly discussed.Keywords：Wireless sensor networks、S-MAC protocol、T-MAC protocol、Energy consumption引言无线传感器网络是一种新兴的网络技术，它具有广泛的应用，包括很多工业过程监测和战术系统等潜在领域。
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
43
SMAC协议关键技术--消息冲突与串扰避免
44
无线传感器网络MAC协议
无线传感器网络MAC协议摘要近年来，无线传感器网络(WSNs)作为国内外一个新兴的研究方向，吸引了许多研究者和机构的广泛关注。
本文从无线传感器网络 MAC 协议角度出发,介绍了无线传感器网络的MAC 协议及当前的研究现状，分析了无线传感器网络协议和传统网络协议在设计上的不同点，对已有的MAC 协议进行分类，着重研究和比较了S—MAC和T—MAC无线传感器网络MAC 协议。
最后，展望了无线传感器网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势。
关键词无线传感器网络(WSNs)，MAC协议，能量有效性Abstract In recent years， wireless sensor networks (WSNs）, as a new research direction at home and abroad， has attracted the attention of many researchers and organizations。
We conduct a deeply research on wireless sensor network MAC protocol,and we propose the difference between WSN and traditional networks， not only given the characteristic of WSN，we also have illustrate the research orientation in this area.Focus on the research and comparison of S-MAC and T-MAC wireless sensor network MAC protocol。
Finally， the future research strategies and trends of MAC protocols in WSNs are summarized。
S-mac协议与T-mac协议的比较 论文
S- MAC协议与T- MAC协议的比较摘要：无线传感网络作为计算机、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。
在进行实时检测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息方面，具有极为广阔的应用和发展前景。
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。
本文主要介绍了无线传感网MAC协议的特点以及分类，然后针对典型的S-mac 和T-mac两个协议进行了简要介绍，并作出了性能比较。
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S-MAC T-MACAbstract：Wireless sensor network as the computer, communications and sensor product of the combination of three technologies has become an active field of computer and communications research branch. Carrying out various aspects of the object information in real-time detection, perception and acquisition distribution network in the region, has a very broad application and development prospects. Have been proposed are a variety of wireless sensor network for different target MAC protocol. This paper describes the characteristics of wireless sensor network MAC protocols and classification, and then for a typical S-mac and T-mac two protocols were brief and to make performance comparisons. Finally, to clarify the development trend of wireless sensor network based MAC protocol.Keywords：MAC protocol for wireless sensor network performance comparison S-MAC T-MAC1.概述随着通信技术、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。
S-MAC协议与T-MAC协议
S-MAC协议主要思想：S-MAC是一种以节能为首要目的的无线传感器网络的MAC层协议。
主要思想是使节点周期性地休眠以减少串音侦听和空闲侦听导致的时延，来降低能量的消耗。
如果有消息需要发送，通过握手机智竞争通道，在侦听阶段发送。
S-MAC协议中节点采用退避机制竞争信道。
一个完整的侦听和休眠过程叫一个周期。
在每个周期开始时，消息队列非空的节点会从[0,W-1]中随机选择一个退避数，其中，W为竞争窗口的大小，协议中规定竞争窗口的大小不变。
选择退避数后，如果信道保持空闲且持续一个时隙的时间，则节点的退避数会在时隙结束后减1。
当网络中某节点的退避数首先减少为0时，该节点将发送数据，如果2个或者2个以上的节点同时发送数据，则会造成冲突。
而那些未能发送数据的节点会因为侦听到信道状况变为繁忙而取消当前的退避转而进行休眠，等待下一个周期的到来。
主要功能模块：1.周期性侦听与休眠机制每个节点周期性地进入休眠状态，周期长度固定，节点的侦听活动时间也是固定的。
节点苏醒后进行侦听，判断是否需要通信。
为了便于通信，相邻节点间应尽量维持调度同步，并维护一张时间调度表，记录所有已知相邻节点的侦听与休眠调度信息。
允许一个节点采用多个休眠调度，以使采用不同休眠调度的节点可以通过此类节点进行数据转发，能使网络在多跳情况下正常工作。
各节点需要周期性地更新它们的休眠时间，防止长期的时钟漂移。
2.消息冲突与串音避免机制采用类似于IEEE802.11DCF中的冲突避免机制，还采用RTS/CTS机制解决隐终端问题。
为了避免串音，S-MAC协议使节点在接收到发往其他节点的RTS和CTS消息后进入休眠。
3.长消息传递机制采用一种称为“消息传递”的机制来高效地传送长数据消息。
只使用一个RTS 和CTS消息为所有短数据包预约通道，每个数据包分开进行确认。
若一个节点在某一发送节点发送的中间被唤醒或一个新节点在发送的中间加入网络，不管该节点是发送节点的相邻还是接收节点的相邻都应立即进入休眠状态。
S-MAC协议与T-MAC协议
S-MAC协议主要思想：S-MAC是一种以节能为首要目的的无线传感器网络的MAC层协议。
主要思想是使节点周期性地休眠以减少串音侦听和空闲侦听导致的时延，来降低能量的消耗。
如果有消息需要发送，通过握手机智竞争通道，在侦听阶段发送。
S-MAC协议中节点采用退避机制竞争信道。
一个完整的侦听和休眠过程叫一个周期。
在每个周期开始时，消息队列非空的节点会从[0,W-1]中随机选择一个退避数，其中，W为竞争窗口的大小，协议中规定竞争窗口的大小不变。
选择退避数后，如果信道保持空闲且持续一个时隙的时间，则节点的退避数会在时隙结束后减1。
当网络中某节点的退避数首先减少为0时，该节点将发送数据，如果2个或者2个以上的节点同时发送数据，则会造成冲突。
而那些未能发送数据的节点会因为侦听到信道状况变为繁忙而取消当前的退避转而进行休眠，等待下一个周期的到来。
主要功能模块：1.周期性侦听与休眠机制每个节点周期性地进入休眠状态，周期长度固定，节点的侦听活动时间也是固定的。
节点苏醒后进行侦听，判断是否需要通信。
为了便于通信，相邻节点间应尽量维持调度同步，并维护一张时间调度表，记录所有已知相邻节点的侦听与休眠调度信息。
允许一个节点采用多个休眠调度，以使采用不同休眠调度的节点可以通过此类节点进行数据转发，能使网络在多跳情况下正常工作。
各节点需要周期性地更新它们的休眠时间，防止长期的时钟漂移。
2.消息冲突与串音避免机制采用类似于IEEE802.11DCF中的冲突避免机制，还采用RTS/CTS机制解决隐终端问题。
为了避免串音，S-MAC协议使节点在接收到发往其他节点的RTS和CTS消息后进入休眠。
3.长消息传递机制采用一种称为“消息传递”的机制来高效地传送长数据消息。
只使用一个RTS 和CTS消息为所有短数据包预约通道，每个数据包分开进行确认。
若一个节点在某一发送节点发送的中间被唤醒或一个新节点在发送的中间加入网络，不管该节点是发送节点的相邻还是接收节点的相邻都应立即进入休眠状态。
无线传感器网络MAC层协议研究综述
无线传感器网络ＭＡＣ层协议研究综述[摘要]：综合了计算技术、通信技术、传感器技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。
在过去的几年间，关于无线传感器网络MAC层协议的研究一直受到众人的关注。
相关的著作也提出了一系列的MAC 层协议，常见的有S-MAC、WiseMAC、T-MAC、D-MAC等。
文章中首先列举出在设计MAC层协议时所需要考虑的一些关键的特性，然后具体描述各种MAC 协议，并指出它们的优缺点，最后指出未来MAC层协议的研究方向。
[关键词]：无线传感器网络；MAC层协议；S-MAC；T-MAC1.引言无线传感器网络已经成为21世纪初最重要的技术之一。
它综合了计算技术、通信技术以及传感器技术，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，这些信息以无线方式传送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通。
本文中首先列举出在设计MAC层协议时需要考虑的一些关键特性，然后具体描述各种MAC协议并指出优缺点，最后指出未来MAC层协议的研究方向。
2.无线传感器网络MAC层协议特性在MAC层协议的设计目标上，无线传感器网络与传统的无线网络有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证，其设计目标是最大化吞吐量、最小化时延并且提供公平性。
在无线传感器网络中，设计有效的策略延长网络的生命周期是其核心问题。
本文将设计无线传感器网络MAC层协议时需要考虑的主要因素归纳如下：能效问题：无线传感器网络的基本特征就是能量受限。
其MAC层协议要尽可能地节约能源，如减少冲突和串音、降低占空比和尽量避免长距离通信。
协议中还应包括折衷机制，使用户可以在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择。
实时性：无线传感器网络经常被应用于实时性要求很高的领域，及时地检测、处理和传递信息是对其必不可少的要求。
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。
基于SMAC的无线传感器网络MAC协议的分析与优化
基于SMAC的无线传感器网络MAC协议的分析与优化赵雪莹【摘要】首先对MAC协议进行了相关介绍.然后重点介绍了一种基于竞争的无线传感器网络MAC层协议S-MAC协议.其核心是提出了一种新的无线传感器网络的MAC协议设计方案.基于动态调整占空比的思想,提出了ATC-SMAC协议.该协议在S-MAC协议的基础上改进了固定占空比的劣势,根据每个节点上的数据包的平均延迟调整占空比.通过动态地调整每个节点的占空比,使不同流量的节点拥有不同的工作时间,协议根据不同节点的流量情况自适应地对其占空比进行调整.经过仿真试验,得到ATC-MAC在网络端对端延迟、能量消耗以及吞吐量方面较S-MAC协议都有比较明显的提高.%The MAC protocol is introduced. A wireless sensor network MAC layer protocol based on competition named S-MAC protocol is analyzed. The core of this paper is the design scheme of MAC protocol of a new wireless sensor network, and the ATC-SMAC protocol based on the dynamic adjustment of duty cycle is proposed. This protocol improved the disadvantages of fixed duty cycle of S-MAC, and used the strategy of adjusting the duty cycle according to average packet delay on one node. Nodes with different traffic owned different work time according the duty cycle dynamic adjustment of each node. The protocol dynamically adjusted the duty cycle according to the traffic of each node. According to the simulation, the ATC-MAC is better than S-MAC in end to end delay, energy consumption and throughput.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2011(034)019【总页数】3页(P46-48)【关键词】无线传感器网路;MAC协议;动态占空比;ATC-SMAC协议【作者】赵雪莹【作者单位】北京工业大学耿丹学院,北京 101301【正文语种】中文【中图分类】TN915-34无线传感器网络[1]协议ATC-SMAC主要是提高基于竞争的S-MAC协议的能量使用率，同时减少S-MAC协议的网络延迟。
新一代移动通信技术4-无线传感器网络MAC协议
PETF
N slots ...
TR
W TE
N slots
...
W
图 1-8 时间帧划分
第二十三页，编辑于星期四：六点 五十九分。
WiseMAC协议-基本思想
基于CSMA机制，使用前导采样技术
通过本地同步的广播获得最小的前导长度
随机的前导长度保证冲突避免
第二十四页，编辑于星期四：六点 五十九分。
WiseMAC协议-关键技术1
前导采样
对信道进行采样 ，在短时间内对无线信道进行 监听
所有节点都保持相同的采样时间Tw
采样时监听到信道忙，节点会继续监听，直到接收 到数据或者信道空闲
数据包发送之前都要发送一个唤醒前导序列，该 序列的长度和采样周期的长度相等，保证在数据 部分到达时节点处于监听状态
第三十二页，编辑于星期四：六点 五十九分。
SMACS协议-关键技术2
链路建立
节点A和D分别在Td和Ta时刻开始进行邻居发现
节点B和C分别在Tb和Tc时刻开始进行邻居发现
两个时隙分配不同的频点 fx和fy
D、A相互发现
Tframe
发送时隙 接收时隙
fx
…
fx
…
Node D
Td
fx …
fx …
Node A
第十五页，编辑于星期四：六点 五十九分。
TMAC协议-基本思想
SMAC协议调度占空比固定，不能很好的适应网络流量
的变化 动态调整调度周期中的活跃时间长度
在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠
normal
active time
sleep time
TMAC
TA
TA
图 1-2 TMAC基本机制
基于S-MAC和T-MAC协议的无线传感器网络技术之节能探讨
的 状 态 造 成 了 节 点 能 量 的 大 量 消 耗 （ ） 议 开 销 （ｒｔｃｌｏ ｅｈ ａ ） ４协 ｐｏ ｏ ｖ ｒｅｄ 。 ｏ 协 议 开 销 包 含 在 ＭＡ 的 控 制 帧 中 ． Ｃ 在
控 制 节 点 间 信 道 分 配 时 ． 节 点 发 送 如 Ｒ Ｓ Ｃ Ｓ Ａ Ｋ 等 控 制 消 息 会 消 耗 一 定 Ｔ／Ｔ／ Ｃ 的网络 能量
１ 无 线 传 感 器 网 络 和 Ｍ ＡＣ
协 议
无 线 传 感 器 网络
传 感器 节 点 简单 且 廉 价 ． 能 提 供 不
大 量 的 能量 资 源 ． 由于节 点 数量 多 、 又 受 环 境 和 其 他 条 件 的 限 制 ． 以 节 点 的 所
ＭＡＣ协 议 的 无 线 信 道 使 用 通 常 采 用 “ 侦
听／ 眠 ” 替 策略 睡 交
ｎ ｔｏｋ ＷＳ ｅｗ ｒ ． Ｎ）是 由 大 量 具 有 特 定 功 能
络 协议 的底 层部 分 ． 网 络 的性 能有 较 对
块 和 处 理 器 模 块 的 能 量 消 耗 更 多
（ ） 闲 侦 听 （ ｌ ｌｔｎｎ ） 由于 ３空 ｉ ｅ ｉ ｅ ｉｇ 。 ｄ ｓ 节 点 不 能 预 知 相 邻 节 点 什 么 时 候 传 送
数 据 给 自 己 ． 以 处 于 空 闲 状 态 的 节 点 所
起 多 个节 点 之 间 产生 碰 撞 ． 后 由于需 然
多 数 无 线 传 感 器 网 络 ＭＡ 协 议 的 设 计 Ｃ
均 试 图 解 决 上 述 问 题 ． 以 减 小 能 量 消 耗 ．最 大 化 网 络 周 期 在 Ｉ Ｅ ８ ２１ 一 Ｅ Ｅ ０ ．１
S-MAC协议与T-MAC协议的区别
S-MAC协议与T-MAC协议的区别S-MAC协议和T-MAC协议的区别摘要：介绍⽆线传感⽹络MAC协议的性能要求，S-MAC协议与T-MAC协议的特点，以及对⽆线传感⽹络MAC未来发展的展望。
关键词：⽆线传感⽹络，S-MAC协议，T-MAC协议Comparison of S-MAC protocol and T-MAC protocol Abstract: This paper introduces the performance requirements of wireless sensor network MAC protocols, S-MAC protocol with T-MAC protocol characteristics, as well as the outlook for wireless sensor networks MAC future development. Keywords: wireless sensor networks, S-MAC protocol, T-MAC protocol 引⾔：当前集信息采集、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）的发展正在给⼈类⽣产和⽣活的各个领域带来深远的影响。
但是WSN的现阶段的发展也有⾃⼰的难题，⽐如⽹络协议、能量、定位、可靠性、⽹络架构以及数据处理等问题。
本⽂主要就⽹络协议中的竞争型协议S-MAC和T-MAC的优缺点进⾏介绍。
1 ⽆线传感⽹络MAC协议概述⽆线传感器⽹络MAC协议的设计重点在于：能量效率（空闲监听、冲突、控制开销、串扰）、开拓展和适应性、⽹络效率、算法复杂程度、与其它层协议的协同等。
其中能量效率尤其重要。
在WSN中的能量消耗主要集中在通信能耗、感知能耗和计算能耗，在这其中，通信能耗⼜占很⼤⽐重。
基于上述原因，⽆线传感⽹络MAC协议通常采⽤“侦听/休眠”交替的信道访问策略。
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。
MAC协议5
Ref: MAC Protocols for Wireless Sensor Networks: a Survey
MAC协议设计的要求
1 节省能量。MAC 协议在满足应用要求的前提下，应尽量节省使 用节点的能量。 2 可扩展性。传感器节点数目、密度等有可能不断变化，节点位 置也可能移动，从而无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。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。 3 网络效率。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。 4 能支持不同通信模式。
非持续CSMA
并不持续侦听信道，而是 在冲突时，等待随机 的一段时间。
有更好的信道利用率，但 导致更长延迟
p-持续CSMA
应用于分槽信道，以P概 率发送，Q=1-P概率 不发送。
P值难以选择
CSMA退避机制
C6 B
7
A
10
D
E
F A------>B（A向B发送数据） C、D.E------->F（A仍在发送，CDE欲发送） A<------>B（A发送完毕） CDE------->F（CDE同时发送，产生冲突）
基于竞争的MAC协议
CSMA机制
WSN采用的MAC协议是基于无线局域网普遍采用的传统MAC协 议, 即载波侦听多路访问（CSMA）机制, 在基于竞争的MAC协 议中, 普遍采用CSMA机制以保证基本的数据通信。
CSMA是先侦听后发送的机制。CDMA的基本操作如下。
A
B
在一段特定时间（IFS帧间间隔）内侦听信道
量少, 存储空间占用少） • Efficient Channel Utilization at Low and High Data Rates（有效
无线传感器网络的协议与优化技术
无线传感器网络的协议与优化技术无线传感器网络是一种由许多分布在广域范围内的小型传感器节点组成的网络系统。
这些节点能够通过无线通信进行数据传输，从而实现对环境中各种参数的监测与感知。
在无线传感器网络的建设和应用过程中，协议和优化技术的选择与设计起着至关重要的作用。
本文将重点介绍无线传感器网络中常用的协议和优化技术，以及它们对网络性能和能耗的影响。
一、传感器网络的协议类型1. MAC协议（媒体访问控制协议）在无线传感器网络中，MAC协议起到决定节点之间如何共享无线信道的作用。
常见的MAC协议有以下几种：- CSMA/CA（载波监听多点协调/碰撞避免）是一种常用的MAC协议，通过在发送数据前进行信道监听，可以避免节点之间的碰撞，提高数据传输效率。
- TDMA（时分多路复用）协议将时间分割为多个时隙，每个节点在指定的时隙内进行数据传输，从而避免了碰撞问题，但是限制了网络的灵活性。
- FDMA（频分多路复用）协议将频谱分割为多个频段，每个节点在独占的频段内进行传输，提高了网络的并发性，但对频谱资源的利用不够高效。
2. 路由协议路由协议用于确定数据在传感器网络中的传输路径。
常见的路由协议有以下几种：- LEACH（低能耗自适应簇头）协议是一种典型的分簇式路由协议，将网络节点划分为多个簇，每个簇中选举一个簇头节点来进行数据的汇聚和转发，有效降低能耗。
- AODV（自适应按需跳跃）协议是一种基于跳跃的路由协议，通过维护路由表，动态选择最优的跳跃节点，实现数据的高效传输。
- DSR（动态源路由）协议是一种基于源节点的路由协议，数据包携带完整的源节点到目的节点之间的路径信息，每个中间节点仅需进行简单的转发操作，减少了路由表的维护开销。
二、优化技术在传感器网络中的应用1. 能量管理与优化由于传感器网络中的节点通常由电池供电，能耗问题一直是制约网络寿命和可靠性的关键因素。
为了延长网络的寿命，需要采用一系列的能量管理与优化技术，如：- 路由优化：选择较短的路由路径，减少能耗，延长节点寿命。
S-MAC协议和T-MAC协议的比较
S-MAC协议和T-MAC协议的比较摘要：媒体访问控制协议是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一，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。
与传统网络的MAC 协议不相同的是，无线传感器网络的MAC 协议首要考虑的因素就是节省能量。
针对无线传感器网络的要求，本文中将现有的MAC 协议中S-MAC协议和T-MAC协议进行了比较和分析。
关键字：S-MAC协议；T-MAC协议；无线传感器网络；ABSTRACT: MAC protocol is one of the key to ensure efficient network protocols for wireless sensor networks for communication, such as the performance of the sensor network throughput, delay performance depends entirely on the MAC protocol used. MAC protocol with the traditional network is not the same factors MAC protocol for wireless sensor networks the primary consideration is to save energy. For the requirements of the wireless sensor network, in this paper, the existing MAC protocols S-MAC protocol and T-MAC protocol were compared and analyzed.KEYWORDS: S-MAC protocol; T-MAC protocol; wireless sensor networks;1 引言媒体访问控制协议简称MAC 协议，处于无线传感器网络协议的底层部分，以解决无线传感器网络中节点以怎样的规则共享媒体才能保证满意的网络性能问题。
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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。
正如杜撰的术语，这一技术被称为“环境智能”。
环境是指周围的事物，意味着让周围的事物具有智能。
究竟是什么意思了，可以根据下面的例子理解。
想象一下如果我们周围的事物理解我们。
当我们到达我们的家时一旦它它感觉到我们，门就会自动打开。
当我们进入房间时灯会自动亮，音乐根据每个人的口味播放歌曲。
这就是“用户–系统–物理环境的最终结合”。
现在更进一步，如果这些传感器能够感知我们并互相通信交流的话就能形成一个网络。
这种类型的网络有很多的应用。
他们的应用涉及到从军事服务范围，到医疗救灾行动。
基本上这类想象已变成现实，我们需要发展的是一种非常小的设备，而且应具有以下功能：机载处理的处理能力即是发射机又是接收机有电源供应传感器与物理环境互动现在，让我们详细的了解无线传感器网络，我们有一个被称为节点的微小装置它可以在一个地区以一个特定的模式或随机的方式传播信息。
它们能够彼此进行通信，并且能将数据传送到另一个那里。
一般来说，这种网络有一个“下沉”或基站，所有从那里收集到的信息都可以被传输。
此接收器，依次连接到远程计算机或装置，监测整个系统，如在图3中示出。
这台远程计算机可以是服务器或主机。
随着新世界的机遇和应用的开放，这些设备也为研究人员创造了很多新的挑战。
Deepak Ganesan et al.介绍了在传感器网络中所面临的各种挑战，如（a）支持多跳通信，无线电操作，同时限制以节省电力，（b）数据管理（c）地理路由的挑战，和（d）这种动态的监测和维护，资源有限的系统，以及面对这些不同的挑战的各种解决方案。
图3无线传感器网络这些设备电路板上的微小电源，由于所处的地形限制和尺寸的细小原因使得它通常是不可替代的。
这使得节能成为无线传感器网络的一个重要方面。
此外，当这些设备连接到以特定方式染色的节点上时可能会使某个区域内的网络隔绝而导致无法访问网络集群，最终造成无线传感器网络不能完成它的目标。
记住在第二节将讨论在这一领域的各项工作，第三部分讨论MAC层相关的设计考虑，第四部分介绍SMAC和TMAC两个流行的MAC协议和他们各自的优点和缺点。
第六部分总结本文的研究。
2.调查方法Ilker Demirkol et. al.确定了在传统的 MAC 协议中所需的适合于无线传感器网络能源效率的更改，并评论了某些 MAC 协议详尽说明了其优点和缺点。
能源浪费的共同来源是碰撞，控制数据包的开销，空闲监听，窃听和发送失效。
所谓的通信模式综合起来有广播，汇聚播，本地传播和多播，讨论了它们在各种类型的方案中的应用。
MAC协议，如S-MAC，T-MAC，WiseMAC，TRAMA， SIFT,，D-MAC 和DSMAC 综述了各自的工作中的优缺点。
最后的底层技术，如TDMA，FDMA 和CDMA在无线网络的MAC层上下文中进行了简要的解释。
Wei Ye et. al.在这篇论文中提出的 S-MAC，是为无线传感器网络设计的介质访问控制 (MAC) 协议。
正如我们所知无线传感器网络具有有限的电池形式电源供应和感测装置。
用作者的话说，这些设备的网络将被整合在同一个应用上，如森林火灾探测等。
传感器网络将会以一个特定的方式部署，除了个别节点外大部分节点都将长时间处在睡眠状态，但是当检测到某些东西时会突然被激活。
传感器网络和应用程序的这些特征使传统的无线MAC协议如IEEE 802.11不适合这个工作。
相反，一个新的协议需要发展。
它就必须得创新在几乎所有方面:节能和自动配置是主要目标,而每个节点公平和延迟是不那么重要的。
S-MAC使用三种创新技术减少能源消耗和支持自动配置。
节点周期性地睡眠,从而减少能源消耗。
虚拟集群也形成了自动同步的睡眠时间表。
SMAC和PAMAS具有一些相似之处,如无线电都是关闭的,但在通道信号方面它是和PAMAS不同的。
最后，他们评价了在试样传感器节点实施的S-MAC，更多的研究，在美国加州大学伯克利分校进行。
实验结果表明，在源节点上，当每隔1到10秒才发送消息时由于流量负载例如MAC的802.11 协议会消耗2 至 6 倍甚至更多能量比起S-MAC协议。
Zahra Rezaei et. al.试图找到WSN中最重要的问题的答案，“如何将网络的寿命延长到很长的时间呢？”由于无线传感器网络采用的电池一般是不可替代的，其中最重要的挑战是，为了保持无线网络按照特定模式持续性地运行，使得我们有必要保持节点一直运转。
他们还讨论了WSN中的能源浪费的原因。
为了克服这一挑战他们提出了两个方法，一个是通过使用各种责任周期计划，第二个是提出了以下不同的几个 MAC 层协议像 CSMA/CA、 TDMA 和混合动力技术。
CSMA/ CA 包含了S-MAC，T-MAC和iMac。
TDMA和混合μ-MAC，DEE-MAC SPARE-MAC，Z-MAC 和A-MAC。
这些 MAC 协议的优劣也被列举和评论。
Divya Jain et. al.研究的无线传感器网络所包括节点数被分布在同一个地区收集信息。
传感器节点彼此之间通过无线信道进行通信，并把搜集到的数据转发到一个单跳距离邻近的节点。
这些节点通常是电池供电的。
但由于这些节点放置在充电或更换这些节点电池几乎是不可能的这样的条件下,能耗成为一个主要因素。
在这篇论文中他们提出创建一个与传感器 MAC (SMAC) 和再与传感器 MAC 与睡眠时间表的网络。
在模拟这些在不同拓扑结构的网络后，SMAC-L网络被发现在生活中的时间和能源消耗上相比SMAC网络得到更好的结果。
Rajesh Yadav et. Al.审视了部署在危险、敌对或边远地区的一般无人值守的传感器节点的无线传感器网络。
为了保持网络的寿命，那就需要补充电池，但这几乎是不可能的。
因此，有必要节省电池的电量。
在此项研究中，对理想的 MAC 协议的特征进行了讨论。
此外还研究了能源的浪费情况。
就MAC协议参数来说，需要对不同的MAC协议进行评估如每比特的能量消耗，平均投递率，平均包延迟和网络吞吐量。
MAC协议分为两大类，即基于竞争和基于附表。
除了呈现他们的工作，优点和缺点的一些MAC协议外。
提出的协议还有PAMAS，S-MAC，Optimized MAC，TRAMA，Wise MAC，B-MAC和D-MAC。
Michael I. Brownfield et. al.提出了一种新的MAC协议GMAC，基于网关责任轮换。
正如我们所知，无线传感器网络提供了一个宝贵的优点，自主监控远程活动。
为了充分支持网络服务的同时节省电池电力有限的资源产生新的挑战在MAC 设计者面前。
在这项研究中，提出了一个能量自适应的无线传感器网络MAC协议，对于网关MAC（GMAC），它实现了一种新的聚类中心的模式能够有效地分配集群的能源资源和延长网络的生命周期。
根据作者提出的新协议，G-MAC的集中集群管理功能，提供了巨大的能源节约通过利用竞争和自由竞争的协议的双方优势。
此外，用他们的话说，中央网关的节点在竞争期间收集所有传输要求，然后在基于预订、自由竞争的期间安排及其分布。
网关的职责是基于现有的资源以最小的开销进行高效轮换，并在所有的节点之间分配网络管理增加的能源需求。
Wei Ye et. al.已经解决了包括从无线传感器网络中节点能源浪费到 MAC层协议的提案多个 MAC 问题并在MOTE上实施了它们，接着在美国加州大学伯克利分校进行了开发。
现在，在这个提案上，他们已经在以下几点进一步扩展了他们的工作。
周期性侦听和睡眠的计划是通过跳过空闲侦听减少能源消耗。
同步表节点上相同的睡眠时间表的虚拟集群的使用。
这个时间表将使节点减少额外的延迟。
当每个节点处于睡眠状态时使用信道信令可以将它附近的信号发送给另一个节点。
这种方法的灵感来自PAMAS，而且不要求额外的通道。
它也有助于消除串音问题。
采用消息传递来减少应用程序感知的延迟和控制开销。
每个节点片段级公平的减少是由于传感器网络节点往往走向一个单一的应用程序合作。
在 sensornet 的特定硬件上评估我们的新 MAC 协议的实施。
本文包含了S-MAC协议的设计，实施和实验的重大扩展：对流量自适应的睡眠时间表的支持。
对能源，延迟和吞吐量问题的衡量和评价。
Deepak Ganesan et al回顾了在传感器网络的一系列挑战。
他们指出在传感器网络的关键挑战: (a) 支持多跳通信同时限制无线电操作以节省电力，(b)数据管理(c)在网络中的节点知道自己的地理位置路由的挑战，和(d) 监控和维护这种动态、资源有限的系统。
他们还提出了解决上述问题，并展示如何将这些网络组件可以集成在WSN。
3. MAC层相关的传感器网络的性能最大限度的延长网络寿命是传感器网络研究的一个共同的目标,因为当电池耗尽时节点被理所当然地遗弃。