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，TMAC
1.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。

所以在这些限制之下讨论的 MAC 协议应该是能够减少第 3.1 节中提出的主要能源浪费的节能器。

通过限制无线操作来作为未来计算通信平台成本的比较可以更好地实现能源的节约，Pottie和Kaiser指出执行3000条指令和传输一个比特信息超过100米的成本是一样的。

当通信方法用来描述作为MAC层协议设计基础的传感器网络流量的确切行为时，由于这流量将由给定的MAC协议处理，所以它是被强制性的去理解和研究不同的通信模式。

在3.2 节中列出了各种可能的通信模式。

此后，在第 3.3 节中将介绍为满足传感器网络环境而提出的 MAC 协议的特征。

3.1能源浪费的原因
Ilker Demirkol et al. and Wei Ye et. al.介绍了几种能源浪费的原因。

Divya Jain et al.展示的仿真是基于NS2 在SMAC协议下的不同情况的能量损失。

这有几个能量浪费原因,如下所述。

首先，如果一个节点接收数据的同时接收多个数据包，这些数据包被称为“碰撞数据包”。

即使他们部分碰撞，但导致碰撞的所有数据包将被丢弃这就需要消耗更多的能源进行重传。

其他原因造成的能源浪费是窃听,这意味着一个接收器获取数据包,实际上意味着对其他节点来说也接收了。

第三，另一个原因能源的浪费发生在形式的控制报文开销。

正如我们所知道的控制数据包开销需要提供一个特定的控制消息或者是保持传输畅通。

但具有最低数量的开销或头字段限制的协议优化了带宽和能源消耗。

能源浪费的另一个重要来源是空闲监听，即听空闲的带宽，以获得可能的通信。

能源浪费的最终原因是不恰当传输起了很大的作用，当一个数据包由节点的发射器被发送时，此时接收器没有准备好接收。

在设计高效节能的MAC协议时有必要考虑到上述事实。

3.2通信模式
Ilker Demirkol et al.在无线传感器网络中定义了三种类型的通信模式：广播，汇聚播，本地传播。

首先，我们将看到广播类型的通信模式，它一般由称为基站或接收器的节点将某些信息传送给网络中所有的传感器节点。

广播的信息可能包括传感器的查询处理体系结构的要求，对传感器节点的程序更新，对整个系统的数据包控制。

对于另一种类型的通信模式称为本地传播，传感器检测本地活动会谈，并分享彼此的信息。

在本地传播中，传感器将信息发送到其范围内的相邻节点。

扩展上述方案，检测到活动的传感器需要进一步将信息传输到接收它们的资料中心中去。

这种通信模式被称为汇聚播。

在这里，从邻近节点接收到信息的传感器将它们的发现结果传输到特定传感器上。

目的地节点可以是一个传感器头，服务器管理的传感器网络或者是基站。

另一种类型的模式中定义的多播通常是簇头节点和他们的群集成员交流的过程。

3.3 一个良好定义的MAC协议的属性
MAC协议在传感器网络中发挥着重要的作用，如果设计出一个好的MAC协议那么作为网络传感器主要问题的电池消耗就可以很容易地得到控制。

然而，除了能源效率外很少有更多的属性是需要考虑的。

为了提高网络寿命，就得需要高效的能源利用率，。

其他重要的属性是传感器网络在网络规模产生变化时如何反应，以及它是如何适应环境的动态变化的。

在做这些变化中任一种拓扑结构或数量的节
点或网络整体尺寸改变时，它应该不会影响传感器网络的正常工作。

MAC协议可以有效地适应这些特性。

在传感器网络中其他主要的协议特点是，基于网络的角度在后台获取重要的IP，这些特点是延迟、吞吐量和带宽效率等。

4.建议MAC层协议
在本节中通过尽可能地说明它们的行为对网络传感器中两个重要MAC协议的定义进行了简要描述。

此外，给出了这些协议的优点和缺点。

4.1 Sensor-MAC (S-MAC)
SMAC 的基本思想是周期睡眠监听调度表，由传感器网络在本地处理。

当相邻的节点形成虚簇时他们会分享共同的日程安排。

这意味着，如果并排两个节点处在两个不同的簇之间，他们醒来时将监听两个群簇的调度表。

由于节点同时唤醒两个不同的调度表这也就导致更多的能量消耗，。

调度表也需要与虚簇的不同节点通信，它们之间的通信通过同步数据包和周期同步来完成。

图4表示一个发送者- 接收者通信的示例。

CS有助于防撞。

CS代表着避免冲突的载波检测方法。

除了它外，还使用RTS/ CTS进行单播数据包的传输。

SMAC 的一个新的和创新的特点是在消息传递时可以突发性地发送由长消息分割成的小消息，通过使用共同的开销的这种做法有助于节能，。

然而，这种睡眠调度的思想很可能导致高的延迟术语称为延迟时间，在多跳（multi-hop）路由算法中它是非常重要的，因为每一个节点之间都会有自己的睡眠调度表。

这就是所说的睡眠延迟。

通过使用自适应监听技术可以克服此缺点，因此总的延迟可以被改善在接下来提出的TMAC协议中。

在该技术中，窃听节点会在传输快结束时醒来一小段时间。

所以，如果这个节点是传输的下一跳节点，它就可以立刻发送数据从发送/通过节点。

图4传感器MAC协议
优点：电池的利用率大大提高实施睡眠时间表。

该协议是简单地实现，可以有效地传递较长的消息使用消息传递技术。

缺点：不使用RTS/ CTS由于广播这可能导致碰撞。

自适应听力造成偷听或空闲侦听导致电池使用效率低下。

由于睡觉和听期是固定的可变流量负载使该算法是有效的。

4.2 Timeout MAC（TMAC）
Timeout TMAC 是派生自非睡眠和休眠周期固定的 S-MAC 协议的协议。

在TMAC 中如果没有发生如图5所示的时间“轻触”事件，此传感器节点将偏离睡眠时间。

图5 TMAC协议
有很多类似这样的事件，如数据接收，开始监听或睡眠周期等。

文章所说的最小空闲监听周期就是时间‘轻触’。

比起争用的时间的总和，RTS分组的长度时间，
周转时间和CTS分组的长度间隔Ta都是相当大的。

把TMAC与传感器S-MAC协议相比这整个方案将导致能源消耗减少。

不过，这种调整针对的是高延迟或T-MAC 协议相比于S-MAC协议的延迟时间。

优点：TMAC可以轻松地处理由于可变负载动态睡眠时间表。

缺点：TMAC的主要缺点是早期睡眠的问题，其中节点可能睡眠在他们的激活时间内和数据可能会丢失，特别是对于长的消息。

5.结论
虽然有各种不同的传感器网络的MAC层协议提出，但是，没有一个协议，是公认的标准。

这背后的原因之一是MAC协议的选择将是视特定的应用抉择，这意味着对传感器网络的MAC将不会有单一的标准。

另一个原因是在较低的层（物理层）的（物理的）传感器硬件缺乏标准化。

需要注意的主要方面是，网络生命的延伸取决于电池的使用效率尽可能多的延伸。

在MAC层水平电池的主要用途是利用无线电模块。

通过各种研究表明无线电传输需要更多的电力相比于相同数量的数据处理。

MAC层协议需要有效开发。

SMAC是其中一个节能的基本MAC协议，通过提供一个睡眠时间表，使某一特定地区的所有节点在任何时间都是不活跃的。

为了唤醒那些节点，就得需要保持对网络的完全访问。

但是，SMAC有静态的睡眠时间表，时间表不会根据需要或不断变化的环境改变，从而导致睡眠延迟。

这种特殊的问题可以通过使用动态的睡眠模式或类似TMAC协议的调度来克服，而且这个协议源自于SMAC。

在TMAC中，根据网络模式的改变例如加入新节点，丢弃用尽节点，网络将会自我适应，并形成一个可变的睡眠时间表，这将增加电池的利用率。

然而，一个新的问题逐渐出现在早期的睡眠中，即如果一个节点在睡觉前完成传输，将增加延迟。

今后，这些协议可能以一种先进的形式实现，重点关注的早睡问题和延迟睡眠。

SMAC的优势是其低功耗和对于TMAC则是有一个很好的睡眠周期时间表。

这两个协议的组合也有一些积极地方面，可以实现在一个单独的协议里，消除存在于两个协议中的缺点。

在能源消耗等方面，这将提高无线传感器网络的能源利用效率。