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