无线传感器网络MAC协议
s-mac协议
s-mac协议S-MAC协议。
S-MAC（Sensor-MAC）协议是一种专为无线传感器网络设计的媒体访问控制协议，旨在解决无线传感器网络中的能耗和网络寿命等问题。
S-MAC协议通过对传感器节点的睡眠和唤醒进行管理，以降低能耗，延长网络寿命，提高网络性能。
S-MAC协议的核心思想是利用节点睡眠来降低能耗。
在传感器网络中，节点通常以周期性的方式进行数据采集和传输，而在大部分时间内处于休眠状态。
S-MAC协议通过对节点的睡眠和唤醒进行精确的管理，使得节点在非工作状态下能够最大程度地降低能耗，从而延长网络寿命。
S-MAC协议采用了一系列机制来实现对节点睡眠和唤醒的管理。
首先，S-MAC引入了周期性的睡眠/唤醒机制，节点在预定的时间间隔内进行睡眠和唤醒操作，以降低能耗。
其次，S-MAC还引入了邻居协商机制，节点通过与邻居节点的协商，协调彼此的睡眠/唤醒时间，避免在同一时间段内大量节点同时唤醒，造成能耗的浪费。
此外，S-MAC还采用了快速唤醒机制，使得节点能够在短时间内迅速唤醒，减少能耗。
除了睡眠和唤醒管理外，S-MAC协议还针对无线传感器网络的特点，设计了适应性的数据传输机制。
传统的媒体访问控制协议通常采用固定的数据传输方式，而在无线传感器网络中，节点之间的通信距离、信道质量等因素经常发生变化。
S-MAC协议通过引入自适应的数据传输机制，使得节点能够根据当前的环境条件选择最优的数据传输方式，提高网络的稳定性和可靠性。
总的来说，S-MAC协议通过对节点睡眠和唤醒的精确管理，以及适应性的数据传输机制，有效地解决了无线传感器网络中的能耗和网络寿命等问题。
S-MAC 协议的提出，为无线传感器网络的发展提供了重要的技术支持，也为其他类型的无线网络提供了一定的借鉴意义。
综上所述，S-MAC协议在无线传感器网络中具有重要的意义，其睡眠和唤醒管理机制以及适应性的数据传输机制，为无线传感器网络的能耗和网络寿命等问题提供了有效的解决方案，对于推动无线传感器网络的发展具有重要的意义。
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。
22
无线传感器网络mac协议中退避算法的分析
摘要在无线传感器网络中，介质访问控制（MAC）协议决定了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，对传感器网络的性能有较大影响。
相对于有线网络，无线环境下的MAC技术要面对更多的问题，尤其对于能量受限、频率资源宝贵和网络拓扑结构动态变化的无线传感器网络而言，设计一种节能高效的MAC协议至关重要。
本文从网络信道分配方式的角度，对MAC层协议进行了分类，介绍了几种比较典型的MAC协议，并对它们进行了分析比较；在对MAC层能量消耗的主要原因进行分析的基础上，对基于竞争机制的MAC协议中的退避机制进行了探讨，通过借鉴无线网络中相关的退避算法，给出了一种无线传感器网络MAC层退避机制的改进方案。
改进的退避算法的基本思想是通过加入初始竞争窗口的参数，采用时隙利用率对当前信道的忙闲状态进行评估，使节点能够根据当前网络信道的状况来调整其竞争窗口的大小，减少发送数据冲突的同时，提高了能量利用率和系统吞吐率。
仿真中，本文将改进的退避方案在无线传感器网络基于竞争机制的具有代表性的MAC层协议S-MAC中加以应用，完成了改进算法在NS-2中的仿真实现，实验表明改进后的退避方案在能量消耗、吞吐量等方面的性能有很好的提高。
本文最后对所做工作进行了总结，并提出了今后的研究方向，如在硬件实验平台上进行实际性能的测试，对改进算法进行进一步的探讨，使之能适应不同拓扑的网络结构等。
关键词：无线传感器网络MAC协议竞争机制退避算法AbstractIn wireless sensor networks，medium access control (MAC) protocols allocate limited radio resource among sensor nodes and construct infrastructure. MAC protocols have a great influence on the performance of wireless sensor networks. Compared to cable networks, MAC technology in wireless condition faces more problems, especially for wireless sensor networks with constrain of energy, valuable resources of the frequency and dynamic changes of network topology, so it is crucial for the design of MAC protocols to achieve a highly energy-saving and efficient performance.Firstly, the analysis and compare of the typical MAC protocols (IEEE802.11、S-MAC、IEEE802.15.4 etc.) are introduced in this thesis. Then, based on the analysis of the energy consumption and performance evaluation indicators of MAC protocols, the thesis discusses the backoff strategy in MAC protocols with competition mechanism, and proposes a new backoff strategy The new backoff strategy brings forward a conception that the competition window changes dynamic. According to the new algorithm, the node in WSN can adjust its competition window adaptively based on the evaluation of the current network channels condition. The essential idea of the improved backoff algorithm is to evaluate the busy condition of the current channel according to the use rate of time slots, by adding a new parameter to the new algorithm which decreases the packets collision as well as improves the energy efficiency and the network throughput. The thesis applies the new algorithm into S-MAC protocol, which is a representation of MAC protocols with competition mechanism, and carries it out in NS-2, a network simulation tool, for simulation. The simulation results show that, in contrast with S-MAC protocol, the new algorithm puts up better performance on energy saving and mean throughput of the wireless networks.Finally, the thesis draws conclusions by summarizing the main contributions of the research and present directions of future work including its implement on hardware platform for experiments to test its practical performance, making it adaptive for other network topology by further study.Keyword: Wireless Sensor Networks MAC protocol Competition Mechanism Backoff Algorithm目录摘要 (I)Abstract (II)1 引言1.1 课题的背景 (1)1.2 研究现状及意义 (3)1.3 本文的研究工作和组织结构 (4)2 无线传感器网络MAC协议的分析2.1 无线传感器网络协议体系 (6)2.2 无线传感器网络现有MAC协议分析 (7)2.3 MAC协议设计的关键问题 (15)2.4 本章小结 (16)3 MAC层协议中改进退避方案的提出与设计3.1 基于竞争机制的MAC协议相关理论 (18)3.2 MAC层协议退避算法分析及改进 (20)3.3 本章小结 (37)4 改进算法的仿真实现与性能分析4.1 改进算法的仿真测试 (38)4.2 算法性能分析 (45)4.3 本章小结 (49)5 总结 (50)致谢 (52)参考文献 (53)1 引言1.1 课题的背景无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术，被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类社会未来的生活方式产生巨大影响。
无线传感器网络多信道MAC协议MCMS的设计与实现的开题报告
无线传感器网络多信道MAC协议MCMS的设计与实现的开题报告一、研究背景随着物联网技术不断发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）已经成为了物联网一个重要的组成部分。
WSN由大量的低成本、低功耗、小型化的传感器节点组成，节点间通过无线通信实现信息的收集、处理、传输和共享。
无线通信是WSN的核心技术之一，因此WSN中的无线通信效率和可靠性非常重要。
多信道技术是提高无线通信效率和可靠性的一种重要方案。
而在WSN中采用多信道技术会遇到诸多实际问题，例如对能源的限制、网络拓扑结构复杂以及节点位置随机等问题。
因此，研究无线传感器网络多信道MAC协议是实现WSN高效可靠通信的必要条件之一。
二、研究目的本文的主要研究目的是设计和实现一种适用于无线传感器网络的多信道MAC协议。
根据WSN的特点，该协议应该考虑能源消耗、网络拓扑和节点位置等因素，实现传输效率高、网络可靠性好、能耗低的通信策略。
三、研究内容本文拟研究的WSN多信道MAC协议主要包括以下内容：1. 传输媒介接入控制机制设计。
要考虑到多信道时的传输媒介竞争问题，设计一种适用于WSN的媒介接入控制（Medium Access Control，MAC）机制。
2. 端到端数据传输策略。
基于WSN的特点，设计一种适用于WSN的端到端数据传输策略，保证数据传输的可靠性和效率。
3. 能源管理机制设计。
WSN中每个节点的能源都是有限的，因此需要设计一种能源管理机制，实现能耗低的通信策略。
4. 实验验证和性能评估。
通过实验验证和性能评估，验证本文设计的WSN多信道MAC协议的有效性和可行性。
四、研究方法本文将采用以下研究方法：1. 文献综述。
对WSN多信道MAC协议的相关研究进行综述，了解现状和发展趋势。
2. 系统设计。
根据综述结果分析，进行系统设计，包括协议设计、传输媒介接入控制机制、能源管理机制的设计。
3. 算法实现。
将设计的协议实现成算法，并进行仿真验证。
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
面向物联网的无线传感器网络MAC层协议设计与优化
面向物联网的无线传感器网络MAC层协议设计与优化随着物联网的快速发展，无线传感器网络（WSN）作为其重要组成部分，已经在各个领域得到广泛的应用。
在WSN中，MAC层（Medium Access Control Layer）协议的设计对于网络的性能和能耗起着至关重要的作用。
因此，本文将探讨面向物联网的无线传感器网络MAC层协议的设计与优化。
一、MAC层协议的基本原理MAC层协议是无线传感器网络中用来协调节点的共享信道访问的方法。
其基本原理是通过时间分割、空间分割或其他方式，使不同节点在不冲突的时间或空间段内进行通信，从而提高网络的效率。
二、传统MAC协议的局限性在传统的MAC协议中，如CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）协议，在高度动态的物联网环境下存在一定的局限性。
首先，CSMA/CA的信道侦听机制在大量节点同时竞争信道时，可能会导致网络性能下降。
其次，在多跳传输中，控制包的传输延迟也会带来一定的能耗。
因此，需要设计一种适用于物联网的新型MAC协议，以解决这些问题。
三、基于时隙划分的MAC协议一种常见的改进方式是基于时隙划分的MAC协议。
该协议将时间划分为多个时隙，并为每个时隙分配不同的节点进行通信。
这样可以减少节点之间的干扰，提高网络的吞吐量和稳定性。
此外，该协议还可以通过调整时隙的长度和数量，以适应不同应用场景下的需求。
四、基于空间划分的MAC协议除了时隙划分，还可以使用空间划分来改进MAC协议。
在这种协议中，将网络划分为多个独立的区域，每个区域由一个基站或者协调节点负责管理。
通过减少节点之间的干扰，可以提高网络的可靠性和能耗效率。
此外，通过选择合适的基站位置，还可以优化网络的整体覆盖范围和信号强度分布。
五、混合划分的MAC协议综合利用时隙划分和空间划分的优势，可以设计一种混合划分的MAC协议。
在该协议中，时间和空间都被划分成多个块，每个块由一个基站或协调节点负责管理。
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。
无线传感器网络中的数据传输和网络协议
无线传感器网络中的数据传输和网络协议无线传感器网络是一种由许多相互连接的无线传感器节点组成的网络，它可以感知和收集环境中的各种数据，并传输到指定的目的地。
数据传输和网络协议是无线传感器网络正常运行的基础，本文将详细介绍无线传感器网络中的数据传输和网络协议，以及相应的步骤。
一、无线传感器网络中的数据传输无线传感器网络中的数据传输是指将传感器节点收集到的数据通过网络传输到指定的目的地。
数据传输的步骤如下：1. 数据采集：传感器节点根据预设的任务进行数据采集，可以是环境温度、湿度、压力等各种物理量。
2. 数据压缩：由于无线传感器网络的资源有限，需要对采集到的数据进行压缩，减小数据的大小。
3. 数据编码：将压缩后的数据进行编码，为了节省能量和网络带宽，通常采用低功耗的编码算法。
4. 数据传输：将编码后的数据通过无线信道传输到目标节点或基站。
数据传输可以采用单跳传输或多跳传输的方式。
5. 数据接收：目标节点或基站接收到传输的数据，通过解码和解压缩还原成原始数据。
二、无线传感器网络中的网络协议无线传感器网络中的网络协议用于管理和控制传感器节点之间的通信，确保数据传输的可靠性和稳定性。
常用的网络协议有以下几种：1. MAC协议：MAC协议用于控制传感器节点之间的介质访问，避免冲突和碰撞。
常用的MAC协议有CSMA/CA、TDMA和FDMA等。
2. 路由协议：路由协议用于确定数据传输的路径，将数据从源节点传输到目标节点。
常用的路由协议有LEACH、AODV、DSDV等。
3. 网络协议：网络协议用于实现节点之间的通信，包括寻址、拓扑管理和数据传输协议等。
常用的网络协议有IP、ICMP、UDP和TCP等。
4. 安全协议：安全协议用于保护无线传感器网络的数据和节点的安全。
常用的安全协议有AES、DES和RSA等。
5. 应用层协议：应用层协议用于实现特定的应用功能，例如数据的存储、查询和处理。
常用的应用层协议有HTTP、FTP、SNMP和CoAP等。
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。
无线传感器网络自适应MAC协议
摘
要 ： 出了一种 根 据 无 线传 感 网络 流量 自动调 节节 点 睡 眠一 提 活动 时 间 比例 的 ＭＡ Ｃ协 议 一 Ｔ Ｃ， 无 线传 感 器 网络Ｔ Ｃ协议 Ａ ＭＡ 在 ＭＡ
的基础 上， 以低能耗、 低延迟 为 目标 ， 主要 采用 自适应 、 多级别的 占空 比及 自适应竞争 窗口， 数据优先级队列使 节点在 流量较 小时 能 更 多地 处 于 睡 眠状 态 以 节省 能量 ， 在 流 量较 大 时 ， 输 所 涉及 的 节 点 可相 对 长 时 间地 进 入 活 动 状 态 ， 大 流量 和 小 流 量 节 点 而 传 且 所采取 的 占空比可以不同 ， 而节省低流量节点用于空闲侦 听的能耗 ， 从 降低数据传输的延迟 ， 增大 网络 的吞吐量 。 仿真结果显示新
７ ２ １ ，６３ ６ ００４ （）
Ｃ ｍ ｕｅ ｎｉ ｅｉ ｎ ｐ ｌ ａ ｏｓ ｏ ｐ ｔｒＥ ｇ ｅ ｒ ｇ ａｄ Ａ ｐｉ ｔ ｎ 计算机工程与应用 ｎ ｎ ｃｉ
无线传感器 网络 自适应 ＭＡ Ｃ协议
范清峰 ， 张瑞华
Ｆ Ｎ Ｑ ｎ －ｅ ｇ Ｚ Ａ Ｇ Ｒ ｉｈ ａ Ａ ｉｇ ｆｎ ， Ｈ Ｎ ｕ－ ｕ
山东大学 计算机科学与技术学院 ， 济南 ２０ ０ ５ １１
Ｓ ｈ ｏ ｆ Ｃ ｍｐ ｔ ｒ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ， ｈ ｎ ｏ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ Ｊｎ ｎ ２ ０ ０ ， ｉ ａ ｃ ｏ ｌ ｏ ｏ ｕ ｅ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｓ ａ ｄ ｎ ｉｅ ｓｔ ｉａ ５ １ １ Ｃｈ ｎ ｙ，
Ｅ ｍａ ｌｉ ｆ — ｉ： ｑ ＠ｍａｌ ｄ ．ｄ ．ｎ ｆ ｉ ｓ ｕｅ ｕ ｃ ．
Ｆ Ｎ ｎ — ｅｇ。 ＨＡ Ｒ ｉ ｈ ａＡ ａ ｔ ｅ Ｍ Ａ ｐ ｏｏ ｏ ｏ ｗ ｒｌｓ ｅｓ ｒ ｅｗ ｒｓＣ ｍｐ ｔｒ Ｅ ｇｎ ｅｉｇ ｎ Ａ Ｑｉｇ ｆｎ Ｚ ＮＧ ｕ － ｕ ． ｄ ｐｉ ｖ Ｃ ｒｔｃ ｌ ｒ ｉｅ ｓ ｓｎｏ ｎ ｔ ｏ ｋ ．ｏ ｕｅ ｎ ｉｅｒ ａ ｄ ｆ ｅ ｎ Ａ ｐｉ ｔ ｎ ，０ ０４ （ ）７ － ８ ｐ ｌａｉ ｓ２ １ 。６ ３ ：６ ７ ． ｃ ｏ
无线传感器网络S-MAC协议的性能特点分析
无线传感器网络S-MAC协议的性能特点分析无线传感器网络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网络系统，主要用于收集、传播和处理传感信息。
与传统的无线自组织网络不同，无线传感器网络节点数目庞大，节点分布密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化。
另外，节点的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都有限，因此无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用。
无线传感网络介质访问控制（Media Access Control,MAC）协议必须以节约能源为主要目标，并且采用折中机制，使用户可以在延长网络生命周期和提高网络吞吐量、降低通信延迟等方面做出选择。
目前针对不同的传感器网络应用，研究人员从不同方面提出了多个MAC协议，缺乏统一的分类方式，根据采用固定分配信道方式或随机访问信道方式，将传感器网络MAC协议分为：时分复用方式（TDMA）、随机竞争方式和其他MAC协议。
固定分配信道方式的TDMA可以自然完成节点上的低占空比操作，因为他们只需在自己的时隙里开启无线模块完成发送和接收，但其可扩展性较差，而时间同步对系统是一笔较大的开销。
由于无线传感网络数据率较低，而且对时延的要求不高，因此目前实用的节能MAC协议基本是基于竞争的协议。
大量实验和理论分析表明无线传感器节点的能量浪费主要源自空闲侦听、冲突、串扰和控制。
因此结合现有的无线传感器网络MAC协议，引入层次型拓扑结构控制思想，建立一种高效节能的无线传感器网络协议，并进行分析、仿真和验证，具有研究意义。
1 竞争类MAC协议分析1.1 S-MAC协议S-MAC协议是在802.11MAC协议的基础上，针对传感器网络的节能需求而提出的传感器网络MAC协议。
S-MAC协议假设通常情况下传感器网络数据传输量少，节点协作完成共同的任务，网络内部能够进行数据处理和融合以减少数据通信量，网络可以容忍一定程度。
MAC层协议(1)
.
5
概基述于竞争的MAC协议
基于竞争的MAC协议访问无线信道的方式是按需随机访问信道，基本思想是当节 点需要发送数据时，就竞争访问信道，若竞争成功则开始发送数据，若产生了 数据碰撞，就按照一定的重发策略开始数据重发流程。
基于竞争的MAC协议有如下优点： ①由于基于竞争的MAC协议是根据需要分配信道，所以这种协议能较好地满足 节点数量和网络负载的变化； ②基于竞争的MAC协议能较好地适应网络拓扑的变化； ③基于竞争的MAC协议不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法
• PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的控制 方式。它通过访问接入点（access point，AP）协调节点的数 据收发，通过轮询方式查询当前哪些节点有数据发送的请求， 并在必要时给予数据发送权 。
.
7
基于竞争的MAC协议-——IEEE802.11 MAC协议 DCF模式下，没有进行集中控制的访问接入点，节点独立运行 协议，采用CSMA/CA机制实现无线信道的共享。CSMA/CA中 有两个关键点:
• 传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个 节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众多节点协 作实现的。多点通信在局部范围需要 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。
.
2
概概述述
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）节省能量。 • （2）可扩展性。
• 为了减少碰撞和避免串音，SMAC协议采用与802.11MAC协议 类似的虚拟和物理载波侦听机制．以及RTS/CTS的通告机制。 两者的区别在于当邻居节点处于通信过程中时，SMAC协议的 节点进入睡眠状态。
• S-MAC采用物理侦听，防止了冲突解决了隐藏节点的问题；采 用虚拟侦听，节点收到NAV的时候，立刻进入休眠状态，解决 了串音问题
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
的传递延迟
SMAC协议-关键技术1
周期性睡眠和监听 一个周期内有睡眠和监听两种状态 节点之间协同，保持监听同步 同步调度，形成虚拟簇 降低功耗，增加延迟
概述
我的ppt主要是面向那些没有太多相关知识的2b青年。在科普介绍的同 时，也欢迎各位文艺青年提出批评。
首先无线感器网络与我们的日常的网络是有很大区别的，最关键的体 现在于传感器本身依赖于电池，而不是固定的电源，这就决定了节约能 量开销，延长网络的使用寿命成为了无线传感网络所关心的最主要的问 题。另外无线传感器网络区别于其他的无线网络的一个很大的特性就是 所有传感器都是对等的，拥有共同的任务，因而公平性往往不是传感器 网络所要考虑的问题。那么基于以上这些思想，人们提出了各种不同的 MAC层的协议。下面，我们就来关注这些协议。
协议设计的重点
能量效率
空闲监听 冲突
控制开销 串扰
可扩展性 和适应性 网络效率 算法复杂度 与其它层协议的协同 目前普遍认为重要性依次递减！
内容提要
1. 概述 2. 背景知识 3. 协议设计的重点 4. 各种MAC协议 5. 结论和开放性的问题 6. 我的想法和问题
竞争型MAC协议
TMAC协议-关键技术2
早睡问题
节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态
A Contend RTS CTS
DATA
ACK
B
C Contend
D Active
TA
Sleep
Contend RTS?
图 1-4 早睡问题
TMAC协议-关键技术3
早睡问题解决办法
未来请求发送（Future request-to-send, FRTS）
A Contend RTS CTS
DATA
ACK
B
C Contend
Contend
D Active
TA
FRTS
Active RTS
图 1-5 FRTS帧交换
TMAC协议-关键技术4
早睡问题解决办法
满缓冲区优先
A Contend
B
Contend
C Contend
RTS
D
TA
RTS CTS
DATA
MAC Protocols for Wireless Sensor Networks
A Survey
2012年3月5日
内容提要
1. 概述 2. 背景知识 3. 协议设计的重点 4. 各种MAC协议 5. 结论和开放的问题 6. 我的想法和问题
内容提要
1. 概述 2. 背景知识 3. 协议设计的重点 4. 各种MAC协议 5. 结论和开放的问题 6. 我的想法和问题
内容提要
1. 概述 2. 背景知识 3. 协议设计的重点 4. 各种MAC协议 5. 结论和开放的问题 6. 我的想法和问题
背景知识
科普
能量损失的原因
冲突 overhearing 控制报文的开销 空闲侦听 overmitting
传输的方式
broadcast local gossip convergecast
无线传感器网络MAC协议
网络特征
传感器节点能量受限 传感器节点失效概率大 传感器节点计算处理能力有限 通信带宽有限 以数据为中心 高密度、大规模随机分布 对MAC协议的设计提出了新的挑战！
内容提要
1. 概述 2. 背景知识 3. 协议设计的重点 4. 各种MAC协议 5. 结论和开放性的问题 6. 我的想法和问题
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
TA
图 1-2 TMAC基本机制
TMAC协议-关键技术1
周期性监听同步
Listen
Sleep
Listen
Sleep Time
图 1-1 周期性监听和睡眠
SMAC协议-关键技术2，3
自适应监听 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，从而减 少了两个节点间的数据传输延迟。 消息传递 将长的信息包分成若干个短的DATA段 突发式传输
端，等待目标端回应封包后，才开始传送
按需分配
优点
网络流量和规模变化自适应
网络拓扑变化自适应
算法较简单
典型协议
SMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift
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