无线传感器网络MAC协议分析解析
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。
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无限传感网MAC协议节能分析研究
无限传感网MAC协议节能分析研究无线传感网（Wireless Sensor Network，WSN）是由一组分布在特定区域内的无线传感器节点组成的自组织网络，用于收集环境数据并将其传输给中央节点。
由于无线传感器节点在能源资源上有限，因此如何提高无线传感网的能源效率成为研究者们的关注焦点。
MAC（Medium Access Control）协议作为无线传感网中的重要组成部分，起着控制节点之间共享通信信道的作用。
本文将对无线传感网MAC协议节能方面的研究进行分析。
首先，无线传感网MAC协议中的能量消耗主要集中在数据传输和节点唤醒过程中。
在数据传输方面，传统的MAC协议采用定期监听信道的方式进行通信，这样会导致节点在大部分时间内处于空闲状态，浪费能量。
因此，一些新的MAC协议通过对信道进行预约或者使用聚类等方式来减少传输冲突，从而降低能源消耗。
另外，节点唤醒过程中的能量消耗也是无线传感网中不可忽视的。
一些新的MAC协议通过优化节点的睡眠和唤醒策略，减少节点的唤醒次数，从而降低能源消耗。
其次，对于无线传感网MAC协议的节能研究，多数方法可以分为两大类，即基于周期的协议和事件触发的协议。
基于周期的协议在通信过程中按照固定的时间间隔进行数据传输，这种方式适用于周期性的应用场景，可以减少节点的唤醒次数和能量消耗。
而事件触发的协议则是基于节点周围环境中的事件触发传输数据，适用于非周期性的应用场景，可以减少不必要的数据传输，从而节省能量。
此外，为了提高无线传感网的能源效率，在设计MAC协议时还需要考虑数据压缩和聚类技术。
数据压缩技术可以减少传感器节点向中央节点传输的数据量，从而降低能源消耗。
而聚类技术则是通过将节点划分为不同的聚类，每个聚类中包含一个簇首节点和若干从属节点，减少节点之间的通信距离，降低能量消耗。
综上所述，无线传感网MAC协议的节能研究对于提高无线传感网的能源效率具有重要意义。
未来的研究可以进一步探索新的MAC协议设计理念，结合数据压缩和聚类技术，实现更加节能的无线传感网。
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。
低功耗无线传感器网络MAC协议的研究与优化
低功耗无线传感器网络MAC协议的研究与优化随着物联网技术的快速发展，低功耗无线传感器网络（LPWSN）得到了广泛应用。
在这种网络中，多个无线传感器节点通过无线信道进行通信，节点通常具有固定的资源限制，如有限的能量、计算和存储资源。
因此，如何使网络的通信更加高效并减少能量消耗，一直是该领域研究的一个重要问题。
本文将探讨LPWSN中MAC协议的研究和优化。
一、MAC协议对LPWSN的重要性MAC（Media Access Control）协议是数据包访问控制的一种规范，主要解决在共享信道上多个节点间的数据冲突和传输效率问题。
MAC协议对于LPWSN来说具有至关重要的作用。
首先，MAC协议能够有效地控制网络的接入方式，避免不必要的冲突，从而提高网络的传输效率。
其次，通过优化MAC协议，可以实现网络的低功耗工作，延长节点的寿命。
二、现有LPWSN MAC协议的问题目前，LPWSN中常用的MAC协议有ALOHA、CSMA/CA和MACAW等。
但是这些协议存在一些问题，例如低吞吐量、能量浪费等。
下面简要分析一下这些协议的问题：1. ALOHAALOHA协议最早用于卫星通信，以用来解决通信网络中的数据包冲突。
该协议通过将数据包随机发送到网络上，检测回应消息，然后再重复发送数据包的方式来实现多个节点之间的通信。
尽管这种方法看起来非常简单，但在拥挤的网络中会很容易发生数据包冲突。
此外，由于该协议没有任何方式来检测接收的数据包是否正确，因此它在低数据速率上的表现非常糟糕。
2. CSMA/CACSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）协议是一种在局域网中被广泛使用的MAC协议。
该协议检测到信道是否被占用，如果信道上有数据，则暂停发送，等待一段时间后再次检测。
该协议通过减少冲突来提高通信质量，但如果信道被高噪声或干扰淹没，就会出现不必要的延迟。
3. MACAWMACAW（Mac for Wireless）协议是为无线网络设计的低功耗协议。
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
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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
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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
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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
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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
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SMAC协议关键技术--消息冲突与串扰避免
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无线传感器网络的协议与算法研究
无线传感器网络的协议与算法研究第一章无线传感器网络介绍无线传感器网络是由大量分布在被监测区域中的小型无线传感器节点组成的网络系统，其用途包括环境监测、医疗监测、军事侦察等诸多领域。
由于传感器网络中的节点数量庞大，节点之间的通信距离比较短，节点电量有限，因此需要协议和算法的支持来保证网络的高效性和可靠性。
第二章传感器网络中的协议在传感器网络中，协议是保证节点之间通信的基础。
当前应用广泛的传感器网络协议有以下几种。
2.1 MAC协议MAC（Medium Access Control）协议是无线传感器网络中的基础协议，它主要负责协调节点之间的数据通信。
常用的MAC协议有S-MAC、T-MAC、B-MAC等。
2.2 网络协议网络协议主要涉及节点之间路由、转发以及拓扑控制等问题。
在传感器网络中应用较广泛的网络协议有LEACH、HEED、Pegasis等。
2.3 应用层协议应用层协议是传感器网络中的最高层协议，它为上层应用提供数据传输服务。
常用的应用层协议有COUGAR、ACQUIRE、Directed Diffusion等。
第三章传感器网络中的算法传感器网络中的算法是指为节点之间的协作提供技术支持的算法。
目前常用的算法有以下几种。
3.1 分簇算法传感器网络中的节点数量庞大，为了管理这些节点并提高网络的能力，通常采用分簇的方法。
常用的分簇算法有LEACH、HEED、PEGASIS等。
3.2 路由算法无线传感器网络中的路由算法主要是为了解决节点之间通信的问题。
节点之间可以使用基于层次的路由、广播路由等方式交换信息。
常用的路由算法有Flooding、Gossiping等。
3.3 数据挖掘算法在传感器网络中，收集的数据存在着大量的冗余和噪声数据。
为了提高数据的可信度和准确度，传感器网络中通常采用数据挖掘的方法进行数据处理。
常用的数据挖掘算法有Kmeans、支持向量机（SVM）等。
第四章实现无线传感器网络的关键技术在传感器网络的实现中，除了协议和算法的支持以外，还需要其他关键技术的支持。
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。
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。
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。
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。
无线传感器网络中的低功耗MAC协议研究
无线传感器网络中的低功耗MAC协议研究无线传感器网络（WSN）伴随着物联网与智能城市普及而不断发展。
它由大量分散部署的传感器节点组成，并可以将感知信息传输到数据汇聚节点或云服务器。
然而，由于每个节点都带有限制的能量和有限的计算资源，如何有效地利用这些资源以克服WNS中的限制已经成为一个激烈的研究话题。
其中，低功耗媒体访问控制（MAC）协议已经成为研究的重要领域。
一、无线传感器网络的MAC协议在WNS中，MAC协议负责节点之间的通信管理，包括数据发送和接收。
在MAC协议中，低功耗特性是一个十分重要的因素，因为它代表着节点保持有效通信和长时间运行的物理能力。
低功耗MAC协议需要满足以下条件：1. 节点具有能力减慢或关闭无线电发射机来降低功率消耗。
2. 节点具有能力选择最佳发送和接收时间，以避免冲突和能量浪费。
3. 节点具有能力在接受帧时进入睡眠模式，以最大程度地减少能量消耗。
4. 协议具有快速自适应功能，以适应不同的数据交流模式，以尽可能降低能量消耗。
二、低功耗MAC协议的分类根据不同的特点和目的，低功耗MAC协议被分为以下五类：1. 轮换协议：节点依次通过发送数据来避免冲突。
2. 时隙同步协议：在规定的时间窗口里，给节点分配固定的时间资源来发送数据。
3. 随机接入协议：节点按照随机信号来发送数据，以解决时间冲突。
4. 节点优化协议：对于一些需要较高保障的节点，为其预留通信时隙。
5. 功率控制协议：通过选择适当的操作区域来控制节点的功率，以达到省电目的。
三、典型的低功耗MAC协议各种低功耗MAC协议各有优劣，因此，根据实际需求和硬件参数来选择适当的协议。
下面是三种常见的低功耗MAC协议。
1. 接听小窗口（LPL）协议LPL是一种经典的低功耗MAC协议，它保持节点在不同时间窗口保持静默，以期减少功耗。
LPL协议将节点运行时间分成睡眠和活动时间，掌握节点电源的最优化管理，以确保节点的能耗最低。
2. 节点的排序访问协议（S-MAC）S-MAC是一种基于TDMA的低功耗MAC协议，它根据节点所处的通信状态，分配和调度其通信资源。
无线传感器网络MAC协议通用课件
提供了相关的模拟和性能评估 结果，以支持对这两种协议的 理解和分析。
基于跳频扩频的mac协议案例分析
描述了FHSS、DSSS和CSS三种 基于跳频扩频的MAC协议的基本
原理和特点。
分析了FHSS、DSSS和CSS在无 线传感器网络中的应用场景和优
缺点。
提供了相关的模拟和性能评估结 果，以支持对这三种协议的理解
无线传感器网络mac 协议通用课件
目录
• 无线传感器网络概述 • mac协议基础 • 无线传感器网络mac协议的特点与挑战 • 无线传感器网络mac协议的核心技术
目录
• 无线传感器网络mac协议的优化与改进建议 • 无线传感器网络mac协议的案例分析
01
无线传感器网络概述
定义与特点
定义
无线传感器网络是指由一组能够自组织形成网络的低功耗、 微型、低成本传感器节点组成的网络系统，利用传感器节点 之间的无线通信和协作，实现对环境和物体的感知、监测和 控制。
理和特点。
分析了TDMA和FDMA在无线传 感器网络中的应用场景和优缺点
。
提供了相关的模拟和性能评估结 果，以支持对这两种协议的理解
和分析。
基于码分复用的mac协议案例分析
描述了CDMA和SC-CDMA两 种基于码分复用的MAC协议的 基本原理和特点。
分析了CDMA和SC-CDMA在 无线传感器网络中的应用场景 和优缺点。
基于竞争的mac协议案例分析
描述了CSMA和 CSMA/CD两种基于 竞争的MAC协议的 基本原理和特点。
提供了相关的模拟和 性能评估结果，以支 持对这两种协议的理 解和分析。
分析了CSMA和 CSMA/CD在无线传 感器网络中的应用场 景和优缺点。
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。
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。
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。
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Contend RTS CTS DATA ACK
B
C
Contend
Contend
D
Active FRTS TA
Active RTS
图 1-5 FRTS帧交换
TMAC协议-关键技术4
A
早睡问题解决办法
满缓冲区优先
Contend
内容提要
1.
概述
2.
3.
背景知识
协议设计的重点
4.
5. 6.
各种MAC协议
结论和开放的问题 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
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.
3.
背景知识
协议设计的重点
4.
5. 6.
各种MAC协议
结论和开放性的问题 我的想法和问题
竞争型MAC协议
–
基本思想
TA
图 1-3 TMAC基本数据交换
TMAC协议-关键技术2
A
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
Contend RTS CTS DATA ACK
B
C
Contend
Contend
D
Active TA
Sleep RTS?
图 1-4 早睡问题
TMAC协议-关键技术3
A
早睡问题解决办法
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 端，等待目标端回应封包后，才开始传送 按需分配
周期性监听同步
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 ACK
B
C
Contend
Contend
MAC Protocols for Wireless Sensor Networks
A
Survey
2012年3月5日
内容提要
1.
概述
2.
3.
背景知识
协议设计的重点
4.
5. 6.
各种MAC协议
结论和开放的问题 我的想法和问题
内容提要
1.
概述
2.
3.
背景知识
协议设计的重点
4.
5. 6.
各种MAC协议
–
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
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
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.
3.
背景知识
协议设计的重点
4.
5. 6.
各种MAC协议
结论和开放性的问题 我的想法和问题
结论和开放的问题 我的想法和问题
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。
消息传递
将长的信息包分成若干个短的DATA段
突发式传输
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。
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
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
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。
B
Contend
C
Contend RTS
D
RTS CTS TA DATA 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