第3章 无线传感器网络的MAC协议概要
无线传感器网络MAC协议_物联网关键技术_[共8页]
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542．红外通信优点是：无需天线、无需申请频谱、不受电器设备干扰。
红外收发器简单，便宜。
PDA 和无线电话提供红外通信接口。
缺点是要求发射器和接收器间视线无遮挡、传输必须定向、传输距离短（1m）。
3．无线电通信无线电传输可以使用ISM（工业、科学、医学）频段，其中某些部分已经用于无绳电话和无线局域网（WLAN），频率分配见表2-1。
由于传感器网络对尺寸、价格、功耗的限制，以及天线效率和功耗的折衷，使得频率只能选择在超高频（UHF）频段。
在欧洲推荐使用433MHz ISM频带，在北美推荐使用915MHz ISM频带。
ISM频带使用自由，频带宽，便于实现节能。
很多传感器网络硬件基于RF电路。
例如，μAMPS无线节点使用与蓝牙兼容的2.4GHz收发器。
表2-1 ISM频段分配频段说明13.553～13.567MHz26.957～27.283MHz40.66～40.70MHz433～464MHz 欧洲标准902～928MHz 美国标准2.4～2.5GHz 全球WPAN/WLAN5.725～5.875GHz 全球WPAN/WLAN24～24.25GHz无线电通信的难点之一是天线尺寸。
为了保证收发效率，天线尺寸应为λ/4左右，λ是载频波长。
设尺寸为1mm，则载频应选75GHz，相应的器件价格昂贵。
第二个困难是减小调制、滤波、解调的能耗。
无线电通信的优点为：市场成熟、使用方便。
影响能耗的因素有调制制式、应用方式、数据速率、发射功率。
为有效管理能源，无线通信一般设置4种工作模式：发射、接收、空闲、休眠。
有3种调制方式：OOK、ASK、FSK。
OOK是ASK的特例，常用于传输控制信号，具有简单、便宜、节能（发“0”时空闲）的优点。
FSK在存在干扰时性能好，但更复杂、更昂贵。
ASK抗干扰好于OOK，比FSK简单、便宜。
OOK和ASK需要有自调整阈值或自动增益控制（AGC），FSK则不需要。
Mica2节点采用Chipcon的CC1000，是甚低功率CMOS收发器，传输速率最高为76.8kbit/s，有UART接口连接微控制器，低功耗方式电流为0.2μA。
无线传感器网络的MAC协议综述
2010届无线传感器网络论文题目: 无线传感器网络的MAC协议综述院系名称：通信学院专业班级：电子与通信工程8班学生姓名：郭鑫学号： S********* 指导教师：王恒教师职称：教授2010年12月26日摘要：无线传感网络作为汁算机、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。
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，具有极为广阔的应用和发展前景。
本文主要介绍了无线传感网MAC协议的特点以及分类，然后对其中MAC协议进行了一一介绍．并作了性能对比。
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Title：General Analysis of Wireless Sensor Network MAC ProtocolsAbstract：Wireless sensor networks as juice calculate machine, communication and sensor three technical combination of computer and communication, has become an active field of research branch. Real-time detection, awareness and collecting network distribution area of all sorts of monitoring information about objects, is extremely broad application and development prospect. This article mainly introduced the wireless sensor network MAC protocols of characteristic and classification, and then to the one which MAC protocols are introduced. And performance comparison. At last illustrates wireless sensor network based on competition of MAC protocols development trend.Keyword：Wireless Sensor Network MAC protocols Comparative performance 1.绪论1.1 研究本课题的意义随着通信技术、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。
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
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
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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
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
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
无线传感器网络3_MAC协议2014
MAC协议导致能量浪费的因素
冲突
冲突后重传需要消耗能量
串扰（overhearing）
收到了发给别人的数据包，需丢弃
控制开销
由于传输帧头等非实际负载所带来的能量消耗
空闲监听
即便不接收数据，监听信道会消耗相当于接收 的50%-100%的能量
S-MAC如何解决上述问题？
冲突
解决方法：带NAV的RTS/CTS机制。
(1)能量效率。 (2)可扩展性。 (3)网络效率。 (4)算法复杂度。 (5)与其他层协议的协同。
MAC协议分类
从不同的角度入手，对MAC协议进行分类的方法有多种，可 以根据MAC协议使用的信道数目分为基于单信道、基于双信 道和基于多信道三类;可以根据MAC协议分配信道的方式分 为竞争型、分配型以及混合型;可以根据网络类型是同步网络 还是异步网络，将MAC协议分为同步、异步两类。
之间的数据传输，但是，C虽然能发送数据给E， 但却不能正确接收到E返回的数据，例如CTS、 ACK等帧，因为其接收会受到A的干扰！ 所以SMAC规定，A和B一跳之内的邻居都应该去 睡觉！无论其是想发送还是想接收，统统禁止。
控制传输开销的两难选择
当要传输的消息较长时，有两种方法：
一是一次性发送，但如果由于几个比特 错误造成 重传，则会造成较大的延时和 能量损耗。
本书中采用根据MAC协议分配信道的方式来进行分类，从竞 争型、分配型以及混合型三种类型入手，介绍目前比较有代 表性的MAC协议。
经典的MAC协议列表
竞争型MAC协议 SMAC，TMAC
SMAC协议概述
SMAC (Sensor MAC)协议是较早提出的一种基于竞争的 无线传感器网络MAC协议，由USC/ISI的Wei Ye等人提 出，并在NS2、 TinyOS等平台上进行了仿真和实现。该协 议继承了802. 11 MAC协议和PAMAS协议的基本思想， 在此基础上加以改进，以WSN的能量效率为主要设计目标， 较好地解决了能量问题，同时兼顾了网络的可扩展性，为广 大研究人员参考和比较。
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
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。
第3讲 无线传感器网络技术-MAC协议(II)
C – 竞争信道的时间; R – 发送RTS包所需的时间; T – 从RTS发送结束到开始发送CTS的时间;
TA = 1.5 * (C+R+T);
WSN
MAC for Sensor Networks
26
WSN
27
T-MAC:早睡问题
Early-Sleeping Problem
A
B
D
F
•谁会休眠？ • 发送节点和接收节点的所有直接邻居 • 用NAV决定休眠时间
WSN
MAC for Sensor Networks
15
S-MAC协议-关键技术3
• 流量自适应侦听（Adaptive Listening）
• 问题描述：
• 周期性睡眠导致了通信延迟的累加
Event
A
B 等待C醒来... B
C wakes up... C
Sensed
B 知道C下一次醒来的时间，但是却不想等到那时，而 希望立刻把消息传给C。
WSN
MAC for Sensor Networks
16
流量自适应侦听的解决方案
Event A
Sensed
CTS B CTS
C 从NAV 立刻知道 传输何时结束。
C
C 在传输结束时 醒来
N ASYNC ASYNC
A
A
BSYNC B
N
A ASYNC ASYNC
WSN
MAC for Sensor Networks
11
S-MAC: 周期性侦听和睡眠
相邻的节点同步形成虚拟 的簇 clusters 也称“时间表同步的岛屿”
第3章 MAC协议
竞争协议无需全局网络信息，扩展性好，易于实现，但能耗大；调度协议没有冲突，因而节省能量， 但难于调整帧长度和时隙分配，难以处理拓扑结构变化，扩展性差，时钟同步精度要求高；混合MAC 协议具有上述两种MAC协议的优点，但通常比较复杂，实现难度大。
（2）根据MAC协议使用的信道数目可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。
如图3-1所示，节点A希望向节点B发送数据，节点C在A的无线通信范围内，节点D在节点B的无线通信范围内，但 不在节点A的无线通信范围内。 节点A首先向节点 B发送一个请求帧（request-to-send，RTS），节点B返回一个清除帧（clear-to-send，CTS） 进行应答。 在这两个帧中都有一个字段表示这次数据交换需要的时间长度，称为网络分配矢量（network allocation vector， NAV），其他帧的MAC头也会捎带这一信息。 节点C和 D在侦听到这个信息后，就不再发送任何数据，直到这次数据交换完成为止。NAV可看作一个计数器，以 均匀速率递减计数到零。当计数器为零时，虚拟载波侦听指示信道为空闲状态；否则，指示信道为忙状态。
无线传感网中能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗。其中通信能耗 所占比重远大于计算能耗，通信部件和计算部件的功耗比通常在1000倍以上。因 此减少MAC协议通信中的能量浪费，是延长网络生存时间的有效手段。
无线传感网MAC协议设计面临的问题
通信过程中造成能量损耗主要体现在以下几方面：
在无线传感网络中，MAC协议决定无线信道的使用方式。通过在传感器节点之间分配和共享 有限的无线信道资源，MAC协议构建起无线传感器网络通信系统的底层基础结构。由于多个 节点共享无线信道，且无线传感器网络通常采用多跳通信方式，因此MAC协议要解决隐藏终 端和暴露终端问题，使用分布式控制机制实现信道资源共享。
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。
无线传感器网络的MAC协议全解
基于竞争的MAC层协议
DMAC协议
数据预测机制 ◆在数据采集树中，越靠近上层的节点，汇聚的数据越多，对树的 底层节点适合的占空比不一定适合中间节点 ◆如果一个节点（父节点）在接收状态下接收到一个数据包，该节 点预测子节点仍有数据等待发送。在发送周期结束后再等待3μ个周 期，节点重新切换到接收状态 ◆在前一周期竞争信道失败的子节点侦听到父节点的ACK帧，知道 父节点将在3μ后醒来，据此调整自身调度计划，在3μ后唤醒自己与 父节点建立通信
串扰(Overhearing)
◆节点是以广播的形式发送消息的，广播范围内的节点就可能接收 到发向其他节点的数据包，造成串音干扰。 ◆当节点密度很大或者需要传输的数据很多的时候，串扰消耗的能 量也是很可观的。为尽量避免这种情况，节点应该在无数据收发时 关闭其接收器。
MAC层能耗来源
控制信息开销(Control packet overhead)
基于竞争的MAC层协议
S-MAC协议
基于竞争的MAC层协议
有“自适应侦听”机制的S-MAC协议
◆节点A、B确立通信关系时，节点C通过B的CTS帧内duration(持续 时间)字段得知信道通信结束时间。 ◆在节点A、B传输结束时，C立即唤醒自己，与B建立通信关系。 ◆两跳外的节点不参与其中。
◆优点：提高通信效率。
◆对以上不足的改进，提出了T-MAC协议：在保持周期侦听长度不 变的情况下，根据通信流量动态调整节点活动时间，用突发方式 发送消息，减少空闲侦听时间。其主要特点是引入了一个TA时隙。
基于竞争的MAC层协议
T-MAC协议
在节点活动周期内(SYNC、DATA)，如果在一个给定的时间段TA内 没有发生特定事件(定时器超时、接收到数据、发现无线信道、监 听RTS/CTS，确认邻居节点完成数据传输等)，则节点提前结束活动 进入睡眠状态。
无线传感器网络简明教程第三章.
目前无线传感器网络MAC协议可以按照下列条件进行分类：
(1) 采用分布式控制还是集中控制； (2) 使用单一共享信道还是多个信道； (3) 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。
本书根据上述的第三种分类方法，将传感器网络的 MAC协议分为以下三种：
(1) 时分复用无竞争接入方式。无线信道时分复用(Time Division Multiple Access，TDMA)方式给每个传感器节点分配 固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。
无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，
因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。无线电波是全
方向传播信号的，它能向任意方向发送无线信号，所以发 射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。
无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻 易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小， 大致为1/r3。如果采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻 挡的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。 另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是
20世纪80年代以来，人们十分重视调制技术在无线
通信系统中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性
更好的数字调制方式。由于振幅键控信号的抗噪声性能 不够理想，因而目前在无线通信中广泛应用的调制方法 是频率键控和相位键控。
(3)扩频技术
扩频又称为扩展频谱，它的定义如下：扩频通信技术是一种信 息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小
3、无线传感器网络物理层的特点
无线传感器网络作为无线通信网络中的一种类型，因此它包含了上述介 绍的无线通信物理层技术的特点。 目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波、红外线和光波三 种类型。无线电波的通信限制较少，通常人们选择“工业、科学和医 疗”(Industrial，Scientific and Medical, ISM)频段。ISM频段的优点在 于它是自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便。ISM频
无线传感器网络2014(MAC协议)1
3.1 概述
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。
Step2（尽力避免CA过程）
如果信道忙，则站点一直监听信道，直到信道空闲且空闲时间超过DIFS后，使用二进 制退避算法计算随机退避时间，进入退避状态。进入退避状态后启动一个退避计时器 （计算出的随机退避时间作为该计时器的时间值），若此时信道空闲则继续计时，信 道忙则终止计时，直到检测到信道空闲且空闲时间大于DIFS后再恢复计时。 退避时间 (BackoffTime) = INT(CW x Random()) x Slot Time 式中，INT表示取整。CW是竞争窗口，取值为CWmin和CWmax之间的一个整数；所有帧第 一次发送时，CW初始为CWmin，以后每次重传时CW加倍直至CWmax。Random()为0-1之间 的一个随机小数。Slot Time是一个时隙长度。 退避过程如下图所示。
3.2 竞争型MAC协议
• 基于竞争的随机访问MAC协议(简称竞争协议)采用按需使用信道的方 式，其基本思想是：当节点需要发送数据时，通过竞争的方式使用无 线信道。如果发送的数据产生了冲突，就按照某种策略重发数据，直 到数据发送成功或放弃发送。在无线传感器网络中，睡眠／唤醒调度、 握手机制设计和减少睡眠延时是竞争协议重点考虑的三大问题。一般 而言，竞争协议对时钟同步精度要求没有调度协议高，但为实现及时 可靠通信和保证协议能量高效，仍需要为睡眠／唤醒调度和控制分组 安排合理的时序关系。 • 典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波监听多路（址）访问 （Carrier Sense Multiple Access, CSMA）。在CSMA的基础上，有 用于传统有线以太网的CSMA/CD协议（IEEE 802.3）、无线局域网 （WLAN）的CSMA/CA协议（IEEE 802.11）。 • 在WSN中，典型的竞争型协议有S-MAC、B-MAC、Sift协议等。
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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29
3.2.3 MAC协议设计的技术挑战
30
节点的休眠调度问题
在传感器节点中，无线通信模块的状态： 发送、接收、侦听 和休眠 单位时间内消耗的能量依次递减 为了保证节点能够及时地接收到发送给它的数据，无线传感 器网络MAC协议通常采用“侦听/休眠”交替的机制访问无线 信道
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发送数据时，节点先侦听信道 当侦听到信道忙时，仍坚持侦听，一直侦听到信道空闲为止 当侦听到信道空闲后，节点可以采用2种不同的策略发送数据 ： 1-坚持CSMA 1-坚持CSMA 以概率1，立即发送数据 p-坚持CSMA
优点： p坚持CSMA 能够充分抓紧时间发送数据。 以概率p发送数据，以概率(1-p)延迟 一段时间，再重新侦听信道 缺点： 若有两个或多个节点同时在侦听 信道，则一旦信道空闲，这些节 点都会立即发送数据
37
S-MAC 竞争型
T-MAC WSN
MAC协议 非竞争型 DEANA 混合型 Funneling-MAC SMACS
38
SMAC协议(Sensor MAC)
802.11 MAC协议+能量效率 SMAC协议基本思想 周期性睡眠和监听 串扰避免 长消息传递
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SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听
侦听和休眠的时间的合理长度与网络负载的大小有关
50
TMAC协议-基本思想
动态调整调度周期中的活跃时间长度 各节点周期性地被唤醒，进入活动期
传送数据时，各节点采用RTS-CTS-DATA-ACK 的过程
如果在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠
在活动期间，可发送数据；
在休眠期间，节点如果有数据消息需要发迭，则必须等到下一 个活动期到来后再进行。
扰避免机制 长消息传递机制
缺点：
额外的延迟，减小了系统吞吐量
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S-MAC 竞争型
T-MAC WSN
MAC协议 非竞争型 DEANA 混合型 Funneling-MAC SMACS
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TMAC协议(Timeout MAC)
SMAC协议缺陷：侦听/休眠调度占空比固定，不能很 好的适应网络流量的变化 。
SMAC协议中，在RTS/CTS帧中都带有目的地址和本 次通信的持续时间信息
节点接收到RTS/CTS帧后，如果发现目的地址不是自 己的地址
节点马上进入睡眠状态 将此次邻居节点间通信的持续时间存储到本地的网络分配 向量(NAV)中
NAV会随着本地时钟的运行递减
在NAV值非零期间节点都处于睡眠状态
7
ALOHA协议
纯ALOHA协议 ⑴ 当节点有数据需要发送时，直接向信道发送数据分组。 ⑵ 在发生数据冲突的情况下，各节点将对发生冲突的数据分 组进行重发。 但在重传策略上，等待一段随机的时间，然后再进行重 发 如果再发生冲突，则再等待一段随机的时间进行重发， 直到发送成功为止
8
ALOHA协议
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
36
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
时隙ALOHA协议 ⑴ 将时间划分成一系列固定长度的时隙 ⑵ 各节点只能在每个时隙开始时才能发送数据
9
纯ALOHA和时隙ALOHA比较
纯ALOHA 实现简单 信道利用率较低 时隙ALOHA 将信道利用率提高一倍以上 要求在各节点之间实现时间同步
10
CSMA协议
使用了一个载波侦听装置 CSMA协议的类型： 非坚持型 1-坚持型 p-坚持型
避免存在“节点互相发现不了对方”
40
SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听
SMAC协议将监听时间分为两段
发送/接收SYNC包
发送/接收RTS和接收/发送CTS
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SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听
发送数据的 3 种可能情形
图3-2 接收节点与发送节点的关系
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SMAC协议关键技术-自适应监听
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SMAC协议关键技术----长消息传递机制
发送长信息时存在的问题：
几个比特错误造成重传
简单地将长包分段，RTS/CTS的使用形成过多的控制开销
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SMAC协议关键技术----长消息传递机制
SMAC提出了“消息传递”机制：
将长的信息包分成若干个短的DATA段
所有DATA使用一次“RTS/CTS”控制分组 占用信道
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协议关改进：冲突避免多路接入协议 (Multiple Aecess with Collision Avoidance，MACA)
在RTS和CTS报文中增加了一个附加的域，用来指示所需传送的 数据量，从而使其他节点能够了解所需退避的时间。
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无线传感器网络MAC协议
竞争型 非竞争型 混合型
延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧
节点上电启动后，要监听一段时间
如果该时间段内节点没有接收到SYNC帧，则节点自行选择一个 默认的调度方式，并通过SYNC 帧广播该调度方式。 如果时间段内节点接收到SYNC帧，则节点采用该SYNC帧中指明 调度方式
如果节点接收到不同的调度方式，节点调整调度
11
非坚持CSMA
⑴ 节点一旦侦听到信道忙或发现其他节点在发送数据，就不 再坚持侦听，而是根据协议的退避算法延迟一段随机的时间 后重新开始侦听。 ⑵ 若侦听时发现信道空闲，则将数据发送出去。
优点： 提高了 信道的利用率 、网络的吞吐量 缺点： 无法及时发现信道状态的变化
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坚持CSMA协议
27
MAC层能量浪费的主要来源
1. 冲突 分组出错或丢失 重传分组 2. 串音 传感器节点接收到 发往其他节点的分组数据或消息
28
3. 空闲侦听 为了接收可能来到的数据，侦听无线信道，而网络中实际上 并没有数据在传送 IEEE802.11 2Mbit/s，空闲侦听、接收、发送所消耗的能量 比率为1:2:2.5
时分多路接入(TDMA)协议
无线蜂窝系统 较高的能量效率 缺点 仅适用于簇形网络结构 各节点之间严格的时间同步
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频分多路接入(FDMA)
实现简单 缺点 保护频带将浪费相当大的带宽 非常准确地控制发送功率
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码分多路接入(CDMA)协议
采用正交伪随机码划分共享信道，所有节点可以在同一个信道 内同时发送数据，但使用不同的伪随机码。 抗干扰能力强，系统容量较大，终端可以采取较低的发射功率 终端设计复杂，同步精度要求高
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3.2.2 节能设计
数据通信是能量消耗最主要的来源 100m的距离上发送1kbit的数据需要消耗3J的能量 一个具有每秒处理100万条指令能力的通用处理器用3J能量 能够处理300万条指令
传感器节点要先利用其处理能力先对数据进行局部、简单的处 理，然后再将经过部分处理后的数据传送给汇聚节点
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避免串扰。
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SMAC协议
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
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无线传感器网络也可以采用非竞争型MAC协议 TDMA DEANE、SMACS、DE-MAC、TRAMA协议
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无线传感器网络MAC协议
竞争型 非竞争型 混合型
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3.2无线传感器网络MAC协议设计
协调多个节点对共享媒体的访问，避免来自不同节点数据之间 的冲突
24
3.2.1 设计目标
第 3 章
无线传感器网络的MAC协议
1
传统无线网络中使用的MAC协议无法直接所用于无线传感器 网络 首先考虑网络的能量效率
2
3.1.1无线传感器网络MAC协议的特点
无线信道通信的带来的问题 频谱资源有限 多个传感器节点同时访问信道时，会导致数据之间的相 互冲突
必须采用有效的MAC协议
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