无线传感网mac协议设计
无线传感网MAC协议研究--金巍
2. 无线传感器网络MAC协议 无线传感器网络MAC协议
目前对于无线传感网本身的研究热点集中在3 目前对于无线传感网本身的研究热点集中在3个方面的关键 技术上：网络通信协议、网络管理协议和网络支撑技术。在通信 技术上：网络通信协议、网络管理协议和网络支撑技术。在通信 协议上，研究的重点是数据链路层MAC协议和网络层路由协议； 协议上，研究的重点是数据链路层MAC协议和网络层路由协议； 在网络管理技术层，研究的重点是收集数据的管理、节能降耗问 题以及网络通信安全的实现；在网络支撑技术层，主要研究节点 定位问题、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现问题。 基于WSN网络的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效 基于WSN网络的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效 性成为WSN网络应用中首要的一个指标，能量高效的WSN网络通信 成为WSN网络应用中首要的一个指标，能量高效的WSN网络通信 协议是目前的一个热点研究领域。 通过对现有系统的分析可知， 射频模块是节点最大的耗能部件，是优化的主要目标。介质访问 射频模块是节点最大的耗能部件，是优化的主要目标。介质访问 控制协议（MAC）直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响， 控制协议（MAC）直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响， 能源效率是无线传感网MAC层协议最主要的设计目标。 能源效率是无线传感网MAC层协议最主要的设计目标。
以数据为中心
目前的互联网是一个以地址为中心的网络，如果想访问互联网中的资 源，首先要知道存放资源的服务器的IP地址。WSN是任务型的网络， 源，首先要知道存放资源的服务器的IP地址。WSN是任务型的网络， 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。WSN中的节点采用节 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。WSN中的节点采用节 点编号标识，节点编号不需要全网唯一。由于传感器节点随机部署， 节点编号和节点位置之间的关系是完全动态的，没有必然联系。用户 查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确 定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这是一种 以数据本身作为查询或者传输线索的思想。所以通常说传感器网络是 一个以数据为中心的网络。
无线传感器网络的MAC协议全解
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。 ◆缺点：所有接收到RTS和CTS帧的节点，都会被唤醒，增加了能 耗和串音的几率；缺乏多跳感知能力。
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
基于竞争的MAC层协议
B-MAC协议
S-MAC协议采用忙闲比模式，忙闲比模式在能耗方面主要问题： 1、节点需要定期发送消息，如SMAC中的SYNC数据包； 2、节点在侦听期间需要开启接收机等待可能到来的数据包。
B-MAC协议基于两种机制： ◆低功耗侦听（Low Power Listening，LPL）的休眠/唤醒调度机制， 也称前同步码采样机制 ◆空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA）机制
基于竞争的MAC层协议
DMAC协议
DMAC（Dynamic SMAC）基于SMAC和TMAC思想，采用预先分配方法 来避免睡眠延迟，在信道分配方面引入一种交错呼醒机制。
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。
无线传感器网络MAC协议综述1
无限传感网络作业21.认识典型的无线传感器网络MAC协议的工作流程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。
（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。
T-MAC(timeout MAC)协议是在S-MAC协议的基础上提出的。
T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调整活动时间，用突发方式发送信息，减少侦听时间。
T-MAC协议的优点是减少了空闲侦听功耗，适用于可变负载的场景，但是他根据当前网络通信情况，提前结束活动周期来减少空闲侦听，会带来早睡问题。
传感网原理及应用—第3讲(MAC协议)
陈永乐
目录
MAC协议概述
竞争型MAC协议
分配型MAC协议 混合型MAC协议 总结
2
MAC协议概述
在无线传感器网络中，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。 MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络 的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关 键网络协议之一。 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。
25
TA的选择
周期性侦听同步设计
延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧
前提：节点发现串扰的RTS或CTS都能够触发一个新的监听间隔，为 了确保节点能够发现邻居的串扰，TA的取值必须保证当前节点能够 发现串扰的CTS TA >竞争信道时间（C）+RTS发送时间（R）+CTS准备时间（T） TMAC实验中，采用TA = 1.5 x (C + R + T)
27
早睡问题解决办法 （1）
未来请求发送（Future request-to-send, FRTS）
当节点C收到B发给A的CTS后，立即向D发送一个FRTS。FRTS帧包含节点D接 收数据前需要等待的时间长度，D在此时间内必须保持在监听状态。 由于C发送的FRTS可能干扰A发送的数据，所以A需要将发送的数据延迟相 应的时间。A在接收到CTS之后发送一个与FRTS长度相同的DS帧，该帧不包 含有用信息，只是为了保持AB对信道的占用，在发送DS之后A立即向B发送 数据信息 由于采用了FRTS机制。增加一个DS时间。FRTS方法可以提高吞吐量，减少 延迟，但是增加了控制开销，会降低TMAC协议的能量效率
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。
- 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)。
一种符合无线传感器网络特征的MAC层协议设计
1. 无线传感器网络
无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。
无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。
潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
2. 无线传感器网络特征
1) 传感节点体积小,成本低,计算能力有限。
2) 传感节点数量大、易失效,具有自适应性。
3) 通信半径小,带宽很低。
4) 电源能量是网络寿命的关键。
5) 数据管理与处理是传感器网络的核心技术。
3. MAC层协议设计
3.1 MAC层协议设计的考虑
无线传感器网络是应用相关的网络，不同应用网络，对MAC协议的考虑也不尽相同，不存在一个适用于所有无线传感器网络的通用MAC协议。
MAC协议设计时，需要着重考虑以下几个方面：
节省能量传感器网络节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，电池能量通常难以补充，MAC协议在满足应用要求前提下，应尽量节省节点的能量。
可扩展性传感器网络中网络节点数目一般较大。
另外，由于节点死亡、新节点加入、节点移动导致节点数目、分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化。
因此，MAC协议应具有可扩展性，以适应动态变化的拓扑结构。
兼顾网络性能网络性能包括网络的公平性、实时性、吞吐量以及带宽利用率。
不同应用的传感器网络产生不同特征的流量，要求不同的性能参数，所以MAC 协议应能兼顾好这些网络性能。
3.2 传感器网络能耗浪费问题
经过大量实验和理论分析，人们发现可能造成传感器网络能量浪费的主要原因包
括如下几个方面：
碰撞冲突问题节点在发送数据过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞。
而重传数据，将消耗节点更多能量。
串音问题节点接收并处理不必要的数据。
这种串音现象造成节点的无线接收模块和处理模块消耗更多的能量。
空闲侦听问题节点在不需要发送数据时一直保持对信道的空闲侦听，过度空闲侦听或没必要的空闲侦听会造成节点能量浪费。
控制消息消耗如果控制消息过多，也会消耗较多的能量。
3.3 参考S—MAC协议的一种无线传感器网MAC协议设计
美国加州大学信息科学院的Wei Ye和Estrin等人在802．11MAC协议的基础上，提出了S—MAC(SensorMAC协议)n1。
该协议主要针对无线传感器网络的节省能量要求。
s—MAC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。
其主要采用以下几种措施：
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
问，并把一个长消息分成许多短消息。
如图4所示。
不同的是：S—MAC的RTS／CTS控制消息和数据消息携带的时问是整个长消息的剩余时间，其他节点接收到这个剩余时间然后进入睡眠状态，直至长消息发送完成。
而IEEE802．11MAC协议考虑网络的公平性，RTS／CTS只预约下一个发送短消息的时间，其他节点在每个短消息发送完成后都必须醒来进入侦听状态。
S—MAC协议增加了能量的效率，避免了冲突造成的能量浪费，但是也存在不足：第一，由于是周期性的侦听和睡眠，一个节点给邻居发送数据只能等到他处于侦听状态，造成延时。
第二，当邻居节点同时唤醒信道时，一致同步会增加邻居间冲突。
第三，固定占空比不能随网络流量变化动态调整，低流量情况下会导致能量浪费，增加时延。