无线传感器网络的MAC协议综述
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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无线传感器网MAC层协议研究综述
重庆邮电大学研究生堂下考试答卷2016-2017学年第1学期考试科目无线传感器网络姓名李明年级2016专业电子与通信工程2016年12 月19日无线传感器网MAC层协议研究综述李明（重庆邮电大学通信与信息工程学院电子信息与网络工程研究院）摘要：无线传感器网络是一种由多个节点通过无线自组织方式构成的网络。
其中MAC协议是无线传感器网络不可或缺的部分。
本文主要研究无线传感网络的MAC层协议。
主要介绍了几种主流的典型MAC协议，并简单的分析和比较这些协议的优缺点以及使用范围，重点研究近两年对WSN的MAC协议的成果，最后阐明了无线传感器网MAC层协议发展趋势。
关键词：无线传感器网络；MAC；时延；低能耗A Review of MAC Protocols in Wireless Sensor NetworksMing Li(Chongqing University of Posts and Telecommunications College of Communication and Information Technology Institute of Electronic Information and Network Engineering）Abstract：Wireless sensor networks (WSNs) are a kind of network composed of multiple nodes by wireless self-organization. MAC protocol is an indispensable part of wireless sensor network. This paper mainly studies the MAC layer protocol of wireless sensor network. This paper mainly introduces several typical MAC protocols in the mainstream, and analyzes and compares the advantages and disadvantages of these protocols and the scope of their use. It focuses on the results of MAC protocols over the last two years, and expounds the development trend of MAC protocols in wireless sensor networks. .Key words：Wireless sensor network; MAC; delay time ;low energy consumption1研究背景上世纪90年代由美国率先提出“国家智能交通系统项目计划”，旨在运用传感器技术、无线通信技术及嵌入式计算机信息处理技术将全球建立成一个全方位的实时、高效、精确的交通运输综合管理系统。
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。
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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基于竞争机制的无线传感器网络MAC层协议的研究综述
的发射机和接收机将启动一个分组传输。ＳＴＥＭ使目 标节点的接收机对源节点发射机引起重视的方法有
两个：Ｓ１＇ＥＭ—Ｂ和ＳＴＥＭ—Ｔ。
ＳＴＥＭ—Ｂ中．源发射机在唤醒信道周期性地发送
表明了源发射机和目标接收机的ＭＡＣ地址的信标．
而没有先期的载波监听。一旦接收机接收到该信标．
它立即向唤醒信道发一个确认帧（使发射机停止发
Ｗｕｈｅ Ｃｕｌｌｅｒｍ研究了ＣＳＭＡ协议的一些变化形
式。着重研究了这些协议的内在能量消耗和公平性．
但该协议没有采取任何措施以避免空闲监听或偷听
的发生。 ＣＳＭＡ协议的目标网络和ＳＴＥＭ目标网络具有
相同的通信量模式。当一个节点从其上层得到一个待
发送的新分组时．会启动一个随机延迟．并将次数计
数器置０。在后续的监听阶段．节点进行载波侦听操
与ＩＥＥＥ８０２．１ ｌ ＭＡＣ相比．Ｓ—ＭＡＣ协议尽量延长 其他节点的休眠时间．降低了碰撞概率，减少了空闲 侦听所消耗的能源：通过流量自适应的侦听机制。减 少消息在网络中的传输延迟：采用带内信令来减少重 传和避免监听不必要的数据：通过消息分割和突发传 递机制来和带内数据处理来减少控制消息的开销和 消息的传递延迟。因而Ｓ－ＭＡＣ协议具有很好的节能 特性．这对无线传感网络的需求和特点来说是合理 的．但是由于ｓ＿ＭＡＣ中占空比固定不变．因此它不能 很好地适应网络流量的变化．而且协议的实现非常复 杂，需要占用大量的存储空间。这个对于资源受限的 传感器节点尤为突出。 １．４ Ｔ—ＭＡＣ协议
作。如果媒体为忙状态．且试验的次数小于设定的最
现 大值，则节点进入回退模式；如果媒体处于忙状态。且 代 节点已经用尽最大试验次数，则将分组丢弃。如果媒
计 体是空闲的．则节点发送ＲＴＳ分组并进入“等待Ｃ１ｓ
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
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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。
无线传感网能进行实时检测、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。
现已成为计算机与通信领域一个活跃的研究分支，受到人们的极大重视。
1.2 无线传感器网络的应用无线传感器网络是一种低成本、低功耗特殊的无线自组网，传感器网由大量具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器节点组成，这些传感器节点不但能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，而且可以处理收集到的探测数据，并将处理后的数据以多跳无线传输的方式送到数据收集节点(sink node)或基地台(base station)，从而实现“无处不在的计算”理念。
无线传感器网络在军事侦察、生物栖息环境监测、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域都有着广泛的应用前景，是近年来军事部门、工业界、学术界极受关注的技术。
1.3 论文结构安排本文总共分为六章，各章的主要内容介绍如下：第1章绪论。
概括了无线传感网的感念引入和应用领域，介绍了本课题的研究意义；第2章无线传感器网络的体系结构。
从无线传感器网络的体系结构入手分析了传感器网络协议栈和其区别于传统的无线网络的特点；第3章无线传感器网络MAC协议。
详细列举了目前常用的多种MAC协议，并对它们进行了详细比较，分析了它们的优缺点；第4章结论与展望。
在前几章基础上对无线传感网技术进行总结,无线传感网领域的研究工作的道路艰苦而漫长向。
2.无线传感器网络的体系结构无线传感器网络是随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步而新兴的一种多跳自组织的网络系统。
2.1 体系结构无线传感器网络由部署在感知对象内部或者附区域内的多个无线传感器网络节点组成，这些节点通过自组织方式构成无线传感器网络，以协作的方式实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析，并以多跳中继方式将数据信息传回网关节点，再通过网关节点通过因特网和卫星再将信息传递给用户。
一个典型的无线传感器网络的体系结构包括传感器节点、网关节点、互联网和用户管理等，如图1所示。
图1 无线传感器网络的体系结构传感器、感知对象和观察者是构成了无线传感器网络的三个要素。
信息获取者可以是传感网的用户，也可以是感知信息的感知和应用者。
可以是人，也可以是计算机或其它设备。
信息获取者将对获得的感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，甚至对网络采取相应的行动。
2.2 传感器网络协议栈网络协议结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。
虽然无线传感器网络与传统网络相比有很多不同的地方，但是其网络协议栈都可以划分成TCP／IP的五层模型，如表1所示。
其中，物理层遵照IEEE 802.15.4标准提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层又分成两个子层：逻辑链接控制层(LLC)和介质访问控制层(MAC)，主要负责数据成帧、帧检测、媒介访问控制和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；应2.3 无线传感器网络的特点作为一种新型网络，相比传统的无线网络，无线传感器网络具有如下特点：（1）大面积的空间分布比如在农业应用方面，可以将无线传感器网络部署在田地里检测农产品的生长情况，形成大面积的监视网络。
（2）能源受限制由于布置传感器的区域有些是在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中，几乎不可能更换电源，而网络中每个节点的电源是有限的，这要求网络功耗小，以延长网络的寿命。
（3）网络自动配置无线传感网是由对等节点构成的网络，不存在中心控制。
无线传感器网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的对等网络，管理和组网都非常简单灵活。
（4）网络的自动管理和高度协作性传感器可以分布在很广泛的地理区域，感知的范围也很大。
在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，每个节点仅知道自己邻近节点的位置和标识，传感器网络通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信，具有很强的协作性。
（5）传感器网络的拓扑结构变化快传感器网络自身的特点使得传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法的有效性提出了挑战。
此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化，导致网络拓扑结构十分复杂。
（6）通信能力有限传感器网络的传感器的通信覆盖范围只有几十到几百米，通信带宽窄而且经常变化，而且由于更多地受到地理、地势、地貌以及天气等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线不能正常工作。
3.无线传感器网络MAC协议无线传感器网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的对等网络，WSN没有中心控制器，所有节点分布式运行，共同承担网络的构造和管理功能，具有很强的容错性和鲁棒性。
同时，这些网络特性也给WSN协议的设计和使用带来很大的挑战。
MAC协议处于无线传感器网络协议的底层，对网络的性能有直接的影响，是网络高效通信的关键协议。
3.1 MAC协议的分类针对不同的WSN应用，一般可以按照下列几种方式对MAC协议分类：第一，分布式控制还是集中控制。
分布式协议是无中心的，网络中各个节点地位是平等的；集中式控制协议，是有中心的基于接入点(Access Point)的MAC 协议。
第二，单信道还是多信道。
这种标准可以将协议有分为三类：(1)单信道MAC 协议，该类协议用于只有一个共享信道的WSN，如ALOHA、CSMA等，所有控制报文和数据报文都在同一信道上收发，容易发生控制报文之间、控制报文与数据报文之间、数据报文之间的冲突；(2)双信道MAC协议。
用于包含两个共享信道的网络，一个信道为只传递控制报文的控制信道和一个只传递数据报文的数据信道，这样控制报文就不会与数据报文冲突。
并能完全解决隐藏终端和暴露终端的影响，避免数据报文的冲突；(3)多信道MAC协议。
如DCA-PC、CSMA与双信道的区别是各节点具有多个数据信道，相邻节点可以使用不同数据信道同时进行通信。
第三，固定分配信道方式还是随机访问信道方式。
固定分配信道方式一般是采用时分复用(TDMA)、频分复用(FDMA)或者码分复用(CDMA)等方式，实现节点间无冲突的无线信道的分配；无线信道的随机竞争方式是指节点在需要发送数据时随机竞争使用无线信道，它重点考虑减少节点间的干扰和采用有效的退避算法来降低报文碰撞率。
3.2 几种经典无线MAC协议基于竞争的MAC协议基于竞争随机访问的MAC协议是节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道。
多数分布式MAC协议采用载波侦听或冲突避免机制并采用附加的信令控制消息来处理隐藏和暴露节点问题。
IEEE 802.11 MAC协议采用带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)是典型的基于竞争MAC协议。
例如：S-MAC协议、T-MAC 协议、ARC-MAC协议、Sift-MAC协议、Wise-MAC协议等。
基于CSMA/CA的MAC协议CSMA/CA主要应用于无线局域网IEEE 802.11MAC协议在分布式协调(DCF)工作模式下的一种协议。
在DCF工作模式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避算法，实现无线信道的共享。
基于S-MAC协议S-MAC(Sensor-MAC)协议是较早的针对WSN的一种MAC协议，他是在IEEE 802.11MAC的基础上，采用固定周期性的侦听和睡眠、消息传递技术等多种机制来减少了节点能量的消耗。
S-MAC协议与IEEE802.11 MAC相比，在节能方面有了很大的改善。
但睡眠机制的引入，使得网络的传输延迟增加，吞吐量下降。