无线传感器网络MAC协议进展
无线传感器网络MAC协议研究进展.
万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据３期郑国强等：无线传感器网络ＭＡＣ协议研究进展３１５本文研究的ＺＭＡＣ协议基础上，把ＴＤＭＡ和ＣＳＭＡ相结合，采用合适的分布式算法，根据节点的流量，基于概率的方法动态调整节点的分配时１ＡｋｙｉｌｄｉｚＩＦ，ＳｕＡｓｕｒｖｅｙｏｎｓｅｎｓｏｒＲｅｆｅｒｅｎｃｅｓＷＬ，Ｓａｎｋａｒａｓｕｂｒａｍａｎｉａｍｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥＹ，ＣａｙｉｒｃｉＥ．ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＭａｇ－隙，维护网络的局部连通性，避免和减少碰撞，使无关和低业务的节点，尽可能睡眠以节省能量．由于２ａｚｉｎｅ，２００２，４０（８）：１０２—１１４ＫｕｌｋａｒｎｉＳＳ，ＡｒｕｍｕｇａｍＭ．Ｔｄｍａｓｅｒｖｉｃｅｆｏｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔ－ＷＳＮｓ网络分布的环境恶劣，链路的易故障性和节点的易失效性，也可以进一步探讨利用认知无线电技术、基于分布式的方法，动态自适应地分配节点的多个信道，以适应不同业务、网络拓扑变化的要求，ｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＷｏｒｋｓｈｏｐｓ．Ｗａｓｈｉｎｇ－ｔｏｎ，Ｄ．Ｃ．，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００４．６０４－６０９３ＤｅｍｉｒｋｏｌＩ，ＥｒｓｏｙＣ，Ａｌａｇｏｚｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ：ａｓｕｒｖｅｙ．ＩＥＥＥＦ．ＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＭａｇａ－提高能效性和网络性能．２）采用跨层优化设计．ＷＳＮｓ网络由于受到节点的资源限制，分层的协议栈已不适应能量、内存等节点资源的有效利用．将ＭＡＣ层、物理层ｚｉｎｅ，２００６，４４（４）：１１５－－１２１４ＡｒｉｓｈａＫＡ，ＹｏｕｓｓｅｆＭＡ，ＹｏｕｎｉｓＭＦ．Ｅｎｅｒｇｙ－ａｗａｒｅＴＤＭＡ－ｂａｓｅｄＭＡＣｆｏｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ以及网络层的设计相结合，根据局部网络的拓扑信息，采用综合各层的设计方法，实现对节点工作模式的有效控制，减少控制开销，从而取得更好的网络ＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆＰｏｗｅｒＡｗａｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇ．ＮｅｗＹｏｒｋ，ＩＥＥＥＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００２．１８９－２０１５ＳｏｈｒａｂｉＫ，ＧａｏＪ，ＡｉｌａｗａｄｈｉＶ，ＰｏｔｔｉｅＧＪ．Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒ性能Ｅ２４，２６】．本文介绍的ＧｅＲａＦ协议，就是通过把ＭＡＣ、路由和拓扑管理结合为一体考虑，采用双射ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｏｆａｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ．ＩＥＥＥＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０００，７（５）：１６－－２７６ＹｊＰｅｒｓｏｎａｌＷ，ＨｅｉｄｅｍａｎｎＪ，ＥｓｔｒｉｎｓｅｎｓｏｒＤ．Ａｎｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔＭＡＣｐｒｏ－频模块的协作，解决数据传输的碰撞问题，并简化了采用分层协议可能带来的额外控制开销，使协议的ｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅｔｈｅⅢＥＥＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳｏｃｉｅｔｉｅｓ．ＮｅｗＹｏｒｋ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００２．２１ｓｔＡｎｎｕｍＪｏｉｎｔＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆ１５６７—１５７６执行简单，从而提高能效性和网络性能．但如何根据网络拓扑的变化，动态调整节点的工作参数和优化握手信号，利用最小的控制开销以节省节点的能量消耗、减少数据传输接入信道的时延，ＧｅＲａＦ协议７ＹｅＷ，ＨｅｉｄｅｍａｎｎＪ，Ｅｓｔｒｉｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄａｄａｐｔｉｖｅ－５０６Ｄ．Ｍｅｄｉｕｍａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈｓｌｅｅｐｉｎｇｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．ｏｆｆＩＥＥＥ／ＡＣＭＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，２００４，１２（３）：４９３并没有给出相应的解决方法．而基于竞争的白适应Ｓ—ＭＡＣ、ＰＭＡＣ协议，基于局部信息的维护，具有８适应业务、拓扑动态变化的能力；ＬＰＬ协议通过利用物理层的前导载波，减少了节点的空闲侦听．所以ＤａｍＴＶ．ＬａｎｇｅｎｄｏｅｎＫ．Ａｎａｄａｐｔｉｖｅｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１ｓｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓｏｒＯｌｌＥｍｂｅｄｄｅｄＮｅｔｗｏｒｋｅｄＳｅｎ－Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡ：ＡＣＭ，２００３．１７１－１８０Ｖ．ＰＭＡＣ：ａｎａｄａｐ－ｓｅｎｓｏｒ利用这些协议的优点，就可以进行跨层设计，从而增强协议的适应性，同时提高能效和网络性能．基于联合多层的参数优化，进行跨层和集成多层协议栈的９ＺｈｅｎｇＴ，ＲａｄｈａｋｒｉｓｈｎａｎＳ，Ｓａｒａｎｇａｎｒｉｖｅｅｎｅｒｇｙ－－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｎｅｔ・－ｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１９ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰａｒ－ａｌｌｅｌ综合设计，是ＷＳＮｓ网络今后的一个研究热点．万方数据Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ．ＮｅｗＹｏｒｋ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ．２００５．６６—７２３１６自动化学报３４卷１０ＥＩ—ＨｏｉｙｄｉＡ．Ａｌｏｈａｗｉｔｈｐｒｅａｍｂｌｅｓａｍｐｌｉｎｇｆｏｒｓｐｏｒａｄｉｃｓｅｎｓｏｒ２３ｔｒａｆｆｉｃｉｎａｄｈｏｃｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｎｏｆＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｆｅｎｃｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．ＮｅｗＰ，ＱｉａｏＣＭ，ＷａｎｇＸ．Ｍｅｄｉｕｍａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈａｄｙｎａｍｉｃｄｕｔｙｃｙｃｌｅｆｏｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００４ＩＥＥＥＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇＬｉｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．ＮｅｗＹｏｒｋ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００４．１５３４－１５３９Ｙｏｒｋ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００２．３４１８－－３４２３１１Ｅ．Ｍｉｃａ：ａｗｉｒｅｌｅｓｓｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｄｅｅｐｌｙｅｍｂｅｄｄｅｄｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥＭｉｃｒｏ，２００２，２２（６）：１２—２４ＨｉｌｌＪＬ，ＣｕｌｌｅｒＤＥＩ—ＨｏｉｙｄｉＡ．ＤｅｃｏｔｉｇｎｉｅＪ２４ＴａｙＹｃｓｍａａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＪｏｕｒｎａｌｏｎＣ，ＪａｍｉｅｓｏｎＫ，ＢａｌａｋｒｉｓｈｎａｎＨ．Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ－ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇｔｏｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥＳｅｌｅｃｔｅｄＡｒｅａｓｉｎ１２Ｄ．ＷｉｓｅＭＡＣ：ａｎｕｌｔｒａｌｏｗｐｏｗｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００４，２２（６）：ＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｔｈｅｄｏｗｎｌｉｎｋｏｆｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒ１０４８—１０５７ｔｉｏｎａｌｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ９ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａ－ＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｎｅｗ２５Ｙｏｒｋ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００４．２４４－２５１１３Ｒ，ＭａｚｚｉｎｉＧ．ＡｓｉｍｐｌｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔＭＡＣ—ｒｏｕｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ２００４ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＲｕｇｉｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＮｅｗＪｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００４．３４９９－３５０３ＣｈａｔｔｅｒｊｅａＳ，ＶａｎＨｏｅｓｅｌＬＦＷ，ＨａｖｉｎｇａＰＪＭ．ＡＩ—ＬＭＡＣ：ａｎａｄａｐｔｉｖｅ．ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ－ｃｅｎｔｒｉｃａｎｄｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｅｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００４ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｅｎｓｏｒｓ，ＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓａｎｄＩｎ－２６Ｇ，ＭａｄａｎＲ，ＧｏｌｄｓｍｉｔｈＡＪ，ＬａｌｌＳ．Ｊｏｉｎｔｒｏｕｔｉｎｇ，ＭＡＣ，ａｎｄｌｉｎｋｌａｙｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｎｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｗｉｔｈＣｕｉＳｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＣｏｎｆｅｆｅｎｃｅ．ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ．２００４．３８１——３８８１４Ｒｈｅｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｉｎ：ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎｏｆｔｈｅ２００５ＩＥＥＥＩｎｔｅｒ－Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００５．７２５－７２９Ｉ，ＷａｒｒｉｅｒＡ，ＡｉａＭ，ＭｉｎＪ．Ｚ－ＭＡＣ：ａｓｅｎｓｏｒｏｎｈｙｂｒｉｄＭＡＣｆｏｒＳｙｓｔｅｍｓ．ｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ３ｒｄＩｎｔｅｒｎａ－ＥｍｂｅｄｄｅｄＮｅｔｗｏｒｋｅｄＳｅｎｓｏｒｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＣａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡ：ＡＣＭ，２００５．９０－１０１１５郑国强西安电子科技大学博上研究生，河南科技大学副教授．主要研究方向ＤｈａｎａｒａｊＭ，ＭａｎｏｊＢＳ，ＳｉｖａＲＭＣ．Ａｎｅｗｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇｍｕｌｔｉ－ｈｏｐｌａｔｅｎｃｙｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ３ｒｄＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ＂ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｅｒｖａｓｉｖｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００５．１１７－１２６ｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒ为移动通信、无线网络．本文通信作者．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｙｚｈｅｎｇｇｕｏｑｉａｎｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎｆＺＨＥＮＧＧｕｏ－ＱｉａｎｇＰｈ．Ｄ．ｃａｎｄｉ—ａｎｄａｔｅａｔＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．ＨｅｉｓａｌｓｏａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒａｔＨｅｎａｎｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔｂｉｌｅ１６ＳｃｈｕｒｇｅｒｓＣ，ＴｓｉａｔｓｉｓＶ，ＧａｎｅｒｉｗａｌｔｉｍｉｚｉｎｇｓｅｎｓｏｒＳ，ＳｒｉｖａｓｔａｖａＭ．Ｏｐ－ｎｅｔｗｏｒｋｓｉｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙ－ｌａｔｅｎｃｙ—ｄｅｎｓｉｔｙｄｅ－Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｃｏｖｅｒｓｓｉｇｎｓｐａｃｅ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｏｂｉｌｅｍｏ－Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００２，１（１）：７０—８０１７ＺｏｒｚｉＭ，ＲａｏＲＲ．ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃｒａｎｄｏｍｆｏｒａｄＩＥＥＥ３４８１８ＺｏｒｚｉＭ，ＲａｏＲＲ．Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｆｏｒａｄｈｏｃｈｏｃａｎｄｓｅｎｓｏｒｏｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｃｏｒｒｅ８ｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒｏｆｔｈｉｓｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ（ＧｅＲａＦ）ｐａｐｅｒ．）ｎｅｔｗｏｒｋｓ：ｍｕｌｔｉｈｏｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＭｏｂｉｌｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００３，２（４）：３３７－李建东博上，西安电子科技大学通信工程学院教授．主要研究方向为个人通ｒａｎｄｏｍｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ（ＧｅＲａＦ）ａｎｄｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ：ｅｎｅｒｇｙａｎｄｌａｔｅｎｃｙｐｅｒ—ｆｏｒｍａｎｃｅ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｏｂｉｌｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００３，２（４）：３４９－－３６５１９信、移动通信网、分组无线网、自组织网络、软件无线电和宽带无线ＩＰ技术．（ＬＩＪｉａｎ－ＤｏｎｇＰｈ．Ｄ．，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒｉｎＪａｍｉｅｓｏｎＫ，ＢａｌａｋｒｉｓｈｎａｎＨ，ＷａｙＹＣ．Ｓｉｆｔ：ａｎＭＡＣｔｏｃｏｌｆｏｒｅｖｅｎｔ—ｄｒｉｖｅｎｗｉｒｅｌｅｓｓｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ３ｒｄＥｕｒｏｐｅａｎｓｏｒｓｅｎｓｏｒｐｒｏ－ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅａｔＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒ－ｅｓｔｃｏｖｅｒｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏ－ｏｎＷｏｒｋｓｈｏｐＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎ—ｐｅｒｓｏｎａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ：ＳｐｒｉｎｇｅｒＶｅｒｌａｇ，２００６．２６０—２７５２０ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｐａｃｋｅｔｒａｄｉｏｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｗｉｒｅｌｅｓｓａｄｈｏｃｓｏｆｔｗａｒｅＭｉｌｌｅｒＭＪ．ＶａｉｄｙａＮＨ．ＡｎＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｔｏｒｅｄｕｃｅｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｕｓｉｎｇａｗａｋｅｕｐｒａｄｉｏ．ＩＥＥＥｒａｄｉｏ，ａｎｄｂｒｏａｄｂａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓＩＰｓｙｓｔｅｍｓ．）Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ２１ｏｎＭｏｂｉｌｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００５，４（３）：２２８－－２４２Ｋ，Ｇａｒｃｉａ－Ｌｕｎａ－ＡｃｅｖｅｓＪＪ．Ｅｎｅｒｇｙ－ａｃｃｅｓｓ（周志立术．（ＺＨＯＵＨｅｎａｎ博上，河南科技大学教授．主ＲａｊｅｎｄｒａｎＶ，Ｏｂｒａｃｚｋａｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ－ｆｒｅｅｍｅｄｉｕｍｓｅｎｓｏｒ要研究方向为网络化车辆监测与控制技ｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＷｉｒｅｌｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋｓ，２００６，１２（１）：６３—７８Ｂ，ＲａｇｈａｖｅｎｄｒａＣＳ．ＡｎａｄａｐｔｉｖｅＺｈｉ－ＬｉＰｈ．Ｄ．，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒａｔ２２ＬｕＧ，ＫｒｉｓｈｎａｍａｃｈａｒｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ－ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔｃｏｖｅｒｓａｎｄｌｏｗ—ｌａｔｅｎｃｙＭＡＣｆｏｒｄａｔａｇａｔｈｅｒｉｎｇｉｎｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１８ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰａｒａｌｌｅｌａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｙｍｐｏ－ｓｉｕｍ．Ｐａｌｍｅｒｓｔｏｎ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００４．２２４－２３１ｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｎｏｌｏｇｙ．Ｈｉｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅｓｙｓｔｅｍｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．）万方数据无线传感器网络MAC协议研究进展作者：作者单位：郑国强，李建东，周志立， ZHENG Guo-Qiang， LI Jian-Dong， ZHOU Zhi-Li 郑国强,ZHENG Guo-Qiang(西安电子科技大学ISN国家重点实验室,信息科学研究所,宽带无线通信实验室,西安,100080;河南科技大学电子信息工程学院洛阳 471003，李建东,LI Jian-Dong(西安电子科技大学ISN国家重点实验室,信息科学研究所,宽带无线通信实验室,西安,100080，周志立,ZHOU Zhi-Li(河南科技大学车辆与动力工程学院洛阳471003 自动化学报 ACTA AUTOMATICA SINICA 2008,34(3 8次刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：参考文献(26条 1.Ye W;Heidemann J;Estrin D An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks[外文会议] 2002 2.Sohrabi K;Gao J;Ailawadhi V;Pottie G J Protocols for self-organization of a wireless sensor network[外文期刊] 2000(05 3.Arisha K A;Youssef M A;Younis M F Energy-aware TDMA-based MAC for sensor networks 2002 4.Dhanaraj M;Manoj B S;Siva R M C A new energy efficient protocol for minimizing multi-hop latency in wireless sensor networks[外文会议] 2005 5.Rhee I;Warrier A;Aia M;Min J Z-MAC:a hybrid MAC for wireless sensor networks 2005 6.Chatterjea S;Van Hoesel L F W;Havinga P J M AILMAC:an adaptive,information-centric and lightweight MAC protocol for wirelesssensor networks 2004 7.Zheng 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面向物联网的无线传感网络MAC协议设计与优化
面向物联网的无线传感网络MAC协议设计与优化随着物联网的快速发展，无线传感网络（WSN）作为其中重要的组成部分，正扮演着收集、传输和处理物理环境数据的角色。
无线传感网络MAC（Medium Access Control）协议是实现无线传感网络可靠通信的关键技术之一。
本文将讨论面向物联网的无线传感网络MAC协议的设计与优化问题，并提出一些相关的解决方案。
首先，针对传感节点能量受限的问题，设计低能量消耗的MAC协议是非常重要的。
传感节点的能量供应通常由有限的电池能量提供，因此降低能量消耗是延长网络寿命的关键。
为了实现低能量消耗，可以考虑以下几个方面的优化：1. 时隙分配策略：通过优化时隙分配策略，可以降低节点在空闲时隙的能量消耗。
传统的时隙分配方法通常使用静态或固定分配方式，但面向物联网的无线传感网络MAC协议应该根据节点的实时需求和能量状况，动态分配时隙。
一种常用的方法是基于节点优先级的动态时隙分配策略，将更多的时隙分配给能量较充足和任务重要性较高的节点。
2. 节点休眠与唤醒：传感节点在无数据发送或接收时可以进入休眠状态，以降低能量消耗。
当有数据需要传输时，通过优化唤醒机制，减少节点从休眠状态到活跃状态的能量开销。
一种常见的优化方法是使用预定唤醒机制，节点只在特定的时间窗口内唤醒，并通过邻居节点的信息交换进行数据传输。
其次，为了提高MAC协议的传输效率，需要解决传感节点之间的冲突问题。
由于节点数量庞大且分布广泛，节点之间的碰撞是不可避免的。
针对冲突问题，可以考虑以下几个方面的优化：1. 分布式协议：在面向物联网的无线传感网络中，传感节点通常以分布式的方式部署。
因此，设计分布式MAC协议是非常重要的。
分布式MAC协议基于局部决策，通过节点之间的协作来避免冲突。
常用的分布式MAC协议有S-MAC、T-MAC等，它们通过节点之间的时隙协调和协作来避免冲突，并提高数据传输效率。
2. 码分多址技术：码分多址（CDMA）技术在无线传感网络中可以有效减少碰撞问题。
无线传感器网络S-MAC协议研究
无线传感器网络S-MAC协议研究江雪(Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003)基金项目：国家自然科学基金(60372107)摘要：传感器节点能量受限，节能是传感器网络中媒体访问控制(MAC)协议设计的首要问题。
采用周期性睡眠机制、自适应侦听机制、串音避免机制和消息传递机制可使得传感器媒体访问控制(S-MAC)协议在网络能耗和时延方面得到改进。
对S-MAC协议的改进主要有两种方式：动态调整、区别控制包与数据包的发送条件进行发送。
对无线传感器网络，要想设计出一种满足各方面要求的MAC协议是不现实的，可针对不同应用的要求，灵活采用不同的方式，设计出相应的协议。
无线传感器网络通常包含大量自组织的分布式节点。
由于其组网快捷、灵活，且具有不受有线网络约束的优点，可广泛应用于紧急搜索、灾难救助、军事应用等特殊环境，因而具有广泛的应用前景。
由于传感器节点能量受限，节能成为传感器网络媒体访问控制(MAC)协议设计首要的问题。
由文献[1]可以看到传感器媒体访问控制(S-MAC)协议就是针对传感器网络的节能需求而提出的。
周期性睡眠机制、自适应侦听机制、串音避免机制和消息传递机制使得S-MAC协议在网络能耗和时延方面的性能很优越，但距离实际应用的要求还有一段差距。
1 S-MAC协议介绍S-MAC协议是在802.11协议的基础上提出的，设计的主要目标是减少能量消耗，提供良好的扩展性。
其主要实现机制包括周期性侦听和睡眠、串音避免、消息传递和流量自适应侦听。
1.1 S-MAC协议实现的关键技术(1)数据包的嵌套结构应用层MAC层物理层MAC：媒体访问控制图1 S-MAC协议中数据包格式MACCRC：循环冗余校验MAC：媒体访问控制图2 S-MAC协议的堆栈的网络模型S-MAC协议数据包的嵌套结构如图1所示。
在S-MAC协议中，上一层数据包包含了下一层数据包的内容。
无线传感器网络高效的MAC协议研究
无线传感器网络高效的MAC协议研究0 引言无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)由大量具有感知、计算和无线通信能力的廉价节点组成，通过节点间协作地感知和处理网络分布区域中监测对象的相关信息，为人们提供有关监测对象的详实而可靠的信息，可广泛应用于环境监测、抢险救灾、战场监视、城市交通、智能家居等多个领域。
MAC协议负责在传感器节点间分配有限的通信资源，构建传感器网络系统的底层通信结构，因此是传感器网络研究的一个重要方面。
文献统计了传感器节点中通信单元、处理单元和传感单元的能量消耗，。
从图中可以看到，传感单元和处理单元的能耗远远低于通信单元的能耗，而在通信单元的四种状态中，能耗依次按休眠、监听、接收及发送递增，所以尽量增大节点休眠时间是节省能耗的一个重要措施。
目前传感器网络中的MAC协议都将节省能耗作为研究重点，大部分协议都是通过节点周期性休眠以及不需要时关闭无线电收发器来节省能量。
目前传感器网络中的MAC协议大致可以分为发送端启动和接收端启动两类。
在发送端启动的同步协议中，各节点使用相同的休眠调度表，在各自规定的时间醒来参与通信活动，保证节点尽可能多地休眠而不会错过任何一个数据。
这类协议的典型代表有S-MAC、T-MAC等。
此类协议可以极大地减少节点空闲监听的时间，但要求节点间保持精确同步，而其开销却是不可忽视的。
在发送端启动的异步协议中，各节点不需要按照相同的休眠调度表工作，发送端在有数据发送时在信道中发送一个长度略长于接收端休眠时间的前导信号，接收节点在醒来监听到前导信号时便开始接收数据。
这类协议消除了显式同步的需要，但由于大量的前导消息增大信道的压力，降低了信道的整体利用率。
这类协议的典型代表有B-MAC、X-MAC等。
接收端启动的协议是近两年提出的一种新协议，典型代表为RI-MAC。
发送端有数据发送时在信道中静默监听，接收端醒来后即发送信标(beacon消息)，发送端在监听到信标后发送数据。
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MAC协议进展
ｔｈｅ
ｃｏｍｐｅｔｉ－
无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，简称ＷＳＮ）是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、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者， 使得人们能在任何时间、地点和任何环境条件下都能获取大量详实而可靠的信息。传感器网络由于其具有易扩展、自组织、分布式 结构、健壮性和实时性等特点，能够广泛地应用在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域 远程控制等诸多领域。 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。用来构建无线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。
ＩＳＳＮ
１００９－３０４４
Ｅ—ｍａｉｌ：ｉｎｆｏ＠ｃｃｃｃ．ｎｅｔ．ｅｎ
Ｃｏｍｐｐｔｅｒ
Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脯知识与技术
Ｖ０１．５，Ｎｏ．１３，Ｍａｙ ２００９，ＰＰ．３３９４—３３９７
Ｔｅｌ：＋８６—５５ １—５６９０９６３
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｎｚｓ．ｎｅｔ．ｃａ ５６９０９６４
２无线传感器网络Ｍ．ＡＣ协议能量浪费原因
由于节点能量有限，能量管理是无线传感器网络的协议设计中的核心问题。已有的研究表明，无线通信模块是无线传感器网络 中主要的耗能部件，ＭＡＣ层协议为达到节能的目的，直接控制节点的通信模块，对节能起着最重要的作用。通信模块能量浪费主要 在四个方面： １）空闲侦听：当无数据发往节点时，通信模块仍然保持接收状态侦听信道，等待发往本节点的数据，造成无必要的空闲侦听能 量消耗。 ２）冲突：接收节点同时接收到来自多于一个节点的数据，无线信号重叠，造成接收到无用数据，即使只重叠一部分，也不得不丢 弃已接收部分，重传整个数据包，因此导致额外的重传能量浪费。 ３）串音（ｏｖｅｒｈｅａｒｉｎｇ）：节点接收到发往其他目的节点的数据包，也是无用数据，必须丢弃，导致接收能量浪费。 ４）控制包开销：连接建立阶段的控制包交换和数据发送前后的握手协议或者是固定分配协议中周期建立分配表等都是非有用 数据的控制包开销，ＭＡＣ层协议应该最小化控制包开销。 无线传感器网络中数据量很少，突发性很强，节点约９５％的时间都是空闲的，因此空闲侦听是主要的能量浪费，如果一直保持 侦听状态会造成极大的能量浪费，因此降低能耗主要是从控制通信模块的开启时间人手。冲突和串音在基于竞争的协议中易于发 生，而在固定分配协议中得到较好的控制，当负载很重和节点密度很高的时候，冲突和串音也是比较严重的能量浪费源。在协议启 动阶段、协议维持阶段和数据转发过程串都应该使用尽量少的控制包达到可靠的传输，以减少控制包发送能耗ｉ。ＭＡＣ层协议的设计 必须考虑以上四方面能量消耗．使这些能量浪费达到最小化。
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。
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无线传感器网络MAC协议进展作者：李红映高峰来源：《电脑知识与技术》2009年第13期摘要:MAC协议是无线传感器网络协议的重要组成部分,网络的性能(如吞吐量、容量、时延及功耗等)依赖于所采用的MAC协议,也是无线传感器网络设计研究的主要技术难点之一。
该文指出了无线传感器网络MAC协议设计的主要问题,对几种典型的MAC协议进行了分析和研究,并分析研究了无线传感器网络MAC协议的研究与应用方向。
关键词:无线传感器网络;MAC协议;基于预约的MAC协议;基于竞争的MAC协议;混合MAC协议中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)13-3394-04无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,简称WSN)是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、自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者,使得人们能在任何时间、地点和任何环境条件下都能获取大量详实而可靠的信息。
传感器网络由于其具有易扩展、自组织、分布式结构、健壮性和实时性等特点,能够广泛地应用在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域。
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。
用来构建无线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。
1 无线传感器网络MAC协议设计要点传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限,因而单个传感器节点的处理能力通常比较弱。
无线传感器网络的强大功能需要众多节点密切协作才能实现。
局部范围内的多点通信需要MAC协议协调节点间的无线信道分配,以高效的支持在整个网络范围内的路由选择与通信路径的正确连通。
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) 能源有效性。
WSN的基本特征就是能量的局限性。
节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量,而且电池的能量通常难以进行补充。
在WSN中,无线通信是传感器能量的主要消耗。
MAC协议要尽可能的节约能源,如减少冲突和串音、最小化控制开销、降低占空比和尽量避免长距离通信。
协议中还应包括折中机制,使用户可以在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择。
另外,可利用多个频率段来减少传输时间,在节点处于空闲或完成阶段把无线电转为低功耗睡眠模式,避免在活跃和睡眠状态的额外转变以节省无线传输能量。
由于目前节点的能量供应问题并没有得到很好解决,传感器节点本身能量不能自动补充或补充不足,节约能量成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素。
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部署大量的节点,并且在传感器网络生存期中存在节点数目、分布密度的不断变化、节点位置的移动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。
因此,需要MAC协议具有可扩展性,以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公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等方面。
各性能间的平衡往往比单个性能更重要。
因为一个不平衡的协议即使某一环境下表现好,很可能在另一环境表现很差。
比如,一个协议如果太频繁地关闭无线收发装置来节能,不仅使实时性和可靠性受到影响,包丢失引起的重传也会反过来影响节能的效果。
4) 分布式算法。
由于传感器节点计算能力和存储能力受限,需要众多节点协同来完成某项应用任务,所以MAC协议运行分布式的算法可以更有效地避免由某些节点的失效造成网络瘫痪等现象发生。
5) 可靠性。
可靠性包括无错误链路的仔细选择、对数据包的检测和修复等。
在无线网络中,包丢失主要是由缓冲器溢出和信号干扰造成的。
避免缓冲器溢出是由路由和MAC协议共同担负的责任。
可利用路由间均衡负载以减少达到转寄节点流量缓冲器的最大容量可能性,并利用MAC协议保证缓冲器管理机制的发送数据流的服务速率。
因信号干扰而导致的包丢失可以通过使用高传输功率和阻止节点间媒介接入的竞争来减少。
WSN的设计不仅仅需要基于这些设计目标、准则,而且还要在这些衡量的标准中取得一个很好的平衡,这比单个性能的提高更重要。
例如,一个MAC协议可以使用灵巧的方案来节省能量,但是这个方案并没有考虑到其他衡量的标准,如实时保证或包传送的可靠性,这样一来,不仅损害了在其他标准衡量下的性能,而且反过来是节省能量的性能急剧恶化。
假如节点的收发器开关太频繁,将造成数据包的丢失,而造成更大的能量损耗。
2 无线传感器网络MAC协议能量浪费原因由于节点能量有限,能量管理是无线传感器网络的协议设计中的核心问题。
已有的研究表明,无线通信模块是无线传感器网络中主要的耗能部件,MAC层协议为达到节能的目的,直接控制节点的通信模块,对节能起着最重要的作用。
通信模块能量浪费主要在四个方面:1) 空闲侦听:当无数据发往节点时,通信模块仍然保持接收状态侦听信道,等待发往本节点的数据,造成无必要的空闲侦听能量消耗。
2) 冲突:接收节点同时接收到来自多于一个节点的数据,无线信号重叠,造成接收到无用数据,即使只重叠一部分,也不得不丢弃已接收部分,重传整个数据包,因此导致额外的重传能量浪费。
3) 串音(overhearing):节点接收到发往其他目的节点的数据包,也是无用数据,必须丢弃,导致接收能量浪费。
4) 控制包开销:连接建立阶段的控制包交换和数据发送前后的握手协议或者是固定分配协议中周期建立分配表等都是非有用数据的控制包开销,MAC层协议应该最小化控制包开销。
无线传感器网络中数据量很少,突发性很强,节点约95%的时间都是空闲的,因此空闲侦听是主要的能量浪费,如果一直保持侦听状态会造成极大的能量浪费,因此降低能耗主要是从控制通信模块的开启时间入手。
冲突和串音在基于竞争的协议中易于发生,而在固定分配协议中得到较好的控制,当负载很重和节点密度很高的时候,冲突和串音也是比较严重的能量浪费源。
在协议启动阶段、协议维持阶段和数据转发过程中都应该使用尽量少的控制包达到可靠的传输,以减少控制包发送能耗。
MAC层协议的设计必须考虑以上四方面能量消耗,使这些能量浪费达到最小化。
3 无线传感器网络MAC协议分类无线传感器网络与应用高度相关,研究人员从不同的方面出发提出多种MAC协议。
但目前尚无统一分类方式。
可根据信道分配方式、数据通信类型、性能需求、硬件特点以及应用范围等策略,使用多种分类方法对其分类:1) 根据信道访问策略的不同可分为竞争协议、调度协议和混合MAC协议。
竞争协议无须全局网络信息,扩展性好、易于实现,但能耗大;调度协议有节省优势和延时保障,但帧长度和调度难以调整,扩展性差,且时钟同步要求高;混合协议具有上述两种MAC协议的优点,但通常比较复杂,实现难度大。
2) 根据使用单一共享信道还是多信道可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。
前者节点体积小、成本低,但控制分组与数据分组使用同一信道,降低了信道利用率;后者有利于减少冲突和重传,信道利用率高、传输时延小,但硬件成本高,且存在频谱分配拥挤问题。
3) 根据数据通信类型可分为单播协议和组播/聚播(convergecast)协议。
前者适于沿特定路径的数据采集,有利于网络优化,但扩展性差;后者有利于数据融合与查询,但时钟同步要求高,且数据冗余,重传代价高。
4) 根据传感器节点发射器硬件功率是否可变可分为功率固定MAC协议和功率控制MAC 协议。
前者硬件成本低,但通信范围相互重叠,易造成冲突;后者有利于节点能耗均衡,但易形成非对称链路,且硬件成本增加。
5) 根据发射天线的种类可分为基于全向天线的MAC协议和基于定向天线的MAC协议。
前者成本低、易部署,但增加了冲突和串音;后者有利于避免冲突,但增加了节点复杂性和功耗,且需要定位技术的支持。
6) 根据协议发起方的不同可分为发送方发起的MAC协议和接收方发起的MAC协议。
由于冲突仅对接收方造成影响,因此,接收方发起的MAC协议能够有效避免隐藏终端问题,减少冲突概率,但控制开销大、传输延时长;发送方发起的MAC协议简单、兼容性好、易于实现,但缺少接收方状态信息,不利于实现网络的全局优化。
此外,根据是否需要满足一定的QoS支持和性能要求,WSN MAC协议还可分为实时MAC 协议、能量高效MAC协议、安全MAC协议、位置感知MAC协议、移动MAC协议等。
4 无线传感器网络MAC协议分析4.1 基于预约的MAC协议基于预约的MAC协议尝试将近邻传感器节点组织起来,使得节点之间的通信按照有序的方式进行。
其基本思想是:采用某种调度算法,MAC协议规定每个传感器节点只在特定的时间段/子频带/正交码内访问信道,这样可以减少甚至消除碰撞、空闲侦听、串音等;没有参与通信的那些节点则进入睡眠状态,直到它们需要执行任务为止;MAC协议所使用的调度可静态分配,也可动态分配;为提高协议的可扩展性和信道利用率,采用分布式算法实现信道重用。
遗憾的是,设计实现高度信道重用的调度算法是一个NP-问题。
目前已提出了许多基于预约的MAC协议,根据所采用的调度算法,这些协议大体上可以进行如下分类:基于优先权的MAC协议(priority-based MAC protocols)、基于业务量的MAC协议(traffic-based MAC protocols)、基于聚类的MAC协议(clustering-Based MAC protocols)、基于TDMA的MAC协议(TDMA-based MAC protocols)等。
基于预约的MAC协议的显著优点是:每个节点只在其预约的时间段向中心代理(central agent)传送数据,所以基于预约的MAC协议可实现无冲突通信(collision-free communication)。
由此,节点的占空度(duty cycle)将减少,整个网络的能量效率(energy efficiency)将提高。
基于预约的MAC协议也存在一些局限:1) 需要增加额外的报文以建立和维护调度表。
2) 节点的移动性、节点的调配和节点的失效等都会使调度表的维护变得更加复杂。
3) 当新节点加入或旧节点失效时,其直接近邻节点需要重新分配网络资源,期间将导致有些资源未被使用,从而产生不必要的时延和数据报的丢失。
4) 在部分节点的状态发生错误的情况下,基于预约的MAC 协议也必须彻底地运行,对MAC状态的分割此时极有可能导致碰撞。