无线传感器网络MAC协议
s-mac协议
s-mac协议S-MAC协议。
S-MAC（Sensor-MAC）协议是一种专为无线传感器网络设计的媒体访问控制协议，旨在解决无线传感器网络中的能耗和网络寿命等问题。
S-MAC协议通过对传感器节点的睡眠和唤醒进行管理，以降低能耗，延长网络寿命，提高网络性能。
S-MAC协议的核心思想是利用节点睡眠来降低能耗。
在传感器网络中，节点通常以周期性的方式进行数据采集和传输，而在大部分时间内处于休眠状态。
S-MAC协议通过对节点的睡眠和唤醒进行精确的管理，使得节点在非工作状态下能够最大程度地降低能耗，从而延长网络寿命。
S-MAC协议采用了一系列机制来实现对节点睡眠和唤醒的管理。
首先，S-MAC引入了周期性的睡眠/唤醒机制，节点在预定的时间间隔内进行睡眠和唤醒操作，以降低能耗。
其次，S-MAC还引入了邻居协商机制，节点通过与邻居节点的协商，协调彼此的睡眠/唤醒时间，避免在同一时间段内大量节点同时唤醒，造成能耗的浪费。
此外，S-MAC还采用了快速唤醒机制，使得节点能够在短时间内迅速唤醒，减少能耗。
除了睡眠和唤醒管理外，S-MAC协议还针对无线传感器网络的特点，设计了适应性的数据传输机制。
传统的媒体访问控制协议通常采用固定的数据传输方式，而在无线传感器网络中，节点之间的通信距离、信道质量等因素经常发生变化。
S-MAC协议通过引入自适应的数据传输机制，使得节点能够根据当前的环境条件选择最优的数据传输方式，提高网络的稳定性和可靠性。
总的来说，S-MAC协议通过对节点睡眠和唤醒的精确管理，以及适应性的数据传输机制，有效地解决了无线传感器网络中的能耗和网络寿命等问题。
S-MAC 协议的提出，为无线传感器网络的发展提供了重要的技术支持，也为其他类型的无线网络提供了一定的借鉴意义。
综上所述，S-MAC协议在无线传感器网络中具有重要的意义，其睡眠和唤醒管理机制以及适应性的数据传输机制，为无线传感器网络的能耗和网络寿命等问题提供了有效的解决方案，对于推动无线传感器网络的发展具有重要的意义。
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。
22
无线传感器网络mac协议中退避算法的分析
摘要在无线传感器网络中，介质访问控制（MAC）协议决定了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，对传感器网络的性能有较大影响。
相对于有线网络，无线环境下的MAC技术要面对更多的问题，尤其对于能量受限、频率资源宝贵和网络拓扑结构动态变化的无线传感器网络而言，设计一种节能高效的MAC协议至关重要。
本文从网络信道分配方式的角度，对MAC层协议进行了分类，介绍了几种比较典型的MAC协议，并对它们进行了分析比较；在对MAC层能量消耗的主要原因进行分析的基础上，对基于竞争机制的MAC协议中的退避机制进行了探讨，通过借鉴无线网络中相关的退避算法，给出了一种无线传感器网络MAC层退避机制的改进方案。
改进的退避算法的基本思想是通过加入初始竞争窗口的参数，采用时隙利用率对当前信道的忙闲状态进行评估，使节点能够根据当前网络信道的状况来调整其竞争窗口的大小，减少发送数据冲突的同时，提高了能量利用率和系统吞吐率。
仿真中，本文将改进的退避方案在无线传感器网络基于竞争机制的具有代表性的MAC层协议S-MAC中加以应用，完成了改进算法在NS-2中的仿真实现，实验表明改进后的退避方案在能量消耗、吞吐量等方面的性能有很好的提高。
本文最后对所做工作进行了总结，并提出了今后的研究方向，如在硬件实验平台上进行实际性能的测试，对改进算法进行进一步的探讨，使之能适应不同拓扑的网络结构等。
关键词：无线传感器网络MAC协议竞争机制退避算法AbstractIn wireless sensor networks，medium access control (MAC) protocols allocate limited radio resource among sensor nodes and construct infrastructure. MAC protocols have a great influence on the performance of wireless sensor networks. Compared to cable networks, MAC technology in wireless condition faces more problems, especially for wireless sensor networks with constrain of energy, valuable resources of the frequency and dynamic changes of network topology, so it is crucial for the design of MAC protocols to achieve a highly energy-saving and efficient performance.Firstly, the analysis and compare of the typical MAC protocols (IEEE802.11、S-MAC、IEEE802.15.4 etc.) are introduced in this thesis. Then, based on the analysis of the energy consumption and performance evaluation indicators of MAC protocols, the thesis discusses the backoff strategy in MAC protocols with competition mechanism, and proposes a new backoff strategy The new backoff strategy brings forward a conception that the competition window changes dynamic. According to the new algorithm, the node in WSN can adjust its competition window adaptively based on the evaluation of the current network channels condition. The essential idea of the improved backoff algorithm is to evaluate the busy condition of the current channel according to the use rate of time slots, by adding a new parameter to the new algorithm which decreases the packets collision as well as improves the energy efficiency and the network throughput. The thesis applies the new algorithm into S-MAC protocol, which is a representation of MAC protocols with competition mechanism, and carries it out in NS-2, a network simulation tool, for simulation. The simulation results show that, in contrast with S-MAC protocol, the new algorithm puts up better performance on energy saving and mean throughput of the wireless networks.Finally, the thesis draws conclusions by summarizing the main contributions of the research and present directions of future work including its implement on hardware platform for experiments to test its practical performance, making it adaptive for other network topology by further study.Keyword: Wireless Sensor Networks MAC protocol Competition Mechanism Backoff Algorithm目录摘要 (I)Abstract (II)1 引言1.1 课题的背景 (1)1.2 研究现状及意义 (3)1.3 本文的研究工作和组织结构 (4)2 无线传感器网络MAC协议的分析2.1 无线传感器网络协议体系 (6)2.2 无线传感器网络现有MAC协议分析 (7)2.3 MAC协议设计的关键问题 (15)2.4 本章小结 (16)3 MAC层协议中改进退避方案的提出与设计3.1 基于竞争机制的MAC协议相关理论 (18)3.2 MAC层协议退避算法分析及改进 (20)3.3 本章小结 (37)4 改进算法的仿真实现与性能分析4.1 改进算法的仿真测试 (38)4.2 算法性能分析 (45)4.3 本章小结 (49)5 总结 (50)致谢 (52)参考文献 (53)1 引言1.1 课题的背景无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术，被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类社会未来的生活方式产生巨大影响。
无线传感器网络多信道MAC协议MCMS的设计与实现的开题报告
无线传感器网络多信道MAC协议MCMS的设计与实现的开题报告一、研究背景随着物联网技术不断发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）已经成为了物联网一个重要的组成部分。
WSN由大量的低成本、低功耗、小型化的传感器节点组成，节点间通过无线通信实现信息的收集、处理、传输和共享。
无线通信是WSN的核心技术之一，因此WSN中的无线通信效率和可靠性非常重要。
多信道技术是提高无线通信效率和可靠性的一种重要方案。
而在WSN中采用多信道技术会遇到诸多实际问题，例如对能源的限制、网络拓扑结构复杂以及节点位置随机等问题。
因此，研究无线传感器网络多信道MAC协议是实现WSN高效可靠通信的必要条件之一。
二、研究目的本文的主要研究目的是设计和实现一种适用于无线传感器网络的多信道MAC协议。
根据WSN的特点，该协议应该考虑能源消耗、网络拓扑和节点位置等因素，实现传输效率高、网络可靠性好、能耗低的通信策略。
三、研究内容本文拟研究的WSN多信道MAC协议主要包括以下内容：1. 传输媒介接入控制机制设计。
要考虑到多信道时的传输媒介竞争问题，设计一种适用于WSN的媒介接入控制（Medium Access Control，MAC）机制。
2. 端到端数据传输策略。
基于WSN的特点，设计一种适用于WSN的端到端数据传输策略，保证数据传输的可靠性和效率。
3. 能源管理机制设计。
WSN中每个节点的能源都是有限的，因此需要设计一种能源管理机制，实现能耗低的通信策略。
4. 实验验证和性能评估。
通过实验验证和性能评估，验证本文设计的WSN多信道MAC协议的有效性和可行性。
四、研究方法本文将采用以下研究方法：1. 文献综述。
对WSN多信道MAC协议的相关研究进行综述，了解现状和发展趋势。
2. 系统设计。
根据综述结果分析，进行系统设计，包括协议设计、传输媒介接入控制机制、能源管理机制的设计。
3. 算法实现。
将设计的协议实现成算法，并进行仿真验证。
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。
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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
的传递延迟
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
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。
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. 背景知识 3. 协议设计的重点 4. 各种MAC协议 5. 结论和开放性的问题 6. 我的想法和问题
竞争型MAC协议
TMAC协议-关键技术2
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
A Contend RTS CTS
DATA
ACK
B
C Contend
D Active
TA
Sleep
Contend RTS?
图 1-4 早睡问题
TMAC协议-关键技术3
早睡问题解决办法
未来请求发送（Future request-to-send, FRTS）
A Contend RTS CTS
DATA
ACK
B
C Contend
Contend
D Active
TA
FRTS
Active RTS
图 1-5 FRTS帧交换
TMAC协议-关键技术4
早睡问题解决办法
满缓冲区优先
A Contend
B
Contend
C Contend
RTS
D
TA
RTS CTS
DATA
MAC Protocols for Wireless Sensor Networks
A Survey
2012年3月5日
内容提要
1. 概述 2. 背景知识 3. 协议设计的重点 4. 各种MAC协议 5. 结论和开放的问题 6. 我的想法和问题
内容提要
1. 概述 2. 背景知识 3. 协议设计的重点 4. 各种MAC协议 5. 结论和开放的问题 6. 我的想法和问题
内容提要
1. 概述 2. 背景知识 3. 协议设计的重点 4. 各种MAC协议 5. 结论和开放的问题 6. 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
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. 背景知识 3. 协议设计的重点 4. 各种MAC协议 5. 结论和开放性的问题 6. 我的想法和问题
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
周期性监听同步
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。 消息传递 将长的信息包分成若干个短的DATA段 突发式传输
端，等待目标端回应封包后，才开始传送
按需分配
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