北京邮电大学
硕士学位论文
无线局域网MAC层协议研究与改进
姓名：李妍
申请学位级别：硕士
专业：信号与信息处理
指导教师：田宝玉
20080301
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
无线传感器网络MAC协议 摘要近年来，无线传感器网络(WSNs)作为国内外一个新兴的研究方向，吸引了许多研究者和机构的广泛关注。本文从无线传感器网络MAC 协议角度出发，介绍了无线传感器网络的MAC 协议及当前的研究现状，分析了无线传感器网络协议和传统网络协议在设计上的不同点，对已有的MAC 协议进行分类，着重研究和比较了S-MAC和T-MAC无线传感器网络MAC 协议。最后，展望了无线传感器网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势。 关键词无线传感器网络(WSNs)，MAC协议，能量有效性 Abstract In recent years, wireless sensor networks (WSNs), as a new research direction at home and abroad, has attracted the attention of many researchers and organizations. We conduct a deeply research on wireless sensor network MAC protocol,and we propose the difference between WSN and traditional networks, not only given the characteristic of WSN, we also have illustrate the research orientation in this area.Focus on the research and comparison of S-MAC and T-MAC wireless sensor network MAC protocol. Finally, the future research strategies and trends of MAC protocols in WSNs are summarized. Key words Wireless sensor networks (WSNs), MAC protocols, energy-efficiency
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： S100131025 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 Protocols Abstract：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。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/034538005.html, 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
无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC 摘要：无线传感器网络是一种新兴的网络技术，它的出现使得环境智能成为现实。它是由一些微小的节点在特设环境中彼此连接，并相互配合，而形成的一个网络。它具有广泛的应用，例如入侵者警报和跟踪，环境监测，工业过程监测和战术系统等潜在领域。然而，当无线网络在地势陡峻的地方传播时，为了实现地区全覆盖就需要使用大量的无线传感器，但它们的电池一旦耗尽时要想更换就很困难。所以节能对于传感器网络是非常必要的特别是在MAC层水平。现已经提出了多种针对不同目标的MAC协议的无线传感器网络。在各种协议中SMAC就是其中一个简单修改的成果。SMAC有静态睡眠时间表同时TMAC有动态睡眠时间表。在本文中，我们首先概述了无线传感器网络的基础知识，然后我们讨论了MAC层的性能特征，在随后的一节中概括了WSN中能源浪费的原因。紧接着描述了 i.e SMAC 和TMAC两个协议的各自的优缺点。最后，在结束之前，根据无线传感器网络与SMAC 和TMAC有关的各种设计过程都包含在文章中。 关键词：无线传感器网络，环境智能，MAC层，能源废物，SMAC，TMAC 1.引言 在开始介绍无线传感器网络前，我们需要了解为无线传感器网络发明铺平道路的要求和条件。通常情况下在我们的工作场所我们所使用的系统，主要包括个人电脑，笔记本电脑，电脑，智能手机和平板电脑等。这些系统都是建立在“人 - 系统”互动的概念上的。在这种人与信息处理系统交流互动的系统中。整个装置是间接连接到物理环境的。由用户和用户交流系统读取物理环境。另一方面，系统的装置与物理环境相互作用，并自行调整。在图1和图2中描绘了这两个方案。 系统人环境 图 1 人机交互 系统环境人 图 2 系统环境交互
收稿日期：2012-06-08；修回日期：2012-08-01。基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12521087）。 作者简介：刘明珠（1973－），女，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，主要研究方向：多载波通信、无线传感器网络；许士涛（1986－），男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，主要研究方向：无线传感器网络MAC 协议；陈光（1986－），男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，主要研究方向：Android 操作系统。 文章编号：1001－9081（2012）12－3508－04 doi ：10．3724/SP．J．1087．2012．03508 基于自适应更新的无线传感网络MAC 协议 刘明珠，许士涛* ，陈 光 (哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院，哈尔滨150080) (*通信作者电子邮箱xiaotao777@126．com) 摘 要：针对无线传感器网络节点能量受限问题，提出了一种新的自适应更新异步MAC 协议— ——AU-MAC 协议。该协议以睡眠与工作状态切换、异步方式和自适应更新相结合的办法有效延长了网络寿命，减少了节点能耗。AU-MAC 协议通过采用发方监听、接方激活数据传输，提高了信道利用的有效性。并且，它以建立邻居节点信息表，引入自适应更新机制，来减少空闲监听。在NS2网络仿真平台对提出的AU-MAC 协议的性能进行了仿真评估。仿真结果表明，AU-MAC 协议在保持相当的吞吐量以及端—端延迟的基础上，使无线传感器网络的能量有效性得到了改善。 关键词：无线传感网络；媒体访问控制；异步；自适应更新 中图分类号：TP212．9；TN915．04文献标志码：A MAC protocol based on adaptive update in wireless senor networks LIU Ming-zhu，XU Shi-tao * ，CHEN Guang (School of Measurement-Control Technology and Communication Engineering， Harbin University of Science and Technology，Harbin Heilongjiang 150080，China ) Abstract:In order to solve the energy limitation problem on wireless sensor network nodes，this paper proposed a new adaptive update asynchronous MAC protocol —AU-MAC protocol．This protocol combined the sleep-work state switching mode，asynchronous mode with adaptive update to effectively extend the network life．AU-MAC protocol improved channel usage efficiency by making use of sender monitoring and receiver activating data transfer．And，it established a neighbor node information table and introduced adaptive updating mechanism，to reduce the free monitor．The functions of AU-MAC protocol had been estimated on NS2network simulation platform．It shows that，AU-MAC protocol improves the energy efficiency at the basis of maintaining the same throughput and end-end transit delay． Key words:Wireless Senor Network (WSN);Media Access Control (MAC);asynchronous;adaptive update 0引言 无线传感器网络（Wireless Sensor Network ，WSN ）是一个 通过共享无线介质而构成的多跳自组织网络 ［1］ 。它以部署 在监测区域内大量的传感器节点来感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象的信息，并发送给观察者。在实际应用中，由于传感器节点常布置在相对偏远、环境恶劣的地区或不便布设有线网络的地方， 不易更换电池，因此如何有效降低能耗，延长网络的寿命成为无线传感网络一个重要的研究方向。无线传感器网络的媒体访问控制（Media Access Control ，MAC ）协议［2］决定着如何在节点之间分配有限的无线通信资源，对无线传感器网络的性能有着非常大的影响。近些年，来人们以降低能耗和一些具体的应用需求提出不同的MAC 协议。但到目前为止， 无线传感器网络MAC 协议还没有一个统一的分类方式。相对来说普遍采用的是以信道分配方式来对MAC 协议进行分类，可分为基于调度的MAC 协议、基于竞争的MAC 协议、混合MAC 协议。 调度协议通常以时分多址（Time Division Multiple Access ，TDMA ）为主，也可采用频分多址（Frequency Division Multiple Access ，FDMA ）或码分多址（Code Division Multiple Access ，CDMA ）的信道访问方式［3］。调度协议基本思想是：采用某种调度算法将时槽/频率/正交码分配给节点，这样就有 效地避免了冲突。但设计信道的重用以及有效的调度方案是 一个难题，并且调度协议通常需要严格的时钟同步，这样就增加了控制开销。 竞争协议主要采用载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access ，CSMA ）［4－5］方式，其基本思想是当节点需要发送数据时， 通过竞争来使用无线信道。由于通常无线传感器网络的数据传输流量较少， 且是一个自组织的网络，这使得基于竞争的MAC 协议具有一定的优势。因为这时发生碰撞的概率很小，而且也不需要事先给节点分配信道，使它具有良好的扩展性和适应性。但空闲监听是采用基于竞争的MAC 协议节点的主要能量消耗因素。S-MAC （Sensor-MAC ）［6］是Ye 等在2002年提出的基于竞争类的最具代表性的协议。 混合MAC 协议结合了前两者的特点，以Z-MAC ［7］协议为代表。但它的协议复杂，难于实现，对节点硬件的处理能力要求高。 本文主要研究基于CSMA 竞争机制的MAC 协议。所以，本文要解决的就是空闲监听对无线传感器节点能量消耗的问题。普遍的做法是让传感器节点无线收发机在工作与睡眠两种状态之间进行周期性的切换，主要是在不影响通信的前提 Journal of Computer Applications 计算机应用，2012，32(12):3508－3511ISSN 1001-9081CODEN JYIIDU 2012-12-01 http://www．joca．cn
西安邮电大学 （计算机学院） 课内实验报告 实验名称：无线传感网仿真（一）-S-MAC协议 专业： 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 日期：2017年6月21日 一．实验目的 理解 S-MAC 协议的工作机制。 二．实验环境 VirtualBox + Ubuntu + NS2 三．实验内容 1.S-MAC协议 Sensor MAC(S-MAC)是一种基于竞争的 MAC 层协议，主要适于节点空闲时间较长、可容忍较大时延的场合。 S-MAC 以 802.11 为基础，提供了良好的扩展性，设计重点是有效节能，适应网络规模、节点密度及拓扑结构的变化，而把其它性能（如平等性、吞吐量、带宽利用率等）作次要考虑。 2.仿真拓扑 定义一个含 14 个 WSN 节点的仿真拓扑。发送方为节点0，通过UDP传输CBR数据，接收方为节点5。 四．实验过程及分析 1.阅读并解释仿真代码（SMAC.tcl），描述仿真设置； 创建节点 设置节点坐标
设置报文的发送大小等节点参数 2.运行仿真脚本； 1）仿真开始时，节点之间未建立路由，此时无数据传输，所有节点为绿色。 2）从1s 开始，节点0 与节点5 建立UDP/CBR 的数据传输，需要注意，在传输数据前，节点0 先要通过RREQ/RREP 建立到节点5 的路由。 3）数据传输过程中，由于节点能量的消耗，较高负载的节点会出现颜色变化(如21s 左右，节点0、6、2、3、12、5 开始变黄)。 3.利用 NAM 动画观察并解释实验过程，理解S-MAC协议的工作过程。 当节点进入工作时：先侦听一段固定时间： 1）如果在侦听的这段时间，接收到其他节点的调度信息，则将自己的调度信息调整和其他相邻节点一致，经过一段随机的时间广播自己的调度信息； 2）当节点在侦听这段时间收到众多的邻居节点的调度信息都不一致时，可选择将自己的调度信息调整为和第一个接收到的邻居节点的调度信息一致，并记录其 他邻居节点的调度信息。 3）如果在侦听的这段时间没有接收到任何节点发送来的调度信息，则自己产生一个调度信息，并进行广播； 具有相同调度的节点形成虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。在WSN网络中形 成众多的虚拟簇，使得S-MAC具有良好的扩展性。 五．问题回答 (1)SMAC 如何主要为解决什么问题设计的？为什么不能直接采用802.11 协 议？ 答：为了达到良好的可扩展能力和碰撞回避能力，为了实现能量效率，尽量降低能量是SMAC协议。 (2)SMAC 和其它同类协议的性能比较有何不同？ 答：S-MAC很好的通过周期性的侦听与睡眠机制解决了无线传感网络中的能量问题：高负载：当信道处于高负载的时候，侦听阶段得意充分利用；低负载：睡眠阶段更好的节省了能量。,使用CSMA协议中的RTS/CTS，DATA／ACK消息传递机制，有效避免了冲突； 六．总结 对设计及调试过程的心得体会。 通过这次试验发现，S-MAC采用周期性的侦听和睡眠，网络中所有的节点同步使用相同的睡眠和唤醒方式，所有的节点均已相同的占空比进行工作，使用同步帧发送机制，确保所有节点同时唤醒和同时睡眠，但所有节点都处于唤醒状态时，才进行侦听，以判断是否要发送或者接受数据，当所有节点都处于睡眠状态时，会自动关闭射频收发器以节省能量。
《无线网络技术》实验四报告单 班级____ ___ 姓名_____ ___ 学号__ ___ 实验日期__ ___ 评分____ 教师签名______ _______ 实验名称：无线传感器网络的S-MAC协议仿真 实验目的： 了解无线传感器网络的S-MAC协议及提出一种消息节点睡眠机制和退避策略，然后通过在NS2平台上的仿真，可发现对能量消耗和网络延迟有部分改善。 实验内容： 1 .无线传感器网络概述 无线传感器网络(witeleSs Sensor Networks，WSN)是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统。它综合了微机电系统(Micro—Elec— tron Mechanical System，MS)、传感器技术、嵌入式技术、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控、感知和采集各种环境或监控对象的信息。在军事领域、工业领域、农业领域、环境检测、医疗监护、智能家具系统等许多领域都有十分广阔的发展前景。 2.无线传感器网络结构 无线传感器网络包括传感器节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink Node）和管理节点(Manager node)。 无线传感器网络的协议栈采用5层的分层结构，分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。在网络协议栈中，MAC子层位于数据链路层，直接与物理层接口，负责控制和接入物理介质。提供无线传感器网络中节点到节点的连接方式，确保传感器节点间通信资源分配的公平性和有效性。 3.基于竞争的MAC协议分析 S-MAC(sensor MAC)[协议是针对IEEE802.11中节点处于侦听状态，消耗大量能量的问题，提出的周期性的休眠/活动调度机制。S-MAC由一个开始的同步时间段开始，交换SYNC消息形成虚拟簇。相同虚拟簇下的节点可以传输数据。节点只有在活动阶段才发送消息，如图1.1SMAC采用数据传递机制，通过这种周期性的修眠/活动工作机制，节点降低了闲置侦听，降低了能耗。
无线传感器网络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网络系统，主要用于收集、传播和处理传感信息。 与传统的无线自组织网络不同，无线传感器网络节点数目庞大，节点分布密集;由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化。另外，节点的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都有限，因此无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用。无线传感网络介质访问控制(Media Access Control,MAC)协议必须以节约能源为主要目标，并且采用折中机制，使用户可以在延长网络生命周期和提高网络吞吐量、降低通信延迟等方面做出选择。 目前针对不同的传感器网络应用，研究人员从不同方面提出了多个MAC协议，缺乏统一的分类方式，根据采用固定分配信道方式或随机访问信道方式，将传感器网络MAC协议分为：时分复用方式(TDMA)、随机竞争方式和其他MAC协议。固定分配信道方式的TDMA可以自然完成节点上的低占空比操作，因为他们只需在自己的时隙里开启无线模块完成发送和接收，但其可扩展性较差，而时间同步对系统是一笔较大的开销。由于无线传感网络数据率较低，而且对时延的要求不高，因此目前实用的节能MAC协议基本是基于竞争的协议。大量实验和理论分析表明无线传感器节点的能量浪费主要源自空闲侦听、冲突、串扰和控制。因此结合现有的无线传感器网络MAC协议，引入层次型拓扑结构控制思想，建立一种高效节能的无线传感器网络协议，并进行分析、仿真和验证，具有研究意义。 1 竞争类MAC协议分析 1.1 S-MAC协议 S-MAC协议是在802.11MAC协议的基础上，针对传感器网络的节能需求而提出的传感器网络MAC协议。S-MAC协议假设通常情况下传感器网络数据传输量少，节点协作完成共同的任务，网络内部能够进行数据处理和融合以减少数据通信量，网络可以容忍一定程度的延迟。研究表明传感器能量主要消耗在节点间的通行上，而空闲侦听大约占节点通信能量的1/3.为达到节省能量的目的S-MAC协议主要采用周期性的侦听/睡眠的低占空比机制，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能量的消耗。但S-MAC协议存在以下问题：S-MAC协议中同一个虚拟簇中的所有节点要同时从睡眠状态转换到活动状态，开始对信道的竞争，而大量节点没有数据传输任务，这些节点对信道的竞争和空闲侦听浪费了大量的能量。 1.2 T-MAC协议 T-MAC(Timeout MAC)协议是在S-MAC协议的基础上提出的。S-MAC协议的周期长度受限于延迟要求和缓存大小，而侦听时间主要依赖于消息速率。因此，为保证消息的可靠传输，