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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。
无线传感器网络中的数据传输协议一、引言随着物联网和智能化技术的快速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）因其低功耗、低成本、易部署等优点而得到广泛应用。
数据传输是WSN中的关键问题，其质量和效率直接影响整个网络的运行效果。
本文将从协议设计、数据传输过程和优化角度探讨无线传感器网络中的数据传输协议。
二、协议设计WSN中的数据传输协议主要分为以下几种：（一）传输层协议传输层协议是指在WSN中实现数据传输的基本协议，包括传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）两种。
UDP协议的传输效率高，但可靠性不够，适用于需要快速传输数据且对数据完整性要求不高的场合；TCP协议则通常用于重要数据的传输，通过重传、校验等功能提高数据传输的可靠性，但传输效率略有降低。
（二）MAC层协议MAC层协议是指定义数据包发送和接收的规则和方式，以及控制无线传感器网络内节点之间的通信协议。
目前常见的MAC层协议有能量受限的媒体接入控制（Energy-Limited Media Access Control，ELMAC）和低能耗媒体访问控制（Low-Energy Media Access Control，LEMMA）两种，它们通过不同的方式控制节点的发送和接收规则，保证数据在传输过程中的准确性和实时性。
（三）路由协议路由协议是指无线传感器网络中节点之间传输数据的路径规划和选择协议，以保证数据可靠传输。
常见的路由协议有基于距离的路由协议、基于分层的路由协议和基于能量的路由协议。
其中基于能量的路由协议因其在保证数据可靠传输的同时，考虑了节点的能量消耗，具有较高的适用性和可靠性。
三、数据传输过程WSN中的数据传输过程需要经过以下几个阶段：（一）数据采集数据采集是指节点通过传感器采集到环境中的各种数据，如温度、湿度等信息，并将其存储在节点内部的缓存区中，待传输时一并打包发送。
（二）数据编码数据编码是指将数据通过特定的编码方式转换成能够在无线传感器网络中传输的格式，如决策树结构、压缩编码、嵌入式编码等。
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。
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。
Z-MAC引言载波侦听多址访问协议(CSMA, Carrier Sense Multiple Access)常用的无线网络MAC 协议，由于其简单性、灵活性以及强壮性使得其非常流行。
与其它MAC协议相比，CSMA 对基础设施要求简单，不需要时钟同步，同时也不需要全网的拓扑信息，对于节点加入网络与退出网络，不需要任何额外操作就可以表现出很强的适应性.但是，这些优点是由接入尝试和传输错误作为代价的。
节点通过竞争方式进行抢占信道使用权，当有多个节点同时发送数据时，就会发生数据碰撞，并且要消耗部分能量。
CSMA 对于碰撞发生的可控范围为一跳相邻区域，对于一跳范围以外就不能发挥作用了。
对于数据在一跳范围以外发生碰撞的节点，称为隐含终端。
隐含终端问题将增加数据传输冲突发生的概率，数据流量越大，碰撞概率越大，吞吐量会严重下降，导致时延增加，这对网络性能的发挥有着严重的影响。
为了减轻因为隐含终端所导致的问题，CSMA 中加入了RTS/CTS 握手机制然而RTS/CTS 所占信道容量较高，其范围为40%-75%，严重增加了网络数据传输控制开销，这对于有限的无线信道容量来说是非常大的浪费。
时分多址(TDMA)协议的设计目的在于避免据传输过程中发生的冲突。
各节点使用自己的时隙，不同节点数据发送接收互不干扰，有效的解决了隐含终端的问题。
因为不需要RTS/CTS 握手机制，所以不会增加传输控制消息外开销。
但是TDMA 协议也有如下缺点：一、如何按照某一种扩展方式进行高效时间安排并非易事，中心节点要在保证并发性强、信道复用度高的情况下来寻找合理的传输时间安排，来避免碰撞的发生；二、TDMA 协议的特点，使得其对于时钟同步要求较高；三、由于电池能量消耗导致节点退网络、新的节点加入网络、物理因素导致的信道变化，都会导致WSN 网络拓扑发生变化，而TDMA协议对拓扑动态变化适应性较差；四、当数据流量低时，节点只能选择自己占有的时隙来进行数据发送。
