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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。
无限传感网络作业21.认识典型的无线传感器网络MAC协议的工作流程IEEE802.11 采用带冲突避免的载波侦听多路访问CSMA／CA协议，他可以作为基于竞争MAC协议的代表。
但是该协议要求射频部分一直处于侦听状态，消耗r大量的能量，不适合无线传感器网络。
S-MAC 美国加州大学信息科学院的wei Ye和Estrin等人在802．1lMAC协议的基础上，提出了S-AC(SensorMAC协议)该协议主要针对无线传感器网络的节省能量要求。
S-AC协议通常假设传感器网络的数据传输量少，节点协作完成共同任务，网络内部能够进行数据处理和融合减少数据通信量，网络能够容忍一定程度通信延迟。
S-MAC协议就是为减少空闲侦听、冲突避免和减少控制开销而设计的，采用了工作／休眠策略，将时间分为帧，每一帧分为工作阶段和休眠阶段。
其主要采用以下儿种措施：（1）周期性侦听／睡眠：每个节点独立地调度他的工作状态，周期性地转入睡眠状态，睡眠期间关掉无线电收发部分，在苏醒后侦听信道状态，判断是否需要发送或接收数据。
（2）流量自适应侦听机制：通信节点的邻居节点在通信结束后不立即进入睡眠状态而是侦听信道一段时间，无须等待下一次调度，减少了多跳方式引起的传输延迟。
（3）串音避免：每个节点在传输数据时，都要经历RTS／CTS／DATA／ACK的通信过程。
每个分组都有一个域值(NAV)表示剩余通信过程需要持续的时间长度。
若邻居节点处于侦听周期时，记录这个时间长度值，同时进入睡眠状态。
NAV变为0时，节点就被唤醒。
（4）消息传递：S-MAC协议利用RTS／CTS机制，一次预约发送整个长消息的时间，并把一个长消息分成许多短消息。
T-MAC(timeout MAC)协议是在S-MAC协议的基础上提出的。
T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调整活动时间，用突发方式发送信息，减少侦听时间。
T-MAC协议的优点是减少了空闲侦听功耗，适用于可变负载的场景，但是他根据当前网络通信情况，提前结束活动周期来减少空闲侦听，会带来早睡问题。
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。
无线传感器网络MAC协议专业软件工程年级08级学号班级（1）班姓名摘要：在通信方式上，虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，为明确起见，一般称做无线传感器网络。
无线传感器网络是微机电系统、通信、传感器、网络等技术相结合的产物。
目前已经被预见具有广泛的应用领域和使用价值。
介质访问控制(MAC)协议是一项构建网络底层基础结构的重要技术,结合目前国内外的研究成果,从技术方面对无线传感器器网络的MAC协议进行了分类,介绍了几种MAC协议,并认识MAC协议存在的问题。
1.引言近几年来，随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，使得信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，能在低成本、低功耗、多功能的微型传感器内实现。
无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)就是由大量的廉价微型的传感器节点，通过无线通信方式形成的一个特殊的Ad hoc网络，广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。
WSN与Ad hoc网络相比，其WSN的特点是节点的电源能量和硬件资源有限、无中心自组织、数量众多分布密集、网络动态性强。
其中能耗问题是WSN中至关重要的问题，因此WSN的节点要求必须是低功耗的。
媒体介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议处于无线传感器网络协议的底层部分，主要用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络离效通信的关键网络协议之一。
无线传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的MAC协议。
能量的消耗主要集中在WSN节点的射频模块部分，而MAC协议直接控制射频模块，对节点能耗有重要影响。
因此，设计一个性能优越的MAC协议算法成为WSN研究的一个热点问题。
2、MAC层协议面临的问题和挑战传统的MAC层协议的设计目标是最大化吞吐量、最小化时延并且提供公平性。
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
括如下几个方面：
碰撞冲突问题节点在发送数据过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞。
而重传数据，将消耗节点更多能量。
串音问题节点接收并处理不必要的数据。
这种串音现象造成节点的无线接收模块和处理模块消耗更多的能量。
空闲侦听问题节点在不需要发送数据时一直保持对信道的空闲侦听，过度空闲侦听或没必要的空闲侦听会造成节点能量浪费。
控制消息消耗如果控制消息过多，也会消耗较多的能量。
3.3 参考S—MAC协议的一种无线传感器网MAC协议设计
美国加州大学信息科学院的Wei Ye和Estrin等人在802．11MAC协议的基础上，提出了S—MAC(SensorMAC协议)n1。
该协议主要针对无线传感器网络的节省能量要求。
s—MAC协议通常假设传感器网络的数据传输量少，节点协作完成共同任务，网络内部能够进行数据处理和融合减少数据通信量，网络能够容忍一定程度通信延迟。
S—MAC协议就是为减少空闲侦听、冲突避免和减少控制开销而设计的，采用了工作／休眠策略，将时间分为帧，每一帧分为工作阶段和休眠阶段。
其主要采用以下几种措施：
1.周期性侦听／睡眠：每个节点独立地调度他的工作状态，周期性地转入睡眠
状态，睡眠期间关掉无线电收发部分，在苏醒后侦听信道状态，判断是否需要发送或接收数据。
如图2所示。
每个节点用SYNC消息通告自己的调度信息，同时维护一个调度表，保存所有相邻节点的调度信息。
具有相同调度的节点形成一个虚拟簇，簇的边界节点记录两个或者多个调度，如图3所示。
部署区域内，可能形成多个簇。
为了适应新节点的加入，每个都要定期广播自己的调度，使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。
2.流量自适应侦听机制：通信节点的邻居节点在通信结束后不立即进入睡眠状
态而是侦听信道一段时间，无须等待下一次调度，减少了多跳方式引起的传输延迟。
3.串音避免：每个节点在传输数据时，都要经历RTS／CTS／DATA／ACK的通信
过程。
每个分组都有一个域值(NAV)表示剩余通信过程需要持续的时间长度。
若邻居节点处于侦听周期时，记录这个时间长度值，同时进入睡眠状态。
NAV 变为0时，节点就被唤醒。
4.消息传递：S—MAC协议利用RTS／CTS机制，一次预约发送整个长消息的时
问，并把一个长消息分成许多短消息。
如图4所示。
不同的是：S—MAC的RTS／CTS控制消息和数据消息携带的时问是整个长消息的剩余时间，其他节点接收到这个剩余时间然后进入睡眠状态，直至长消息发送完成。
而IEEE802．11MAC协议考虑网络的公平性，RTS／CTS只预约下一个发送短消息的时间，其他节点在每个短消息发送完成后都必须醒来进入侦听状态。
S—MAC协议增加了能量的效率，避免了冲突造成的能量浪费，但是也存在不足：第一，由于是周期性的侦听和睡眠，一个节点给邻居发送数据只能等到他处于侦听状态，造成延时。
第二，当邻居节点同时唤醒信道时，一致同步会增加邻居间冲突。
第三，固定占空比不能随网络流量变化动态调整，低流量情况下会导致能量浪费，增加时延。
