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重庆邮电大学研究生堂下考试答卷2016-2017学年第1学期考试科目无线传感器网络姓名李明年级2016专业电子与通信工程2016年12 月19日无线传感器网MAC层协议研究综述李明（重庆邮电大学通信与信息工程学院电子信息与网络工程研究院）摘要：无线传感器网络是一种由多个节点通过无线自组织方式构成的网络。
其中MAC协议是无线传感器网络不可或缺的部分。
本文主要研究无线传感网络的MAC层协议。
主要介绍了几种主流的典型MAC协议，并简单的分析和比较这些协议的优缺点以及使用范围，重点研究近两年对WSN的MAC协议的成果，最后阐明了无线传感器网MAC层协议发展趋势。
关键词：无线传感器网络；MAC；时延；低能耗A Review of MAC Protocols in Wireless Sensor NetworksMing Li(Chongqing University of Posts and Telecommunications College of Communication and Information Technology Institute of Electronic Information and Network Engineering）Abstract：Wireless sensor networks (WSNs) are a kind of network composed of multiple nodes by wireless self-organization. MAC protocol is an indispensable part of wireless sensor network. This paper mainly studies the MAC layer protocol of wireless sensor network. This paper mainly introduces several typical MAC protocols in the mainstream, and analyzes and compares the advantages and disadvantages of these protocols and the scope of their use. It focuses on the results of MAC protocols over the last two years, and expounds the development trend of MAC protocols in wireless sensor networks. .Key words：Wireless sensor network; MAC; delay time ;low energy consumption1研究背景上世纪90年代由美国率先提出“国家智能交通系统项目计划”，旨在运用传感器技术、无线通信技术及嵌入式计算机信息处理技术将全球建立成一个全方位的实时、高效、精确的交通运输综合管理系统。
![无线传感器网络MAC协议_物联网关键技术_[共8页]](https://img.taocdn.com/s1/m/c2eec78677232f60dccca15a.png)
542．红外通信优点是：无需天线、无需申请频谱、不受电器设备干扰。
红外收发器简单，便宜。
PDA 和无线电话提供红外通信接口。
缺点是要求发射器和接收器间视线无遮挡、传输必须定向、传输距离短（1m）。
3．无线电通信无线电传输可以使用ISM（工业、科学、医学）频段，其中某些部分已经用于无绳电话和无线局域网（WLAN），频率分配见表2-1。
由于传感器网络对尺寸、价格、功耗的限制，以及天线效率和功耗的折衷，使得频率只能选择在超高频（UHF）频段。
在欧洲推荐使用433MHz ISM频带，在北美推荐使用915MHz ISM频带。
ISM频带使用自由，频带宽，便于实现节能。
很多传感器网络硬件基于RF电路。
例如，μAMPS无线节点使用与蓝牙兼容的2.4GHz收发器。
表2-1 ISM频段分配频段说明13.553～13.567MHz26.957～27.283MHz40.66～40.70MHz433～464MHz 欧洲标准902～928MHz 美国标准2.4～2.5GHz 全球WPAN/WLAN5.725～5.875GHz 全球WPAN/WLAN24～24.25GHz无线电通信的难点之一是天线尺寸。
为了保证收发效率，天线尺寸应为λ/4左右，λ是载频波长。
设尺寸为1mm，则载频应选75GHz，相应的器件价格昂贵。
第二个困难是减小调制、滤波、解调的能耗。
无线电通信的优点为：市场成熟、使用方便。
影响能耗的因素有调制制式、应用方式、数据速率、发射功率。
为有效管理能源，无线通信一般设置4种工作模式：发射、接收、空闲、休眠。
有3种调制方式：OOK、ASK、FSK。
OOK是ASK的特例，常用于传输控制信号，具有简单、便宜、节能（发“0”时空闲）的优点。
FSK在存在干扰时性能好，但更复杂、更昂贵。
ASK抗干扰好于OOK，比FSK简单、便宜。
OOK和ASK需要有自调整阈值或自动增益控制（AGC），FSK则不需要。
Mica2节点采用Chipcon的CC1000，是甚低功率CMOS收发器，传输速率最高为76.8kbit/s，有UART接口连接微控制器，低功耗方式电流为0.2μA。
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。
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。
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。
1.3 论文结构安排本文总共分为六章，各章的主要内容介绍如下：第1章绪论。
概括了无线传感网的感念引入和应用领域，介绍了本课题的研究意义；第2章无线传感器网络的体系结构。
从无线传感器网络的体系结构入手分析了传感器网络协议栈和其区别于传统的无线网络的特点；第3章无线传感器网络MAC协议。
详细列举了目前常用的多种MAC协议，并对它们进行了详细比较，分析了它们的优缺点；第4章结论与展望。
在前几章基础上对无线传感网技术进行总结,无线传感网领域的研究工作的道路艰苦而漫长向。
2.无线传感器网络的体系结构无线传感器网络是随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步而新兴的一种多跳自组织的网络系统。
2.1 体系结构无线传感器网络由部署在感知对象内部或者附区域内的多个无线传感器网络节点组成，这些节点通过自组织方式构成无线传感器网络，以协作的方式实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析，并以多跳中继方式将数据信息传回网关节点，再通过网关节点通过因特网和卫星再将信息传递给用户。
一个典型的无线传感器网络的体系结构包括传感器节点、网关节点、互联网和用户管理等，如图1所示。
图1 无线传感器网络的体系结构传感器、感知对象和观察者是构成了无线传感器网络的三个要素。
信息获取者可以是传感网的用户，也可以是感知信息的感知和应用者。
可以是人，也可以是计算机或其它设备。
信息获取者将对获得的感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，甚至对网络采取相应的行动。
2.2 传感器网络协议栈网络协议结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。
虽然无线传感器网络与传统网络相比有很多不同的地方，但是其网络协议栈都可以划分成TCP／IP的五层模型，如表1所示。
其中，物理层遵照IEEE 802.15.4标准提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层又分成两个子层：逻辑链接控制层(LLC)和介质访问控制层(MAC)，主要负责数据成帧、帧检测、媒介访问控制和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；应2.3 无线传感器网络的特点作为一种新型网络，相比传统的无线网络，无线传感器网络具有如下特点：（1）大面积的空间分布比如在农业应用方面，可以将无线传感器网络部署在田地里检测农产品的生长情况，形成大面积的监视网络。
（2）能源受限制由于布置传感器的区域有些是在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中，几乎不可能更换电源，而网络中每个节点的电源是有限的，这要求网络功耗小，以延长网络的寿命。
（3）网络自动配置无线传感网是由对等节点构成的网络，不存在中心控制。
无线传感器网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的对等网络，管理和组网都非常简单灵活。
（4）网络的自动管理和高度协作性传感器可以分布在很广泛的地理区域，感知的范围也很大。
在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，每个节点仅知道自己邻近节点的位置和标识，传感器网络通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信，具有很强的协作性。
（5）传感器网络的拓扑结构变化快传感器网络自身的特点使得传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法的有效性提出了挑战。
此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化，导致网络拓扑结构十分复杂。
（6）通信能力有限传感器网络的传感器的通信覆盖范围只有几十到几百米，通信带宽窄而且经常变化，而且由于更多地受到地理、地势、地貌以及天气等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线不能正常工作。
3.无线传感器网络MAC协议无线传感器网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的对等网络，WSN没有中心控制器，所有节点分布式运行，共同承担网络的构造和管理功能，具有很强的容错性和鲁棒性。
同时，这些网络特性也给WSN协议的设计和使用带来很大的挑战。
MAC协议处于无线传感器网络协议的底层，对网络的性能有直接的影响，是网络高效通信的关键协议。
3.1 MAC协议的分类针对不同的WSN应用，一般可以按照下列几种方式对MAC协议分类：第一，分布式控制还是集中控制。
分布式协议是无中心的，网络中各个节点地位是平等的；集中式控制协议，是有中心的基于接入点(Access Point)的MAC 协议。
第二，单信道还是多信道。
这种标准可以将协议有分为三类：(1)单信道MAC 协议，该类协议用于只有一个共享信道的WSN，如ALOHA、CSMA等，所有控制报文和数据报文都在同一信道上收发，容易发生控制报文之间、控制报文与数据报文之间、数据报文之间的冲突；(2)双信道MAC协议。
用于包含两个共享信道的网络，一个信道为只传递控制报文的控制信道和一个只传递数据报文的数据信道，这样控制报文就不会与数据报文冲突。
并能完全解决隐藏终端和暴露终端的影响，避免数据报文的冲突；(3)多信道MAC协议。
如DCA-PC、CSMA与双信道的区别是各节点具有多个数据信道，相邻节点可以使用不同数据信道同时进行通信。
第三，固定分配信道方式还是随机访问信道方式。
固定分配信道方式一般是采用时分复用(TDMA)、频分复用(FDMA)或者码分复用(CDMA)等方式，实现节点间无冲突的无线信道的分配；无线信道的随机竞争方式是指节点在需要发送数据时随机竞争使用无线信道，它重点考虑减少节点间的干扰和采用有效的退避算法来降低报文碰撞率。
3.2 几种经典无线MAC协议基于竞争的MAC协议基于竞争随机访问的MAC协议是节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道。
多数分布式MAC协议采用载波侦听或冲突避免机制并采用附加的信令控制消息来处理隐藏和暴露节点问题。
IEEE 802.11 MAC协议采用带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)是典型的基于竞争MAC协议。
例如：S-MAC协议、T-MAC 协议、ARC-MAC协议、Sift-MAC协议、Wise-MAC协议等。
基于CSMA/CA的MAC协议CSMA/CA主要应用于无线局域网IEEE 802.11MAC协议在分布式协调(DCF)工作模式下的一种协议。
在DCF工作模式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避算法，实现无线信道的共享。
基于S-MAC协议S-MAC(Sensor-MAC)协议是较早的针对WSN的一种MAC协议，他是在IEEE 802.11MAC的基础上，采用固定周期性的侦听和睡眠、消息传递技术等多种机制来减少了节点能量的消耗。
S-MAC协议与IEEE802.11 MAC相比，在节能方面有了很大的改善。
但睡眠机制的引入，使得网络的传输延迟增加，吞吐量下降。
