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面向物联网的无线传感网络MAC协议设计与优化随着物联网的快速发展，无线传感网络（WSN）作为其中重要的组成部分，正扮演着收集、传输和处理物理环境数据的角色。
无线传感网络MAC（Medium Access Control）协议是实现无线传感网络可靠通信的关键技术之一。
本文将讨论面向物联网的无线传感网络MAC协议的设计与优化问题，并提出一些相关的解决方案。
首先，针对传感节点能量受限的问题，设计低能量消耗的MAC协议是非常重要的。
传感节点的能量供应通常由有限的电池能量提供，因此降低能量消耗是延长网络寿命的关键。
为了实现低能量消耗，可以考虑以下几个方面的优化：1. 时隙分配策略：通过优化时隙分配策略，可以降低节点在空闲时隙的能量消耗。
传统的时隙分配方法通常使用静态或固定分配方式，但面向物联网的无线传感网络MAC协议应该根据节点的实时需求和能量状况，动态分配时隙。
一种常用的方法是基于节点优先级的动态时隙分配策略，将更多的时隙分配给能量较充足和任务重要性较高的节点。
2. 节点休眠与唤醒：传感节点在无数据发送或接收时可以进入休眠状态，以降低能量消耗。
当有数据需要传输时，通过优化唤醒机制，减少节点从休眠状态到活跃状态的能量开销。
一种常见的优化方法是使用预定唤醒机制，节点只在特定的时间窗口内唤醒，并通过邻居节点的信息交换进行数据传输。
其次，为了提高MAC协议的传输效率，需要解决传感节点之间的冲突问题。
由于节点数量庞大且分布广泛，节点之间的碰撞是不可避免的。
针对冲突问题，可以考虑以下几个方面的优化：1. 分布式协议：在面向物联网的无线传感网络中，传感节点通常以分布式的方式部署。
因此，设计分布式MAC协议是非常重要的。
分布式MAC协议基于局部决策，通过节点之间的协作来避免冲突。
常用的分布式MAC协议有S-MAC、T-MAC等，它们通过节点之间的时隙协调和协作来避免冲突，并提高数据传输效率。
2. 码分多址技术：码分多址（CDMA）技术在无线传感网络中可以有效减少碰撞问题。
一种针对树形拓扑网络的混合MAC协议刘广钟;徐艺原【摘要】在树形拓扑水声传感网络中,时分多址(TDMA)机制存在信道利用率低的问题.为此,提出一种轻量级的流量自适应随机访问与TDMA的混合MAC协议.该协议在网络流量较低时采用S-ALOHA竞争机制提高信道利用率,运用最优化算法计算分配给簇内子节点的最大发送概率,通过流量自适应的灵活时隙分配机制以适应不同的网络流量.实验结果表明,该协议不仅能够提高树形拓扑网络中节点的通信效率,能减少子节点的等待时间.%Aiming at the problem of low utilization ratio of the channel in the Time Division Multiple Access(TDMA) mechanism in the tree topology underwater acoustic sensor network,this paper proposes a hybrid MAC protocol based on improved lightweight traffic adaptive random medium access mechanism and TDMA mechanism:TAST-MAC.It adopts S-ALOHA competition mechanism effectively to improve the channel utilization when the network traffic is low.This protocol uses an optimization algorithm to calculate the maximum transmission probability table values which are assigned to the cluster sub nodes,and uses a flexible traffic adaptive slot allocation mechanism to adapt different network traffic situation.Experimental results show that TAST-MAC not only improves the communication efficiency in the tree topology networks,but also reduces the waiting time of the sub nodes.【期刊名称】《计算机工程》【年(卷),期】2017(043)011【总页数】8页(P32-39)【关键词】树形拓扑;水声传感网络;轻量级随机访问;时分多址;最优化算法【作者】刘广钟;徐艺原【作者单位】上海海事大学信息工程学院,上海201306;上海海事大学信息工程学院,上海201306【正文语种】中文【中图分类】TP391目前,水下无线通信仍是具有较为挑战性的研究领域。
无线传感器网络基于竞争的MAC协议综述
陈静;张晓敏
【期刊名称】《山东通信技术》
【年(卷),期】2006(026)002
【摘要】随着无线传感器网络技术的逐步发展,对它的介质接入控制技术的研究也逐步成为无线传感器网络研究中的热点.主要介绍了无线传感网MAC协议的特点以及分类,然后对其中基于竞争的一类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.
【总页数】5页(P8-12)
【作者】陈静;张晓敏
【作者单位】山东大学信息科学与工程学院,济南,250100;山东大学信息科学与工程学院,济南,250100
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
【相关文献】
1.基于竞争的无线传感器网络MAC协议研究综述 [J], 陆明洲;王箭;何菊
2.基于竞争与TDMA的低时延无线传感器网络MAC协议 [J], 杜敏;黄剑;石为人;李洪兵
3.基于竞争机制的无线传感器网络MAC层协议的研究综述 [J], 王海涛
4.基于动态变化竞争窗口的水下无线传感器网络MAC协议 [J], 石岳; 李成; 郝琨
5.基于动态变化竞争窗口的水下无线传感器网络MAC协议 [J], 石岳; 李成; 郝琨
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基于有序竞争的传感器网络MAC协议赵小超;郑明才;廖瑞华【摘要】在定向扩散路由无线传感器网络中,为减轻竞争型MAC协议CSMA/CD 的碰撞冲突问题,以及减小MAC协议引入的时延,对CSMA/CD协议进行改进,提出基于定向扩散与有序竞争的传感器网络MAC协议,即CSMA/CD-DDOC,通过将同跳梯度层次内的转发节点进行分组后实施各分组对共享信道的有序竞争,减少同时争用信道的节点数目,以达到减少碰撞和减小时延的目的.理论分析和仿真结果表明,CSMA/CD-DDOC协议具有优于CSMA/CD协议的时延性能.%In order to reduce the problem of collision and cut down the time delay in wireless sensor networks, an improved CSMA/CD protocol based on directed diffusion and orderly competition, namely CSMA/CD-DDOC protocol, is proposed. By dividing the numerous forwarding nodes in the same gradient level into several groups that request the sharing channel orderly, the number of nodes competing for the sharing channel in the same time is reduced, and the intended result is achieved. The theoretical analysis and simulation results validate that the time delay performance of CSMA/CD-DDOC protocol is better than that of CSMA/CD protocol.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2012(048)018【总页数】6页(P76-80,141)【关键词】定向扩散;无线传感器网络;介质访问控制(MAC)协议;有序竞争;时延【作者】赵小超;郑明才;廖瑞华【作者单位】湖南第一师范学院教育科学系,长沙410002;湖南大学数学与计量经济学院,长沙410082;湖南第一师范学院信息科学与工程系,长沙410205;湖南第一师范学院信息科学与工程系,长沙410205【正文语种】中文【中图分类】TP3931 引言无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量集成了传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点构成的全分布式的自组织网络。
漏斗-MAC协议：一个本地化的，面向中心节点的，提高仿真度的传感器网络MAC协议Gahng-Seop Ahn†, Emiliano Miluzzo‡, †EE Dept., Columbia University New York, NY, USAAndrew T. Campbell‡,‡CS Dept., Dartmouth College Hanover, NH, USASe Gi Hong†, Francesca Cuomo††, ††University “La Sapienza”Rome, Italy摘要：WSN表现出独特的漏斗效应，它在无线传感器网络中被发现的一个有特色的，多点对一点，逐跳传递模式的产物，并且随着事件不断接近中心节点，传输流量不断增大，从而引起严重的碰撞，拥塞，丢包，能量流失。
虽然网络（如拥塞控制）和应用技术（如数据累计）可以帮助对付这个问题，它们不能完全减轻漏斗效应问题。
我们采取一个与以往文献发现的和目前设计，实现，评估中不同但互补的方法来解决这个问题，一个本地化的，面向中心节点的漏斗- MAC协议，能够缓解漏斗效应，提高传感器网络的应用程序的应用逼真度。
漏斗—MAC协议是基于正在实施网络范围内的CSMA / CA和一个本地TDMA算法覆盖整个漏斗区域（即到中心节点的少数几跳）。
从这个意义上说，在漏斗- MAC代表的是一种混合MAC 方法，但不具备全网使用TDMA的有关扩展性问题。
漏斗- MAC是面向中心节点的，因为强度区域内传感器事件的TDMA调度管理的负担落在中心节点，在而不是资源有限的感测节点，由于只在接近中心节点的强度取内而没有在整个传感场中采用TDMA，它是本地化的MAC协议。
通过一个测试45个mica-2节点的实验结果显示，在漏斗-MAC减轻漏斗效应，提高了吞吐量，降低损耗，能源效率，更重要的是,其性能明显优于其他有代表性的协议如B-MAC，并胜于最近的混合TDMA / CSMA MAC协议如Z-MAC等。
MAC协议冲突概率自适应退避算法的研究与实现唐璐丹;李和【摘要】针对退避策略在无线传感器网络介质访问控制(MAC)协议中的作用与要求,分析了典型的无线传感器网络MAC((S-MAC)协议的退避机制,提出网络冲突概率自适应退避算法.并用NS2对其进行了性能仿真测试,仿真结果表明,在网络节点分布较为密集、突发数据流量变化较大的网络环境中,改进后的方案在能量效率和吞吐量方面都有较大的改善.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2010(000)005【总页数】5页(P55-59)【关键词】冲突概率;自适应;退避算法;仿真【作者】唐璐丹;李和【作者单位】桂林电子科技大学,信息科技学院,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,信息科技学院,广西,桂林,541004【正文语种】中文【中图分类】TN915.040 引言无线传感器网络被认为是21世纪最有影响力的技术之一，在该网络中，介质访问控制（MAC）协议决定节点如何接入共享信道使彼此的数据传输不受影响，以及在发生碰撞时采用竞争算法进行处理，控制射频模块。
MAC 处于无线传感器网络协议的底层部分，对网络性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一［1］。
退避算法是MAC 协议的重要组成部分，它在降低包冲突、提高发送成功率和信道吞吐量等方面起着重要作用。
目前在MAC 协议退避算法的大量研究中，当发生包冲突时，为了降低重发时再次冲突的概率，发送节点需要延迟一段时间后再发送，这一策略称为退避，延迟的时间就是退避时间。
退避时间的长短影响节点接入信道的能力，退避时间越短，节点抢占信道的能力越强；反之，节点抢占信道的能力越弱。
如果退避算法赋予各节点的退避时间悬殊很大，就会引发公平性问题，造成某些节点一直无法接入信道，出现“饿死”现象；而部分节点始终占有信道，出现“孤岛”网络，从而导致网络中节点的能量消耗不均匀，使得网络的整体寿命变短［2］。
因此，需要采用适当的退避算法，以降低冲突并提高和改善信道的吞吐量与公平性，进而优化无线传感器网络的性能。
基于DRAND算法的漏斗.MAC协议摘要:针对漏斗.mac协议的不足，给出一种分布式时隙分配（drand）算法改进方案。
在基于集中式时分多址（tdma）调度算法的漏斗.mac协议基础上引入分布式时隙分配方案，保证节点两跳范围内的时隙没有重叠，从而能最大限度地避免数据干扰和冲突。
ns.2仿真表明，改进的协议能进一步减少系统能量消耗，维持较高的信道利用率。
关键词:漏斗.mac；分布式时隙分配算法；时分多址；分布式；ns.2funneling.mac protocol based on drand algorithmzhu xiu.li*, li ying.jieschool of computer science and technology, zhoukou normal university, zhoukou henan 466099, chinaabstract:aiming at the disadvantage of funnelinf.mac protocol,this paper gave an improved proposal of drand algorithm.based on centralized tdma scheduling algorithm of funneling. mac protocol,it introduced the drand scheme,which guaranteed nodes have not overlap within the time slots in two.hop range,so it could avoid on interference and collision as possible.ns.2 simulation results show that improved protocolcan effectively reduce system power consumption,and maintain higher channel utilization.concerning the disadvantage of funneling.mac protocol, this paper gave an improved proposal of drand algorithm. based on the centralized time division multiple access (tdma) scheduling algorithm of funneling.mac protocol, it introduced the drand scheme, which guaranteed nodes did not overlap within the time slots in two.hop range, so it could greatly avoid interference and collision. the ns.2 simulation results show that the improved protocol can effectively reduce system power consumption, and maintain higher channel utilization.key words:funneling.mac; distributed randomized algorithm; time division multiple access (tdma); distributed; ns.20引言无线传感器网络(wireless sensor network,wsn)［1-2］是由部署在所要监测区域内大量体积小、成本低，且具有数据采集、数据处理和数据无线收发能力的传感器节点组成。
节点无线收发模块是最大的耗能部件，而mac协议［3］直接控制无线收发模块，对节点能耗有重要影响。
因此，设计有效的mac协议，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源来构建网络的底层基础结构具有重要意义和现实价值。
根据不同的实际应用，研究人员从不同角度出发提出了多种mac 协议。
根据信道接入方式的不同，主要有基于竞争(s.mac［4］)方式、基于调度时分多址(time division multiple access，tdma)联接方式［5］和混合型方式［6］(z.mac)。
ahn等根据传感器网络汇聚sink节点附近数据流量大引起的冲突、串音和丢包等问题，研究提出了漏斗.mac(funneling.mac)协议［7-8］。
本文在分析漏斗.mac协议原理、运行机制、优势以及存在问题的基础上，从节省网络能量消耗出发，针对协议sink节点附近的数据收发冲突和串音等问题引入分布式时隙分配算法［9-12］(drand)进行改进，同时借助仿真软件ns.2［13-15］对改进前后的协议进行对比仿真并分析之。
1漏斗.mac协议无线传感器网络多跳聚播通信容易造成sink节点附近数据分组产生冲突、拥塞和丢包，称其为“漏斗效应”[7](funneling effect)。
漏斗.mac协议(funneling.mac)是一种基于csma与tdma相结合的mac协议，该协议在全网范围内采用csma/ca方式进行数据传输，在sink节点附近则采用csma和tdma混合的信道访问方式。
这样sink节点附近的节点有更多机会使用基于调度的方式来访问信道传输数据，很好地解决了汇聚节点附近区域数据流量大引起的冲突和丢包问题。
漏斗.mac协议以csma方式为主，sink节点周期性地广播信标(beacon)，只有接受到信标的节点才使用csma和tdma相混合的方式交替访问信道，一个csma帧和tdma帧组合成为一个超帧。
csma帧用于发送节点本身产生的数据以及其他控制信息，tdma 帧包含若干个时隙，用于调度转发其他节点路由过来的数据，sink 节点逐渐增加广播功率级别，直到网络达到饱和为止。
funneling.mac协议对系统时钟要求不高，具有较高的信道利用率。
图1所示为一个典型的funneling.mac协议场景图。
无线传感器网络mac协议设计的目的是在满足应用要求的前提下，尽量节省使用节点的能量，使数据快速有效地传输。
因此，本文在漏斗.mac协议的基础上，针对协议sink节点附近数据收发使用集中式tdma调度算法容易产生冲突和干扰的不足引入分布式时隙分配(drand)算法进行改进。
2drand2.1基本原理分布式随机时隙分配算法(drand)是无线ad.hoc网络分布式、强壮和可扩展的算法，是集中式tdma算法的全分布式版本。
节点开始启动时，首先执行一个简单的相邻节点发现和寻找协议，该算法周期性地给其一跳范围内邻居节点广播ping消息，每个节点从ping 消息收集其一跳范围内邻居节点的信息，这样就组成其两跳相邻节点的列表信息，两跳相邻节点列表作为时隙分配算法的输入。
drand 算法对两跳距离内的节点进行着色，使两跳距离内各个节点得到不同的颜色。
drand算法能够对任意拓扑图进行时隙分配，按照循环方式工作。
drand算法还要求每个节点维护其一跳相邻区域的状态，不要求每个节点同步到每轮的时间边界上。
这样能够高效地自适应本地拓扑结构变化，而不会产生传输时间安排的全网开销。
2.2算法设计与实现在设计drand算法时，假定网络是广播方式且算法循环运行，每轮的持续时间根据网络延时动态调整，每个节点维护4种状态：空闲(idle)、请求(request)、同意(grant)和释放(release)。
图2所示为drand算法的状态转换图，在箭头始端标注的是进行状态转移的条件，在箭头末端标注的是转移到新状态前的操作。
分区图片图2drand状态转换图开始时，假设某个节点a处于空闲状态，a开始投硬币，出现正面、反面的概率是相等的，都为1/2。
如果节点得到硬币正面，则抽彩，抽彩有一定的成功概率。
节点若是中彩，则与其邻居节点交换消息，协商选择一个时隙，更准确地说：每个节点j维护一个估值cj，即对其一跳相邻节点和两跳相邻节点中还没有确定时隙的那些节点估值。
如果从最近一次抽彩以来所经历的时间大于ta，则a抽彩，且将赢取概率设为pa=1/k，其中将k设为cj的最大值，对a的一跳相邻节点和两跳相邻节点中的所有j。
设i为a迄今为止抽彩的次数，则称a处在第i轮中，如果a中彩，那么a将转移到request状态，给其一跳内相邻节点广播一条requesti(请求)消息。
若a没有中彩，则将继续保持在idle状态。
设ta=3da，其中da为a对其消息单向传输延时最大值的估值，即a只要接收到其他节点对其所发请求的响应，就可以得到这个估值。
由以上分析可知，当节点a接收到其所有一跳范围内相邻节点对其所发的requesti消息或所回送的granti消息后，节点a就决定自己的时隙为本轮之前其两跳范围内相邻节点还未占用的时隙中时隙号最小的那个时隙。
然后节点a转移到release状态，给其一跳范围内相邻节点广播一条releasei消息，releasei包含节点a 所选定的时隙。
节点a的一跳范围内相邻节点接收到releasei消息后，有两种处理情况：若该相邻节点还没有确定自己的时隙，则转移到idle状态；若该相邻节点已经确定了自己的时隙，则转移到release状态，然后将该releasei消息重新广播给自己的一跳相邻节点，此时的releasei消息称为two.hop.releasei(两跳释放)消息。
节点接收到two.hop.releasei消息后就能够估计k值大小。
图3为drand算法的具体实现流程。
drand算法能保证节点两跳范围内的时隙没有重叠，数据收发不会产生干扰和冲突。
同时drand 算法还具有良好的适应性和鲁棒性，因为它不依赖整个网络的拓扑结构，只是根据两跳范围内的节点数来分配时隙。
用drand算法实现无线传感器网络mac协议时隙分配，由于是相邻节点竞争公共信道的访问，所以节点的消息传输延时可能受其相邻区域大小的限制，设节点j在第k个循环获得一个时隙的概率期望值为pr(jleave,t)。
3实验仿真与结果分析为了评估协议的各项性能，使用网络仿真软件ns.2进行仿真分析，采用改进协议(new.mac)和漏斗.mac协议(funneling.mac)对比仿真的形式来比较和分析为了验证改进协议的正确性和各项性能指标，本文采用图1所示的仿真拓扑结构：20个普通传感器节点和一个sink节点0。
普通节点随机部署，节点发送的数据通过其他节点的路由转发最后都汇聚至sink节点0。
