移动自适应的无线传感器网络MAC协议研究进展

基于功率控制的无线传感器网络MAC协议研究

第２６卷第９期
２０１３年９月
传感技术学报
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＥＮＳＯＲＳＡＮＤＡＣＴＵＡＴＯＲＳ
Ｖｏ１．２６Ｎｏ．９Ｓｅｐ．２０１３
１１１ｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＭＣＰｒｏｔｏｃｏｌＢａｓｅｄｏｎＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ
ＡＰＣ— ＳＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓｔｈｅｐｏｗｅｒｓｃｈｅｄｕｌｅｔａｂｌｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｎｅｉｇｈｂｏｒｎｏｄｅｓ，ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｈａｎｎｅｌｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ，ｓｅｎｄｉｎｇａｆｅｅｄｂａｃｋｌａｆｍｅｍａｋｅｓｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｉｎｇｎｏｄｅｓａｓｌｅｅｐ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｎｏｔｏｎｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔｂｕｔａｌｓｏｍｉｎｉｍｉｚｅｎｅｔｗｏｒｋｌａｔｅｎｃｙ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＡＰＣ— ＳＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｈａｓａｇｒｅａｔｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｉｎｎｅｔｗｏｒｋｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ，

无线传感器网络-MAC协议

FDMA的应用

FDMA频分多址采用调频的多址技术，业务信道将不同的频段分配给不同的用户。FDMA适合大量连续非突发性数据的接入，单纯采用 FDMA作为多址接入方式已经很少见。除中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用FDMA和TDMA两种方式的结合外，广电网中的的通信中也采用了时分多址的接入方式
竞争窗口竞争窗口
802.11 MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制提高性能。在主动确认机制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧(DATA)时，必须向源节点发送一个应答帧(ACK)，确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点在发
送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用SIFS帧间隔（为什么？）
所谓的CSMA/CA机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数
据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。
这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。在IEEE 802.11 MAC协议基础上，人们设计出适用于传感器网
CDMA的特点

CDMA码分多址是采用数字技术的分支——扩频通信技术发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，它是在FDMA和TDMA的基础上发展起来的。 FDMA的特点是信道和时间资源共享，每一子信道使用的频带互不重叠；TDMA的特点是独占时隙，而信道资源共享，每一个子信道使用的时隙不重叠；CDMA的特点是所有子信道在同一时间可以使用整个信道进行数据传输，由于有地址码区分用户，所以对频率、时间和空间没有限制，在这些方面他们可以重叠，因此，信道的效率高，系统容量大。
的节点作为竞争优胜者。
22

无线传感器网络研究进展

第９卷
第６期
实验科学与技术
ＥｘｅｍｅｔＳｉｎｅａｄＴｃｎｌｇｐｒｎｃｅｃｎｅｈｏｏｙｉ
Ｖ０．．１９Ｎｏ６Ｄｃ２１ｅ．０１
２１年１０１２月
无线传感器网络研究进展
丁洪伟，赵东风，高扬水，赵南山
Ｋｅｒｓ：ｗｒｌｓｅｓｒｎｔｏｋ；ｐｗｅｆｃｅｃ；ＭＡＣｐｏｏｏ；ａ — ｏｙｗｏｄｉｅｅｓｓｎｏｅｗｒｏｒｅｉｉｎｙｒｔｃｌｄｈｃ
（云南大学信息学院，昆明６０９）５０１
摘要：２纪９０世ｏ年代以来，随着现代微电子技术、无线通信技术、计算机网络技术的进步以及互联网的迅猛发展，使得具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器以及由其构成的无线传感器网络引起了人们的极大关注。传感器网络被认为是２世纪最重要的技术之一，它将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动作用。文中介绍了无线１传感器网络的发展历史，组成，体系结构，特征及应用等，并重点介绍了无线传感器网络中的研究热点及关键技术，同时
（ｃｏｌｆＩｏｍｔｎｕｎｎＵｉｅｓｙＫｎｉｇ６０９，ＣｉａＳｈｏｏｆｒａｉ，Ｙｎａｎｖｒｉ，ｕｍｎ５０１ｈｎ）ｎｏｔ
ＡｂｔａｔＳｉｎｅ１９ｓｉｈｒｇｅｓｏｅｍｏｅｍｉｒｅｅｔｎｃｃｎｌｇ、ｗｒｌｓｏｓｒｃ：ｃｅｃ９０，ｗｔｔｅｐｏｒｓｆｈｄｍｃｏｌｃｒｉｓｔｈｏｏｙｉｅｅｓｃｍｍｕｉａｉｎｔｃｎｌｇ、ｃｍｐｔｒｈｔｏｅｎｃｔｅｈｏｏｏｙｏｕｅｎｔｏｋｔｃｎｌｇｎｎｅｎｔａｉｅｅｏｍｅｔｈｅｓｒａｏｓｓｅｃｐｂｌｙｏｅｐｒｅｔｎｃｌｕａｉｎ、ｗｒｌｓｅ— ｅｗｒｅｈｏｏａｄｌｔｒｅｒｐｄｄｖｌｐｎ，ｔｅｓｎｏｓｔｔｐｓｅｓｔａａｉｔｆｔｅｃｐｉ、ａｃｌｔｙｈｈｉｈｏｏｉｅｅｓｎｔｗｏｋｃｍｍｕｉａｉｎａｄｔｅｗｒｌｓｅｓｒｎｔｒｈｃｓｃｎｉｅｙｓｎｏｓｉｄｃｏｌ ’ ｇｅｔｃｎｅｎｒｏｎｃｔｎｈｉｅｅｓｓｎｏｅｗｏｋｗｉｈｉｏｓｓｄｂｅｓｒｎｕｅｐｐｅＳｒａｏｃｒ．Ｓｎｏｅｗｒｓｏｔｅｅｓｒｎｔｏｋｉｃｎｉｅｅｎｅｍｏｔｉｏｔｎｅｈｏｏｉｓｉｅ２ｅｔｒｔｗｌｂｎｎｒｕｎｕｎｅａｄｐｏｕｅｔｅｎｏｓｒｌｏｓｒｄｏｅｏｔｓｍｐｒａｔｃｎｌｇｅｎｔ１ｔｃｎｕｙ，ｉｉｒｇｅｏｍｏｓｉｆｅｃｎｒｄｃｒｍｅｄｕｏｅｉｄｆｈｔｈｓｌｉｌｎｐｍｏｉｇｏｅｐｏｌ ’ ｓｃａｉｎｎｕｔｉｌａｄｉｄｓａｒｖｌｔｎｏｒｔｎｔｐｅＳｏｉｌｌｅａｄｉｄｓｒｎｕｔｌｅｏｕｉ．Ｔｉｒｃｅｄｓｒｅｈｅｅｏｍｅｔｈｓｒ、ｃｍｐｓ— ｎｈｅｆａｎｉｒｏｈｓａｔｌｅｃｂｓｔｅｄｖｌｐｎｔｙｉｉｉｏｏｏｉｔｎｓｒｃｕｅｃａａｔｒａｄａｐｉａｉｎｏｈｉｅｅｓｓｎｏｅｗｒｉ、ｔｕｔｒ、ｈｒｃｅｎｐｌｔｆｔｅｗｒｌｓｅｓｒｎｔｏｋ，ａｄｆｃｓｓｏｈａｈｈｔａｄｋｙｔｃｎｌｇｅ，ａｈｏｃｏｎｏｕｅｎｔｅｒｃｏｎｅｅｈｏｏｉｓｔｔｅｅＳｌｅｔｌｏｉｔｏｕｅｅｃｕｒｎｉａｉｎａｄｄｖｌｐｎｒｓｅｔｉｈｒｌｓｅｓｒｎｔｏｋＳｎｍｅａｓｎｒｄｃｓｒａｈｃｒｅｔｔｔｎｅｅｏｍｅｔｐｐｃｔｅｗｅｅｓｓｎｏｅｗｒ．＇ｉｓｕｏｏｎｉ

无线体域网MAC层IEEE802.15.6协议研究

无线体域网MAC层IEEE802.15.6协议研究无线体域网（Wireless Body Area Network，WBAN）是一种基于无线传感器网络的技术，用于监测人体内或周围的生理参数和动态活动。

WBAN技术在医疗保健、体育运动、军事和娱乐等领域具有广泛的应用前景。

在WBAN中，MAC层扮演着重要的角色，决定了网络节点之间的通信方式和资源分配。

IEEE802.15.6是专门针对无线体域网的MAC层协议，本文将对IEEE802.15.6协议进行研究和分析。

1. 无线体域网MAC层概述无线体域网MAC层是指网络中负责控制数据传输的部分，它管理节点之间的数据交换、资源分配和冲突检测等功能。

在无线体域网中，由于节点密度高、功耗低、传输质量要求高等特点，MAC层的设计必须考虑这些特殊需求。

2. IEEE802.15.6协议介绍IEEE802.15.6是专门针对无线体域网设计的MAC层协议，它提供了适用于医疗保健等应用场景的低功耗、低传输延迟和高可靠性的通信机制。

IEEE802.15.6协议对不同类型的传感器数据进行了分类，为各种传感器提供了不同的通信机制，以满足其特定的需求。

3. IEEE802.15.6协议特点（1）低功耗：IEEE802.15.6协议采用了诸多节能技术，包括睡眠模式、自适应传输功率和数据压缩等，以降低传感器节点的功耗。

（2）多传感器支持：IEEE802.15.6协议支持多种不同类型的传感器节点，如生理参数传感器、运动传感器和环境传感器等，为不同应用场景提供了灵活的支持。

（3）高可靠性：IEEE802.15.6协议采用了多种传输机制和错误控制技术，以确保数据传输的可靠性和稳定性。

（4）多层安全保护：IEEE802.15.6协议提供了多层数据安全保护机制，包括身份认证、数据加密和防重放攻击等，以保障数据的安全性。

4. IEEE802.15.6协议结构IEEE802.15.6协议包括PHY层和MAC层两部分，其中MAC层负责实现数据的传输控制和资源分配。

无线传感器网络的MAC协议综述

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。

基于竞争机制的无线传感器网络MAC层协议的研究综述

的发射机和接收机将启动一个分组传输。ＳＴＥＭ使目标节点的接收机对源节点发射机引起重视的方法有
两个：Ｓ１＇ＥＭ—Ｂ和ＳＴＥＭ—Ｔ。
ＳＴＥＭ—Ｂ中．源发射机在唤醒信道周期性地发送
表明了源发射机和目标接收机的ＭＡＣ地址的信标．
而没有先期的载波监听。一旦接收机接收到该信标．
它立即向唤醒信道发一个确认帧（使发射机停止发
ＷｕｈｅＣｕｌｌｅｒｍ研究了ＣＳＭＡ协议的一些变化形
式。着重研究了这些协议的内在能量消耗和公平性．
但该协议没有采取任何措施以避免空闲监听或偷听
的发生。ＣＳＭＡ协议的目标网络和ＳＴＥＭ目标网络具有
相同的通信量模式。当一个节点从其上层得到一个待
发送的新分组时．会启动一个随机延迟．并将次数计
数器置０。在后续的监听阶段．节点进行载波侦听操
与ＩＥＥＥ８０２．１ｌＭＡＣ相比．Ｓ—ＭＡＣ协议尽量延长其他节点的休眠时间．降低了碰撞概率，减少了空闲侦听所消耗的能源：通过流量自适应的侦听机制。减少消息在网络中的传输延迟：采用带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据：通过消息分割和突发传递机制来和带内数据处理来减少控制消息的开销和消息的传递延迟。因而Ｓ－ＭＡＣ协议具有很好的节能特性．这对无线传感网络的需求和特点来说是合理的．但是由于ｓ＿ＭＡＣ中占空比固定不变．因此它不能很好地适应网络流量的变化．而且协议的实现非常复杂，需要占用大量的存储空间。这个对于资源受限的传感器节点尤为突出。１．４Ｔ—ＭＡＣ协议
作。如果媒体为忙状态．且试验的次数小于设定的最
现大值，则节点进入回退模式；如果媒体处于忙状态。且代节点已经用尽最大试验次数，则将分组丢弃。如果媒
计体是空闲的．则节点发送ＲＴＳ分组并进入“等待Ｃ１ｓ

基于SMAC的传感器网络MAC协议移动性支持研究

研究通常假设节点静止不动，节点间的通信链路稳
议实现移动性支持的一些解决思路。
收稿日期：０１１１２１－－０２
作者简介：马嘉涛（９１，，１８一）男硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络。通讯作者：徐玉斌，教授，．ａｌｙｂ６．ｏＥｍｉｘｕ＠１３ｃｍ：
等领域。以往的研究通常认为ＷＳ的节点在部Ｎ署之后的位置是固定不变的，越来越多的研究指但
出了增加节点移动性的优势。节点可移动的ＷＳＮ
闲状态耗费过多的时间，而达到提高能量效率的从
引起的一系列问题，在此基础上提出了ＳＣ协并ＭＡ
ＷＳ的ＭＡＮＣ协议主要解决大量节点ห้องสมุดไป่ตู้如何在合理、高效、能的前提下共享信道的问题，节其性能直接影ｐａ整个网络的效率。以往ＷＳｌｉｕＮ的ＭＡＣ协议
文章编号：６３— ０７２１）５—０５０１７２５（０１０３７— ７
基于ＳＣ的传感器网络ＭＡＭＡＣ协议移动性支持研究
马嘉涛，徐玉斌
（太原科技大学计算机科学与技术学院，太原００２）３０４
摘要：过理论分析及大量的仿真实验验证，入研究了采用低占空比技术的ＳＣ协议在移动通深ＭＡ
ｃｙｔｋｉｇｔｅｓａｐｅｔｕｄａａａｈｅｆｒｌｃｎｅｔｙｂａｎｈｔｒｓｃｒｍｔｓｔｏｍａｏｔｘ．Ｋｅｒｙｗｏｄｓ：ａａｍｉｎｇ，ｉｈｅｏｃｐａｔｃｃａｓｆｃｔｏｌｗｅｇｅｘａｔｓｐｒｄｔｎｉｗｅｇｔｄｃｎｅｔｌｔｉｅ，ｌｓｉａｉｎｒｅ，ｉｈｔｄｅｔｎｕｐｏｔｉｕ

基于无线传感器网络S—MAC协议的研究

睡眠机制增加的延时。
ＳＭＡＣ议的平均能耗。由图可以看到随着通信流量逐．协渐减少，串音避免机制ＳＭＡＣ有－协议的能耗明显低于没有
串音避免机制的ＳＭＡＣ协议。这是因为一方面使用串音 —
避免机制使干扰通信的节点都进入睡眠状态，免处理没避用的数据而节约能量，另一方面还降低碰撞发生的概率，节约了能量。在通信量越大、节点密度越高的网络中，串音避免机制的节能效果越明显。
发传送．
图３－Ａ协议仿真实现
其中：ＳＭＡＣ、ＰｈＲｄｏ、ＲａｉＣｎｒｌ示配ｙａｉｄｏｏｔｏ表
２１仿真条件．
本仿真使用＂ｎＯＳｑＡｒｒ［ｌｙｌ￣ｖｏａＩ２仿真平台实现Ｓ—Ｍ协议。在仿真具体实现中，设置女下：带宽为３ｂＵ，信道１３８Ｋｉｓ编码采用曼彻斯特（ｎｈｓｅ）编码，每个节点初始Ｍａｃｅｔｒ
．．．
ＣＣｌ０Ｃｏｔｌ００ｎｒ、ＡＤｏＣ、ＨＰＣ００示接口。ＬＣｌ０表
２３仿真结果与分析．
所建的能量模型主要用于统计节点的ＣＰＵ、指示灯（Ｌ、无线收发装置（Ｒａｄｉｄ）ｅ、节点平台Ｏ）（ｅｓｒｏｒＳｎｏＢａｄ）、闪存（ｌｓＦａｈ）的能耗。由于节点中Ｒａｉ的能耗远大于其它各部分，以实现节能主要是通过ｄｏ所降低Ｒｄ０ａｉ的能耗，在仿真中只给出了节点中Ｒｄｏ故ａｉ￣耗

无线传感器网络MAC协议

延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧固定周期调度后全监听周期，发现邻居
RTS操作和TA的选择
发送RTS未收到CTS，应再发送一次
TA >竞争信道时间 +RTS发送时间 +CTS准备时间
A Contend RTS CTS
DATA
ACKΒιβλιοθήκη BC Contend
Contend
TA
图 1-3 TMAC基本数据交换
ACK
图 1- 6接收RTS节点优先
PMAC协议-基本思想
SMAC调度占空比固定，TMAC早睡问题
引入模式信息，节点能够通过模式信息提前获知邻居的下一步活动，调度都根据模式信息来进行
SMAC协议的优缺点
优点通过睡眠机制减少了空闲侦听的能量损耗，实现
简单，交换交换时间表减少了同步所需要的开销。缺点
广播数据包并没有使用RTS-CTS，这样就增大的冲突碰撞的可能性，自适应可能会导致空闲侦听和窃听（overhearing），睡眠和监听的周期是预先定义的，并且固定的，这样在复杂多变的网络负载条件下，这种策略的效率会大大降低。
基本思想
发送时主动抢占，CSMA方式（载波侦听多路访问）
–
CSMA/CA主要使用两种方法来避免碰撞：
送出资料前，侦听媒体状态，等沒有人使用媒体，维持一段時间后，再等待一段随机的时间后依然沒有人使用，才送出资料。由于每个裝置采用的随机时间不同，所以可以减少碰撞的机会。
–
送出资料前，先送一段小小的请求传送封包（RTS : Request to Send）給目标
基本思想
周期性睡眠和监听；协商一致的睡眠调度机制（虚拟簇）自适应的侦听机制，减少信息的传输延迟消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息

无线传感器网络MAC协议的设计研究

在无线传感器网络协议栈中，媒体访问控制（Ｃ协ＭＡ）议运行在物理层之上，它主要解决共用信道的使用权问题，它的性能好坏直接关系到无线信道的利用效率和整个网络的性能。因此，Ｃ协议一直是无线传感器网络研究的热ＭＡ
点之一。目前，已有不少研究人员从不同方面提出了多个ＭＡＣ协议，这些ＭＡＣ协议具有不同的设计目标，用环境应也各不相同。１无线传感器网络ＭＡＣ协议设计的要点
中也面临诸多挑战。
计所考虑的主要问题。移动节点大多依靠电池提供工作所
需要的能量，且，于应用环境的限制，池能量通常难而由电
以进行补充，因此，在设计ＭＣ协议时，Ａ应尽量节省工作节点的能量，减少整个系统的功耗。
ＳｕｄｎＭＡＣｏｏｏｎｗｉｅｅｓｓｎｏｅｗｏｋｔｙｏｐｒｔｃｌｉｒｌｓｅｓｒｎｔｒｓ
ＬＵｎＩＹａ，ＬＩＤｅｓｉ－ｈ，ＴＡＯｅ．ｉｎ。Ｗｉ１ｇａ
（．ｃｏｌｆｌｔｏｉＩｆｒｔｎＷｕａｎｖｒｉ，ｕａ３０２，ｈｎ；１Ｓｈｏｏｅｒｎｃｎｏｍａｉ，ｈｎＵｉｅｓｙＷｈｎ４０７ＣｉａＥｃｏｔ
的数据感知、采集和处理的功能，需要网络中的诸多节点协
无线传感器网络由于其强大的数据获取能力以及可以
同合作，高效地利用有限的网络资源。因此，无线传感器网
络的ＭＡＣ协议要面临很多其他网络没有的新问题，在设计时需要考虑以下要点：１低能耗：）这是目前大部分传感器网络ＭＡＣ协议设