无线传感器网络中基于能量效率的分布式MAC协议
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无线传感器网络MAC协议进展
ｔｈｅ
ｃｏｍｐｅｔｉ－
无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，简称ＷＳＮ）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信 方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者， 使得人们能在任何时间、地点和任何环境条件下都能获取大量详实而可靠的信息。传感器网络由于其具有易扩展、自组织、分布式 结构、健壮性和实时性等特点，能够广泛地应用在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域 远程控制等诸多领域。 在无线传感器网络中，介质访问控制（ｍｅｄｉｕｍ ａｃｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ，ＭＡＣ）协议决定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。用来构建无线传感器网络系统的底层基础结构。ＭＡＣ协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能 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。
ＩＳＳＮ
１００９－３０４４
Ｅ—ｍａｉｌ：ｉｎｆｏ＠ｃｃｃｃ．ｎｅｔ．ｅｎ
Ｃｏｍｐｐｔｅｒ
Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脯知识与技术
Ｖ０１．５，Ｎｏ．１３，Ｍａｙ ２００９，ＰＰ．３３９４—３３９７
Ｔｅｌ：＋８６—５５ １—５６９０９６３
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｎｚｓ．ｎｅｔ．ｃａ ５６９０９６４
２无线传感器网络Ｍ．ＡＣ协议能量浪费原因
由于节点能量有限，能量管理是无线传感器网络的协议设计中的核心问题。已有的研究表明，无线通信模块是无线传感器网络 中主要的耗能部件，ＭＡＣ层协议为达到节能的目的，直接控制节点的通信模块，对节能起着最重要的作用。通信模块能量浪费主要 在四个方面： １）空闲侦听：当无数据发往节点时，通信模块仍然保持接收状态侦听信道，等待发往本节点的数据，造成无必要的空闲侦听能 量消耗。 ２）冲突：接收节点同时接收到来自多于一个节点的数据，无线信号重叠，造成接收到无用数据，即使只重叠一部分，也不得不丢 弃已接收部分，重传整个数据包，因此导致额外的重传能量浪费。 ３）串音（ｏｖｅｒｈｅａｒｉｎｇ）：节点接收到发往其他目的节点的数据包，也是无用数据，必须丢弃，导致接收能量浪费。 ４）控制包开销：连接建立阶段的控制包交换和数据发送前后的握手协议或者是固定分配协议中周期建立分配表等都是非有用 数据的控制包开销，ＭＡＣ层协议应该最小化控制包开销。 无线传感器网络中数据量很少，突发性很强，节点约９５％的时间都是空闲的，因此空闲侦听是主要的能量浪费，如果一直保持 侦听状态会造成极大的能量浪费，因此降低能耗主要是从控制通信模块的开启时间人手。冲突和串音在基于竞争的协议中易于发 生，而在固定分配协议中得到较好的控制，当负载很重和节点密度很高的时候，冲突和串音也是比较严重的能量浪费源。在协议启 动阶段、协议维持阶段和数据转发过程串都应该使用尽量少的控制包达到可靠的传输，以减少控制包发送能耗ｉ。ＭＡＣ层协议的设计 必须考虑以上四方面能量消耗．使这些能量浪费达到最小化。
S-mac协议与T-mac协议的比较论文
S-MAC协议与T-MAC协议的比较摘要：无线传感网络作为计算机、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。
在进行实时检测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息方面，具有极为广阔的应用和发展前景。
现已经提出了多种针对不同目标的MAC协议的无线传感器网络。
本文主要介绍了无线传感网MAC协议的特点以及分类，然后针对典型的S-mac和T-mac两个协议进行了简要介绍，并作出了性能比较。
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S-MAC T-MACAbstract：Wireless sensor network as the computer,communications and sensor product of the combination of three technologies has become an active field of computer and communications research branch.Carrying out various aspects of the object information in real-time detection,perception and acquisition distribution network in the region,has a very broad application and development prospects. Have been proposed are a variety of wireless sensor network for different target MAC protocol.This paper describes the characteristics of wireless sensor network MAC protocols and classification,and then for a typical S-mac and T-mac two protocols were brief and to make performance comparisons. Finally,to clarify the development trend of wireless sensor network based MAC protocol.Keywords：MAC protocol for wireless sensor network performance comparison S-MAC T-MAC1.概述随着通信技术、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。
在WSN中MAC协议的能量效率
在WSN中MAC协议的能量效率
袁丽娜
【期刊名称】《无线互联科技》
【年(卷),期】2012(000)009
【摘要】WSN吸引了研究者由于它广泛应用范围,如目标探测和跟踪,环境监控和战术系统。
对WSN,提出具有不同目标的不同MAC协议。
设计能效MAC协议对WSN中网络寿命具有重要影响。
然而,短侦听范围引起密集网络,因此它成为必要为达到能效MAC协议受能量限制。
在本文中,研究WSN中uMAC和μ-MAC协议的能效。
【总页数】1页(P76-76)
【作者】袁丽娜
【作者单位】铜仁学院数学与计算机科学系,贵州铜仁 554300
【正文语种】中文
【相关文献】
1.跨层设计下的单跳WSN能量有效MAC协议 [J], 万俊杰;叶玲
2.无线传感器网络中基于能量效率的分布式MAC协议 [J], 崔海霞;黎文楼;丁志文
3.一种能量高效的WSN跨层设计MAC协议 [J], 陈伟;程良伦
4.WSN中S-MAC协议的能量消耗分析及改进 [J], 王丽侠;赵磊;徐家品
5.基于数据和能量优先等级改进WSN中S-MAC协议的研究 [J], 王春霞
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中短程无线网络MAC层协议能量效率研究的开题报告
中短程无线网络MAC层协议能量效率研究的开题报告一、研究背景与意义随着物联网技术的不断发展和应用，人们越来越需要能够在短距离内进行高效的无线通信。
而中短程无线网络通常指的是范围在数十米至数百米内的无线网络，常见的应用包括个人局域网、传感器网络、工业自动化等。
中短程无线网络的应用非常广泛，但目前面临的一个重要挑战就是能量消耗问题。
相比于其他无线网络，中短程无线网络具有能量限制和易受干扰的特点，这意味着在设计中短程无线网络协议时，需要注重能量效率和鲁棒性。
当前，中短程无线网络MAC层协议对能量消耗的优化已经成为研究的热点之一。
因此，本研究将从中短程无线网络MAC层协议的角度出发，探讨如何提高其能量效率，以实现更可靠、可持续的中短程无线通信。
二、研究内容本研究将在以下几个方面进行探讨：1. 国内外中短程无线网络能量效率研究现状和发展趋势分析。
调研国内外相关文献和研究成果，分析其主要研究内容和方法，以及未来发展趋势。
2. 中短程无线网络MAC层协议能量效率的评价指标研究。
根据中短程无线网络的特点，确定能量效率的评价指标，如能量消耗、稳定性、鲁棒性等。
3. 中短程无线网络MAC层协议能量效率优化算法的设计与实现。
针对中短程无线网络MAC层协议中存在的能量浪费和效率低下的问题，设计相应的优化算法，通过仿真实验来验证算法的有效性和可行性。
4. 中短程无线网络MAC层协议能量效率与其他性能指标的综合性能分析。
考虑中短程无线网络MAC层协议能量效率与其他性能指标（如传输速率、时延、抗干扰能力等）的关系，分析其性能之间的平衡关系，为中短程无线网络的实际应用提供指导。
三、预期成果本研究的预期成果包括：1. 对国内外中短程无线网络能量效率研究现状和发展趋势进行了深入分析，并总结了主要问题。
2. 提出了中短程无线网络MAC层协议能量效率的评价指标，为能量效率的研究提供了基础。
3. 设计并实现了中短程无线网络MAC层协议能量效率优化算法，并通过仿真实验验证算法的可行性和有效性。
无线传感器网络MAC协议
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。
无线传感器网络MAC层协议探究
是能量高效 的协议 有效地延长网络 的生存 时间：
有部分 冲突发生时 ．这些分组则被称 为 “ 有冲突的分 二是具有对 于变化的可预测性和 自适应性 。网络大小 、 节点 的密度 和拓扑改变之后 ． 对于一个成功 的 自适应系 ［ 收稿 日 】０ ０ ０ — ８ 期 ２ １－ ２ ２
企 业 管 理 信 息 化
统应该可以进行快速 而有效的处理 。其他要 素 ， 如等待 的 另外公平性在其他无线网络 中会显得 比较重要 。 但
一
种． 就认为信道进入空 闲状态 ， 节点关闭射频模块 ， 转 由于 Ｔ Ｍ Ｃ的实现机 制与 ２ ０ －Ａ Ｏ ４版 的 Ｓ ＭＡＣ基 －
３Ｔａｆ － ｄ ｐｉｅ Ｃ Ｔ Ａ ． ｒ ｉ Ａ ａｔ ｆｃ ｖ ＭＡ （Ｒ ＭＡ）
在某些情况下 ． 检测 到网络中进入一个新的节点的
传感器将会在本地互相进行通信 ． 这种通信方式被称作
传感器将在一定范围内发送一条消息给它的 二、 与传感 器 网络 相关 的 ＭＡ 层协议 特性 本地传播 Ｃ
检测到有新 的进入者的传感器需要将其所 传感器节点的电量耗完后 ，我们将会丢弃此节点 。 邻居节点们 ． 这种通信方式又被称为 因此传感器 网络研究 的主要 目的就是使 网络的存在时 感知到的信 息传送到信 息中心 ．
一
、
引 言
组”发生冲突的所有分组都将会被丢弃或重新发送 ． ， 而
② 即节点接收到发给 随着硬件技术的发展 ． 低功耗 的传感器节点可 以仅 这将导致能量消耗的增加 ； 串扰 。 ③ 我们将 尽量满 足 由单 独的芯片组成 ， 在这个 芯片 中将会集成 内存 、 处理 其他节点的分组 ； 控制分组的费用 ， 器和收发装置等。与其他 的移动装置相 比， 的功率容 使最小数量的控制 分组用 于数据 的发送 ：④ 空闲监听 低
无线传感器网络的MAC协议全解
基于竞争的MAC层协议
T-MAC协议
解决早睡问题的方法之一——FRTSFuture Request To Send ◆节点C监听到B发送给A的CTS时;立即向D 发送FRTS;告知D所需等待时间;D睡眠后醒 来与C通信; ◆A在发送DS占用信道;DS与FRTS长度相同 无有效信息;DS发送后;A开始发送数据; ◆FRTS机制提高了网络吞吐量;增大了数据 量和碰撞概率
知其它可能隐蔽的站点的效果 避免了隐蔽站点造成的冲突
CSMA机制
MAC层CSMA/CA机制
数个节点进入退避阶段，如选择的退避时间一致，有可能会发生碰 撞，CSMA采用二进制指数退避机制规避再次碰撞。 ◆确定基本退避时间（基数），一般定为2T，即一个竞争窗口 ◆定义K为重传次数，K=min[重传次数，10] ◆从集合[0,1,2,···,2k-1]中，随机取出一个数R，令退避时间为 t=R×2T ◆如数据帧在重传16次后仍无法成功发送，则认为传输失败并报告 给高层协议
MAC层能耗来源
空闲侦听(Idlelistening)
◆射频模块处于活动状态会消耗大量的能源。这是节点能量消耗的 最主要来源，射频收发器处于接收模式时消耗的能量比其处于待命 模式多两个数量级。 ◆为避免冲突，节点也需要不断的侦听信道，查询信道是否被占用。 空闲侦听的代价也是很大的。
MAC层能耗来源
DMAC协议基本机制
基于竞争的MAC层协议
DMAC协议
自适应忙闲比机制
◆如果节点在一个发送周期内有多个数据包要发送，就需要该节 点和树状路径上的上层节点一起加大发送周期占空比 ◆通过在MAC层数据帧的帧头加入一个标记(more data flag)，以较小 的控制开销发送占空比更新请求。在ACK帧中加入同样的标记位 ◆节点提高忙闲比的条件：节点将相关标志位置1，或收到了该标 志位置1的ACK帧，传输路径上的节点依次提高忙闲比，增加了网 络的数据传输量。
第3讲 无线传感器网络技术-MAC协议(II)
TA > C+R+T
C – 竞争信道的时间; R – 发送RTS包所需的时间; T – 从RTS发送结束到开始发送CTS的时间;
TA = 1.5 * (C+R+T);
WSN
MAC for Sensor Networks
26
WSN
27
T-MAC:早睡问题
Early-Sleeping Problem
A
B
D
F
•谁会休眠？ • 发送节点和接收节点的所有直接邻居 • 用NAV决定休眠时间
WSN
MAC for Sensor Networks
15
S-MAC协议-关键技术3
• 流量自适应侦听（Adaptive Listening）
• 问题描述：
• 周期性睡眠导致了通信延迟的累加
Event
A
B 等待C醒来... B
C wakes up... C
Sensed
B 知道C下一次醒来的时间，但是却不想等到那时，而 希望立刻把消息传给C。
WSN
MAC for Sensor Networks
16
流量自适应侦听的解决方案
Event A
Sensed
CTS B CTS
C 从NAV 立刻知道 传输何时结束。
C
C 在传输结束时 醒来
N ASYNC ASYNC
A
A
BSYNC B
N
A ASYNC ASYNC
WSN
MAC for Sensor Networks
11
S-MAC: 周期性侦听和睡眠
相邻的节点同步形成虚拟 的簇 clusters 也称“时间表同步的岛屿”
C – 竞争信道的时间; R – 发送RTS包所需的时间; T – 从RTS发送结束到开始发送CTS的时间;
TA = 1.5 * (C+R+T);
WSN
MAC for Sensor Networks
26
WSN
27
T-MAC:早睡问题
Early-Sleeping Problem
A
B
D
F
•谁会休眠？ • 发送节点和接收节点的所有直接邻居 • 用NAV决定休眠时间
WSN
MAC for Sensor Networks
15
S-MAC协议-关键技术3
• 流量自适应侦听（Adaptive Listening）
• 问题描述：
• 周期性睡眠导致了通信延迟的累加
Event
A
B 等待C醒来... B
C wakes up... C
Sensed
B 知道C下一次醒来的时间，但是却不想等到那时，而 希望立刻把消息传给C。
WSN
MAC for Sensor Networks
16
流量自适应侦听的解决方案
Event A
Sensed
CTS B CTS
C 从NAV 立刻知道 传输何时结束。
C
C 在传输结束时 醒来
N ASYNC ASYNC
A
A
BSYNC B
N
A ASYNC ASYNC
WSN
MAC for Sensor Networks
11
S-MAC: 周期性侦听和睡眠
相邻的节点同步形成虚拟 的簇 clusters 也称“时间表同步的岛屿”
第3章 MAC协议
竞争协议无需全局网络信息，扩展性好，易于实现，但能耗大；调度协议没有冲突，因而节省能量， 但难于调整帧长度和时隙分配，难以处理拓扑结构变化，扩展性差，时钟同步精度要求高；混合MAC 协议具有上述两种MAC协议的优点，但通常比较复杂，实现难度大。
（2）根据MAC协议使用的信道数目可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。
如图3-1所示，节点A希望向节点B发送数据，节点C在A的无线通信范围内，节点D在节点B的无线通信范围内，但 不在节点A的无线通信范围内。 节点A首先向节点 B发送一个请求帧（request-to-send，RTS），节点B返回一个清除帧（clear-to-send，CTS） 进行应答。 在这两个帧中都有一个字段表示这次数据交换需要的时间长度，称为网络分配矢量（network allocation vector， NAV），其他帧的MAC头也会捎带这一信息。 节点C和 D在侦听到这个信息后，就不再发送任何数据，直到这次数据交换完成为止。NAV可看作一个计数器，以 均匀速率递减计数到零。当计数器为零时，虚拟载波侦听指示信道为空闲状态；否则，指示信道为忙状态。
无线传感网中能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗。其中通信能耗 所占比重远大于计算能耗，通信部件和计算部件的功耗比通常在1000倍以上。因 此减少MAC协议通信中的能量浪费，是延长网络生存时间的有效手段。
无线传感网MAC协议设计面临的问题
通信过程中造成能量损耗主要体现在以下几方面：
在无线传感网络中，MAC协议决定无线信道的使用方式。通过在传感器节点之间分配和共享 有限的无线信道资源，MAC协议构建起无线传感器网络通信系统的底层基础结构。由于多个 节点共享无线信道，且无线传感器网络通常采用多跳通信方式，因此MAC协议要解决隐藏终 端和暴露终端问题，使用分布式控制机制实现信道资源共享。
无线传感器网络MAC协议综述
无线传感器网络MAC协议综述摘要:在无线传感器网络体系结构中,MAC(medium access control)协议是保证网络高效通信的重要协议。
无线传感器网络有着与传统无线网络明显不同的性能特点和技术要求，它的设计目标是有效地使用网络节点的受限资源，以最大化网络的服务寿命，传统无线网络MAC协议无法应用于传感器网络，各种针对特定传感器网络特点的MAC协议相继提出。
本文首先简要介绍无线传感器网络的MAC协议，归纳无线传感器网络MAC协议的设计原则和分类方法，分析当前典型的各类MAC协议的主要机制，详细比较这些协议的特点、性能差异和应用范围。
最后总结无线传感器网络MAC协议的研究现状，并展望未来的研究。
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。
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。
1 无线传感器网路的MAC协议概述1.1无线传感器网路的MAC协议设计原则在WSN中，节点能量有限且难以补充。