无线传感器网络基于时分复用的mac协议本科学位论文.doc

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1、 本 科 毕 业 设 计（论文）题目: 无线传感器网络基于时分复用的MAC协议北 京 邮 电 大 学本科毕业设计（论文）任务书学院专业学生姓名学号指导教师姓名职称设计(论文)题目无线传感器网络基于时分复用方式的MAC协议的研究题目分类1、工程实践类 研究设计类理论分析类（1、2类中各选一项在内打）2、软件 硬件 软硬结合 非软硬件题目来源题目是否来源于科研项目 是 否主要任务及目标：研究无线传感器网络中的一类MAC协议：基于时分复用的MAC协议主要内容：1 对传感器网络的MAC协议以及基于时分复用的MAC协议进行综述；2 学习网络仿真软件OPNET；3 研究DEANA协议；4 研究TRAMA协

2、议； 5 对上述两种协议进行比较，对其中之一进行改进或提出一种更有效的基于时分复用的MAC协议；6 对改进的结果或新提出的协议性能进行仿真验证；7 总结整个研究过程的收获；8 翻译两篇最新的有关传感器网络MAC协议研究的英文论文。主要参考文献：1 Akyildiz I F, Su W, Sankarasubramaniam Y, Cayirci E, “A survey on sensor networks”, IEEE Communications Magazine, 2002, 40(8):102-114.2 Bao L, Garcial-Luna-Aceves J J, “A new a

3、pproach to channel access scheduling for ad hoc networks”, Proc 7th Annual Intl Conf on Mobile Computing and Networking (MobiCOM 2001), Rome, Italy, July 16-21, 2001, 210-221.3 Rajendran V, Obraczka K, Garcial-Luna-Aceves J J, “Energy-efficient, collision-free periodic medium access control for wire

4、less sensor networks”, Proc 1st Intl Conf on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys03), November 2003, Los Angeles, CA, 181-192.4 孙利民等，“无线传感器网络”，清华大学出版社，2005。5 OPNET online tutorial.进度安排：2月中3月中，查阅文献，编写开题报告，完成关于传感器网络MAC协议以及基于时分复用MAC协议的研究综述并学习仿真软件。3月中4月中，完成对DEANA以及TRAMA协议的研究并进行仿真，编写中期报告。4月中5月中，对以上几

5、种MAC协议之一进行改进或提出新的基于时分复用的MAC协议，完成仿真。5月中6月中，完成论文的最终稿以及翻译，答辩。指导教师签字日期2009年3 月10 日注：一式二份，学院、学生各一份。北 京 邮 电 大 学本科毕业设计（论文）答辩决议书学院学生姓名毕业设计论文题目指导教师姓名指导教师评语：（主要包含选题背景、意义；设计（论文）质量；设计（论文）成果、价值、创见性；论文撰写水平、文本规范程度；学生能力体现、工作量、工作态度；不足和希望等方面）指导教师评分(满分40分)签字日期 年 月 日答辩小组评语：（主要包含选题背景、意义；设计（论文）质量；设计（论文）成果、价值、创见性；论文撰写水平、文

6、本规范程度；答辩准备、陈述、回答问题情况；不足和希望等方面） 答辩小组评分： 组长职称： 签字：(满分60分) 成员职称： 签字： 成员职称： 签字： 成员职称： 签字： 成员职称： 签字： 年 月 日 注：毕业设计（论文）成绩由指导教师评分（满分40分）和答辩小组评分（满分60分）相加，得出百分制成绩，再按100-90分为“优”、89-80分为“良”、79-70分为“中”、69-60分为“及格”、60分以下为“不及格”的标准折合成五级分制成绩。北 京 邮 电 大 学本科毕业设计（论文）诚信声明本人声明所呈交的毕业设计（论文），题目无线传感器网络基于时分复用的MAC协议是本人在指导教师的指导下

7、，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 无线传感器网络基于时分复用的MAC协议研究摘 要在无线传感器网络中，介质访问控制MAC协议决定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的底层，在传感器网络中具有重要作用，是保证无线传感器网络高效通信的关键协议之一。传统网络的MAC协议重点考虑节点使用带宽的公平性，提高带宽的利用

8、率以及增加网络的实时性，而传感器网络MAC协议与传统网络的MAC协议所注重的因素正好反序，所以，传统网络的MAC协议不适用于传感器网络，需要研究和提出新的适用于传感器网络的MAC协议。本文首先对于无线传感器网络做了系统的介绍，随后总结了传感器网络中MAC协议设计应该满足的一些要求，并对现有的MAC协议按照基于竞争和基于十分复用的原则分成两类进行介绍，重点介绍基于时分复用的MAC协议。然后重点研究了无线传感器网络中基于时分复用的两种典型协议DEANA和TRAMA协议。通过使用网络仿真软件OPNET对上述两种协议进行仿真比较。经过仿真可知，和其他一些协议相比，DEANA协议可以节省大约95%的能量

9、。但是DEANA协议要求相当高的时间同步精度。关键词无线传感器网络MAC协议OPNET网络仿真工作The Research of Wireless Sensor Networks MAC Protocol Based on TDMAABSTRACTIn wireless sensor networks, the medium access control (MAC) protocol decided the access of the wireless channel and the allocation of the wireless communication resources amon

10、g the nodes. As the bottom foundation of wireless sensor networks, MAC plays an important role in sensor network. It is one of the crucial protocols which guarantee the efficiency of the wireless sensor network communication.The MAC protocol of the traditional network focuses on the fairness of the

11、use of bandwidth, improving the bandwidth utilization ratio and increasing the real-time of the network. But what the sensor network focuses on is different from the traditional network. Therefore traditional MAC protocols cannot be applied efficiently to WSNs, many new MAC protocols which are adequ

12、ate for WSNs need to be discussed and proposed.In this paper, we first introduce the wireless sensor network briefly. Next we summarize the requirements we need to design the MAC protocols for sensor network. We mainly introduced the MAC protocols based on TDMA after introduced two types of MAC prot

13、ocols -contention-based MAC protocols and TDMA-based MAC protocols. After that we focus on DEANA and TRAMA, two TDMA-based MAC protocols. At the end, OPNET was used to compare the performance of the two protocols.Using the simulation result, we find out that DEANA can achieve significant energy savi

14、ngs (up to 95%).But it calls for very high accuracy of time synchronization.KEY WORDS WSN MAC protocols OPNET目录第一章 引言11.1 课题研究背景及意义1第二章 无线传感器网络概述32.1 无线传感器网络的概念32.2 传感器网络体系结构32.2.1传感器网络节点功能结构42.2.2传感器网络的通信体系结构42.3无线传感器网络的特征62.4无线传感器网络的应用7第三章 无线传感器网络MAC协议93.1概述93.2无线传感器网络MAC协议设计原则93.2.1无线传感器网络中的主要能耗9

15、3.2.2无线传感器网络MAC协议设计93.3无线传感器网络MAC协议研究现状103.3.1基于竞争的MAC协议103.3.2基于时分复用的MAC协议113.3.3 MAC协议研究进展11第四章 基于时分复用的MAC协议134.1基于分簇网络的MAC协议134.2 DEANA协议134.3 TRAMA协议15第五章 使用OPNET实现DEANA协议的仿真205.1网络仿真软件OPNET简介：205.2 OPNET仿真步骤215.3 OPNET Modeler主要特性215.4使用OPNET对DEANA协议进行仿真225.4.1 节点模型的搭建225.4.2进程模型的搭建245.4.3 仿真环境

16、介绍265.4.4 仿真结果27第六章 总结29参考文献30致谢321北京邮电大学本科毕业设计（论文）第一章 引言1.1 课题研究背景及意义无线传感器网络（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得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、

17、抢救救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域。由于传感器网络巨大的科学意义和应用价值，已引起全世界各国学术界、军事部门、商界和工业界的极大关注。自2001年开始，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）把智能传感器网络的基础研究，以求获得所谓战区“超视觉”数据。2002年8月，美国国家科学基金会NSF资助4000万美元在UCLA成立了传感器网络研究中心，联合各高校展开“嵌入式智能传感器”项目进行研究，以求利用传感器网络对物理世界实现全方位的监测与控制，这也是美国国情咨文中有关NGI最主要的远景规划之一。日本、英国

18、、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。我国在传感器网络方面的研究工作还很少，启动我国在该领域的基础研究，特别是面向国防的应用研究，以提高国防军事信息化的水平及争取未来信息战中的主动权，不仅具有重要社会与经济意义，也具有十分长远的战略意义。在无线传感器网络中，介质访问控制（medium access control, MAC）协议决定了无线信道的使用方式，通过在传感器节点之间分配有限的无线通信资源来构建传感器网络的底层基础结构。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。本文共分

19、五章：第一章为绪论部分，主要介绍了无线传感器网络的概念、课题背景、发展状况以及本文的工作内容和组织结构；第二章主要分析了无线传感网络的组成结构，总结了现有的无线传感网络的体系架构、应用和特征。第三章主要就现有的无线传感网络的各种MAC协议和算法进行了对比和分析，总结了无线传感网络MAC协议的共有特点以及不同网络MAC协议间的不同之处。为后面的深入研究无线传感网络的MAC奠定了基础。第四章主要介绍了使用的仿真平台：网络仿真软件OPNET，并略述在OPNET中实现无线传感网络仿真的工作。第五章针对分布式能量感知节点活动（distributed energy-aware node activatio

20、n, DEANA），进行了分析和仿真，证明了算法的有效性。最后对所作的工作进行了总结和未来工作的展望。第二章 无线传感器网络概述2.1 无线传感器网络的概念随着无线通信、微电子机械制造技术和传感技术的发展， 无线传感器网络(Wireless sensor networks, WSNs) 引起了人们的广泛关注.。WSNs 由部署在监测区域内， 大量集成有感知、数据处理和无线通信及能量供应模块的微型传感器节点所组成。在目标入侵监测、目标跟踪、环境监测、战场侦察、生物医疗、抢险救灾以及工业加工过程的监控等领域，WSNs 都具有广阔的应用前景。传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网

21、络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物）。传感器网络结构如图2-1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）、和管理节点。图2-1无线传感器网络 如上图所示：传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到汇聚节点，汇聚节点也可以用同样的方式将信息发送给各节点。汇聚节点直接与Internet或通信卫星相连，通过Internet或通信卫星实现任务管理节点（即观察者）与传感器之间的通信。2.2 传感器网络体系结构无线传感器网络的实现需要自组织

22、(Ad hoc)网络技术。尽管已有许多Ad hoc网络的协议和算法，但并不能够满足传感器网络的需求。具体来说，相对于一般意义上的自组织网络，传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计中特殊考虑1。(1) 无线传感器网络中的节点数目高出Ad hoc网络节点数目几个数量级，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求。由于传感器节点的数目多开销大，传感器网络通常不具备全球唯一的地址标识，这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网络而言，有很大的简化。此外，由于传感器网络节点众多，因此，单个节点的价格对于整个传感器网络的成本而言非常重要。(2) 自组织传感器网络最大的特点就是能量受限。传感器节点受环境

23、的限制，通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。(3) 由于传感器网络应用的环境的特殊性、无线信道不稳定以及能源受限的特点，传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的以保证部分传感器网络的损坏不会影响到全局任务的进行。(4) 传感器节点高密度部署，网络拓扑结构变化快，对于拓扑结构的维护也提出了挑战。上述这些特点使得无线传感器网络有别于传统的自组织网络，并在当前的一些体系结构设计的尝试中得到了突出的表现。2.2.1传感器网络节点功能结构在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都

24、由数据采集、数据处理、数据传输和电源这4部分组成(见图1)。根据具体应用需求，还可能会有定位系统以确定传感节点的位置，有移动单元使得传感器可以在待监测地域中移动，或具有供电装置以从环境中获得必要的能源。此外，还必须有一些应用相关部分，例如，某些传感器节点有可能在深海或者海底，也有可能出现在化学污染或生物污染的地方，这就需要在传感器节点的设计上采用一些特殊的防护措施。图2-2传感器网络节点功能结构2.2.2传感器网络的通信体系结构根据以上特性，传感器网络需要根据用户对网络的需求设计适应自身特点的网络体系结构2，为网络协议和算法的标准化提供统一的技术规范，使其能够满足用户的需求。传感器网络体系结构

25、具有二维结构(如图2-3所示)，即横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面。通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层、应用层，而网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面。管理面的存在主要是用于协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。图2-3传感器网络的通信体系结构 1、物理层无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。例如，在微尘项目中，使用了光介质进行通信。还有使用红外技术的传感器网络，它们都需要在收发双方之间存在视距传输通路。而大量的传感器网络节点基于射频电路，本文主要探讨这类传感器网络。无线传感器网络推荐使用

26、免许可证频段(ISM)。在物理层技术选择方面，环境的信号传播特性、物理层技术的能耗是设计的关键问题。传感器网络的典型信道属于近地面信道，其传播损耗因子较大。并且天线高度距离地面越近，其损耗因子就越大，这是传感器网络物理层设计的不利因素。然而无线传感器网络的某些内在特征也有有利于设计的方面，例如，高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影效应和路径损耗。目前低功率传感器网络物理层的设计仍然有许多未知领域需要深入探讨。2、数据链路层数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制。数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接。(1)媒体接入控制在无线多跳Ad ho

27、c网络中，媒体访问控制(MAC)层协议主要负责两个职能。其一是网络结构的建立。因为成千上万个传感器节点高密度地分布于待测地域，MAC层机制需要为数据传输提供有效的通信链路，并为无线通信的多跳传输和网络的自组织特性提供网络组织结构。其二是为传感器节点有效合理地分配资源。蓝牙和移动Ad hoc网络可能是最接近传感器网络的现有网络。然而蓝牙采用星形网络拓扑结构，并采用集中式分配的时分复用机制，这对于拓扑结构需要经常调整的无线传感器网络来说并不有利。传统Ad hoc网络的MAC层协议强调在移动条件下提供较好的服务质量(QoS)保证，节电并非其考虑的主要因素，因此，也不能够照搬于无线传感器网络。(2)差

28、错控制数据链路层的另一个重要功能是传输数据的差错控制。在通信网中有两种重要的差错控制模式分别是前向差错控制(FEC)和自动重传请求(ARQ)。在多跳网络中ARQ的使用由于重传的附加能耗和开销而很少使用。既便是使用FEC方式，也只有低复杂度的循环码被考虑到，而其他的适合传感器网络的差错控制方案仍处在探索阶段。3、网络层传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围。在传感器网络节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。传统的Ad hoc网络多基于点对点的通信。而为增加路由可达度，并考虑到传感器网络的节点并非很稳定，在传感器节点多数使用广播式通信，路由算法也基于广播方式进行优化。此外，与传统的

29、Ad hoc网络路由技术相比，无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题。基于节能的路由有若干种，如最大有效功率(PA)路由算法，即选择总有效功率最大的路由，总有效功率可以通过累加路由上的有效功率得到。最小能量路由算法，该算法选择从传感器节点到接收器传输数据消耗最小能量的路由。基于最小跳数路由：在传感器节点和接收机之间选择最小跳数的节点。以及基于最大最小有效功率节点路由，即算法选择所有路由中最小有效功率最大的路由。传感器网络的网络层设计的设计特色还体现在以数据为中心。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。而传统网络传送的数据是和节点

30、的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。4、传输层传感器网络的计算资源和存储资源都十分有限，而且通常数据传输量并不是很大。这样，对于传感器网络而言，是否需要传输层是一个问题。最为熟知的传输控制协议(TCP)是一个基于全局地址的端到端传输协议，而对于传感器网络而言，TCP设计思想中基于属性的命名对于传感器网络的扩展性并没有太大的必要性，而数据确认机制也需要大量消耗存储器，因此合适于传感器网络的传输层协议会更类似于UDP协议。2.3无线传感器网络的特征WSNs 网络是一种特定的Ad hoc

31、网络，网络中的节点自组织成网络，不需要任何基础设施。 与WSNs 网络最为相似的是移动自组织网络(Mobile Ad hoc networks, MANET)， 尽管二者都是无线自组织多跳网络，具有相似之处， 但差异很大。1、自组织性无线传感器网络是通过向监测区域随机抛撒大量的传感器节点来部署网络的，各节点间通过自我协调、自我配置组成网络，无法依靠其他辅助设施或是认为手段来配置网络。由于能量限制、环境干扰和人为破坏等因素的影响，传感器节点会损坏，导致一些节点不能正常工作，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结

32、构随之动态地变化。这就要求传感器节点的自组织能力来适应这种网络拓扑结构的动态变化。2、动态拓扑在传感器网络的是使用过程中，有以下几种原因造成传感器网络拓扑结构的改变：新节点的加入；环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通。3、以应用为导向的网络传感器网络具有非常广阔的应用前景，不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器网络的应用系统也有多种多样的要求。其硬件平台、软件系统和网络协议都有很大差别。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统

33、网络的显著特征。4、多跳路由节点受通信距离、功率控制或节能的限制，当节点无法与网关直接通信时，需要由其他节点转发完成数据的传输，因此网络数据传输路由是多跳的。2.4无线传感器网络的应用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。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。1. 军事应用传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上的应用。在现代战争中，可以通过飞机撒播等形式将大量廉价的传感器密集地部署在人员不便到达

34、的观察区域。如敌方阵地，收集到有用的机密数据；在个别或一部分传感器节点因为遭破坏等原因失效时，传感器网络仍然能够依靠自组织性完成贯彻任务。传感器网络众多优点可适应于以下几种军事应用：监测人员、装备等情况以及单兵系统；监测敌军进攻；评估战果；核能、生物、化学攻击的侦查。2. 环境应用 应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需要更换电池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径3 。(1) 农业环境的自动监测系统。各种环境因素包括水、电、热、光等，对于农业生产非常地重要，利用无线传感网络有效地监测这些环境因素，采

35、集相关的数据并进行适当的环境控制，可以提高农业集约化生产的程度，简化系统复杂性，降低设备的成本，有效地提高农业生产的效率和效果。(2) 自然灾害的预防。在一些容易发生泥石流、滑坡等自然灾害的地方，使用无线传感网络及时、长期地对这些地方的地形变化、各种环境因素的监测，采集相关数据并进行适当的分析，当灾难将要发生时，我们就可以提前发出预警报告以做好准备或采取相应措施防止它们进一步的发生。(3) 火灾、化学现场的数据采集。对于一些人类不适宜进入的但又必须对其环境进行监测的场合，例如火灾、含有大量对人体有害的化学物质的场合，在其中部署一组无线传感网络可以让我们知道这些场合的实时情况，并做出正确的决策，

36、减少灾难造成的损失或者有效地收集到化学现场的环境变化数据，进行有效的分析和研究。(4) 生态环境的监测4。随着科学技术的飞速发展，生态环境逐渐被更多人所关注，从研究到保护都需要掌握大面积地域中的大量数据，甚至有些勘测区域人类无法触及，而传感器网络的许多特征正好适应了这样一种需求。例如在非洲不发达地区，每年都有大量的人因为霍乱以及其他经由水污染的疾病死去，利用无线传感网络，采集并分析这些受污染地区的饮用水质量，并作出相应的保护措施，这样，才能减少受灾的人数。3. 企业、家庭监控。在企业、家庭布设无线传感网络，可以实时地监控人员的流动和环境的变化，有利于企业、家庭采取有效的安全防护措施和灾难应变措

37、施。4. 医疗应用 传感器网络在医疗领域也有一些成功实例。SSIM（Smart Sensors and Integrated Microsystems）项目中，100个微型传感器被植入病人眼中5，从而帮助盲人获得了一定程度的视觉。借助于各种医疗传感器网络，人们可以享受到更方便更舒适的医疗服务。5. 建筑及城市管理 无线传感器网络用于监测建筑物的健康状况，不仅成本低廉，而且能解决传统监测布线复杂、线路老化、易受损坏等问题。斯坦福大学提出了基于无线传感器网络的建筑物监测系统，采用基于分簇结构的两层网络系统。传感器节点由EVK915模块和ADXL210加速度传感器构成，簇首节点由Proxim Ran

38、gelLAN2无线调制器和EVK915连接而成。第三章 无线传感器网络MAC协议3.1概述无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)作为当今信息领域新的研究热点,涉及多学科交叉的研究领域,有非常多的关键技术有待发现和研究,其中,网络协议的设计就是关键技术之一,目前的研究重点是网络层协议和数据链路层协议,而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,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

39、继提出。在以下几节中，本文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。3.2无线传感器网络MAC协议设计原则3.2.1无线传感器网络中的主要能耗为了分析和评价MAC 协议的能量有效性, 需要分析是哪些因素导致了能量损耗. WSNs 网络中造成能量浪费的主要因素有以下几个方面67：1、空闲侦听(Idle Listening) 节点不能预知他的邻居节点何时传输数据给自己，因此节点的射频模块需要一直保持为接收模式，就造成了节点能量的大量消耗。这是能量浪费的主要因素。2、冲突重传(Collision and Re

40、transmission) 节点在发送数据的过程中，在竞争共享的无线信道中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞，数据包发送失败，这就浪赞了发送和接收数据上的能量，然后需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。3、串音(Overhearing) 数据包是在共享的无线信道中传输，一个节点可能会接收并处理不是发送给自己的数据包，此时，会造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。4、控制消息 MAC协议首部包括一些控制信息，如RTS/CTS/ACK，节点发送这些控制信息需要消耗一定的能量。传感器节点无线通信模块的状态包括发送、接收、侦听和休眠四种状态，目前的MAC协议在降低功耗方面主要

41、集中在增加节点的休眠时间，减少节点对信道的侦听。3.2.2无线传感器网络MAC协议设计无线传感器网络域现有的Ad Hoc网络有很大的区别，导致已有网络中的许多技术并不能直接应用到无线传感器网络中。无线传感器网络的MAC协议的主要目标是节能和自组织，而每个节点的公平和时延是次要的。为了建立可靠稳定的无线传感器网络，在设计无线传感器网络的MAC层协议时需要着重考虑以下5个方面：1、降低能耗。无线传感器网络的基本特征就是能量受限，MAC层协议要尽可能地节约能源，如减少冲突和串音、降低占空比和尽量避免长距离通信。协议中还应该包括折中机制，使用火可用在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择。另外，设计协

42、议时应该注意能量不是随时可用的，因为节点可能处于睡眠状态或者由于不可知的原因死亡。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。而为无线传感器网络设计的MAC层协议关注的是最小化能耗，这就决定了它要适度地减小吞吐量和增加时延。由于无线传感器网络的节点总是协作完成某应用任务，所以公平性通常不是主要问题。另外无线传感器网络的一些典型应用（如战场目标跟踪）也对其MAC层协议的设计提出了不同于传统无线网络的要求。2、实时性。无线传感器网络经常被应用于军事、医疗等对实时性要求很高的领域，及时地检测、处理和传递信息是其不可缺少的要求。MAC层应和其他层合作提供实时保证。3、自组织性

43、。由于传感器节点数目、节点分布等在无线传感器网络生存过程中不断变化，网络的拓扑结构也经常变化，节点位置可能移动，考虑无线传感器网络的可扩展性，节点的加入与退出使得网络拓扑呈动态变化。MAC层协议应该具有可扩展性以适应无线传感器网络动态变化的拓扑结构。4、分布式。由于无线传感器网络的节点计算能力和存储能力有限，需要众多节点协同完成某应用任务，所以MAC层协议应该运行分布式的算法，这也是有效避免某些节点的死亡造成网络瘫痪的需要。5、网络性能。MAC层协议的设计需要在各种性能间取得平衡，各性能间的平衡往往比单个性能的表现更重要。因为一个不平衡的协议即使在实验室里表现好，也可能在实际环境中表现很差。比

44、如，一个协议如果太频繁地关闭无线收发装置来节能，不仅使实时性和可靠性受到影响，包丢失引起的重传也会反过来影响节能的效果。无线传感器网络针对不同的应用显示出了不同的网络特性，MAC层协议应该能适应不同应用的各种流量模式。3.3无线传感器网络MAC协议研究现状MAC层是无线传感器网络协议堆栈中的一个重要层次，它实现网络的自组织和节能。节点被随机放置后，MAC层协议实现节点间链路的建立，保证所有节点可以公平、有效地利用有效的带宽。另外，网络的节能也由MAC层实现。目前研究者已经提出了很多MAC层设计的建议方案，大致可以划分为以下几类。3.3.1基于竞争的MAC协议基于无线信道随机竞争方式的MAC协议

45、采用按需使用信道的方式，主要思想就是当节点有数据发送请求时，通过竞争方式占用无线信道，当发送数据发生冲突时，按照某种策略(如IEEE802.11 MAC协议8的分布式协调工作模式DCF采用的是二进制退避重传机制)重发数据，直到数据发送成功或彻底放弃发送数据。由于在IEEE802.11 MAC协议基础上，研究者们提出了多个适合无线传感器网络的基于竞争的MAC协议。主要有IEEE 802.11 MAC层协议、S-MAC协议以及在S-MAC基础上进行改进的T-MAC协议。3.3.2基于时分复用的MAC协议 时分复用(TDMA)机制就是为每个无线传感器网络节点分配独立的用于数据收发的时隙，而节点在其他

46、空闲时隙内转入睡眠节能状态。相比随机竞争接入机制，时分复用方式本身就更能节省能量，是实现信道分配的简单成熟机制，因为无线电波的工作时间缩短，而且没有任何竞争带来的开销和冲突。如蓝牙网络就是采用的典型TDMA的MAC协议。3.3.3 MAC协议研究进展由于传感器网络的巨大应用前景，其研究正逐步受到各国研究人员的重视。作为CITRIS（Center of Information Technology Research in the Interest of Society）计划的一部分，美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算机科学家们采用传感器网络，让大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感觉并意识到它们本身的状况，使得安装了传感器网络的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级来进行一系列自我修复工作。在我国，清华大学，北京邮电大学，中科院研究所等也开始对传感器网络进行研究，并取得了一些初步进展。下面简单介绍一下国内外