无线传感网mac节能研究

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1、无限传感网MAC协议节能研究基于WSN网络的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效性成为WSN网络应用中首要的一个指标，能量高效的WSN网络通信协议是目前的一个热点研究领域。通过对现有系统的分析可知，射频模块是节点最大的耗能部件，是优化的主要目标。介质访问控制协议（MAC）直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响，能源效率是无线传感网MAC层协议最主要的设计目标。WSN网络中能量浪费的主要原因：网络中能量浪费的主要原因：1）空闲侦听节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频模块必须一直处于接收状态，消耗大量的能量。这是无效功耗的最主要的来源。2）消息碰撞（冲突）同

2、时向同一节点发送多个数据包时，信号会互相干扰，接收方无法准确接收，这时节点消耗在发送和接收数据上的能量就被浪费了，而重新发送数据消耗更多的能量。3）串扰（窃听）无线信道是一个共享的媒体，一个节点可能会接收到发送给其他节点的消息，这时节点消耗在接收数据上的能量属于无效功耗。4）控制报文开销在MAC协议的头字段和控制消息包中没有包含有效的数据，消耗的能量也是无效的。5）发送失效在目的节点没有准备好接收时。发生节点发送了消息，造成能量的浪费。MAC协议降低功耗的主要方法1）减少数据流减少数据流量是最根本的解决方案，目前主要靠在网络层或者在数据链路层上增加一个数据融合层

3、来实现，但在MAC层是否能够进行数据融合以及如何进行融合是目前的研究的较少的领域。2）增加射频模块的休眠时间节点在没有数据接收或发送时，关闭射频模块，节点转入休眠状态，这种方法可以降低工作占空比，减少串扰和空闲侦听带来的能量浪费，代价是增加延迟和降低系统的吞吐量。3）冲突避免冲突避免主要采用RTS/CTS/DATA/ACK握手机制，既解决了隐藏节点的冲突，又实现了链路层的可靠传输，但也增加了控制开销。WSN网络中典型的MAC协议1)带冲突避免的载波侦听多路访问层协议（CSMA/CA）1)带冲突避免的载波侦听多路访问MAC层协议（CSMA/CA）为发尽量减少数据的

4、传输碰撞和重试发送，防止各节点无序地争用无线信道，提出CSMA/CA协议，它主要是应用于无线局域网IEEE802.11MAC协议的分布式协调工作模式下的一种协议。在节点侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避时间，实现无线信道的共享。此类协议实现简单，易于扩展，但冲突会导致能量浪费，时延难以估计。2)IEEE802.15.42)IEEE802.15.4IEEE802.15.4为廉价设备提供了一种极低复杂度、成本和功耗、低数据率的无线互联标准，传感器网络是它的主要应用领域之一。标准定义了协议栈中的MAC层和物理层。MAC层采用CSMA/CA接入，物理

5、层有3种频率选择：868MHz，915MHz和2.4GHz。为了降低功耗，标准采用了缓存机制。具体过程如下：节点定期侦听信道，接收beacon帧，在没有数据发送和接收时进入休眠状态。网络协调者（coordinator）缓存发往休眠节点的数据，定期发送beacon帧，帧携带这些数据的目的节点地址。节点发现网络协调者缓存了发往自己的数据之后，向其发送poll帧，表示自己可以接收数据。网络协调者在收到poll帧之后，首先向节点发送ACK帧，随后发送缓存的数据。在收到数据之后，节点向网络协调者发送ACK帧。3）低功耗前导载波周期侦听协议LPL（LowPowerListe

6、ning）Listening）CSMA/CA协议的主要缺点在于节点在空闲侦听时浪费了大量的能源，LPL引入了一种载波检测机制，通过使节点的无线收发装置有规律地处于“工作”“待、命”状态，而不丢失发送给该节点的数据，以减少空闲侦听的能量消耗。LPL的工作原理如下：节点周期性地短时间侦听信道，以确定信道的状态。如果信道空闲，节点再次休眠。如果信道忙，节点继续侦听信道，直到数据接收完毕或再次空闲。节点在发送数据是，数据包前加入了前导载波，使得接收节点在数据包的数据部分发送前进入工作状态，已接收数据。这种机制的主要思想是将接收节点消耗在空闲侦听上的能量，转移到发送数据节

7、点消耗在发送前导载波的能量消耗上去，从而使接收节点能周期性地开启无线收发装置、侦听是否有发送过来的数据和检测是否有前导载波。如果接收节点在工作状态检测到前导载波，它就会一直侦听信道，直到数据被正确地接收;如果节点没有检测到前导载波，节点的无线装置将被置于“待命”状态，直到下一个前导载波检测周期到来。加入前导载波，减少了空闲侦听，但增加了发送和接收的控制开销。4）S-MAC协议S-MAC（Self-organizingMAC）协议是在802.11MAC协议基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议。S-MAC协议采用以下机制：周期性侦听/睡眠

8、的低占空比工作方式，控制