無線感測器網路MAC協議文獻綜述

A. 無線感測器網路MAC協議有哪些基本分類

沒有統一的MAC協議分類方式，但是大體依據標准分為三種，如根據網路拓撲結構方式(分布式和集中式控制)；使用單一或多信道方式；採用固定分配信道還是隨機訪問信道方式。
已有的參考文獻也將無線感測器網路MAC協議分為三類：確定性分配、競爭佔用和隨機訪問。前兩者不是感測器網路的理想選擇。因為TDMA固定時隙的發送模式功耗過大，為了節省功耗，空閑狀態應關閉發射機。競爭佔用方案需要實時監測信道狀態也不是一種合理的選擇。隨機介質訪問模式比較適合於無線感測網路的節能要求。
下面介紹根據信道分配使用方式，將無線感測器網路MAC協議分為基於無線信道隨機競爭方式和時分復用方式及基於時分和頻分復用等其他混合方式三種。
1) 無線信道隨機競爭接入方式(CSMA)

節點需要發送數據時採用隨機方式使用無線信道，典型的如採用載波監聽多路訪問(CSMA)的MAC協議，需要注意隱藏終端和暴露終端問題，盡量減少節點間的干擾。

2) 無線信道時分復用無競爭接入方式(TDMA)

採用時分復用(TDMA)方式給每個節點分配了一個固定的無線信道使用時段，可以有效避免節點間的干擾。

3) 無線信道時分／頻分／碼分等混合復用接入方式(TDMA／FDMA／CDMA)

通過混合採用時分和頻分或碼分等復用方式，實現節點間的無沖突信道分配策略。

B. 無線感測器網路的特點及關鍵技術

無線感測器網路的特點及關鍵技術

無線感測器網路被普遍認為是二十一世紀最重要的技術之一，是目前計算機網路、無線通信和微電子技術等領域的研究熱點。下面我為大家搜索整理了關於無線感測器網路的特點及關鍵技術，歡迎參考閱讀！

一、無線感測器網路的特點

與其他類型的無線網路相比，感測器網路有著鮮明的特徵。其主要特點可以歸納如下：

（一）感測器節點能量有限。當前感測器通常由內置的電池提供能量，由於體積受限，因而其攜帶的能量非常有限。如何使感測器節點有限的能量得到高效的利用，延長網路生存周期，這是感測器網路面臨的首要挑戰。

（二）通信能力有限。無線通信消耗的能量與通信距離的關系為E=kdn。其中，參數n的取值為2≤n≤4，n的取值與許多因素有關。但是不管n具體的取值，n的取值范圍一旦確定，就表明，無線通信的能耗是隨著距離的增加而更加急劇地增加的。因此，在滿足網路連通性的要求下，應盡量採用多跳通信，減少單跳通信的距離。通常，感測器節點的通信范圍在100m內。

（三）計算、存儲和有限。一方面為了滿足部署的要求，感測器節點往往體積小；另一方面出於成本控制的目的`，節點的價格低廉。這些因素限制了節點的硬體資源，從而影響到它的計算、存儲和通信能力。

（四）節點數量多，密度高，覆蓋面積廣。為了能夠全面准確的監測目標，往往會將成千上萬的感測器節點部署在地理面積很大的區域內，而且節點密度會比較大，甚至在一些小范圍內採用密集部署的方式。這樣的部署方式，可以讓網路獲得全面的數據，提高信息的可靠性和准確性。

（五）自組織。感測器網路部署的區域往往沒有基礎設施，需要依靠感測器節點協同工作，以自組織的方式進行網路的配置和管理。

（六）拓撲結構動態變化。感測器網路的拓撲結構通常是動態變化的，例如部分節點故障或電量耗盡退出網路，有新的節點被部署並加入網路，為節約能量節點在工作和休眠狀態間進行切換，周圍環境的改變造成了無線通信鏈路的變化，以及感測器節點的移動等都會導致感測器網路拓撲結構發生變化。

（七）感知數據量巨大。感測器網路節點部署范圍大、數量多，且網路中的每個感測器通常都產生較大的流式數據並具有實時性，因此網路中往往存在數量巨大的實時數據流。受感測器節點計算、存儲和帶寬等資源的限制，需要有效的分布式數據流管理、查詢、分析和挖掘方法來對這些數據流進行處理。

（八）以數據為中心。對於感測器網路的用戶而言，他們感興趣的是獲取關於特定監測目標的真實可靠的數據。在使用感測器網路時，用戶直接使用其關注的事件作為任務提交給網路，而不是去訪問具有某個或某些地址標識的節點。感測器網路中的查詢、感知、傳輸都是以數據為中心展開的。

（九）感測器節點容易失效。由於感測器網路應用環境的特殊性以及能量等資源受限的原因，感測器節點失效（如電池能量耗盡等）的概率遠大於傳統無線網路節點。因此，需要研究如何提高數據的生存能力、增強網路的健壯性和容錯性以保證部分感測器節點的損壞不會影響到全局任務的完成。此外，對於部署在事故和自然災害易發區域的無線感測器網路，還需要進一步研究當事故和災害導致大部分感測器節點失效時如何最大限度地將網路中的數據保存下來，以提供給災害救援和事故原因分析等使用。

二、關鍵技術

無線感測器網路作為當今信息領域的研究熱點，設計多學科交叉的研究領域，有非常多的關鍵技術有待研究和發現，下面列舉若干。

（一）網路拓撲控制。通過拓撲控制自動生成良好的拓撲結構，能夠提高路由協議和MAC協議的效率，可為數據融合、時間同步和目標定位等多方面奠定基礎，有利於節省能量，延長網路生存周期。所以拓撲控制是無線感測器網路研究的核心技術之一。目前，拓撲控制主要研究的問題是在滿足網路連通度的前提下，通過功率控制或骨幹網節點的選擇，剔除節點之間不必要的通信鏈路，生成一個高效的數據轉發網路拓撲結構。

（二）介質訪問控制（MAC）協議。在無線感測器網路中，MAC協議決定無線信道的使用方式，在感測器節點之間分配有限的無線通信資源，用來構建感測器網路系統的底層基礎結構。MAC協議處於感測器網路協議的底層部分，對感測器網路的性能有較大影響，是保證無線感測器網路高效通信的關鍵網路協議之一。感測器網路的強大功能是由眾多節點協作實現的。多點通信在局部范圍需要MAC協議協調其間的無線信道分配，在整個網路范圍內需要路由協議選擇通信路徑。

在設計MAC協議時，需要著重考慮以下幾個方面：

（1）節省能量。感測器網路的節點一般是以干電池、紐扣電池等提供能量，能量有限。

（2）可擴展性。無線感測器網路的拓撲結構具有動態性。所以MAC協議也應具有可擴展性，以適應這種動態變化的拓撲結構。

（3）網路效率。網路效率包括網路的公平性、實時性、網路吞吐量以及帶寬利用率等。

（三）路由協議。感測器網路路由協議的主要任務是在感測器節點和Sink節點之間建立路由以可靠地傳遞數據。由於感測器網路與具體應用之間存在較高的相關性，要設計一種通用的、能滿足各種應用需求的路由協議是困難的，因而人們研究並提出了許多路由方案。

（四）定位技術。位置信息是感測器節點採集數據中不可或缺的一部分，沒有位置信息的監測消息可能毫無意義。節點定位是確定感測器的每個節點的相對位置或絕對位置。節點定位分為集中定位方式和分布定位方式。定位機制也必須要滿足自組織性，魯棒性，能量高效和分布式計算等要求。

（五）數據融合。感測器網路為了有效的節省能量，可以在感測器節點收集數據的過程中，利用本地計算和存儲能力將數據進行融合，取出冗餘信息，從而達到節省能量的目的。

（六）安全技術。安全問題是無線感測器網路的重要問題。由於採用的是無線傳輸信道，網路存在偷聽、惡意路由、消息篡改等安全問題。同時，網路的有限能量和有限處理、存儲能力兩個特點使安全問題的解決更加復雜化了。

C. 高分懸賞無線感測器網路混合類斑馬協議(Z-MAC)

3.3 常見的MAC協議分析與比較
3.3.1 S-MAC協議
S-MAC(Sensor-MAC)協議是較早的針對WSN的一種MAC協議，他是在802.11MAC的基礎上，採用下面介紹的多種機制來減少了節點能量的消耗。固定周期性的偵聽和睡眠：為了減少能量的消耗，感測器節點要盡量處於低功耗的睡眠狀態。S-MAC協議採用了低占空比的周期性睡眠／偵聽。為了使得S-MAC協議具有良好的擴展性，在覆蓋網路中形成眾多不同的虛擬簇。
消息傳遞技術：對於無線信道，傳輸差錯與包長度成正比，短包成功傳輸的概率要大於長包。在S-MAC協議中消息傳遞技術將長消息分成若干短包，利用RTS／CTS握手機制，一次性發送整個長消息，這樣既提高發送成功率，有減少了控制消息。流量自適應偵聽機制：感測器節點在與鄰居節點通信結束後並不立即進入睡眠狀態，而保持偵聽一段時間，採用流量自適應偵聽機制，減少了網路中的傳輸延遲。
S-MAC協議與IEEE802.11 MAC相比，在節能方面有了很大的改善。但睡眠機制的引入，使得網路的傳輸延遲增加，吞吐量下降。針對S-MAC協議存在的不足，研究人員對其進行了改進，提出了一種帶有自適應睡眠的S-MAC協議。
3.3.2 LMAC協議
LMAC協議使用時分多址 (TDMA)機制,時間被分成若干個時隙, 節點在傳送數據時不需要競爭信道，可以避免傳輸碰撞造成的能量損耗。節點只能指派一個控制時隙，在時隙期間,節點總是會傳送一條信息，此信息包含兩部分：控制信息和數據單元。由於一個時隙只能被一個節點控制, 所以節點可以無沖突的進行通訊【1】。
3.3.3 T-MAC協議
T-MAC(Timeout-MAC)協議與自適應睡眠的S-MAC協議基本思想大體相同。數據傳輸仍然採用RTS／CTS／DATA／ACK的4次握手機制，不同的是在節點活動的時隙內插入了一個TA(Time Active)時隙，若TA時隙之間沒有任何時間發生，則活動結束進入睡眠狀態。TA的取值對於T-MAC協議性能至關重要，其約束條件為：TA=m(C+R+T)，m>1，其中C為競爭信道時間，R為發送RTS分組的時間，T為RTS分組結束到發出CTS分組開始的時間。在模擬的時候，一般選取m=1.5，即：TA=1.5×(C+R+T)。
T-MAC協議雖然能根據當前網路的動態變化，通過提前結束活動周期來減少空閑偵聽提高能效，但帶來了「早睡」問題。所謂早睡問題是指在多個感測器節點向一個或少數幾個匯聚節點發送數據時，由於節點在當前TA沒有收到激活事件，過早進入睡眠，沒有監測到接下來的數據包，導致網路延遲。為解決這個問題，提出了未來清除發送和滿緩沖區優先兩個方法。
基於競爭的MAC協議通常很難提供實時性保證，而且由於沖突的存在，浪費了能量。基於競爭的協議在有些應用場合(比如主要考慮節能而不太關心時延的可預測性時)有較大的應用，基於競爭的協議需要解決的是提供一個實時性的統計上界。根據這類協議的分布式和隨機的補償特性，基於競爭的協議沒有確切的保證不同節點的數據包的優先順序。因此，有必要限制優先順序倒置的概率以建立統計上的端到端的時延保證。
3.3.4 Wise-MAC協議
Wise - MAC協議在非堅持CSMA協議的基礎上，採用前導碼采樣技術控制節點處於空閑偵聽狀態時的能量消耗。與S-MAC和T-MAC協議相比，節能效果非常顯著。
無線信道在傳輸過程中經常出現錯誤，所以需要鏈路層的確認機制來恢復丟失的數據包。Wise-MAC協議的ACK數據幀不僅用來對接收到的數據包進行確認，還會通知其他鄰居節點到下一次采樣的剩餘時間。通過這種方式，每個節點不斷更新相鄰節點的采樣時間偏移表。利用這些信息，每個節點可以選擇恰當的時間，使用最小長度的喚醒前導碼向目的節點發送數據。
Wise-MAC協議可以很好地適應網路流量變化，他是和WISENET超級功耗SoC晶元結合設計的。Wise-MAC協議的采樣同步機制會帶來數據包沖突的問題，也會由於節點學要存儲相鄰節點的信道偵聽時間，會佔用寶貴的存儲空間，增加協議實現的復雜度，尤其是在節點密度較高的網路內這個問題尤為突出。
3.3.5 DMAC協議
數據採集樹是無線感測器網路的一種重要的通信模式，DMAC協議就是針對這種數據採集樹而提出的，目標是減少網路的能量消耗和減少數據的傳輸延遲。DMAC協議採用不同深度節點之間的接收發送／睡眠的交錯調度機制。將節點周期劃分為接收、發送和睡眠時隙，數據能沿著多跳路徑連續地從數據源節點傳送到匯聚節點，減少睡眠帶來的傳輸延遲。
3.3.6 Z-MAC協議
綜合CSMA和TDMA二者各自的優點，由RHEE 等在2005年提出了一種混合機制的Z-MAC協議。
Z-MAC將信道使用物化為時間幀的同時，使用CSMA作為基本機制，時隙的佔有者只是有數據發送的優先權，其他節點也可以在該時隙發送信息幀，當節點之間產生碰撞之後，時隙佔有者的回退時間短，從而真正獲得時隙的信道使用權。Z-MAC使用競爭狀態標示來轉換MAC機制，節點在ACK重復丟失和碰撞回退頻繁的情況下，將由低競爭狀態轉為高競爭狀態，由CSMA機制轉為TDMA機制。因而可以說，Z-MAC在較低網路負載下，類似CSMA，在網路進入高競爭的信道狀態之後，類似TDMA。
Z-MAC並不需要精確的時間同步，有著較好的信道利用率和網路擴展性。協議達到即時的適應網路負載的變化的同時，TDMA和CSMA機制的同步和互換會產生較大的能量耗損和網路延遲問題。

D. 無線網路優化研究參考文獻有哪些

參考文獻】

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肖克江;熊忠陽;張玉芳;;多徑路由協議AOMDV的改進與性能分析[J];計算機工程與應用;2012年06期

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田克;張寶賢;馬建;姚鄭;;無線多跳網路中的機會路由[J];軟體學報;2010年10期

【共引文獻】

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陳偉;魏強;趙玉婷;;傳輸速率感知的機會路由候選路由節點選擇和排序[J];計算機應用;2011年11期

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王英;黃群;李雲;曹儐;;一種新的協作的路由協議:C-DSR[J];計算機應用研究;2013年07期

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蔡順;張三峰;董永強;吳國新;;面向編碼機會路由的無線Mesh網路廣播信道接入[J];軟體學報;2012年09期

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李彬;王文傑;殷勤業;楊榮;楊小勇;王慧明;;無線感測器網路節點協作的節能路由傳輸[J];西安交通大學學報;2012年06期

5
劉琰;;基於網路編碼的流量感知路由協議研究設計[J];延安大學學報(自然科學版);2013年01期

E. 無線感測網mac層的主要功能是什麼

MAC，顧名思義，就是介質訪問控制，是用來控制無線介質的訪問的，由於無線傳輸是共享空中資源的，必然存在多個無線感測器節點對傳輸介質的爭用，MAC層協議就是用來解決這個問題的，包括沖突的檢測與處理、信道與通信資源的分配，等等

F. 物聯網工程概論的目錄

前言
第1章緒論
1.1定義
1.2發展概況
1.3框架結構
1.4標准體系
1.5關鍵技術和難點
1.6應用領域
本章小結
習題與思考題
參考文獻
第2章EPC和RFID技術
2.1EPC編碼
2.1.1EPC編碼協議
2.1.2EPC系統結構
2.1.3條形碼技術
2.1.4條形碼、RFID和EPC的區別
2.2RFID系統
2.2.1應答器原理
2.2.2閱讀器部分
2.2.3RFID天線部分
2.2.4RFID中間件
本章小結
習題與思考題
參考文獻
第3章感測器技術
3.1感測器基礎知識
3.1.1感測器的概念
3.1.2感測器的作用
3.1.3感測器的組成
3.1.4感測器的分類
3.1.5感測器的基本特性
3.2幾種常用感測器介紹
3.2.1溫度感測器
3.2.2濕度感測器
3.2.3超聲波感測器
3.2.4氣敏感測器
3.3智能感測器
3.3.1智能感測器的基本概念
3.3.2智能感測器的組成
3.3.3智能感測器的功能與特點
3.3.4基於IEEE1451的網路化智能感測器
3.3.5智能感測器標准體系
3.3.6智能感測器的應用
3.3.7智能感測器發展趨勢
3.4MEMS技術
3.4.1MEMS概述
3.4.2MEMS特點
3.4.3MEMS應用
3.4.4常用的MEMS感測器
3.5感測器介面技術
3.5.1感測器介面特點
3.5.2常用感測器介面電路
3.5.3感測器與微機介面的一般結構
3.5.4介面電路應用實例
本章小結
習題與思考題
參考文獻
第4章無線感測器網路技術
4.1無線感測器網路概述
4.1.1無線感測器網路介紹
4.1.2感測器網路體系結構
4.1.3感測器網路的發展
4.2無線感測器網路的技術體系
4.2.1自組網技術
4.2.2節點定位技術
4.2.3時間同步技術
4.2.4安全技術
4.3無線感測器網路的通信協議
4.3.1無線感測器網路的路由協議
4.3.2無線感測器網路的MAC協議
4.4無線感測器網路的技術標准
4.4.1IEEE802.15.4標准
4.4.2ZigBee協議規范
4.5多感測器網路的信息融合
4.5.1無線感測器網路數據融合
4.5.2無線感測器網路數據融合分類
模型
本章小結
習題與思考題
參考文獻
第5章M2M技術
5.1概述
5.1.1M2M起源及現狀
5.1.2M2M標准化工作
5.2M2M的體系結構、協議、內容
5.2.1M2M系統架構
5.2.2M2M關鍵技術
5.2.3M2M應用模式
5.2.4WMMP介紹
5.3M2M模塊
5.3.1幾種M2M模塊介紹
5.3.2華為的M2M模塊——MC323
5.4M2M應用
5.4.1醫療保健
5.4.2電力系統
5.4.3智能家居
5.5M2M的前景和挑戰
5.5.1M2M市場的前景預測
5.5.2當前M2M應用模式所存在的問題
本章小結
習題與思考題
參考文獻
第6章雲計算技術
6.1雲計算簡介
6.1.1雲計算的起源
6.1.2雲計算的基本概念
6.1.3雲計算的特點
6.1.4雲計算與相關技術的關系
6.2雲計算與物聯網
6.3雲計算實現技術
6.3.1雲計算工作原理
6.3.2雲計算體系結構
6.3.3雲計算服務層次
6.3.4雲計算關鍵技術
6.3.5雲計算的派生技術
本章小結
習題與思考題
參考文獻
第7章智能處理技術
7.1開放復雜智能系統
7.2知識的獲取、表達與推理
7.2.1知識概述
7.2.2信息與知識獲取
7.2.3知識表示
7.2.4知識推理
7.2.5知識與智能涌現
7.3資料庫技術
7.3.1資料庫概述
7.3.2數據模型
7.3.3分布式資料庫
7.3.4移動資料庫
7.3.5數據倉庫、數據挖掘與知識發現
7.3.6常見資料庫產品
7.4分布智能
7.4.1分布智能概述
7.4.2智能Agent
7.4.3多智能Agent
7.4.4移動Agent
本章小結
習題與思考題
參考文獻
第8章物聯網安全技術
8.1物聯網安全性概述
8.1.1物聯網的安全技術分析
8.1.2RFID標簽安全性概述
8.2物聯網身份識別技術
8.2.1電子ID身份識別技術
8.2.2個人特徵的身份證明
8.3基於零知識證明的識別技術
8.4物聯網密鑰管理技術
8.4.1對稱密鑰的管理
8.4.2非對稱密鑰的管理
8.5物聯網密鑰管理系統
8.5.1密鑰的分配
8.5.2物聯網密鑰分配方法
8.5.3密鑰注入
8.5.4密鑰存儲
8.5.5密鑰更換和密鑰吊銷
8.6物聯網密鑰產生技術
8.6.1密鑰產生的硬體技術
8.6.2密鑰產生的軟體技術
8.7密鑰的分散管理與託管
8.8物聯網中的消息鑒別和數字簽名
8.8.1消息一致性
8.8.2數字簽名
8.8.3數字簽名的應用例子
8.9信息隱藏概述
8.10信息隱藏基本原理
8.11數字水印
8.12物聯網IP安全
8.13密鑰交換（IKE）協議
本章小結
習題與思考題
參考文獻
第9章物聯網的理論基礎
9.1物聯網下的控制理論基礎
9.1.1經典控制理論
9.1.2現代控制理論
9.1.3幾種常見的控制方式
9.1.4基於網路的控制理論基礎
9.2資訊理論基礎
9.2.1資訊理論分類及發展
9.2.2資訊理論基礎
9.2.3物聯網語境下的資訊理論——感知資訊理論
9.3網路科學基礎
9.3.1研究網路科學的三個階段
9.3.2研究網路科學的工具和方法
9.3.3無尺度網路和Barabasi?Albert模型
9.4CPS理論基礎
9.4.1CPS—物聯網的技術內涵
9.4.2CPS的體系結構
9.4.3CPS發展的科學技術瓶頸分析
9.5物聯網關鍵的科學問題
9.6物聯網建模探究
本章小結
習題與思考題
參考文獻
縮略語

G. 無線感測器網路數據鏈路層的研究

數據鏈路層：就是利用物理層提供的數據傳輸功能，將物理層的物理連接鏈路轉換成邏輯連接鏈路，從而形成一條沒有差錯的鏈路，保證鏈路的可靠性。
數據鏈路層也向它的上層——網路層提供透明的數據傳送服務，主要負責數據流多路復用、數據幀監測、媒體介入和差錯控制，保證無線感測器網路內點到點以及點到多點的連接。
無線感測器網路的數據鏈路層研究的主要內容就是MAC和差錯控制。
怎樣實現無線感測器網路中無線信道的共享，即介質控制協議（MAC）的實現是無線感測器網路數據鏈路層研究的一個重點，MAC協議的好壞直接影響網路的性能優劣。

H. 競爭型，分配型和混合型mac協議各有什麼特點

基於競爭的MAC協議有以下優點：可根據需要分配信道，所以這種協議能較好的滿足節點數量和網路負載的變化。能較好的適應網路拓撲的變化。不需要復雜的時間同步或控制調度演算法。分配式的無線感測器網路MAC協議有如下優點：無沖突。無隱蔽終端問題。易於休眠，適合於低功耗網路。