S-mac协议与T-mac协议的比较论文

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-MACT-MACAbstract：Wirelesssensornetworkasthecomputer,communicationsandsensorproductofthecombinationofthreetechnologieshasbecomeanactivefieldofcomputerandcommunicationsresearchbranch.Carryingoutvariousaspectsoftheobjectinformationinreal-timedetection,perceptionandacquisitiondistributionnetworkintheregion,hasaverybroadapplicationanddevelopmentprospects.HavebeenproposedareavarietyofwirelesssensornetworkfordifferenttargetMACprotocol.ThispaperdescribesthecharacteristicsofwirelesssensornetworkMACprotocolsandclassification,andthenforatypicalS-macandT-mactwoprotocolswerebriefandtomakeperformancecomparisons.Finally,toclarifythedevelopmenttrendofwirelesssensornetworkbasedMACprotocol.Keywords：MACprotocolforwirelesssensornetworkperformancecomparison1.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(WirelessSensorNetworks，WSN)的概念。在无线传感器网络中，可能会有多个节点设备同时接入信道，导致分组之间相互冲突，使接收方无法分辨出接收到的数据，浪费信道资源，吞吐量显著下降。为了解决这些问题，就需要MAC协议。2.无线传感器网络MAC协议无线传感器网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的对等网络，WSN没有中心控制器，所有节点分布式运行，共同承担网络的构造和管理功能，具有很强的容错性和鲁棒性[1]。所谓MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。MAC协议处于无线传感器网络协议的底层，对网络的性能有直接的影响，是网络高效通信的关键协议。目前，由于研究人员针对不同的无线传感器网络应用，没有采用统一的MAC协议分类方式，但是大体依据标准分为三种，确定性分配、竞争占用和随机访问。我们所讨论的S-MAC协议、T-MAC协议都是基于竞争的MAC协议[2]。3.S-MAC协议与T-MAC协议及比较S-MAC(Sensor-MAC)协议是较早的针对WSN的一种MAC协议，是在IEEE802.11MAC的基础上提出的，设计的目标是减少能量消耗，提供良好的扩展性。其主要实现机制包括周期性侦听与睡眠、串音避免、消息传递和流量自适应侦听。[3]S-MAC采用的主要机制有：1)周期监听和睡眠机制：S-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。监听／睡眠阶段持续时间根据应用可调，当节点处于睡眠阶段就关掉无线电波以节省能量，但需缓存这期间收到的数据以便工作阶段集中发送并设置一个唤醒定时器。节点还需发送周期同步信息以同步邻居，相邻节点也可采用相同的监听／睡眠策略，新节点也可加入进来，节点还需要广播它们各自的监听／睡眠计划，这样使得S-MAC具有良好的扩展性。2)消息传递技术：对于无线信道，传输差错与包长度成正比，短包成功传输的概率要大于长包。在S-MACT-MACS-MAC协议中消息传递技术将长消息分成若干短包，利用RTS/CTS握手机制，一次性发送整个长消息，这样既提高发送成功率，有减少了控制消息。3)流量自适应侦听机制：通讯节点在与邻居节点通信结束后不立即进入睡眠状态，而保持侦听一段时间，采用流量自适应侦听机制，减少了网络中的传输延迟。S-MAC优势在于通过睡眠机制减少了空闲侦听的能量消耗，实现简单。但是也有其弊端：一方面，当网络负载较低的时候，由于SMAC协议采用固定的周期性侦听/睡眠机制，节能效果并不理想；另一方面，当网络比较繁忙时，SMAC协议数据收发的延时和信道碰撞的几率都急剧增大，并非常容易导致网络堵塞和节点的“饿死”和“早死”现象。T-MAC(Timeout-MAC)协议是派生自非睡眠和休眠周期固定的S-MAC协议的协议。S-MAC协议的周期长度受限于应用延迟要求和节点缓存大小，活动时间主要依赖于消息速率。这样就存在一个问题：延迟要求和缓存大小通常都是固定的，而消息速率是变化的。如果要保证及时可靠的消息传输，节点活动时间必须适应最高通信负载。当负载较小时，节点处于空闲监听时间相对增加。[4]针对此问题，T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态调节活动时间，用突发方式发送消息，从而减少空闲监听时间。相对于S-MAC，T-MAC协议减少了处于活动阶段的时间。T-MAC协议的优点是可以轻松地处理由于可变负载动态睡眠时间表。T-MAC的主要缺点是早期睡眠的问题，其中节点可能睡眠在他们的激活时间内和数据可能会丢失，特别是对于长的消息。4.总结与展望虽然有各种不同的传感器网络的MAC层协议提出，但是，没有一个协议是公认的标准。这背后的原因之一是MAC协议的选择将是视特定的应用抉择，这意味着对传感器网络的MAC将不会有单一的标准。另一个原因是物理层的传感器硬件缺乏标准化。需要注意的主要方面是，网络生命的延伸取决于电池的使用效率尽可能多的延伸。在MAC层水平电池的主要用途是利用无线电模块。通过各种研究表明无线电传输需要更多的电力相比于相同数量的数据处理。MAC层协议需要有效开发。S-MAC是其中一个节能的基本MAC协议，通过提供一个睡眠时间表，使某一特定地区的所有节点在任何时间都是不活跃的。为了唤醒那些节点，就得需要保持对网络的完全访问。但是，S-MAC有静态的睡眠时间表，时间表不会根据需要或不断变化的环境改变，从而导致睡眠延迟。这种特殊的问题可以通过使用动态的睡眠模式或类似T-MAC协议的调度来克服，而且这个协议源自于S-MAC。在T-MAC中，根据网络模式的改变例如加入新节点，丢弃用尽节点，网络将会自我适应，并形成一个可变的睡眠时间表，这将增加电池的利用率。然而，一个新的问题逐渐出现在早期的睡眠中，即如果一个节点在睡觉前完成传输，将增加延迟[1]。今后，这些协议可能以一种先进的形式实现，重点关注的早睡问题和延迟睡眠。S-MAC的优势是其低功耗和对于T-MAC则是有一个很好的睡眠周期时间表。这两个协议的组合也有一些积极地方面，可以实现在一个单独的协议里，消除存在于两个协议中的缺点。参考文献【1】于海斌,曾鹏,梁韡.智能无线传感器网络系统[M].北京:科学出版社

【2】廖先林，耿娜，赵林亮，王光兴，基于节点流量的低能耗无线传感器网络MAC协议，

东北大学学报2007

【3】NARPC,CAYIRCIE.PCSMAC:apowercontrolledsensor–MACprotocolforwirelesssensornetworks【4】耿娜，无线传感器网络低能耗MAC协议的研究与实现，计算机工程与应用2007