无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC摘要：无线传感器网络是一种新兴的网络技术，它的出现使得环境智能成为现实。

它是由一些微小的节点在特设环境中彼此连接，并相互配合，而形成的一个网络。

它具有广泛的应用，例如入侵者警报和跟踪，环境监测，工业过程监测和战术系统等潜在领域。

然而，当无线网络在地势陡峻的地方传播时，为了实现地区全覆盖就需要使用大量的无线传感器，但它们的电池一旦耗尽时要想更换就很困难。

所以节能对于传感器网络是非常必要的特别是在MAC层水平。

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。

在各种协议中SMAC就是其中一个简单修改的成果。

SMAC有静态睡眠时间表同时TMAC有动态睡眠时间表。

在本文中，我们首先概述了无线传感器网络的基础知识，然后我们讨论了MAC层的性能特征，在随后的一节中概括了WSN中能源浪费的原因。

紧接着描述了 i.e SMAC 和TMAC两个协议的各自的优缺点。

最后，在结束之前，根据无线传感器网络与SMAC 和TMAC有关的各种设计过程都包含在文章中。

关键词：无线传感器网络，环境智能，MAC层，能源废物，SMAC，TMAC1.引言在开始介绍无线传感器网络前，我们需要了解为无线传感器网络发明铺平道路的要求和条件。

通常情况下在我们的工作场所我们所使用的系统，主要包括个人电脑，笔记本电脑，电脑，智能手机和平板电脑等。

这些系统都是建立在“人 - 系统”互动的概念上的。

在这种人与信息处理系统交流互动的系统中。

整个装置是间接连接到物理环境的。

由用户和用户交流系统读取物理环境。

另一方面，系统的装置与物理环境相互作用，并自行调整。

在图1和图2中描绘了这两个方案。

系统人环境图 1 人机交互系统环境人图 2 系统环境交互正如我们从图1和图2中观察到的，系统本身能够与环境相互作用，这就是我们所说的“嵌入式系统”。

例如洗衣机，微波炉，化学工艺厂或高炉温度调节装置。

由于科技发展了我们的能力让我们产生了这样一种感觉，大机器也有把它传授给小型设备和对我们的日常生活相关的东西的渴望。

正如杜撰的术语，这一技术被称为“环境智能”。

环境是指周围的事物，意味着让周围的事物具有智能。

究竟是什么意思了，可以根据下面的例子理解。

想象一下如果我们周围的事物理解我们。

当我们到达我们的家时一旦它它感觉到我们，门就会自动打开。

当我们进入房间时灯会自动亮，音乐根据每个人的口味播放歌曲。

这就是“用户–系统–物理环境的最终结合”。

现在更进一步，如果这些传感器能够感知我们并互相通信交流的话就能形成一个网络。

这种类型的网络有很多的应用。

他们的应用涉及到从军事服务范围，到医疗救灾行动。

基本上这类想象已变成现实，我们需要发展的是一种非常小的设备，而且应具有以下功能：机载处理的处理能力即是发射机又是接收机有电源供应传感器与物理环境互动现在，让我们详细的了解无线传感器网络，我们有一个被称为节点的微小装置它可以在一个地区以一个特定的模式或随机的方式传播信息。

它们能够彼此进行通信，并且能将数据传送到另一个那里。

一般来说，这种网络有一个“下沉”或基站，所有从那里收集到的信息都可以被传输。

此接收器，依次连接到远程计算机或装置，监测整个系统，如在图3中示出。

这台远程计算机可以是服务器或主机。

随着新世界的机遇和应用的开放，这些设备也为研究人员创造了很多新的挑战。

Deepak Ganesan et al.介绍了在传感器网络中所面临的各种挑战，如（a）支持多跳通信，无线电操作，同时限制以节省电力，（b）数据管理（c）地理路由的挑战，和（d）这种动态的监测和维护，资源有限的系统，以及面对这些不同的挑战的各种解决方案。

图3无线传感器网络这些设备电路板上的微小电源，由于所处的地形限制和尺寸的细小原因使得它通常是不可替代的。

这使得节能成为无线传感器网络的一个重要方面。

此外，当这些设备连接到以特定方式染色的节点上时可能会使某个区域内的网络隔绝而导致无法访问网络集群，最终造成无线传感器网络不能完成它的目标。

记住在第二节将讨论在这一领域的各项工作，第三部分讨论MAC层相关的设计考虑，第四部分介绍SMAC和TMAC两个流行的MAC协议和他们各自的优点和缺点。

第六部分总结本文的研究。

2.调查方法Ilker Demirkol et. al.确定了在传统的 MAC 协议中所需的适合于无线传感器网络能源效率的更改，并评论了某些 MAC 协议详尽说明了其优点和缺点。

能源浪费的共同来源是碰撞，控制数据包的开销，空闲监听，窃听和发送失效。

所谓的通信模式综合起来有广播，汇聚播，本地传播和多播，讨论了它们在各种类型的方案中的应用。

MAC协议，如S-MAC，T-MAC，WiseMAC，TRAMA， SIFT,，D-MAC 和DSMAC 综述了各自的工作中的优缺点。

最后的底层技术，如TDMA，FDMA 和CDMA在无线网络的MAC层上下文中进行了简要的解释。

Wei Ye et. al.在这篇论文中提出的 S-MAC，是为无线传感器网络设计的介质访问控制 (MAC) 协议。

正如我们所知无线传感器网络具有有限的电池形式电源供应和感测装置。

用作者的话说，这些设备的网络将被整合在同一个应用上，如森林火灾探测等。

传感器网络将会以一个特定的方式部署，除了个别节点外大部分节点都将长时间处在睡眠状态，但是当检测到某些东西时会突然被激活。

传感器网络和应用程序的这些特征使传统的无线MAC协议如IEEE 802.11不适合这个工作。

相反，一个新的协议需要发展。

它就必须得创新在几乎所有方面:节能和自动配置是主要目标,而每个节点公平和延迟是不那么重要的。

S-MAC使用三种创新技术减少能源消耗和支持自动配置。

节点周期性地睡眠,从而减少能源消耗。

虚拟集群也形成了自动同步的睡眠时间表。

SMAC和PAMAS具有一些相似之处,如无线电都是关闭的,但在通道信号方面它是和PAMAS不同的。

最后，他们评价了在试样传感器节点实施的S-MAC，更多的研究，在美国加州大学伯克利分校进行。

实验结果表明，在源节点上，当每隔1到10秒才发送消息时由于流量负载例如MAC的802.11 协议会消耗2 至 6 倍甚至更多能量比起S-MAC协议。

Zahra Rezaei et. al.试图找到WSN中最重要的问题的答案，“如何将网络的寿命延长到很长的时间呢？”由于无线传感器网络采用的电池一般是不可替代的，其中最重要的挑战是，为了保持无线网络按照特定模式持续性地运行，使得我们有必要保持节点一直运转。

他们还讨论了WSN中的能源浪费的原因。

为了克服这一挑战他们提出了两个方法，一个是通过使用各种责任周期计划，第二个是提出了以下不同的几个 MAC 层协议像 CSMA/CA、 TDMA 和混合动力技术。

CSMA/ CA 包含了S-MAC，T-MAC和iMac。

TDMA和混合μ-MAC，DEE-MAC SPARE-MAC，Z-MAC 和A-MAC。

这些 MAC 协议的优劣也被列举和评论。

Divya Jain et. al.研究的无线传感器网络所包括节点数被分布在同一个地区收集信息。

传感器节点彼此之间通过无线信道进行通信，并把搜集到的数据转发到一个单跳距离邻近的节点。

这些节点通常是电池供电的。

但由于这些节点放置在充电或更换这些节点电池几乎是不可能的这样的条件下,能耗成为一个主要因素。

在这篇论文中他们提出创建一个与传感器 MAC (SMAC) 和再与传感器 MAC 与睡眠时间表的网络。

在模拟这些在不同拓扑结构的网络后，SMAC-L网络被发现在生活中的时间和能源消耗上相比SMAC网络得到更好的结果。

Rajesh Yadav et. Al.审视了部署在危险、敌对或边远地区的一般无人值守的传感器节点的无线传感器网络。

为了保持网络的寿命，那就需要补充电池，但这几乎是不可能的。

因此，有必要节省电池的电量。

在此项研究中，对理想的 MAC 协议的特征进行了讨论。

此外还研究了能源的浪费情况。

就MAC协议参数来说，需要对不同的MAC协议进行评估如每比特的能量消耗，平均投递率，平均包延迟和网络吞吐量。

MAC协议分为两大类，即基于竞争和基于附表。

除了呈现他们的工作，优点和缺点的一些MAC协议外。

提出的协议还有PAMAS，S-MAC，Optimized MAC，TRAMA，Wise MAC，B-MAC和D-MAC。

Michael I. Brownfield et. al.提出了一种新的MAC协议GMAC，基于网关责任轮换。

正如我们所知，无线传感器网络提供了一个宝贵的优点，自主监控远程活动。

为了充分支持网络服务的同时节省电池电力有限的资源产生新的挑战在MAC 设计者面前。

在这项研究中，提出了一个能量自适应的无线传感器网络MAC协议，对于网关MAC（GMAC），它实现了一种新的聚类中心的模式能够有效地分配集群的能源资源和延长网络的生命周期。

根据作者提出的新协议，G-MAC的集中集群管理功能，提供了巨大的能源节约通过利用竞争和自由竞争的协议的双方优势。

此外，用他们的话说，中央网关的节点在竞争期间收集所有传输要求，然后在基于预订、自由竞争的期间安排及其分布。

网关的职责是基于现有的资源以最小的开销进行高效轮换，并在所有的节点之间分配网络管理增加的能源需求。

Wei Ye et. al.已经解决了包括从无线传感器网络中节点能源浪费到 MAC层协议的提案多个 MAC 问题并在MOTE上实施了它们，接着在美国加州大学伯克利分校进行了开发。

现在，在这个提案上，他们已经在以下几点进一步扩展了他们的工作。

周期性侦听和睡眠的计划是通过跳过空闲侦听减少能源消耗。

同步表节点上相同的睡眠时间表的虚拟集群的使用。

这个时间表将使节点减少额外的延迟。

当每个节点处于睡眠状态时使用信道信令可以将它附近的信号发送给另一个节点。

这种方法的灵感来自PAMAS，而且不要求额外的通道。

它也有助于消除串音问题。

采用消息传递来减少应用程序感知的延迟和控制开销。

每个节点片段级公平的减少是由于传感器网络节点往往走向一个单一的应用程序合作。

在 sensornet 的特定硬件上评估我们的新 MAC 协议的实施。

本文包含了S-MAC协议的设计，实施和实验的重大扩展：对流量自适应的睡眠时间表的支持。

对能源，延迟和吞吐量问题的衡量和评价。

Deepak Ganesan et al回顾了在传感器网络的一系列挑战。

他们指出在传感器网络的关键挑战: (a) 支持多跳通信同时限制无线电操作以节省电力，(b)数据管理(c)在网络中的节点知道自己的地理位置路由的挑战，和(d) 监控和维护这种动态、资源有限的系统。

他们还提出了解决上述问题，并展示如何将这些网络组件可以集成在WSN。

3. MAC层相关的传感器网络的性能最大限度的延长网络寿命是传感器网络研究的一个共同的目标,因为当电池耗尽时节点被理所当然地遗弃。