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对无线传感器网络MAC层协议优化的研究与设计

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王钰杨俊清马新华

【摘要】随着物联网技术的发展，无线传感器网络的应用越来越广泛，它由传感器节点组成，相互协作，采集、发送数据。而MAC层协议主要是优化网络吞吐量，实现高效的通信机制。本文主要研究对MAC层协议的优化设计。

【关键词】协议；无线传感器网络；优化设计

ResearchanddesignofMAClayerprotocoloptimizationforWirelessSensorNetworks

WANGYuYANGJun-qingMAXin-hua

（XianAeronauticalUniversity，XianShaanxi710077，China）

【Abstract】WiththedevelopmentofInternetofthings，theapplicationofwirelesssensornetworksismoreandmorewidely.Itconsistsofsensornodes，mutualcooperation，collection，andtransmissionofdata.TheMAClayerprotocolismainlytooptimizethenetworkthroughputandachieveefficientcommunicationmechanism.Inthispaper，theoptimaldesignofMAClayerprotocolisstudied.

【Keywords】Protocol；Wirelesssensornetwork；Optimizationdesign

1无线传感器研究现状

国外方面，美国最先入手无线传感器网络方面的研究，尤其是其军方投入大量人力物力、与高校合作，对其进行相关的研究工作。随后，欧美一些发达国家，包括亚洲地区的韩国、日本，也都开展了对无线传感器网络相关的研究工作。

国内来说，随着国际研究方向，也逐步开展了对无线传感器网络的研究。尤其是在物联网技术飞速发展的今天，无线传感器网络作为物联网技术的关键，首次被放到了国家发展战略的高度。

2MAC层协议简介

无线传感器网络协议栈包括物理层、介质访问控制层MAC、网络层。而MAC层，是协议栈的底层架构，由它来分配相应的信道资源，决定无线通信信道的使用方式。MAC层协议的分类也有很多种。通常衡量MAC协议的指标为业务量、吞吐量和平均传输延迟。

3MAC协议现状

目前很多MAC层协议存在同步过程杂乱、能耗大等缺陷。而如何解决存在的这些问题，就需要对MAC层协议进行优化设计。比如基于竞争的MAC协议存在发数据延迟的现象；基于调度算法的MAC协议又有同步时间开销太大、可扩展性差的缺陷。

4优化策略

本文提出的A（awaken）-MAC协议，通过自身调整传感器每一个节点的占空比，让节点在不同流量下使用不同的占空比工作，这样就能根据流量决定时间，从而降低能耗，而能耗恰恰是MAC协议首先要考虑的因素。并且，A-MAC协议针对负载的不同，提出了睡眠算法。图1所示为协议的周期睡眠图。

使用如上机制的MAC协议，可以通过减少节点的工作时间也降低能耗。相邻节点尽量保持同时睡眠，可达到同步交换数据包。而节点之间的调度，是通过SYNC包来实现的。

数据竞争信道会发生碰撞的问题，可以采用截断二进制回退的方式解决。如有竞争，发送竞争请求后，以ACK应答信号为标识，若收到ACK则表明竞争解决过程完毕；若没有收到，则代表数据信息丢失，便重新发送新的数据，重复即可。以往的协议栈里，如果数据信息较长、数据包较大，传输过程中若数据包出错，就需要重新传送，时间的消耗随之增加。A-MAC为避免这样的现象出现，将消息分成若干小段，根据节点上数据的平均延迟，来改进占空比，从而便于数据包的传送。

若有睡眠命令发出，则所有节点空闲，避免了包含睡眠命令数据包的丢失；整个过程时间很短；节点睡眠和唤醒的时间不同，即传感器节点不能同时睡眠或者同时唤醒，避免了竞争碰撞现象；最重要的是降低了能耗。此外，还可通过对路由器的参数改变，来进行传输功率的控制。

5仿真

使用NS仿真软件，对A-MAC协议进行模拟。NS集编程、扩展与一体，可以模拟各种网络环境，如TCP/IP。

参数设置：数据传输率1Mbps；传感器节点500个；无线设备传输功率100mW；数据包大小固定512B，每间隔100ms发送。重复测试。

如图2所示，采用A-MAC协议在数据流上实现了稳定的时间延迟。

6总结

传统网络协议对有线网络是成功的，在无