基于能量的无线传感器网络MAC协议研究

无线传感器网络采用能量有限的电池供电,能量决定了传感器网络的生命期,传感器节点的能耗主要集中在介质访问控制层协议(MAC)上.如何降低传感器网络MAC层协议的能耗,成了解决能量问题的关键.文章从减少数据流量,增加射频模块休眠时间和冲突避免3个方面,深入剖析了当前经典的MAC协议,通过分析得出,在节省能耗上,应该综合考虑各种MAC协议的运用.     

基于S-MAC的能量均衡协议

针对无线传感器网络S-MAC (sensor MAC)协议中虚拟簇边界节点的能耗和其他非边界节点的能耗不均衡的问题,提出了改进后的能量均衡EES-MAC (energy-efficient sensor MAC)协议.它利用新加入的两个协调变量统一所有节点工作周期,使得边界节点只工作在一个同步周期,从而消除了边界节点对网络的影响.通过理论分析和仿真结果表明新的协议有效的消除了虚拟簇边界节点的影响,达到了均衡网络的目的,提高了网络的生存周期.     

多个无线传感器网络中节能MAC协议设计

在无线传感器网络中,媒体访问控制(MAC)层协议影响着整个网络的性能。根据无线传感器网络对节点能耗和时延的要求,本文提出了一种基于跨层设计的节能MAC协议。利用物理层、MAC层和路由层之间的信息交互,在保证可靠通信的基础上,实现在一个监听/睡眠周期内数据多跳传输,缩短数据传输时延,并且有效控制网络数据传输的冗余度,降低冗余节点能量消耗。性能分析和仿真结果表明,节能MAC协议能够有效地降低网络时延并且减少节点能耗。     

一种无线传感器网络MAC协议优化算法

在无线传感器网络中,各节点采集的信息以多跳的方式传送到汇聚点.从各节点到汇聚点形成一棵以汇聚点为根的传输树.文中在对无线传感器网络传输特点分析的基础上,剖析了基于CSMA/CA(载波多路监听/冲突避免)的MAC协议在树状结构无线传感器网络中的弊端,提出了一种基于CSMA/CA的MAC协议优化算法.算法基于节点在传输树中的位置信息调整其MAC信道接入分配,将CSMA/CA采用的各节点均等竞争信道的方法优化为各节点依据在传输树中的位置情况竞争信道的方式,这一优化提高了节点公平性,使MAC信道接入分配与树状结构的无线传感器网络传输特点相契合,解决了基于CSMA/CA的MAC协议与树状结构无线传感器网络不匹配的问题,从而减少了信道资源浪费,提高了网络传输效率,降低了能耗.实验结果表明该算法在网络丢包率、吞吐量和能耗方面的性能均有较大改进.     

用于无线传感器网络的高能效分帧MAC协议

为进一步降低传感器节点闲置侦听导致的能量消耗,改进MAC(media access control)协议,提出了一种用于无线传感器网络的新型的节能的分帧MAC(division-frame MAC,DF-MAC)协议.DF-MAC通过设置多个分帧使传感器节点的侦听时间缩短,减少了与其它节点通信所需的能量.DF-MAC有2个主要特点:低占空比和低碰撞数.在DF-MAC中碰撞数被降到最小程度,节省了重发封包所需的能量.仿真结果表明,与现有的MAC协议相比,能量消耗更低.     

基于竞争机制的无线传感器网络MAC层协议的研究综述

媒体介入控制(MAC)协议基本任务是节点共享网络媒体的介入问题,近年来针对传感器网络独特的资源限制和应用需求,研究人员提出了许多为无线传感器网络设计的具有低能耗特征的MAC协议.分析比较MAC协议中基于竞争机制的典型协议,以便于无线传感器网络MAC协议的进一步研究与改进.     

一种基于LEACH的改进无线传感器网络路由协议

为了在无线传感器网络(WSN)中降低能耗和提高网络生存期,针对LEACH协议中簇头选举不合理和随机分簇的不足,提出了一种LEACH的改进协议.该协议首先计算无线传感器网络的最佳分簇数量,然后与遗传算法相结合对网络进行分簇,再根据簇中节点的剩余能量等情况选出簇头节点.仿真结果表明,与经典的LEACH协议相比,改进后的协议减少了网络的能量消耗,延长了网络生命周期.     

移动ZigBee节点无线传感器网络建模与性能仿真研究

在如智慧医疗等众多ZigBee无线传感器网络应用中,网络节点的移动常常不可避免,为保证移动节点在网络中的泛在通讯能力,研究节点移动引起的网络性能变化十分重要。论文首先对OPNET仿真开发平台的网络层进程域模型进行改进,利用状态转移过程模拟节点移动进程特性,优化节点路由协议,改善基于OPNET的ZigBee无线传感器网络模型组网能力及网络阻塞状况。其次,仿真研究移动节点数量、移动节点速度对三种拓扑结构ZigBee网络的MAC负载、MAC延迟、端到端延迟性能的影响。仿真结果表明,随着移动节点数量以及速度的增加,簇状ZigBee网络负载承受能力最好,星型ZigBee网络在延迟方面表现出更大优越性,综合考虑负载和延迟两方面性能,网状ZigBee网络具有更大的优势。     

无线传感器网络MAC协议研究进展

近年来, 无线传感器网络 (WSNs) 作为国内外一个新兴的研究方向, 吸引了许多研究者和机构的广泛关注. 无线传感器网络具有与传统无线网络不同的特点, 且与应用高度相关. 无线传感器网络主要的一个设计目标是有效地使用网络节点的受限资源 (能量、内存和计算能力), 以最大化网络的服务寿命. 传统网络的介质访问控制 (MAC) 协议, 并不能直接应用于无线传感器网络. 针对无线传感器网络的特点和应用背景, 研究人员提出了很多 MAC 协议. 本文通过分析无线传感器网络的特点, 讨论了影响 MAC 协议设计的有关问题, 着重研究和比较了当前一些重要的无线传感器网络 MAC 协议. 结果表明, 不存在一种适用于无线传感器网络应用的标准 MAC 协议, 好的 MAC 协议必须能在能量有效性和网络性能之间进行折中. 最后, 展望了无线传感器网络 MAC 协议的进一步研究策略和发展趋势.     

无线传感器网络MAC层能耗与时延的权衡

无线传感器网络节点设计的最重要约束之一就是要求低能耗,这与传统网络依赖持续的能源供应而致力于提供尽可能高的服务质量截然不同.研究了一个结合无线传感器网络的能耗特性而提出的MAC协议S-MAC协议,并在对802.11MAC、S-MAC中的能耗状态与时延特征进行理论和数学分析的基础上,通过仿真实验得出了在模拟网络环境中802.11MAC和S-MAC的能耗和平均时延,S-MAC协议中引入节点周期性睡眠、冲突串音避免和消息传递等新技术,以牺牲时延为代价换取高效的能量利用,提供了一种高效可扩展的在能耗和时延之间进行权衡的方案.     

一种基于大规模网络分解和协调的WSNs MAC协议

针对树状拓扑的大规模传感器网络中存在的节点能量和传输效率问题,提出了一种基于大规模网络分解和协调的无线传感器网络(WSNs)MAC协议。该协议在路由信息的基础上对网络进行再一次分解,并采用了与之相适应的节点接入算法。实验结果表明:该协议总体能耗低、传达率高且具有一定的自适应性,同时网络时延并没有因为分层而增加。该协议对大规模无线传感器网络有良好的适用性。     

一种低功耗的无线传感器网络MAC协议

在无线传感器网络中,为了避免不必要的能耗而达到延长网络寿命的目的,提出一种低功耗的无线传感器网络MAC协议。此协议在低功率侦听(LPL)基础上进行修改,通过前一次轮询的结果来推测这一次的流量状况,根据流量状况自适应调整侦听睡眠周期结构中相应的占空比,从而降低能耗。通过编程仿真并结合实验,对此模型进行验证,证明了此算法能降低能耗。     

基于网络编码感知的能量均衡的ZigBee路由策略

ZigBee网络通常通过电池提供能源,某些节点的电池能量消耗较大,会导致网络分割和节点过早死亡,影响整个网络的生存。为了实现ZigBee网络的能量优化,延长网络生存时间,提出一种基于网络编码感知的能量均衡的ZigBee路由策略NCEBR（ Network Coding-aware based Energy-Balanced Routing）。该策略能够选择具有最小总能耗和最小剩余能量的路径传输分组以均衡网络节点能量消耗,同时通过网络编码降低节点能耗。仿真结果表明,与传统的ZigBee路由协议相比,NCEBR策略能够减少死亡节点数,均衡网络能量消耗,延长网络生存时间。     

An asynchronous scheduled MAC protocol for wireless sensor networks

Wireless sensor networks (WSNs) comprise a number of autonomous sensors and one or more sinks to cooperatively monitor physical or environmental conditions. Energy efficiency is a key design factor of a MAC protocol for WSNs. Due to the importance of the problem, a number of energy efficient MAC protocols have been developed for WSNs. Preamble-sampling based MAC protocols (e.g., B-MAC and X-MAC) have overheads due to their preambles, and are inefficient at large wakeup intervals. SCP-MAC, a synchronous scheduled energy-efficient scheduling MAC protocol, minimizes the preamble by combining preamble sampling and scheduling techniques; however, it does not prevent energy loss due to overhearing; in addition, due to its synchronization procedure, it results in increased contention and delay. In this paper, we present an energy efficient MAC protocol for WSNs that avoids overhearing and reduces contention and delay by asynchronously scheduling the wakeup time of neighboring nodes. We provide an energy consumption analysis for multi-hop networks. To validate our design and analysis, we implement the proposed scheme in TinyOS. Experimental results show that AS-MAC considerably reduces energy consumption, packet loss and delay when compared with existing energy efficient MAC protocols.     

基于矩阵的无线传感器网络数据融合方案

数据融合是降低无线传感器网络（ WSNs）能耗的重要手段,为了有效地节省WSNs节点的能量,提出一种基于矩阵的层簇式数据融合方案。在簇头选举时,考虑节点的剩余能量和相对密度,并利用矩阵运算对簇内成员节点采集的数据进行数据融合处理。最后将所提方案与传统的LEACH协议进行仿真比较,实验结果表明：相比于传统的LEACH协议,所提方案可以有效降低数据冗余,减少数据传输量,节约节点能耗,进而延长网络生存期。     

SEEL:无线传感器网络下自适应、低延迟的节能媒质接入控制协议

无线传感器网络有着广泛的应用前景,然而由于传感器节点能量有限,因此传感器网络上运行的协议必须具备能量有效性以获得较长的生命周期.而媒质接入控制子层是节点能量消耗的主要所在,因此无线传感器网络设计的关键问题之一是媒质的接入控制.提出了一种自适应低延迟的节能MAC协议——SEEL协议,根据当前的网络负载自适应地调节竞争窗口的大小,从而减小节点数据传送的碰撞几率和由于碰撞而导致的能量消耗;采用了快速退避机制,减少了节点在退避过程中的空闲监听时间;扩展了RTS/CTS消息机制,可减少节点在每帧活动阶段的时间以及减小数据的延迟,两者都能节约能量的使用.实验结果显示,SEEL协议具有比S-MAC和TEEM协议更好的性能.     

Balancing the power consumption speed in flat and hierarchical WSN

A combination of a cluster tree routing protocol and an Ad hoc on demand vector (AODV) routing protocol is used in the latest ZigBee standard wireless sensor networks (WSNs) technology. However, the AODV routing protocol has no means by which to take into consideration the power consumption of the nodes during the routing process. Therefore, a new approach is proposed in this paper to balance the power consumption speed and to distribute the responsibilities of routing among fiat wireless sensor nodes and the three levels of hierarchical wireless sensor nodes. These three levels are based on the three types of devices, which are used in the ZigBee standard: the coordinator, the touters, and the end devices. In this paper, we have compared the original AODV routing protocol with our extension approach for the distribution of power consumption. Based on the simulation results, our new approach has achieved better performance in terms of increasing the lifetime of the fiat wireless sensor network, the personal area network (PAN)coordinator, the touters, and the whole network of the hierarchical wireless sensor network. Additionally, it has better performance in terms of distributing the power consumption among the key nodes of the wireless sensor network.     

Energy-Efficient Wake-Up Scheduling for Data Collection and Aggregation

A sensor in wireless sensor networks (WSNs) periodically produces data as it monitors its vicinity. The basic operation in such a network is the systematic gathering (with or without in-network aggregation) and transmitting of sensed data to a base station for further processing. A key challenging question in WSNs is to schedule nodes' activities to reduce energy consumption. In this paper, we focus on designing energy-efficient protocols for low-data-rate WSNs, where sensors consume different energy in different radio states (transmitting, receiving, listening, sleeping, and being idle) and also consume energy for state transition. We use TDMA as the MAC layer protocol and schedule the sensor nodes with consecutive time slots at different radio states while reducing the number of state transitions. We prove that the energy consumption by our scheduling for homogeneous network is at most twice of the optimum and the timespan of our scheduling is at most a constant times of the optimum. The energy consumption by our scheduling for heterogeneous network is at most Theta (log {frac{R_{rm max}}{R_{rm min}}}) times of the optimum. We also propose effective algorithms to construct data gathering tree such that the energy consumption and the network throughput is within a constant factor of the optimum. Extensive simulation studies show that our algorithms do considerably reduce energy consumption.     

基于协商机制的无线传感器网络路由协议

针对事件驱动型无线传感器网络（WSNs）中存在的次生驱动等问题,提出了一种基于分布式协商机制的WSNs路由协议。该协议通过抑制冗余节点发送数据来减少网内流量。仿真结果表明：该协议能够有效减少事件汇报的时间,减少系统能量消耗。