基于竞争的无线传感网络MAC协议研究(2)
机、半导体、网络、通信、光学、微机械、化学、生物、航天、医学、农业等众
多领域，成为目前 IT 领域中的研究热点之一。对该技术的深入研究将推动我国
的信息化建设，并极大地带动相关产业和学科的发展，从而为国民经济带来新的
增长点。现在互联网为人们提供了快捷的通信平台，极大地方便了人们的信息交
流。无线传感器网络拓展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息同传感
网络连接在一起， 在下一代互联网中为人们提供最直接、 最有效、 最真实的信息。
无线传感网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能够应用
于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反
恐、危险区域远程控制等诸多领域。未来，传感器网络还将向天、空、海、陆、
地下一体化综合传感器网络的方向发展，最终将成为现实世界和数字世界的接
口，深入到人们生活的各个方面，像互联网一样改变人们的生活。
WSN 与现有的无线网络相比，其特点是节点的电源能量和硬件资源有限、
无中心自组织、数量众多分布密集、网络动态性强。其中能耗问题是 WSN中至
关重要的问题，因此 WSN的节点必须是低功耗的[3]。
传感器网络结构如图1-1所示，通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节
点(sink node)和管理节点。其中传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通
信模块和能量供应模块四部分组成[4]，如图1-2。 随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。
这个协议栈包括物理层、数据链入层、网络层、传输层和应用层，与互联网五层
协议相对应。其中数据链入层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。
媒体介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议处于无线传感器网络协议
物理层和网络层之间，主要用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传
感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络有效通信的关键技术之一。
无线传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等与所采用的MAC协议有密切的关
系。有关研究表明能量的消耗主要集中在 WSN节点的无线通信模块部分，其中
发送状态消耗的能量最多，其次是接受和空闲侦听状态，最后是睡眠状态，如图
1-3所示。而MAC协议直接控制无线通信模块，对节点能耗有重要影响。因此，1.2 研究意义
无线传感器网络节点一般采用电池供电，电池容量有限，而对于具有成千上
万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难有时甚至不可能，这样使得节
点的生存时间受到了限制。如果网络中节点因为能量耗尽不能工作，则会带来网
络拓扑的改变以及路由的重新建立等问题，甚至可能使得网络分成不连通的部
分，造成通信的中断，进而影了无线传感器网络的寿命。因此，如何在不影响功
能的前提下，尽可能节约能量已成为无线传感网软硬件设计中的核心问题之一。
为了解决这一问题，需要从各个方面进行针对性的设计。首先在功能上，由
于无线传感器网络大都是为某一专用目的而设计的，去掉不必要的功能，可以节
省能量，延长节点的生存时间。其次，可以设计专门的提高传感器网络能量效率
的协议以及采用专门的技术，这些协议和技术涉及到网络的各个层次。其中，媒
体接入控制是非常重要的方面。
传感器节点的能量浪费主要来自：空闲侦听、冲突、串音、控制开销等。