基于竞争的无线传感网络MAC协议研究(3)
MAC 子层的主要任务就是可靠地控制信道的接入，尽量减少以上的能量浪费。
因此，MAC协议的设计对无线传感器网络能量高效利用有着重要意义。
1.3 研究现状
MAC 协议的基本任务是解决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。
1.3.1国外研究现状
2002年，USC/ISI的 Wei Ye等人在802.11MAC协议[5]的基础上，针对传感
器网络的节省能量需求，提出了经典的 S-MAC 协议[6]，采用周期性侦听/睡眠
的低占空比工作方式，邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减
少节点的空闲侦听时间，减低能量消耗。2003年，T.V.Dam等人针对S-MAC较
为固定的调度周期不能很好地适应网络流量变化的问题， 提出了一种自适应调整
占空比的 MAC 协议：T-MAC 协议[7]，通过动态调整调度周期中的活跃时间长
度来改变占空比。2004年，CSEM SA的研究人员提出了 WiseMAC协议[8]，最
初是为 WiseNET低功耗无线传感器网络平台而设计的[9]，在该协议中引入了前
导采样技术来减少空闲侦听， 通过最小化前导机制提供了对网络通信流量的自适
应。针对大多数的无线传感器网络应用中，主要的通信流量类似单向树状模式，
USC的G.Lu等研究人员提出了DMAC协议[10]，采用了预先分配的方法来避免
睡眠延迟，通过交错唤醒机制及数据预测机制有效地避免了采用周期性活动/睡
眠策略的 MAC 协议出现的数据在转发中“走走-停停”的停顿问题。05 年，北卡
罗莱那州州立大学的I.Rhee等人提出了ZMAC协议[11]， 它是一种混合型的MAC
协议，采用CSMA机制作为基本方法，在竞争加剧时使用TDMA机制来解决信
道冲突问题。
至今，世界各国的研究机构和学者仍致力于无线传感器网络 MAC 协议的研
究和部分经典MAC协议的性能改进。
1.3.2国内研究现状
在MAC协议方面， 国内的研究主要集中在经典协议的改进， 对于混合型MAC
协议及跨层协议设计的研究也同时开始进行。
2009年，河南科技大学的郑国强等人基于跨层的方法提出了能量高效
MAC(cross layer energy efficient MAC,CLEE-MAC)协议[12]。该协议在自适应
S-MAC(adaptive sensor MAC,AS-MAC)协议基础上,通过利用路由层的路由表信
息,改变AS-MAC协议的控制帧格式，有效解决了AS-MAC协议中因"强迫唤醒"
造成的能量浪费问题，延长了网络的寿命。 2011 年，清华大学刘一哲，袁睿翕针对无线传感器网络的节能和网络性能
流量自适应的需求，在 Z-MAC 协议的基础上，提出了 EHMAC 协议[13]。经过
分析表明，EHMAC 在保持 Z-MAC 高信道利用率和低延迟的同时，可以减少
Z-MAC低功耗侦听机制造成的大量串音能耗以及preamble传输所造成的网络开
销。此外，EHMAC 对Z-MAC在内的TDMA类协议无法应对的非对称隐藏终端
问题提出了解决方案，取得了较高的网络吞吐量和较低的端到端延迟。
2012 年，西安电子科技大学的李延时等人结合传感器节点的通信模块的功
耗特性，在 S-MAC 和 PD 算法基础上，提出了新的 AP 算法[14]。仿真结果表
明，AP 算法合理的减少了碰撞，提高数据包接收准确度，改善无线传感器络通
信的能量有效性。该算法可延长网络的生命周期，推动无线传感网应用的普及。
1.4 本文工作
本文主要研究无线传感器网络中一种经典的 MAC 层协议：S-MAC 协议，