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

Research and design of MAC layer protocol optimization for Wireless Sensor Networks

WANG Yu YANG Jun-qing MA Xin-hua

（Xian Aeronautical University， Xian Shaanxi 710077，China）

【Abstract】With the development of Internet of things，the application of wireless sensor networks is more and more widely.It consists of sensor nodes， mutual cooperation， collection， and transmission of data.The MAC layer protocol is mainly to optimize the network throughput and achieve efficient communication mechanism. In this paper，the optimal design of MAC layer protocol is studied.

【Key words】Protocol；Wireless sensor network；Optimization design

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。

2 MAC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。

3 MAC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，在无线环境中，竞争冲突、能耗大的缺陷过于明显，无线传感器的发展前景极为广阔，所以网络的性能及其协议的优化也就成为人们关注的焦点。如何设计出良好的MAC层协议，降低能耗和时间延迟，就成了棘手的问题。

本文提出的A-MAC协议采用睡眠算法，对原有MAC协议进行了优化设计，以此协议进行数据通信，竞争碰撞现象大大减少，更重要的是降低了能耗。通过设置参数，进行协议仿真，也表明A-MAC协议可以实现稳定的时间延迟。

【参考文献】

[1]刘化君.计算机网络原理与技术[J].电子工业出版社，2005.

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[3]黄奕铭.基于IEEE802.11MAC层协议优化与实现[D].南京邮电大学，2015.

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