（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络的mac协议研究(1).pdf

鬻裘躲毫大攀硕圭磅究生学鑫论文 接要 摘要 无线传感器网络( w s n ) 集成了信息采集、数据处理和无线遗信等多种功麓，众多的传 感器节点能够实时协同地监测采集各种环境和监测对象的信息，对收集到的数据进行处理 并传送到指定的设备和用户。目前，无线传感器网络已经成为全球信息领域的研究热点， 在军事、环境稆商业等领域具有广泛的应用前景，引起了许多国家的高度关注。 在众多无线传感器网络的关键技术中，介质访问控帚i j ( m a c ) 协议是保证网络成功运行 的重要技术。m a c 协议处于网络协议的底层部分，它决定了无线信遵的使用方式，在传 感器节点之间分配有限的无线通信资源，对于无线传感器网络的高效通信具有重要意义。 在无线传感器网络m a c 协议的设计过程中，节省能量是首先考虑的因素，其次才会考虑 可扩展性和照络效率。 本文首先介绍了无线传感器网络的体系结构和特点、无线传感器网络的关键技术和它 在现实中的广泛应用；然后分析了无线传感器网络m a c 协议的特点和设计目标，并按照 协议中信道的使用方式，对目前七种具有代表意义的m a c 协议的设计背景、原理机制、 关键技术和应用范围进行了分类讨论；本文重点对s m a c 、t - m a c 和p m a c 这三种基于 竞争的m a c 协议进行了具体深入的理论分析研究，研究了它们为减少能耗丽采用的独特 机制，并对它们分别进行了性能仿真，通过采用不同信源和调节内部参数的方式，获得了 它们在不同的应用环境下包括能耗、延迟和吞吐量在内的性能。针对无线传感器网络的 m a c 协议设计重在减少能耗的目标，本文在p m a c 协议的基础上对其进行了改进，以降 低系统的能耗，提高无线传感器网络的生命周期和应用性能。 关键词：无线传感器网络，介质访问控制协议，能耗，延迟，吞吐量 毒塞郝邀大学硕毒研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si n t e g r a t ev a r i o u sf u n c t i o n sl i k ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n , d a t a p r o c e s s i n g , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n ds oo n n u m e r o u ss e n s o rn o d e sm o n i t o ra l lk i n d so f e n v i r o n m e n t sa n d t a r g e t s ，c o l l e c tt h ei n f o r m a t i o n ，d e a lw i t ht h ec o l l e c t e dd a t a , a n dt r a n s m i tt h e m t ot h e a p p o i n t e de q u i p m e n t s a n du s e r s n o w a d a y s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a sw i d e l y a p p l i c a t i o np r o s p e c t si nm a r t i a la f f a i r s ，e n v i r o n m e n t ，c o m m e r c ea n da t t r a c tb r o a da t t e n t i o nf r o m m a n yc o u n t r i e sa sar e s e a r c hh o t s p o ti nt h eg l o b a li n f o r m a t i o nf i e l d l i k ei na l ls h a r e d - m e d i u mn e t w o r k s ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o li sa n i m p o r t a n tt e c h n i q u et h a te n a b l e st h es u c c e s s f u lo p e r a t i o no ft h en e t w o r k m a cp r o t o c o l d e t e r m i n e st h eu s a g em o d eo ft h ew i r e l e s sc h a n n e la n dd i s t r i b u t e sw i r e l e s sc h a n n e lr e s o u r c e s a m o n g s e n s o rn o d e s i ti sab a s i cp a r to fn e t w o r kp r o t o c o la n di si m p o r t a n tt ot h eh i g he f f i c i e n c y c o m m u n i c a t i o n so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s e n e r g ys a v i n gi st h ee l e m e n tt h a tm u s tb ef i r s t l y c o n s i d e r e di nt h em a cp r o t o c o ld e s i g nf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w h i l ee x t e n s i b i l i t ya n d n e t w o r ke f f i c i e n c ya r el e s si m p o r t a n t i nt h i st h e s i s ，t h es t r u c t u r e sa n dc h a r a c t e r so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r ef i r s t l yi n t r o d u c e d ， t h e nt h ek e yt e c h n i q u e sa n da p p l i c a t i o nd o m a i n so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r ea l s od e s c r i b e d ； s e c o n d l y , t h ec h a r a c t e r s a n dd e s i g nc o n s i d e r a t i o n so fm a cp r o t o c o la 糟a n a l y z e da m p l y , s p e c i a l l y , t h ed e s i g nb a c k g r o u n d , p e r f o r mm e c h a n i s m ，p a r t i c u l a rt e c h n o l o g i e sa n da p p l i c a t i o n d o m a i n so fs e v e nf a m o u sm a c p r o t o c o l sa r ed i s c u s s e di nt e r mo ft h eu s a g em o d eo fc h a n n e li n p r o t o c o l s t h et h e s i sm a i n l yc h o o s e ss - m a c ，t - m a ca n dp m a ca ss u b j e c t ，a n dt h et h e o r ya n d u n i q u em e c h a n i s mo ft h et h r e es i g n i f i c a n tp r o t o c o l sa r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e d t h e i r p e r f o r m a n c e si n c l u d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n , l a t e n c ya n dt h r o u g h p u ti nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw i m v a r i o u ss o u r c e sa n dp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db yf u r t h e rr e s e a r c h e sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n s s i n c et h ep r i m a r yg o a lo fm a c p r o t o c o ld e s i g nf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sr e d u c i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n , 0 , 1 1i m p r o v e dp r o t o c o li sp r o p o s e do nt h eb a s i so fp - m a cp r o t o c o l 。i tc a na c h i e v e l o w e rs y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o n , l o n g e rl i f ec y c l ea n dh i g h e rp e r f o r m a n c eo fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，m a cp r o t o c o l ，e n e r g yc o n s u m p t i o n , l a t e n c y , t h r o u g h p u t h 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：堡，醒日期：2 盟：坌型 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包播刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：塞：丝 导师签名： 嘉索辩毫夫学磋蘩巍垒学毪论文 第一寒无线传感器霾络概述 1 1 引言 第一章无线传感器网络概述 微电机系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 、嵌入式计算技术、传感技术和 无线通信技术等技术的进步，推动了羝功耗多功麓传惑器熬抉速发展，使其蘸够在徽小俸 积内集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，使无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s 在工业、农业、军事、环境、医疗和交邂等各个领域肉获得了广泛的应用， 逐渐残戈当毒蓍信息领域巾豹研究热点1 】臻1 1 3 1 1 4 1 。作势未来的高科技产业之一，无线传感器网 络已经分别被美国商业周刊和m l t 技术刿为2 1 世纪最有影响的2 l 项技术和改变世界的 l o 大技术。 l 。2 无线传感器节点 1 2 1 节点结构 无线传感器节点【5 l 主要由传感器单元、处理器单元、无线通信单元和电源单元四部分 缀成，掇搬兵傣痰用可麓有其它部分懿本地定健系统、毫源嚣生单元翻移动攀元，箕体系 结构如图l 一1 所永。传感器单元负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器单元负责 控涮整个传感器节点的运行，楚理和存储收集到的数摄；无线通信单嚣受责节点闻的秃线 邋信，交换控制和数据信息；电源单元负责提供能量保证传感器节点的正常运行。 豳l l 传感爨节点的体系结构 戆寨簿龟大学矮圭研究生学使论文 第一零无线铸感器嬲终概述 1 2 2 节点限制 无线传感器节点体积小、成本低，在实际应用中受到以下限制： 董毫源麓量有限 无线传感器节点携带的电源能量十分有限，由于节点工作的环境般十分恶劣，所以 补充麓源是+ 势困难酶。在无线传感器网络熬设计中，我粥崧须尽量节省麓量，延长瑟络 的生命周期。 2 ) 硬件资源有限 无线传感器节点通常携带微型麓嵌入式处理器和存储器，爨此其计算和存储能力比较 有限。在无线传感器网络的设计中，我们必须用有限的计算和存储资源协作宪成任务。 3 ) 通信能力有限 无线传感器节点携带的电源有限，其通信能力也受到影响。因此，在无线传感器网络 的设计中，应该尽量减少节点的单蹒通信距离。 1 3 无线传感器网络协议体系 图1 2 是无线传感器网络协议体系瓣的二维结构黧，即横向的通信协议层和缴向的霜 络管理越。透信协议层包括物理层、数据链路瑟、网络层、传输层和应用层，网络管理面 则包括能量管理面、移动管理面和任务管理面。协议体系的各层协议和管理丽的功能如下： 图1 2 无线传感器网络的协议体系 。物理屡受责数据酶调隶l 、发送和接收； 。数据链路层负责媒体控制、数据成帧、帧检测和差错控制； 2 辫索菸毫大学硬圭磺巍生学整论文第一章无线特感器魏终概述 。网络层主要负责对传输层提供的数据进行路由控制； 。蒋输层负责维持无线传感器网络应周所需要髂数据流传输； 。应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件； 。麓爨管理平台管理传感器节点和各个协议层斡能源使用情况； 。移动管理平台负责传感器节点的移动和节点在网络中的动态连接； 。任务管理平台负责调度节点共同完成盗测任务。 1 4 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络是集数据采集、数据处理及通信功能于一体的多跳分布式自组织无线 遁信霭络，萁网络结构鳃圈l 。3 掰示。无线传感器网络是蜜随机部署在盗测区域内豹大量 的廉价微型传感器节点构成的新型的信息获取系统，集成了多种功能的微型传感器节点能 够实时协作遗实现对区域内露标的探测、识别、定位和跟踪，透过嵌入式计算系统进行数 据处理和信息融合，并通过自组织无线网络以多跳中继方式路由到汇聚节点， 最羼通过 飘联网或卫星传输蓟管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监 测任务和收集监测数据。 目标 黉落器节意 图l - 3 无线传感器网络的体系结构 3 南寨露耄大学醺圭研究童学毽论文 第一章无线铸感器嬲络概述 1 5 无线传感器网络的特征 1 5 。l 无线传感器网络与无线自组网的区别 无线传感器嬲络区别于无线自组刚豹不周点主要有：首要设计圈标是能源的高效利用 而不是高服务质量和带宽利用；节点数量更为庞大，分布更为密集；节点容易失效，网络 拓羚缝构交纯频繁；苇点不磐具有全球统一标识；节点位置一般固定；网络以数据为中心， 采用广播通信机制。 1 5 2 无线传感器网络的特征 1 规模庞犬 无线传感器鼹络的节点部署其有数量大，密度高的特点，这样可以通过冤余苇点提高 系统的精确度和容错性。 2 动态性和自组织性 无线传感器网络豹拓羚结构经掌发生动态性变化，这就要求网络具有自组织豹能力， 能够自动进行配置和管理，并通过拓扑控制机制和网络协议自动形成一个多跳的无线网络 信息获取系统。 3 多跳路幽 无线传感器网络节点的通信距离有限，灵能与邻屠节点煎接逶僚。普通繁点与汇聚节 点之闻的通信只能通过中闻节点运用多跳路巍来实现。 4 广播通信方式 无线传惑器网络节点数蕃庞大，在组圉和通信对采用广播方式，筲以加快信息传播的 范围和速度，并能节省能量。 5 。可靠性、容错性和安全性 无线传感器网络节点部署的环境十分恶劣，并且数量大、光法维护，这就要求带点具 有很高的可靠能，同时节点的损失是不可避兔的，所以网络应其有较好的容错性，无线通 信具有僳密性和安全链。 6 以数据为中心 与以地蛙为中心的互联网不同，无线传感器网络是苏数据为孛心的霹络，用户爻关心 光线传感器网络在监测区域内获德的数据，以数据本身作为粪询和传输的线索。 4 妻塞鳖垒盔堂壅主受塞垒兰笙鲨塞 茎= 窒蒌些篓壁墨壁鳖塑垄 7 应用相关 不用的无线传感器网络应用关心不同的物理量，针对每一个具体应用研究缝来的包括 硬件平台、软件系统和网络协议在内的无线传感器网络技术也有很大差别，这样才能使设 计出来的系统贴近应用，具有最高的效能。 1 6 无线传感器网络应用 传感器节点可以由各种不同类型的传感器缀成，如磁的、热的、视觉的、红外线的、 声学的、无线电等，因此可以监控各种环境条件。传感器节点的微型传感和无线连接概念 使得无线传感器网络已经广泛地应用于军事、环境、健康、家居和其它商业领域。 1 ) 军事应用 无线传感器网络的快速部署、自组织和容错性的特点使它成为军事c 4 i s r t 系统的一 项重要技术。目蓊无线传感器网络已经广泛应用于友军和敌军的军队和装备的监控、战场 和地形侦察、目标定位等。 2 ) 环境应用 无线传感器踺络的环境应用主要包括：森林火灾监测、环境的生物复杂性绘制、洪水 监测、农业精确监控、鸟类、小型动物和昆虫的跟踪、牲畜和农作物的环境监测、行星探 测、海洋和大气监测、气象和地球物理学研究等。 3 ) 健康应用 无线传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括人体生理数据的遥控，医院内 医生和患者的跟踪和监控，医院的药物管理等。 4 ) 家居应用， 通过无线传感器网络可以实现家居自动化和灵巧环境，为人稠提供更加舒适、方便和 更具人性化的智能家居环境。 5 ) 其它商业应用 无线传感器网络的其它商业应用包括办公大楼的环境控制、交互式博物馆的控制、货 物的管理控制、机动车辆的跟踪和监视、产品质量监测等。 1 7 无线传感器网络关键技术 作为当今备受关注的、涉及多学科交叉、知识高度集成的前沿信息领域新的研究热点， 无线传感器网络依赖于以下关键技术： 5 麓衷蘸毫大学硬圭研究生学燕论文第一掌无线转惑器题络概述 1 网络拓扑控制f 7 】f 8 】 透过拓矜控制耋动生成一个高效的数据转发的网络舞卦结构，能够提高路壶协议和 m a c 协议的效率，有助于数据融合、时间同步和目标定位的实现，有利于节省节点的能 量秘延长网络的生命周期。 2 鼹络协议f 9 1 f 1 0 1 无线传感器两络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究 熬重点是数据链路层协议和嚣络层协议。数据链路层的介质访闯控制协议用来构建系统的 底层基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式，它首先要考虑节省能源和可扩展 性；璃络层薛路由协议决定煎测信息的传输路径，它关心静是整个瓣络麓量的均衡消耗和 单个节点的能量消耗，延长整个网络的生命周期。 3 网络安全 无线传感器鼹终是任务型的瓣络，失了保谨任务的机密布置和任务执行结果的安全传 递和融合，无线传感器网络必须采用必要的安全机制来维护网络安全。 4 。时阆和空闻定位【| 1 l 无线传感器网络的节点需要协作地完成任务，节点在进行数据融合和信号处理的时候 需要严格的时间同步来保证节点间的协调配合，而确定事彳孛发生的位置或采集数据的繁点 的位置是传感器鼹络最基本豹功能之一。 5 数据融合 夷了有效地节省瑟壁和提离信塞麴准确瘦，节点在收集数据静过程中，毖须剩嗣本缝 的计算和存储能力对多份数据进行融合处理【1 2 】f 1 3 】【1 4 1 ，去除冗余信息。 6 数据管理 无线传感器掰络捷用分布式数据库f 1 明对数据进行管理，这样可以将存储在网络中的 数据的逻辑视图与网络中的实现进行分离，增强无线传感器网络的易用性。 7 。无线逶蓿搜术 无线传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。在无线传感器网络的设计中，多 采用i e e e 8 0 2 。1 5 。4 标准和超宽带技术w b ) f 1 刁做为其笼线通信平台。 寒。嵌入式操作系统 无线传感器节点内的嵌入式操作系统需要针对无线传感器网络的特点，高效协调和管 理寄限的硬件资源，满足实际舆体应用中嚣各项需要。 9 应用层技术 6 纛京都龟夫学矮圭磅究生学整论文 第肇无线传感爨嚣终概述 无线传感器网络的应用层由各种面向应用的软件系统构成，部署的传感器网络往往执 行多静强务。应耀层魏研究主要是各种传感器礴络痘罔系统豹开发和多任务之阉瓣协调。 1 0 能量控制【i 8 】【1 9 1 1 矧 魏旃有效节省麓量是无线簧感器圈络的一个核心阏蘧。麓量节省涉及节点的麓羹管 理、网络范围内能量优化以及自适应能量精度计算。节点能量管理主要是实现传感、通 信和计算相互协调的能量管理；网络的能量优化主要是对通信分布、拓扑管理、计算和通 信的投衡以及如辩藏少透信豹额外开销。 ， 1 1 跨层设计 跨层设计可以透过屡与层之阕静绩息交换来满足系统全局性的需要，优诧整个霹络的 性能。另外，跨层设计可以解决无线传感器网络要求生存时间长、网络时延短和有限的节 点资源之闻的矛耩。 1 8 本文的主要内容和安排 论文主要燕研究如何通过设计高效的m a c 协议来减少能耗和提高无线传感器网络 蠡惫生存髑期和应用性戆，其主要魂容安排如下； 第一章无线传感器网络概述。简鞭介绍了光线传感器网络的组成，应用和研究热点。 第二章无线传感器瓣络的m a c 协议。分折了无线传惑器隧络的m a c 协谈的设计 要求，并对当今著名的m a c 协议的原理，执行机制和优缺点进行了分类讨论。 第三章s - m a c 协议。分析了s - m a c 协议的应用环境，为减少能耗丽独创的属期性 睡眠翱俊听机制，通过避免冲突和睾音，s - m a c 协议获缛了不错的性能，健是该协议同 时也存在不作，本章最后对协议进行了性能仿真和分析。 第四章t - i v l 6 , c 协议。努析了t - m a c 协议酶设计愚想，势避一步减乡缝耗采用的关 键技术及带来的闯题和改进方，最后对协议进行了性能仿真和分析。 第赢章p 。m a c 协议。主疑研究了p m a c 协议的设计背景和工律原理，采霜的关键 技术，并对协议进行了性能仿真和分拼。 第六章对s - m a c 协议，t - m a c 协议和p m a c 协议的仿真性能进行了对比分析， 并在此基箍主，对p m a c 蛰议进零亍了改进，以提高箕性能，并对改进后煞协议进行了性 能仿真和比较。 第七章结束语。对本文懿工作避行了总结，并提出了今簏熙工作方向。 7 藤寨鼙耄犬喾矮圭瓣巍生学燕论文第二章奔矮谚翔投翱橼波 2 1 概述 第二章介质访阔控制协议 在无线传感器网络中，介质访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议决定无线信道 鳇爱焉方式，在搀墓器繁熹之阕分配有限煞秃线逶蔫资源，是保证无线黄惑器鬻终嵩效逶 信的关键网络协议之一瞄1 】【2 2 】f 2 3 1 。 由予传感器繁点的麓量、计算耱力糟通信带宽等瓷源有限，无线抟感器蹲络盛须依靠 众多苇煮协箨实耀其功戆。在冤线传感器霹络的m a c 撩议时，嚣要依次着堂考惠以下几 个方面； l 节省瑟量。无线倦感器鼹绻嚣节焘运嚣携带畜藤器麓垂，瑟置麓量难戥进嚣祷充， 为了保诫无线健感器网络长时间的有效工作，m a c 协议在满足应用要求的前提下，应尽 量节省节点的麟奄。 2 ) 可扩展性。虫子传感器节点豹数邋、分磷期蜜度等在无线传感器潮络的工终过程串 w 能会不断变化，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性，因此m a c 协议也应其有 霹扩震健拳 3 ) 网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、吞吐量以及带宽利用率等。m a c 协议应该在减少能量漓耗酌固辩提高其性瑟。 在上述豹量个方面中，重要性依次递减。斑于现在传感器带点的能量供戍润题没赏得 到很好解决，节豹能量成为传感器网络m a c 协议设计的首蘩考虑因素。在传统网络中， 节焘惹够连续越获霉熬璧爨盎戴誊蠢断毽及瓣缝矜充麓量，嬲对整个黠络豹拓替维拣摆薄 稳定，网络的变化范围和变化频率都比较小。因此，传统网络的m a e 协议照点考虑节点 便甭带宽翡公平性，提离带宽利雳率戳及增热露络蘸实漪性。出诧哥是，传统鹾络嚣m a c 协议不褥适应予光线转感器网络，我们嚣要研究和提出掰豹m a c 协议来为瓣线传感器网 络工作。 2 2 降低能耗的主要途径 在无线传感嚣网络的设计过程中，入们经过大量实验和瑗论分柝，总结粥如下凡个可 照造藏翳络爱量浸费豹主要霖耀； 8 麓索豁惫丈学矮圭孬 究垒掌篷论文第二章奔瑷诱翔控捌穆议 1 ) 冲突：如果m a c 协议采用竞争方式使用共享的无线信道，多个节点在同一时闻进 行传输时，发送的数据可能产生碰撞，导致串断而丢弃，这就需要重传发送的数据，消耗 节点更多的能量。 2 ) 空辩债p l 厅( i d l el i s t e n i n g ) ：节点虽然没有数据要进行发送，僵为了接收其它节点霹麓 发送给自已的数据葡一直保持对无线信道的侦听，这同样会造成节点能量的浪费卅。 3 ) 串音( 0 v e r h e a r i n g ) ：节点接收并处理发送给其它节点的数据时，就会出现串音。当流 量受载和节点密度覆大时，这种现象可能造成节点能爨的严重浪费。 4 ) 控制开销：为了保证数据的可靠传输，节点需要侦听、发送和接收控制分组，如 r t s c t s ，由于数据分组孛没有有效数据信息，相当子变摆地消耗了节点的能量，两辩也 降低了网络的吞吐量。 基于上面提如的无线传感器两络能量浪费的主要原因，人们设计了各种m a c 协议， 提出了多种技术来节省能量，提篱网络熬能效： 1 ) 减少和避免信道访问的冲突 在无线传惑器两络中，当苇点竞争共享的信道资源时，难免会发生冲突，m a c 协议 负责对无线信道的控制，避免信道冲突是m a c 协议必须解决的关键问题，为此m a c 协 议必须协调节点发送消息的时杌，一般采用以下方式； 丞) 采用偾蹰信道的方式。m a c 协议采用带冲突避免的载波侦听多路访问( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m c a ) 机制，当信道忙时延迟发送，使用退 避算法进行逯避；信遒空阕时刘根据是潋概率l 坚持，概率p 坚持还是概率0 坚持来选择 立即发送还是以概率p 发送。举少无线传感器网络的m a c 协议如s - m a c ，t - m a c 均采 用了该机制。 丞i ) 采用r t s ( r e q u e s tt os e n d ) c t s ( c l e a rt os e n d ) 2 5 1 握手机制。网络中的节点a 向节点 b 发送数据之前，先要向节点b 发送r t s 分组，节点b 收到节点a 的r t s 恁，回应一个 c 聪，节点轰在牧到节点塞豹c t s 鑫才开始阻节点瑟发送数据。节点a 和节点b 的邻屡 带点在收到目的地不是自己的r t s 或c t s 后，就会抑制自己消息的发送，以免与节点a 和节点b 的之闻的传输发生冲突。该机制也已经广泛应南在s m a c ，t - m a c 等癸议中。 ( i i i ) 采用基于固定分配信道的方式。典型的固定信道分配方式是时分复用( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) ，即在无线传感器网络中，为每个节点分配独立的时隙用 于数据的发送帮接收，在其它l 雩隙，节点进入逝眠状态。采用t d m a 祝制豹无线传感器网 络不需簧竞争和过多的控制开销，所以可以避免冲突璧传和节省能量，但它要求网络具有 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章介质访问控制协议 严格的时间同步。 ( i v ) 采用竞争的方式。无线传感器网络是由事件驱动的，两且检测到同事件的多今邻 居节点中只要有一部分将消息发送到汇聚节点就可以了，根据这些特点，m a c 协议可以 在不同的时隙为节点选择合适的发送概率分布，使得这些节点能够在竞争窑翻的各个时隙 内不断无冲突地发送消息。这一机制主要用在s i f t 协议中。 2 ) 减少空闲侦听的时阆 首先我们来看一下传感器节点各个子系统的能量消耗对比，窝2 1 所示的是d e b o r a h e s t r i n 在m o b i c o m2 0 0 2 会议上的特邀报告“w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，p a r ti v ：s e n s o r n e t w o r kp r o t o c o l s 帮湖中所描述的传感器节点各个子系统的能量消耗情况，从图中可以看 出传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块上。 传感器节点的无限遴信模块具有发送、接收、空阕和睡眠罂种状态。从图中可以看到， 无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少 于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。如何让网络通信更有效率，减少不 必要的接收和转发，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是传惑器网络m a c 协议设计需要 重点考虑的问题。 图2 1 传感器节点各个予系统的能鼙消耗对比 无线传感器网络m a c 协议为了减少空闲侦听带来的能量消耗，通常采用交替“侦听 一睡眠嚣的无线信道使用策略。在没有数据需要收发时，节点就关闭无线通信模块进入睡 眠状态。为了减少延迟，避免节点有数据要发送时却发现圉的节点处予睡眠状态导致要等 到下一个侦听周期才能传输数据的情况发生，邻居节点间需要协调侦听和睡眠的周期，执 l o 塑塞塑皇奎望璧圭鐾茎兰兰簦笙壅茎三童垒篓鎏堡茎型塑鎏 行相同的侦听睡眠调度，也就是形成“虚拟簇 ( v i r t u a lc l u s t e r ) 1 3 8 1 。 3 避免串音 在无线传感器网络中，特别是在节点密度大、数据传输频繁的情况下，节点很容易接 收到发送给其它节点鲢数据分组，孳| 起熊量浪费。对蔬，我髑的策略是采耀r t s c t s 瓿制， 除了源节点和目的节点外的其它节点在收到r t s 或c t s 后进入睡眠状态，避免接收随后 的d a t a 数据分组和a c k 回复确认。当然，我们需要运用适应性偾听，也称为虚拟篌听 ( v i r 泓l i s t e n i n g ) 机制，使其它节点在传输完毕羼唤醒，进萼亍新轮的传输。 4 ) m a c 协议应该简单高效，避免协议本身开销大，消耗过多的能量。 针对不霞的传感器网络应麓，我们可潋按照采用固定分配信道方式还是隧槐访闽信道 方式将传感器网络的m a c 协议分为三类： 1 ) 采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信遒，重点考 虑尽量减少节点阀的干扰； 2 ) 采用无线信道的时分复用方式( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) ，给每个传感器 节点分配固定麓无线信道使雳时段，从两避免节点之阕豹穗互干扰； 3 ) 其他m a c 协议，如通过采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的 无线信道的分配。 下面按照上述无线传感器网络m a c 协议的分类，夯绍丑翦已提出的主要m a c 势议， 在说明其基本工作原理的基础上，分析协议在节约能量、可扩展性和网络效率等方面的性 畿。 2 3 基于竞争的凇e 协议 基于竞争的随橇访闻m a c 协议采用按需搜用售道的方式，它的基本愚想楚当节熹需 要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策 略重发数据，壹翔数据发送成功或者放弃发送。基于竞争的m a c 协议1 2 r l t 2 麓 2 9 1 1 3 0 具有良好 的可扩展性，并且不要求严格的时钟同步，往往需要在节省节点能量和增大消息延迟之间 做出均衡。 2 3 1s m 媛c 协议 s - m a c ( s e n s o rm a c ) 协议【2 7 l 是在8 0 2 1 1m a c 协议基础上。针对无线传感器网络提出 的m a c 协议。s - m a c 协议针对碰撞重传、串音、空阕接瞬和控裁涪患等可能造成无线传 l l 鬻京嚣龟大学矮圭瑟究生学整论文 第二搴介矮访翅控制拇汉 感器网络能量浪费的主要因素采用了以下机制： 1 ) 协议采用了周期性的侦听锺垂眠枕割。前面提劐，如果节点没有监新到任舞信息， 仍然可能保持空闲侦听状态，以至造成能量的浪费，为此，s - m a c 协议采用了周期性侦听 ，睡眠棍制，强制第煮避入睡眠状态，减少节点的空阕使瞬时闻，降低繁点麓量薛消耗； 2 ) 协议采用了同步机制。为了邻居节点阅的互相通信，协议要求邻居节点通过协商 的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，保证同步睡眠，阍时该枫制又可以保证网络具有较好 的霹扩震性； 3 ) 协议采用了虚拟和物理载波侦听机制以及r t s c t s 交换来避免冲突。通过采用这 些技术，节点在数据抟输翦通过竞争赢褥信道，竞争失败后进入睡眠状态，等謇的繁点空 闲后，墼新唤醒进行新轮的竞争和传输； 4 ) 协议采用了流量自适废的侦听机制。针对无线传感器网络中出于多跳通信导致的 延迟累加闯题，协议采用该祝制怎，节点在数据传输完毕螽将 贞昕段塞誊润以接收可能的 消息，减少消息在网络中的传输延迟； 5 ) 协议采用带内信令强制有冲突的节点进入睡眠状态来减少重传和避免串音； 6 ) 协议通过消息分割、突发传递机制和带内数据处理来减少控制消息的开销和消息 的传递延迟。 本文将在第兰章详细介绍s - m a c 协议。 2 。3 。2t - m a c 协议 s - m a c 协议采用了固定的占空比，所以并不能适应阏终流量的动态变化，由此造成网 络吞吐越的下降或者能量的浪费。t - m a c ( t i m e o u tm a c ) 协议辩8 】是在s - m a c 协议的基础上 孳l 天适应性占空逝，来应付不溺黠闻魏位置上负载的变位。t - m a c 贽议根据当嚣的网络通 信情况，通过提前结束活动周期来减少节点的空闲接听时间，既减少了能量浪费，又保持 了合理的吞吐量。 t - m a c 协议沿用了$ - m a c 协议的周期性侦听睡眠机制，r t s ，c t s ，d a t a 和a c k 机制。同时，协议通过发送和接收s y n c 分组来形成虚拟簇，进而完成节点间的同步，节 点在同时唉醒瑟开始竞争信道并发送数据。 节点在保持空闲侦听状态时，如果在给定的活跃时间( t i m ea c t i v e ，t a ) i 为，未发生任一 激活时闻 激活事件详见第霹章) ，就转天睡眠状态巍至下一帧。 t - m a c 协议通过让没有发送需求的节点提前结束唤醒状态来节雀能量，但是该机制却 1 2 亵京薅邀大学嫒醭究生学位论文第二章奔矮访藉控麟协议 弓l 入了早睡问题；目的节点可能提前进入睡眠状态导致源节点不断重传数据造成能量的浪 费期性能下降。针对该阍蘧，曩前已经提出了未来请求发送和满缓冲区优先两种舞决方案， 但都不是很理想，为了减少早睡问题带来的负面影响，我们还需要在这一方面做进步的 磷究。 本文将在第四章详细介绍t - m a c 协议。 2 3 3p _ m a c 协议 p m a c p 碱e m i m a c ) 协议【2 9 】是在s - m a c 协议的基础上，通过更改固定的占空比，采 用动态的占空比来迸一步节省能量。 在p - m a c 撩议里，节点的睡瓣移唤醒调度将由每个节点和它的邻居节点的流量实时决 定。传感器节点将会根据自己的现在状态，按照一定的规则，决定并生成接下来的睡眠一 涣醒模式，然蜃结合邻居节点熟状态生成鸯己的调度表。 p - m a c 协议仍然通过减少节点的空闲侦听来节省能量，只有有通信需求的节点才会频 繁唤醒：在流量缀小的情况下，节点的睡眠对闯显著臻熬，健在有发送需求时，仍可以迅 速唤醒；在流量较大的情况下，也可以获褥较高的吞吐量。 本文第五章将具体描述p m a c 协议的具体机制和相关技术。 2 3 4s i f t 协议 s i f tm a c 协议鳓是针对由事件驱动的无线传感器网络提出的基于竞争的m a c 协议。 它的提出基于无线抟感器霹络麓以下特点： 第一，无线传感器网络是e l j 事件驱动的，检测到同一事件的节点具有空间和时间相关 性。 。 第二，并不是所有监测到事件的节点都需要报告。 第曼，感知事件的节点密度会随时间发生变化。 当共享无线信道的n 个传感器节点弱融鳖测到圈一事件时，s i f t 协议的设计基标是使 得无冲突地发送其中r ( 融擘个消息所花费的时间最小，同时抑制剩余n - - r 个消息的发 送。当r = n 时，这就变成了传统凇e 协议最健吞睦董鳃设计离蘧。 不同于传统的基于窗口的m a c 协议，s i f t 协议的采用c w 值固定的窗口，节点不是 从发送窗口选择发送时隙，而是在不丽的时隙中选择发送数据的概率。节点在不同时隙选 择不同的发送概率。因此，s i f t 协议数关键在予如 毒在不霾时隙为节赢选择合适的发送概 1 3 褒京郯毫夫攀磺士骚究生学整论文第= 章夤鬟访秘控制镑议 率分布，使得检测到同一事件的多个节点能够在竞争窗口前面的各个时隙中不断无冲突地 发送消息。 s i f t 协议的工作原理如下：如果节点有消息需要发送，则首先假想当前共有n 个节点 与其竞争发送；如果在第一个时隙蠹，节点本身不发送消息，也没有其它节点发送消怠， 节点就减少假想的竞争发送节点的数目，并相应地增加选择在第二个时隙发送数据的概 率；如果节点没有选择第二个时隙，而且在第二个时隙上还没有其它节点发送消息，节点 霉减少缓想的竞争节点数嚣，进步增加选择第三个时隙发送数据的概率。依次类推，节 点选择在第r 个时隙发送数据的概率只为 只：1 ( 1 - 孑a ) g r c w 口一，f l 。，c w 2 - 1 ) 其中，货为分布参数( o 搿 1 ) ，它的选择与n 耧c w 值糖关。在s i r 协议的设计中，我 稍希望在每一对隙，有虽仅有一个节点在这个时隙发送数据豹概率离，因此檬熬值满足 g 拦n c w - ! 。该m a c 协议螽名为s i f t 的禽义就是通过非均匀概率分布将获胜节点从整个竞 争节点集中筛选出来。 s i f t 协议孛的节点有空阕、竞争、接收翻等待确认嚣种获态。舞果繁点有消息霰要发 送，则按式( 2 1 ) 在各个时隙计算发送概率。如果在选择时隙过程中有其它节点发送消息， 节点要重新并始竞争过程。 由于s i r 协议对接收节点的空闲状态考虑较少，需要节点阆保持时钟同步，因此适于 在传感器网络的局部区域肖使用。在分簇网络中，簇内节点在区域上鼯离比较小，多个带 点往往容易圜对检测到翳一个事件，瑟置只需要部分节点将消息传输给簇头。所以s i f t 犋 议比较适合在分簇网络中使用。为了事件的及时传输，簇头可以一直处于侦听状态。 2 4 基于时分复用的m a c 协议 在无线传感器网络中采用t d m a 机制，就是为每个节点分配独立的用于数据发送或接 收斡时隙，焉节点在其缝空阑融陈海转入睡眠状态。t d m a 视制瑟1 】溺瑟3 耧1 没有竞争机制 的碰撞重传问题，数据传输时也不需要过多的控制信息，节点在空闲时隙能够及时进入睡 眠状态，这些都有耩于节省能量。但是t d m a 机制需要严格的时闻丽步，在网络的扩展性 方嚣也有骤显豹不足：缀难调整时阔犊的长度和时隙的分配，对于传感器节点的移动、失 效等动态拓扑结构适应性较差，对于节点发送数据量也不敏感。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章介质访问控制协议 2 4 1t r a m a 协议 流量自适应介质访i h - ( t r a f f i ca d a p t i v em e d i u ma c c e s s ，t r a m a ) 协谢3 1 1 采用一种流量自 适应分布式选举机制来为每个时隙选择发送和接收节点，通过避免把时隙分配给无发送流 量的节点和允许节点通过流量信息决定何时进入睡眠状态来节省能量。t r a m a 协议包括 邻居协议n p ( n e i g h b o rp r o t o c 0 1 ) 、调度交换协议s e p ( s c h e d u l ee x c h a n g ep r o t o c 0 1 ) 和自适应时 隙选择算法a e a ( a d a p t i v ee l e c t i o na l g o r i t h m ) 。 t r a m a 协议假设数据和信令传输都占用一个时隙信道。图2 2 显示了t r a m a 协议 的时隙结构。协议将时间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期，随机访问周期主要 用于网络维护，完成节点失效或增加等引起的网络拓扑结构变化；调度访问周期用于数据 传输。 l 一调度访问+ 卜一随机访问一 啊 传输时隙 信令时隙 豳 交换时隙 图2 - 2t r a m a 协议的时隙结构 1 ) n p 在随机访问周期内执行，通过信令时隙在邻居节点间通告单跳邻居信息来获得所 有节点一致的两跳拓扑信息。由于节点以竞争的方式使用无线信道，信令分组可能会发