（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的无线传感器网络中多信道mac机制的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t 摘要 无线传感器网络是由大量的传感器节点组成，传感网络节点的数量 上达成千上万。传感器节点主要通过无线通信方式组成多跳自组织网络 来完成对环境的监视，控制和数据采集等任务。由于传感器节点个数多， 分布区域广，部署环境严酷，携带电池能量有限，且更换电池困难，因 此在不影响功能的前提下，高效的控制能耗，最大化网络生命周期是 w s n ( 无线传感器网络) 网络协议设计面临的主要问题。在w s n 的运 行过程中，能耗主要来自处理单元，传感单元，通信单元，其中通信单 元的能耗远高于其它单元。因此，降低能耗首先就要从通信单元入手， 而m a c 协议又直接控制着通信模块，因此通信单元的能耗控制就主要 是由媒体接入控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议制约，研究m a c 机制对于提高无线传感器网络性能有着直接的作用。 近年来，作为新兴起的i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e c 无线标准已被广泛地应 用于无线传感器网络中。在该协议的p h y 层及z i g b e e 芯片都可以支持 3 个频段和多达2 7 个信道，但是在m a c 层却还是只支持单信道，这一 现状表明z i g b e e 中物理层的多信道资源没有得到合理的利用。再加上在 面对单信道带来的干扰，碰撞重传等一些列问题的情况下，多信道m a c 机制的提出变得越来越迫切和有价值。 论文选择新兴起的i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 无线标准作为研究基础，在 这个协议标准基础上提出了多信道m a c 机制。论文主要从信道分配和 接入机制两方面来对多信道m a c 协议进行研究和设计。首先在多信道 分配中主要考虑现存的信道干扰和隐终端等一系列问题，然后结合现有 几种典型的多信道分配算法提出了一种基于信道预留机制和优先级的多 信道分配方案。重点是详细地设计了这种多信道的分配机制，论证分析 这一分配机制能够彻底解决单信道中的隐终端问题并且可以解决相邻信 道带来的干扰问题。其次，在接入机制中先建立信道吞吐量，时延，丢 包率等相关的数学模型，分析它们的影响因素，根据分析结果提出自适 应的接入机制。最后还设计了与该多信道方案相关的分簇的拓扑结构， 相关的信道分配的通信原语，并且设计了相应的通信时序等。 论文在最后利用仿真软件n s 2 对部分设计方案进行了性能测试和仿 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t 真分析，结果表明论文提出的关于自适应的接入机制有效可行，起到了 增加吞吐量，减少能耗等作用。希望论文能为研究z i g b e e 多信道m a c 机制提供一定的参考和借鉴。 关键词：无线传感器网络，z i g b e e ，多信道，接入机制 n 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a bs 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 s c o m p o s e do fal a r g en u m b e ro fs e n s o r n o d e s ，t h en u m b e ro fs e n s o rn e t w o r kn o d ec a nb e u p t ot e n so f t h o u s a n d s s e n s o rn o d e sc o m p l e t ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，c o n t r o l ，d a t e a c q u i s i t i o na n do t h e rt a s k sm a i n l yt h r o u g ht h em u t i - h o ps e l f - o r g a n i z a t i o n n e t w o r k ，w h i c hi st h r o u g hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a st h en u m b e ro f s e n s o rn o d e sb i g ，d i s t r i b u t i o na r e ae x t e n s i v e ，t h ed e p l o y m e n te n v i r o n m e n t h a r s h ，c a r r i e db a t t e r yp o w e rl i m i t e da n dr e p l a c et h eb a t t e r yd i f f c u l t ，i nt h e p r e m i s eo fn o ta f f e c tf u n c t i o n ，e f f i c i e n tc o n t r o lt h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n d m a x i m i z et h en e t w o r kl i f ec y c l ea r et h em a i np r o b l e m s ，w h i c hi sb ef a c e d b yt h ew s nn e t w o r kp r o t o c o ld e s i g n i nr e c e n ty e a r s ，a sn e we m e r g i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ss t a n d a r d s i e e e 8 0 5 15 4 z i g b e eh a sb e e nw i d e l yu s e di nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i n t h ep h yl a y e ra n dt h ez i g b e ec h i po ft h i ss t a n d a r d ss u p p o r tt h r e eb a n d sa n d u pt o2 7c h a n n e l b u tt h em a cl a y e rs t i l lo n l ys u p p o r t ss i n g l ec h a n n e l t h i s s i t u a t i o ns h o w st h a tt h ec h a n n e l so ft h ep h y s i c a ll a y e ri nt h et h ez i g b e ea r e n o tr e a s o n a b l eu s e ，t o g e t h e ri nt h ef a c eo ft h ei n t e r f a c ec a u s e db yt h e s i n g l e - c h a n n e la n dr e t r a n s m i tc a u s e db yc o l l i s i o n ，t h ep r o p o s e do ft h e m u t i - c h a n n e lm a cm e c h a n i s m sb e c o m em o r ea n dm o r eu r g e n ta n du s e f u l i nt h i s p a p e r ，c h o o s e an e w e m e r g i n g w i r e l e s ss t a n d a r d s i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e ea sar e s e a r c hb a s e ，i nt h eb a s eo ft h i ss t a n d a r d ，g i v e am u t i c h a n n e lm a c m e c h a n i s m p a p e rs t u d ya n dd e s i g nm u t i - c h a n n e lm a c p r o t o c o lf o r mc h a n n e la l l o c a t i o na n da c c e s sc o n t r 0 1 f i r s to fa l l ，i nt h e c h a n n e la l l o c a t i o n ，c o n s i d e rt h ea d ja e e n tc h a n n e le x i ti n t e r f e r e n c ep r o b l e m ， s oi nt h i sp a p e r ，p r e s e n tam u t i - c h a n n e la l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e dc h a n n e l r e s e r v a t i o nm e c h a n i s ma n dc h a n n e lp r i o r i t y f o c u so nd e t a i l e dd e s i g no ft h i s m u t i c h a n n e ld i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d e m o n s t r a t i o nt h ed i s t r i b u t i o nm e c h a n i s m c a ns o l v eh i d d e nt e r m i n a lp r o b l e mi ns i n g l e c h a n n e la n da d ja c e n tc h a n n e l i n t e r f e r e n c e s e c o n g l y ，e s t a b l i s h t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec h a n n e l t h r o u g h p u t ，d e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t et oa n a l y s i st h e i ri m p a c tf a c t o r s b a s e d o nt h e a n a l y s i s r e s u l t ，p r e s e n t a n a d a p t i v e a c c e s sc o n t r o l i m e c h a n i s m f i n a l l y ，d e s i g nt h er e l a t e ds u b c l u s t e rt o p o l o g y ，m u t i 。c h a n n e l d i s t r i b u t i o n c o m m u n i c a t i o n p r o g r a m a n dt h e c o r r e s p o n s p o n d i n g c o m m u n i c a t i o nt i m i n g i nt h el a s to ft h ep a p e r ，u s et h en s 2s i m u l a t i o n s o f t w a r e t o p e r f o r m a n e e t e s ta n ds i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a t t h e a d a p t i v eb a c k o f fm e c h a n i s mi s e f f c c t i v ea n dw o r k a b l e ，i tc a nr e d u c e l a t e n c y ，i n c r e a s et h r o u g h p u t ，r e d u c ep a c k e tl o s sa n do t h e rp r o b l e m ih o p e t h i s p a p e rc a np r o v i d es o m er e f e r e n c ea n db o r r o w i n g f o rt h es t u d yo f z i g b e em u t i - c h a n n e lt e c h n o l o g y 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 ，z i g b e e ， m u t i - c h a n n e l ， a c c e s s m e c h a n i s m i v 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线传感器网络是计算机，通信，网络，传感器，微电子和嵌入式等学科高度 交叉的，综合的，新兴起的一个热点研究领域，它的出现引起了全世界的广泛关注。 无线传感器网络将逻辑上的信息世界和客观上的物理世界融合在了一起，改变了人 与自然的交互方式【l 】。随着无线传感器网络的发展，在研究方面，将致力于网络协 议，节能，路由等方面。对于无线传感器网络，目前大多数的研究工作都是基于单 信道考虑的，但近年来，无线传感器网络的应用越来越广，而且加上无线传感器网 络本身的特点是节点多，在实际的应用中，会出现严重的干扰和冲突问题【2 】，避免 干扰有很多种方法，其中在m a c 层避免冲突减少干扰主要是从信道分配和接入控 制两方面来实现的p j 。 无线系统的多信道问题早在上个世纪八十年代就已经开始研究，尤其是随着无 线局域网的迅猛发展，网络中节点数目急剧增多，传输数据量也迅速增大，因此提 高网络吞吐量，减少干扰成为人们的研究重点。现在随着节点成本的下降，更多场 合下为了保证更好的通信质量，减少干扰，节点配备m u f f r a d i o 成为可锹4 】目前，在 无线传感器网络中应用最为广泛的通信协议是8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议，8 0 2 1 5 4 是整 个协议体系的物理层和m a c 层部分，在物理层，此协议支持三个频段共2 7 个信道， 但是，在m a c 层，却只考虑到了单信道的情况，没有实现多信道的合理利用，没 有很好的利用物理层的多信道资源。除此之外，相关研究还发现了相邻的信道会产 生干扰，这是目前大多数的多信道方案中没有考虑的实际问题，而这应该为多信道 m a c 协议的设计所关注以此来减少干扰【5 l 。 目前在8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议中采用的c s m a c a 接入机制没有很好地考虑无线 传感器不同的应用环境【6 】，在实际的应用网络中有些可能是业务负载比较小的一种 网络环境，有的网络环境是具有很好的数据冗余能力而不需要确认机制的，针对这 些不同的应用环境，采用的接入机制如果还保持不变的话，将会在网络性能方面有 一定的影响。特别是对于接入机制中的退避指数和退避窗口的大小来说，初始值设 置为固定的模式，没有根据具体的环境做自适应的调整，增加了不必要的时延和能 耗，减少了吞吐量。无线传感器网络应针对不同的应用环境和存在的具体问题提出 解决方案，这才是解决无线传感器网络中问题的关键。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 研究现状 美国在2 0 世纪9 0 年代就开始了传感器网络的研究工作，无线传感器网络起源 于美国军方的作战需求，2 0 世纪9 0 年代中后期以后，无线传感器引起了学术界， 军界和工业界的极大关注。i e e e 目前也正在努力推进无线传感器网络的研究和应 用，美国波士顿大学，霍尼韦尔等知名企业和研究机构近期还创办了传感器网络协 会，以促进传感器网络技术的开发。面对国际上无线传感器网络的研究热潮，我国 也非常重视无线传感网络的发展r 7 1 ，国内很多高校和研究机构也快速跟进，展开无 线传感器网络的研究和应用。 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议体系是由z i g b e e 联盟定义的一个标准规范，z i g b e e 联盟 成立于2 0 0 1 年8 月，最初成员包括：霍尼韦尔( h o n e y w e l l ) 、i n v e n s y s 、三菱、摩托 罗拉、飞利浦等，目前拥有超过2 0 0 多个会员。世界上很多大公司普遍看好z i g b e e 技术及其以后的潜力。z i g b e e 联盟标准的正式发布加速了z i g , b e e 技术的研制开发 工作，许多公司和生产商已经陆续的推出了自己的产品开发系统。z i g b e e 的应用前 景非常被看好。基于z i g b e e 的无线传感器网络也将会得到广泛的应用【引。z i g b e e 技术的发展历程大致总结可如下图1 2 所示： 麓下提寰翠藿v 。斧6 协0 k 学t 城载l j 1 【rl 上jij h 二二= 二二二二 塑匮二二二二二二= = 门w i e e e i k r 2 - 1 5 伽y = = = = 二二翼塑匿琶互二= = = = = = = = ttt士 于 tt y p 奴i 露矗 l i ， 绳絮 髓8 眩1 5 小瑚3 2 1 5 - 和，d 图1 2 z i g b 的发展历程 如上图所示，z i g , b e e 的发展从9 0 年代到现在，经过了十几年的发展历程，中 间共有了三个版本的发行，z i g b e e 真正快速发展是在z i g b e e 联盟正式成立以后。 从z i g b e e 技术最开始准备市场需求文档到z i g b e e 联盟的正式成立经历了大概3 到 5 年的时间，之后由于联盟的成立，着手开始协议标准的制定，在0 4 年的时候z i g , b e e 公布了其第一个规范版本。之后z i g b e e 的发展速度更为迅速，紧接着于0 6 年和0 7 年先后又发出了两个版本，现在对于它的最新版本下载量日趋上升，z i g b e e 的应用 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 越来越广泛。 目前，从无线传感器多信道的研究学术上来看，国内外许多科研工作者和标准 机构都有参与，如： c h o w d h u r ykr ，n a n d i r a j un ，c a v a l c a n t id2 0 0 6 年在w c n c 0 6 上发表 了 c m a c am u l t i e h a r m e le n e r g ye f f i c i e n tm a c f o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 【9 】： x u nc ，p e n gh ，q i u s h e n gh2 0 0 2 年在p r o co f t h es i x t hi e e ei n tc o n f o n c o m p u t e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y 上发表了am u t i - c h a n n e lm a cp r o t o c o l f o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 【1 0 】： m o h a m e dy ，s a m u e lb2 0 0 7 年在i c c 0 7 会议上发表了“e f f i c i e n td i s t r i b u t e d m e d i u ma c c e s sa r b i t r a t i o nf o rm u l t i c h a n n e lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i i 】： h i e ukl ，d a nh ，t a r e ka2 0 0 7 年在i p s n 0 7 会议上发表了ac o n t r o lt h e o r y a p p r o a c h t o t h r o u g h p u to p t i m i z a t i o n i nm u l t i - c h a n n e lc o l l e c t i o ns e n s o r n e t w o r k s 【1 2 】： m i l i e adj ，g o r a nld2 0 0 7 年在i c c 会议上发表啊m a c ：m u l t i c h a n n e l m a cp r o t o c a lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 【1 3 】； g a n gz h o u ，t i n gy a h ，j 0 l l i la ，t a r e kf 发表了 m m s n ：m u l t i f r e q u e n c ym e d i a a c c e s sc o n t r o lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 【1 4 】 t s u n gtw ，k a ehk2 0 0 8 年发表“s e l f - o r g a n i z em u l t i - c h a n n e lr a n d o m s e l e c t i o nm e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c a lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，【1 5 1 n a d e e ma h m e d ，s a l i lk a n h e r e ，s a n j a y h a 2 0 0 9 年发表了 p o s t e r a b s t r a c t ：m u f f c h a n n e li n t e r f e r e n c ei nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ， 1 6 】 l u oj u a n ，l u o h a i b o ，l i r e n - f a 2 0 0 9 年在2 0 0 9 s i x t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e o ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y 上发表了 v l - m a c ：v i r t u a ll i n kb a s e dm u l t i c h a n n e l m a cs c h e m ei nw s n 上面的文献 9 1 的分析是假设节点使用两个发射器的前提下，一个用于数据传输， 一个用于协调和管理而设计的能量有效的多信道协议，这个协议在节点成本上表现 出一定的缺陷。文献【1 0 1 的m c m a c 协议是基于分簇而设计的多信道协议，在簇内采 用频分的通信方式，簇间却是基于时分的通信方式，它的节点是采用单收发多信道 的方式，节点需要频繁地进行信道切换，这样会增加节点的通信开销，增加时延并 且在一定程度上浪费信道资源。文献【】提出的是一种采用多基站的分布式动态信道 分配机制，这种机制使得网络吞吐量达到最大。文献【1 2 1 是基于假设基站拥有多个发 射器而设计的a r c h 多信道算法，这种算法没有考虑簇间通信的具体机制，且没有 解决隐终端问题。文献【1 3 】提出的t f m a c 和文献【1 5 】的s m r s - m a c 都是基于单发射器 的前提下设计的多信道算法，但是前者不适合大规模网络，后者局限于网络中所有 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 节点都是邻居。文献【1 4 1 提出的m m s n 多信道机制是假设信道无限多的情况下的，这 是不符合实际的。文献【16 】主要阐述了多信道可以提高吞吐量，但是存在着不同的干 扰问题。最后一个文献v l m a c 多信道机制是基于虚拟链路的，能更好地避免信道 干扰，但是时间同步问题没有很好地解决当然还有很多文献都在多信道m a c 机制 方面做出了研究，这里就不再一一列举了。 1 3 论文主要工作及创新点 “基于z i g b e e 的无线传感器网络中多信道m a c 机制的研究”该论文的主要工作 是：在分析现有的多信道m a c 机制的基础上，结合现在的实际网络环境和影响因 素，设计出一种基于z i g b e e 的多信道m a c 机制，信道分配算法上主要考虑到实际 影响因素和各个信道分配算法的优势提出了一种基于预留机制和优先级的多信道分 配算法，这个提出的算法能有效地解决单信道带来的隐终端问题和信道间的干扰问 题。在信道接入机制方面主要结合实际应用环境提出自适应的接入机制。除此之外， 还为节点通信时序做了一定的设计，并且提出了一种基于分簇的网络拓扑结构。最 后还通过n s 2 仿真了所设计的自适应接入机制。 本文主要的创新点是，采用基于预留和优先级的信道分配算法，这种信道分配 算法可以更大程度地减少干扰，避免隐终端。另外自适应的接入机制也是另外一种 创新，它针对不同的环境自适应地改变退避指数和退避窗口长度，这在一定程度上 减少时延，减少能耗，增加吞吐量。 1 4 论文组织结构 论文分为六章，各章节的组织结构和内容如下： 第一章介绍了论文的研究背景、研究现状以及研究的目的和意义，最后介绍了 论文的组织结构，从总体上对论文进行了介绍。 第二章介绍了无线传感器网络及其m a c 协议。分别从无线传感网络的结构特 点和m a c 协议的分类进行详细地介绍。最后还分析和总结了单信道m a c 协议和 多信道m a c 协议所面临的问题。 第三章对基于z i g b e e 多信道m a c 机制的相关原理进行概述。主要包括 8 0 2 1 5 4 z i g b 协议的超帧结构，传输模型和m a c 层的帧结构及相关的业务原语 的概述，接着对本文设计有启发性的几种多信道分配算法进行了详细的分析介绍， 最后对8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的接入机制c s m a c a 进行相关的分析说明。 第四章就在基于第三章概述的理论基础上设计一种基于z i g b e e 的多信道 m a c 机制。主要包括信道分配和接入机制两方面的设计，在信道分配中针对不同 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 的网络规模分别提出集中式和分布式的信道分配方案，在接入机制方面主要是增加 了退避指数和退避窗口长度的自适应改变。当然除此之外，还对它的分簇结构和通 信时序及相关信道分配的通信原语进行了简单的设计。 第五章在利用仿真软件n s 2 对第四章提出的部分方案的改进进行了相关的仿 真分析。 第六章对全文进行了总结，并指出了下一步还需要完成的工作。 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线传感器网络及其mac 协议的概述 第二章无线传感器网络及其m a c 协议的概述 无线传感器网络的性能要求主要有稳定性高，低发送延迟，低接入延迟，高吞 吐量等，其中最重要的是低能耗，这是由于传感器节点工作环境恶劣，更换电池困 难等原因造成的，因此减少它的能耗显得尤为关键。另外，无线传感器网络因为没 有控制中心，节点都是分布式运行的，共同承担网络的构造和管理功能，因此无线 网络性能的好坏主要还是取决于节点的性能，但是传感节点因为比较容易受环境影 响，再加上对能量限制比较严格，这些特征给无线传感器网络协议的的设计带来很 多挑战，比如在协议设计时既要兼顾时延不能太大，又要兼顾能耗不能太高。其中 无线传感网络中最为关键的协议就是m a c 协议，因为它直接控制着节点的通信模 块，能很大程度地改善通信的性能，并且在解决像能耗和干扰这些问题中起着关键 的作用。本章将着重介绍无线传感器网络及其 v l a c 协议。 2 1 无线传感器网络的概述 近年来，随着无线传感器和无线通信技术的进步，无线传感器网络技术发展迅 速，进展也很快，现在很多厂家和科研机构利用一些低成本的传感器来监测所关心 的事物对象来取得想要的数据，进而进行相关的研究和预测，这样可以避免人们亲 自去获取所需要的数据，避免危险。当然，在人们利用无线传感网络的时候也得考 虑它自身的一些特点限制，比如有限的能量供应，有限的无线链路带宽等。下面我 们来具体介绍无线传感器网络结构特点，协议特点和一些关键技术。 2 1 1 无线传感器网络结构特点 无线传感器网络如下图2 1 1 所示主要是由传感器节点所构成的监测区域，负责 收集数据的s l n _ k 中心节点，和相关的后台处理部分组成，它们共同完成了网络监测 和收集数据等功能。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线传感器网络及其mac 协议的概述 图2 1 1 无线传感网络结构 如上图所示，在无线传感器网络中是通过节点来收集传感区域内的信息，然后 把数据汇聚到s i n k 节点，最后通过因特网发送到后台任务管理节点由用户来分析和 利用所得的数据。 传感器节点是传感网络中的关键组成部分。它负责完成所有的数据采集任务， 一旦节点失效，严重的话会造成整个网络的瘫痪。传感器节点通常就是一个包括传 感模块，计算模块和能量管理模块的微型的嵌入式系统。无线传感器网络最重要的 特点就是监测区域内节点数目巨大，这就相应地要求节点的成本不能太高。因此， 节点的计算能力，通信能力和储存能力相对来说比较低。无线传感器网络就是由这 样的传感器节点组成的，因此相对于其它的无线通信网络来说它有其自身的一些特 点，比如传感器节点数目巨大，能耗比较受限制，而且还有节点随时加入或退出的 可能性( 即网络拓扑变化大) ，最后就是网络是自组织方式构成并且网络还具有自动 维护和自动配置功能来保证网络的通信质量【1 7 】等一系列特点。 2 1 2 无线传感器网络协议结构 在总结了无线传感器网络的特点之后，加上考虑到节能，网络生命周期，网络 容错等特性，大致可形成如下图2 1 2 所示的无线传感器网络协议栈。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线传感器网络及其mac 协议的概述 图2 1 2 无线传感器网络协议栈 无线传感器网络主要分为四层，其中包括应用层，网络层，数据链路层和物理 层。另外还包括能量管理平面，移动管理平面和任务管理平面。在无线传感器网络 中m a c 协议是位于数据链路层，主要负责为无线传感器节点分配无线信道，使共 享信道的多个节点尽可能公平接入信道和无冲突地传输，另外，m a c 协议还得考 虑节点有限的能量和自身协议的扩展性。 2 2 无线传感器网络关键技术的介绍 无线传感器网络涉及到很多学科的研究领域，是当今信息领域研究的热点，有 着非常多的关键技术，其中最为关键的技术之一就是网络协议，目前重点研究的协 议是数据链路层协议和网络层协议。在无线传感器网络中拓扑结构不断变化，主要 是因为随时有节点的加入或退出，加上网络资源也不断变化，传感器节点的通信能 量，计算能力，存储能力也都是十分有限，这些特点给无线传感器网络协议的设计 带来了巨大的挑战。最大的挑战之一就是这些特点带来的碰撞重传和干扰而引发的 能耗问题。而在无线传感器网络中的数据链路层的协议m a c 协议就是对这一系列 问题而做改进的。无线传感器网络中在m a c 层能量主要是浪费在碰撞重传，接受 不必要的数据上。因此在这里，对于改进m a c 协议从减少碰撞重传和干扰将会变 得很有意义。此外在无线传感网络中还有网络拓扑控制，网络安全，时间同步等关 键技术【l8 】，这里就不再一一介绍。 2 3 无线传感器网络m a c 协议的介绍 在前面已经分析得知m a c 协议是直接控制着传感节点的通信模块，对于无线 重庆邮电大学硕士论文第二章无线传感器网络及其mac 协议的概述 传感网络的性能优化起着至关重要的作用，特别是对于减少能耗起着关键的作用。 在方案设计之前首先对m a c 协议来做具体的介绍。 2 3 1 无线传感器网络m a t ) 协议的分类 无线传感器网络具有很广泛的应用，而其中m a c 协议又是其应用的关键，研 究人员也是针对不同的应用和需求设计出不同的m a c 协议。但是目前对于这些 m a c 协议还是没有统一的分类方式。现在对m a c 协议有几种典型的分类方法如下。 根据协议的信道访问方式是基于竞争的还是固定的可以将m a c 协议分为基于 竞争的m a c 协议和基于固定的m a c 协议；从信道分配的角度考虑的话，可以分 为集中式和分布式的m a c 协议；此外，还可以根据传感器节点发射器的功率是否 可变将m a c 协议分为功率固定的m a c 协议和功率控制的m a c 协议；还可以从使 用的是单一信道还是多信道将m a c 协议分为单信道m a c 协议和多信道m a c 协 议；此外还可以从网络是静态还是动态，节点是单射频还是多射频，通信模型是单 播还是多播等一系列角度来分。但是最终还是没有统一的分配方式，由于本文主要 是研究多信道的m a c 协议，因此这里我们对m a c 协议的分类主要是从单信道m a c 协议和多信道m a c 协议来考虑的。下面我们简单介绍一下单信道m a c 协议和多 信道m a c 协议。 单信道心协议 由于受硬件技术发展的限制，很多无线网络都支持单信道。本节对几种典型的 单信道m a c 协议进行相关的介绍和性能对比，如下表2 3 1 所示。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章无线传感器网络及其mac 协议的概述 表2 3 1 几种典型的单信道m a c 协议的特点介绍和性能比较 接入方公平接可扩 信道利延解决隐 协议 吞吐量 主要特点概述 式的特点 入性展性用率 迟 终端能力 第一个为分布式 完全自由 差( 仅能 网络提出的协议， a l o h a的接入方差好差差差 达到1 8 ) 原理简单，但是及 式 易产生冲突，信道 利用率低。 c s m a 是次使用 载波监听的分组 无线网络传输协 载波监听 - 议，其中非坚持 c s m a 的接入方较差好一般 般 差一般c s m a 的信道利 式 用率最高可达到 8 0 , 4 以上，但在多 跳网络中性能的 提高并不明显。 m a c a 首次使用 基于r t s c r s 控制报 文，m a c a 主要l u s ( 1 s 。_ 一般一般提高了无线信道m a c a控制报文差一般好 般 的接入方的利用率，但是它 式的信道公平性较 差。 a c a w 是在 在 m a c a 基础上进 r t s c r s 行改进，主是是加 的基础上 入d c a 和a c k ， m a c a w加入d c a 好一般好 较 好好 并m a c a w 首次 和a c k 好对信道公平性进 的接入方 行了研究，但是主 要缺点在于控制 式 信息交互次数太 多，效率不高。 利用广播 m a r c h 主要的 特性来减 优势是通过广播 m a r c h少控制报 好 一般 好 差 好 好 特性来减少握手 文数量的 信号。 接入方式 f a m a 首先更好 地解决了隐终端 允许一次 问题，主要是通过 r t s c r s发送大量的确认 交互成功数据包来获取信 f a m a后可以发 一般一般好好好好道，另外，f a m a 送多个报还允许一次 文的接入 r t s c r s 交互成 方式功，节点可以发送 多个报文，从而来 增加网络吞吐量。 l o 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线传感器网络及其mac 协议的概述 根据上述对几种典型的单信道的分析可知，单信道普遍存在着信道利用率低， 隐终端和暴露终端等问题，单信道m a c 协议的研究和改进主要是围绕着减少干扰 和冲突来进行的。针对这种情况，多信道的提出将具有非常重要的意义。 多信道m a c 协议 无线传感器网络的多信道问题很早就开始研究了，多信道的m a c 协议的研究 主要是因为在无线传感器网络中节点数目巨大，所有的节点共同竞争使用单一的信 道，这会出现严重的干扰和数据冲突的问题，最为典型的就是隐终端的出现，在单 信道中，虽然提出了很多解决隐终端的方案，包括握手机制的提出，增加确认帧的 方式等，但是这些都不能从根本上彻底解决掉隐终端问题。因此在这种情况下，提 出了多信道m a c 协议的方案。多信道可以彻底解决隐终端问题，近几年，很多科 研机构也都开始投入到多信道的研究上，使无线传感器节点支持多信道已成为可能。 多信道是在单信道的基础上进行研究的，接入控制是可以继续使用单信道的接入控 制的，而多信道的重点还是主要集中在信道分配的问题上。多信道的信道分配方案 的主要思想是使节点之间的干扰最少。下面主要是基于不同的硬件平台，对多信道 m a c 协议进行以下分类【1 9 】： 1 ) 单收发多信道 单收发多信道的m a c 协议只要求节点配置一个收发器，每个节点不能同时接 收数据和发送数据，任意时刻只能有一个活跃的信道，但是收发器是可以在各个信 道间动态地进行切换的。不同的节点可以同时工作在不同的信道上的，不会相互影 响。通过这种方式，可以增加整个系统的容量，减少丢包率。但是它也有一定的缺 陷，节点必须要不停地进行信道切换，这样增加了节点开销。但是从整体考虑的话， 单收发器成本比较低，是比较合适的硬件平台。这类协议的典型代表是m m s n 协 议，m m s n 中测试结果来看，协议在吞吐量和节约能耗方面表现的很突出。 2 ) 多收发多信道 这类多收发多信道的m a c 协议要求节点配备多个收发器，因此这类多信道方 案相对复杂，需要考虑修改m a c 协议，研发也比较困难，所以在实际的应用也比 较少。但是优势在于节点可以同时在多个信道上进行数据的发送或接收，更大程度 上增加了吞吐量，减少时延，这类协议比较适合在数据量比较大的网络环境中，但 是节点设备成本却很高。这类协议的典型代表是多信道c s m a 和m m a c 。 3 ) 多接口多信道 多接口多信道协议中要求每个网络节点配置多个网卡，在每个网卡配备有独立 的m a c 层和物理层，节点成本相对来说也是比较高的。但是优势在于提高网络的 吞吐量。这类协议的典型代表有动态分配协议d c a 和基于主信道分配的p c a m 协 议。 重庆邮电大学硕士论文第二章无线传感器网络及其mac 协议的概述 综合到节点成本的问题和设计的协议的设计难度，在本论文中可以综合各自的 优缺点来做选择。 2 3 2 无线传感器网络m a c 协议面临的主要问题 现在无线传感器网络m a c 协议的主要问题之一就是功耗管理。在无线传感器 网络中，节点体积小，通常是依靠有限的电池供电，由于部署环境的复杂，更换电 池又比较困难，因此高效地使用能量来最大化网络生命周期成为无线传感网络中重 点考虑的问题。而m a c 协议则是直接控制着能耗最大的射频模块的工作，对节点 的功耗管理有着非常重要的影响。实验验证无线传感器网络无效能耗主要来源于无 效空闲侦听，信号冲突，窃听，控制开销【2 0 】。如下图3 1 所示节点各单元的能耗对 比图： o 图2 3 2 ( a ) 无线传感器网络节点各单元的能耗对比图 如上图所示，能耗最大的要属节点的通信单元。m a c 协议主要就是控制通信 模块。设计一个好的适用于实际使用环境的m a c 协议具有非常重要的意义【2 1 1 。 除此之外，无线传感器网络m a c 协议还主要面临着干扰冲突的问题。其中干 扰冲突的代表就是隐终端。所谓的隐终端就是如下图3 1 ( b ) 所示，当节点a 发送 数据给b 节点时，因c 节点在a 节点的通信范围之外，所以无法感知a 节点正在 发送数据给b ，但是c 节点又在b 节点的通信范围之内，所以也发送数据给b 节点， 1 2 5 0 _ d ； ” 加 ：2 m 5 m罐驾嘲避 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线传感器网络及其mac 协议的概述 从而造成数据相互竞争发生碰撞，像这样的问题就称之为隐终端问题。 图2 3 2 ( b ) 隐终端 当然除了这几个方面的问题，实时性，吞吐量以及延迟问题也都是m a c 协议 设计中必须要注意的问题，不过这些性能一般可以做一些折中处理。我们还可以进 一步分析总结出现在单信道m a c 协议和多信道m a c 协议分别面临的问题如下。 单信道m a c 协议主要面临的问题 在这类单信道m a c 协议中，控制帧，数据帧都在同一个无线信道中进行传输。 存在着隐终端，暴露终端等因素的影响，并且还存在着控制帧和控制帧，控制帧和 数据帧及数据帧和数据帧之间的冲突。这类协议研究的重点是通过使用特定的控制 机制来减少数据帧的冲突，设计合理的冲突避免机制。但是虽然这样，还是存在着 严重的干扰和低吞吐量问题。 多信道面临的问题 现在有很多关于多信道的研究，但是大多数情况下都是基于假设节点具备多个 收发器的前提下，没有考虑到实际的节点成本问题。另外多信道可以使相邻的节点 同时在不同的信道上进行通信，从而减少节点间的相互干扰，提高系统的性能，这 一些好的性能表现解决了无线传感器网络中大部分的冲突，干扰问题。我们应该根 据实际情况，综合考虑节点成本和m a c 协议的设计难度来设计一种符合实际应用 的m a c 协议才是关键。 2 4 本章小结 本章主要介绍了无线传感器网络的结构特点及其m a c 协议，从单信道和多信 道两方面具体分析了m a c 协议。最后还讨论了无线传感器网络m a c 协议主要面 临的问题。单信道m a c 协议存在的问题和多信道m a c 协议的不足。单信道的m a c 协议采用单一的信道通信，从而导致网络的吞吐量和抗干扰能力无法得到很大的提 高。多信道m a c 具有更好的吞吐量性能，较小丢包率性能和抗干扰性能。因此根 据实际设计一个满足要求的多信道接入控制方案具有重要的意义和作用。 重庆邮电大学硕士论文第三章基于z