（通信与信息系统专业论文）基于smac的无线传感器网络mac协议的开发及仿真实现.pdf

人连理t 大学硕十学位论文 摘要 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是由部署在检测区域内的大量 的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的删络系统，其 目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者，可 “泛应用于军事、商业、医疗救护、环境监测等领域。 在无线传感器网络中，介质访问控制( m a c ) 协议决定了无线信道的使用方式，在 传感器节点之问分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构， 对传感器网络的性能有较大影响。传统无线网络的m a c 协议无法满足无线传感器网络 的设计要求，4 i 能直接应用。针对无线传感器网络m a c 协议的研究一直是人们普遍关 注的问题，具有非常重要的实际意义。 本文首先介绍了无线传感器网络的体系结构、已有的m a c 层协议以及m a c 协议 的设计重点，讨论了无线传感器网络的主要能量消耗和性能指标。接着在s m a c 基础 上设计了适合特定嘲络应用的w s n 的m a c 协议，并对其进行了实现。s m a c 是针对 传感器网络的节能需求和自组织性而提出的，主要通过周期性休眠获得低占空比运行。 但s m a c 的固定占空比模式下的周期性休眠增加了通信时延。本文对此设计了动态占 空比调整机制，能够在网络流量突发状况时对节点的占空比及时做出调整，利用一个工 作周期传送多个数据分组，从而可以减小时延，提高网络的吞吐量；同时为避免节点竞 争的冲突，设计了根据高低流量状况调整竞争窗口的退避策略，以达到低流量下的快速 接入和高流量下的低冲突；最后提出了网络节点的维护方案，使节点能够通过定期更新 邻居信息的方式探测链路是否崩溃。 本文在n s 网络模拟平台上对所设计的m a c 协议进行了具体实现，并设计了无线 传感器网络的仿真试验进行仿真验i f ，采用a w k 程序处理的方法，完成对跟踪文件数 据的抽取和对网络的三个主要性能指标( 能量，时延，吞吐量) 的统计分析。研究结果 表明，本文在改进s m a c 基础上设计的协议较之原s m a c 和8 0 2 1 1m a cl 办议，在能 量节省、平均吞吐量、时延及网络维护方面具有定的性能改善，这对于网络通信协议 的进步研究具有较强的实用价值。 最后，给出了研究工作总结，并提出了进一步 二作的展望。 关键词：无线传感器网络；介质访问控制( m a c ) ；s - m a c ；网络仿真；n s - 2 大连理t 大学硕i = 学位论文 d e v e l o p m e n ta n ds i m u l a t i o no fw 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 lb ；a s e do ns m a c 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 ( w s n ji sc o m p o s e do fm a s s i v e ，s m a l la n dl o w c o s ts e n s o r n o d e sw h i c ha r ed e p l o y e di nm o n i t o r i n gr e g i o n ，f o r m i n gam u l t i h o ps e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k s y s t e mt 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 ，t h et a r g e to fw h i c h i st oc o o p e r a t i v e l ys e n s e ，c o l l e c t a n dp r o c e s st h ei n f o r m a t i o no fo b j e c ti nt h ec o v e r a g ea r e a ，t h e ns e n dt ot h eo b s e r v e r w s n c a nb eu s e di ne n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，m i l i t a r ya p p l i c a t i o n s ，m e d i c a lt r e a t m e n ta n ds oo n i nw s n ，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 l sd e t e r m i n et h eu s a g em o d eo fw i r e l e s s c h a n n e l ，a l l o c a t el i m i t e dr a d i or e s o u r c ea m o n gs e n s o rn o d e sa n dc o n s t r u c ti n f r a s t r u c t u r e m a cp r o t o c o l sh a v eag r e a ti n f l u e n c eo nt h ew s np e r f o r m a n c e m a cp r o t o c o l so f t r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k sc a n tm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rw s n ，s ot h e yc a n tb e u s e dd i r e c t l y r e s e a r c h0 1 1m a c p r o t o c o l so fw s na l w a y sa t t r a c t sal o to fa t t e n t i o n ，w h i c h h a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s t l y ，t h e s t r u c t u r eo fw s n ，t h ee x i s t i n gm a c p r o t o c o l sa n dt h ek e y so fm a c p r o t o c o l sa r ei n t r o d u c e di 1 1 t h i st h e s i s t h et h e s i sd e s i g n sam a c p r o t o c o lf o rw s n w h i c h a d a p t st os p e c i a ln e t w o r ka p p l i c a t i o n s - m a cc a na c h i e v el o wd u t yc y c l et h r o u 曲p e r i o d i c a l s l e e p ，b u tt h ef i x e dd u t yc y c l eo fs - m a ci n c r e a s e sl a t e n c y ，s ot h et h e s i sd e s i g n sad y n a m i c d u t yc y c l ew h i c hc a na d j u s td u t yc y c l eo fn o d e si nt i m e ，s e n ds e v e r a ld a t ap a c k e t si nad u t y c y c l et or e d u c el a t e n c ya n di n c r e a s et h r o u g h p u t m e a n w h i l e ，i no r d e rt oa v o i dn o d e sc o l l i s i o n ， t h et h e s i sd e s i g n sb a c k o f fs t r a t e g yt h a ta d j u s t sc w a c c o r d i n gt od a t at r a f f i c ，a c h i e v eq u i c k a c c e s sa n dl o wc o l l i s i o n t h et h e s i sa l s op r e s e n t sam a i n t e n a n c es c h e m ew h i c hc a nd e t e c tl i n k t h r o u g hp e r i o d i c a l l yu p d a t i n g n e i g h b o ri n f o r m a t i o n a f t e r w a r d s ，t h et h e s i si m p l e m e n t st h ei m p r o v e dp r o t o c o lb a s e do nn s 一2a n dd e s i g n sa s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t i n t h i st h e s i s ，a w kp r o g r a mm e t h o d sa r eu s e dt oa c c o m p l i s h s t a t i s t i c a la n a l y s i so ft r a c ef i l ed a t ae x t r a c t i o na n dt h r e em a i na t t r i b u t e s ( e n e r g y ，l a t e n c y ，a n d t h r o u g h p u t ) o f n e t w o r k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，i nc o n t r a s tw i t hs - m a ca n d8 0 2 11 m a c ，t h ei m p r o v e ds - m a cp r o t o c o li m p r o v e se n e r g ys a v i n g s ，t h em e a nt h r o u g h p u t ，a n d n e t w o r ku p d a t eo p e r a t i o n ，e t c i ti sq u i t eu s e f u lf o rn e t w o r kp r o t o c o lr e s e a r c h f i n a l l yt h e t h e s i sd r a w sc o n c l u s i o n sb ys u m m a r i z i n gt h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h e r e s e a r c ha n db yp r e s e n t i n gd i r e c t i o n sf o rf u t u r ew o r k k e yw 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 ；s - m a c ；n e t w o r ks i m n l a t e ；n s - 2 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了 身 意。 大连理1 人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：煎立堕 导师签名 垒缝。 逻亟年j 三月j 尘日 大连理工大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 研究背景和研究意义 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是一种独立出现的计算机网络， 它的基本组成单位是集成了传感器、微处理器、无线收发器和电源的节点。能够协作地 实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理， 并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端。在无 线传感器网络中，介质访问控制( m a c ) 协议决定了无线信道的使用方式，在传感器节 点之问分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。m a c 协 议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感 器网络高效通信的关键网络协议之一。现有的无线网络m a c 协议主要是针对高速率传 输的网络，相应功耗也很大，而传感器网络要求低功耗的协议设计。基于传感器网络自 身的用途和特点，开发专用的通信协议已经成为当前无线传感器网络领域内急待研究的 课题。 本文的课题来源于无线传感器网络研究项目组。该项目组主要是针对无线传感器网 络目前的关键技术，如路由协议，m a c 协议，定位技术，u w b 技术，时间同步技术和 数据融合等方面展开研究和设计，以达到为无线传感器网络具体应用提供低功耗高性能 的全面解决方案的目的。本文主要负责的是m a c 通信协议的设计实现，及仿真验证， 最终目的是达到为无线传感器网络低功耗应用解决方案提供m a c 协议支持。 无线传感器网络中的节点是靠电池供应能量的，而且多是工作在偏远或危险的环境 中。当节点的能量耗尽时，给节点更换电池或是给电池充电，都是很困难的事情。设计 开发无线传感器网络的m a c 协议关键有两点：一是节能，通过改进m a c 协议中的网 络通信机制算法，来减少节点的能量损耗，延长节点生存时间，进而延长网络的工作寿 命；二是扩展，当网络中有部分节点由于能量耗尽而不能正常工作时，要将它们从网络 中移出，并及时补充进新的节点，来代替原有节点的工作。一个好的m a c 协议设计对 节点的能源消耗有很大的影响，直接关系到节点的寿命和网络的生命周期，它可以使网 络能够快速高效地自适应环境因素、拓扑结构的变化，可以大大节约网络构建维护的成 本。无线传感器网络具有十分广阔的应用 i 景，在军事国防、工农业控制、城市管理、 生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多领域都有着重要的科研价值 和实用价值。 基于s - m a c 的无线传感器网络m a c 协议的开发及仿真实现 1 2 国内外研究现状 无线传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期【”，引起了世界各国军事部门、 工业界和学术界的极大关注。美国军方有包括c 4 k i s r 计划、s m a r ts e n s o rw e b 、灵巧 传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统c e c 等 研究。美国i n t e l 公司在2 0 0 2 年进行了基于微型传感器网络的新型计算发展规划。n s f 于2 0 0 3 年制定了传感器网络研究计划。美国d u s tn e t w o r k s 和c r o s s b o wt e c h n o l o g i e s 等公司研究的“智能尘埃、m o t e ”己进入应用测试。在英国、日本、意大利等国家，已 经开展了该领域的研究工作。 我国也开展了这一领域的研究工作，具体内容包括无线传感器结点的硬件设计、 操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。目前正处于研究和开发阶段， 这是一个很有意义的课题，是从理论到实践都需要大量研究的课题。 到目前为止，w s n 的研究大致经过了两个阶段。第1 阶段主要偏重利用m e m s ( 微 机电系统) 技术设计小型化的节点设备。第2 阶段则注重对于网络本身问题的关注和研 究。目前第2 阶段的研究已经成为无线传感器网络研究领域的热点。从目前国内外w s n 已有研究成果统计来看，包括以下几个方面的研究：对通信协议方面的研究主要包括物 理层协议，数掘链路层协议，网络层协议( 主要指路由协议，平面路由协议等) 。在传 感器网络管理方面的研究主要是能量管理，数据传送所带来的能耗最大，研究休眠、唤 醒，以及采用发送功率低的r f 等；控制节点对能量的使用，在各层上都可使用，如操 作系统、物理层、链路层、路由协议等。另外，还有安全管理，应用支撑服务，时间同 步，节点定位等。总之，对网络协议、能量、定位、可靠性、网络架构以及数据处理这 些方面的研究仍是w s n 研究的热点问题。 无线传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技 工作者提出了大量的挑战性研究课题。针对传统的无线网络目前国内外已经提出了许多 先进的m a c 协议，如常用的8 0 2 1 1d c f 、c s m a c a 等等，但无线传感器网络与传统 的无线网络有着许多不同之处，传统网络的m a c 协议不能满足w s n 的低功耗设计要 求，因此不能直接应用。近年来国际上针对w s n 提出了一些协议，有基于固定分配类 的s m a c s e a r 协议、t r a m a ，时分复用和频分复用相结合的t d m f d m 协议，基于 竞争的s - m a c 、t - m a c 协议。由于传感器网络是应用相关的网络，应用需求不同时， 网络协议往往需要根据应用类型或目标环境特定定制，没有任何一个协议能够高效适应 所有的不同的应用。 大连理工大学硕七学位论文 1 3 无线传感器网络m a c 协议设计重点 在早期的研究中，人们认为a dh o c 网络是一种与无线传感器网络最为相近的网络 形式，其网络协议稍加修改甚至无需修改就可以直接应用于无线传感器两络。但是随着 对无线传感器网络研究的深入，人们逐渐认识到这两种网络具有许多不同的特点，传感 器网络不能简单借用以往a dh o c 网络的协议。原因如下： ( 1 ) 传感器网络中的节点数量和分布密度远远超过以往a dh o e 网络中的节点数。 ( 2 ) 传感器节点主要采用广播方式通信，而a dh o c 网络大都采用点对点通信方式。 ( 3 ) a dh o c 网络中的节点一般都有持续的供电，而传感器网络中节点的能量有限， 所以其m a c 协议的设计一般将能效高放在首要位置。 ( 4 ) 传感器节点的存储能力、计算能力和携带能量有限。 ( 5 ) 传感器节点出现故障的可能性要大于a dh o c 网络。 ( 6 ) 传感器网络中大部分节点不像a d h o c 网络中节点一样快速移动，也没有a d h o c 节点移动的频繁。 从以上特点可以看出，无线传感器网络m a c 协议设计的侧重点不同于a dh o c 网 络，资源受限是传感器网络的主要特征，所以在设计无线传感器网络的通信协议，尤其 是与能量消耗密切相关的m a c 协议时应着重注意节能和链路维护的设计。 1 4 论文完成工作及主要特点 本文的主要任务是针对小型的监测网络这种应用类型开发设计具有节能和链路自 维护功能的m a c 协议，完成低功耗w s n 应用协议解决方案所需要的m a c 协议支持。论 文具体工作如下： ( 1 ) 分析所针对的传感器网络的具体应用的要求，确定m a c 协议设计方案，以基于 竞争类的s - m a c 协议作为研究再开发的基础协议。 ( 2 ) 在n s 网络模拟平台上设计m a c 协议的基本流程，实现信道访问控制的机制： 周期性休眠，虚拟载波侦听，r t s c t s 握手过程，节点时序调度，控制定时器等。 ( 3 ) 针对s - m a c 原有的退避算法进行改进并实现，使协议的退避策略能够自适应网 络流量的变化，进一步降低了冲突发生的概率，起到节省能量的作用，同时也提高了网 络的公平性。 ( 4 ) 针对s - m a c 固定占空比机制进行改进，提出动态占空比调整机制，使节点的占 空比能够在网络流量大或流量突发的情况下，自增加占空比，减少节点既定的休眠时间 用以进行数据的传输，避免了由于节点周期性休眠带来的延迟积累，提高了网络的吞吐 量。 基于s - i 雌c 的无线传感器网络m a c 协议的开发及仿真实现 ( 5 ) 在m a c 协议中加入网络自维护算法，为节点设定维护定时器，令节点定期地更 新所保存的时序调度表和邻居列表，及时更新节点链路信息，为网络规模的继续扩展提 供支持，提高网络对拓扑结构变化的适应性。 ( 6 ) 设计针对m a c 性能测试的仿真试验，建立网络模型，配置试验场景，对无线传 感器网络进行模拟仿真，并采用a w k 程序编程对仿真数据进行处理和统计计算，考察分 析本文所设计的m a c 协议对网络性能的影响，重点考察了三个性能指标：能量消耗， 吞吐量，网络延迟。 本文的m a c 协议设计具有如下特点： ( 1 ) 以往的m a c 协议设计为注重节能效果，将节点的工作占空比设定成固定的低 值，本文根据网络应用情况设计可变占空比，在普通流量下，有着其他协议一样的低占 空比，但是当流量突发时可自行根据情况调整增加占空比，使协议在保持节能的前提下， 提高了突发流量下的吞吐量。 ( 2 ) 本文认为节能对m a c 协议设计固然重要，但链路的维护，节点信息的及时更新 对网络保持稳定健壮地工作同样起着不可或缺的作用。因此本文在m a c 协议中加入了 网络自维护算法，以极少的能量维护开销换取网络的长期稳定工作，同时为网络的继续 扩展提供了有效的支持。 大连理i = 大学硕士学伊论文 2 相关技术概论 2 1 无线传感器网络的体系结构 微型传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组 织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同完成特定的任务。下面介绍其 传感器节点的结构和网络的体系结构。 ( 1 ) 传感器节点结构 一般而言，传感器节点由4 部分组成；传感器模块，处理器模块，无线通信模块和 电源模块，如图2 1 所示【1 1 。它们各自负责自己的工作：传感器模块负责采集监测区域内 的信息，并进行数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，将交流信号转换 成直流信号，以供后续模块使用；处理器模块又分成两部分，分别是处理器和存储器， 它们分别负责处理节点的控制和数据存储的工作；无线通信模块专门负责节点之间的相 互通信；电源模块就用来为传感器节点提供能量，一般都是采用电池供电。 在图2 1 中，我们可以看出，传感器模块中的传感器部分从环境中采集数据，这些 信号通过数据转换之后，传送给处理器模块进行处理。处理器模块对数据进行适当的处 理后就将数据发送给其他节点，于是数掘进入无线通信模块。在无线通信模块中，数据 经过网络层传到数据链路层，因为一般研究较多的是其中的m a c 层，所以图中用m a c 层代替了数据链路层。数据经由m a c 层再传到物理层的收发器，在这里，数据被转换 成二进制物理信号在介质中传送。而对于接收数据的节点，数据则是通过收发器收到物 理信号，将其向上发给m a c 层再到网络层，最终到达应用层，即处理器模块。 一微ff 雪f 一 日疰靴酬e 缸 可r| l l1 图2 1 节点的组成结构 f i g 2 1c o n f i g u r a t i o no f n o d e s 基丁s - m a c 的无线传感器网络m a c 协议的开发及仿寅实现 ( 2 ) 传感器网络体系结构 一个典型的无线传感器网络的体系结构如图2 2 所示。节点分为3 类：普通的传感器 节点，汇聚节点和任务管理节点。大量的传感器节点随机分布在监测区域，它们能自组 织成网络。传感器监测到的数据可以通过其他节点逐跳的传输，中间用做中继的节点可 以对数掘进行处理，也可以不处理直接转发。数据经多跳传输到汇聚节点，汇聚节点能 直接连接到因特网。最后数据通过因特网传输到管理节点。管理节点能够对传感器网络 进行配置管理。 一般来说，普通的传感器节点就是上述的结构，汇聚节点和任务管理节点是不需要 感应数据的，它们的结构与普通的传感器节点略有不同。汇聚节点的处理能力、存储能 力和通信能力都较强，它应该比普通节点拥有更多的内存和计算资源，而且应有充分的 能量供应。普通的节点一般使用电池供电，电池能量耗尽的时候节点也就无法工作而被 网络抛弃，但是汇聚节点要连接因特网，将所有数据发送出去，一般它会采用电源供电， 以保证它的持续工作。 l 鼬区域 图2 2 一个典型的传感器网络的体系结构 f i g 2 2at y p i c a ls y s t e mo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( 3 ) 传感器网络协议结构 网络协议结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成 功能的定义和描述。虽然无线传感器网络与传统网络相比有很多不同的地方，但是其网 络协议栈都可以划分成t c p 佃的五层模型【2 , 3 1 ，如图2 3 所示。其中，物理层提供简单但 健壮的信号调制和无线收发技术；数掘链路层又分成两个子层：逻辑链接控制层( l l c ) 6 一 甲一 大连理1 = 人学硕十学位论文 和介质访问控制层( m a c ) ，主要负责数据成帧、帧检测、媒介访问控制和差错控制； 网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务 质量的重要部分；应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件；能量管理平台管理传 感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；移动管理平台检测并注册 传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位 置；任务管理平台在个给定的区域内平衡和调度监测任务。 图2 3 无线传感器网络的协议结构 f i g 2 3p r o t o c o ls t r u c t u r eo f w s n 在本论文中，我们主要研究的是m a c 层。它决定无线信道的使用方式，在传感器 节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。 2 2 无线传感器网络已有m a c 协议介绍 目前针对传感器网络的不同应用已经出现了多个m a c 协议，但还缺乏统一的分类 方式。一般可以按照下列条件分类m a c 协议：第一，采用分布式控制还是集中控制； 第二，使用单一共享信道还是多个信道；第三，采用固定分配信道方式还是随机访问信 道方式。本文采用第三种分类方法，将传感器网络的m a c 协议按照通信节点获取信道 访问方式的不同分为两类：基于预分配的m a c 协议和基于随机竞争的m a c 协议。 2 2 1 基于预分配的m a c 协议 原有的预分配类m a c 层协议主要有f d m a 和t d m a 两种形式。 基丁：s - m a c 的无线传感器网络m a c 协议的开发及仿真实现 f d m a 是将频带分成多个信道，不同节点可以同时使用不同的信道。t d m a 是将 一个时间段内的整个频带分给一个节点使用。相对于f d m a ，t d m a 通信时间较短， 但网络时间同步的开销增加。针对无线传感器网络的特点，现在又有了一些新的预分配 的m a c 算法出现，本部分将介绍以下几种基于预分配类的m a c 方案1 6 】： ( 1 ) s m a c s 协议 s m a c s ( s e l f - o r g a n i z i n gm e d i u ma c c e s sc o n t r o lf o rs e n s o rn e t w o r k s ) 协议是分布式 的协议，无需任何全局或局部主节点，就能发现邻居节点并建立传输接收调度表。虽然 各子网内邻节点通信需要时间同步，但全网并不需要同步。在链接阶段使用一个随机唤 醒机制，在空闲时关掉无线收发装置，来达到节能的目的。s m a c s 的缺点是从属于不 同子网的节点可能永远得不到通信的机会。 ( 2 ) t d m f d m 这是一个时分复用t d m a 和频分复用f d m a 的混合方案。在节点上维护着一个特 殊的结构帧，类似于t d m a 中的时隙分配表，节点据此调度它与相邻节点问的通信。 f d m a 技术提供的多信道，使多个节点之间可以同时通信，有效地避免了冲突。由于预 先定义的信道和时隙分配方案限制了对空闲时隙的有效利用，使得在业务量较小时信道 利用率较低。 ( 3 ) d e m a c d e - m a c ( d i s t r i b u t e de n e r g y a w a r em a c ) i 矧的中心内容是让节点交换能级信息。它 执行一个本地选举程序来选择能量最低的节点为“赢者”，使得这个“赢者”比其邻节 点具有更多的睡眠时间，以此在节点间平衡能量，延长网络的生命周期。协议的缺点是 传感器节点只在自己占有时隙且无传输时，才能进入睡眠。而在其邻节点占有的时隙里， 就算没有数据传输，它也必须醒着。 ( 4 )t r a m a t r a m a ( t r a f f i c - a d a p t i v em e d i u ma c c e s s ) 用两种技术来节能：用基于流量的传输 调度表来避免可能在接收者发生的数据包冲突；使节点在无接收要求时进入低能耗模 式。t r a m a 将时间分成时隙，用基于各节点流量信息的分布式选举算法来决定哪个节 点可以在某个特定的时隙传输，以此来达到一定的吞吐量和公平性。但t r a m a 的延迟 较长，更适用于对延迟要求不高的应用。 2 2 2 基于竞争的m a c 协议 基于竞争的协议并不把信道分成子信道或者预先为每个节点分配信道，而是所有的 节点共享一个信道，按需分配。通过一个竞争机制来决定哪一个节点获得访问信道的权 力。一般使用广播式信道，连接到这条信道上的节点都可以向信道发送广播信息。想要 8 大连理t 大学硕b 学位论文 通信的节点遵循某种规则竞争信道，得到使用权的节点可以发送信息。传统的基于竞争 类的m a c 协议包括带有冲突检测的载波侦听多路访问( c s m a ) 等。无线局域网i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议的分布式协调d c f 工作模式就是采用带冲突避免的载波侦听多路访问 ( c s m a c a ) 协议，这是基于竞争的m a c 协议的典型。 ( 1 )i e e e8 0 2 1 1m a c 协议 该协议m j 通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定信道何时空闲，采用r t s c t s ( r e q u e s tt os e n d ，c l e a rt os e n d ) 交换机制进行数据传输。当节点检测到信道忙后，采用 c s m a c a 机制和随机退避时间，实现无线信道的共享。另外，所有定向通信采用立即 的主动确认机制( a c k n o w l e d g c m c n t ，a c k ) ，如果节点没有收到a c k 帧，就会重传 数据。 ( 2 )s m a c 协议 w e i y e 等在2 0 0 2 年提出的s - m a c ( s e n r - m a c ) 【2 7 3 0 】应用了三种新技术：节点定期 睡眠以减少空闲监听造成的能耗：邻近的节点组成虚拟簇，使睡眠调度时间自动同步f 用消息传递的方法来减少时延。s m a c 仍采用类似i e e e 8 0 2 1 1 中的方式来避免冲突， 包括虚拟和物理的载波监听和r t s c t s 交换。但s - m a c 中每个节点的占空比都相同， 而且没有对能量较少的节点给予保护。s - m a c 协议是基于竞争类的最具代表性的成果。 ( 3 ) t - m a c 协议 t - m a c ( t i m c o u t m a c ) 3 1 】在s m a c 的基础上引入适应性占空比，来应付不同时 问和位置上负载的变化。它动态地终止节点活动，通过设定细微的超时间隔来动态地选 择占空比。减少了闲时监听浪费的能量，而且仍保持合理的吞吐量。但t - m a c 存在“早 睡”问题，虽然提出了一些解决办法，但仍未在实践中得到验证。t m a c 协议的适用 场合和对网络动态拓扑结构变，七的适应性也需要进一步研究。 总之，传感器网络是与应用相关的网络，不同应用网络的需求不同，对m a c 协议 的考虑也不同，不存在一个适用于所有传感器网络的m a c 协议。具体选择基于预分配 的m a c 协议还是基于竞争的m a c 协议也需要根据具体应用的需求而定。如果在网络 中数据传输很频繁，则采用基于分配的m a c 层协议( 如：t d m a 或f d m a ，或两者混 合) 更省能量，因为基于竞争的机制需要多次握手，而且发送碰撞的概率很大，造成延 迟增加和消耗大量的网络能量。如果在网络中数据传输很稀疏，可采用基于竞争的m a c 层协议，这时发生碰撞的概率很小，在不通信的时候传感器节点可长期处于空闲状态。 从以上论述可知，没有哪一种算法是绝对最优的，每种算法都有各自的特点和适用 范围。在不同的应用下采用相适应的m a c 协议是相当重要的，能够将这些m a c 协议 的优点充分发挥出来。 9 基于s - m a c 的无线传感器网络m a c 协议的开发及仿真实现 2 3 主要能量消耗分析及网络性能指标 因为传感器网络中节点的能量资源非常有限，所以设计m a c 协议时能源有效性应 放在首位来考虑。在无线传感器网络中，除了正常的数据收发消耗能量外，m a c 层上 的能量损耗主要来自以下几个方面： ( 1 ) 空闲侦听( i d l e l i s t e n i n g ) ：网络中的节点不知道邻居节点何时向自己发送数据， 其射频模块必须一直处于活动状态，因此消耗大量的能源。这是节点能量消耗的最主要 来源，因为典型的射频收发器处于接收模式时消耗的能量比其处于待命模式多两个数量 级。另外，为避免冲突，节点也需要不断的侦听信道，查询信道是否被占用。在没有或 者很少有数据产生的网络应用中，空闲侦听的代价也是很大的。 ( 2 ) 碰撞冲突( c o l l i s i o n ) ：主要由于两个或多个节点在同一个时间段向同一个节 点发送数据包，处在接收状态的节点发生冲突，造成信号间相互干扰，导致数据包被破 坏，接收节点收到的信息都是没用的，应丢弃，源节点需要重新发送。发送和接收这些 错误数据的能量将被损耗掉，这样不仅造成了能量浪费还增加了消息延迟。利用 r t s c t s 握手机制可解决冲突问题，但带来额外的协议丌销。 ( 3 ) 串扰( o v e r h e a r i n g ) ：在网络中，每个节点都是以广播的形式发送消息的，不是 点对点的形式，节点广播范围内的节点就可能接收到发向其他节点的数据包，造成串音 干扰。当节点密度很大或者需要传输的数据很多的时候，串扰消耗的能量也是很可观的。 为尽量避免这种情况，节点应该在无数据收发时关闭其接收器。 ( a ) 节点b ，c 同时向a 发送数据，产生碰撞 r 、毒 j 璺i2 4 无线传感器网络碰撞和偷听示意图 f i g 2 4w s n c o l l i s i o na n do v e r h e a r i n g ( 4 ) 控制信息开销细m r o lp a c k e to v e r h e a d ) ：大多数的m a c 层协议需要节点相互 之间交换控制信息，这些信息的交换也将损耗一定的能量，m a c 的报头和控制包( 如 大连理 大学硕士学位论文 r ，r s c r s a c k ) 不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效的。当传送仅包含几 个字节的数据时，协议开销很大。另外在无线传感网中，由于节点比较“脆弱”( 携带 有限的能量、易损坏等) ，每个节点需要确认其邻居节点处于什么状态( 是否存活等) ， 因此，也需要发送或接收一些消息。在有的无线传感网中需要进行同步，通过周期的发 送同步消息，对节点进行同步，这些都需要消耗能量。 ( 5 ) 业务量的波动性：突发的峰值业务量能大大增加网络中发生竞争和冲突的可 能性，这样许多时间和能源被损耗在随机退避过程中。 无线传感器网络的性能直接影响其可用性，非常重要。如何评价一个传感器网络的 性能是一个需要深入研究的问题。下面，本文讨论几个评价传感器网络性能的标准。这 些标准还没有达到实用的程度，需要进一步地模型化和量化。 ( 1 ) 能量有效性 传感器网络的能源有效性是指该网络在有限的能源条件下能够处理的请求数量。能 源有效性是传感器网络性能指标中最重要的一项指标。网络中的节点能量资源非常有 限，而且节点多数工作在很恶劣的环境或人无法进入的地域，给节点更换电池能量或充 电都是很不现实的，所以在实际设计传感器网络时，会尽量减少节点的成本，把达到节 点的一次性使用作为设计目标。因此，尽量延长网络节点生存时间是在设计无线传感器 网络时需要考虑到的一个重要问题。在节点的硬件结构中，射频收发器消耗的能源占节 点消耗能源的绝大部分，m a c 协议直接控制射频收发器的行为，可直接控制其消耗的 能源大小，因此，m a c 层的能源有效性直接影响网络节点的生存时间，进而影响网络 的寿命期。 ( 2 ) 网络寿命 传感器网络的寿命是指从网络启动到不能为观察者提供需要的信息为止所持续的 时间。影响传感器网络寿命的因素很多，既包括硬件因素也包括软件因素，需要进行深 入研究。在设计传感器网络的软、硬件时，我们必须充分考虑能源有效性，最大化网络 的寿命。 ( 3 ) 延时 传感器网络的延时是指当观察者发出请求到其接收到答复信息所需要的时间。影响 传感器网络时延的因素也有很多。延时与应用密切相关，直接影响传感器网络的可用性 和应用范围。目前的相关研究还很少，需要进行深入研究。 ( 4 ) 可扩展性 传感器网络可扩展性是指一个m a c 协议应该适应网络大小，网络拓扑结构，网络 节点密度的变化。传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能因 基t - s - m a c 的无线传感器网络m a c 协议的开发及仿真实现 为电池能量耗尽或其他原因退出网络；一个节点也可能由于需要而加入到网络中。一个 好的m a c 协议应该很好地适应这些变化，保持网络应用可以持续进行。 ( 5 ) 吞吐量 吞吐量代表在给定的时日j 内，发送端成功发送给接收端的数据量，许多因素影响网 络的吞吐量，冲突避免机制的有效性，信道利用率，延迟，控制开销。和延迟一样，吞 吐量的重要性也取决于网络的应用，无线传感器网络的许多应用为了获得更长的节点生 存时间，可以适当牺牲延迟和吞吐量性能指标。 上述几个传感器网络的性能指标不仅是评价传感器网络的标准，也是传感器网络设 计的优化目标。这些指标反映了一个m a c 协议的特性，对于无线传感器网络而言，能 源有效性、可扩展性是最重要的。本文的设计也将在以能量节省作为首要目标的前提下， 综合考虑网络的整体性能，比如吞吐量、延时等。 大 - d 理t 大学硕士学位论文 3 无线传感器网络m a c 协议设计方案 3 1 网络应用要求分析 无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络。它能够 实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。这些应用一般不需要很高的带宽，但是对 功耗要求却很高，大部分时间必须保持低功耗。本文的m a c 协议主要是针对小型监测 网络的应用类型而设计的，可以用在环境监测、交通监控、大气指标监测等应用领域。 传感器网络的节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化 进行较为复杂的监控，传感器节点还具有无线通信能力，可以在节点间进行协同监控。 考虑到监测应用中的实际情况，传感器节点很可能处在人很难触及或者无法接近的地 方，因此难以更换电池。故对于这类网络应用，节能是l v l a c 协议设计的首要考虑因素。 因为传感器节点的计算能力、存储能力和通信能力都有限，每个节点只能获得局部网络 拓扑信息，因此在节点上运行的网络协议也要尽可能的简单。 针对以上特定网络应用的要求，我们进行m a c 协议设计方案的选择。因为我们所 应用的网络类型具有如下特点：节点间的通信并不是十分频繁，数据传输稀疏，网络流 量不固定，在不通信的时候，节点大部分时间处于空闲状态，因此l v l a c 协议可以选择 基于竞争类的。s m a c 协议是采用基于竞争的信道接入机制，带有冲突避免的载波监 听多路访问机制( c s m a - c a ) ，比较适合于无线传感器网络节能的要求。因此本文选 择基于竞争类的s m a c 协议作为特定网络应用m a c 协议设计扩展开发的基础协议。 3 2 协议的基本描述 下面结合s m a c 的基奉机制来叙述本文协议设计的基本思想：在网络初始化时， 节点之间先要同步以组成虚拟簇。每个节点采用周期性的侦听睡眠机制来尽可能地处于 睡眠状态以降低节点能量的消耗。在同一个虚拟簇内，节点之日j 保持同一个侦听睡眠调 度，同时开始侦听时间。节点间收发数据时采用r t s c t s d a t a a c k 机制来避免冲突 和进行可靠传输。节点根据自己队列中排队的分组数目来预测网络流量，自适应地调整 占空比，降低分组的传输时延。 节点周期性侦听信道( 1 i s t e n ) 和休眠( s l e e p ) ，在l i s t e n 过程中收发s y n c 信息， 完成网络的维护工作；如果有数据要发送的话，通过握手机制竞争信道，并在随后的s l e e