（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络中的节能mac技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 无线传感器网络是由大量集成有传感器、数据处理单元和无线通信模 块的微小节点组成，节点通过自组织方式构成网络，通过多跳方式及时有 效地传输到信息接收端，因而具有广泛的应用前景然而，由于节点靠电 池供给能量，而又不易对如此众多的节点更换电池，降低节点能耗，延长 网络寿命就成为了无线传感器网络的关键。因此，设计能量效率高同时又 实现简单的无线传感器网络协议，对于无线传感器网络实用化具有非常重 要的意义。 由于媒体接入控制( m a c ) 协议在无线通信中具有重要作用，而传统 的m a c 协议并不适合无线传感器网络，所以目前大部分的研究热点都集 中在无线传感器网络的m a c 层协议。不过现有的一些研究成果离实际应 用尚有一定的距离，还需要作进一步地探索 本论文分析了近年来为无线传感器网络设计的能量高效的媒体接入 控制协议，并对不同的协议进行分类。详细介绍了无线传感器网络中著名 的s - m a c ( s e n s o r - m a c ) 协议，分析了它的工作机制，它是本文的工作 基础。 本文从能量效率的角度出发，在大量的仿真试验基础上，分析了 s - m a c 中业务负载与占空比的关系，得出了在获得最大能量效率的情况下 业务负载和占空比的对应关系，以及描述此对应关系的拟合函数，可以使 用此对应关系来自适应地确定最佳占空比。 根据s - m a c 的数据帧结构和信令特点，提出了- 种基于s - m a c 的发 射功率控制机制；修改了s m a c 协议的竞争机制，提供了对能量较少节 点的保护，仿真证明这两种机制能有效降低节点能耗，提高能量效率：最 后在s m a c 协议中引入了接入优先级，增加了对不同接入优先级节点的 支持。通过这些工作，有效的改善了协议的性能。 最后总结了本文的工作，并对进一步的工作和研究方向提出了展望。 关键词：无线传感器网络，s - m a c ，发射功率控制，竞争机制 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n o rn e t w o r k s ( w s n ) c o n s i s t so fl a r g en u m b e r so ft i n yn o d e s w h i c hh a v es e n s i n g ，d a t ap r o c e s s i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc o m p o n e n t s t h et i n yn o d e sf o r mt h ew s ni nas e l f - o r g a n i z a t i o nm a n n e r b a s e do nt h e d i v e r s eo n b o a r ds e n s o r s ，t h ew s nc a ns e n s et h ef i e l da n dc o m m u n i c a t et h e i n f o r m a t i o nt ot h er e m o t es i n ki na ne f f i c i e n ta n dt i m e l ym a n n e r s ot h ew s n c a nb ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，h o w e v e r , s i n c et h es e n s o rn o d e sa r e b a t t e r yd r i v e na n di ti si m p r a c t i c a lt or e c h a r g et h eb a t t e r yf o rs om a n yn o d e s a f t e rd e p l o y m e n t ，e n e r g ye f f i c i e n c yh a sb e e nak e yc o n c e r ni nt h er e s e a r c h w o r ko fw s n c o n s e q u e n t l y w h i c hd e s i g n saw s np r o t o c o lw i t ht h eh i g h e n e r g ye f f i c i e n c ya n dt o b es i m p l yi m p l e m e n t e de x i s t s v e r yi m p o r t a n t m e a n i n gf o rt h eu t i l i t yo fw s n a st h e i m p o r t a n t f u n o t i o no fm a cp r o t o c o lf o r t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dt r a d i t i o n a lm a cp r o t o c o ls u i t e dw s nb a d l y , h o t s p o t so f r e s e a r c hm o s t l yf o c u so nt h em a cp r o t o c o li nw s na tt h ep r e s e n tt i m e b u t t h e r ei sd i s t a n c eb e t w e e nt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sn o wa n dt h er e a lt i m e a p p l i c a t i o n ，f u r t h e re x p l o r a t i o no nt h i sa r e ai sn e e d t h et h e s i sa n a l y z e se n e r g y - e f f i c i e n tm a cp r o t o c o l sd e s i g n e df o rw s n a n dh a sd i f f e r e n tp r o t o c o l sc l a s s i f i e d a st h eb a s i so ft h i st h e s i s ，t h ef a m o u s s - m a cp r o t o c o li si n t r o d u c e da n df u r t h e ra n a l y z e di t sm e c h a n i s m b a s e do dp l e n t yo fs i m u l a t i o nt e s t sf r o mt h ev i e wo fe n e r g ye f f i c i e n c y , t h e t h e s i sa n a l y z e st h er e l a t i o n s ，b e t w e e nt r a f f i cl o a da n dd u t yc y c l ei nt h es - m a c p r o t o c 0 1 t h er e s u l td r a w sac o n c l u s i o n0 nt h ec o r r e s d o n d e n c er e l a t i o no f t r a f f i cl o a da n dd u t yc y c l eu n d e rt h es i t u a t i o no fb e s te n e r g y e f f i c i e n c y a c q u i r e dw h i c hc a nb e u s e dt oa d a p t i v e l yd e t e r m i n et h eb e s td u t yc y c l e f u r t h e r m o r eaf i t t i n gf u n c t i o nc a na l s ob eg o t t e nt od e s c r i b ea b o v e - m e n t i o n e d c o r r e s p o n d e n c er e l a t i o n t h et h e s i se x p l o r e sat r a n s m i t t i n gc o n t r o lp o w e rm e c h a n i s mb a s e do n s - m a cp r o t o c o la c c o r d i n gt ot h ed a t af r a m es t r u c t u r ea n dt h es i g n a l i n go ft h e s - m a cp r o t o c o la n da l s oe x p l o r e sa r c t h e rs c h e m ew h i c ho f f e r st h ep r o t e c t i o n t ot h o s en o d e sw i t hl o we n e r g yt h r o u g hc o n t e n t i o nm e c h a n i s mo fs - m a c p r o t o c 0 1 s i m u l a t i o nt e s t ss h o wt h a tt h et w os c h e m e sc a ne f f e c t i v e l yr e d u c e 重庆邮电大学硕士论文 摘要 p o w e rc o n s u m p t i o no fn o d e sa n de n h a n c ee n e r g ye f f i c i e n c y f i n a l l y , t h et h e s i s e m p l o y sa c c e s sp r i o r i t yi ns - m a cp r o t o c o l ，a d d st h es u p p o r tt ot h en o d ew i t h d i f f e r e n ta c c e s s p r i o r i t y t h r o u g ht h e s ew o r k s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e p r o t o c o l i se f f e c t i v e l ye n h a n c e d i nt h ee n d ，t h ew o r ko ft h i sp r o j e c ti ss u m m a r i z e d ，a n dt h ef u r t h e rw o r k a n dt h er e s e a r c ha s p e c ta r ep r o s p e c t e d 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 s ，s - m a c t r a n s m i t t i n gp o w e rc o n t r o l ， c o n l e n t i o nm e c h a n i s m h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重鏖 邮电太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一n i 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谢 意。 学位论文作者签名；嘶签字日期：叼年臼j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废整虫太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅本人授权重庭鲣电太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名；王雕 签字日期：羽年f 月j日 气勤勃 签字日期：j 0 0 7 年 月歹日 一1 名 签 币i y导 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 无线通信、微处理器、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展，使 得低成本、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能。通过将大量具 有数据处理单元及通信模块的无线传感器节点密集撒布在感知区域，节点 间以自组织方式构成的网络称为无线传感器网络( w s n ：w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ) 1 - 2 l 。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分 布式信息处理技术和无线通信网络技术，能够共同协作地监测、感知和采 集各种环境或监测对象信息并处理，通过随机自组织无线通信网络以多跳 中继方式将所感知信息传送到用户接收终端( s i n k ) 【l 】与传统中心处理 相比，具有准确佳商、灵活性商及智能化强等优点，可以被应用于国防军 事、环境监测、交通管理等领域。 传感器网络是信息感知和采集的一场革命，其应用前景越来越广，被 认为是2 l 世纪最重要的技术之一。美国m i t 技术评论杂志评出对人 类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一目前 无线传感器网络处于新技术的最前沿，i e e e 还没有成立无线传感器网络的 标准制定小组，国际上从2 0 0 0 年左右开始出现一些有关传感器网络研究 结果的报道。但是，这些研究成果处于起步阶段，距离实际需求还相差甚 远，并没有形成国际统一的标准总体而言，我国在无线传感器网络方面 的研究工作还很少由于无线传感器网络是一门新兴技术。国内与国际水 平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的 研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义，也具有十分长远的 战略意义，因此非常有必要对无线传感器网络进行相关的深入研究 无线传感器网络作为一种特殊的无线自组织网络，与传统无线网络相 比有很多不同，无线传感器网络不能简单借用传统的a d h o e 网络的协议， 也提出了新挑战和研究问题，原因如下： 无线传感器网络节点通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远 程环境中，并且由于制造成本的限制，无法及对更换电泡，能源无法替代， 能量就成了一项极为重要的资源，因此有效地降低节点能耗、延长网络的 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 生命周期成为无线传感器网络的核心问题，这也是传感器网络和传统网络 最重要的区别之一，能量效率( e n e r g y e f f i c i e n c y ) l ，- 4 j 也就成为了无限传 感器网络最重要的属性。 无线传感器网络的目的是从环境中采集并处理数据，将数据传递给 数据接收者( s i n k ) ，鼹络是以数据为中心的，其运信模式具有多对一( m a n y t oo n e ) 特点另外，因为s i n k 与源节点相距较远，多跳传输也是其重要 特点之一。 无线传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范 围只有几十到几百米，因此无线传感器的通信类型通常是单跳通信 ( s i n g l e h o pc o m m u n i c a t i o n ) 。 无线传感器网络具有节点数目大，大规模，大尺度的特点，这使得 协议设计必须考虑全同协调一致工作的问题。 无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是 静止的，大部分节点不像a d h o e 节点一样快速移动。 受到制造成本和工艺水平的限制，传感器节点的存储能力、计算能 力有限 由上所述，无线传感器网络目的是从网络中收集信息，根据其特点， 其网络设计存在的主要问题包括：节省能量，尽量延长网络生命期的问 题，尽可能多的向s i n k 节点提供有效数据；提供一定端到端服务质量支 持的问题；保证网络协调一致工作的同步等问题。在这些问题中，提高 节点能量效率，节省能量是保证网络具有一定生命期的关键，也是解决其 余问题的基础。而其他的属性包括公平性，反应时间，吞吐量和带宽利用 率，这些属性一般情况下在传统网络中都是首要考虑的因素，但在无线传 感器网络中它们是次要的。 因此。根据无线传感器网络特点。设计能耗低同时又能灵活有效支持 服务质量的无线传感器两络技术，对于节省成本、有效完成信息采集任务 具有非常重要的意义降低能耗的一个途径是设计低功耗硬件设备，另一 个途径是设计高能效的协议提高能量利用效率，降低节点能耗目前大部 分的无线传感器弼络的研究集中在通信协议栈，包括网络层【扣6 1 、数据链 路层 由于在节能方式的网络中进行信道接入控制是一个比较困难的工作， 无线传感器网络数据链路层中的媒体访问控制协议( m a c ：m e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 ) 更是引来学者和研究人员的关注，研究者已经提出众多方案来提 高无线传感器网络中m a c 协议的性能，但是这些方案离实际应用均还有 2 重庆邮电大学颟士论文 第一章绪论 一定的差距，有待于作进一步的研究 1 2 无线传感器网络m a c 层协议的设计准则 无线传感器网络提供了一种不同于传统无线网络的计算和通信基础 构架，为其设计一种高效的m a c 协议，需要考虑其特有的属性，首先是 能量高效。如上面所说的，传感器节点大都是电池供电的，通常很难去置 换或充电，延长网络生存时间是一个关键的问题，其他重要的属性包括公 平性，反应时间，吞吐量等，这些属性一般情况下在无线声音和数据传输 网络中都是首要考虑的因素，但在传感器网络中它们是次要的。无线传感 器网络m a c 层主要的设计准则归纳如下： 1 2 1 能量受限 无线传感器网络的基本特征就是能量受限。在无线传感器网络中：媒 体接入是传感器能量的主要消耗，尤其在大范围传输和当无线电接收者时 刻保持活跃的情况下m a c 层协议要尽可能的节约能源，如减少冲突和 串音、最小化控制开销、降低占空比和尽量避免长距离通信。协议中还应 包括折中机制，使用户可以在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择。 另外，利用大部分可以利用的频率段来减少传输时间，在节点处于空闲或 完成阶段把无线电转为低功耗睡眠模式，避免在活跃和睡眠状态的额外转 变来节省传输和接收能量。 1 2 2 网络寿命 无线传感器网络的网络寿命( n e t w o r kl i f c t i m e ) 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。影响传感器网络生命周期 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m a c 层协议时，必须充分考虑能源有效性，最大化网络的 生命期，这也是无线传感器网络设计的重要目标 1 2 3 适应性 无线传感器网络通常是应用在特别的场景当中，尽管存在许多典型的 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 应用，但不同的应用模式使用于网络时，会展现出其特殊性。在传感器网 络中，负载密度随时问和传输路径的变化都很明显。这些对时间触发和基 于查询的网络操作模式来说都是有效的，例如在森林监控应用中，平时只 发送周期性状态更新，当检测到火灾时就会产生大量的传感信息。在基于 查询操作的应用中，传感器只在回复要求时发送，否则只产生很少的负载。 另外，产生的数据在到接收端的路径上可以融合，数据融合可以采用 平均数据形式，选择最大值，丢弃冗余报告等。在一些例子中，如果路径 上融合节点是固定的并且数据的传输形式是多对一，那么负载模式将不会 变化。然而，只要在可应用的情况下一般都会采用数据融合，这样就会造 成负载的可变性。例如，消除冗余过滤出重复，可以减少资源浪费。无疑 选出无用的信息主要依靠传感器和检测事件的类型。m a c 协议应该适应 负载的变化和允许媒体接入调度来高效处理爆发的高优先级通信流，同时 适应基于网络负载模式的、可靠的网络类型。 1 2 4 可靠性 可靠的数据传输对网络底部构造来说是一个典型的设计目标，包括无 错误链路的仔细选择，避免超负载的节点，损坏包的检测和修复保证包传 输。其中对控制分组开销和可靠性水平之同有个平衡。例如以高的控制开 销为代价，可以获得较高的传输可靠性，但会降低有效链路带宽，增加端 到端时延和增加能量消耗。 在无线传感器网络中，包丢失主要是由缓冲器溢出和信号干扰造成 的，避免缓冲器溢出是路由和m a c 协议的责任在路由层中，在可利用 的路由路径中均衡负载可以减少转发节点缓冲器达到最大容量的可能性， 以防止包溢出。同时，m a c 机制决定了缓冲器管理机制且要保证发送数 据流的服务速率( 足够高来阻止对超出缓冲器大小的包存储数据) 因为信 号干扰丢失的包可以通过使用高传输功率和阻止节点问媒体接入的竞争 来最小化。 1 3 研究现状 由于节能在无线传感器网络中的核心地位，节能机制就成为了无线传 感器网络研究的重中之重。m a c 协议是无线传感器网络可靠通信的保证， 由于无线传感器网络的特点，使得m a c 协议设计与传统网络m a c 协议设 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 计有很大不同，对节能m a c 协议的研究具有重要的意义下面就最著名 的典型方案进行简要介绍。 s m a c s 【7j 协议 s m a c s 协议是分布式协议。无需任何全局或者局部主节点，就能发 现邻节点并建立传输接收调度表。链路由随机选择的时隙和固定的频率组 成，每一对邻居节点分配一个特有频率进行数据传输。不同节点对之间的 频率互不干扰，。从而避免同时传输的数据之间产生冲突虽然各子网内邻 节点通信需要时间同步。但全网并不需要同步。在连接阶段使用一个随机 唤醒调度机制，在空闲时关掉无线收发装置，来达到节能的目的 s m a c f 8 】协议 s - m a c ( s e n s o r m a c ) 协议是由w e iy e 等人设计的一种基于周期性 睡眠侦听调度机制的m a c 协议。通过周期性睡眠和虚拟簇技术，s m a c 协议能有效减少无线模块处于空闲侦听状态的能耗( 比如说侦听占空比为 1 0 ，即2 秒中有2 0 0 毫秒处于侦听状态) ，但同时增加了一定的时延。 s m a c 最有很好的节能性能，它满足了m a c 层协议对各性能问平衡 的要求，能量和吞吐量、时延之问可以根据负载来进行折中s m a c 协议 也是后续研究工作的一个基础，它对无线传感器网络的m a c 层研究提供 了一个方向。 1 4 论文的主要工作和组织结构 本文把握了无线传感器网络发展的动态，并对无线传感器网络中的 m a c 层能量消耗和现有的相关协议机制进行了深入的分析研究，并对无 线传感器网络中著名的s - m a c 协议进行了分析改进工作本文从能量效 率的角度出发，分析了s - m a c 中业务负载与占空比的关系，得出了在获 得最大能量效率的情况下业务负载和占空比的对应关系，可以使用此关系 来自适应地确定最佳占空比；根据s m a c 的数据帧结构和信令特点，提 出了一种基于s m a c 的发射功率控制机制，并根据s m a c 协议的竞争机 制，提供了对能量较少节点的保护：最后在s m a c 协议中引入了接入优 先级，增加了对不同业务负载节点的支持。通过这些工作，为将来的后续 研究工作打下了坚实的基础。 本文共分6 章，各章的内容安排如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了研究背景、研究意义和目前的研究现 状，由此引出了其后的具体研究内容。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第二章介绍了无线传感器网络的概念，并详细分析了无线传感器网络 中能量浪费的主要原因，并根据现有工作的特点对m a c 协议进行了系统 的分类 第三章详细介绍了无线传感器网络中的s - m a c 协议，详细分析了 s m a c 中的各项工作机制，它是本文工作的基础。 第四章是从能量效率的角度出发，研究了s - m a c 协议中业务负载和 占空比的关系，得出了在获得最大能量效率的情况下业务负载和最佳占空 比的对应关系。 第五章根据s - m a c 协议的帧结构提出了一种功率发射控制机制；并 在根据s - m a c 的竞争阶段特点，提出了一种对能量较少节点的保护策略。 第六章对本文概括总结，并阐述了迸一步的研究内容 6 ；第二章无线传感器网络及其节能m a c 协议 第二章无线传感器网络及其节能m a c 协议 2 1 无线传感器网络概述 2 1 1 无线传感器网络概念 随着传感技术，微机电( m e m s ) 技术，无线网络技术的飞速发展， 无线传感器网络作为一项新兴的信息采集技术日益得到重视。无线传感器 网络是由组无线传感器以a d h o e 方式构成的无线网络。其目的是协作 地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观 察者，即s i n k 节点。从定义可以看到，传感器、感知对象和观察者是传感 器网络的3 个基本要素，无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的 通信方式。用于在传感器与观察者之间建立通信路径，协作地感知、采集、 处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能有限的无线传感 器协作地完成大的感知任务是无线传感器网络的重要特点。无线传感器网 络中的大部分节点都是静止不动的。节点间以a d h o e 方式进行通信，每 个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和 恢复连接的能力。 传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信模块和软件 这几部分构成，如图2 - 1 所示【1 1 。电源为传感器提供正常工作所必需的能 fff 图2 1 无线传感器节点组成图 源感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号。处理 部件负责协调节点各部分的工作，如对感知部件获取的信息进行必要的处 7 重庆邮电大学硕士论文第二章无线传感器网络及其节能m a c 协议 理、保存，控制感知部件和电源的工作模式等。通信模块负责与其他传感 器或观察者的通信软件贝l j 为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作 系统、嵌入式数据库系统等。 二 2 1 2 无线传感器网络结构 图2 2 给出了一个典型的无线传感器网络的结构【9 1 。整个网络由无线 传感器节点、接收发送器( s i n k ) ，i n t e r n e t 或其他网络、任务管理节点等 部分构成。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数 据，并以自组织形式构成网络，并通过多跳路由方式把监测数据传送到 s i n k ，最终借助长距离或临时建立的s i n k 链路将整个区域内的数据传送到 远程中心进行集中处理。s i n k 也可以用同样的方式将信息发送给各节点。 s i n k 直接与i n t e r n e t 或其他网络相连，通过i n t e r n e t 或其他方式实现任务 管理节点( 即观察者) 与传感器之间的通信。 图2 2 无线传感器网络结构 2 2 无线传感器网络能耗分析 现有无线传感器网络节点主要由微处理器、存储器、传感器、i o 接 口、射频模块等部分组成在网络实际运行过程中，能耗主要来源于处理 ( p r o c e s s i n g ) 、传感( s e n s i n g ) 和无线传输( r a d i ot r a n s m i s s i o n ) 三个操 作。处理的能量消耗主要是由于微处理器执行指令的能量消耗，处理器处 于激活状态时与处于睡眠状态时的能量消耗差别较大传感的能量消耗主 要包括变换器( t r a n s d u c e r ) ，前端处理，a d 转换等操作，其能量消耗根 8 重庆邮电大学硕士论文第二章无线传感器网络及其节能m a c 协议 据传感器的种类不同而有所不同本文研究对象是传感器网络，主要考虑 无线传输能耗。 在网络运行过程中，无线模块可能处于四种状态：发送、接收、空闲 以及睡眠，这四种状态下的能耗是不一样的，无线传输能耗主要来源于无 线模块在收发数据及空闲侦昕时的能耗。无线电在传输和接收模式下消耗 最多能量，在空闲模式下运行也是很昂贵的，不同的测量表明则三种模式 的能量消耗比率为l ：1 0 5 ：1 4 【t o ，1 ：1 ：2 7 0 t l ，1 ：2 ：2 5 t 2 】。大多数 情况下，操作于空闲模式造成很大的能量耗费。因为无线电电路是在开的 状态下对无线电信号( 即使是噪音) 持续解码，来探测数据包的传入，这 样就需要在空闲状态下需要完全关闭无线电。然而，频繁的无线电开或关 有时会造成比让收发器自动转为空闲状态消耗更多的能量，因为启动次数 增加。而且，当传输分组交小时，转换能量就会在收发分组所消耗能量占 主要部分 无线电能量消耗e ，。d i 。，可以公式化为： j ! ：m = 【( c 吃) + 6 】r 其中c 是传输功率系数，b 是等功率偏移量，名是传输信号使用的功率，t 是传输时问。e 。更复杂的模型，e hs h i h ，c ta 1 扩展而来，可以表达为： 瓦幻= 阮瓯+ 强) + 已不】+ 暖以+ 心互) 】+ 式( 2 1 ) 其中p 咖传输者，接收者消耗的功率，p 。是传输者输出功率，p 胁是无线 点在空闲模式下功率，似是每秒传输者接收者使用的平均时间( 实际上 数据传输接收时间) ；乃址二是每一秒一个节点开着并且是空闲时的平均时 间，瓦。是收发器的启动时间，m 咖是每秒传输者和接收者开启的平均次 数。f 枷主要依赖应用的流量模型和媒体接入仲裁机制以依靠分组的 大小，信道数据速率和每秒分组发送接收的平均数量p 。依靠信号传输 到目的地的距离和周围的环境p i 船一般和p 。很接近。当无线电处于睡 眠模式下是的能量消耗比p 胁小1 到4 个数量级。关于无线电电路的能量 消耗的详细分析由w a n g ，e ta l 给出。 2 3 无线传感器网络m a c 层能量浪费主要原因 考虑到无线传感器网络的能量消耗模型及其工作特点，其m a c 层的 能量浪费的主要原因可以列举如下： 空闲监听问题( i d l el i s t e n i n g ) 无线传感器网络中大部分的能量损耗主要是由于空闲监听所引起的。 9 重庆邮电大学硕士论文弟二章无线传感器网络及其节能m a c 协议 当网络中节点不知其何时会从一个或多个相邻节点接收数据时，它必须长 时间的保持其无线接收机处于活动状态。例如需要传感器节点平均每秒钟 和其相邻节点交换一次信息其中的交换信息是非常短的，发送交换信息 给其他节点需要5 m s 时间，从其他节点接收信息需要5 m s 时间，因此收发 器有9 9 0 m s 的时间用于空闲的监听，即在9 9 的时间什么都没有做。这种 过度的空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的大量浪费。 碰撞冲突问题( c o l l i s i o n ) 如果网络中的两个节点在相同时间利用共享信道传送数据时，它们将 会互相干扰导致数据包被破坏。因此，发送和接收这些错误数据的能量将 被损耗掉，接下来的重传会又会消耗更多的能量，并且冲突也增加了反应 时间。 控制信息开销( c o n t r 0 1 p a c k e to v e r h e a d ) 大多数的m a c 层协议需要节点之间交换控制信息，而这些控制信息 并非应用型数据，因此这些信息的交换也将损耗一定的能量，应该设计交 换控制信息交换尽量少的m a c 层协议。 串音问题( o v e r h e a r i n g ) 当使用共享信道进行通信时，某个节点可能接收并处理不是发送给它 的数据，造成串音，这会造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多 的能量。为避免这种情况，不相关节点应该在无数据收发的时候关闭无线 电。 2 4m a c 协议概述 无线传感器网络是没有基础结构支持的网络，不像蜂窝网络那样移动 节点可以通过有线的基站来相互通信，而无线传感器网络中的节点必须自 己发现通信路径在这样的环境中，m a c 协议起着一个很重要的作用。 传统的基于t d m a 的协议，相比基于竞争的协议，在避免冲突方面是 有效的，而且有一个内置的占空比因数减少空闲监听，但是这就在节点地 位平等和能量受限的多跳a d h o c 网络中增加了布置的复杂性。因此基于 竞争m a c 协议是网络基础结构和接入点并没有很好定义的分布式传感器 结构的主要选择 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章无线传感器网络及其节能m a c 协议 2 4 1 基于竞争的m a c 层协议 基于竞争的m a c 层协议一般使用广播信道，连接到信道的节点都可 以向信道发送广播信息，想要通信的节点按照某种规则竞争信道，得到使 用权的节点可以发送信息。大多数基于竞争协议遵循载波侦听( c s m a ) 操 作模式，同时可选择采用或不采用冲突避免机制，结合握手信号和后退机 制来减少冲突可能性 i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议t ”l i e e e8 0 2 1 1m a c 协议有分布式协调d c f 和点协调p c f 两种访问控 制方式。其中d c f 方式是i e e e8 0 2 1 1 协议的基本访问控制方式在d c f 工作方式下，载波侦昕机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线 信道的状态。当一个节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状态。如果 信道空闲，并且经过一个帧问间隔时间d i f s 后，信道仍然空闲，则节点 立即开始发送信息，如果信道忙，则节点一直侦听信道直到信道的空闲时 间超过d i f s 。当信道最终空闲下来时，节点开始竞争信道，冲突发生时使 用二进制退避算法( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a e k o f f ，b e b ) ，进入退避状态来避 免再次发生碰撞。图2 3 描述了其基本访问机制。 随机退避时间按照式2 3 计算： 退避时间= r a n d o m ( ) + s l o t t i m e 式( 2 3 ) 其中，r a n d o m ( ) 是在竞争窗口【0 ，c w 】内均匀分布的随机整数，s l o t t i m e 是一个时槽时问，包括发射启动时间、媒体传播时延、检测信道的响应时 间等。 l 婴 d 鸸 哪s i 。c o n t e n t i o nw i n d o w sj b u 夥m e d ；m 爿w ，m b a 幽c k o 粥f f ，临嘲r 地。 is l o t t i m e d e 陆a c o e 嚣 s e l e c ts l o ta n db a c k o f f t m t i l 图2 38 0 2 1 l 的基本接入访问机制 节点在进入退避状态时，启动一个退避计时器，当计时达到退避时间 后结束退避状态，开始侦听信道。在退避状态下，只有当检测到信道空闲 时才进行计时。如果信道忙，退避计时器中止计时，直到检测到信道空闲 时间大于d i f s 后才继续计时。当多个节点推迟且进入随机退避时，利用 重庆邮电大学硕士论文第二章无线传感器网络及其节能m a c 协议 随机函数选择最小退避时问的节点作为竞争优胜者 8 0 2 1 lm a c 协议中通过立即主动确认机制和预留机制来提高性能， 如图2 4 所示。在主动确认机制中，当日标节点收到一个发给它的有效数 据帧( d a t a ) 时，必须向源节点发送一个应答帧( a c k ) ，确认数据已被 正确接收到。 l p 啜li ，l 7 i r t s 1d a t a 、 盯靠d 幽百 c o n t e n t i o n i 盯 ，硒嘤聊 p i 碴l m 1 s n a v ( c r s ) 一1 d a t a j ： 图2 48 0 2 1 i m a c 协议的应答与预留机制 p o w e ra w a r em e d i u ma c c e s sp r o t o c o la n ds i g n a l i n g ( p a m a s ) 5 j p a m a s 是一个基于c s m a 的协议，不发生通信的节点关闭自己的无 线射频以节省能量。这个方法需要节点为控制和数据使用两个不同信道。 握手过程使用控制信道，正常的传输使用数据信道。使用两种信道可以最 小化冲突的潜在可能性。只有当节点的邻居并不接收或发送时，节点才侦 听数据信道并回复连接请求。没能建立一个连接的发送者进入睡眠模式并 稍后重试节点在睡眠模式的持续时间基于在接近的节点间控制信道上特 殊探测信息的交换然而协议需要节点为传输侦听信道，并不能完全消除 冲突。另外，协议要求节点有两个分离的信道( 控制和数据) ，要求每个节 点有两个无线电增加了传感器设计的成本、大小和复杂度。 s i f t 协议i l s i f t 协议是针对基于事件驱动的传感器网络提出的基于竞争的m a c 协议。它充分考虑了通常传感器网络的以下三个特性：1 ) 传感器网络的 空间相关性和时间相关性；2 ) 不是所有节点都需要报告事件；3 ) 感知事 件的节点密度随时阆变化 ； - s i f tm a c 协议充分利用传感器节点的空间和时问相关性，对于同一个 事件，需要部分节点发送消息；同时考虑可扩展性。以适应发送竞争节点 数目的变化s i f t 协议的设计目标是；当共享无线信道的n 个传感器节点 同时监测到同一事件时，希望r 个节点能够在最小时间内无冲突成功发送 重庆邮电大学硕士论文第二章无线传感器网络及其节能m a c 协议 出事件监测消息，抑制剩余( n r ) 个节点的消息发送 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；如果在第一个时槽内，节点本身不发送消 息，也没有其他节点发送消息，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槽发送数据的概率；如果节点没有选择第二 个时槽，而且在第二个时槽上还没有其他节点发送消息，节点再减少假想 的竞争发送节点数目，进一步增加选择第三个时槽发送数据的概率，依次 类推一。该m a c 协议命名为“s i f t ”的含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( s i f t ) 出来。 s i f t 协议是一个新颖而简单的不同于传统的基于窗口的m a c 协议， 但对接收节点的空闲状态考虑较少，需要节点问保持时钟同步，因此适于 在传感器网络的局部区域内使用。在分簇网络中，簇内节点在区域上距离 比较近，多个节点往往容易同时检测到同一个事件，而且只需部分节点将 消息传输给簇首所以s i f t 协议比较适合在分簇网络中使用。为了事件的 及时传输，簇首可以一直处于侦听状态 d m a c 协议1 1 7 d m a c 是w s n 中基于数据聚集树的高效能量和低延迟的m a c 层协 议。在无线传感器网络中的主要业务是从传感器节点到接收节点构建一个 数据聚集树，d m a c 利用这一数据聚集树结构以实现高效能量利用率和 低的包传输延迟。d m a c 交错地调度在数据聚集树中的节点，使其进入 激活睡眠状态，这样形成连续的数据传输流，可以有效的降低传输延迟， 并且正在进行的数据传输和任何活动占空比的调整可以被通知到多跳路 径上的所有节点。 当每一个单一源节点业务速率比较低而中间节点的聚合速率高出基 本节点活动占空比可以处理的极限时，采用数据预测来解决这一问题。同 时来自不同父节点的节点间的干扰可能导致业务流被阻止，因为在多跳路 径上的节点可能不知干扰冲突发生了当一个节点由于干扰问题没有把包 发往它的父节点时，m t s ( m o r e t o s e n d ) 包可以命令在多跳路径上的节 点保持激活状态 仿真结果表明在采用了数据聚集树结构后，d m a c 在能量节省和低 延迟方面都取得了不错的效果，但在一些需要在任意节点之间进行数据交 换的应用中，d m a c 并不适合，并且d - m a c 需要严格的时间同步，当时 钟发生偏移有可能造成通信的中断 重庆邮电大学硕士论文，第二章无线传感器网络及其节能m a c 协议 2 4 2 无冲突的m a c 层协议 t r a m a 协议l ”1 负载自适应介质访问( 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 ) 协议将 时问划分为连续时槽，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布式选举 机制确定每个时槽的无冲突发送者。同时，通过避免把时槽分配给无负载 的节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节省能量的目的。 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 e h e d u l ee x c h a n g ep r o t o c 0 1 ) 和自适应时槽选择算法a e a ( a d a p t i v e e l e c t i o na l g o r i t h m ) 在t r e n e r g y 0 0 ) if ( h d rc m n ( p ) 一 p t y p e 一= = p t s m a c h d r s m a c ( p ) - t y p e ! = 4 ) i n ti 2 ，j 2 ： i 2 = h d r s m a c ( p ) 一 d s t a d d r ： j 2 = h d r s m a c ( p ) 一