（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络mac与网络编码联合设计.pdf

摘要 无线传感器网络的资源很有限，却集成了监测、控制以及无线通信等多种功 能。因此，无线传感器网络资源的节省显得尤为重要。m a c 协议处于无线传感器 网络协议的底层部分，对无线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。网络编码允许中继节点先对数据进行编码出 来，再将编码的数据发送给后续节点，目的节点能够解码并恢复原始的数据。网 络编码理论的提出，为提高网络性能、节省网络资源提供了新思路。本文所做的 具体工作如下： 本文首先通过分析传感器网络中m a c 层的作用，阐述了进行m a c 协议研究 的意义和必要性。对无线传感器网络中的m a c 协议进行了分类分析，重点讨论了 基于竞争的m a c 协议。系统介绍了网络编码技术的原理，对应用了网络编码技术 的网络模型进行分析，分析结果表明网络编码技术，能很有效地提高系统性能。 然后利用无线传感器节点，架设了实际的基于网络编码的实验平台，并与传 统的中继网络进行性能对比，证明了网络编码在实际无线传感器网络中应用的可 行性。结果表明，网络编码能有效提高系统吞吐量，减少网络传输次数。 最后在网络编码技术的基础上，综合s m a c 协议和网络编码技术，以s m a c 协议为主体，提出了一种基于网络编码的跨层联合设计方案n c m a c ，以达到进 一步节省能量的目的。从理论上分析了n c m a c 协议的性能，并与s m a c 协议 进行比较。得出结论：n c m a c 协议较s - m a c 协议更能节省能量和减少延迟。 关键词：无线传感器网络m a c 协议网络编码吞吐量延迟能量消耗 a b s t r a c t t h er e s o u r c e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) a r el i m i t e d ，b u tm a n yf u n c t i o n s s u c ha sm o n i t o r i n g ，c o n t r o l l i n ga n dc o m m u n i c a t i n ga l ei n t e g r a t e di nt h en e t w o r k s oi ti s s i g n i f i c a n t l yi m p o r t a n tt os a v et h er e s o u r c e so 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 l w h i c hi si nt h eb o t t o mo fw s n p r o t o c o ls t a c kh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo f w s n s om a cp r o t o c o li so n eo fk e yp r o t o c o l so fw s n i nn e t w o r kc o d i n g ，t h e i n t e r m e d i a t en o d e sp e r f o r mt h ec o d i n gm a n i p u l a t i o n so nr e c e i v e dp a c k e t sa n ds e n dt h e c o d e dp a c k e t st on e x th o p s ，t h ed e s t i n a t i o nn o d e sc a nd e c o d ea n dr e c o v e rt h eo r i g i n a l p a c k e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kc o d i n g ，t h e r ea r en e ww a y st oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f n e t w o r ka n dt os a v et h er e s o u r c e s f i r s t l y , t h ef u n c t i o no ft h em a cp r o t o c o la n dt h es i g n i f i c a n to ft h er e s e a r c ho f m a cp r o t o c o l sa r es h o w e di nt h ep a p e r a n dt h em a cp r o t o c o l si nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sa r ea n a l y z e di nt h ep a p e r t h ec o n t e n t i o n - b a s e d p r o t o c o l sa r em a i n l y d i s c u s s e di nt h ep a p e r n e t w o r kc o d i n gt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d t od e e pa n a l y s i st h e n e t w o r km o d e lo nt h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r kc o d i n gt e c h n i q u e s t h er e s u l t ss h o wt h a t n e t w o r kc o d i n gi sm o r ee f f i c i e n tt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e s e c o n d l y , u s i n gw i r e l e s ss e n s o rn o d e s ，t h ea u t h o rb u i l d st h er e a ld i s p l a yp l a t f o r m o fw i r e l e s sn e t w o r k 诵mt h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r kc o d i n g ，c o m p a r e d 埘t ht h ef u n c t i o n o ft r a d i t i o n a lr e l a yn e t w o r k , n e t w o r kc o d i n gp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo fb e i n gu s e di nt h e r e a lw i r e l e s sn e t w o r k t h er e s u l t ss h o wt h a tn e t w o r kc o d i n gc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h e s y s t e mt h r o u g h p u ta n dr e d u c et h en u m b e ro fn e t w o r k w a n s m i s s i o n f i n a l l y , c o m p r e h e n s i v es - m a cp r o t o c o la n dn e t w o r kc o d i n gt e c h n i q u e s ，、) l r i t l l s - m a c p r o t o c o la st h em a i n , a n di no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo ff u r t h e rs a v i n g so f e n e r g y , t h ec r o s s l a y e rd e s i g np r o t o c o ln c - m a cb a s e do nn e t w o r kc o d i n gt e c h n i q u e si s p r o p o s e da n dd e s c r i b e d t h e ni ta n a l y s e st h en c - m a cp r o t o c o l sp e r f o r m a n c ei nt h e o r y , a n dc o m p a r e si t 、 ，i ms - m a cp r o t o c 0 1 a n dt h e r ei sac o n c l u s i o nt h a tt h en c - m a c p r o t o c o lp e r f o r m sb e t t e rt h a ns - m a cp r o t o c o li ns a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gd e l a y 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 ( w s n ) m a cp r o t o c o l n e t w o r kc o d i n g t h r o u g h p u td e l a ye n e r g yc o n s u m e 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的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中所 罗列的内容以外，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 西安电子科技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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 墨芏 日期： 兰竺：三：! 三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发 表论文和使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论 文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采 用影印、缩印或其它复印手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题 再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵循此规定) 文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵循此规定) 本人签名： 导师签名： 日期 2 矿肜；z 杏欹 日期 m 移l3 文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 无线传感器网络i l 捌是由大量的传感器节点组成，节点间协作感知、采集和处 理网络覆盖区域中所感知对象的信息。无线传感器网络是资源受限的网络，节点 的电源能量，通信能力，存储和计算能力都很有限，在设计无线传感器网络协议 的时候，能量是必须考虑的首要问题。 无线传感器网络中的研究热点很多，媒体访问控$ 1 ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ， m a c ) 协议就是其中一个。m a c 子层是数据链路层的一部分，位于物理层之上， 网络层之下。主要功能是控制共享信道的接入。信道接入技术是用于建立可靠的 点到点、点到多点或多点共享的可靠通信链路技术。无线、多跳、自组织的传感 器网络的m a c 层主要要解决两个问题：第一，必须建立网络的基础结构，即建立 节点间的通信连接，完成网络自组织的功能；第二是共享通信资源，完成对媒质的 公平接入，解决节点间的冲突问题。无线传感器网络协议研究中节能的主要目的 使得传统的无线m a c 层协议无法适用，因此给传感器网络的m a c 层研究提出了 挑战，m a c 层协议也成为研究的热点。 无线传感器节点采用电池供电，电池能量非常有限，因为节点数目多，并且 布置区域可能人不可到达，给更换电池造成困难甚至是不可能的，又因为节点成 本低，更换电池也是没有必要的1 3 。然而节点的能量有限，却要维持很长的网络生 存时间，因此尽可能地节约无线传感器网络能量成为无线传感器网络软硬件设计 中的核心问题。所以我们可以在对其它性能要求不高的情况下，来尽可能的使用 节能策略。例如在一些应用中实时性并不重要，如环境监测，用户不需要实时地 处理数据，延迟一段时间也无所谓，但是要尽可能的延长网络的生命周期，因为 节点可能布置在人迹罕的地方，添加或者更换新的节点不易。因此对低能耗m a c 协议的研究是无线传感器网络研究中的一个重要课题。 网络编码技术 4 1 的产生，改变了传统的存储转发的传输方式，为设计新的无线 网络协议提供了新的方法。由于传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电 能，传输1 比特信息1 0 0 m 距离需要的能量大约相当于执行3 0 0 0 条计算指令消耗 的能量，因此，在实时性要求不高的应用中，采用网络编码，先对信息进行计算 后再发送，减少链路上传输的数据量，就能有效节省能量。随着微电子技术的发 展，传感器节点的处理能力加强，计算消耗的能量降低。网络编码技术在无线传 感器网络中能得到应用。随机的网络编码方案，将网络编码方案拓展到无线网络 2 无线传感器网络m a c 与网络编码联合设计 环境。 1 2 研究意义 网络编码理论是网络通信研究领域中一项重要突破，自从首次提出以来，网 络编码已迅速发展成一个重要的研究范畴，并对信息论、编码、通信网络、网络 交换理论，无线通信、计算器科学、密码学、运筹学、矩阵理论等领域带来影响 深远。网络编码是现今世界各地一流大学及工业实验室最热门研究领域之一，亦 是许多国际研讨会的热门议题。 网络编码理论对无线传感器网络领域的研究也有重大意义。传感器网络的特 征决定了传感器网络设计的首要目标是能源的高效利用。传感器节点的体积微小， 通常携带能量十分有限的电池，但数量多、分布广，而且部署的地区环境复杂， 有些区域甚至人员不能到达，所以通过更换电池的方法来补充能源是不现实的， 因此高效使用能量来最大化网络生命周期的意义十分重大。使用网络编码能实现 能量的有效利用。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很 低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。网络编码是利用节点的计算资源和存 储资源，其能量消耗与传送数据相比要少很多。如果使用m i c a d o t 节点，发送一个 比特数据的能耗可以用来执行大约8 0 0 条指令。因此用节点的处理代价来换取能 量的节省是很好的选择。网络编码能提高节点能量利用的有效性，最大化网络的 生命周期。此外，网络编码还能提高网络多播的容量，节省带宽资源，改善网络 链路的负载平衡。在已有的无线传感器网络中，信息的传输很多是通过多播或者 广播方式，因此网络编码在该领域有很多应用的空间。 1 3 论文主要工作及章节安排 本文研究内容隶属于国家8 6 3 计划“多播网络传输中的网络编码技术研究 ( 2 0 0 7 a a 0 1 2 2 1 5 ) 下的基于网络编码的多播网络通信系统的新型协议研究和基于网 络编码多播网络通信系统的仿真演示平台部分。文中主要研究了目前国内外已经 提出的经典无线传感器m a c 协议和网络编码技术；利用无线传感器节点架设用于 实际的网络编码实验平台，将网络编码用于实际的无线传感器网络，并与传统的 中继网络进行性能对比，证明了网络编码在实际无线传感器网络中应用的可行性； 提出了更加节能的m a c 协议和网络编码技术联合设计的新方案，为进一步研究网 络编码技术提供了必要的支撑。 第一章首先介绍了本文的研究背景和研究意义，以及论文的主要工作。无线 传感器网络的体系结构、特征，以及它的应用，然后介绍了无线传感器网络的研 第一章绪论 究进展，最后介绍了网络编码理论的提出及其发展和待解决的问题。 第二章介绍了无线传感器网络的体系结构、特征，以及它的应用，然后介绍 了无线传感器网络m a c 协议，根据m a c 协议处理信道冲突的不同方法，主要介 绍了基于竞争的随机访问m a c 协议，并给出了几种m a c 协议性能的比较和总结。 并系统介绍了网络编码技术的理论基础、基本原理及其优缺点。 第三章利用无线传感器节点，架设了实际的基于网络编码的实验平台，并与 传统的中继网络进行性能对比，证明了网络编码在实际无线网络应用中的可行性。 结果表明，网络编码能有效提高系统吞吐量，减少网络传输次数。 第四章在网络编码技术的基础上，综合s m a c 协议和网络编码技术，以 s m a c 协议为主体，提出了一种基于网络编码的跨层联合设计方案n c m a c ，以 达到进一步节省能量的目的。从理论上分析了n c m a c 协议的性能，并与s m a c 协议进行比较。得出结论：n c m a c 协议较s m a c 协议更能节省能量和减少延迟。 第五章对整个论文的工作做出了总结，并且对后续的工作做了简要的描述 第二章背景知识介绍 第二章背景知识介绍 2 1 无线传感器网络 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 ) 【1 j 是由部署在检测区域内的 大量廉价微型传感节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络 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，发送 给观察者。传感器、感知对象和观察着构成了传感器网络的三要素。传感器网络 结构如图2 1 所示： 图2 1 无线传感器网络体系结构 2 1 1 无线传感器网络的特点 传感器节点 ( 1 ) 传感器网络是大规模网络【2 】。一方面传感器节点分布在很大的地理区域内， 需要部署大量的传感器节点，为了获取精确信息，传感器节点数量可能达到成千 上万，甚至更多；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空 间内，密集部署了大量的传感器节点。 ( 2 ) 传感器网络是自组织网络。在传感器网络应用中，传感器节点通常被放置 在没有基础结构的地方，节点的位置没有预先精确设定，节点之间的相互邻居关 系预先也不知道，这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置 和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系 统。在传感器网络使用过程中，网络中的节点个数可能动态地增加或减少，从而 使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络 拓扑结构的动态变化。 ( 3 ) 传感器网络具有动态的系统可重构性。传感器网络的拓扑结构可能因为下 列因素而改变：1 环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；2 环 6 无线传感器网络m a c 与网络编码联合设计 境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；3 传感器网络的传 感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；4 新节点的加入。这就要 求传感器网络系统要能够适应这种变化。 ( 4 ) 传感器网络必须是可靠的网络。传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人 类不宜到达的区域，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密 性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此， 传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。 ( 5 ) 传感器网络是与应用相关的网络。传感器网络用来感知客观物理世界，获 取物理世界的信息量。客观物理世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感 器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。 不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必 然会有很大的差别。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网 络设计不同于传统网络的显著特征。 ( 6 ) 传感器网络是任务型的网络，以数据为中心的网络。脱离传感器谈论传感 器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点标识是否需 要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，节点编号与 节点位置没有必然关系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件 通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件信息后汇 报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的 习惯，所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。 2 1 2 无线传感器网络节点的限制 无线传感器网络节点在实现各种网络协议和应用时，存在以下一些现实约束 【2 】： ( 1 ) 传感器节点的电源能量有限。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有 限的电池。传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信 模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部 分能量消耗在无线通信模块上。 ( 2 ) 通信能力有限。无线通信的能量消耗随着通信距离的增加，能耗将急剧增 加，因此，在满足通信连通度的前提下，应尽量减少单跳通信距离。考虑到传感 器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。 ( 3 ) 计算和存储能力有限。传感器节点是一种微型嵌入式设备，它价格低、功 耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。 第二章背景知识介绍 7 2 1 - 3 无线传感器网络协议栈结构 随着对传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈 【3 】，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，和互联网协 议栈的五层协议相对应。此外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任 务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作， 在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平 台的功能如下： 物理层提供简单但健壮的新号调制和无线收发技术；数据链路层负责数据成 帧、帧检测、媒体访问和差错控制；网络层主要负责路由生成和路由选择；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 基于监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 台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。 2 2 无线传感器网络m a c 层协议 2 2 1 影响m a c 协议性能的主要因素 在无线传感器网络中，媒体访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议决定 无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有效地无线通信资源，用来构建无 线传感器网络系统的底层基础结构。m a c 协议处于无线传感器网络协议的底层部 分，对无线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l z 5 j 。 传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比 较弱，而无线传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部 范围需要m a c 协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选 择通信路径。在设计无线传感器网络的m a c 协议时，需要着重考虑以下几个方面： ( 1 ) 节省能量。无线传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量， 而且电池能量通常难以进行补充，为了长时间保证无线传感器网络的有效工作， m a c 协议在满足应用要求的前提下，应尽量节省使用节点的能量。 ( 2 ) 可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在无线传感器网络生存 过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线 传感器网络的拓扑结构具有动态性。m a c 协议也应该具有可扩展性，以适应这种 8 无线传感器网络m a c 与网络编码联合设计 动态变化的拓扑结构。 ( 3 ) 网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利 用率等。 在上述的三个方面中，普遍认为重要性依次递减。由于现在传感器节点的能 量供应问题没有得到很好解决，传感器节点本身不能自动补充能量或能量补充不 足，节约能量成为无线传感器网络m a c 协议设计首要考虑的因素。在传统网络中， 节点能够连续地获得能量供应，如在办公室有稳定的电网供电，或者可以间断但 及时地补充能量，如笔记本电脑和手机等；整个网络的拓扑结构相对稳定，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 c 协议重点考虑节点使用 带宽的公平性，提高带宽的利用率以及增加网络的实时性。由此可见，无线传感 器网络的m a c 协议与传统网络的m a c 协议所注重的因素正好反序，这意味着传 统网络的m a c 协议不适用于无线传感器网络，需要研究和提出新的适用于无线传 感器网络的m a c 协议。 2 2 2 影响能耗的主要因素 在无线传感器网络中，人们经过大量实验和理论分析，总结出可能造成网络 能量浪费的主要原因包括如下几方面： ( 1 ) 如果m a c 协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的过 程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞。这就需要重传发送的数据， 从而消耗节点更多的能量。 ( 2 ) 节点接收并处理不必要的数据。这种串音( o v e r h e a t i n g ) 现象造成节点的 无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。 ( 3 ) 节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听( i d l el i s t e n i n g ) ， 以便接收可能传输给自己的数据。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浪费。 ( 4 ) 在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网络 能量。 传感器节点无线通信模块的状态包括发送状态、接收状态、侦听状态和睡眠 状态等。单位时间内消耗的能量按照上述顺序依次减少：无线通信模块在发送状 态消耗能量最多，在睡眠状态消耗能量最少，接收和侦听状态下的能量消耗稍小 于发送状态。基于上述原因，无线传感器网络m a c 协议为了减少能量的消耗，通 常采用“侦听睡眠 交替的无线信道使用策略。当有数据收发时，节点就开启无 线通信模块进行发送或侦听；如果没有数据需要收发，节点就控制无线通信模块 进入睡眠状态，从而减少空闲侦听造成的能量消耗。为了使节点在无线模块睡眠 第二章背景知识介绍 9 时不错过发送给它的数据，或减少节点的过度侦听，邻居节点间需要协调侦听和 睡眠的周期，同时睡眠或唤醒。如果采用基于竞争方式的m a c 协议，就要考虑尽 量减少发送数据碰撞的概率，根据信道使用的信息调整发送的时机。当然，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。 2 3 基于竞争的m a c 协议 目前针对不同的无线传感器网络应用，研究人员从不同方面提出了多个m a c 协议，但对无线传感器网络m a c 协议还缺乏一个统一的分类方式。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。本论 文采用第三种分类方法，将无线传感器网络的m a c 协议分为三类： ( 1 ) 采用无线信道的时分复用( 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的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰； ( 2 ) 采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送时随机使用无线信道，重 点考虑尽量减少节点间的干扰； ( 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 协议分类，主要介绍目前已提出的基于竞 争的无线传感器网络m a c 协议，在说明基本原理的基础上，分析协议在节约能量、 可扩展性和网络效率等方面的性能。 基于竞争的随机访问m a c 协议采用按需使用信道的方式，它的基本思想是当 节点需要发送数据时，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，直到数据发送成功或放弃发送。下面介绍近期提出的 几种基于竞争的无线传感器网络m a c 协议。 2 3 1i e e e8 0 2 11m a c 层协议 i e e e8 0 2 1 1m a c 协议1 6 j 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。由于在无线通信中难以 检测到信号的碰撞，因而只能采用随机退避的方式来减少数据碰撞的概率。在d c f 工作方式下，节点在侦听到无线信道忙之后，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，所有定向通信都采用立即的主动确认( a c k 帧) 机制；如果没有收到a c k 帧，则发送方会重传数据。 p c f 工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的控制方式。它通过 1 0 无线传感器网络m a c 与网络编码联合设计 访问接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 协调节点的数据收发，通过轮询方式查询当前哪 些节点有数据发送的请求，并在必要时给予数据发送权。 在d c f - l - 作方式下，载波侦听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。物理载波侦听由物理层提供，而虚拟载波侦听由m a c 层提供。 如图2 2 所示，节点a 希望向节点b 发送数据，节点c 在a 的无线通信范围内， 节点d 在节点b 的无线通信范围内，但不在节点a 的无线通信范围内。节点a 首 先向节点b 发送一个请求帧( r e q u e s t - t o s e n d ，r t s ) ，节点b 返回一个清除帧 ( c l e a r - t o s e n d ，c t s ) 进行应答。在这两个帧中都有一个字段表示这次数据交换 需要的时间长度，称为网络分配矢量( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ，n a v ) ，其他帧的 m a c 头也会捎带这一信息。节点c 和d 在侦听到这个信息后，就不再发送任何数 据，直到这次数据交换完成为止。n a v 可看作一个计数器，以均匀速率递减计数 到零。当计数器为零时，虚拟载波侦听指示信道为空闲状态；否则，指示信道为 忙状态。 彳 回一 二二j 堕二 曰 i 回回 f e 二主二二二丑二二二= 二f 二：二二二丑二二二= i 刀 二二二二玉匠二二二二 图2 2c s m a c a 中的虚拟载波侦听 i e e e8 0 2 1 lm a c 协议规定了三种基本帧间间隔( i n t e r f r a m es p a c i n g ，i f s ) ， 用来提供无线信道的优先级。三种帧间间隔分别为： ( 1 ) s i f s ( s h o r ti f s ) ：最短帧间间隔。使用s i f s 的帧优先级最高，用于需要立 即响应，如a c k 帧、c t s 帧和控制帧等。 ( 2 ) p i f s ( p c fi f s ) ：p c f 方式下节点使用的帧间间隔，用以获得在无竞争访问 周期启动时访问信道的优先权。 ( 3 ) d i f s ( d c fi f s ) ：d c f 方式下节点使用的帧间间隔，用以发送数据帧和管理 帧。 上述各帧间间隔满足关系：d i f s p i f s s i f s 。 根据c s m a c a 协议，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，而且经过一个帧间间隔时间d i f s 后，信道仍然空闲，则站点立即 开始发送信息。如果信道忙，则站点一直侦听信道的空闲时间超过d i f s 。当信道 最终空闲下来时，节点进一步使用二进制退避算法( b i n a r yb a k c o f fa l g o r i t h m ) ，进 入退避状态来避免发生碰撞。图2 3 描述c s m a c a 的基本访问机制。 第二章背景知识介绍 d i f s 当信道空闲时间大 竞争窗口 于d i f s 时使用信道 p i f s l d i f s 店道忙 s i f s l ，一口 ， 1 1 7 t 一 一l 下一帧 一 + j 推迟发送 时间槽 图2 3c s m a c a 的基本访问机制 随机退避时间按下面公式计算： 退避时间- - r a n d o m o x a s l o t t i m e 其中，r a n d o m 0 是在竞争窗口【0 ，c m 内均匀分布的伪随机指数；c w 是指数随机 数，其值处于标准规定的a c w m i n 和a c w m a ) ( 之间；a s l o t t i m e 是一个时槽时间， 包括发射启动时间、媒体传播时延、检测信道的响应时间等。 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。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，利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优 胜者，如图2 4 所示。 一od i f s | ；! | ；| 1 节点彳帧l 臣圃! ； | i 节 ： 眇睦卫囤! |! 节 ；| | i 推ii 广1 节触：巨田| 刮竺i 囤 ：i 【 堰惩时同口稠余退蠢时同 图2 48 0 2 1 1m a c 协议的退避机制 i e e e8 0 2 1 1m 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 5 所示。在主动确认机制中，当目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。为了保证 目标节点在发送a c k 过程中不与其他节点发生冲突，目标节点使用s i f s 帧间隔。 主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧，不能用于组播报文和广播报文传输。 1 2 无线传感器网络m a c 与网络编码联合设计 d i f s i r t s d a t a 露站点 s i ps i i 一一 一lc t s c k 目的站点d i f s竞争窗口 下一帧 n a v ( s t s ) ，? f 一 i n a v ( r t s ) 喜他站点 图2 58 0 2 11m a c 协议的应答与预留机制 为减少节点间使用共享无线信道的碰撞概率，预留机制要求源节点和目标节 点在发送数据帧之前交换简短的控制帧，即发送请求帧r t s 和清除帧c t s 。从r t s ( 或c t s ) 帧开始到a c k 帧结束的这段时间，信道将一直被这次数据交换过程占 用。r t s 帧和c t s 帧中包含有关于这段时间长度的信息。每个站点维护一个定时 器，记录网络分配矢量n a v ，指示信道被占用的剩余时间。一旦收到r t s 帧或 c t s 帧，所有节点都必须更新它们的n a v 值。只有在n a v 减至零，节点才可能 发送信息。通过此种方式，r t s 帧和c t s 帧为节点的时间传输预留了无线信道。 2 3 2s m a c 协议 s m a c ( s e n s o rm a c ) 协议【刀是在8 0 2 1 1m a c 协议基础上，针对无线传感器 网络的节省能量需求而提出的无线传感器网络m a c 协议。s m a c 协议假设通常 情况下无线传感器网络的数据传输量少，节点协作完成共同的任务，网络内部能 够进行数据处理和融合以减少数据通信量，网络能够容忍一定程度的通信时延。 它的主要涉及目标是提供良好的扩展性，减少节点能量的消耗。 针对碰撞重传，串音，空闲侦听和控制消息等可能造成无线传感器网络消耗 更多能量的主要因素，s - m a c 协议采用以下机制：周期性侦听睡眠的占空比工作 方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能量的消耗；邻居节点通过协商 的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少节点的空闲侦听时间；通过流量自适应 的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟；采用带内信令来减少重传和避免侦 听不必要的数据；通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的 传递延迟。下面详细描述s - m a c 协议采用的主要机制。 1 周期性侦听和睡眠 为了减少能量消耗，节点要尽量处于低功耗的睡眠状态。每个节点独立地调 度它的工作状态，如图2 6 所示，周期性地转入睡眠状态，在苏醒后侦听信道状态， 判断是否需要发送或接收数据。为了便于相互通信，相邻节点之间应该尽量维持 第二章背景知识介绍 睡眠侦听调度周期的同步。 广广1 广1 1 l 同步i 活动 i 睡眠 l 同步i 活动 i 睡眠 图2 6s m a c 协议的基本机制 每个节点用s y n c 消息通告自己的调度信息，同时维护一个调度表，保存所 有相邻节点的调度信息。当节点启动工作时，首先侦听一段固定长度的时间，如 果在这段侦听时间内收到其它节点的调度信息，则将它的调度周期设为与邻居节 点相同，并在等待一段随机时间后广播它的调度信息。当节点收到多个邻居节点 的不同调度信息时，可以选择第一个收到的调度信息，并记录收到的所有调度信 息。如果节点在这段侦听时间内没有收到其它节点的调度信息，贝l j 产生自己的调 度周期并广播。在节点产生和通告自己的调度后，如果收到邻居的不同调度，分 两种情况：如果没有收到过与自己调度相同的其它邻居的通告，则采用邻居的调 度而丢弃自己生成的调度：如果节点已经收到过与自己调度相同的其它邻居的通 告，在调度表中记录该调度信息，以便能够与非同步的相邻节点进行通信。 这样，具有相同调度的节点形成一个虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。 在部署区域广阔的无线传感器网络中，能够形成众多不同的虚拟簇，可使得s - m a c 具有良好的扩展性。为了适应新加入节点，每个节点都要定期广播自己的调度， 使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。如果一个节点同时收到两种不同 的调度，如图2 7 中处于两个不同调度区域重合部分的节点，那么这个节点可以选 择先收到的调度，并记录另一个调度信息。 o 调度 o o 调度2 图2 7s - m a c 协议的虚拟簇 2 流量自适应侦听机制 无线传感器网络往往采用多跳通信，而节点的周期性睡眠会导致通信延迟的 累加。在s - m a c 协议中，采用了流量自适应侦听机制，减少通信延迟的累加效应。 它的基本思想是在一次通信过程中，通信节点的邻居节点在通信结束后不立即进 入睡眠状态，而是保持侦听一段时间。如果节点在这段时间内接到r t s 分组，则 可以立即接收数据，无须等到下一次调度侦听周期，从而减少了数据分组的传输 1 4 无线传感器网络m a c 与网络编码联合设计 延迟。如果在这段时间内没有收到r t s 分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦 听周期。 3 串音避免 为了减少碰撞和避免串音，s m a c 协议采用与8 0 2 1 lm a c 协议类似的虚拟 和物理载波侦听机制，以及r t s c t s 的通告机制。两者的区别在于当邻居节点处 于通信过程中，s m a c 协议的节点进入睡眠状态。 每个节点在传输数据时，都要经历r t s c t s d a t a a c k 的通信过程( 广播包 除外) 。在传输的每个分组中，都有一个域值表示剩余通信过程需要持续的时间长 度。源和目的节点的邻居节点在侦听期间侦听到分组时，记录这个时间长度值， 同时进入睡眠状态。通信过程记录的剩余时间会随着时间不断减少。当剩余时间 减少至零的时候，若节点仍处于侦听周期，就会被唤醒；否则，节点处于睡眠状 态直到下一个调度的侦听周期。每个节点在发送数据时，都要先进行载波侦听。 只有虚拟或物理载波侦听表示无线信道空闲时，才可以竞争通信过程。 4 消息传递 因为无线传感器网络内部数据处理需要完整的消息，所以s m a c 协议利用 r t s c t s 机制，一次预约发送整个长消息的时间；又因为无线传感器网络的无线 信道误码率高，s m a c 协议将一个长消息分割成几个短消息在预约的时间内突发 传送。为了能让邻居节点及时获取通信过程剩余时间， 每个分组都带有剩余时间域。为了可靠传输以及通告邻居节点正在进行的通 信过程，目的节点对每个短消息都要发送一个应答消息。如果发送节点没有收到 应答消息，则立即重传该短消息。 l厂 匝圃田 马 固匝 回田 图2 8s - m a cv s i e e e8 0 2 1 l 协议的突发分组传送 相对i e e e8 0 2 11m a c 的消息传递机制，s - m a c 协议不同之处如图2 8 所示。 图中s - m a c 的r t s c t s 控制消息和数据消息携带的时间是整个长消息传输的剩 余时间。其它节点只要接收到一个消息，就能够知道整个长消息的剩余时间，然 第二章背景知识介绍 后进入睡眠状态直至长消息发送完成。i e e e8 0 2 1 1m a c 协议考虑网络的公平性， r t s c t s 只能预约下一个发送短消息的时间，其它节点在每个短消息发送完成后 都不须醒来进入侦听状态。只要发送方没有收到某个短消息的应答，连接就会断 开，其它节点便可以开始竞争信道。 4 s m a c 协议的缺点 ( 1 ) 由于是周期性的侦听和睡眠，一个节点在给邻居节点发送数据，只能等到 他从睡眠状态转换到侦听的状态才能发送，这样就形成分组的睡眠时延。即使引 入了自适应侦听技术，延时仍然很大。同时适应性侦听给非目的节点带来额外