（光学工程专业论文）无线传感网络mac协议及温室无线系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 无线传感器网络是一种以数据为中心的自组织无线网络。网络中节点密集， 并且部署在十分广泛的区域；网络拓扑结构动态变化，具有自组织和自调整的特 点。设计节点时，节点的能量效率是考虑的最为关键的因素之一，因此媒体访问 控制( m a c ) 协议在无线传感器网络中显得更加重要。传统的媒体接入控制协议并 不适合于无线传感器网络，对m a c 层进行研究，改进原有的m a c 协议，提出新的 媒体访问控制算法就显得极为必要。本论文在重庆市自然科学基金 ( n o 2 0 0 5 b b 2 1 9 8 ) 的资助下，深入研究了无线传感器网络媒体访问控制层协议的 关键技术。 本文首先从能量消耗、可扩展性、信道利用率等方面出发，论述无线传感网 络的媒体访问控制算法中面l 瞄的主要问题和造成能量消耗的主要原因。分析、比 较了现有的主要无线传感器网络的媒体访问控制协议算法。 论文对i e e e8 0 2 1 5 4 标准存在的两个问题：信标冲突及全网节点间的时间同 步问题进行了深入的分析研究。通过对网络设备发送数据这一过程进行分析，在 实际网络中主要存在传播延迟和处理延迟两个误差，在实际应用中，我们可以设 置一个补偿量来消除这些误差。本文借鉴了l m a c 协议的时隙管理思想，采用时 隙轮询算法来解决信杯冲突问题。该算法采用时隙复用的机制，相隔安全距离的 节点可以占用同一个时隙而不会引起信号冲突。采用信标轮询这种机制来解决时 间同步问题，该机制引入信标专用时段的概念，所有的协调者节点都在信标专用 时段发送信标帧，使得整个网络的节点在一个较为统一的时间内苏醒、睡眠。 i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 协议主要采用c s m a c a 通信机制，c s m c a 的最小 竞争窗口( c w m i n ) 对协议的性能有着重要的影响，适当的c w m i n 长度能够在提 高信道利用率的基础上降低发生碰撞的概率。本文提出了一种状态检测与竞争节 点个数的自适应优化机制a b m ( a d a p t i v eb a c k o f fm e c h a n i s m ) ，该机制能够根据 竞争节点个数和负载的变化自动对c w m i n 进行调整。同时笔者引入了信号流图模 型这种新的方法来对a b m 进行数学建模，通过仿真分析，结果显示算法的能量效 率比传统的c s m a c a 通信机制高出3 倍。 设计了一种基于z i g b e e 技术的温室无线传感网络系统。该系统由无线模块、 网关、监控中心、数据采集模块、数据提取模块、数据接收及发送模块组成。以 m i c a z 开发套件为硬件平台，用n e s c 语言在t i n y o s 环境下开发了无线模块程序， 用c 语言在w i n d o w s 平台下开发w i n d o w s 的客户端。实验表明，论文提出的温室 无线系统可以采用成熟的无线传感器网络节点给予实现，同时在实验中采用的节 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 点受空间限制小，能够提供更大的灵活性。 关键词：无线传感器网络，媒体访问控制，i e e e8 0 2 1 5 4 ，z i g b e e ，a b m ，温室 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i r e l e s ss f f f i s o rn e t w o r k s ( w s n ) i sak i n do fs e l f - o r g a n i z a t i o nw i r e l e s sn e t w o r k w h i c ht a k i n gt h ed a t a 硒c e n t e r t h en o d ei nn e t w o r ki si n t e n s i v e ，h u g eq u a n t i 够a n d c o v e r i n gal a r g ea r e a , a n dt h en e t w o r kt o p o l o g yi sd y n a m i c ，a n dt h en e t w o r kw a s s e l f - o r g a n i z a t i o na n ds e l f - m o d u l a t i o n t h ee n e r g ye f f i c i e n c yi so n eo f t h em o s td e c i s i v e f a c t o r so fd e s i g m n gn o d e t h em a cp r o t o c o lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nw s na n d t r a d i t i o n a lm a c p r o t o c o la r en o ts u i t a b l ef o rw s n t h e r e f o r er e s e a r c ha n di m p r o v e e x i s t e dm a cp r o t o c o l ，a d v a n c i n gn e wa l g o r i t h mo fm a ci se s s e n t i a l u n d e rt h e s u p p o r to ft h ef u n do ft h ec h o n g q i n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e e ( s u b j e c t n o 2 0 0 5 b b 2 1 9 8 ) ，t h ek e yt e c h n i q u eo nm a cp r o t o c o lf o rw s nh a ss t u d i e di nt h e t h e s i s f r o mt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n , n e t w o r kt o p o l o g ya n de f f i c i e n c y , t h ed i f f i c u l t yi n d e s i g n i n gm a cp r o t o c o la n dm a j o rs o u r c e so fe n e r g yw a s t ed e s c r i b e d t h er e e e r l t r e p r e s e n t a t i v em a cp r o t o c o l sa r ea l s od i s c u s s e da n dp r e s e n t e di nd e t a i l b e a c o nc o n f l i c ta n dt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m sw h i c he x i s ti ni e e e8 0 2 15 4 a r ea n a l y z e d b ya n a l y z i n gt h ep r o c e s so ft h a tan o d es e n d i n go rr e c e i v i n gp a c k e t ，w e c a l ls e em a tp r o p a g a t i o nd e l a ya n dp r o c e s s i n gd e l a ya r ep r i m a r ye r r o rw h i c hw ec a l ls e t ao f f s e tt oe l i m i n a t ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n 1 1 1 ei d e a rf r o ml m a cp r o t o c o lo f m a n a g i n gs l o t sa r eu s e dh e r e ，w h i c ha d o p t ss l o t ss c h e d u l i n ga l g o r i t h mt or e s o l v eb e a c o n c o n f l i c t 。t h i sa l g o r i t h mi m p o r tb e a c o n o n l yp e r i o dw h e na l lc o o d i n a t o rw o u l ds e n d t h e i rb e a c o nf r a m e , w h i c hm a k ea l ln o d e si nt h en e t w o r ks l e e pa n dw a k eu pa tt h es a m e t i m e i e e e2 1 5 4m a cu t i l i z e so a l t i e rs e n s em 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 a c a ) w h o s ep a r a m e t e rm i n i m u mc o n t e n t i o nw i n d o w ( c w m i n ) h a si n f l u e n c eo n t h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) p r o p e rc w m i nl e n g t hc a nr e d u c e p r o b a b i l i t yo f c o l l i s i o n t t i i sp a p e rp r o p o s e sa na d a p t i v eo p t i m i z a t i o nm e c h a n i s m a b m ( a d a p t i v eb a c k o f fm e c h a n i s m ) w h i c h i sb a s e do nt h ec o n d i t i o nd e t e c t i o n , t h eo f f e r e d l o a da n dt h ec o m p e t i n gs t a t i o nn u m b e r m o r e o v e r , an e wm a t h e m a t i cm e t h o d ， s i g n a l f l o wg r a p hm o d e li su s e dt om o d e l i n g 1 1 1 ee l a b o r a t en u m e r i c a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ee n e r g ye f f i c i e n c ym e c h a n i s mc o u l da c h i e v ei s3t i m e sh i g h e rt h a ns t a n d a r d c s m a c ai na l m o s ta l lt h ed i f f e r e n tc o m p e t i n gs t a t i o n sn u m b e r sa n do f f e r e dl o a d d e v e l o paw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks y s t e mw h i c hc o n s i s to fw i f e l e s sm o d u l e 、 重庆大学硕士学竹论文 英文摘要 g a t e w a y 、c o n t r o l l i n gc e n t e r 、d a t ae o l l e c t i o n gm o d u l e 、d a t ae x t r a c t m gm o d u l ea n d d a t a t r a n s f e rm o d u l eb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g yf o rg r e e n h o u s e m i c a zd e v e l o p m e n tk i t s a 托u s e da se x p e r i m e n tp l a t f o r m t h es o f t w a r eo nw i n d o w sp l a t f o r mi sd e v e l o p e di nc a n di nt i n y o s 。si sn e s c t h er e s u l to fe x p e r i m e n ti l l u s t r a t et h a tt h ea l g o r i t h mc a l lb e r e a l i z e db yw s nn o d e s ，w h i c ha l s oc a np r o v i d em o r ef l e x i b l ea n dm o b i l e 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 ，m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，i e e e8 0 2 15 4 ，z i g b e e ， a b m ，g r e e n h o u s e 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 中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞盔堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：等滋 签字日期：w 。 年吁月j 伯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、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。本人授权重鏖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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：半怨卫 签字日期：2 口d _ 1 年l 卜月l 妇 导师繇计剀f 导师签名： j 签字日期：矽年，月 日 重庆大学硕十学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 研究的背景和必要性 1 1 1 研究背景 2 0 世纪9 0 年代以来，随着无线通信、m e m s ( 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 ) 、嵌入式系统及分布式信息处理等技术的快速发展，兼有感知、计算和无线 网络通信能力的微型低功耗低成本传感器，以及由其构成的无线传感器网络( w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 代表了新一代传感器发展的新方向，成为当今研究的热点之 一。 在重庆市自然科学基金的项目“无线传感网络通信模式及数据融合算法研究” ( c s t c ，2 0 0 5 b b 2 1 9 8 ) 的资助下，本论文对无线传感器网络的理论基础展开研究。 本论文的研究目的是：对无线传感器网络的m a c 层协议进行深入的研究，提出相应 的策略来解决现有的m a c 协议存在的一些问题，重点放在减小网络中的信号冲突，提 高能量效率方面上。同时，对无线传感器网络系统应用在环境参数检测场合的可行性 进行验证，给出实验过程和数据，验证方案的可行性。 1 1 2 研究的必要性 无线传感器网络的研究采用系统发展模式，因而必须将现代的先进微电子技术、 微细加工技术、系统s o c 芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计 算机网络技术等融合，以实现其微型化、集成化、多功能化及系统化、网络化，特别 是实现无线传感器网络特有的超低功耗系统设计。 无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器节点， 这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。传感器、微 系统( m e m s ) 、集成电路、以及低功耗无线通信等技术的飞速发展，使得低成本、低 功耗、多功能的微型无线传感器网络的大规模应用成为可能，这些微型无线传感器是 集成的光机电一体化系统，具有无线通信、数据收集和处理、协同工作等功能。它们 共同组成了无线传感器网络，导致了一种全新的信息获取和处理模式，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。 无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、农业、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重要的科研价值和实 用价值，己经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入 2 0 0 0 年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响 力的技术之一。2 0 0 3 年2 月份的美国技术评论杂志评出对世界产生深远影响的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 十大新兴技术，无线传感器网络被列为第一，未来科学家预言无线传感器将引发新的 信息革命，一些专家认为无线传感器网络、仿生人体器官等是全球未来的四大高技术 产业，它们将掀起新的产业浪潮，这预示着未来到处是以电池为电源的无线传感器网 络，这些传感器可监控环境、机器甚至人类自己。 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从 b l u c t o o t h 出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已， 但是b l u c t o o t h 的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。i e e e 8 0 2 1 5 4 和z i g s c c 的出现又让这些制造商看到了希望。i e e e8 0 2 1 5 4 规范是一种经 济、高效、低数据速率、工作在2 4g h z 和8 6 8 9 2 8m h z 的无线传感器网络技术，用 于个人区域网和对等网状网络。它是z i g b c e 应用层和网络层协议的基础。z i g a e e 是 一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是 一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据 i e e e8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只 需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感 器，所以它们的通信效率非常高。 可见，研究无线传感器网络已经非常必要。重庆大学精密机械实验室从2 0 0 4 年 以来，依托重庆市自然科学基金项目“无线传感网络通信模式及数据融合算法研究”， 一直致力于无线传感器网络的基础理论和关键技术研究，目前在能量高效的无线传感 器网络协议方面，已取得初步的研究成果。 1 2 国内外研究现状 无线传感器网络的挑战性为研究人员提供了广阔的研究空问。虽然美国很早就开 始这方面的研究，但直到近几年，这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬勃开展起 来，美国政府也斥巨资支持这方面的研究。在2 0 0 3 年度的自然科学基金自主的专题 中，便有一个是传感器与传感器系统及网络，拨款额度达到三千四百万美元。美国国 防部在这方面的投入更为巨大。 美国的很多大学都已开展无线传感器网络的研究。加州大学伯克利分校 ( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ，b e r k e l e y ) 研制的传感器系统m i c a 、m i c a 2 、m i c a z 、t c l o s 己 被广泛地用于低能无线传感器网络的研究和开发，同时该院校所设计的t i n y o s 嵌入 式系统事实上已成为无线传感器节点的一种标准。麻省理工学院( m a s s a c h u s e t s i n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 致力于基础知识的信号处理技术。哈佛大学( h a r v a r du n i v e r s i t y ) 研究无线传感器网络中通讯的理论基础等。 另外，在欧洲，第一届“无线传感器网络论坛”，于2 0 0 4 年在德国首都柏林举行。 有1 2 0 名微电子、机械电子和信息传输方面的专家出席论坛。与会者主要讨论了一种 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 新型无线传感器网络系统的研制和使用问题。这种新型传感器只有豌豆大小，可用于 监护病人、战场侦察及灾难搜救等。这种传感器网络系统是欧盟近年来的一项重要科 研项目，由欧洲的几个著名科研机构如柏林工业大学、弗朗霍夫研究所以及费遮南一 布劳恩研究所共同研制。英国电机工程师协会( i n s t i t u t i o no fe l e c t r i c a le n g i n e e r s ，i e e ) 网络化传感器研讨会于2 0 0 5 年9 月7 日在英国的s a v o yp l a c e 举行，主办者是雷达声 纳与导航专业网络组织( t h er a d a r , s o n a r & n a v i g a t i o np r o f e s s i o n a ln e t w o r k ) 。会议的议 题包括：传感器的奇异应用、网络化传感器的架构、传感器的协调操作、收发分置与 多静态传感器技术等。在其它国家和地区，如欧洲、开本、澳大利亚也开展了不少关 于传感器及无线传感器网络的研究工作。 国内的一些科研单位和大学，如清华大学、中国科学院沈阳自动化所、哈尔滨工 业大学、重庆大学等已经初步开展了在无线传感器及无线传感器网络方面的研究工 作。从总体来讲，国内关于无线传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，但是由于 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。 1 3 无线传感器网络的特点 无线传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得无线 传感器网络存在很多新问题，提出了很多新的挑战。无线传感器网络的主要特点有： 无线传感器网络的节点数量大、密度高。由于无线传感器网络节点的微型化， 每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器 节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质 量。无线传感器网络的节点数量和密度都要比a dh o c 网络高几个数量级，可能达到 每平方米上百个节点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带 来一系列问题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工 作等。 无线传感器网络的节点有一定的故障率。由于无线传感器网络可能工作在恶 劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证 网络的正常工作，要求无线传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器 节点具有一定的故障率。 无线传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。由于 传感器节微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所 以传感器节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一，它直接 决定了网络的工作寿命。另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使其不能进 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 行复杂的计算，传统i n t e r n e t 网络上成熟的协议和算法对无线传感器网络而言开销太 大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。 无线传感器网络的拓扑结构变化很快。由于无线传感器网络自身的特点，传 感器节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故 障而失效，或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量，这些特点都使得无线 传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法( 如路由算法和链路质量控制协 议等) 的有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓 扑变化。 以数据为中，i ：, ( d a t ac e n t r i c ) 。在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某 个观测指标的值，而不会去关一t l , 具体某个节点的观测数据。这就是无线传感器网络的 以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数 据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织 起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。 无线传感器网络在军事领域的应用十分重要，军方可以通过飞机空投等方式在预 定区域散布大量微型廉价的传感器节点，通过这些传感器节点实时监测周围环境的变 化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发送回基地这样就可以方便地监控我军布 防的阵地是否有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐密的方式监控敌方 阵地和敌军活动情况。 虽然无线传感器网络最初主要应用于军事领域，但是随着技术的发展，传感嚣节 点的成本越来越低，而功能却日益强大，使得以前造价昂贵的无线传感器网络现在已 经能够进入民用领域。现在无线传感器网络已经在民用领域中得到了很多应用，越来 越多的可能的应用领域也不断展现在人们的面前，毫无疑问在无线传感器网络中隐藏 着巨大的商机，在民用方面的应用主要有：生态环境监测、基础设施安全、医疗健康、 工业自动化、智能交通控制等。 1 4 无线传感器网络的体系结构 无线传感网络典型的体系结构如图1 1 所示，它包括检测区域、传感器节点、一 个或多个被称为s i n k 的节点( 网关) 、通信方式。节点具有传感、信号处理和无线通 信功能，它们既是数据包的发起者，也是数掘包的转发者。通过网络自组织和多跳路 由，将数据向网关发送。网关可以使用多种方式与外部网络通信，如i n t e r n e t 、卫星 或移动通信网络等等，大规模的应用可能使用多个网关。节点的通信距离较短，只能 与自己通信范围内的邻居交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。 在无线传感器网络中。节点通过飞机布撤，人工布置等方式，大量部署在感知对 象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集 4 重庆大学硕士学付论文1 绪论 和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处 理和分析。这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数据传回s i n k 节点 ( 接收发送器) ，最后借助s i n k 链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集 中处理。一个典型的无线传感器网络的体系结构包括分布式传感器节点( 群) 、s i n k 节点、互联网和用户界面等。在无线传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范 围，而s i n k 节点的发射能力较强，具有较高的能量储备，可以把数据发回远程控制 节点。 蹬赭逛域伟娉灞节点 图1 1 无线传感网络典型的体系结构 f i 9 1 i t y p i c a l f r a m e w o r k o f w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k 1 4 1 无线传感器节点组成 无线传感器网络中的节点构成和具体的应用要求密切相关，针对不同的实际应 用，节点的设计也各不相同，但其基本单元可归纳为四个部分。传感器及模数转换器、 数据处理器及存储单元、收发信单元、电池及电源管理单元，如图1 2 所示。 事件进行检测的传感器可以是热、声纳、雷达、地震波等多种类型。检测的信号 经模数转换器送到处理器和存储单元，在这里完成简单的数据处理和存储工作，这些 数据再送至收发信单元，通过有线、无线、红外、光等方式传到其他节点。由于多数 节点采用电池供电，能量十分有限，因此节点中有专门的电池及电源管理单元。此外。 对于不同的应用。传感器节点中还可能包括定位单元、移动单元和电源产生单元等。 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ，。、1 k 。“穗蒯j ：宅ir 肇m ?：蠹荔西一i j ! 么筵俺辑威 。：电攮芦峰： ： 。 一一一一 - 。 。_ ，- - - 一。i 图1 2 传感器话点的硬件组成 f i g1 2h a r d w a r ef r a m e w o r ko f s e n s o rn o d e 1 4 2 无线传感器网络层次结构 物理层协议：物理层负责数据的调制、发送与接收。该层的设计将直接影响到电 路的复杂度和能耗。研究的目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点。 数据链路层协议：数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制以及无线信道的 使用控制，减少邻居节点广播引起的冲突。 路由层协议：路由层实现数据融合，负责路由生成和路由选择。 传输控制层协议：传输控制层负责数据流的传输控制，协作维护数据流，是保障 通信质量的重要部分。t c p 协议是i n t e m e t 上通用的传输层协议。但无线传感器网络 的资源受限、高错误率、拓扑结构动态变化的特点将严重影响t c p 协议的性能。 应用层协议：基于检测任务，在应用层上开发和使用不同的应用层软件。 无线传感器网络的应用支撑服务包括：时间同步和节点定位。其中；时间同步服 务为协同工作的节点，同步本地时钟；节点定位服务依靠有限的位置己知节点( 信标) ， 确定其他节点的位置，在系统中建立起一定的空间关系。 图1 3 中右侧部分不是独立的模块，它们的功能渗透到各层中，如能量、安全、 移动，在各层设计实现中都要考虑；而拓扑管理主要是为了节约能量，制定节点的休 眠策略，保持网络畅通；网络管理主要是实现在传感器网络环境下对各种资源的管理， 为上层应用服务的执行提供一个集成的网络环境；q o s 支持是指为用户提供高质量的 服务。通信协议中的各层都需要提供q o s 支持。 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 团 圆圈 图1 3 无线传感器网络的协议层次结构 f i g1 3t h eh i e r a r c h yo f w s np r o t o c o l 1 5 主要工作 本论文的工作是围绕着无线传感器网络媒体访问控制算法这一关键网络协议进 行的，主要章节工作如下： 第二章阐述了无线传感器网络m a c 协议的分类，论述了己有的无线传感器网络 媒体访问控制算法，并对几种比较流行m a c 协议的性能进行的对比。 第三章较为全面的分析了i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准的关键技术，首先，给出了 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准的协议架构，m a c 层的结构和功能及其主要特点。之后， 介绍了z i g a e c 网络层( n w k ) 、详细描述了网络的建立和路由的实现。最后，提出几 点i e e e8 0 2 1 5 4m a c 存在的问题。 第四章对现有的i e e e8 0 2 1 5 , 4 2 0 0 3 存在信标冲突和同步问题进行了深入的分 析，提出了几种策略来解决问题，提出了时隙轮询和时隙复用指数。 第五章在传统c s m a d c a 通信机制上，融入了状态检测与竞争节点个数的自适应 优化的思想，设计出一种新的自适应通信机制，称之为a b m 。同时引入了信号流图 模型这种新的方法来建立能量模型。结果显示，与标准的c s m a , c a 机制相比，该算 法能有效提高网络吞吐量和能量效率，特别是在网路拥塞状况变化剧烈时，可减小额 外开销减小网络中的冲突。 第六章提出了一种基于z i g b e e 技术的温室无线传感网络系统。并设计了系统的 硬件和软件结构，完成了以及相关的软件设计。与传统的有线温室网络系统相比，该 系统提供了更大的灵活性、流动性，省去了综合布线上的费用和精力，同时具有成本 低、功率低、覆盖范围大的特点。 7 重庆大学硕士学位论文2 无线传感器网络m a c 协议 2 无线传感器网络m a c 协议 2 1 无线传感器网络m a c 协议设计的主要性能指标 能源有效性：能源有效性是无线传感网络m a c 协议性能指标中最重要的一项指 标，正如上面所述，网络中节点的能源资源非常有限，而且在实际设计一些无线传感 器网络时，会将减少节点的成本，以达到节点的一次性使用作为设计目标。因此，尽 量延长网络节点的生存时问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，无线收发装置消耗的能源占节点消耗能源的绝大部分，m a c 协议直接控制无线收发装置的行为，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问。 可扩展性：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。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节 点可能因为电池能源耗尽或其它原因退出网络运行；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 协议应很好的适应这些变化。 冲突避免：冲突避免是m a c 协议的一项基本任务，它决定网络中的节点何时， 如何的访问共享的传输媒体和发送数据。 信道利用率：信道利用率反映了网络通信中信道带宽如何被使用。在蜂窝移动通 信系统和无线局域网中，信道利用率是一项非常重要的性能指标，因为在这样的系统 中带宽是非常重要的资源，系统需要尽可能地容纳更多的用户通信。相比之下，无线 传感器网络中处于通信中的节点的数量是由一定的应用任务所决定的，信道利用率性 能指标在无线传感器网络中是处于第二位的。 延迟：延迟是指发送端向接受端发送一个数据包，到接收端成功接收这一数据包 这一时间间隔。在传感器网络中，延迟的重要性取决于网络的应用。 吞吐量：吞吐量代表在给定的时间内，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。 公平性：公平性反映出网络中各节点，用户，应用，平等的共享信道的能力，是 传统的语音、数据通信网络中一项很重要的性能指标，因为网络中每一个用户都希望 拥有平等的发送、接收数据的能力。但是在传感器网络中，所有的节点为了一个共同 的任务，相互协作。在某个特定的时刻，存在一个节点相比于其它节点拥有大量的数 据需要传送，因此，公平性往往用网络中某应用是否成功实现来评价，而不是以每 个节点，用户平等的发送、接收数据的能力来评价。 8 重庆大学硕士学位论文2 无线传感器网络m a c 协议 以上性能指标反映了一个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。 2 2m a c 协议中的能源有效性分析 能源有效性是无线传感器网络中的一个重要的问题，设计一个能源有效性高的 m a c 协议，我们必须分析是哪些因素导致了能源损耗。下面几个方面是导致能源损耗 的几个方面： 空闲侦听：网络中的节点由于不能预知它的邻节点什么时候会向它发送数据，所 以将其无线收发装置始终保持在接收模式，这是节点能源损耗的主要来源，因为典型 的无线收发装置处于接收模式时消耗的能源比其处于待命模式多两个数量级。 竞争冲突：当两个节点传送的数据包发生冲突时，两个数据包被损坏，这时节点 消耗在发送和接收数据上的能源被浪费掉了。r t s c t s 握手机制能够有效解决单播 消息的竞争冲突问题，但是以协议控制能源损耗为代价的。 窃听：无线信道是一个共享媒体，一个节点可能会接收到发送到其它节点的消息， 这时消耗在接收数据上的能源被浪费掉了，这时节点应将其无线发送装置关闭。 协议控制损耗：m a c 层协议头和控制数据包( a c 脚s c t s ) 中没有包含有效的 数据，因此可认为是一种损耗。 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。 现阶段为无线传感器网络设计的m a c 协议，大致分为两类：基于竞争冲突的协议和基于预 约的协议。 2 3 基于竞争冲突的m a c 协议 将基于竞争冲突的媒体访问控制协议应用于无线传感器网络，要解决的问题是， 减少由于竞争冲突、空闲侦听导致的能源损耗。 2 3 1 低功耗前导载波周期侦听协议( l p l ) c s m a c a 协议的主要缺点在于，节点在空闲侦听时浪费了大量的能源，文献 2 2 、 2 3 各自独立地提出了一种载波检测机制，这种机制能使节点的无线收发装置 有规律的处于“工作”，“待命”状态中，而且不丢失发送给该节点的数据，这种机制 工作在物理层，它在每个无线数据包的前面附加了一个前导载波，这个前导载波的主 要作用是通知接收节点，将有数据发送过来，使其调整电路准备接收数据，这种机制 的主要思想是将接收节点消耗在空闲侦听上的能源，转移到发送数据节点消耗在发送 前导载波能源上去。这就使接收节点能周期性的开启无线收发装置，侦听是否有发送 过来的数据，检测是否有前导载波，如果接收节点检测到前导载波，它将会一直侦听 信道直到数据被正确的接收，如果节点没有检测到前导载波，节点的无线装置将被置 9 重庆大学硕士学位论文 2 无线传感器网络m a c 协议 于“待命”状态直到下一个前导载波检测周期到来，如图2 1 所示。 这种有效的载波侦听的办法可以和任何一种基于竞争冲突的m a c 协议结合起 来，文献 2 2 】中将其与a l o h a 协议结合起来提出了前导字段侦听协议。文献 2 3 】中 将其与c s m a 协议结合提出了低功耗侦听协议。这类协议通过周期性的关闭无线装 置而节省节点的能源。在b m a c 协议中，前导载波的长度作为一个参数提供给上层 协议，使各层协议结合起来在能源有效性和网络性能之间做出更优选择。 发渊厂i i - 磊 接搜确1f 1 f 1 一。一一。 图2 i 低功耗前导字段周期侦听 f i g2 1l o wp o w e rl i s t e n i n g 2 3 2i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 协议 i e e e8 0 2 1 5 4 标准是由国际电信联盟( i t u ) 制定的。这个标准是为了满足类似 传感器的小型、低成本设备无线联网的要求。标准中的m a c 子层提供两个服务与高层 联系，即通过两个服务访问点( s a p ) 访问高层。通过m a c 通用部分子层s a p ( m c p s s a p ) 访问m a c 数据服务，用m a c 层管理实体s a p ( m l m e s a p ) 访问m a c 管理服务。 m a c 层协议主要采用基于竞争的信道接入机制，即带有冲突避免的载波监听多 路访问机帛i j ( c s m a c a ) ，但是增强了其超级帧。节点在发送数据之前会使用空闲评 估( c c a ) 算法对信道进行评估，看是否有其他节点正在发送数据。若发送正在进行， 节点将会等待一个随机时间后再去对信道进行监听评估，若没有其他节点占用信道， 则开始进行数据发送。虽然这种协议可以避免冲突，但仍然存在空闲监听，增加网络 额外的通信量，对于节点的能量有一定的消耗。 2 3 3 基于时隙的m a c 协议 s m a c 、t - m a c 等协议都是从经典的基于竞争冲突的协议的m a c 协议演变而 来，这类协议通过使用一个工作时隙，使节点处于一个工作循环周期中，从而减少节 点消耗在空闲监听上的能源。在每个时隙的开始时刻，所有节点被唤醒，任何一个节 点需要发送数据都要通过竞争抢占共享信道，这种同步机制增加了信道中发生竞争冲 突的可能性，s - m a c ，t - m a c 协议通过r t s c t s 握手机制来减少这种可能性。s m a c 和t - m a c 协议不同之处在于，各自使节点从激活状态转变到睡眠状态的方法不同。 1 0 重庆大学硕十学位论文 2 无线传感器网络m a c 协议 2 3 4s m a c 协议 s - m a c 协议中提出了一种叫“虚拟簇”的机制，这种机制能使所有节点工作在 一个共同的“时隙结构”。为了实现这种“虚拟簇”，每个节点在每个时隙开始时刻广 播同步数据包，接收到同步数据包的节点按需要调整漂移的时钟，同步数据包还允许 新的节点加入到网络中。原则上整个网络应该工作在同一“时隙结构”，但由于移动 性和时隙调度机制，在一个网络中可包含许多“虚拟簇”，各个簇之间的通信可参考 文献 2 4 。 一个s m a c 时隙由同步时段、活动时段、睡眠时段组成，如图2 2 所示，在睡 眠时段可将其无线发送装置关闭，此时段较长( 5 0 0ms ls ) ，活动时段固定在3 0 0 m s ，s - m a c 中时隙的长度可以适当调整，s m a c 协议减少了空闲侦听所消耗的能源， 采用了冲突避免机制，使节点避免了不必要的“窃听”，而且s - m a c 协议还具有消 息分析的功能，在传送分段消息时能减少网络的协议控制消耗。s - m a c 协议的不足 之处在于：但节点的工作循环周期在s m a c 协议开始工作时就已确定下来，不能根 据网络中的业务量的变化来进行调整。 !； 臣丑习竺臣丑习竺l 图2 2s m a c 时隙结构 f i g2 2f r a m e w o r ko f s - m a c s l o t s 2 3 5t - m a c 协议 定时( t i m e o u t ) m a c 协议