（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络mac协议研究(3).pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 在无线传感器网络中，介质访问控锘l j ( 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，在传感器节点间分配有限的通信资源，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。 由于传感器节点本身不能自动补充能量或能量补充不足，节约能量是传感器网络 m a c 协议设计首要考虑的因素。而传统网络的m a c 协议重点考虑节点使用带宽 的公平性，提高带宽利用率和增加网络的实时性。这意味着传统网络的m a c 协议 不能用于无线传感器网络，需要研究新的适用于无线传感器网络的m a c 协议。 本文对已有的各种典型无线传感器网络m a c 层协议性能进行了分析，着重研 究了e b r i m a c 协议，对这个协议进行了改进，提出t l v c m a c 协议，采用分 三层建立虚拟簇的方式进一步提高能量效率，减少能量消耗。通过建立理论模型 对协议进行了一系列理论计算分析，在簇数、能量效率和网络吞吐量等方面进行 了比较，并采用m a t l a b 进行数值分析，结果证明t l v c m a c 协议比e b r i m a c 协议可以获得更高的能量效率。 关键词：传感器；无线网络；虚拟簇 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ew s n s ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) ，t h em a c ( m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) p r o t o c o l d e c i d e sh o wt ou s et h ew i r e l e s sc h a n n e l ，a n dd i s t r i b u t e st h el i m i t e d c o m m u n i c a t i o nr e s o u r c ei nt h es e n s o rn o d e s ，i no r d e rt os t r u c t u r et h es y s t e m a t i cs e n s o r n e t w o r kb o t t o mi n f r a s t r u c t u r e i ti so nt h eb a s i cp a r to ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s p r o t o c o l s ，a n di th a sg r e a ta f f e c to nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s p e r f o r m a n c ea so n eo f t h ei m p o r t a n tp r o t o c o l st h a tc a ng u a r a n t e ee f f i c i e n tc o m m u n i c a t i o no ft h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s b e c a u s et h es e n s o rn o d e sc a nn o tp o w e rt h e m s e l v e so rc a nn o tp o w e r e n o u g h , w es h o u l dc o n s i d e rt h ee n e r g y - e f f i c i e n tf i r s t f o rt h et r a d i t i o n a lw i r e l e s s n e t w o r k sw es h o u l dc o n s i d e rt h en e t w o r k e f f i c i e n tf i r s t , w h i c hm e a n st h em a c p r o t o c o lf o rt r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k si sn o ta d a p tt ot h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s s ow em u s tr e s e a r c hn e wm a c p r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h i st h e s i sa n a l y s e st h ef u n c t i o no fm a n yt y p i c a lm a cp r o t o c o l st h a th a v eb e e n p r e s e n t e d ，a n dr e s e a r c h e st h ee b r i - m a cp a r t i c u l a r l y t om a k es o m ei m p r o v e m e n t s ， w ew i l lp r e s e n tt l v c m a c ，i nw h i c h ，a ni d e ao ft h r e el a y e r sv i r t u a lc l u s t e rb a s e do n d a t ad e l i v e r i e si sp r o p o s e di no r d e rt oi m p r o v et h ee n e r g y - e f f i c i e n ta n ds a v em o r e e n e r g y b yb u i l d i n gat h e o r ym o d e la n dc a r r y i n go u tas e r i e so fc a l c u l a t e da n a l y s i s ，d o s o m ec o m p a n i e so nt h en u m b e ro fv i r t u a lc l u s t e r ，e n e r g y - e f f i c i e n ta n dt h et h r o u g h - o u t e t c a l s ov e r i f i e db ym a t l a bc o n s t r u c t i o n ，a tl a s tw ec a ns e et l v c m a ch a s b e t t e re n e r g y - e f f i c i e n tt h a ne b r i - m a c k e yw o r k s ：s e n s o r ；w i r e l e s sn e t w o r k s ；v i r t u a lc l u s t e r 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：互缬。址 e l 期：z 粤止 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至罐，黩一导师签名：旌监日期：丝牡 山东大学硕士学位论文 l _ j 一 刖罱 传感器网络系统通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和 管理节点。传感器节点随机部署在监测区域自组织成网络，节点监测到的数据沿 其它传感器节点逐跳传输，在传输过程中监测数据可能会被多个节点处理，经过 多跳传输到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点 对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分 组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据的转换；处理器模块负责控 制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据； 无线通信模块负责与其它节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能 量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。 传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健 康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大 型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着传感器网 络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。 在设计无线传感器网络m a c 层协议时主要考虑三个方面： ( 1 ) 节省能量：传感器网络节点所用的电池能量一般难以进行补充，为了保 证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，应尽量节省节点 使用的能量。 ( 2 ) 可扩展性：由于传感器节点数目、节点分布密度等会不断发生变化，所 以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。m a c 协议也应具有可扩展性，以适应 这种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、网络吞吐量和网络带 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。 人们经过大量实验和理论分析，总结出可能造成无线传感器网络能量浪费的 3 山东大学硕士学位论文 原因主要包括以下几个方面： ( 1 ) 冲突：如果m a c 协议采用竞争方式使用共享的无线信道，多个节点间发 送的数据可能会产生冲突，重新发送数据会消耗更多的能量。 ( 2 ) 空闲侦听：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， 以便接收可能传输给自己的数据。没有必要的空闲侦听会造成节点能量的浪费。 ( 3 ) 串音：节点接收并处理不必要的数据使得节点消耗更多的能量。 ( 4 ) 控制信息过量：控制节点之间信道分配的信息过多，也会消耗较多的能 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。单位时间内消耗的能量按上述顺序依次递减：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，接收状态和侦听状态下消耗的能量稍小 于发送状态。因此，传感器网络m a c 协议为了减少能量消耗，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。 目前针对不同的传感器网络应用，研究人员从不同方面提出了多个m a c 协 议，但并没有一个统一的分类方式。按采用固定分配信道方式还是随机访问信道 方式，可以分为三类【1 】： 1 采用无线信道地随机竞争方式，节点需要发送数据时随机使用无线信道，重点 考虑减少节点间的干扰。 2 采用无线信道的时分复用方式( 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，从而避免节点间的相互干扰。 3 其它的m a c 协议，如通过频分复用或码分复用等方式，实现节点间无冲突的 无线信道分配。 4 山东大学硕士学位论文 本文第一章将介绍典型的无线传感器网络m a c 协议；第二章着重介绍 e b r i m a c 协议及其性能特点；第三章提出一种t l v c m a c 协议并对其性能进行 分析。 5 山东大学硕士学位论文 第一章典型无线传感器网络m a c 层协议 1 1 基于竞争的m a c 协议 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，通过竞争方式使用信道，如果发送数据产生了冲突，就按 照某种策略重发数据，知道数据发送成功或放弃发送。典型的基于竞争的随机访 问m a c 协议是载波侦听多路访问( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ，c s m a ) 。无线局 域网i e e e8 0 2 11m a c 协议的分布式协调( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u c t i o n ，d c f ) 工作模式采用带冲突避免的载波侦听多路访问( c s m aw 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 ) 协议，它可以作为基于竞争m a c 协议的代表。在i e e e8 0 2 1 1m a c 协 议的基础上，人们提出了多个用于传感器网络的基于竞争的m a c 协议。下面首先 介绍i e e e8 0 2 1 1m a c 协议【2 3 ，4 】，然后介绍一些比较典型的基于竞争的传感器网 络m a c 协议。 1 1 1ie e e8 0 2 ”m a c 协议 i e e e8 0 2 1l m a c 协议【5 6 ，7 】有分布式协调d c f 和点协调( p o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ，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 1m a c 协议的 基本访问控制方式。由于在无线信道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 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。 i e e e8 0 2 1 1m a c 协议规定了三种基本的帧间间隔( i n t c r f r a m es p a c i n g ，i f s ) ， 6 山东大学硕士学位论文 用来区分无线信道的优先级。三种帧问间隔为： ( 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 要立即响应的服务，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。 上述各帧间间隔关系：d i f s p i f s s 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问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，节点进一步使用二进制退避算法( b i n a r yb a c k o f f a l g o r i t h m ) ，进入退避状态来避免发生冲突。 随机退避时间按下面公式计算： 退避时间= r a n d o m ( ) a s l o t t i m e 其中r a n d o m ( ) 是竞争窗n 0 ，c w 】内平均分布的伪随机整数；c w 是整数随机数， 其值处于标准规定的a c w m a x 和a c w m i n 之间；a s l o t t i m e 是一个时隙时间，包括 发射启动时间、媒体传播时延和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。 8 0 2 11m 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。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 御r 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 过程中不与其它节点发生冲突，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。 7 山东大学硕士学位论文 为减少节点间使用共享无线信道的冲突概率，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， 记录网络分配向量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 减到零时，节点才可以发 送信息。通过此种方式，r t s 帧和c t s 帧为节点的数据传输预留了无线信道。 1 1 2s - m a c 协议 s - m a c ( s e n s o rm a c ) 协议【8 , 9 a o 是在8 0 2 1 l m a c 协议基础上，针对传感器网 络的节点能量需求而提出的传感器网络m a c 协议。s m a c 协议假设通常情况下 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 的处理和数据融合以减少数据通信量，网络能够容忍一定程度的通信延迟。它的 主要设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能量的消耗。一 针对碰撞重传、串音、空闲侦听和控制信息等可能造成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：周期性侦听睡眠的低占空比工作方式 d l l 2 馏1 ，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，减少信息在网络中的传输延迟；采用带内信令来减少重传和避免监 听不必要的数据；通过信息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和信息的 传递延迟。 1 1 2 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，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 发送数据或接收数据。为了便于相互通信，相邻节点之间应该尽量维持睡眠侦听 调度周期的同步。 每个节点用s y n c 信息通告自己的调度信息，同时维护一个调度表，保存所 山东大学硕士学位论文 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 果在这段时间内收到其它节点的调度信息，则将它的调度周期设置为与相邻节点 相同，并随机等待一段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，可以选择收到的第一个调度信息，并记录所有收到的调度信息。 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，则产生自己的调度周 期并广播。在节点产生并通告自己的调度周期后，如果又收到邻居节点的调度信 息，可能出现两种情况：若没有收到过与自己调度相同的其它邻居节点的通告， 则用邻居的调度而丢弃自己生成的调度周期；若节点收到过与自己调度相同的其 它邻居节点的通告，则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。为了适应新加入的节点，每个节点都要周期性广播自己的调度， 使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。 1 1 2 2 流量自适应侦听机制 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。 s m a c 采用流量自适应侦听机制，减小通信延迟的累加效应。其基本思想是在一 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，则可以立刻接收数据， 无须等到下一次调度侦听周期，从而较少了数据分组的传输延迟。如果在这段时 间内没有接收到r t s 分组，则转入睡眠状态知道下一次调度侦听周期。 1 1 2 3 串音避免 为了减少冲突和避免串音，s - m a c 协议采用与8 0 2 1 1m a c 协议类似的虚拟 载波侦听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时，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l 盯s c t s d 删a c k 的通信过程( 广播包 9 山东大学硕士学位论文 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。源节点和目的节点的邻居节点在侦听时间侦听到分组时，记录此时间长度值， 同时进入睡眠状态。通信过程记录的时间会随着时间不断减少。当剩余时间减至 零时，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。只有当虚拟 载波侦听和物理载波侦听表示无线信道空闲时，才可以竞争通信过程。 1 1 2 4 信息传递 因为传感器网络内部数据处理需要完整的信息，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信息的时间；又因为传感器网络的无线信道 误码率高，s m a c 协议将一个长信息分割成几个短信息在预约时间内突发传送。 为了能让邻居节点及时获取通信过程剩余时间，每个分组都有剩余时间域。为了 可靠传输并通告邻居节点正在进行的通信过程，目的节点对每个短信息都要发送 一个应答信息。如果发送节点没有收到应答信息，则立刻重传该短信息。 相对于i e e e8 0 2 1 1m a c 协议的信息传递机制，s - m a c 协议的不同之处在于 s m a c 协议的r t s c t s 控制信息和数据信息携带的时间是整个长信息的传输剩余 时间。其它节点只要接收到一个信息，就能知道整个长信息的剩余时间，然后进 入睡眠状态直到长信息发送完成。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 只预约下一个发送短信息的时间，其它节点在每个短信息发送完成后都 不需醒来进入侦听状态，只要发送方没有收到某个短信息的应答，连接就会断开， 其它节点可以开始竞争信道。 1 1 3 t - m a c 协议 t - m a c ( t i m e o u tm a c ) 协议【1 4 ，1 5 1 是在s - m a c 协议的基础上提出的。作者认为传 感器网络m a c 协议最重要的设计目标是减少能量消耗，在空闲侦听、碰撞、协议 开销和串音等浪费能量的因素中，空闲侦听的能量消耗占绝对大的比例，特别是 在信息传输率较低的情况下。 s - m a c 协议通过采用周期性侦听睡眠工作方式来减少空闲侦听。周期长度是 1 0 山东大学硕士学位论文 固定不变的，节点的侦听活动时间也是固定的。周期长度受限于延迟要求和缓存 大小，活动时间主要依赖于信息速率。这样就存在一个问题：延迟要求和缓存大 小通常是固定的，而信息速率通常是变化的。如果要保证可靠及时的信息传输， 节点活动时间必须适应最高通信负载。当负载动态较小时，节点处于空闲侦听的 时间相对增加。针对这个问题，t - m a c 协议在保持周期长度不变的基础上，根据 通信流量动态地调整活动时间，用突发方式发送信息，减少空闲侦听时间。t - m a c 协议相对于s m a c 协议减少了处于活动状态的时间。 在t - m a c 协议中，发送数据时仍采用i 汀s c t s d a t a a c k 的通信过程，节 点周期性唤醒进行侦听，如果在一个给定时间t a ( t i m ea c t i v e ) 内没有发生下面任 何一个激活事件( a c t i v a t i o ne v e n t ) ，则活动结束。 ( 1 ) 周期时间定时器溢出； ( 2 ) 在无线信道上收到数据； ( 3 ) 通过接收信号强度指示r s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n ) 感知存 在无线通信； ( 4 ) 通过侦听r t s c t s 分组，确认邻居的数据交换已经结束。 在每个活动期间的开始，t - m a c 协议按照突发方式发送所有数据。t a 决定 每个周期最小的空闲侦听时间，它的取值对于t - m a c 协议性能至关重要，其取值 约束为： t a c + i h t 其中，c 为竞争信道时间，r 为发送r t s 分组时间，t 为r t s 分组结束到发出c t s 分组开始的时间。 通常传感器网络存在多个传感器节点向一个或少数几个汇聚节点传输数据的 单向通信方式。假设数据传输方向是a bcd ，如果节点a 通过竞争首先获得发 送数据到节点b 的通信机会，节点a 发送r t s 信息给节点b ，节点b 应答c t s 信息。节点c 收到节点b 发出的c t s 信息而转入睡眠状态，在节点b 接收完数 据后醒来，以便接收节点b 发送给它的数据。节点d 可能不知道节点a 和节点b 之间的通信的存在，在节点a 到节点b 的通信结束后已经处于睡眠状态，这样， 节点c 只有等到下一个周期才能传输数据到节点d 。这种通信延迟称为早睡问题 山东大学硕士学位论文 ( e a r l y - s l e e pp r o b l e m ) 。t - m a c 协议提出两种方法解决早睡问题。 第一种方法称为未来请求发送( f u t u r er e q u e s t t o s e n d ，f r t s ) 。即当节点c 收 到节点b 发送给节点a 的c t s 分组后，立刻向下一跳的接收者节点d 发出f r t s 分组。f r t s 分组包含节点d 接收数据前需要等待的时间长度，节点d 要在睡h 民 相应长度时间后醒来接收数据。由于节点c 发送的f r t s 分组可能干扰节点a 发 送的数据，所以节点a 需要推迟发送数据的时间。节点a 通过接收到c t s 分组后 发送一个于f r t s 分组长度相同的d s ( d a t a s e n d ) 分组实现对信道的占用。d s 分 组不包含有用信息。节点a 在d s 分组之后开始发送正常的数据信息。f r t s 方法 可以提高吞吐量，但d s 分组和f r t s 分组带来了额外的通信开销。 另一种方法称作满缓冲区优先( f u l lb u f f e r p r i o r i t y ) 。当节点的缓冲区接近占满 时，对收到的r t s 分组不做应答，而是立即向目标接收者发送r t s 信息，并传输 数据给目标节点，比如，节点b 向节点c 发送r t s 分组，节点c 因其缓冲区快满 了而不发送c t s 信息，而是向节点d 发送r t s ，将它的数据发送给节点d 。这个 方法的优点是减少了早睡问题发生的可能性，并起到一定的网络流量的控制作用， 带来的问题是增加了冲突的可能性。 t - m a c 协议根据当前的网络通信情况，通过提前结束活动周期来减少空闲侦 听，但带来了早睡问题。t - m a c 为解决早睡问题提出了未来请求发送和满缓冲区 优先两种方案，但都不是很理想。t - m a c 协议使用的场合还需要进一步调研，对 网络动态拓扑结构变化的适应性也需要进一步研究。 1 1 4si f t 协议 s i f tm a c 协议【2 0 彤1 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。它不同于w l a n 的8 0 2 1 1 m a c 协议和s m a c 以及t - m a c 协议，而是充 分考虑了通常传感器网络的以下三个特性： 第一，传感器网络的空间相关性和时间相关性。为了保持一定的冗余性和可 靠性，通常将大量的传感器节点部署在监测区域内。当一个事件发生时，多个邻 居节点会同时监测到该事件，因而形成事件监测的空间相关性。传感器网络是事 件驱动的网络，一个事件的发生会促使同时观察到该事件的多个节点同时发送信 1 2 山东大学硕士学位论文 息，而这些邻近节点往往竞争共享的无线信道，形成事件传递的时间相关性。 第二，不是所有的节点都需要报告事件。在很多传感器网络中，并不是所有 监测到事件发生的节点都需要发送信息，只要这些节点中的一部分发送信息到汇 聚节点就足够了。 第三，感知事件的节点密度随时间变化。由于传感器网络由大量节点组成， 网络内节点密度会随时间的推移发生变化。当目标进入监测区域之后，监测到目 标的传感器节点数目会随着时间或目标的移动而不断变化。 s i f tm a c 协议充分利用传感器节点的空间和时间相关性，对于同一个事件， 只需部分节点发送信息；同时考虑扩展性，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 个节点同时监测到同一事件时，希望r 个 节点( i 酬) 能够在最小时间内成功发送出事件监测信息，抑制剩余( n r ) 个节 点的信息发送。 通常基于窗口的竞争m a c 协议中，如果有数据发送，节点首先在发送窗口【l ， c w 】内等概率随机地选择一个发送时隙； 在监听期间没有其它节点使用无线信道， 然后节点监听直到选择的发送时隙。若 节点立即发送数据，否则在信道空闲之 后重新选择发送时隙。当两个或多个节点选择同一时隙时，就会产生发送冲突。 多数协议规定冲突节点倍增c w 值，并在新的窗口内重新选取发送时隙，以增加 无冲突发送的概率。然而，这种方法在传感器网络中存在如下问题：第一，多个 节点可能会同时监测到一个事件，并同时发送数据，这容易造成事件发生区域的 节点同时闲忙，导致忙时竞争频繁，需要很长时间来调整c w 值，以适应发送节 点的数目；第二，如果初始c w 值很大，而同时监测一个事件的节点数目很少时， 就会造成报告事件的延迟较大；第三，c w 取值时要保证所有的活动节点都有机会 发送数据，而传感器网络只需要n 个活动节点中有r 个节点能够无冲突地报告事 件。 s i f t 协议的核心思想是采用c w 值固定的窗口，节点不是从发送窗口选择发送 时隙，而是在不同的时隙中选择不同的发送数据的概率。因此，s i f t 协议的关键在 于如何在不同的时隙为节点选择合适的发送概率，使得监测到同一事件的多个节 点能够在竞争窗口前的各个时隙内不断无冲突地发送信息。 1 3 山东大学硕士学位论文 s i f t 协议的工作原理如下：如果节点有信息需要发送，则首先假想当前共有n 个节点与其竞争发送；如果在第一个时隙内，节点本身不发送信息，也没有其它 节点发送信息，节点就减少假想的竞争发送节点的数目，并相应增加选择在第二 个时隙发送数据的概率；如果节点没有选择第二个时隙，而且在第二个时隙上还 没有其它节点发送信息，节点再减少假想的竞争发送节点数目，进一步增加选择 第三个时隙发送数据的概率。以此类推。 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，需要节点间保持时钟同步，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 容易同时监测到同一个事件，而且只需部分节点将信息传输给簇头。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，簇头可以一直处于侦听状 态。 基于竞争的m a c 协议具有良好的扩展性，并且不要求严格的时钟同步，但它 们往往只是从发送数据的节点考虑问题，对接收节点的考虑相对较少。在基于竞 争的m a c 协议中，节点发送数据时竞争使用无线信道，并通知接收节点及时处于 接收状态。节点处于睡眠状态可能造成通信暂时中断，增大信息的传播延迟，所 以在节省节点能量和增大信息传输延迟之间需要权衡。在s - m a c 协议中，节点维 护本身的调度信息表和邻居节点的调度信息表。如果目的节点与自己在同一个虚 拟簇内，则它们在统一的调度活动时间转发数据；如果目的节点在邻居虚拟簇内， 节点在邻居调度的活动周期内唤醒自己，发送数据。t - m a c 协议中可能会遇到目 的节点的早睡问题，相对增大了信息的传输延迟。s i f t 协议适用于分簇网络，节 点发送信息给一直处于活动状态的簇头节点，通过簇头节点的能量消耗来换取信 息传输延迟的缩短。 无线传感器网络是新型的应用相关的网络，具有很多特点，如传感器节点多 数时间是处于不收发的状态。s m a c 、t - m a c 和s i f t 协议利用传感器网络的这个 特性，让节点尽可能处于睡眠状态以节省能量。传感器网络的流量具有突发性和 局部范围内的相关性，s i f t 协议利用了这些特性，通过在不同的时隙上采用不同的 发送概率，使得在短时间内部分节点能够无冲突地通告事件，在节省能量的同时， 1 4 山东大学硕士学位论文 减少信息的传输延迟。 1 2 基于t d m a 的m a c 协议 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 ) 是实现信道分配的简单成熟的 机制，蓝牙( b l u e t o o t h ) 网络采用了基于t d m a 的m a c 协议。在传感器网络中 采用t d m a 机制，就是为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时隙，而节 点在其它空闲时隙内转入睡眠状态。 t d m a 机制的一些特点非常适合传感器网络节省能量的需求：t d m a 机制没 有竞争机制的碰撞重传问题；数据传输时不需要过多的控制信息；节点在空闲时 隙能够及时进入睡眠状态。t d m a 机制需要节点之间比较严格的时间同步。时间 同步时传感器网络的基本要求：多数传感器网络都使用了侦听睡眠的能量唤醒机 制，利用时间同步来实现节点状态的自动转换；节点之间为了完成任务需要协同 工作，这同样不可避免的需要时间同步。t d m a 在网络扩展性方面存在不足：很 难调整时间帧的长度和时隙的分配；对于传感器网络的节点移动、节点失效等动 态拓扑结构适应性较差；对于节点发送数据量的变化也不敏感。 1 2 1 基于分簇网络的m a c 协议 所有传感器节点固定划分或自动形成多个簇，每个簇内有一个簇头节点。簇 头负责为簇内所有传感器节点分配时隙，收集和处理簇内传感器节点发送来的数 据，并将数据发送给汇聚节点。 在基于分簇网络的m a c 协议口妇中，节点状态分为感应( s e n s i n g ) 、转发 ( r e l a y i n g ) 、感应并转发( s e n s i n g & r e l a y i n g ) 和非活动( i n a c t i v e ) 四种状态。节 点在感应状态时，采集数据并向其相邻节点发送；在转发状态时，接收其它节点 发送来的数据并发送给下一个节点；在感应并转发状态的节点，需要完成上述两 项的功能；节点没有数据需要接收和发送时，自动进入非活动状态。 为了适应簇内节点地动态变化，及时发现新的节点，使用能量相对高的节点 转发数据等目的，协议将时间帧分为周期性地四个阶段： ( 1 ) 数据传输阶段。簇内传感器节点在各自分配的时隙内，发送采集数据给簇 1 5 山东大学硕士学位论文 头。 ( 2 ) 刷新阶段。簇内传感器节点向簇头报告其当前的状态。 ( 3 ) 刷新引起重组阶段。紧跟在刷新阶段之后，簇头节点根据簇内节点的当前 状态，重新给簇内节点分配时隙。 ( 4 )事件触发的重组阶段。节点能量小于特定值，网络拓扑发生变化等事件发 生时，簇头就要重新分配时隙。通常在多个数据传输阶段后有这样的事件 发生。 1 2 2d e a n a 协议 分布式能量感知节点活动( d i s t r i b u t e de n e r g y - a w a r en o d ea c t i v a t i o n ，d e a n a ) 协议乜2 1 将时间帧分为周期性地调度阶段和随机访问阶段。调度访问阶段有多个连 续的数据传输时隙组成，某个时隙分配给特定节点来发送数据。除相应接收节点 外，其它节点在此时隙处于睡眠状态。随机访问阶段由多个连续的信令交换时隙 组成，用于处理节点的添加、删除以及事件同步等。 为了进一步节省能量，在调度访问部分中，每个时隙又细分为控制时隙和数 据传输时隙。控制时隙相对数据传输时隙而言长度很短。如果节点在其分配的时 隙内有数据需要发送，则在控制时隙发出控制信息，指出接收数据的节点，然后 在数据传输时隙发送数据。在控制时隙内，所有节点都处于接收状态。如果发现 自己不是数据的接收者，就进入睡眠状态，只有数据的接收者才在整个时隙内保 持在接收状态。这样就能有效减少节点接收不必要的数据。 与传统的t d m a 协议相比，d e a n a 协议在数据传输时隙前加入一个控制时 隙，使节点在得知不需要接收数据时进入睡眠状态，从而能够部分解决串音问题。 但是该协议对节点的时间同步精度要求较高。 1 2 3 基于周期性调度的m a c 协议 基于周期性调度的m a c 协议3 采用周期性的信息发送模型，构建节点周期性 信息发送调度机制，保证节点之间无冲突地使用无线信道，是一个确定性地基于 信息调度的t d m a 类型的m a c 协议。 1 6 山东大学硕士学位论文 协议假设所有节点之间都是时间同步的，节点发送的信息由多个长度固定的分 组组成，每个信息都有生存时间，信息产生后必须在规定的时间内发送出去，否 则即使发送出去也没有意义。时间被划分为连续的长度相同的时隙，时隙长度是 发送一个固定分组所需要的时间。 1 2 4t r a i 叭协议 流量自适应介质访问( 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 ) 协议船钔将时间 划分为连续的时隙，根据局部两跳内邻居节点的信息，采用分布式选举机制确定 每个时隙的无冲突发送者。同时，通过避免把时隙分配给无流量的节点，并让非 发送和非接收节点处于睡眠状态来节省能量。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 c h e d u l ee x c h a n g ep r o t o c 0 1 ) 和自适应时隙 选择算法a e a ( a d a p t i v ee l e c t i o na l g o r i t h m ) 。 在t r a m a 协议中，为了适应节点失败或节点增加等引起的网络拓扑结构变 化，将时间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期。随机访问周期和调度访 问周期地时隙个数根据具体情况而定。随机访问周期主要用于网络维护。 1 2 5d m a c 协议 s m a c 和t - m a c 协议采用周期性的活动睡眠策略减少能耗，但会出现数据 在转发过程中“走走停停 的问题。例如，通信模块处于睡眠状态的节点，如果 监测到事件，就必须等到通信模块转换到活动周期才能够发送数据；中间节点要 转发数据。下一跳节点可能处于睡眠状态，此时也必须等待它转换到活动周期。 这种节点睡眠带来的延迟会随着路径上跳数的增加成比例增加。 传感器网络中一种重要的通信模式是多个传感器节点向一个汇聚节点发送数 据。所有传感器节点转发收到的信息，形成一个以汇聚节点为根节点的树型网络 结构，成为数据采集树( d a t ag a t h e r i n gt r e e ) 。d m a c 协议嗌讲嚣1 就是针对这种数据 采集树结构提出的，目的是减少网络能耗和数据传输延迟。 d m a c 协议核心思想是采用交错调度机制。将节点周期划分为接收时间、发 送时间和睡眠时间。其中接收时间和发送时间相等，均为发送一个数据分组的时 1 7 山东大学硕士学位论文 间。每个节点地调度具有不同的偏移，下层节点的发送时间对应上层节点的接收 时间。这样，数据就能够从源节点连续地传送到汇聚节点，减少传输延迟。 d m a c 协议采用a c k 应答机制，发送节点如果没有收到a c k 应答，要在下 一个发送时间内重发。节点正确接收到数据后，立刻发送a c k 信息给发送数据的 节点。为了减少发送数据产生的冲突，节点在等待固定的后退时间( b a c k o f f p e r i o d ， b p ) 后，在冲突窗口( c o n t e n tw i n d o w ，c w ) 内随机选择发送等待时间。接收节 点在发送a c k 信息时，采用短时间段( s