（模式识别与智能系统专业论文）基于工业无线传感器网络的mac协议研究与实现.pdf

i 些! ! 皇垄盔堂堡圭堂垡笙壅! f i l l i i i ii i i i i ii f l i f 摘要 y 17 9 6 6 3 4 在工业无线传感器网络中，m a c 协议是保证无线传感器网络高效通信的关键网 络协议之一。在工业现场中，干扰因素复杂，无线链路质量变化很大，造成网络拓 扑结构动态变化以及严重的丢包现象。而且无线传感器网络的资源有限，所以需要 针对具体应用的特点和需求设计m a c 协议来保证可靠实时传输。本文以工业无线 传输为应用背景，分别针对无线传感器网络中普遍存在的动态性和实际应用中拟采 用的数据采集系统的结构，对可靠实时传输进行了重点研究，并且基于跨层思想设 计了m p s i f 协议和m f t p 协议。在仿真实验中，将这两种协议与其同类型协议在各 方面的传输性能进行了综合比较，结果表明，在比较真实的网络环境中，m p s i f 协 议和m f t p 协议在数据的可靠实时传输和能效方面有着更加优异的综合性能。 关键词：无线传感器网络，可靠实时传输，m p s i f ，m f t p a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r i a lw 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 li so n eo ft h ek e y n e t w o r k p r o t o c o l s w h i c h g u a r a n t e e e f f i c i e n tc o m m u n i c a t i o ni nw s n b e s i d e s c o n s t r a i n e dr e s o u r c e sw i t h i nw s ni nt h ei n d u s t r i a ls i t e ，p l e n t yo fc o m p l e xi n t e r f e r e n c e i s p r e s e n ta n dw i r e l e s sl i n kq u a l i t yv a r i e sr a p i d l y ，w h i c hi n d u c e sd y n a m i cc h a n g eo f n e b x ，o r kt o p o l o g ya n dh e a v yp a c k e tl o s s ；t h e r e f o r e ，m a cp r o t o c o l ss h o u l db ed e s i g n e d i na c c o r d a n c ew i t hs p e c i f i ca p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n tt og u a r a n t e e r e l i a b l ea n dr e a l t i m et r a n s m i s s i o n i nt h ep a p e r ，r e l i a b l ea n dr e a l - t i m et r a n s m i s s i o ni s g i v e nr e s e a r c hp r i o r i t yi nt h el i g h to fp r e v a l e n td y n a m i c si nw s n a sw e l la st h ep l a n n e d s t r u c t u r eo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi nt h ec o n t e x to ft h ei n d u s t r i a lw i r e l e s st r a n s m i s s i o n a p p l i c a t i o n m o r e o v e r ，t w om a cp r o t o c o l s ，m p s i fa n dm f t p ，h a v eb e e nd e s i g n e d b a s e do nt h ec r o s s - l a y e rc o n c e p t i nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，m p s i fa n dm f t pa r e c o m p r e h e n s i v e l yc o m p a r e dw i t h o t h e rh o m o g e n e o u sp r o t o c o l si nt e r m so fv a r i o u s t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e sa n dt h er e s u l t sc o r r o b o r a t et h es u p e r i o r i t yo fm p s i fa n d m f t pi nt h ea s p e c t so fr e l i a b l ea n dr e a l - t i m et r a n s m i s s i o na sw e l la se n e r g ye f f i c i e n c y i nm o r er e a ln e t w o r ke n v i r o n m e n t z h a n gj i a n ( p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f b a iy a h k e y w o r d ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ，r e l i a b l ea n dr e a l t i m et r a n s m i s s i o n ，m p s i f ， m f t p 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 2 国内外研究现状1 1 3 论文内容与相关工作2 第二章无线传感器网络概述4 2 1 无线传感器网络的概念4 2 2 无线传感器网络体系结构一4 2 3 无线传感器网络协议体系结构5 2 4 无线传感器网络的特征6 2 5 无线传感器网络的应用7 2 6 总结8 第三章无线传感器网络m a c 协议概述9 3 1m a c 协议概念9 3 2 影响m a c 协议的主要因素9 3 3 无线传感器网络m a c 协议设计原则1 0 3 4 无线传感器网络m a c 协议的关键技术1 2 3 4 11 木眠机铝0 1 3 3 4 2 冲突避免和回退机制1 3 3 5 无线传感器网络现有的m a c 协议分析比较1 4 3 5 1 基于竞争的m a c 层协议1 4 3 5 2 基于调度的m a c 协议1 9 3 5 3 混合型m a c 协议2 l 3 5 4 基于跨层设计的m a c 协议2 1 3 6 无线传感器网络链路层模型的研究2 2 3 6 1 无线信道2 2 3 6 2 无线电信号。2 3 3 6 3 噪声基底2 4 3 6 4 综合考虑2 5 3 7 总结2 7 华北电力大学硕士学位论文 第四章动态无线传感器网络的无状态地理转发协议2 8 4 1 简介2 8 4 2 协议描述2 8 4 2 1 假设2 8 4 2 2 有向地理转发2 8 4 2 3m p s i f 握手机制3 0 4 2 4 响应等待时间3 l 4 3 优化3 2 4 4 仿真结果3 2 4 4 1 仿真概述3 2 4 4 2 性能评价3 3 4 5 总结3 5 第五章基于多路径传输和灵活调度的t d m a 协议3 6 5 1 简介3 6 5 2 协议描述3 6 5 2 1 协议概述3 6 5 2 2 建立数据采集树3 9 5 2 3 时隙分配4 0 5 2 4 时间同步策略一4 3 5 2 5 容错4 3 5 3 性能评价一4 5 5 3 1 能效性4 6 5 3 2 端到端的数据传输性能4 9 5 3 3 协议比较5 0 5 3 4 容错性5 2 5 4 总结5 3 第六章结论与展望5 5 参考文献5 7 致 谢6 2 在校期间发表的论文及参加科研情况6 3 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 无线传感器网络是近几年随着无线通信技术和微机电系统的发展而提出的【l 2 1 ， 它是由一组采用电池供电的传感器节点通过无线连接而构成的网络，通过可以大量 配置的智能传感节点间的协同工作，来采集和处理监控区域内的目标信息，并以多 跳的方式将信息传回基站。由于它在环境、军事、医疗、工业及农业等领域具有广 泛的应用前景【l 捌，因而得到越来越多的重视。 在工业自动化领域的应用中，无线传感器网络具有很多优点，如易于安装和维 护、较低的安装和运行维护成本、较强的可互操作性和共存性、网络容量和规模可 扩可缩等1 3 4 j 。它能够在工业现场恶劣的环境下，为各种仪表、移动机器人及各种自 动化设备之间的通信提供无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，使得工业监控数据 能够通过无线链路直接在网上传输、发布和共享。并且，在一些特殊环境中布署无 线传感器节点，可有效地弥补有线网络的不足，进一步完善工业控制网络的通信性 能。工业无线传感器网络为工业监控系统的便捷安装、高效运行、高度灵活性及低 成本创造了机会，它将成为工业自动化领域的核心技术。因此，无线传感器网络技 术的研究与广泛应用将对整个工业界、乃至整个国民经济都会带来巨大的经济与社 会效益1 5 1 。 1 2 国内外研究现状 近年来，无线传感器网络在国内外引起了广泛关注，尤其是无线传感器网络在 国防军事、国家安全、环境科学、交通管理、医疗卫生、反恐、灾害监测、空间探 索等领域的巨大潜在应用价值，使得很多政府机构和科研单位对于无线传感器网络 研究方面的投入也在不断加大，从而使无线传感器网络的研究发展取得了很大的进 步。 从国外的研究现状看，美国在无线传感器网络方面进行了较深入的研究。美国 的加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院、康奈尔大学等高校 已经进行了无线传感器网络基础理论和关键技术的研究。加州大学伯克利分校提出 了基于相关性的数据编码模式、确定无线传感器网络中节点位置的分布式算法及重 构传感器节点位置的方法等，并研制了一个基于无线传感器网络的操作系统t i n y o s 【6 j 。加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络环境模拟系统，用于研究无 线传感器网络中出现的问题。南加州大学提出了部署移动传感器节点的方法、节省 能量的计算聚集的树结构算法等。麻省理工学院已经开始研究用于超低能耗无线传 华北电力人学硕士学位论文 感器网络的方法和技术。针对无线传感器网络通信协议的特殊性，康奈尔大学等高 校开展了相关研究，先后提出了基于谈判类协议、定向发布类协议、能量敏感类协 议、多路径类协议、传播路由类协议、介质存取控制类协议、基于集群的协议以及 以数据为中心的路由算法等新的通信协议【7 , 8 , 9 】。英国、日本、意大利等国家的一些 高校和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作，且取得了一些初步的研究成果。 从国内的研究来看，国内有关无线传感器网络的研究才刚刚起步，清华大学、 西南交通大学、中科院传感器技术国家重点实验室等单位，近几年才开始无线传感 器网络的相关研究。从目前国内公开发表的学术文章来看，主要是一些从事计算机 网络及传感器技术研究的专业人士，从无线传感器网络体系结构等知识点角度对无 线传感器网络技术进行分析和综述。在介绍无线传感器网络相关基础知识和技术的 基础上，对其应用价值进行分析，并阐述了无线传感器网络技术研究的一些热点问 题。实际上，无线传感器网络是一个多学科交叉的研究领域，其研究需要仪器科学、 计算机科学及通信科学等技术的结合【1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 】。随着国内研究的迸一步深入与扩展， 相信会促进无线传感器网络的发展。 目前的研究重点是w s n 在关键领域的应用以及结合具体应用领域特点设计硬 件、软件和各种优化策略【i4 1 。 1 3 论文内容与相关工作 本课题以无线传感器网络在分析仪器中的应用为背景，研究和实现用于分布式 分析仪器的无线传感器网络m a c 协议，其网络结构体系如图1 1 所示： 图1 - 1 分析仪器小间w s n 设计方案 2 华北电力人学硕士学位论文 各个无线通信节点是在原有传感器的基础上安装的通信模块，网关用于无线传 感器网络与g s m 公共网之间的协议转换和数据传递。 通信节点的功能为：接收分析仪器送来的数据或者转发其他节点的数据，上送 到网关，由网关通过g s m 公共网上送到控制室；接收网关下发的数据和命令，传 递给分析仪器，或转发给其它相关节点；与网关及邻居节点配合完成自诊断的功能。 网关的功能为：接收节点上传的数据，通过g s m 公共网上传到控制室；接收 控制室发来的数据，并下发给节点；与节点配合完成系统的自诊断功能。 本课题面向基于无线传感器网络的工业无线传输应用，所以实现系统的可靠 性、实时性和低能耗是本课题研究的主要目标，因此研究的重点也是围绕着可靠性、 实时性和低功耗而展开。 本文对无线传感器网络应用中的各种典型m a c 协议进行分析总结，在对基于 竞争的m a c 协议的研究基础上提出了一种基于有向地理转发的多路径无状态隐式 转发协议，能够很好地适应无线传感器网络的动态性，确保较高的数据传输可靠性 和较低的传输迟延。另外，在对基于调度的m a c 协议的研究基础上提出了m f t p 协议，它是一种基于多路径传输和灵活调度的t d m a 协议，既考虑了无线传感器网 络中能量、内存和带宽所受到的苛刻限制，又能够保证端到端的数据传输性能。 本文的组织结构如下： 第一章绪论，介绍了本文的研究背景、研究现状以及本文的应用背景和相关的 研究目标。 第二章无线传感器网络概述，主要包括无线传感器网络的体系结构、特点以及 相关的应用。 第三章无线传感器网络m a c 协议概述，主要介绍了各种典型的m a c 协议以 及在仿真实验中需要采用的实际链路层模型。 第四章提出了一种基于有向地理转发的多路径无状态隐式转发协议m p s i f ，给 出了仿真环境和结果，并对其性能和仿真结果进行了分析。 第五章一种基于多路径传输和灵活调度的t d m a 协议m f t p ，给出了仿真环境 和结果，并对其性能和仿真结果进行了分析。 第六章对本文所做工作进行了总结，并阐述了进一步研究内容。 华北电力大学硕十学位论文 第二章无线传感器网络概述 2 1 无线传感器网络的概念 无线传感器网络由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成 信方式形成的一个多跳自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中 被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络是多学科高度交叉的新兴前沿研 究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信 息处理技术等。无线传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之 间通过特定的协议进行自组织并协作地实时监测、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。从而真j 下实现“无处不在的计算”理念。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 ( s y s t e m o n c h i p ) 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 术等融合起来，以实现其微型化、集成化、多功能化、系统化及网络化，特别是实现无 线传感器网络特有的超低功耗系统设计。 2 2 无线传感器网络体系结构 传感器节点 图2 - 1 无线传感器网络体系结构 无线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 管理节剧刎( 如图2 1 所示) 。节点通过自组织方式构成网络，监测的数据沿着其它传 感器节点进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到达 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无线传感器网络 4 华北电力大学硕士学位论文 进行配置和管理、发布监测任务以及收集监测数据。 2 3 无线传感器网络协议体系结构 网络协议体系结构是无线传感器网络的“软件”部分，包括网络的各个协议子层。网 络协议，是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。如图2 2 所示，网络协议体系结 构由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支持技术组成【2 i 】。 应用支持技术 区圈 二三三l 蜊层圈圈 传输层 i 传输控翩 f 能 质。 网同。 移远 网络层 l 路由协议 l 量 拓扑管理 量 络络动程 管 服 管安控管 理 务 理全 翩 理 燃路层圈囤 一网回困 图2 - 2 无线传感器网络的协议体系结构图 分层的网络通信协议结构类似于传统的t c p i p 协议体系结构，它由物理层、数据 链路层、网络层、传输层和应用层组成。物理层的功能包括信道选择、无线信号的监测 和信号的发送与接收等。无线传感器网络采用的传输介质可以是无线、红外或者光波等。 物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。数据链路层的主要任 务是加权物理层传输原始比特的功能，使之对上层显现一条无差错的链路，该层一般包 括介质访问控制( m a c ) 子层与逻辑链路控制( l l c ) 子层，其中m a c 层规定了不同 用户如何共享信道资源，而l l c 层向网络层提供统一的服务接口。网络层的主要功能 包括分组路由、网络互连等。传输层控制数据流的传输，提供可靠高效的数据传输服务。 网络管理技术包括对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理。能量管 理模块负责合理有效地利用节点电源能量；拓扑管理模块负责在网络拓扑变化的情况 下，控制各节点状态的转换，保持网络通畅；q o s 支持模块通过调节网络服务，为用户 提供足够资源，以用户可以接受的性能指标工作；网络管理模块是网络故障管理、计费 管理、配置管理、性能管理的集合。除此之外还有网络安全模块、移动控制模块、远程 管理模块。 华北电力大学硕士学位论文 时间同步、节点定位，传感器网络的应用支持技术为用户提供各种应用支持，包括 以及向用户提供协调应用服务接口。 2 4 无线传感器网络的特征 无线传感器网络和无线自组织网络有相似之处，但也有很大差别【2 2 1 。无线自组织网 络是由几十到上百个节点组成、采用无线通信方式、动态组网的多跳移动性对等网络， 其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流，节点通 常具有持续的能量供给。无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统， 节点数目更为庞大( 一般上千甚至更多) ，分布更为密集；由于环境影响和能量限制， 节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化。通常情况下， 大多数传感器节点是固定不动的。传统的无线网络首要设计目标是提供高质量的服务和 高效的可用带宽，其次才考虑节省能量；而无线传感器网络的首要设计目标是能量的高 效利用，这是无线传感器网络和传统网络最重要的区别之一。 大规模网络 无线传感器网络的大规模性包括两方面的含义【2 2 j ：一方面是传感器节点分布的地理 区域很大。比如，在大面积森林采用无线传感器网络进行森林防火和环境监测，需要大 范围地部署节点；另一方面，传感器网络的节点密度大，即在一个面积不是很大的空间 内，密集地部署大量传感器节点。大规模性具有以下优点：通过不同空间视角获得的信 息具有更大的信噪比；分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个 节点的精度要求；大量冗余节点使系统具有很强的容错性能，降低对个别节点的依赖性； 大量节点能够增大覆盖的检测区域，减少空洞或者盲区。 自组织网络 传感器节点的部署一般是通过飞机在面积广阔的森林播撒或随意放置到人不可到 达或危险的区域来完成的。节点的位置不能预先精确设定，这要求节点具有自组织能力， 自行进行配置和管理。在使用过程中，部分节点会由于能量耗尽或环境因素而故障。为 了弥补失效节点、增加监测精度而将一些节点补充到网络中，使得网络中节点的个数动 态地增加或减少，网络的拓扑结构也随之变化。无线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。 可靠的网络 无线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，传感器节点可能 工作在露天环境中，遭受自然环境或人为的破坏。这就要求节点非常坚固，不易损坏， 并且适应各种恶劣环境条件。节点部署以后，由于监测区域环境的限制以及节点的数目 巨大，网络维护十分困难甚至不可维护，而无线传感器网络的通信安全性十分重要，要 防止监测数据被盗取和获取伪造的干扰的检测信息。因此，无线传感器网络的软硬件都 6 华北电力火学硕士学位论文 必须具有鲁棒性和容错性，使无线传感器网络成为可靠的网络。 以数据为中心的网络 无线传感器网络是任务型的网络，网络中的节点采用编号标识。由于节点随机部署， 网络具有动态性，节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用无线传感器网络时，直 接把关心的事件通告给网络，而不是某个节点。网络在获得确定事件的信息之后汇报给 用户。所以通常称无线传感器网络是以数据为中心的网络。其基本思想是：把传感器视 为感知数据流或感知数据源，把无线传感器网络视为感知数据空间或感知数据库，把数 据管理和处理作为网络的应用目标。 应用相关的网络 不同的应用背景对无线传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议 都有很大差别。所以无线传感器网络对不同的应用虽然存在一些共性问题，但在开发无 线传感器网络的过程中，更关心的是差异。针对每一个具体的应用来研究无线传感器网 络技术，让系统更贴近应用，才能做出更高效的目标系统。 2 5 无线传感器网络的应用 无线传感器网络使人们在任何时间和任何环境条件下都能够获取大量详尽可靠的 数据信息，因此可以广泛应用于国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生等众多领域。 1 ) 军事应用。军事应用是无线传感器网络的主要应用领域之一。无线传感器网络 的自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中损坏而导致整个系统的崩 溃。这个特性使无线传感器网络非常适用于环境恶劣的战场，包括监控我军兵力、装备 和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、 生物和化学攻击。 2 ) 环境监测和灾害预报。无线传感器网络为野外数据采集提供了方便，因此成为 地理及生态环境监测的有力手段。如监测预报山体滑坡、泥石流、火山爆发，可以降低 甚至避免自然灾害带来的损失；监测气候环境、土壤环境等变化，可以起到对农业生产 有利的影响；跟踪候鸟和昆虫的迁移，为环境科学研究做出贡献；监测桥梁、水利设施 的微小变化，可以为桥梁等重要设施的状态评估提供依据。 3 ) 医疗健康。利用无线传感器网络长时间收集人的生理数据，可以加快新药品的 研究过程；而在一些有发病隐患的病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率、血压 等监测设备，医生就可以在远端随时了解被监护病人的病情，进行及时处理和救护。 4 ) 建筑及城市管理。各种传感器可以方便灵活地布置在建筑物内，获取室内环境 参数，为居室环境控制和危险报警提供依据。在智能家居的应用中，布置于房间内的温 度、湿度、光照和空气成分等传感器，可以感知居室不同方位的微观情况，从而对空调、 门窗以及其他家电进行自动控制，给人们提供智能化的、舒适的居住环境；在建筑安全 7 华北电力大学硕士学位论文 的应用中，布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力和辐射等传感器，可 以发现异常事件并及时报警，同时自动启动应急措施；在智能交通的应用中，布置于道 路上的速度、识别传感器可监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，发现违章情 况能及时报警和记录。 5 ) 空间探索。无线传感器网络在空间探索中也开始发挥作用，可以用航天器在太 空撒播一些传感器节点，对星球表面进行长时间的监测。n a s a 的j p l ( j e tp r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ，喷气推进实验室) 研制的s e n s o rw e b s 就是为将来的火星探测所进行的技术 准备，s e n s o rw e b s 目前已在佛罗罩达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。 2 6 总结 本章介绍了无线传感器网络的概念，描述了网络体系结构、网络协议体系结构，并 叙述了无线传感器网络的特征，最后简述了无线传感器网络广泛的应用领域。 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章无线传感器网络m a c 协议概述 3 1m a c 协议概念 介质访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议的设计是无线传感器网络 的关键技术之一。m a c 协议的基本任务是管理节点对共享网络介质的接入，通常要 保证特定的性能或与应用相关的性能得到满足，例如迟延、公平性等。对于无线传 感器网络来说，能耗是首要考虑的因素。m a c 协议决定了无线信道的使用方式，通 过在传感器节点之间分配和共享有限的无线通信资源，构建起无线传感器网络通信 系统的底层基础结构，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。 3 2 影响m a c 协议的主要因素 无线传感器网络的强大功能，是通过众多资源受限的网络节点之间的协作实现 的。由于节点无线通信的广播特性，节点之间的信息在局部范围内传递，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。 无线传感器网络的m a c 协议设计，需要根据应用的要求考虑以下的网络性能问题。 ( 1 ) 能效性。能效性是无线传感器网络m a c 协议最重要的一项性能指标。无 线传感器网络的节点一般采用电池提供能量，并且电池能量难以补充和更换。因此， 在设计无线传感器网络时，有效利用节点的能量，尽量延长网络节点的生存时间， 是设计网络各层协议都要考虑的一个重要问题。在节点的能量消耗中，无线收发装 置的能量消耗占绝大部分，而m a c 协议直接控制无线收发装置的行为，因此m a c 协议的能效性直接影响网络节点的生存时间和网络寿命。 ( 2 ) 可扩展性。可扩展性是指m a c 协议适应网络大小、拓扑结构、节点密度 不断变化的能力。由于节点数目、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，而且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。所以，m a c 协议应具有可扩展性，以适应这种动态变 化的拓扑结构。 ( 3 ) 冲突避免。冲突避免是m a c 协议的一项基本任务。它决定了网络中的节 点何时、以何种方式访问共享的传输介质和发送数据。在无线传感器网络中，冲突 避免的能力直接影响节点的能耗和网络性能。 ( 4 ) 信道利用率。信道利用率反映了网络通信中信道带宽的使用情况。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 9 华北电力大学硕士学位论文 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数量是由一定的应用任务所决定 的，所以信道利用率在无线传感器网络中处于次要的位置。 ( 5 ) 传输迟延。传输迟延是指从发送端开始向接收端发送一个数据包，直到 接收端接收这一数据包所经历的时间。在无线传感器网络中，传输迟延的重要性取 决于网络的应用。 ( 6 ) 吞吐量。吞吐量是指在给定的时间内发送端能够成功发送给接收端的数 据量。网络的吞吐量受到许多因素的影响，比如冲突避免机制的有效性、信道利用 率、传输迟延、控制开销等。和数据传输的迟延一样，吞吐量的重要性也取决于无 线传感器网络的应用。在无线传感器网络的许多应用中，为了获得更长的节点生存 时间，允许适当牺牲传输迟延和吞吐量等性能指标。 ( 7 ) 公平性。公平性通常指网络中各节点和用户应用平等共享信道的能力。 在传统的语音、数据通信网络中，它是一项很重要的性能指标。因为网络中每一个 用户，都希望拥有平等发送、接收数据的能力。但是在无线传感器网络中，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，某个节点相比于其他节点 拥有更多的数据需要传送。因此，公平性往往用网络中某一应用是否成功实现来评 价，而不以每个节点平等发送、接收数据的能力来评价。 以上性能指标反映了m a c 协议的特性。与传统网络的m a c 协议重点考虑节点 使用带宽的公平性、提高信道利用率以及增加网络的实时性等因素正好相反，能效 性是设计无线传感器网络m a c 协议时首要考虑的性能指标；其次是协议的可扩展 性和适应网络拓扑变化的能力；而其他的网络性能指标如迟延、信道利用率等，需 要根据应用要求进行折衷。所以传统网络的m a c 协议，并不适用于无线传感器网 络。 3 3 无线传感器网络m a c 协议设计原则 在无线传感器网络中，节点的能量有限并且难以补充。所以，为了保证长期有 效工作，m a c 协议以减少能耗、最大化网络生存时间为首要设计目标；其次，为了 适应节点分布和拓扑变化，m a c 协议需要具备良好的可扩展性。而传统无线网络关 注的实时性、吞吐量及信道利用率等性能指标成为次要目标。此外，无线传感器网 络节点一般属于同一利益实体，应该为系统优化做出一定的牺牲，因此，能量效率 以外的公平性一般不作为设计目标。主要设计原则如下： ( 1 ) 能量受限。w s n 的基本特征就是能量受限。在无线传感器网络中，尤其 是对于大范围传输以及当无线电接收者要时刻保持活跃时，传感器的能量主要消耗 在媒介接入。无线电传输者的输出功率和距离的平方成正比并且很容易在噪音环境 l o 华北电力大学硕士学位论文 中进行放大。为了使传输能量最优，能量感知路由一般会执行多跳路径。m a c 协议 要尽可能地节省能量，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。协议中还应包括折衷机制，使用户可以在节能、提高吞吐量和降低 迟延之间做出权衡。另外，利用大部分可以利用的频率段来减少传输时间。当节点 空闲或完成通信时，把无线电转为低功耗休眠模式，避免在活跃和休眠时额外的状 态切换来节省传输能量和接收能量。 ( 2 ) 适应性。w s n 通常针对具体应用，尽管存在许多典型应用，但不同的应 用模式在网络中使用时，会展现出其特殊性。在某些无线传感器网络中，流量密度 随时间的变化和从网络的一部分到另一部分的变化都很明显。这些对于时间触发和 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。在典型的基于查询的 网络操作中，传感器只在回复要求时发送，否则只产生很少的流量。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，如果在路径上的融合节点是固定的并且数据的传 输是多对一方式，例如，平均若干信息，那么流量模式将不会变化。然而，在可应 用的情况下一般都会采用数据融合，这就会造成流量的可变性。例如，消除冗余和 过滤重复数据可以减少资源浪费。毫无疑问，主要依靠传感器和检测事件的类型选 出无用信息。m a c 协议应该适应流量的高起伏和允许媒介接入调度来高效处理爆发 的高优先级通信流，同时适应基于网络流量模式的可靠的网络类型。 ( 3 ) 分布式和可扩展性。由于网络的范围大以及单个节点不稳定，大部分无 线传感器网络中运行的算法是分布式的，所以m a c 层设计需要充分考虑分布式算 法。另外，大部分处于无人照看模式的传感器网络应用包括大量的节点，因此，协 议的可升级性非常关键。资源，如时间和带宽，共享方法和仲裁机制允许公平的媒 介接入和阻止多余的冲突。另外，大量的通信节点给一些m a c 机制，如c d m a 强 加了限制。在大部分传感器网络中，节点转播其他传感器的数据，甚至可以实现数 据融合。实现一个纯c d m a 机制需要传感器储存许多编码序列，这对计算资源非常 有限的微传感器设备来说是不实际的。链路层协议的可扩展性受网络结构和路由方 法的影响。分层网络结构允许使用多源共享策略，并把网络流定型为链路层可以使 用的模式。 ( 4 ) 实时性和可预测性。无线传感器网络通常是部署在一个实际的物理环境 中，需要和环境进行交互。因此实时的检测、处理和传递信息是不可或缺的。传感 器网络有许多应用，比如目标追踪需要对数据传输迟延加以限制。在节点层，一个 合适的包分类和优先权机制是区分服务的基础，区分服务允许延迟集中处理丢失 o u t g o i n g 的包。在网络层，需要完备定义和容易驱动的策略来阻止中间节点竞争媒 介而造成竞争，这会使包传输和接收的时间变得不确定。例如，基于冲突的媒介仲 1 1 华北电力大学硕士学位论文 裁机制如c s n i a 并不适用于大而稠密的传感器网络，因为它会带来很大的时延。 ( 5 ) 可靠性和稳定性。在无线传感器网络中，丢包主要是由缓冲器溢出和信 号干扰造成的。路由协议和m a c 协议负责避免缓冲器溢出，可利用路由间均衡负 载来降低转发节点的流量缓冲器达到最大容量的可能性。同时，媒介仲裁机制决定 了缓冲器管理机制并且需要保证发送数据流的服务速率。可以通过使用高传输功率 和阻止节点间媒介接入而导致的竞争来最小化信号干扰造成的丢包。 无线传感器网络m a c 协议的设计不仅仅需要注意这些设计目标和准则，而且 还要在这些衡量标准中取得一个很好的平衡，这比提高单个性能更重要。例如，一 个m a c 协议可以使用灵巧的方案来节省能量，但是这个方案并没有考虑到其他的 衡量标准，如保证包传送的实时性或者可靠性，这样一来，不仅损害了在其他标准 衡量下的性能，而且反过来使节能性急剧恶化。假如节点的收发器过于频繁地关闭， 将造成一些丢包和更多的重传，导致更多的能耗。 3 4 无线传感器网络m a c 协议的关键技术 无线传感器网络节能m a c 协议设计需要综合考虑业务特点、能耗、网络能力 等因素，以实现不同角度的节能策略。 传感器节点的体积微小，以电池供电，所以能量资源和工作能力都十分有限， 加之无线传感器网通常应用于环境复杂的无人区，不可能通过更换电池来补充能 量，因此如何高效、节约地利用传感器节点的能量是无线传感器网需要解决的首要 难题，也是在设计m a c 协议时必须考虑的首要因素。 传感器节点消耗的能量主要源自三方面：感知、处理和通信，其中通信消耗的 能量所占的比例最大。节点通信时的状态分为四种：发送、接收、空闲和休眠【l9 1 。 从图3 1 中不难看出休眠状态时节点消耗的能量最少，且远小于前三种状态时消耗 的能量。因此只要让暂时不需要工作的节点尽快转入休眠，就能大大减少传感器网 络的能量消耗。此外，无线传感器网络中通常部署大量传感器节点，节点密集程度 较高，如果所有节点都工作，既会带来不必要的能源浪费，又会在收集数据时存在 高度的相关和冗余，甚至在传送数据时还会发生冲突，因此网络中只需部分节点工 作，其余节点都进行休眠。 综上所述，休眠机制是无线传感器网络中一种有效的节能方式。 1 2 华北电力人学硕+ 学位论文 3 4 1 休眠机制 加 1 5 功 耗i o m w 5 发送 接收空闲休眠 图3 1 传感器节点的能量消耗情况 传感器节点无线通信模块的状态包括发送状态、接收状态、侦听状态和休眠状 态。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，在休眠状态消耗能量最少，接收状态和侦听状态下的能量消耗稍小于发 送状态。基于上述原因以及无线传感器网络业务量小的特点，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“侦听休眠”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 点控制无线通信模块进入休眠状态，从而减少空闲侦听造成的能量消耗。为了使节 点在休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 侦听和休眠的周期，同时休眠或激活。 引入休眠机制虽然可以节省可观的能量开销，但会对协议性能，如时延、吞吐 等，产生很大影响，设计协议时需要根据网络的具体要求选择不同的方式，在协议 性能和能效性之间做出最佳折衷。 3 4 2 冲突避免和回退机制 无线传感器网络具有以下三个特性： 无线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，通常在监测区域内部署大量传感器节点。当一个事件发生时，多个邻近节点会 同时监测到该事件，这些邻居节点因而会形成事件检测的空间相关性。无线传感器 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发送 消息，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。 不是所有节点都需要报告事件。在很多无线传感器网络的应用中，并不是所 有监测到事件发生的节点都需要发送消息，只要这些节点中的一部分发送消息到 1 3 华北电力大学硕十学位论文 s i n k 节点就足够了。 感知事件的节点密度随时间变化。由于无线传感器网络由大量节点组成，网 络内的节点密度会随着时间的推移发生变化。当目标进入监测区域后，监测到目标 的节点数目会随着时间或目标的移动而不断变化。 上述三个特性造成了无线传感器网络中碰撞概率的动态变化，需要合理地选择 竞争窗大小，使节点既不会浪费过多的载波侦听时间，也不会出现严重的冲突。为 了增加无冲突发送的概率，选择发送时刻的方式主要有两种： 固定竞争窗：节点在【0 ，c w 】内随机选择发送时刻，然后开始侦听信道。若在 侦听期间没有其他节点占用信道，节点立即发送数据。否则，在信道空闲后在相同 的c w 内重新选择发送时刻。 节点选择某一发送时刻的概率可以是相等的，如s - m a c ，也可以按照某种设计 要求赋予不同时刻不同的发送概率，如s i f t 2 3 j 。 动态调整竞争窗：设定最小竞争窗c w m i n 和最大竞争窗c w m a x ，节点侦听 信道期间如果有其他节点占用信道，则按照某种方式增加竞争窗的值，并在新的竞 争窗下选择发送时刻，如i e e e 8 0 2 1l 。 设计协议时应针对不同应用环境下的业务特点、性能要求以及节点的实际存储 计算能力选择合适的机制，尽最大可能降低碰撞的发生。 3 5 无线传感器网络现有的m a