（模式识别与智能系统专业论文）能量有效的移动无线传感器网络mac协议研究.pdf

一j i薹碡t， ；产t 。_打； 中文摘要 f | f f y 17 8 9 4 8 5 ” 无线传感器网络是一种特殊的自组织网络，具有广泛的应用前景。介质访问控制 ( 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，其性能好坏直接关 系到无线信道的利用效率和整个网络的性能。因此，研究适用于无线传感器网络的m a c 协议具有重大的理论及实践意义。 在一些实际应用环境当中，节点总是处在移动中，但现有的m a c 协议大都是基于 节点处在静止状态这一前提下设计的。而对于移动无线传感器网络而言，当节点移动到 一个新的簇内时，它需要及时能量有效地适应相对应虚拟簇的监听睡眠调度。本文针对 移动无线传感器网络m a c 协议进行研究和设计，在s - m a c 协议的基础上，提出了一 种能量有效的移动无线传感器网络的m a c 协议( e m m a c ) 。 本文针对典型的无线传感器网络m a c 协议做了分析对比以及其对移动性的支持程 度分析研究，总结各自的不足之处，为研究适用于移动无线传感器网络的m a c 协议奠 定了基础。 本文设计的e m m a c 协议，首先对同步包增加了新的区域，从而能够判断出节点 的移动方案，然后采用能量有效地二次监听和灵活的调度自适应两个主要方法，并且利 用在虚拟簇之间边界节点的调度信息，进而实现移动节点更有效的、更快速的监听睡眠 调度自适应。 通过n s 2 仿真实验表明：在移动无线传感器网络中，e m m a c 协议比s m a c 协议 在能量有效性、延迟、吞吐量性能方面有较好的提高。 关键字：移动无线传感器网络；m a c 协议；能量有效性；二次监听；调度自适应 一 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sas p e c i a lk i n do fs e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k st h a t h a saw i d er a n g eo fp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o li s ak e yp r o t o c o l ，w h i c hi s r e s p o n s i b l ef o rt h eh i g he f f i c i e n c yo f c o m m u n i c a t i o ni nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l e n e t w o r k sa n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ew i r e l e s sc h a n n e l su t i l i z a t i o nm o s t l yl i eo nt h e p e r f o r m a n c eo fm a cp r o t o c o1 i np r a c t i c e ，t h en o d e sa r ea l w a y sm o v i n g ，t h ed e s i g no fm a c p r o t o c o l si n t h ep a s ta s s u m e dt h a tn o d e sa r ea tt h es t a t i c h e n c e ，w h e nam o b i l es e n s o rn o d e m o v e si n t oan e wv i r t u a lc l u s t e r , i tn e e d st oa d a p tt ot h e l i s t e n s l e e ps c h e d u l eo f t h ec o r r e s p o n d i n gv i r t u a lc l u s t e ri nat i m e l ya n de n e r g ye f f i c i e n tm a n n e r t h i s p a p e rr e s e a r c h sm o b i l ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sm a c p r o t o c o l ，a n dd e s i g n sa n e n e r g y e f f i c i e n tm a cp r o t o c o lf o rm o b i l es e n s o rn e t w o r k s ( e m m a c ) w h i c hi s ai m p r o v e dp r o t o c o lb a s e do ns - m a c t h i sp a p e rd e s i g n sa n d c o m p a r e st h et y p i c a lm a cp r o t o c o l ，t h e na n a l y s i s e s t h em o b i l i t y s u p p o r td e g r e ea n ds u m m a r i z ew e a k n e s s ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o n t or e s e a r c ht h em a c p r o t o c o l st h a ta p p l yt om o b i l ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h ee m m a c p r o t o c o ld e s i g n e di nt h i sp a p e r , f i r s t l yi n c r e a s e sn e wa r e ai n s y n c h r o n i z a t i o np a c k e t s w h i c hc a nd e t e r m i n et h em o v e m e n tp r o g r a mo ft h e n o d e t h ep a p e rc o n s i s t so ft w om a i nf u n c t i o n s ：e n e r g ye f f i c i e n ts e c o n d a r y l i s t e np e r i o da n ds m a r ts c h e d u l i n ga d a p t a t i o n a n du t i l i z e ss c h e d u l ei n f o r m a t i o n o nb o r d e rn o d e sb e t w e e nv i r t u a lc l u s t e r s t h i sa l l o w su st oi m p l e m e n tf a s ta n d e n e r g ye f f i c i e n tl i s t e n s l e e ps c h e d u l ea d a p t a t i o nf o rm o b i l en o d e s si m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a te m m a cp r o t o c o l c a np r o v i d eab e t t e r p e r f o r m a n c et h a ns - m a ci nm a n g ya s p e c t ss u c ha st h ee n e r g ye f f i c i e n c y 、 e n d t o e n dd e l a ya n dt h r o u g h p u ti nt h em o b i l ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s k e y w o r d s ：m o b i l ew i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s ；m a c p r o t o c o l ；e n e r g y e f f i c i e n c y ；s e c o n d a r yli s t e n ；s c h e d u l ea d a p t a t i o n i l l l v 目录 第一章引言1 1 1 研究背景与意义1 1 2 研究现状1 1 3 论文研究的内容及组织2 第二章无线传感器网络5 2 1 无线传感器网络概述5 2 1 1 无线传感器网络的定义及系统结构5 2 1 2 无线传感器特点及性能指标6 2 2 无线传感器网络协议体系结构8 2 2 1 网络通信协议分层9 2 2 2 传感器网络自组织管理技术9 2 2 3 无线传感器网络的核心支撑技术1 0 第三章无线传感器网络m a c 协议13 3 1 无线传感器网络m a c 协议概述1 3 3 1 1 无线传感器网络m a c 协议设计原则1 3 3 1 2 无线传感器网络m a c 协议分类1 4 3 2 无线传感器网络m a c 协议分析以及对移动性支持分析1 5 3 2 1 基于竞争机制的m a c 协议1 6 3 2 2 基于调度的m a c 协议2 0 3 2 3 混合型m a c 协议2 2 3 3 典型的移动无线传感器网络协议分析2 4 3 3 1m s 。m a c 协议一2 4 3 3 2m o b m a c 协议2 5 3 3 3m m a c 协议2 6 3 4 小结2 7 第四章移动无线传感器网络m a c 协议设计2 9 4 1 相关工作2 9 4 2e m m a c 协议设计3 0 v 4 2 1 同步包的设计3 0 4 2 2 能量有效的二次监听3 l 4 2 3 灵活的调度自适应3l 第五章性能测试与评估3 5 5 in s 2 介绍3 5 5 1 1n s 2 的软件体系结构3 5 5 1 2n s 2 仿真原理3 6 5 1 3n s 2 网络模拟方法与过程3 6 5 2 性能测试对比3 7 第六章总结与展望4 1 6 1 全文总结4 l 6 2 未来展望4 1 参考文献4 3 致谢4 7 攻读学位期间发表的学术论文目录4 9 v 1 第一章引言 第一章引言 1 1 研究背景与意义 近几年来，无线传感器网络l l , 2 1 ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) 成为无线通信领 域一种新兴的研究方向，吸引了很多研究者的关注。这种网络是由大量密集分布的无线 传感器节点构成，节点之问通过无线自组织的方式互相连接。虽然总的说来它是一个无线 网络，具有一般无线网络的基本传输机制，然而与普通的无线局域网和无线自组织网络 不同，w s n 是一个集成了监测控制与无线通信的综合网络，被广泛应用于目标跟踪、 医疗监测、军事战场、智能建筑等多种场合。空气是无线网络的共享传输介质，对于它 的访问控制将直接影响到网络的整体性能。传统介质访问控制协议( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ，m a c ) 不适合直接用于无线传感器网络中，因此，设计新的m a c 协议也就成 为当前无线传感器网络研究的一个热点问题。 无线传感器网络的发展无论是在国家安全，还是国民经济诸方面均有广泛的应用前 景。未来，传感器网络将向天、空、海、陆、地下一体化综合传感器网络的方向发展， 最终将成为现实世界和数字世界的接口，深入到人们生活的各个层面，像互联网一样改 变人们的生活方式。因此针对无线传感器网络m a c 协议，研究出大容量能源、高效、 高可靠的m a c 协议，作为研究的一部分具有深刻的意义和内涵。 1 2 研究现状 w s n 起源于美国，根源可追溯到1 9 7 8 年由国防部高级研究计划署( d a ) a ) 在卡 内基梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。 具有代表性的项目包括：1 9 9 3 1 9 9 9 年间由美国国防高级研究计划署( d a r p a ) 资助， 加卅f 大学洛杉矾分校( u c l a ) 承担的w i n s 项目：1 9 9 9 2 0 0 1 年间由d a p r a 资助 u cb e r k e l e y 承担的s m a r td u s t 项目。1 9 9 8 2 0 0 2 年d a r p a 资助，加州大学伯克利分校 等2 5 个机构联合承担的s e n s l t 计划；1 9 9 9 2 0 0 4 年间海军研究办公室的s e a w e b 计划等。 中国的一些研究机构近年开始研究：中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、 上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位。 不论是国内还是国外，当前w s n 的研究越来越受人关注，m a c 协议足保证无线传 感器网络高效通信的关键网络协议之一，相继提出了很多m a c 协议。起初能量有效性 是设计无线传感器网络m a c 的首要考虑因素，当然m a c 协议的研究也从相应的节能 策略出发，如自组织网的m a c 协议策略。y ew e i 等人在8 0 2 1 ld c f 基础上提出了 s m a c 协议1 3 , 4 1 引入了周期性休眠策略，达到节省能耗的目的。随着研究逐步深入，以 1 能量有效的移动无线传感器网络m a c 协议研究 及应用环境越来越具体，网络之间存在很大的差别，随后提出很多改进协议，适用于特 殊业务以及与节能相结合。继s - m a c 协议之后，t v d a m 等人提出t - m a c 协议【5 】，采 用自适应调整占空比的方法，更进一步节约了能量。这两个协议又有其局限性，在延迟 和带宽利用率方面性能不好，z h e n gt 等人在此基础上提出了p m a c 协议【6 l ，节点根据 自身的数据流量和其邻居的测量模式自适应地调整周期性调度方式的占空比，能够提供 更小的延迟和更高的带宽利用率，以及更高的能量效率。像c s e ms a 的研究人员提出 的w i s e m a c 协议【7 】是为w i s e n e t 低功耗无线传感器网络平台而设计。在一些网络中， 节点面临着与空间相关的问题，因此，m i d 研究人员提出了s i f t 协议f 8 1 ，提高了事件消 息的实时性和网络的带宽利用率。上述的几个协议是采用的竞争机制，必然会引起冲突， 因此，研究人员采用t d m a 、c d m a 、f d m a 、或s d m a 等技术提出了一些分配性协 议。针对规模庞大、节点移动不强且能量有限的传感器网络应用，u c l a 的研究人员提 出了s m a c s 协议架构【，】，减少了空闲监听和串扰，提供了较好的能量效率。v r a j e n d r a n 等人在n a m a 基础上提出的t r a m a 协议【l o 】，引入睡眠机制，不仅能够保证能量效率， 而且对带宽利用率、延迟和公平性也有支持。根据汇聚树的特点，u s c 的研究人员提出 了d m a c 协议【1 ，采用预先分配的方法来避免睡眠延迟。由于竞争性与分配性协议都 有其优缺点，基于此，i b a o 等人提出一种混合型z m a c 协议1 1 2 】，实现了性能的整体提 升。考虑到实际应用环境中节点的移动，再加之过去的研究的m a c 协议大部分都是假 设节点处于静止的情况下，目前针对这种情况提出的协议很少，h u a np h a m 提出的 m s m a c 协议【乃1 ，在有节点移动情况下，提供了较好的性能，但是由于过度的邻居发 现消耗过多能量。m u n e e ba l i 等人在t r a m a 协议基础上提出m m a c 协议【1 4 】，在各性 能方面有较好提升，但时隙分配的要求精密，设计起来比较复杂。科技不断提高，移动 节点的出现，以及实际环境的应用，其网络形式也不同于传统的自组织网络，从而出现 了考虑其他因素的所设计的m a c 协议，因此需要进一步深入研究。当前研究移动无线 传感器网络m a c 协议成为一种趋势，因为实际的环境当中节点不是静止的，但是针对 移动无线传感器网络的m a c 协议设计还不多，因此研究针对移动无线传感器网络m a c 协议对未来无线传感器网络的发展很关键。 1 3 论文研究的内容及组织 本文在低占空比s - m a c 协议基础上，设计一种m a c 协议适合于移动无线传感器 网络。利用边界节点调度信息，进行能量有效地二次监听，灵活调度白适应。在能耗、 延迟等性能方面有很好的提高，更适合实际应用环境当中。 论文组织如下： 厶 第一章引言 第一章：引言，主要介绍了本课题研究的背景、现状、意义及论文的主要内容和组 织结构。 第二章：无线传感器网络，主要介绍了无线传感器网络的概念、系统结构、特点、 性能指标及协议体系结构。 第三章：无线传感器网络m a c 协议概述，主要介绍了当前无线传感器网络m a c 协议的进展，对几个典型的m a c 协议分析对比以及他们对移动性的支持程度。 第四章：移动无线传感器网络m a c 协议设计，主要介绍了本文设计的针对移动无 线传感器网络m a c 协议。 第五章：性能测试和评估，主要对设计的移动无线传感器网络m a c 协议进行仿真、 性能测试，通过与其他协议的对比，评估其优越性。 第六章：对本论文的设计的重点与创新进行总结，并进行展望，为了更深入的研究。 3 能量有效的移动无线传感器网络m a c 协议研究 4 第二章无线传感器网络 第二章无线传感器网络 2 1 无线传感器网络概述 无线传感器网络【l ，z 1 是综合了无线通信技术、传感器技术、嵌入式技术等技术，成 为当前国际上热点研究方向。w s n 中各种集成化的小型传感器合作地实时检测、信息 采集、数据处理以及无线通信等功能，并且利用无线通信组成了一个单跳或者多跳的自 组织网络系统。因此实现了物理世界、计算世界、与人类社会的交互。无线传感器网络 在目标入侵检测、目标跟踪、环境检测、医疗健康、军事国防等许多重要领域具有广阔 的应用前景。 2 1 1 无线传感器网络的定义及系统结构 w s n 就是由部署在监测目标区域内很多的便宜微型传感器节点构成，以无线通信 的方式形成一个白组织的多跳的网络系统，其目的是节点之间相互协作地感知、采集与 处理所监测对象的信息，并传送给监侧者川。 图2 1 所示为一个典型的传感器网络的系统结构，包括分布式传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、接收发送器、互联网与用户界面等1 2 ，翔。其中，传感器网络节点基本是由传感单 元、处理单元、通信单元( 由无线通信模块组成) 与电源。而传感单元是有由传感器和 a c d c 组成，处理单元包括嵌入式操作系统、c p u 、存储器等，无线通信模块构成了通 信单元。另外，还有移动系统、定位系统与电源自供电系统等功能单元。 5 能量有效的移动无线传感器网络m a c 协议研究 图2 1 传感器网络的系统结构和节点构成 f i g2 1w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks t r u c t u r ea n ds e n s o rn o d ea r c h i t e c t u r e 2 1 2 无线传感器特点及性能指标 无线传感器网络特点如下1 1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 1 ： 1 、传感器节点体积小，计算能力弱。 节点因为价格、体积与功能有一定的局限，其程序空间、计算能力和内存空间与普 通计算机功能相比要弱很多。这一方面决定了在设计节点操作系统中，协议层次需要简 单。 2 、传感器节点能量有限，通信能力有限。 传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。且由于其分布环境和数量等 因素的约束，通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。 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。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。另外传感器网络更多地受到高山、 6 第二二章无线传感器网络 建筑物、障碍物等地势地貌以及风阿雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离 网络，离线工作。 3 、自组织性。 传感器节点的位置一般不能预测的，无需依赖任何预设的网络设施，节点之间一开 始也并不知道，通常节点的部署是采用抛洒的方式，节点通过分层协议和分布式算法协 调各自的行为，节点开机后就可以快速、自组织地组成一个独立的网络。 4 、动态拓扑结构。 节点的电池能量消耗完或者其他故障就会退出网络，因为任务的需要，节点可能移 动或有新的节点加入到网络中，这些将会导致网络拓扑结构发生改变。所以传感器网络 系统要能够适应这些变化，具有动念系统的重构性。 5 、无中心的网络。 在无线传感器网络中，控制中心不是很严格，全部节点的地位是平等的，可称为对 等式网络。节点能够任意进入或者离开网络，整个网络的运行不受影响，具有一定的鲁 棒性。 6 、可靠性。 鉴于传感节点数量巨大再加上监测区域环境复杂性，人为的照顾每个传感节点是不 可能，也是不现实的，网络的维护工作十分艰巨甚至无法维护。 无线传感器网络性能指标如下【1 6 j ： l 、低功耗。 传感器是采用的钮口电池供电，能量十分有限，频繁更换电池很难实现。因此在无 线传感器网络应用中，对低功耗的要求一般都远远高于目前已有的蓝牙等无线网络。 2 、低成本。 在一些无线传感器网络应用当中，如在廉价的或一次性产品中，或在网络中用大量 的节点，这时，成本是我们考虑的一个重要因素。 3 、世界范围通用性。 目前提出的许多无线传感器网络应用都暗含网络在全球范围内都能正常运行的要 求。为了扩大内置无线传感器网络设备产品的生产量、市场占有率和销售量，提高产品 的配送效率，并且避免出现区域性标准，我们要求设备具有全球通用性。 4 、网络类型。 传统的只有一个宅设备和一个或多个从设备的星型网络能够满足很多应用的要求。 但是凶为网络设备的发射功率收到政府管理规章和电池寿命的限制，采用这种网络设计 7 能量有效的移动无线传感器网络m a c 协议研究 方法时，网络的物理区域必然受到限制。而无线传感器刚络规模很大，必须采用支持多 跳路由的网络类型。 5 、安全性。 无线传感器网络的安全问题包括两个同样重要的方面：网络的实际安全性以及用户 对网络安全性的感觉。安全不仅仅是信息加密的问题，还有消息验证和完整性校验，方 法是在发送的消息中添加一个与消息和发送者有关的消息完整性代码。 关于安全性，无线传感器网络设计者面临3 个问题： 消息完整性代码的长度及安全计划，必须与所传输的数据的典型长度相平衡， 还必须考虑到减少发送消息的长度的要求。 为了降低网络设备的成本，安全功能的实现必须采用廉价的硬件，包括使用尽 可能少的逻辑门电路、随机访问存储器和只读存储器。 最难解决的问题或许还是密钥分发的问题。 6 、数据吞吐量。 吞吐量就是在给定的时间内，流入、处理和流出系统的信息的速率。与蓝牙、无线 个域网及无线局域网相比，无线传感器网络对数据吞吐量的要求很低。 7 、消息延迟。 无线传感器网络对服务质量( q o s ) 要求不高，因为一般来说它们不支持实时或同 步通信，而且它们的数据吞吐量有限，这决定了他们不能传输实时的视频信息，在多数 应用系统中也不支持音频传输。因此，较之其他无线个域网，无线传感器网络对消息延 迟的要求很低，在许多应用系统中，延迟几秒甚至几分钟都可接受的。 8 、机动性。 无线传感器网络应用系统一般来说不要求机动性，因此无线传感器网络没有连通路 由查找问题，所以用于网络控制的开销小一些，而且与移动a dh o e 网络相比可采用更简 单的路由方法。 2 2 无线传感器网络协议体系结构 随着传感器网络的研究的深入，网络协议体系结构【l 1 ，有的也称作协议栈，是网 络协议分层及网络协议的组成，定义与描述了网络机器部件所具有的功能。无线传感器 网络的协议体系结构和传统的网络之间有差别。在文献 1 7 】中，网络协议体系结构是由 分层的网络通信协议、传感器网络管理与应用支撑技术三部分构成。如图2 2 所示： 8 第二章无线传感器网络 应用支撑技术 分布式协同应川服务接口 分布式网络管理接口 应h j 层 时f n j 同步1 了点定位 能 网 网 移 远 传输层 传输控制 l l q o s 络络动 程 里 支 管安 控 控 管 拓扑管理 持 网络层 l 路由控制 理 理 全 制 制 i 据链路劂媒体访问控制 i 拓扑 l ll 物理层 i 窄带| i 扩频0 超宽带技术1 分层网络协议传感器网络管理技术 图2 2 无线传感器网络体系结构 f i g 2 2w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e 2 2 1 网络通信协议分层 通过图2 2 可以看出网络协议分为五层：物理层、数据链路层、网络层、传输层和 应用层。各层功能如下： 物理层主要包括窄带、扩频和超宽带技术，实际也是信号调制和无线收发技术， 设计的目标以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。 数据链路层又可分为媒体访问控制( m a c ) 子层和逻辑链路控制子层，主要是 负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。 网络层的主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等。 传输层负责传输数据流的传输控制，是保证通信质量的重要组成部分。 应用层主要包括基于检测任务的应用软件【t 1 8 j 。 2 2 2 传感器网络自组织管理技术 无线传感器网络的白组织管理技术主要包括节点管理、资源与任务管理、数据管理 以及无线传感器网络的部署、初始化和维护管理等。 节点管理：节能是无线传感器网络设计中首要考虑的因素。从节点的角度考虑，主 要有两种：使节点尽可能长时问处于低能耗状态或者适量尽量低的冲突概率。节点的管 理控制着节点的休眠唤醒机制以及节点的功率管理机制等，它控制着节点对能量的使 用。 资源与任务管理：无线传感器网络中，资源的利用与任务的执行是紧密联系在一起 o 能量有效的移动无线传感器网络m a c 协议研究 的。能量资源比较受限和网络环境动态多变等其它因素的影响下，必须进行资源与任务 管理，通过有效地发现和使用网络内的计算和通信带宽等资源来实现网络全局性能的优 化，以及有效地分配网络的任务，将特定的任务调度到最合适的节点上执行，在保证网 络负载均衡的同时实现对资源的有效分配。 数据管理：无线传感器网络中产生的测量数据构成集合，类似于一个大型的分布式数 据库，因此必须通过无线传感器网络数据管理系统软件进行数据管理。这样能够高效的 管理传感数据，而且把传感器网络的物理实现和数据的逻辑视图分离丌来，并且为用户 提供方便、易用的应用接口。具有代表性的传感器数据管理模型有，t i n y d b 、c o u g a r 和d i m e n s i o n s 系统。基本方法包括数据模式、数据存储、数据索引和数据查询。 部署、初始化和维护管理：由于每个节点感知范围相当有限，多个节点必须协作形 成网络才可能感知整个监测区域，而部署则直接决定了传感器网络的感知范围能否覆盖 整个监测区域。采用随机抛洒的方式部署后，传感器网络开始处于无网络结构状态，此 时还没有一种现成的拓扑网络进行初始化，即通过一定的算法使所有的节点从无结构状 态自组织地配置形成拓扑结构。利用初始化形成的拓扑结构，可以进一步实现m a c 协 议和最高层协议，从而使传感器网络能够执行任务。在初始化完成之后，为了高效地运 行传感器网络，还必须有效地维护和管理传感器网络，以在网络的运行过程中保证良好 的服务质量1 2 0 】。 2 2 3 无线传感器网络的核心支撑技术 用户的各种具体的应用支持是由传感器网络的核心支撑技术提供。包含节点定位、 拓扑控制、时间同步、网内信息处理，以及完全技术。 拓扑控制：传感器网络部署环境复杂，节点多采用电池供电，能量十分有限，节点 数目多，部署十分密集，由于节点消失或者节点的增加，以及节点处于休眠状态都会引 起网络拓扑变化，因此必须进行网络拓扑管理，才能使网络正常运行，保持正常通信。 节点定位：节点定位是通过一定的技术、方法和手段获取无线传感器网络中节点的 绝对或相对位置信息的过程。无线传感器网络主要用来监测网络部署区中的各种特性， 如果对这些传感数据不知道它们相应位置的情况下，往往没有意义的。节点定位在军事 侦察、环境检测、紧急救援等应用领域中尤其重要。当前也提出了多种定位算法：a h l o s 算法、r a d a r 算法、d p e 定位算法等。 时间同步：节点之问的时钟大部分必须保持同步是由传感器网络的应用与通信协议 所要求。一般认为，只要节点之间的时间偏差保持小于系统允许的最大时间偏移值，就 可以认为它们是保持同步的。 1 0 第一二章无线传感器网络 网内信息处理：以数据为中心，要求在路由的同时必须对所传递的数据内容进行处 理；面向具体应用，信息处理方法必须与特定的应用相对应；大规模网络，对算法的扩 展性需求迫切；大密度节点分布，要求算法必须能有效地消除节点数据问的相关性，避 免因传输大量冗余数据所带来的通信能耗；单个节点的计算、存储能力极其有限，要求 采取完全分布式的处理策略，各节点负担均匀分布，同时还要考虑到节点的能量状况， 以便尽可能延长节点寿命和网络的生存期；网络拓扑结构变化频繁，对算法的鲁棒性和 适应性提出了很高的要求。这些要求网内信息处理模式。 完全技术：无线传感器网络作为一种起源于军事领域的新型自组织的网络，又是主 要采用射频无线通信组网，其安全性问题显的尤为重要。安全性需求主要有两个方面： 通信安全需求和信息安全需求【2 0 】。 能量有效的移动无线传感器网络m a c 协议研究 1 2 第三章无线传感器网络m a c 协议 第三章无线传感器网络m a c 协议 3 1 无线传感器网络m a c 协议概述 目前，国内外对无线传感器网络的研究集中在网络协议、能量、定位及数据处理等 问题，网络通信协议是当前一个热点研究领域。介质访问控制协议( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ，m a c ) ，处于网络通信协议的数据链路层，以解决网络中节点以什么样的方式 共享媒体能够获得满意的网络性能问题，如吞吐量、延迟等性能，其与所采用的协议直 接相关。 3 1 1 无线传感器网络m a c 协议设计原则 l 、能量有效性。 在w s n 中，传感器节点一般用干电池、钮口电池等提供能量，电池难于更换或充 电，因此传感器节点的寿命将受到限制，为了延长传感器节点工作时间，节省能量是设 计m a c 协议的首要原则。 2 、扩展性。 在网络存在过程中，由于节点移动、新节点加入以及消失网络的问题，节点数目以 及节点分布密度等逐渐发生改变，因此网络的拓扑结构动态变化，好的协议应该具有可 扩展性，这样能够适应动态变化的拓扑结构。 3 、网络效率。 网络效率包括网络吞吐量、公平性、实时性与带宽利用率等相关性能。 从上述三个设计的原则来讲，重要性有上往下依次递减。通过以上性能指标，可以 看出无线传感器网络m a c 协议的特性与传统网络的m a c 协议相比较，其重点考虑节 点提高带宽利用率、使用带宽的公平性以及增加网络的实时性等所注重的因素正好相 反。设计w s n 网络m a c 协议首先考虑的因素是能量有效性；其次是协议的可扩展性， 也就是适应网络拓扑变化的能力；而剩余的网络性能指标如信道利用率、延迟等，需要 根据应用环境进行改变。因此传统网络的m a c 协议，不能够用到w s n 网络中。 传感器网络中的能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗。能量的消耗主 要集中在通信上。因此，为了延长网络生存的寿命必须减少通信中的所消耗的能量。实 践证明，以下所描述的几个方面是导致通信过程主要能量浪费最大因素。 1 、空闲监听。 由于网络中的节点不能预先知道其邻居节点何时会向它传送数据信息，因此使其无 线收发模块直处在接收模式的状态。因为典型的无线收发模块处于处于睡眠模式时所 1 3 能量有效的移动无线传感器网络m a c 协议研究 消耗的能量比其接收模式时要少几个数量级，这就是节点能量浪费的主耍来源。 2 、消息碰撞。 如果节点之间在发送数据包时发生冲突，就会破坏掉数据包。这样就浪费了节点在 发送与接收数据包上所消耗的能量，然后需重新发送所传送的数据，从而导致节点能量 的消耗大大增加。 3 、窃听。 由于无线信道是一个共享媒体，所以当节点发送数据时，其他的节点也许会接收到 其发送给另外一个节点的信息，这样就会浪费掉节点消耗在接收数据上的能量。因此关 c j j 其无线传输模块会达到节能目的。 4 、控制报文开销。 如果协议的头字段与控制消息包中没有包含有效的数据，可以认为其损失了能量， 尽可能减少控制消息应该能够节省能量。 5 、发送失败。 发送节点发送了消息，如果目的节点没有准备好接收消息时，就会引起能量的浪费 【2 1 ，2 2 l 。 根据上述造成能量浪费的原因，在设计无线传感器网络m a c 协议时一般采用周期 性“监听睡眠”机制，当网络没有通信任务时，节点处于睡眠状态，这样就减少了空闲侦 听、串扰、冲突；自适应调整节点间的“监听睡眠”周期与节点发送接收数据的时机， 减少过度监听与避免分组空传；为了减少控制开销，限制控制分组数量与长度；尽量延 长节点休眠时间以达到减少状态切换次数的目的。设计出简单、高效的m a c 协议可以 避免m a c 协议本身开销过大，消耗更多的能量。 当然，在无线传感器网络m a c 协议中依然存在如暴露终端、隐藏终端、无规律冲 突和无线信道衰减问题等，需要进一步解决。 3 1 2 无线传感器网络m a c 协议分类 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， 但对传感器网络m a c 协议分类还缺乏一个统一的分类方式。综合对当前所提出的m a c 协议分析研究，可以以信道使用方式、性能要求、通信类型、硬件特征与应用的范围等 策略对其分类。当然，一种m a c 协议也有可能从多种策略组合来设计，因此可分属不 同的分类o , 2 1 ，2 2 1 。 l 、依据信道访问方法不同可分为基于调度式协议、竞争式协议和混合式m a c 协议 f 2 3 1 。调度式协议有延时保障、节省优势、避免冲突，但调整帧长度与调度很难，扩展性 1 4 第二章无线传感器网络m a c 协议 差，且要求高的时车- 0 0 n 步；竞争协议不需要所有的网络信息，采用竞争机制，信道利用 率较高、扩展性好、易于实现，但能耗过大，易引起冲突；混合协议综合了上述两种 m a c 协议的优缺点，但一般设计不是那么简单，实现难度大。 2 、依据利用的信道数可分为单信道、双信道与多信道m a c 协议，使用单信道m a c 协议节点的体积小，结构简单，成本比较低，但是数据分组与控制分组利用相同的信道， 从而降低了信道利用率。而多信道可解决此问题，但增加了节点结构的复杂性。 3 、依据传感器节点发射器硬件功率是否变化，分为功率固定m a c 协议与功率控制 m a c 协议。前者硬件成本不高，但是通信范围有重叠，容易造成冲突；后者有利于节 点能耗平衡，但易形成不对称链路，并且增加了硬件成本。 4 、依据数据通信类型可分为组播聚播与单播协议协议。前者对数据融合各查询有 利，但是要求高的时钟同步，并且数据冗余，重传所付出的代价高；后者适用于沿固定 路径的数据采集，对网络优化有利，但扩展性差。 5 、依据发射天线的种类分为基于定向天线的m a c 协议和基于全向天线的m a c 协 议。前者有利于避免冲突，但增加了节点功耗与复杂性，且需要定位技术的支持；后者 成本不高，容易部署，但冲突和串音引起增加。 6 、依据协议发起方的不同分为接收方发起的m a c 协议与发送方发起的m a c 协议 因为冲突仅影响接受方，所以接受方发起的m a c 协议能够有效避免隐藏终端问题，减 少冲突概率，但传输延时长、控制开销大；发送方发起的m a c 协议兼容性好、简单、 易于实现，但缺少接受方状态信息，不利于实现网络的全局优化。 除此之外，根据是否需要满足一定的q o s 支持和性能要求，无线传感器网络m a c 协议还可分为能量高效m a c 协议、实时的m a c 协议、位置感知m a c 协议、安全m a c 协议、移动m a c 协议等。 3 2 无线传感器网络m a c 协议分析以及对移动性支持分析 现有的基于竞争协议如i e e e8 0 2 1 11 2 4 1 ，它比较简单，是一个单跳的协议，被广泛 应用于无线局域网和自组织网络。虽然i e e e8 0 2 1 l 有一些节省能量的功能，但节点空 闲监听所消耗的能量比较大，系统的目标是高数据率且其收发机所需要的能量提供比低 数据率的无线传感器网络高的多。在目标上与无线传感器网络的目标不一致，因此不适 合于无线传感器网络。t s e n g 等人i z s 】基于p s 模式改进，提出了三种睡眠调度机制，但 是不能实现节点的调度同步，造成冲突、传输延时和控制开销都很大。从其他角度研究， 改进a dh o cm a c 协议，如果作为无线传感器网络m a c 协议都令人不满意。过去的基 于调度的协议与竞争协议相比较，虽然不会引起冲突，有一定的节省能量的作用，但是 l5 能量有效的移动无线传感器网络m a c 协议研究 延时、吞吐量和能量高效性能方面稍微差些，扩展性不是很好，在实际当中，部署中难 以调整帧长度和时槽分配，不能很好的应对拓扑结构的反复变化。当然，部分采用分簇 结构的m a c 协议，在一定程度上能够缓解以上问题，但是簇的维护与建立会导致存储 与控制开销的增加，并且要求高的同步精度，实现起来比较难。 过去对m a c 协议的研究都是假设节点处于静止的情况下，但是实际应用环境当中， 节点是存在移动的。根据网络拓扑变化原因与变化快慢的不同，将节点的移动性分为弱 移动性与强移动性两种。称网络因为节点失效或者新节点加入等原因引起的拓扑改变为 弱移动性；而节点以一定的速度发生物理移动产生的拓扑变化称为强移动性。 近年来，学术界提出了许多无线传感器网络m a c 协议，一些协议已经通过实验室 仿真验证。表格3 1 是最近提出的一些无线( 传感器) 网络协议按照信道访问的方式划 分。我们不能一一分析，选取部分协议进行重点分析，以及它们对移动无线网络的支持 程度，为进一步研究工作做了良好的铺挚。 基十竞争的m a c 协议皋于调度的m a c 协议混合协议跨层协议 m a c a - b ii e e e 8 0 2 11 d c fp a m a sb l u e t o o t hs m a c sa d a p t ( 1 9 9 7 ) ( 1 9 9 7 1 9 9 9 ) ( 1 9 9 9 )( 1 9 9 9 ) ( 1 9 9 9 )( 1 9 9 9 ) b a s i c s e e d e xa r cw o o & c u l ls m a c sl e a c hd e a n a ( 2n a m am e t a m a c ( 2 0 0 1 ) ( 2 0 0 1 )( 2 0 0 1 )e r ( 2 0 0 1 )e a r ( ( 2 0 0 1 0 0 1 ) p a m a ( 2 0 0 1 ) 2 0 0 0 )( 2 0 0 1 ) q a r (l o wp o w e rs m a cp r e a m