（电工理论与新技术专业论文）无线传感器网络信道接入技术研究.pdf

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 s ( w s n ) ，w h i c hi sm a d eb yt h ec o n v e r g e n c eo fs e n s o l n e s t e dc o m p u t a t i o n ，n e t w o r k sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，i san o v e l t e c h n o l o g ya b o u ta c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n i ti sal a t e m o d e lw i r e l e s s n e t w o r k so fi n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r ka n dc a l lb eu s e df o rt e s t i n g ，s e n s i n g ，c o l l e c t i n g a n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o no fm o n i t o r e do b j e c t s w s ni san e wr e s e a r c ha r e a o f c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dh a saw i d ea p p l i c a t i o nf u t u r e b o t ha c a d e m i c a n di n d u s t r i e sa lev e r yi n t e r e s t e di ni t d e s i g n i n gm e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o lf o rw s n i st h em a i np a r to ft h i s d i s s e r t a t i o n t h en u m b e ro fs e n s o rn o d ei nw s ni sn u m e r o u sa n ds i n g l en o d ei s e x t r a o r d i n a r i l yl i m i t e di nr e s o u r c e t h ep r i m a r yt a r g e to fd e s i g n i n gm a cp r o t o c o lf o r w s ni st or e d u c et h eo v e r a l le n e r g yd i s s i p a t e di nt h en e t w o r ka n dt om a x i m i z et h e n e t w o r kl i f e t i m e t h ea u t h o ra n a l y z e da n dc o m p a r e ds o m em a cp r o t o c o l st h a t p r o p o s e db yo v e r s e a sr e s e a r c h e r sa n da s s i m i l a t e de x c e l l e n c ei d e a sa m o n gt h e ma n d d e s i g n e dan e wm a cp r o t o c o lf o rw s n - - a d a p t i v ep a t t e r ns e n s o rm a cp r o t o c 0 1 s m a ci sat y p i c a lm a c p r o t o c o lf o rw s n t h a ta d o p ts l e e p w a k e u pm e c h a n i s m i ns m a c ，t h es e n s o rn o d e sa l ep u tt os l e e pp e r i o d i c a l l yt os a v ee n e r g y a st h ed u t y c y c l ei sf i x e di ns u c hp r o t o c o l ，t h en e t w o r kt h r o u g h p u tc a nd e g r a d eu n d e rh e a v y t r a f f i c ，w h i l eu n d e rl i g h tl o a d s ，u n w a n t e de n e r g yc o n s u m p t i o nc a no c c u r i nt h e p r o p o s e d a p - m a c p r o t o c o l ，i n s t e a d o f h a v i n g f i x e d s l e e p w a k e u p s ，t h e s l e e p w a k e u ps c h e d u l e so ft h es e n s o rn o d e sa r ea d a p t i v e l yd e t e r m i n e d t h es c h e d u l e s a r ed e c i d e db a s e do i lan o d e so w nt r a f f i ca n dt h a to fi t sn e i g h b o r s o u ra n a l y t i c a la n d s i m u l a t i v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t i nc o m p a r i s o nw i t hs m a ca n dt m a c ， a p s m a ca c h i e v e sm o r ep o w e rs a v i n g su n d e rl i g h tl o d e s ，a n dh i g h e rt h r o u g h p u t u n d e rh e a v i e rt r a f f i cl o a d s w ec a nc o n c l u d ef r o mt h er e s u l t st h a tt h ea p s m a c p r o t o c o la c h i e v e si t sd e s i g ng o a l k e yw o r d s ：w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，m a cp r o t o c o l ，e n e r g y e f f i c i e n t ， m u l t i h o pc o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处辨，论文中不毽含其能人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼基堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的瘸志对本研究所傲豹任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲渖嵌云签字日期：跏7 年二月i 占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂：有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘鲎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，并采用影印、缩印或扫接等复制手段保存、汇编以供查阕和借诞。圆意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解藏后适周本授权说明) 学位论文作者签名：够素k 文 签字日期：2 。叩年占月砧日 导师签名： 嘻髻军 签字同期：2 曲7 年6 月后日 第一章绪论 1 1 无线传感器网络简介 第一章绪论 随着传感器技术、嵌入式计算技术、无线通信技术与微机电系统制造技术的 飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器开始出现在军事、工业、 农业和宇航各个领域。无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信装置于 一体，集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源( 计算、存储 和能源) 受限的嵌入式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时 监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理， 传送给需要这些信息的用户。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三 个要素。如果说i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方 式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在 一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感网络直接感知客观世界， 从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊和m 技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最 有影响的2 1 项技术和改变世界的十大技术之一。传感器网络、塑料电子学和仿 生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。无线传感器网络与现有的无线 网络相比有其自身的特性，为了使无线传感器网络得到更加广泛的应用，该领域 仍然存在着大量的挑战性研究课题。 1 2 无线传感器网络的结构 1 2 1 无线传感器网络的系统结构 如图1 - 1 所示为一个典型的无线传感器网络系统结构，整个传感器网络由传 感器节点群、s i n k 节点、互联网或通信卫星以及远程监控中心组成。节点可以通 过飞机抛撤或人工布置的方式，大量部署在被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，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区 域中的信息，并通过多跳中继方式将数据传到s i n k 节点，由s i n k 节点将收集到 的数据通过互联网或通信卫星传送到远程监控中心进行处理。远程监控中心也可 以对网络节点进行实时控制和操纵。在这个过程中，传感器节点既充当感知节点， 又充当转发数据的路由器。整个传感器网络是一个以数据为中心的网络，s i n k 节 第一章绪论 点融合的数据相当于来自一个分布式的数据库。 s e n s o rf i e l d u s e r 图1 1 一个典型的传感器网络系统结构 1 2 2 传感器节点的系统结构 无线传感器网络在不同的应用中，传感器节点的组成不尽相同，但一般都是 由数据获取单元、数据处理单元、数据传输单元和电源模块四部分组成。其基本 组成结构如图1 2 所示。数据获取单元负责采集监视区域的信息并完成数据转换， 采集的信息可以包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等；数据处理单元 负责控制整个节点的处理操作、路由协议，还包括同步定位、动力系统，功耗管 理以及任务管理等与应用相关的部分；数据通信单元负责与其他节点进行无线通 信，交换控制消息和收发采集数据；电源模块为节点正常工作提供必需的能源， 由于传感器节点大多采用微型结构，节点的电源大多用微型电池或微型纽扣电 池，以进一步减小节点体积。 2 第一章绪论 应用 加 拿 m 无 + 网线 传感器转换 存储器 a_ 善 络 收 c 发 处理器单元 数据获取单元 数据传输单元 介 数据处理单元 介n i |u| l i 电源 l 图1 2 传感器节点的组织结构 传感器网络节点为一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础 层支持平台。国内外已经出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上是相 似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式，比如采用自 定义协议、8 0 2 1 1 协议、z i g b e e 协议、蓝牙协议以及u w b 通信方式等。典型的 传感器节点有伯克利的s m a r td u s t 、u c l a 电子工程系的w i n s 等。 1 3 无线传感器网络的特点 无线传感器网络一般是为了某个特定的需要而设计的，它是一种基于应用的 无线网络。无线传感器网络是一种特殊的无线a dh o e 网络，目前常见的无线网 络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、a dh o e 网络等，但这些网络中已 有的规范和协议并不能够很好的适应传感器网络的特性及应用需求。与这些网络 相比，无线传感器网络具有以下特点1 1 , 她5 ，9 1 。 1 ) 硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程 序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点操作系统 设计中，协议层次不能太复杂。 2 ) 电源容量有限。网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特 殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量 用完，这个节点也就失去了作用( 死亡) 。因此在传感器网络设计过程中，任何技 术和协议的使用都要以节能为前提。 3 ) 无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等， 第一章绪论 是一个对等式网络，各节点通过分布式算法来相互协调。正因为没有中心，节点 可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强 的抗毁性。 4 ) 自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，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、自动地组成一 个独立的网络。 5 ) 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几十米范围内，节点只能 与它的邻居节点直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则 需要通过中间节点进行路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而 无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。 这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。 6 ) 动态拓扑。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 节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于 工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此 网络应该具有动态拓扑组织功能。 7 ) 节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千 上万传感器节点部署到该区域。传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连 接性来保证系统的容错性和抗毁性。 8 ) 容错性。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个 网络的运行，具有很强的容错性和鲁棒性。 9 ) 广播通信。无线传感器网络主要使用广播( b r o a d c a s t ) 通信模式而不是传统 通信网络的点对点( p e e rt op e e r ) 模式。 1 0 ) 数据处理。无线传感器网络以数据为中心，而不像传统的网络以连接为 中心。无线传感器网络的中间节点应该具有数据转发和数据处理功能，因此需要 节点进行数据聚合、融合、缓存和压缩等处理。 11 ) 局部标识。在无线传感器网络中，节点没有一个全局性的标识。 1 4 无线传感器网络的应用领域 无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、 湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环 境中多种多样的现象。微机电制造系统支持下的微小传感器技术和节点间的无线 通信能力为传感器网络赋予了广阔的应用前景，主要表现在军事、环境、医疗、 保健、家居、工业、商业等领域。当然，在空间探索和灾难拯救等特殊的领域， 传感器网络也有其得天独厚的技术优势【l ，4 , 5 ，6 7 ，8 9 1 。 4 第一章绪论 1 ) 军事领域。 无线传感器网络是网络中心战体系中面向武器装备的网络系统，将会成为 c 4 i s r t ( c o m m a n d , c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c e ， r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) 系统不可或缺的一部分。c 4 i s r t 系统的目标是利用 先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、 智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重 视。由于传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，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的损坏而导致整个系统的崩溃，这 一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使传感器网络非常适合 应用于恶劣的战场环境中。 2 ) 环境监测领域。 随着人们对环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛，通过传统 的监测方式来获取环境的相关数据变得越来越困难。传感器网络为野外数据的获 取提供了方便。比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移、研究环境变化对农作物的影响、 监测海洋、大气和土壤的成分等。类似地，传感器网络对森林火灾准确、及时地 预报也应该是有帮助的。此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农 作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等【8 】。 3 ) 医疗健康领域。 如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备， 利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，及时根据新的病情做 出治疗决策。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研 制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会 给人的正常生活带来太多的不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而 独特的应用。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术 实现手段1 4 5 。 4 ) 智能家居。 嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线传感器执行器网络与 i n t e r n e t 连接在一起将会为人们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环 境。包括家庭自动化( 嵌入到智能吸尘器，智能微波炉，电冰箱等，实现遥控、 自动操作和基于i n t e r n e t ，手机网络等的远程监控) 和智能家居环境( 如根据亮度需 求自动调节灯光，根据家具脏的程度自动进行除尘等) 。 5 ) 工业应用。 如机器人控制，工业自动化，设备故障监测故障诊断，工厂自动化生产线， 恶劣环境生产过程监控，仓库管理，射频识别条型码芯片( r f i d ) 等。 5 第一章绪论 大型设备的监控：在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参数进行 监控，以掌握设备的运行情况。在不便于安装有线传感器的情况下，无线传感器 网络就可以作为一个重要的通信手段【7 1 。 6 ) 商业应用。 自组织、微型化和对外部世界的感知能力是无线传感器网络的三大特点，这 些特点决定了无线传感器网络在商业领域也有很多的应用。比如，城市车辆监测 和跟踪、智能办公大楼、汽车防盗、交互式博物馆、交互式玩具等众多领域，无 线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式【2 6 】。 7 ) 空间探索。 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器部署的传感器网络 节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。美国国家航空 和宇宙航行局( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ，n a s a ) 的j p l ( j e t p r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 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进行技 术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善【8 】。 8 ) 反恐应用。 美国的9 1 i 恐怖袭击造成了难以估量的巨大损失，而目前世界各地的恐怖袭 击也大有愈演愈烈之势。采用具有各种生化检测传感能力的传感器节点，在重要 场所进行部署，配备迅速的应变反应机制，有可能将各种恐怖活动和恐怖袭击扼 杀在摇篮之中，防患于未然，或尽可能将损失降低到最少。 9 ) 防爆应用。 矿产、天然气等开采、加工场所，由于其易爆易燃的特性，加上各种安全设 施陈旧、人为和自然等因素，极易发生爆炸、坍塌等事故，造成生命和财产损失， 社会影响恶劣。在这些易爆场所，部署具有敏感气体浓度传感能力的节点，通过 无线通信自组织成网络，并把检测的数据传送给监控中心，一旦发现情况异常， 立即采取有效措施，防止事故的发生。 l0 ) 灾难救援。 在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络 设施( 如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站 以及微波中继站等) 可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时 就需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络 技术。边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设 的网络设施进行通信，也可以采用无线传感器网络来进行信号采集与处理【7 1 。 6 第一章绪论 1 5 无线传感器网络的研究重点 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领 域，有非常多的关键技术有待发现和研究【6 】。 1 ) 网络拓扑控制 对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。 通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和m a c 协议 的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省 节点的能量来延长网络的生存期。拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之 一o 2 ) 网络协议 由于无线传感器网络节点的计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能量 都十分有限。每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不 能太复杂。同时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对 网络协议提出了更高的要求。无线传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一 个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。 3 ) 网络安全 无线传感器网络作为任务型的网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数 据采集和融合、任务的协同控制等。如何保证任务执行的机密性、数据产生的可 靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全问 题需要全面考虑的内容。为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和 融合，无线传感器网络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息 认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播和安全管理。除此之外，为了确保数据融 合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网络安全的研究内容。虽然 在安全研究方面，无线传感器网络没有引入太多的内容，但无线传感器网络的特 点决定了它的安全与传统网络安全在研究方法和计算手段上有很大的不同。 4 ) 时间同步 无线传感器网络中节点众多，节点的能量、带宽、处理能力等相对受限，这 就要求时间同步算法必须具有扩展性好、低通信开销、低计算复杂度等特性。要 达成整网时间同步，时间同步算法还必须提供多跳同步支持。不同应用对同步精 度、同步保持时间的长短、同步区域的大小需求各不相同，如协同休眠等需要全 网时间同步精度一直保持毫秒级，而对于目标跟踪类应用只需要目标i 临近的局部 节点保持微秒级同步精度，同步持续时间与目标的驻留时间成正比。目前，该课 题在无线传感器网络研究领域中引起了越来越广泛的关注。 7 第一章绪论 5 ) 定位技术 位置信息是传感器节点采集数据不可缺少的部分，没有位鬟信息的监测清息 通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是无线传感器网络最 基本的功能之一。 6 ) 数据融合 无线传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因 此在从各个传感器节点收集数据的过程中，霹利焉节点的本地计葬和存储能力处 理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的髓的。 7 ) 数据管理 从数据存储的角度来看，无线传感器网络可被视为一种分布式数据库。以数 据库的方法在无线传感器网络中进行数据管理，可以将存储在网络中的数据的逻 辑视图与网络中的实现进行分离，使得无线传感器网络的用户只需要关心数据查 询的逻辑结构，无需关心实现细节。 黔无线通信技术 无线传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准是针 对低速无线个人域网络的光线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要星标， 旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供统一标准。 9 ) 嵌入式操作系统 传感器节点是一个微囊的嵌入式系统，携带菲常有限翡硬件资源，需要操律 系统能够节能高效地使用其有限地内存、处理器和通信模块，目的能够对备种特 定应用提供最大的支持。在恧向无线传感器隧终的操佟系统的支持下，多个应用 可以并发地使用系统地有限资源。传感器节点的并发行密集及模块化程度高的特 点对设计面向无线传感器网络的操作系统提出了新的挑战。 1 6 本文的研究意义及主要研究内容 1 6 1 本文的研究意义 无线传感器瓣络是一项正在兴起的技术，它的巨大发展使得其应用前景非常 广阔与深远。无线传感器网络节点低成本、低功耗等条件要求使得传统的无线网 络协议不适合传感器网络的应用，这必然推动了对该领域整个应用体系的理论研 究。 m a c 协议决定无线信道的使用方式，是数据在无线信道上发送和接收的直 接控制者，同翼寸也宣接控制羞节点的射频模块，瑟射频模块是节点上最耗缝的组 件，因此m a c 协议的设计对整个传感器网络的能量消耗起到至关重要的作用。 第一章绪论 为此，对无线传感器网络m a c 协议的研究是一项具有重大意义的工作。 1 6 1 本文的主要研究内容 本文主要根据当前无线传感器网络的研究现状、特点和无线传感器网络的主 要研究方向，对传感器网络的m a c 协议中信道接入机制的优化做了相关的工作。 信道接入技术是m a c 协议最核心的组成部分。 本文第一章对无线传感器网络系统地作了简要介绍；第二章切入论文主题， 对无线信道接入技术原理进行了详细的分析与阐述。对这一部分内容的理解是探 讨信道接入面临问题的必要前提基础；第三章是对当前的一些相关研究成果进行 了分析比较，从而可以系统地洞察出目前解决信道接入技术主要采取的方法和策 略。在该章内容的基础上可以得出当前信道接入技术所存在的尚未较好解决的问 题，这些问题相应的探讨将在第四章中论述。 鉴于目前无线传感器网络信道接入技术的研究主要集中在工作休眠策略的 制定上，而且有些相应的协议在实际应用中都取得了良好的效果，本文的主要工 作也集中在对工作，休眠策略的进一步优化上，并提出了自适应模式控制传感器 网络m a c 协议( a p s m a c ) 模型，该协议的设计目标是使工作休眠机制更富有 弹性。一个良好的m a c 协议的设计需要全面地考虑网络的各种性能，在注重某 一重要性能的前提下，也不能完全忽视其它性能的表现，这样才有利于网络应用 的实际表现。本文设计的a p s m a c 协议也在网络的各种性能之间取得了一个较 好的平衡点。 最后，通过对a p s m a c 协议的性能进行仿真评估，可以看出该协议在几种 不同的网络环境中，a p s m a c 协议与s m a c 及t m a c 协议比较在网络吞吐量 和能量消耗方面都有所改善。可见，该协议基本达到了预期设定的目标。 9 第二章无线传感器网络介质访问控制技术原理 第二章无线传感器网络介质访问控制技术原理 2 1 多址通信与m a c 协议 2 1 1 多路复用与多址接入 在两点之间的两个用户进行双向通信可用双工技术来实现。在两点之间的多 个用户进行通信需要多路复用技术来复用两点之间的通信线路。常用的多路复用 方式有频分复用和时分复用，或者为固定复用和统计复用。 在多点之间的多个用户之间进行相互通信时需要采用多址接入或多址访问 技术。这种技术不需要使用复用器和集中器，而是通过共享一个物理链路( 信道) 将所有的用户都连接起来。由排队论可知，多址信道可看成有多个排队的队列， 共享的信道相当于服务员，它要为多个队列服务。多址接入方式有好几种不同形 式，但其共同点是要设法避免不同的用户同时使用同一物理链路( 信道) ；否则 就会产生相互干扰( 主要是碰撞) 的问题。各用户之间的通信必须要有一个彼此 都遵循的协议，也就是多址接入协议或多址访问协议。理想的多址接入协议应能 够使所有排队队列成为一个总队列，然后由信道来服务，从而使信道利用率最高。 2 1 2m a c 协议 多址接入技术是解决在网络中多个用户如何高效共享一个物理链路的技 术，它涉及多址信道的分割、接入方式、分配策略和控制机制等多方面的内容， 是无线网络的关键技术之一。多址接入技术的一个核心问题是：对于一个共享信 道，当信道的使用产生竞争时，如何采用有效的协调机制或服务准则来分配信道 的使用权。这就是介质访问控制m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 技术，m a c 协 议就是定义以一定的顺序和有效的方式分配节点访问介质的规则，是m a c 技术 的基本内容。 2 1 3 无线传感器网络m a c 协议的性能指标 目前，一些研究人员已经提出了数十种基于无线传感器网络的信道接入协 议。这些协议具有各种不同的设计目标，也对应用环境做了各种不同的假设。实 际上，很难找出一种通用的m a c 协议运用于无线传感器网络的不同应用场合。 l o 第二章无线传感器网络介质访问控制技术原理 就如何评价协议相对于另一个协议的优越性而言，通常从协议的以下几个特性来 考虑： 1 时延( d e l a y ) 时延为一个分组( p a c k e t ) 在m a c 队列中所花费的平均时间。也就是说，时 延是从分组进入队列的瞬间直到发送完成所需要的时间。当某分组成功传送时， 其时延包括为获得信道使用权所需的等待时间和该分组在信道上的传输时间；如 果有传输错误或发生碰撞，时延还包括重传带来的延迟时间。 对m a c 协议，一般用帧的传输时延来表征延迟特性。由于每帧的传输时延 可能不同，通常用帧的平均传输时延这一参数来衡量接入时延。为了方便起见， 定义归一化的平均传输时延d 为一帧的传输时间与平均传输时延的比值。 2 吞吐量( t h r o u g h p u t ) m a c 协议的目的就是使吞吐量最大化而使接入时延最小化，因此，吞吐量 是描述m a c 协议性能的重要参数之一。假设帧长为固定的比特，单位时间( s ) 内成功传输的帧数为阼，则吞吐量为n l ( b s ) 。如果信道的传输速率为r ( b s ) ，则 归一化的吞吐量( 吞吐率) s = n l i r 。定义每帧在信道上的传输时间为t = l i r ，则 s 也可表示为n t 。 吞吐量实际上描述的是一种传输效率，也可使用另外一种定义：假设平均信 息长度为e ( b i t ) ，传输一个分组的平均时间为双s ) ，信道容量为c ( b s ) ，则吞吐 量可以表示为w = p ( t c ) 。 对于m a c 协议，吞吐量特性与总业务量密切相关，s 随总业务量的变化特 性称为吞吐量性能。我们把信道上所有用户在单位时间内要传送的信息量( 包括 新产生帧的信息量和重传帧的信息量) 称为信道的总业务量，而把总业务量与信 道传输率的比值称为归一化的总业务量，用g 表示。 理想情况下，当g 小于信道速率时，s = g ；当g 大于等于信道速率时，s = i 。 实际上，当g 较小时，s 可能会随g 的增加而增大；但当g 增加到一定程度时， 由于碰撞加剧的原因，s 可能随g 的增大反而减小，甚至为0 ，使系统瘫痪。 3 公平性( 蹦r n e s s ) 如果有多个用户要接入信道，而m a c 协议没有显示出对其中任何一个用户 具有倾向性，则说明这个m a c 协议是公平的。具有公平性的m a c 协议可以使 各个用户公平地共享信道资源和带宽资源。 4 ，稳定性( s t a b i l i t y ) 由于协议存在开销，系统可以处理比信道最大传输容量大得多的连续源负 载。当长期提供的负载比信道的最大发送容量小时，一个稳定的系统能够处理比 最大连续负载大的瞬时负载。 第二章无线传感器网络介质访问控制技术原理 2 2 无线传感器网络信道接入面临的问题和挑战 传统的m a c 层协议的设计目标是最大化吞吐量、最小化时延并提供公平性， 而无线传感器网络的基本特征就是能量受限，故对应的m a c 层协议要尽可能地 节约能源，如减少冲突和串音、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，使用户可以在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择1 7 j 。另 外，协议设计者应该注意节点能量不是随时可用的。因为节点可能处于睡眠状态 或者由于不可知的原因死亡。由于无线传感器网络的节点计算能力和存储能力受 限，需要众多节点协同完成某应用任务，所以m a c 层协议应该运行分布式的算 法。这也是有效避免某些节点的死亡造成网络瘫痪的需要。 2 2 1 隐藏节点和暴露节点问题 由于无线传感器网络是_ 种多跳网络，并非网络中的所有节点都在发送节点 的发送范围之内。隐藏节点( h i d d e nn o d e ) 是指在接收节点的通信范围内而在 发送节点通信范围外的节点( 见图2 1 ) 。隐藏节点因听不到发送节点的发送而可 能向同样的接收节点发送分组，造成分组在接收节点处冲突。冲突后发送节点要 重传冲突的分组，这降低了信道的利用率，增加了系统时延。所以，无线传感器 网络信道接入协议必须尽量解决隐藏节点问题。 ，一- 、，一：二；：一、， ， 、 ， 、， ， 、 ，、，、 t，、 ， ， il - ， i- ：旧畸如_ ： ： ： a jb ?：c d ?j t ， 、 ， 、x、， ， ，、， 、， 、- - 二 图2 - i 隐藏节点问题 如图2 i 所示，当节点a 向节点b 发送数据时，节点c 处在节点b 的覆盖 范围之内而在节点a 的覆盖范围之外，因此节点c 是隐藏节点，节点c 感知不 到a 在发送数据，它认为自己可以发送分组，如果节点c 此时向节点b 或节点 d 发送数据就会在节点b 处产生碰撞，节点c 成了隐发送节点( 隐藏节点c 作 为发送者) 。在后面介绍的r t s c t s 信道握手机制中，当节点a 要向b 发送数 据时，a 先向b 发送r t s ( r e q u e s tt os e n d ，请求发送) 控制帧：b 收到r t s 1 2 第二章无线传感器网络介质访问控制技术原理 后，回应c t s ( c l e a rt os e n d ，清除发送) 控制帧，当节点c 听到节点b 发送的 c t s 也就被告知器裁要接收数据，所戬节点c 延迟发送数据。如果此时节点d 向节点c 发送r t s 控制分组请求发送数据，因为节点c 此时不能发送任何数据， 所以节点d 就无法收到节点c 回应的c t s 。这时节点c 被称为隐接收节点( 隐 藏节点c 作为接收者) 。节点d 无法判断是r t s 帧发生了冲突，还是节点c 是 隐藏节点。节点d 只能认为r t s 控制分组发生了冲突，就重新向节点c 发送r t s 。 显然节点d 在节点轰和节煮b 通信期间不霹能收到来皇节点c 的c i s ，这造成 了不必瑟的数据重发。当系统只有一个信道时，隐接收节点问题是无法解决的。 因为在单信道情况下，c 发送的任何信号都会造成b 处的报文碰撞。如果系统有 数据信道和控制信道双信道，当a 和b 在数据信道上交互数据信息时，节点c 可以通过控制信道与d 交互控制信息。控制信息交互成功后，d 可以通过数据 信道向c 发送报文瑟不会产生_ 冲突。 由此可见，在使用单信道的网络中，不可能同时解决隐发送节点和隐接收节 点问题。要想完全缌决隐节点问题，数据和控制报文必须在不圊盼信道上分开传 送。 暴鼹节点( e x p o s e dn o d e ) 是指在发送节点的通信范围之内而在接收节点通 信范围之外的节点( 见图复2 ) 。暴露节点因听到发送节点的发送面延迟发送。但 因为它在接收节点的通信范围之外，它的发送实际上并不会造成冲突。这就引入 了不必要豹延迟，所班也要惩办法解决。 ：o _ 巾 ；ai 器 专_ 嘈： c ：d ： 、。：， m a x ) c o u n t e r - 】a 艾； r e t u r nc o u n t e r ： i n tf d e c ( c o u n t e r ) ( c o u n t e r = m i n ； r e t u r nc o u n t e r ； 为了分析的方便，可以用m 来表示退避窗口，用c w m i n 表示竞争窗口的最 小值。用c w m a x 表示竞争窗口的最大值。按照二进制指数退避算法的规则，当 某个节点发生碰撞或其它原因需要执行退避算法时，按照均匀分布的规则，从( o ， m 一1 ) 中选取一个值作为退避时间，其中，w f = c o u n t e r c w m i n ，根据上面 的算法描述可以令c o u n t e r = 2 l ，其中f 为退避级数，则退避窗口也可以表示为 m = 2 c w m i n ，f ( 0 ，r r ) ，m 代表退避算法可退避的最大退避级数，按规定 c w m a x = 2 m c w m i n 。在算法的初始化时，一般令退避级数i 的初始值为0 ，即节 点在第一次发送数据就发生冲突时，或当一次数据交互成功时，刚开始执行退避 算法的退避窗口设置为最小值c w m i n 。在退避时间减为0 时，若信道仍繁忙或 发送的数据又发生碰撞，则退避级数增l ，使得退避窗口加倍，目的是为了降低 再一次发生碰撞的概率，当退避级数的增大使得退避窗口达到最大值c w m a x 时， 若传输仍然不成功则退避级数不再增大，退避时间仍然从最大退避窗口中随机去 一个值。 令s ( o 代表在时刻f 节点的退避级数( 0 ， ，1 ) 的随机过程，6 ( 力表示一个节 点的退避时间计数器的取值的随机过程。贝f j s ( o 的取值范围为( 0 ，m ) ，6 ( 力的取 第二章无线传感器网络介质访问控制技术原理 值范围为( o ，阱一1 ) 。假设每一次传输尝试时，碰撞的概率和过去的碰撞次数 无关，其碰撞概嘞恒定且相互独立，p 为条件冲突概率，代表发送节点检测到碰 撞的概率，则可以把退避算法用一个二维的离散时间m a r k o v 链 s ( 力，6 ( 力 来描述 它的运行过程。 ( 1 一p ) ，v 2 - 4 s ( o ，6 ( f ) j 的m a r k o v 链的状态转移图 如图2 4 所示为m a r k o v 链 s ( f ) ，易( f ) l 的状态转移图，其一步转移概率可以表示 为： 尸 f ，k i f ，k + l = 1七( 0 ，w 一2 ) f ( o ，m ) 尸 o , k l i , o = 寄皇( 0 野1 ) 州。川 p f 七0 = p w 七( 0 w 1 ) 圳，_ ，1 ) 跏詹1 o 2 丧挺( o ，- 1 ) ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 其中，规定以c w m i n 为单位时间量，式2 1 表示任一节点在得到某一退避级 数下的退避时间后必然以概率1 使退避计数器减1 到达下一个状态；式2 2 表示 1 9 第二章无线传感器网络介质访问控制技术原理 在一个帧成功传输之后，新的帧从退避级数0 开始，然后从( 0 ，一i ) 中等 概率地取一个值作为退避时间；式2 3 表示在一次传输不成功后，退避计数器的 退避级数加1 ，退避时间由上一次的从( o ，嘶一l 一1 ) 中等概率取一个值转变为 从( 0 ，m 1 ) 中等概率取一值；式2 - 4 表示当退避级数已经达到最大时，一次 传输不成功后，继续在原来的退避窗口中随机取一值作为退避时间。 b e b 算法有两个缺点。其一是当一次交互成功时，退避计数器值就降到最 低值，不能正确反映信道的争用状况。特别是当系统比较忙碌冲突较多时，经过 多次退避，各个节点的退避计数器值都很大。此时如果一个节点交互成功，它的 计数器值一下减为最小值。该节点会认为此时信道并不忙碌。其二是b e b 会带 来不公平现象。一次交互成功后，节点的退避计数器值降为最小，而其它不成功 的节点的退避计数器的值较大。在后续的竞争中，退避计数器值小的节点在竞争 中获胜的可能性大。获胜后，退避计数器又减为最小，其他失败的节点的退避计 数器再次增大。获胜的节点更加有优势，而其它的节点因为抢不到信道而被饿死， 造成严重的不公平现象。 2 4 2 倍数增加线性递减算法 倍数增加线性递减( m i l d ，m u l t i p l i c a t i v ei n c r e a s el i n e a rd e c r e a s e ) 算法是对 b e b 算法的改进，主要思想是将b e b 算法中退避计数器的值用a 和1 3 两个可调 节的参数来控制。 m i l d 算法的程序描述如下 i n tf i n c ( c o u n t e r ) c o u n t e r = q * c o u n i e r ； i f ( c o i i 1 i e l bm a x ) c o u n t e r = m a x ； r e t u r nc o u n t e r ； ) i n tf i n c ( c o u n t e r ) c o u n t e r = c o u n t e r 一1 3 ； i f ( c o u n t e r 载波检测机制 8 0 2 1 1 对信