（计算机应用技术专业论文）一种基于数据采集树的无线传感器网络mac协议研究.pdf

| | i i ii i1 1 i fl lli i 111 i 19 0 6 812 r e s e a r c ho faw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r km a cp r o t o c o lb a s e do nd a t a g a t h e r i n gt r e e b y z h o uw e i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n t e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra p p l i c a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl u 0j i a n n o v ，2 0 1 0 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 闩许 日期：fd 年7 2 月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并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 人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“，) 篡是生 导师签名： 尺、【l f 乳 日期：加f d 年ll 月z 日 日期：勿l 驴年f2 ，月万日 种螭j ：数折：采集树的无线f 感器h 络m a c 协议形f 究 摘要 无线传感器网络( w s n ) 被认为是影响人类生活的重要技术之一，这种技术 结合了通信技术、微电子技术、传感器技术，使人们能够更加便捷地获取信息、 处理信息。介质访问控铝j 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，由于无线传感器网络具有自己的特性，因此传统无线网络的m a c 协议不 能直接应用到无线传感器网络中，所以设计良好的m a c 协议来减少网络的能量 消耗和数据延迟成为设计无线传感器网络亟待解决的问题。本文针对无线传感器 网络中对能量和时延的要求，提出了一种低时延低能耗的d m a c 协议改进方法。 本文的主要工作是围绕基于数据采集树的数据传输方式进行的，主要开展的研究 工作如下： 首先，分析了无线传感器网络区别于其它传统网络的本质不同，指出m a c 协 议设计时要考虑的各个因素，包括网络生存期，能量利用率，端到端时延，吞吐 量等。研究分析了现有的经典传感器网络m a c 协议，分析了协议所采用的机制及 其对网络性能的影响。比较了各种机制的优缺点，分析了协议的网络延迟及能量 消耗等因素。 其次，分析了以数据采集树为基础的网络拓扑结构中，传统数据传输模式中 存在的不足，在此基础上，为了减小网络延时，提高能量利用率，根据以数据采 集树为基础的交错的调度机制的特点，基于串音机制提出了一种新的消息传递机 制，在传输路径中，数据包既可以作为要发送的数据，也可以作为前一跳节点的 a c k 应答。通过这种方式，减少了数据传输中多余的控制信息，提高了链路的有 效利用率，降低了网络传输延迟，提高了节点的能量效率，并且保证了无线信道 中可靠的数据传输。仿真结果验证，改进后的协议减小了时延，降低了能量消耗。 然后，从负载均衡，延长网络生存期的角度出发，鉴于数据采集树的网络拓 扑本身存在的缺陷，经过仿真看到在网络节点采样频率过快，网络负载较大的情 况下，低深度节点承载了过多的数据包，更容易发生碰撞，造成丢包现象。由于 丢包引起的重传不仅额外消耗了节点能量而且加大了网络延时。本文提出了一种 源节点睡眠调度机制，用它来均衡网络中的流量。当网络中负载较大的时候，调 节源节点进入睡眠状态，尽量避免数据冲突，从而使全网负载均衡，延长了网络 生存期。仿真结果验证，改进后的协议有效地延长了网络生存期。 最后，总结了本文的工作内容，以及指出了在以后的工作中可以继续改进的 地方，并展望了未来的前景。 关键词：数据采集树；网络生存期；能量高效；可靠数据传输；介质访问控制 n 硕l ： 7 - 9 t ：论文 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 ) a r er e g a r d e da so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t t e c h n o l o g i e s w h i c h p e r f o r m a g r e a ti m p a c t i nh u m a n l i v e s c o m b i n g w i t h c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n ds e n s o rt e c h n o l o g y ，an e w w a yt oc o l l e c ta n dp r o c e s si n f o r m a t i o ni sp r o v i d e d m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o ld i r e c t l yc o n t r o l st h ew a yo f n o d e su s i n gt h ew i r e l e s sc h a n n e l ，b e c a u s eo ft h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sd i s t i n c tc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em a cp r o t o c o lu s e di n t r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k sc a n tb eu s e di nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sd i r e c t l y ，s o d e s i g nm a cp r o t o c o l st or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dl a t e n c yb e c o m e sa nu r g e n t p r o b l e mi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fb o t he n e r g ya n d l a t e n c y ，a ni m p r o v e dl o w - l a t e n c ya n de n e r g ye f f i c i e n td m a cp r o t o c o lw a sp r o p o s e d t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ed a t ag a t h e r i n gt r e e s t r u c t u r e ，m a i n l yc o m p l e t e st h e f o l l o w i n gw o r k ： f i r s t ，t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e nw s na n dt r a d i t i o n a ln e t w o r k si sp r o p o s e d ， t h ec o n s i d e r a t i o n st od e s i g nm a c p r o t o c o l sa r ed i s c u s s e d ，w h i c hi n c l u d et h en e t w o r k l i f e t i m e ，e n e r g yc o n s u m p t i o n ，e n d t o e n dl a t e n c yt h r o u g h p u ta n ds oo n t h ec l a s s i c w s nm a c p r o t o c o l sa r ea n a l y z e d ，t h em e c h a n i s m su s e db yt h ep r o t o c o la n dt h e i r p e r f o r m a n c et ot h en e t w o r ka r ed i s c u s s e d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f v a r i o u sm e c h a n i s m sa r ec o m p a r e d ；t h ep r o b l e m so fl a t e n c ya n de n e r g yc o n s u m p t i o n a r ea n a l y z e d s e c o n d ，b a s e do nt h ed a t ag a t h e r i n gt r e et o p o l o g y ，t h ed i s a d v a n t a g e so fc l a s s i c d a t ac o m m u n i c a t i o na r ea n a l y z e d b a s e do nt h i s ，t or e d u c en e t w o r kl a t e n c ya n d e n e r g yc o n s u m p t i o n ，a c c o r d i n gt o t h es t a g g e r e d s c h e d u l i n gm e c h a n i s mo fd a t a g a t h e r i n gt r e e ，an e wd a t at r a n s f e rm e c h a n i s mb a s e do no v e r h e a r i n gi sp r o p o s e d i n t h et r a n s m i s s i o np a t h ，ap a c k e tc a nb ead a t at ot h en e x th o pa n dc a na l s ob ea na c k t ot h ep r e v i o u sn o d e i nt h i sw a y ，r e d u n d a n tp a c k e t sa n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nd e l a y a r er e d u c e d ；t h el i n ku s a g ea n dt h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h en o d ea r ei m p r o v e d ，a n d e n s u r er e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sc h a n n e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ei m p r o v e dp r o t o c o lp r o v i d e sl a t e n c yr e d u c t i o na n de n e r g ys a v i n g s t h e n ，t ob a l a n c et h en e t w o r kt r a f f i ca n dp r o l o n gt h en e t w o r kl i f e t i m e ，a c c o r d i n g t ot h es h o r t c o m i n g so fd a t ag a t h e r i n gt r e e ，t h es i m u l a t i o ns h o wt h a tw h e nn e t w o r k t r a f f i ci sh e a v y ，n o d e sh a v el o wd e p t hi nt h et r e et o p o l o g yh a v em o r ep a c k e t st o t r a n s f e ra n da r em o r el i k e l yt oc r a s h ，w h i c hr e s u l t i n gi np a c k e tl o s s b e c a u s eo ft h e d a t ar e t r a n s f e rf o rc o l l i s i o nh a v em o r ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dn e t w o r kl a t e n c y ，t h i s i i i p a p e rp r o p o s e dan o d es l e e ps c h e d u l i n gm e c h a n i s m ，u s i n g i tt ob a l a n c en e t w o r k t r a f f i c w h e nt h en e t w o r ki sb u s y ，t h en o d e t u r no f fi t sr a d i ot os l e e p ，s oi tc a nr e d u c e t h ep a c k e t ，sc o n f l i c t ，b a l a n c en e t w o r kt r a f f i c a n dp r o l o n gn e t w o r kl i f e t i m e - ih e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e dp r o t o c o lp r o v i d e sl o n gn e t w o r k l i f e t i m e f i n a l l v 。a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h e r ei s ac o n c l u s i o no ft h ew o r kh a sb e e nd o n e a n dap l a no f t h ef u t u r ew o r k k e yw o r d s ：d a t ag a t h e r i n gt r e e ；n e t w o r kl i f e t i m e ；e n e r g ye f f i c i e n t ；r e l i a b l e d a t a t r a n s m i s s i o n ；m e d i u ma c c e s sc o n t r o l i v 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘 要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引v i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 研究的目的与意义1 1 3 本文的主要工作3 1 3 1 问题的提出3 1 3 2 本文的研究内容4 1 3 3 研究目标4 1 4 本文组织4 第2 章无线传感器网络m a c 协议原理与分析6 2 1 无线传感器网络体系结构6 2 1 1 典型传感器网络结构6 2 1 2 传感器节点结构一6 2 2m a c 协议设计问题7 2 2 1 无线传感器网络协议栈7 2 2 2 无线传感器网络协议面临的问题9 2 3 无线传感器网络m a c 协议分析1 0 2 3 1 基于竞争的m a c 协议分析l o 2 3 2 基于调度的m a c 协议分析1 6 2 3 3 其它m a c 协议分析18 2 4 m a c 协议比较19 第3 章数据采集树中串音机制的研究一2 0 3 1 问题描述一2 0 3 2 网络模型2 1 3 2 1 数据采集树的建立一2 1 3 2 2 分层调度机制2 5 3 3 消息传递机制2 6 v 一种幕f 数据采集树i ，f 勺7 云线传感器刚络m a c 坍议研究 3 4 带串音机制的数据检测模型一2 7 3 4 1 基本帧格式2 7 3 4 2 自适应占空比2 8 3 4 3 数据传输过程2 8 3 5 低功耗侦听机制3 0 3 6 协议分析及性能仿真3 0 第4 章数据采集树中负载不均衡的研究与改进3 3 4 1 问题描述3 3 4 2 周期性睡眠机制3 4 4 2 1 协议原理3 4 4 2 2 性能分析3 5 4 3 退避策略问题和改进3 6 4 4 实验分析3 7 第5 章基于n s 2 的n a m a c 网络仿真3 9 5 1n s 2 仿真平台介绍3 9 5 2 仿真场景和模型4 0 5 2 1 仿真条件假设4 0 5 2 2 网络模型一4 1 5 3 在n s 2 上实现n a m a c 网络仿真4 2 5 3 1 参数设置4 2 5 3 2 协议的实现一4 3 5 4 结束语一4 6 结论与展望一4 7 参考文献4 9 致 射5 4 附录读研期间发表学术论文和参与科研项目5 5 硕i j 学位论文 插图索引 图2 1 无线传感器网络体系结构一6 图2 2 无线传感器节点结构示意图7 图2 3 无线传感器网络协议栈8 图2 4 无线传感器网络能量消耗一9 图2 5c s m a c a 虚拟载波侦听1 1 图2 6c s m a c a 基本访问机制一1 1 图2 78 0 2 11 m a c 退避机制1 2 图2 8s m a c 数据传递机制1 2 图2 9s m a c 协议虚拟簇1 3 图2 10s m a c 和t m a c 占空比15 图2 1 1 基于分簇的t d m am a c 协议一1 6 图2 1 2d e a n a 协议的时间帧分配17 图3 1 数据采集树2 2 图3 2 节点加入过程2 3 图3 3 采集树更新流程图2 4 图3 4 交错的调度机制一2 5 图3 5r b s 同步机制2 6 图3 6 传统的消息传递2 6 图3 7 数据帧格式和m t s 帧格式2 7 图3 8 数据发送检测流程图2 9 图3 9 采集树中的时延一3 2 图3 1o 采集树中的能量消耗3 2 图4 1 带睡眠模式的节点3 4 图4 2 节点睡眠调度机制3 5 图4 3 能量消耗3 8 图4 4 网络时延一3 8 图5 1n s 2 总体框架图3 9 v 。种，1 ，1 7 ：f 数据采集树的尢线传感器j 卅络m a c 协议砂f 究 附表索引 表2 1m a c 协议网络性能比较1 9 v i 侈i 十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 已经在世界范围 内引起了人们的关注，无线传感器网络综合了电子、通信、等众多学科和技术， 这些技术的成熟和发展推动了智能传感器网络的飞速发展【1 】。随着技术的发展， 传感器节点的成本越来越低，而功能却日益强大。 由于无线传感器网络无需固定设备支撑、可以快速部署、同时具有易于组网 和不受有线网络的约束等优点，无线传感器网络有着巨大的应用前景，在人们的 现代生活中有巨大的应用价值，已经影响到人们生活的方方面面，如：军事目标 的跟踪和远程监控【2 ，3 1 ，自然灾害的救济【4 1 ，生物医学健康监测【5 1 ，环境探测和地 震灾害遥感。麻省理工学院的技术评论( t e c h n o l o g yr e v i e w ) 杂志将这一技术 列为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首【6 l 。美国今日防务杂 志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术 1 7 j 。由此可以预测在不久的未来，无线传感器网络将给人们的生活和生产带来巨 大的影响和变革。 广泛的应用前景使得无线传感器网络倍受人们的关注。目前人们对传感器技 术的研究主要包括：嵌入式计算技术、网络拓扑控制、无线通信技术、数据融合 与管理和分布式信息处理技术等。在无线传感器网络中，单信道条件下，所有传 感器节点共享一个无线信道，信道资源是非常有限的，因而需要一个有效的媒体 访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议来协调各节点对信道的访问，m a c 协议的性 能研究对接入控制、资源分配以及调度算法等问题的设计起到至关重要的作用， 还为协议参数的设置以及协议的改进提供理论依据瞵j 。没有m a c 协议的协调， 多个节点就可能同时在无线信道上传送数据，从而导致碰撞的发生。并且，对于 无线传感器网络而言，由于节点资源有限和网络拓扑动态改变的特点，对m a c 协议提出了更高的要求，必须要达到能源有效利用、以及能够快速适应网络拓扑 结构的改变，m a c 协议是无线传感器网络中保证节点高效运行的关键协议之一 1 9 j 。根据传感器节点在资源方面的限制，应用到无线传感器网络中的m a c 协议 必须要考虑到能量效率问题，从而尽可能地延长网络生命期，研究指出节点收发 消息的能量消耗是传感器节点最主要的能量开销之一【1 0 1 1 1 。 1 2 研究的目的与意义 无线传感器网络由于蕴藏着巨大的科学意义与使用价值，已越来越多地受到 一种堆j 二数据采集树的尤线亿感器i - i f 3m a c 协泌研究 学术部门、军事部门和社会生产的青睐。 在学术界，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。并 取得了一些研究成果，并使世界上更多的国家如日本、英国等国家也致力于对无 线传感器网络的研究。加州大学伯克利分校、洛杉机分校都在无线传感器网络的 研究中占有一席之地。 在军事领域，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，以隐密的方式监控敌方阵地和敌军活动情况。 军事应用变成无线传感器网络的主要应用领域之一。现代战争越来越表现出信息 战的特点，战争中信息的及时获取和反应对整个战局的影响至关重要，利用传感 器网络的特点可以给指挥部门提供及时准确的信息，这对增强国家的国防军事力 量是非常重要的。 在民用方面，也有越来越多的企业将投资重点放在无线传感器领域这一块。 无线传感器网络已经在民用领域中得到了很多应用，被广泛应用于智能家居、工 农业控制、环境检测、生物医疗等诸多领域【l2 1 。2 0 0 2 年，英特尔公司发布了“基 于微型传感器网络的新型计算发展规划”，其目标是开发传感器网络在预防医学、 环境监测、森林防火等方面的应用【1 引，并于2 0 0 4 年推出并演示了家庭护理无线 传感器网络系统。美国微软公司也出资资助哈佛大学计算机系，进行使用 w i n d o w s c e n e t 构建传感器网络结构的研究l l 引。 目前，国内外针对无线传感器网络的特点提出了很多适用于无线传感器网络 的m a c 层协议，但是还没有形成一套统一的协议标准和体系结构。现有的m a c 协议设计可以分为基于调度的m a c 协议和基于冲突的m a c 协议【l5 1 。 u s c i s i 的y e w 等人提出的s m a c 1 6 j ( s e n s o r m a c ) 是由基于竞争冲突 的i e e e 8 0 2 1 1 【l 7 】扩展而来的，作为竞争冲突的无线传感经典协议，s m a c 通过休 眠调度机制节省了节点能量。由于s m a c 固定的休眠活动占空比在网络负载变 化时不能很好地适应网络流量，d a m t v 等人提出了一种自适应调整占空比的 m a c 协议：t m a c 协议【l 引，通过网络流量动态调整节点休h b 活动占空比，在 网络负载变化大时取得了很好的应用。在流量自适应m a c 协议中，由c s e ms a 工作人员提出的w i s e m a c 协议i l 引，采用最小化前导技术，减少了节点的空闲侦 听，增强了对网络负载的自适应性。b m a c 20 1 、x m a c 2 1 】等协议在此基础上进 行了改进，p m a c 2 2 】和s i f t 2 3 】等协议通过采用网络流量自适应的方法进行改进。 由t d m a 2 4 2 6 1 扩展而来的基于调度的b m a 2 7 】( n e r g y a w a r et d m a b a s e d m a c ) 协议给每个节点分配时隙，减少冲突重传消耗的能量。g a n g l u 等人提出 的d m a c 协议【2 引，通过调度数据采集树中上下两层父子节点间的发送接收周期， 避免了数据发送冲突。 2 顾 ：学位论文 r h e e i 等人提了一种混合型的m a c 协议：z m a c 协议【2 9 1 ，它使用c s m a 3 0 】 作为节点的基本链路接入方式，在节点间的竞争加剧时采用t d m a 机制来减少信 道的冲突。 相比国外而言，国内有关无线传感器网络的研究仍处于起步阶段，清华大学、 西南交通大学、黑龙江大学、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。目前国内公开发表的学术文章，主要是在介 绍无线传感器网络相关综述工作和技术的基础上，对其应用价值进行分析，并阐 述其技术研究方面的热点问题。我国在2 0 0 6 年初的国家中长期科学与技术发展 规划纲要中为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与w s n 的研究直接相 关，即智能感知技术和自组织网络技术【3 。我国对传感器网络的研究与国外的研 究及商业化相比，水平相差很远，对无线传感技术的接触仅限于有限的几间大学 内所作的研究，而市场上并没有生产出成熟的产品。一方面此技术的诞生始于 2 0 0 1 年，国内了解此技术的人还不多；而另一方面国内在移动终端用户的通信，比 如说手机通信上做的开发研究比较多，而忽略了在工商业方面无线技术所拥有的 巨大潜力。而中国经济目前正处于工业的高速发展期，对计算机和无线网络技术 的应用需求也日益增大。无线传感技术的出现正适合了这一需要，他不但能有效 地解决许多问题，还能大大提高生产力和降低成本。 由于无线传感器网络是刚刚兴起的技术，我国与发达国家之间的差距不是特 别大，所以及时在我国开展该领域的研究，尤其是开展军事国防方面的研究，具 有长远的战略意义。同时，开展其在民用方面的研究，对我国社会和经济发展也 有划时代的意义。 1 3 本文的主要工作 1 3 1 问题的提出 传统的传感器网络设计过分注重节点节能而牺牲了整个网络性能。传感器网 络m a c 协议设计在降低节点能耗的目标下也应考虑网络性能。睡眠机制的引入 虽然降低了节点能量消耗，但是产生了早睡问题，加大了数据传输延迟，如何在 节点的能耗和延迟之间取得平衡一直是m a c 协议的重点研究问题之一。 基于调度的d m a c 协议解决了父子节点间的冲突问题，然而仿真结果表明在 节点采样频率加大的情况下仍然存在以下问题： ( 1 ) 节点能耗和网络延迟加大。节点间竞争加大，导致了更多的丢包和超时 重传，降低了网络性能。 ( 2 ) 更多的冗余信息被发送。发送数据的冗余信息降低了信道的有效利用率， 占用了网络资源。 ( 3 ) 数据采集树中节点能耗不均衡，离s i n k 节点越近的节点在网络负载过大的 种堆j ：数辑t ：采集讨的无线传感： ： h 络m a c 协 义研究 情况下不能及时将数据发送给汇聚节点，造成了丢包和能量消耗。 1 3 2 本文的研究内容 ( 1 ) 对无线传感器网络的理解和m a c 层各协议的比较与分析。m a c 层主要负 责信道的接入，针对无线传感网的标准，以构建低能量消耗、低速率传输、低成 本的无线网络。目前无线传感器网络还是一个比较新的研究课题，所以本课题拟 解决：对m a c 层协议工作机制进行全面的理解和分析。并研究在不同网络环境下 对m a c 层协议的要求。 ( 2 ) 为了确保可靠的数据通信，并减少时间延迟和节省能量开销，可以从降 低节点冲突、提高链路利用率、流量自适应等方面进行优化。本文研究分析了m a c 层协议和传统的可靠的数据通信机制，具体研究了其中的d m a c 协议和基于冲突 的m a c 协议。 ( 3 ) 网络仿真。n s 2 是一个在w i n d o w s3 2 和类l i n u x 平台下都可以使用的开源 软件包。它由v i n t ( v i r t u a li n t e r n e tt e s tb e d ) 项目开发。本文先介绍了目前广泛使 用于网络仿真的仿真软件n s 2 及其使用方法。然后在n s 2 网络仿真器上实现网络 仿真，模拟网络的运行情况，实验以u b u n t u 8 0 4 的l i n u x 操作系统作为仿真平台， 采用n s a l l i n o n e 2 2 9 作为仿真包，以l u g 等人提出的d m a c 协议源码作为仿真协 议，以网络中能量消耗和时间延迟作为重点考察对象，进行仿真。之后再数据提 取和分析过程，充分使用了多种分析工具和l i n u x 脚本语言。并比较和分析网络仿 真结果。 1 3 3 研究目标 评价无线传感器网络性能有多方面的指标，其中节点高能效是m a c 协议要解 决的首要问题，成为各种协议的研究重点，本文要达到的目标主要包括： ( 1 ) 降低网络节点能量消耗，延长网络生命期。 ( 2 ) 降低网络延迟，保证数据实时传输。 ( 3 ) 提高链路信道利用率，链路信道利用率定义为每帧数据的有效传输时间 链路信道占用的总时间。 1 4 本文组织 本文对无线传感器网络中m a c 层协议的性能做了分析和讨论，分析了影响 网络性能的各种因素，围绕传感器网络要求能量利用高效并且数据传输低延迟的 问题，在影响网络通信性能的数据冲突和控制开销方面对d m a c 协议做了研究分 析和改进设计，考虑了在节点密集，采样频率高的情况下，子节点间的相互竞争 对网络性能包括吞吐率、成功率、网络平均延迟的影响。并在d m a c 协议的基础 4 顾i j 学位论文 上建立了一种基于调度的网络模型，并通过侦听网络环境对数据包进行解析，从 而判断发送是否成功，对提高网络的整体性能有积极的作用。本文具体内容组织 如下： 第一章：简单介绍了无线传感器网络的研究背景，现状和意义，指出了无线 传感器网络中存在的一些问题，并简要介绍了主要工作内容，确立了本文的研究 目标。 。 第二章：研究并介绍了现有的针对无线传感器网络的m a c 层协议，对这些 协议进行了对比分析，研究了其中应用到的原理技术，比较了网络性能，并指出 了其中存在的问题。 第三章：结合基于数据采集树的d m a c 协议的特点，针对无线传感器网络中 对能量和时延等网络性能的要求，在实现可靠的数据传输的基础上提出了一种带 发送状态的数据收发模型，采用串音机制并通过设置数据发送定时器，避免侦听 并处理多余的数据包；详细描述了数据收发模型的设计，从传输时延、能量消耗 等方面做了分析。 第四章：在网络负载加大的网络环境中对数据采集树性能进行了分析，对网 络流量较大的环境中距离s i n k 节点较近的低深度节点存在的问题进行了分析，通 过控制不同深度节点的拥塞窗口和将子节点调节进入睡眠状态减少网络中的流量 的办法来减少节点间的碰撞，消除不必要的能量消耗。并在能耗和延迟方面对改 进后的协议作了进一步的理论分析。 第五章：基于以上改进的协议设计思想，采用开源的n s 2 网络仿真软件，添 加改进后的新协议，建立网络仿真模型，对其性能进行了网络模拟和仿真，并和 原来的协议进行对比，评估协议的网络性能。 第六章：对本文所做的研究创新与贡献进行总结，对所做的工作作了描述， 给出了无线传感器网络技术在未来的应用前景，并且指该技术存在的问题和今后 进一步的研究方向。 6 硕上学位论文 微型嵌入式系统组成，如图2 2 所示。 图2 2 无线传感器节点结构示意图 无线传感器节点通常包括四个模块：处理器模块，传感器模块，电源模块和 无线通信模块。传感器模块负责监测环境信息，并从环境中采集数据；处理器模 块通过设定好的指令对节点上的数据进行处理；无线通信模块的功能包括收发数 据，确认无线节点信道接入方式，选取路由协议将数据传递给s i n k 节点；能量供 应模块提供以上模块的能量支持，通常采用电池供电，且电池能量耗尽后不能复 用。因此，和我们一般所用的网络终端不同，传感器节点既具有一般意义上终端 的功能，同时也具有网络路由器的功能，在实施监测、发送自身的监测数据、与 其他节点协作完成一些特定任务的同时，还需要存储、处理其他节点转发过来的 数据处理，并将处理后的数据迸一步地转发出去。 2 2m a c 协议设计问题 2 2 1 无线传感器网络协议栈 在无线传感器网络中，介质访问控锘l j m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议决定无 线信道的使用方式，在节点之间分配有限的无线通信资源。无线传感器网络的协 议栈和传统网络的协议栈一样，采用5 层的分层结构，具体可以分为：物理层、数 据链路层、网络层、传输层和应用层【8 】。在网络协议栈中，m a c 子层位于数据链 路层，直接与物理层接口，负责控制和接入物理介质，如图2 3 所示。 1 应用层 用户在应用层上运行应用层软件，用来对传感器网络接收到的数据进行处理。 针对特定应用可以有不同的协议。用户通过对管理软件的操作，可以知道无线传 感器网络中节点的能量消耗，优化网络传输路径，在节点能量较低的情况下保证 数据采集任务的顺利完成。 2 传输层 传输层协议对传感器网络通信质量有重要的影响，是传感器网络与其它网络 连接的桥梁。最为熟知的传输控制协议( t c p ) 对传感器网络而言能量消耗过大，对 7 诤 j j i ；j ：数据采集树的无线传感器m 络m a c 协议研究 内部资源有限的传感器节点来说是不合时宜的。 3 网络层 路由算法和路由选择在这一层实现，网络层协议主要功能包括邻居发现、组 网、路由发现和维护，散布在监测区域的大量传感器节点需要通过路由协议将数 据从源节点传输到s i n k 节点。路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题。目前， 已经提出的无线传感器网络的路由协议有很多，对网络层协议的研究，优化路由 算法一直是科研人员工作的重点。 4 数据链路层 提供无线传感器网络中节点到节点的连接方式，确保传感器节点间通信资源 分配的公平性和有效性。相比传统的无线网络而言，无线传感器由于要在节点有 限的能量的前提下尽量延长网络生命期，并保证一定的网络性能，因此要求m a c 协议必须充分考虑能耗问题和减少冲突。由于传感器节点一般部署在环境较恶劣 的地方，数据链路层需要提供控制协议来对传输数据过程中的错误进行处理。 5 物理层 是无线传感器的最底层，负责无线信号的调制接收。将获得的数据传递给 m a c 层，物理层可以对传输数据的提供差错控制，包括前向差错控n ( f e c ) 和自 动重传请求( a r q ) ，是研究的重点之一。 图2 3 无线传感器网络协议栈 在无线传感器网络的协议栈中，定位和时间同步可以从传输控制，路由，数 据链路层获取跨层协作信息。q o s 和拓扑控制也是对立与5 层体系结构之外，通过 跨层协作获取信息，并通过对各层的信息进行处理，帮助各层优化协作，提高协 议效率，增强网络性能。网络管理、能量和安全模块也可以通过各协议层接口收 集信息，协调各种信息，达到整体优化。 8 砂 l 学位论文 2 2 2 无线传感器网络协议面临的问题 m a c 协议需要考虑节点的能量效率问题，节点计算、存储、通信能力都受到 限制，节点只能根据局部网络的拓扑信息转发数据，因此，在m a c 协议的设计时， 要将节点的能量高效问题作为设计协议的重要原则。图2 4 显示了传感器节