（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络mac协议的设计实现与比较.pdf

摘要 摘要 近年来由于微型制造技术、通信技术以及电池技术的进步，使得微小的传感 器具有了感应、无线通信和处理信息的能力，随之出现了一种新兴的计算机网络 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) 。无线传感器网络是由传感器节点 组成的网络，能够协作地感知、收集和处理传感器网络所覆盖的地理区域中感知 对象的信息，并将处理过的信息以无线传输的方式送到信息收集中心或基站。它 具有网络规模大、节点数量多、资源受限、网络拓扑动态变化、以及以数据为中 心等一系列的特点可广泛应用于军事行动，环境观测与预报系统、医疗健康系 统、外部空间探索、以及其他各种商用应用等多种场合，具有广阔的应用前景。 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 s c o n t r 0 1 ) 协议来协调各节点对信道的访问。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。 本文首先对无线传感器网络的概念、应用、特性及研究难点等相关问题进行 了介绍，然后对无线传感器网络m a c 协议现有的研究成果以及所面临的问题进 行了探讨。在第三章中，本文利用网络模拟器o m n e t + + ，对于现在已经提出的 数种无线传感器网络的m a c 协议，如c s m a c a 、s m a c 协议、t - m a c 协议和 l - m a c 协议作了模拟实现，并且从能源有效性、以及网络吞吐量两个方面给出 了模拟数据，并进行分析。 通过第三章的模拟发现，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 ) 的方式 是一种在能源有效性方面表现较好、且易于实现的m a c 协议类型，这个特性使 得t d m a 非常适用于无线传感器网络的环境。因此，本文针对在无线传感器网络 中，节点访问信道、有效利用节点能源、和同步等问题，提出了一种基于t d m a 的m a c 协议方案s t d m a 协议，以期延长无线传感器网络的能源供应期，和 提高对网络拓扑改变的适应性，并相应提高网络的吞吐量。 在第五章中，再次利用o m n e t + + 对本文提出的s t d m a 协议进行了计算机 模拟实验，分析结果表明，与第三章进行模拟的其他无线传感器网络m a c 协议 相比，本文所提出的协议能在一定程度上提高无线传感器网络的能源有效性，及 摘要 相应提高吞吐量。并且，还能针对t d m a 类型m a c 协议带来的同步问题，很 大程度地减少由于不同步而发生的数据冲突率，提供了q o s 保障。 在本文的最后，给出了研究工作总结，并提出了进一步工作的展望。 关键字 无线传感器网络，媒体访问控制( m a c ) ，时分复用( ) m a ) ，s t d m a 协议， o m n e t - h - ，能源有效性，网络吞吐量 中图分类号 t p 3 9 3 ：计算机网络，t p 3 1 1 h 程序设计 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a d v a n c e si nm i n i a t u r i z a t i o n ；l o w - p o w e rc i r c u i td e s i g n ；s i m p l e ， l o wp o w e l , y e tr e a s o n a b l ye f f i e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ；a n di m p r o v e d s m a l l - s c a l ee n e r g ys u p p l i e sh a v ec o m b i n e dw i t hr e d u c e dm a n u f a c t u r i n gc o s t st om a k e an e wt e c h n o l o g i c a lv i s i o np o s s i b l e ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h e s en e t w o r k s c o m b i n es i m p l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m i n i m a lc o m p u t a t i o nf a c i l i t i e s ，a n ds o m e s o r to f s e n s i n go f t h ep h y s i c a le n v i r o n m e n ti n t oan e wf o r mo f n e t w o r kt h a tc a l lb e d e e p l ye m b e d d e di np h y s i c a le n v i r o n m e n t , f u e l e db yt h el o wc o s ta n dt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nf a c i l i t i e s t h em o s ti m p o r t a n tp o i n t st h a tm a k ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sd f f e r e n ta r et h ef o l l o w i n g ：l a r g es c a l e ，l i m i t e de n e r g y , s e l f c o n f l g u r a b i l i t y ， d a t ac e n t r i ca n de t c t y p i c a ls e n s i n gt a s k sf o rs u c han e t w o r kc o u l db em i l i t a r y a p p l i c a t i o n s , e n v i r o n m e n ta p p l i c a t i o n s ，h e a l t ha p p l i c a t i o n s , h o m ea p p l i c a t i o n sa n d o t h e rc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n s t h em a c p r o t o c o li naw i r e l e s sm u l t i h o ps e l f - o r g a n i z i n gs e n s o rn e t w o r km u s t a c h i e v et w og o a l s t h ef i r s ti st 0e f f i c i e n t l ya n df a i r l ys h a r ec o m m u n i c a t i o nr e s o u r c e s b e t w e e ns e n s o rn o d e s t h ep r i m a r yo b j e c t i v ei sa b l et om i n i m i z ec o l l i s i o nw i t h n e i g h b o r s b r o a d c a s t t h es e c o n di sp o w e r a w a r e p o w e re f f i c i e n c eo f m a cp r o t o c o l d i r e c t l y i n f l u e n c e sn e t w o r kl i f e t i m ei na 自g n s o rn e t w o r ka n dh e n c ei sp r i m e i m p o r t a n c e f u r t h e r m o r e ，i ti sb e t t e rt oq u i c k l ya d a p tt h ec h a n g eo f n e t w o r kt o p o l o g y n i s p a p e r d e s c r i b e st h ec o n c e p to f w i r e l e s s $ e n s o rn e t w o r k s t h ea p p l i c a t i o n s , t h ef e a t u r e s , r e c e n tr e l a t e dr e s e a r c ha n do t h e ri s s u e s t h a nt h er e s e a r c ha n di s s u e so f m a c p r o t o c o li nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa l ep u tf o r w a r d i nt h et h i r dc h a p t e rw e s i m u l a t es o m em a cp r o t o c o l si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sb yo m n e ms u c ha s c s h d c a ，s m a cp r o t o c o l ，t - m a cp r o t o c o la n dl - m a cp r o t o c 0 1 a n dw ea n a l y z e t h ed a t af r o mt w oa s p e c t s ，p o w e re f f i c i e n c ea n dn e t w o r kt h r o u g h p u t ，a n dg a v et h e r e s u l t s t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，w ed i s c o v e rt h a tt d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) i sag o o dc a t e g o r yo f m a cp r o t o c o l ，e s p e c i a l l yi np o w e re f f i c i e n c ya n de a s y i m p l e m e n t t d m ai sv e r ys u i t a b l ef o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r p r e s e n t sam o d i f i e dm a cp r o t o c o lb a s e do nt d m a s t d m a i tc a np r o l o n gt h e 3 a b s t r a c t p o w e rc o n s e r v a t i o no fs e n s o rn o d e sa n ds t r e n g t h e nt h ef l e x i b i l i t yo fn e t w o r k s t o p o l o g yi no r d e rt oe n h a n c et h et h r o u g h p u t i nt h ef i f t hc h a p t e rw es i m u l a t es t d m ap r o t o c o lb yo m n e t + + n er e s u l t s d e m o s t r a t et h a ts t d m ap r o t o c o lc a l lb ep o w e re f f i c i e n ta n dh i g ht h r o u g h p u ta n d c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rf o u rm a cp r o t o c o l s - - - - - c s m a c a , s m a c ，t - m a c ， l - m a c ，t h ei m p r o v e m e n ti sa c t u a l l yv i s i b l e f u r t h e r m o r e ，t h es y n c h r o n i z a t i o ni s s u e s w h i c ha r eb r o u g h tb yt d m at y p ep r o t o c o l sc a r lb es o l v e db ys a f es l o t ss ot h a t r e d u c e dd a t ac o l l i s i o n si nac e r t a i ne x t e n t f i n a l l y , t h el a s tc h a p t e ro ft h i sp a p e rg i v e sar e s e a r c hs u r a r n a r ya n dp r o v i d e sa p r o s p e c to f f u r t h e r w o r ko nm a cp r o t o c o l si nw 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 w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) ，m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) ，t d m a ，s t o m a , o m n e t 4 q - ，p o w e re f f i c i e n t , t h r o u g h p u t c h i n e s el i b r a r yc l a s s i f i c a t i o n t p 3 9 3 ：c o m p u t e r n e t w o r k , t p 3 1 1 hp r o g r a md e s i g n i n g 4 第一章引言 1 1 无线传感器网络简介 第一章引言 由于微型制造技术、通信技术以及电池技术的进步，使得微小的传感器具有 了感应、无线通信和处理信息的能力，随之出现了一种新兴的计算机网络无 线传感器网络。无线传感器网络由一组传感器组成，能够协作地感知、收集和处 理传感器网络所覆盖的地理区域中感知对象的信息，并将处理过的信息以无线传 输的方式送到信息收集中心或基站( b a s es t a t i o n ) 。 因为有着广泛的应用前景，无线传感器网络受到了越来越多研究人员的重 视。 1 1 1 无线传感器网络的发展历史 无线传感器网络经历了如图1 1 所示的发展历程。 域覆盖 面覆盖 线覆盖 煮覆意 网络连接 总线连接 接口连接 直接连接 图1 - 1 无线传感器网络的发展历程 第一代传感器网络出现在2 0 世纪7 0 年代，使用具有简单信息信号获取能力 的传统传感器，采用点对点传输，连接传感控制器构成传感器网络； 第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串并接口与 传感控制器相连，构成有综合多种信息的传感器网络： 第一章引言 第三代传感器网络出现在2 0 世纪9 0 年代后期和本世纪初，用具有智能获取 多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智 能化传感器网络； 第四代传感器网络正在研究开发，用大量的具有多功能多信息信号获取能力 的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感 器网络。 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现在1 9 9 9 年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上， 提出无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2 0 0 3 年，美国技术评论 杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同 年，美国商业周刊未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列 入其中。2 0 0 4 年( i e e es p e c t r u m 杂志发表一期专集；传感器的国度，论述无 线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影 响和巨大的推动。 1 1 2 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络系统的组成可以如图l - 2 所示： 图1 - 2 无线传感器网络的组成 在监测区域中，随机分布着大量的传感器节点，这些节点以白组织的方式构 成网络结构。每个节点既有数据采集功能，又有路由功能，采集的数据经过多跳， 传递给汇聚节点( s i n k 节点) ，并由汇聚节点连接到互联网，进行数据传输。在 网络的任务管理节点对信息进行管理、分类、处理，最后供用户进行集中处理。 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信 6 第一章引言 能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节 点兼顾传统网络节点的终端和路由器的双重功能。除了进行本地信息收集和数据 处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其 他节点协作完成一些特定任务。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络 与i n t e r n c t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节 点的监测任务，并把收集的数据转发n 9 i - 部网络上。汇聚节点既可以是一个具有 增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是 没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 1 1 2 1 传感器节点 无线传感器网络的基本组成元素是节点。节点同时具有传感、信息处理和进 行无线通信的功能。对于不同的应用环境，节点的结构可能也不一样，但是它们 的基本组成是一致的。 一个节点通常由传感器、微处理器、存储器、d 转换接口、无线发射以及 接收装置和电源组成。也可以分为传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能 量供应模块四个部分。 图i - 3 无线传感器的节点结构图 传感器模块负责信息采集和数据转换； 处理器模块负责整个传感器节点的操作，处理本身采集的数据和其他节点发 来的数据，运行高层网络协议； 无线通信模块负责与其他传感器节点进行通信； 能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常是微型蓄电池。 7 第一章引言 一删 l 传输控制 iii i 釜l l 裂l l 路由 l i 杞j l nl l 赛i i 曼i l 数据链路而面堋l i 孑卜i i l l 骞i ii i物理l l 一| ii 第一章引言 用户提供高质量的服务。通信协议中的各层都需要提供q o s 支持。 1 1 3 无线传感器网络的特点 无线传感器网络与传统无线网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点 使得无线传感器网络存在很多新问题，也提出了很多新的挑战。 无线自组网( m o b i l ea d - b o cn e t w o r k ) 是一个由几十个到上百个节点组成的、 采用无线通信方式、动态组网的、多跳的移动性对等网络。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。通常节点具有持续的 能量供给。无线传感器网络虽然与无线自组网络有相似之处，但同时也存在着很 大的差别。 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( 上千甚至上万) ；节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点 更容易出现故障；环境干扰和节点故障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。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存 储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质 量和高效的带宽利用，其次才考虑节约能源；而无线传感器网络的首要设计目标 是能源的高效使用，这也是无线传感器网络和传统网络最重要的区别之一。 无线传感器网络的主要特点有： ( 1 ) 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：一方面是传感器节点分布在 很大的地理区域内，如在原始森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测；另 一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大 量的传感器节点。 另外，由于无线传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有 限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状 态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。无线传感器网络的 节点数量和密度都要比a dh o e 网络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节 点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带来一系列问 题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。 ( 2 ) 节点有一定的故障率 由于无线传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会 9 第一章引言 由于各种不可预料的原因而失效，传感器节点也往往采用随机部署，如通过飞机 散播或发射炮弹进行部署等，这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应 各种恶劣的环境条件。 另外由于监测环境的限制以及节点数目巨大，不可能人工照顾到每个传感器 节点，网络的维护十分困难甚至是不可能的。因此，为了保证网络的正常工作， 要求无线传感器网络的软硬件必须设计成具有一定的容错能力和健壮性，允许传 感器节点具有一定的故障率。 ( 3 ) 节点资源受限 由于传感器节点的微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给 节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计中最 关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。 ，另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算， 传统i n t e r n e t 网络上成熟的协议和算法对无线传感器网络而言开销太大，难以使 用，必须重新设计简单有效的协议及算法。 ( 4 ) 网络的拓扑结构动态变化 由于无线传感器网络自身的特点，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换以 及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者有新的传感器节点补 充进来以提高网络的质量，这些特点都使得无线传感器网络的拓扑结构变化很 快，这对网络各种算法( 如路由算法和链路质量控制协议等) 的有效性提出了挑 战。此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。 ( 5 ) 以数据为中心( d a t ac e n t r i c ) 在无线传感器网络中，人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去 关心具体某个节点的观测数据，比如说人们可能希望知道“检测区域的东北角上 的温度是多少”，而不会关心“节点8 所探测到的温度值是多少”。也就是说，它 关注的是数据本身，而并不关注数据是哪个节点采集的。这就是无线传感器网络 的以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来 的，以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快 速有效的组织起各个节点的信息，并融合提取出有用的信息直接传送给用户。 ( 6 ) 协同合作 在无线传感器网络中，数据的传输很有可能需经由多个中间节点的层层传输 才能到达目标节点，在此每个中间节点都扮演了路由器的角色，通过自身有限的 第一章引言 运算能力、带宽、能源和拥有的有限资源来决定如何输送数据，数据的传输必须 依赖所有节点协力合作。 简单来说，这就是松散耦合的分布式系统。 1 1 4 无线传感器网络尚待解决的问题 涉及无线传感器网络各个方面的研究工作都正在展开，由于很多问题都尚未 得到彻底解决，因此研究空间是很大的。以下分别从网络管理技术和应用支持技 术两方面分别阐述： 1 1 4 1 网络管理技术 1 l 能量管理： 在无线传感器网络中，电源能量是各个节点最宝贵的资源。为了使无线传感 器网络的使用时间尽可能的长，必须合理有效地利用能量。无线传感器网络的能 量管理部分控制着节点对能量的使用。 2 ) 拓扑管理： 在无线传感器网络中，为了节约能量的使用，某些节点在某些时刻会进入休 眠状态，导致网络的拓扑结构不断变化。为了使网络能够正常运行，必须进行拓 扑管理，控制各节点状态的转换，使网络保持畅通，数据能够有效地传输。 3 1q o s 支持： q o s 支持是网络与用户之间、以及网络上互相通信的用户之间，关于信息传 输与共享的质量的约定。为了满足用户的要求，无线传感器网络必须能够为用户 提供足够的资源，以用户可以接受的性能指标工作。 4 ) 网络管理： 网络管理是对网络上的设备及传输系统进行有效的监视、控制、诊断和测试 所采用的技术和方法。网络管理功能主要有：故障管理、计费管理、配置管理、 性能管理和安全管理等。 5 ) 网络安全： 无线传感器网络多用于军事、商业领域等，安全性是其重要的研究内容。由 于无线传感器网络中的节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性， 使传统的安全机制无法适用。因此，需要设计新型的网络安全机制。可借鉴扩频 第一章引言 通信、接入认证鉴权、数据水印、数据加密等技术来应用于无线传感器网络的 安全领域。 6 1 移动控制： 在某些应用环境中，有一部分的节点可以移动。移动控制负责检测和控制节 点的移动，维护到汇聚节点的路由，还可以使传感器节点能够跟踪它周围的邻居 们。 乃远程管理： 对于某些应用环境，传感器网络处于人类不容易访问的地点，为了对传感器 网络进行管理，采用远程管理是十分必要的。通过远程管理，可以修正系统的 b u g ，系统升级，关闭子系统，监控环境的变化等，使无线传感器网络工作更有 效。 1 1 4 2 应用支撑技术 无线传感器网络的应用支撑技术为用户提供了各种具体的应用支持，包括时 间同步、节点定位，以及向用户提供协同应用服务接口。 1 ) 时间同步： 无线传感器网络的通信协议和应用要求各节点问的时钟必须保持同步。多个 传感器节点相互配合工作，确定节点休眠也要求时钟同步。 2 ) 节点定位： 节点定位是确定无线传感器网络的每个节点的相对位置或绝对位置，节点定 位在军事侦察、环境检测、紧急救援等应用中尤其重要。节点定位分为集中定位 方式和分布定位方式。 3 ) 分布式协同应用服务接口： 无线传感器网络的应用是多种多样的，为了适应不同的应用环境，人们提出 了各种应用层的协议，该研究领域目前比较活跃，已提出的协议有：任务安排和 数据分发协议t a d a p ( t a s ka s s i g n m e n ta n d d a t aa d v e r t i s e m e n tp r o t o c 0 1 ) 、传感器 查询和数据分发协议s q d d p ( s e n s o rq u e r ya n dd a t ad i s s e m i n a t i o np r o t o c 0 1 ) 等 等。 钟分布式网络管理接口： 主要是传感器管理协议s m p ( s e n s o rm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) ，把数据传输到应 第一章引言 用层。 1 2 选题的目的和意义 1 2 1 无线传感器网络的应用前景 1t 虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时 日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经有为 数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在 以下领域： 1 军事应用 在军事领域，传感器网络将会成为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 1 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。 因为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，包括监控兵力、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。在战 场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况，铺 设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据送至指挥所，再转发到指 挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。在战争中，对冲 突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺设传感器网络，以更隐蔽的方式 近距离地观察敌方的布防；当然，也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌 方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息。传感器网络也可以为火控和制导 系统提供准确的目标定位信息。在生物和化学战中，利用传感器网络及时、准确 地探测爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。传 感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。 2 环境观测与预报系统 随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传 1 3 第一章引言 统方式采集原始数据是一件困难的工作，无线传感器网络为野外随机性的研究数 据获取提供了方便。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。a l e r t 系统中就有数种传感器来监测降 雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。类似地，无线传感 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，传感器网络还可 以应用在精细农业中，用以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 3 医疗健康 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，进行及时处理。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。 4 空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络 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。n a s a 的 j l l ( j e tp 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捌 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。 5 其他商业应用 自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特 点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。 比如，嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与i n t e r a c t 连 接在一起，将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境；城市 车辆监测和跟踪系统中成功地应用了传感器网络；德国某研究机构正在利用传感 器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以减小足球比赛中越位和进球的误判 率。此外，在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生 产线等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。 1 4 第一章引言 1 2 2 选题的意义 尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用 价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。但随着应用的 深入，就目前的技术水平来说，让无线传感器网络正常运行并大量投入使用还面 临着许多问题。 无线传感器网络中的节点能够使用的资源相当有限，如何妥善运用这些宝贵 的资源来达成任务一直是无线传感器网络的研究重点，换句话说，研究的目的就 是希望每个传感器节点能够在能源限制下，有效率地运用有限的带宽，并且能够 很好地适应布置传感器节点的环境，适应可能会经常出现的网络拓扑结构的改 变。 这就提到了无线传感器网络中两个最重要的议题：控制能源消耗，和对网络 拓扑结构变化的可适应性。 目前，普遍应用于无线网络的无线技术为i e e e 提出的8 0 2 1 1 系列协议， 这表示目前的无线网络环境大多以8 0 2 ”作为无线节点的m a c 协议。由于无 线网络使用的传输媒介属于开放式共享资源，移动节点要传输节点时必须先完全 占用传输媒介才能运作，因此，8 0 2 ”采用了载波侦听多路访问冲突检测 ( c s m a c a ) 的方式来争夺传输媒介，只有获得信道的节点才能进行数据传输。 但是c s m a c a 的运作方式需要节点长期侦听信道，显然，对于传感器节点 来说会消耗相当多的能源，因此，8 0 2 ”协议不可能也应用于无线传感器网络 领域。这就要求我们，能够研究出适应无线传感器网络特性的新型的m a c 协议。 虽然现在国内国外提出了不少适用于无线传感器网络的m a c 协议算法，但是至 今仍然没有一种被广泛采用的标准。其中的一个原因是因为，通常无线传感器网 络中m a c 协议的采用会依赖于无线传感器网络的上层应用。另一个原因则是因 为，对于底层的物理层，也缺乏统一的标准。 因此，提出新的、更为适应于无线传感器网络的m a c 协议，是非常具有挑 战性和实际意义的课题。 1 2 3 无线传感器网络的未来展望 无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环 境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其 优越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网 第一章引言 络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网络最终可能将家用电 器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传 感器网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十 分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。 但是，我们还应该清楚的认识到，无线传感器网络才刚刚开始发展，它的技 术、应用都还还远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整 个行业的发展。 1 3 论文结构和所完成的工作 本论文首先对无线传感器网络的概念、特点、广泛的应用前景，以及所面临 的困难进行了简要介绍，从而对无线传感器网络有了一个总体的把握。 在第二章中，阐述了在无线传感器网络中m a c 协议的重要性，并详细描述 了m a c 协议对于传感器节点能量的影响。另外，对当前在无线传感器网络m a c 协议领域的研究现状作了详细的介绍，重点描述了s m a c 、t - m a c 、w i s e m a c 等m a c 协议的工作原理。 第三章，对无线传感器网络领域的模拟仿真工具进行了简要介绍，并采用模 拟工具o m n e t + + 进行本文后续的所有实现与模拟工作。然后，给出了c s m a c a 、 s - m a c 、t - m a c 、l - m a c 协议的具体实现，并且针对这四种m a c 协议的能源有 效性和网络吞吐量的模拟结果进行了深入分析。 第四章，针对无线传感器网络节约能耗最重要的原则，提出了一种基于 t d m a 方式的m a c 协议。该协议包括采用安全时槽来解决节点之间的时钟漂移， 双信道通信提高网络有效利用率，以及对于网络拓扑改变的时槽分配方式等一系 列设计。 第五章，首先采用理论的方法对提出的m a c 协议作了分析，然后采用模拟 工具o m n e t + + 对其进行了实现及模拟，并将模拟结果与第三章中的四种协议进 行了多方面分析比较，并给出了结论。 最后，对本论文的工作进行了总结，并对以后的研究方向提出了展望。 第二章无线传感器网络m a c 协议研究现状 第二章无线传感器网络m a c 协议研究现状 2 1 无线传感器网络中m a c 协议的特性 无线传感器网络与传统的无线语音、数据网络有所不同，正如第一章已经简 要介绍过，主要表现为：电源容量有限，节点自组织，节点数量多，突发性的业 务量，等等。以上无线传感器网络有别于传统的无线语音、数据网络的众多特 点显示出，其m a c 协议的设计也应该有别于传统的m a c 协议。 2 1 1 无线传感器网络m a c 协议设计的主要因素 针对无线传感器网络，设计一个好的m a c 协议，需要考虑到以下的因素： 1 能源有效性 能源有效性是无线传感器网络m a c 协议性能指标中最重要的一项指标，正 如前一章所述，网络中节点的能源非常有限，而且在实际设计一些无线传感器网 络时，会减少节点的成本，以节点的一次性使用作为设计目标。而且，无线传感 器网络有可能工作在比较偏远，甚至危险的环境中，通常是很难给传感器节点替 换电池或是给它们的电池充电的。因此，尽量延长网络节点的生存时间是在设计 无线传感器网络时需要考虑到的一个重要问题。 在节点的硬件结构中，无线收发装置消耗的能源占节点消耗能源的绝大部 分，m a c 协议直接控制无线收发信装置的行为，可直接控制其消耗的能源大小， 因此m a c 层的能源有效性直接影响网络节点的生存时间。 2 可扩展性 可扩展性是指一个m a c 协议应该适应网络大小、网络拓扑结构、网络节点 密度的变化。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以移动；一个节点可能 因为电池能源耗尽或其它原因退出网络运行；一个节点也可能由于需要而加入到 网络中。诸多的因素影响、改变着网络的规模、结构等。因此，一个好的m a c 协议应该使网络能快速高效的白适应这些变化。 3 冲突避免 避免信道冲突是m a c 协议的一项基本任务，它决定网络中的节点在何时、 如何去访问共享的传输媒体和发送数据。 第二章无线传廖器网络m a c 协议研究现状 4 信道利用率 信道利用率反映了网络通信中信道带宽如何被使用。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，信道利用率 性能指标在无线传感器网络中是处于第二位的。 5 延迟 延迟是指发送端向接收端发送一个数据包，到接收端成功接收这一数据包之 间的这一时间间隔。在无线传感器网络中，延迟的重要性主要取决于网络的应用。 6 吞吐量 吞吐量代表在一个给定的时间内，发送端成功发送给接收端的数据量。许多 因素影响网络的吞吐量，例如，冲突避免机制的有效性、信道利用率、延迟、控 制开销等。和延迟一样，吞吐量的重要性也取决于网络的应用，无线传感器网络 的许多应用为了获得更长的节点生存时间，可以适当牺牲延迟和吞吐量性能指 标。 7 公平性 公平性反映出无线传感器网络中各节点、用户和应用。平等的共享信道的能 力。公平性是传统的语音、数据通信网络中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的发送、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，存在一个节点 相比于其它节点拥有大量的数据需要传送，因此，公平性往往用网络中某一应用 是否成功实现来评价，而不是以每个节点，用户平等的发送、接收数据的能力来 评价。 因此，设计一个无线传感器网络的m a c 协议，主要应该考虑到，一是能源 有效性，另一个是可扩展性，而其它的一些性能指标，包括：信道访问的公平性、 延迟、吞吐量、带宽利用率等传统m a c 协议中首要考虑的性能指标，在无线传 感器网络中，和这两个性能指标相比，其重要性就可以放在比较次要的地位了。 2 1 2 无线传感器网络m a c 协议涉及的能耗 无线传感器网络研究的核心问题之一是功耗管理。这就决定了无线传感器网 络协议栈各层的设计，都必须以能源有效性为首要的设计要素。通过对现有系统 的分析可知，射频模块是传感器网络节点中最大的耗能部件，也是优化的主要目 第二章无线传感器网络m a c 协议研究现状 标。 由于媒体访问控制m a c 协议层直接控制网络中节点的无线收发装置( 即射 频模块) ，因此，m a c 协议的设计对节点的能源消耗有很大的影响，直接关系到 节点的生存时间。 传感器节点无效功耗主要有以下4 个来源： 1 ) 空闲侦听：节点不知道邻居节点何时会向自己发送数据，因此，射频模 块必须一直处于接收状态，消耗了大量的能源。这是无效功耗的最主要 来源： 2 ) 冲突：数个节点可能同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰， 接收方无法准确接收，重发造成能量浪费： 3 ) 串扰( o v e r h e a r i n g ) ：接收和处理发往其他节点的数据都属于无效功耗； 4 ) 控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效的； 5 ) 过度发送( o v e r e m i t t i n g ) ：发出数据帧，接受节点未准备好接受，再次发 送造成能量浪费。 2 2 无线传感器网络m a c 协议的分类 目前，针对