（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络mac协议研究.pdf

辽宁科技大学硕士论文摘要 摘要 出于无线传感器网络不需要任何固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强 等特点，引起人们的广泛关注，它在军事监控与环境监测，地震与气候预测以及 外层空| 日j 探索等许多方面都具有广泛的应用前景。可以说无线传感器网络是信息 感知和采集技术的一场革命，是2 l 世纪最重要的技术之一。 无线传感器网络介质访问控制( m a c ) 协议用于决定节点共享的无线信道的 分配方式，用柬构建传感器网络系统的底层基础结构，对传感器网络的性能有较 大影响。无线传感器节点硬件具有功能简单、低成本、低功耗、低数据率、功率 小的特点，并且应用于多种复杂环境，同时网络拓扑结构变化快、无中心化，这 使得一些传统的m a c 层技术难以保证较好的性能。因此，研究对网络坏境有一 定适应能力的自适应m a c 技术具有重要的意义。 本文主要针对无线传感器网络m a c 协议进行研究。首先通过无线传感器网络 的基本概念、体系结构及其独有的特点，分析了无线传感器网络中的限制因素及 主要性能指标，对无线传感器网络中与m a c 协议相关原理进行了探讨。在这些 基本概念和原理基础上，针对当前无线传感器网络中基于竞争的m a c 协议的不 足，进一步提出一种基于竞争的异步自适应m a c 协议：a a m a c 。该协议将b m a c 的长前导帧转为不连续发送的数据帧，加入了用于反馈的确认帧，并使用了自适 应策略，进一步的减少了节点的发送帧数量和节点的工作时间。通过与b m a c 的 理论分析对比和在n s 2 上的模拟比较证明，a a m a c 缩短了无线传感器网络节点 的监听和发送数掘的时间，有更好的节能效果并且延时更小。 关键字：无线传感器网络，m a c 协议，竞争，异步，自适应 辽宁科技大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h er e s u l to ff a s td e p l o y m e n t ，r o b u s t n e s sa n di n d e p e n d e n c eo fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ( w s n s ) ，w s n sh a sr e c e n t l yr e c e i v e dal o to fa t t e n t i o no nt h ei n t e m a t i o n m r e s e a r c hf i e l d a n dw s n s n a t u r em a k e si tm o r ea t t r a c t i v ef o rm i l i t a r ya p p l i c a t i o n sa n d o t h e rw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，s u c ha se n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，e a r t h q u a k ea n d c l i m a t ef o r e c a s t i n g ，s p a c ee x p l o r i n g n e v e r t h e l e s s ，i ti sar e v o l u t i o no fi n f o r m a t i o n s e n s i n ga n dc o l l e c t i o nm e t h o da n do n eo f t h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si n2 1c e n t u r y 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 lf o rw s n sp r o v i d e st h et e c h n i q u et h a t d e c i d e sh o wt os h a r et h ec a n n e la m o n gw s nn o d e s ，a n di ti st h eb a s i cs t r u c t u r eo f w s n s t h et i n ys e n s o rn o d e sh a v el i m i t e dl o wc o s t ，p o w e r , c o m p u t a t i o n a lc a p a c i t y , b a n d w i d t ha n dm e m o r y a n dw s n sm u s tp o s s e s ss e l f - o r g a n i z i n g c a p a b i l i t i e s a n d c e n t r e l e s sa r c h i t e c t u r et oe n s u r eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，c o n v e n t i o n a lm a c m e c h a n i s mc a nh a r d l yp r o v i d eg o o dp e r f o r m a n c ei ns u c hc o m p l e xe n v i r o n m e n to f d i s t r i b u t e dn e t w o r k s c o n s e q u e n t l yi ti sm e a n i n g f u lt od e v e l o pm a ct e c h n i q u e sw i t h a d a p t i v ea b i l i t i e si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h i sp a p e ri sd e d i c a t e dt ot h er e s e a r c ho fw s n sm a c p r o t o c 0 1 f i r s t l y , b y t h e b a s i cc o n c e p t ，a r c h i t e c t u r e ，f e a t u r ea n dp e r f o r m a n c es t a n d a r do fw s n ，w ea n a l y z e dt h e p o p u l a rw s nm a cp r o t o c o l sb a s e do nc o m p e t i t i o n t h e n ，f o rt h ef e a t u r eo fw s n ，w e p r o v i d e dan e wa s y n c h r o n o u sa d a p t i v em a cp r o t o c o lb a s e do nc o m p e t i t i o n ：a a m a c ， t h i sm a c p r o t o c o ls h o r t e dt h ep r e a m b l el e n g t ho fa s y n c h r o n o u sm a c i nw s n ，a n d u s e da d a p t i v el i s t e n i n g t h i sm a c p r o t o c o lm a k e st h en u m b e ro fs e n d i n gp a c k e to f f e w e ra n dt h en o d e sw o r k i n gt i m es h o r t e d w s nn o d es i m u l a t i n go nn s 2 ，w ef o u n dt h e a a m a ch a sb e t t e re n e r g ya n dl a t e n c ye f f i c i e n c yt h a no t h e rs i m i l a rm a cp r o t o c o l s k e y w o r d s ：w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ，m a c p r o t o c o l ，c o m p e t i t i o n ，a s y n c h r o n o u s ，a d a p t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：关叁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：鬈尘导师签名：盏圭丝e t 期：丝笪：兰矽 辽宁科技大学硕士论文第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 人类进入2 1 世纪，微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 、 计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的飞速发展孕育了一种新型的测控网 络无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 。 无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节 点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根掘环境自主完成指定任务的 “智能”自治测控网络系统。无线传感器网络是一种超大规模、无人值守、资源 严格受限的全分布系统，采用多跳对等的通信方式，其网络拓扑动念变化，具有 自组织、自治、自适应等智能属性。1 9 9 9 年和2 0 0 3 年美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技术发展报告中，将w s n ( 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) 列为2 l 世纪最有影响力的2 l 项技术和改变世界的1 0 大新技 术之一。i i 】1 2 】 无线传感器网络有着巨大的应用前景。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。这样就 可以方便地监控我军布防的阵地是否有敌军入侵；也可以将网络布置在敌方阵地 上，以隐密的方式监控敌方阵地和敌军活动情况。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。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，使得以f j i 造价昂贵的无线传感器网络现在已经能够进入民用领域。现在传感 器网络已经在民用领域中得到了很多应用。传感器网络在民用方面的应用主要有： 生念环境监测、基础设施安全、先进制造、物流管理、医疗健康、工业传感、智 能交通控制、智能能源等。越来越多的可能的应用领域不断展现在人们的面酊， 可以肯定的是，随着技术的进步和经济的发展，无线传感器网络必将会越来越多 地应用到社会生活的各个方面。 辽宁科技大学硕士论文 第l 章绪论 1 2 课题研究意义 传感器网络的巨大应用价值已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和 学术界的极大关注。美国自然科学基会委员会2 0 0 3 年制定了传感器网络研究计 划，投资3 4 ，0 0 0 ，0 0 0 美元，支持相关基础理论研究。美国国防部和各军事部门都 对传感器网络给予了高度重视，设立了一系列军事传感器网络研究项目，如著名 的美国国防部( d a r p a ) 的s e n s l t 项目。美国m i t 、b e r k l y 、康奈尔、南加州大 学以及i n t e l 、n t e l 、m i c r o s o f t 、c r o s s b o w 、h p 、欧姆龙等国际大公司均投入了大 量的人力、物力用于研发传感网络相关技术、标准与产品。但是，这些研究尚处 于起步阶段，距离实际应用还相差甚远。国内诸如清华大学，中国院等著名研究 机构也逐步丌展研究工作，但由于起步晚，现阶段工作主要是一些综述性工作及 跟踪研究工作，但是由于传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并 不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家 的社会、经济将有重大的战略意义。 1 3 本文的组织结构 本文共分为五章： 第1 章绪论。介绍课题的研究背景以及国内外的研究现状，阐述课题的研究 意义。 第2 章对无线传感器网络进行综述。介绍无线传感器网络的体系结构、特征、 应用领域以及面临的问题和挑战，并且对无线传感器网络中的主要路 由协议进行分类介绍和比较。 第3 章无线传感器网络m a c 协议分析。介绍无线传感器网络的m a c 协 议的特点及分类，并简要介绍几种现有的主要的无线传感器网络的 m a c 协议。 第4 章一种基于竞争的异步自适应无线传感器网络m a c 协议。针对基于竞 争的m a c 协议的不足之处，提出一种新的m a c 协议a a m a c ，提出 了协议原理，算法和工作流程。在对a a m a c 和b m a c 的理论分析对 比和仿真分析对比中，得出新协议能够更好节能和缩小延时的结论。 第5 章结束语。对全文进行总结，并展望今后的工作。 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络综述 第2 章无线传感器网络综述 2 1 无线传感器网络体系结构 2 1 1 无线传摩器网络结构 图2 i 传感器网络体系结构 无线传感器网络结构如图2 1 所示，无线传感器网络结构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 ) 和管理节点。大量传感器节点随机部署在监 测区域内部或者附近，采用自组织方式构成网络。通过监测获得的数据首先沿着 其他传感器节点经过多跳路由到汇聚节点，然后再通过互联网或卫星到达管理节 点。在这个过程中，传感器节点负责在监测区域内对监测对象进行探测并采集相 关数据；汇聚节点负责连接传感器网络与i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议栈之 间通信协议的转换：同时它还负责发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转 发到外部网络上：用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任 务以及收集监测数据。 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 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，同时与其它 节点协作完成一些特定的任务。 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络综述 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 m e t 等外部网络，实现两种协议栈之问的通信协议转换，同时发靠管理节 点的监测任务，并把收集的数掘转发到外部网络上。汇聚节点即可以是一个具有 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。 2 1 2 无线传感器节点结构 无线传感器网络中节点的构成和具体的应用要求密切相关。针对不同的实际 应用，节点的设计各不帽同。但基本上都是出传感器模块、处理器模块、无线通 信模块和能量供应模块四部分组成【2 】。如图2 2 所示，其中，传感器模块负责监测 区域内信息的采集和转换，当传感器收集到环境的参数，便经过模拟数字转换器 ( a c d c ) 将模拟信号转成数字信号提供给处理器进行处理；处理器模块负责控 制整个传感器节点的操作、存储、处理采集的数据以及其他节点转发的数据：无 线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据； 能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。此外，对 于不同的应用，传感器节点还可能包括定位模块，能源补给模块或者移动模块。 荦i 草ipr 2 1 3 传感器网络协议栈 幽2 2 传感器仃点结构 图2 3 所示的是早期提出的一个无线传感器网络协议栈。这个协议栈除了包 括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，还包括能量管理平台、移动 管理平台以及任务管理平台。其中，能量管理平台负责管理节点如何使用能量。 例如，调节节点的发送功率，控制开机和关机，决定是否转发数据和参与路由计 4 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络综述 算等；移动管理平台负责跟踪节点的移动，并且通过邻居节点的协调来平衡节点 之日j 的功率和任务；任务管理平台负责为一个给定区域内的所有传感器节点合理 地分配任务。任务的划分基于节点的能力和位置，从而使节点能够以能量高效的 方式协调工作。 以下是协议栈中各层协议的具体介绍： ( 1 ) 物理层：物理层负责数据的调制、发送与接收，为无线传感器网络提供 简单且健壮的信号调制和无线收发技术。它是决定无线传感器网络的节点体积、 成本以及能耗的关键环节，是无线传感器网络的研究重点之一。在实际的应用中， 无线传感器网络物理层的设计根据实际需要而定。 ( 2 ) 数掘链路层：数掘链路层负责数掘成帧、帧监测、介质访问和差错控制。 它的研究重点是介质访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) ，它的主要功能是 在相互竞争的用户之间分配信道资源。传统m a c 协议的主要目标是在用户公平使 用信道资源的6 日提下，提高吞吐量和带宽利用率。而无线传感器网络系统的特点 给m a c 协议提出了一些新要求，包括低能耗、低通信延迟和动念可扩展等。 ( 3 ) 网络层：网络层路由协议的功能是在网络中任意需要通信的两点| 日j 建立 并维护数据传输路径。传统无线网络的路由协议设计以避免网络捌塞、保持网络 的连通性和提供高质量网络服务为主要目标。而无线传感器网络由于资源受限因 此要求路由协议的设计尽量简单并且在网络整体上能够节能，达到延长网络生存 时日j 的目的。同时，网络中存在大量的冗余信息又要求中间节点在转发信息时能 够剔除冗余，降低网络负载。 ( 4 ) 传输层：传输层的主要功能是负责数据流的传输控制，在网络层的基础 上为应用层提供一个可靠、高质量的数据传输服务，它是保证通信服务质量的重 要部分。与传统网络相比，无线传感器网络长期在未知环境中工作，以数据为中 心的工作模式等特点都会影响到传输层协议的设计。 ( 5 ) 应用层：应用层包括一系列基于监测任务的应用软件。 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无缦传感器网络综述 幽2 3 无线传感器网络协议栈 2 2 传感器网络的特点 在过去的8 0 多年罩，无线网络技术取得了突飞猛进的发展。从人工操作的无 线电报网络到使用扩频技术的自动化无线局域、个域网络，无线网络的应用领域 随着的进步不断地扩展。其中，无线传感器网络与无线自组网最为相似，但二者 仍然存在着一些本质的区别。无线传感器网络的主要特点如下： 1 超大规模：为了完成对物理世界高密度的感知。无线传感器网络系统一般由成 千上万个微小传感器构成，较无线自组网络规模成数量级的提高。无线传感器 网络主要不是依靠单个设备能力的提升，而是通过大规模、冗余的嵌入式设备 的协同工作来提高系统的可靠性和工作质量。 2 无人值守：传感器的应用与物理世界紧密联系，微传感器节点往往密集地分布 于需要监控的物理环境之中。由于舰模巨大，不可能人工“照顾”每个节点， 网络系统往往在无人值守的状态下工作。每个节点只能领先自带或自主攻取获 取的能源供电。由此导致的能源受限是阻碍无线传感器网络发展及应用的最重 要的“瓶颈”之一。 3 易受物理环境的影响动态性强：无线传感器网络与其所在的物理环境密切 相关，并随着环境的变化而不断的变化。这些时变因素严重地影响了系统的性 能如低能耗的无线通信易受环境因素的影响：外界激励变化导致的网络负载和 运行规模的动态变化：随着能量的消耗，系统工作状态的变化等都要求传感器 网络系统要具有对动态环境变化的适应性。【j j 6 辽宁科技大学硕士论文第2 章无线传感器网络综述 2 3 无线传感器网络的主要性能指标 如何评价无线传感器网络的性能对于设计无线传感器网络非常重要，下面是几 个评价无线传感器网络的标准。 ( 1 ) 能源有效性：无线传感器网络的能源有效性是指陔网络在有限的能源条 件下能够完成任务的数量，能源有效性是评价无线传感器网络性能最重要的指标， 到目l j 为止，无线传感器网络的能源有效性还没有具体的量化标准，需要进行深 入研究。 ( 2 ) 生命周期：无线传感器网络的生命周期是指从网络部署到不能使用为止 所持续的时间，影响传感器网络生命周期的因素很多，有外界因素也有内部因素， 但主要束自内部，在传感器网络的软、硬件设计时，必须充分考虑能源有效性， 最大化网络的生命周期。 ( 3 ) 网络延迟：无线传感器网络延迟是指当观察者发出请求到其接收到信息 所需要的时i 日j ，影响无线传感器网络延迟的因素很多。网络延迟与具体的应用密 切相关，同时，网络延迟也直接影响无线传感器网络的可用性和应用范围。 ( 4 ) 感知精度：无线传感器网络的感知精度是指观察者接收到的感知信息的 精度。传感器自身的感知能力、精度和传感器节点的信息处理方法、通信能力通 信协议等都会对网络的感知能力、精度和传感器节点的信息处理方法、通信能力、 通信协议等都会对网络的感知精度有所影响。感知精度、延迟和能量消耗之l 日j 有 着密切的关系。在无线传感器网络设计中，我们需要权衡三者的得失，使系统能 在最小能源开销条件下最大限度地提高感知精度、降低网络延迟。 ( 5 ) 可扩展性：无线传感器网络可扩展性表现在传感器数量、网络覆盖区域、 生命周期、网络延迟、感知精度等方面的可扩展极限，给定可扩展性级别，无线 传感器网络必须提供支持陔可扩展性级别的机制和方法。目前，还没有可扩展性 的精确描述和标准。 ( 6 ) 容错性：无线传感器网络中的传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等 原因而失效，由于自然环境或人为因素影响，维护或替换失效的传感器节点常常 是十分困难或不可能的。因此，无线传感器网络的软、硬件必须具有很强的容错 性，以保证系统具有高健壮性。当网络的软、硬件出现故障时，系统能够通过自 动调整或自动重组等措施来纠正错误，保证网络讵常工作。 上述6 个无线传感器网络的性能指标不仅是评价无线传感器网络的标准，也是 无线传感器网络设计的优化目标，为了对无线传感器网络的性能有一个科学的评 7 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络综述 价标准，我们还需要做大量的研究工作。 2 4 无线传感器网络的应用 2 4 1 军事应用 无线传感器网络能在多种场合满足军事信息获取的实时性、准确性、全面性 等需求，协助实现有效的战场念势感知，满足作战力量“知己知彼”的要求。无 线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，并通过基站节点将数据送 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完备的战区态势图。 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 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，使无线传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，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。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。f 4 】f 5 】【6 j 辽宁科技大学硕士论文第2 章无线传感器网络综述 2 4 2 环境观测和系统 传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物情况、土壤空气情况、牲畜和 家禽的环境善和大面积的监测等【7 j 。 基于传感器网络的a l e r t 系统中就有数种传感器用来监测降雨量、河水水位 和土壤水分，并依此爆发山洪的可能性。类似地，传感器网络可实现对森林环境 数据，当发生火灾时，这些传感器节点通过协同合作会在很短的时| 日j 内将火源的 具体地点、火势的大小等信息传送给相关部门。 传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息地 生态监测。美国加州大学伯克利分校i n t e l 实验室和大西洋学院联合在大鸭岛上部 署了一个多层次的传感器网络系统，用柬监测岛上海燕的生活习性。 2 4 3 医疗健康 传感器网络在医疗卫尘和健康护理等方面具有广阔的应用前景。因此，国内 外很多机构，包括国际著名的行业巨头，已开始面向医疗领域对传感器网络进行 研究以及产品研发。这已充分预示着传感器网络技术和产品在医疗健康领域的应 用不久将成为现实。目i i i f 国内外已有多家机构在研究传感器网络在医疗行业的应 用，并已研发出相应的初级产品。i n t e l 公司的前瞻性医疗小组研究了在家中部 署传感器网络。实现对被监护对象的生理数据的实时监测，以帮助患者一个人在 家中就可以得到远程的监测与护理。【8 】哈佛大学与波士顿医疗中心正在研究w s n 技 术在医疗中的应用，包括入院前和入院后的紧急治疗、灾祸发生时的响应以及中 风病人的康复等。他们丌发了一种基于m i c a 2 、m i c a z 和t e l o s 传感器节点平台 的小型可佩带的无线脉搏血压计等。这些设备可以把收集到的病人的心率、血压 等通过无线网络传递给p d a 或笔记本等进行进一步处理。麻省理工大学a u t o i d 中心提出一种“物联网”，这是一种能允许不同的物理实体通过网络互联的系统。 在保健领域的很多方面显示了它的潜能，包括对患者的持续护理、不间断监测、 医疗记录的安全共享、医学设备的追踪、进行f 确有效的医学配药以及不断的改 善数据显示和通信。国内在面向医疗行业的无线传感器网络的研究也已起步。中 科院计算机研究所w s n 实验室、深圳微智系统有限公司以及中兴软件公司等都在 开展无线传感器网络在医疗行业应用的项目研究。p 1 9 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络综述 2 4 4 空问探索 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 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。1 1 0 1 2 4 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 m e t 连接在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 1 ) f 12 】。 2 5 无线传感器网络的研究 2 5 1 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络需要研究的主要内容可以分成3 个层次，自下而上分别是： 通信与组网、管理与基础服务、应用系统。 ( 1 ) 通信与组网 负责大规模随机靠设的传感器节点| 日j 点到点、点到多点的无线通信以及自组 网络，并向管理与基础服务层提供服务支持。该层主要研究无线传感器网络通信 协议，包括：物理层、数据链路层、网络层和传输层。在功能上：物理层负责数 据的调制、发送与接收：链路层负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制； 网络层负责数据的路由转发；传输层负责端到端数据传输的q o s 保障。 ( 2 ) 管理与基础服务 管理与基础服用层使用通信与组网部分提供的服务，并向应用系统提供服务 支持。该层对上层用户屏蔽了底层网络细节，使用户可以方便地对无线传感器网 络进行操作。该层的主要研究内容包括系统管理、时j 日j 同步和定位等。 1 0 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络综述 1 ) 系统管理：由于无线传感器网络系统长期在无人值守的条件下工作，因此 需要对各项网络性能指标进行实时监测，对节点功能失效、能量耗尽等不 正常情况进行早期预警，从而为及时排除网络故障或追加布设节点提供帮 助。 2 ) 时间同步：在无线传感器网络系统中，单个节点的能力非常有限，整个系 统所要实现的功能需要网络内所有节点相互配合共同完成。而时问同步是 节点合作的基础。在分布式系统中，时问可分为逻辑时自j 和物理时间。逻 辑时间的概念是建立在l a m p o r t 提出的超前关系上，体现了系统内事件发 生的逻辑顺序。物理时| 日j 是用柬在分布式系统中传递的一定意义上的“人 类”时l 日j 。 3 ) 定位：无线传感器网络的节点定位可以表述为有限的位置已知节点，确定 御设区中其他节点的位置，在传感器节点间建立起一定的空间关系。节点 定位对于无线传感器网络系统有十分重要的意义。大多数情况下，只有结 合位置信息，传感器获取的数据才有实际意义。许多对目标定位与跟踪应 用的研究更是将节点位置书籍作为一个前提条件。 ， ( 3 ) 应用系统 应用服务层负责为用户提供通用网络服务和面向不同领域的增强网络服务。 由于远程测控是无线传感器网络的主要应用，目前研究的热点是对大量传感器采 集信息的分布式处理策略。【j 】j 2 5 ，2 无线传感器网络技术发展趋势 ( 1 ) 功能可剪裁、可重构的无线传感器网络协议体系结构 无线传感器网络在军事、环境、医疗家庭和其他商务领域有广阔的应用前景。 可以预计，随着应用的增加，半会出现多种形式的无线传感器网络，在环境监测 应用中，需要静止、低速的无线传感器网络；在军事应用中，需要可移动、高速 的无线传感器网络。这些不同形式的网络使用的拓扑结构、路由机制、管理方法 等组网机制可能完全不同。它们对网络的性能有很大的影响。目前提出的各种协 议都是基于某种特定的应用而提出的，如何设计一种功能可剪裁、可以根掘不同 应用需求自主重构的奶油小生无线传感器网络协议体系结构，将是一个非常具有 挑战性的工作。 ( 2 ) 协议跨层优化 传统的协议分层结构严格限制只有相信层问爿能交互信息。这种方式保证系 统具有很好的层次性和伸缩性，易于修改和重用，但效率较低。在无线传感器网 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络综述 络系统中，由于资源严格受限，提高效率是系统设计的主要目标之一。因此人们 提出了跨层优化的概念，即不同层间可以共享信息并实现跨层操作。避免由于信 息在不同层问的存储、转发引起的时间、能量方面的开销。 ( 3 1 帽应标准的制定 i e e e 于2 0 0 2 年形如研究制订两个无线传感器网络相关标准。i e e e 8 0 2 1 5 4 是低速无线个域网标准。主要是物理层和m a c 层标准：i e e e l 4 5 1 是关于无线智 能变送器的接口标准。上述两个标准一个定位于物理层标准，另一个定位于面向 互操作的应用层接口标准，而在物理层和应用层中间的大量通信协议没有相应的 标准。目前，z i 【g b e e 正在进行网络层协议的标准化工作。标准的制定对于无线传 感器网络的推广使用有着重要的作用。有了标准，来自不同厂商的微传感器之间 才有互联组网的基础，开放性的产品之间才有竞争性，才有大批量生产的可能， 从而降低其成本。1 1 3 辽宁科技大学硕士论文 第3 章无线传感器网络m a c 协议分析 第3 章无线传感器网络m a c 协议分析 在无线传感器网络中，介质访问控帝l 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，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源。用柬构建无 线传感器网络系统的底层基础结构。m a c 协议处于传感器网络协议的底层部分， 对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 1 无线传惑器网络m a c 协议与传统网络m a c 协议的区别 传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，因而单个传感器节 点的处理能力通常比较弱。无线传感器网络的强大功能需要众多节点密切协作j 能实现。局部范围内的多点通信需要m a c 协议协调节点闻的无线信道分配，以高 效的支持在整个网络范围内的路由选择与通信路径的诈确连通。在设计无线传感 器网络的m a c 协议时，需要着重考虑以下几个方面： ( 1 ) 节省能量：无线传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等储能设备 提供能量而且能量消耗之后通常难以进行补充，为了保证传感器网络长时间有 效工作，m a c 协议在满足应用要求的前提下，应尽量节约使用能量。 ( 2 ) 可扩展性：由于传感器节点数量、节点分布密度等在无线传感器网络生存 期间不断变化，节点位置也可能移动，另外根据应用需要新节点可能随时加入网 络，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。m a c 协议也应具有可扩展性， 以适应无线传感器网络拓扑结构的动态变化。 ( 3 ) n 络效率：网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利 用率等。 由于现在传感器节点的能量供应问题没有得到很好的解决，传感器节点本身 不能自动补充能量或能量补充不足，节约能量成为传感器网络m a c 协议设计首先 要考虑的因素。在传统网络中，节点能够连续地获得能量供应；整个网络的近两 年结构相对稳定，网络的变化范围和变化频率都比较小。因此，传统网络的m a c 协议重点考虑节点使用带宽的公平性，提高带宽的利用率以及增加网络的实时性。 由此可见，传感器网络的m a c 协议与传统网络的m a c 协议所注重的因素不同， 这意味着传统网络的m a c 协议不适用于传感器网络需要研究和提出新的适用于 传感器网络的m a c 协议。 辽宁科技大学硕士论文第3 章无线传感器网络m a c 协议分析 3 2 无线传感器网络m a c 协议能量浪费原因 由于节点能量有限，能量管理是无线传感器网络的协议设计中的核心问题。 已有的研究表明，无线通信模块是无线传感器网络中主要的耗能部件，m a c 层协 议为达到节能的目的，直接控制节点的通信模块，对节能起着最重要的作用。 通信模块能量浪费主要在四个方面： 1 空闲侦听：当无数据发往节点时，通信模块仍然保持接收状态侦听信道， 等待发往本节点的数据，造成无必要的空闲侦听能量消耗。 2 冲突：接收节点同时接收到来自多于一个节点的数据，无线信号重叠，造 成接收到无用数据，即使只重叠一部分，也不得不丢弃已接收部分，重传 整个数据包，因此导致额外的重传能量浪费； 3 串音( o v e r h e a t i n g ) ：节点接收到发往其他目的节点的数据包，也是无用数 据，必须丢弃，导致接收能量浪费： 4 控制包丌销：连接建立阶段的控制包交换和数据发送前后的握手协议或者 是固定分配协议中周期建立分配表等都是非有用数据的控制包丌销， m a c 层协议应该最小化控制包开销。 无线传感器网络中数掘量很少，突发性很强，节点约9 5 的时间都是空闲的， 因此空闲侦听是主要的能量浪费，如果一直保持侦听状态会造成极大的能量浪费， 因此降低能耗主要是从控制通信模块的丌启时问入手。冲突和串音在基于竞争的 协议中易于发生，而在固定分配协议中得到较好的控制，当负载很重和节点密度 很高的时候，冲突和串音也是比较严重的能量浪费源。在协议启动阶段、协议维 持阶段和数据转发过程中都应该使用尽量少的控制包达到可靠的传输，以减少控 制包发送能耗。m a c 层协议的设计必须考虑以上四方面能量消耗，使这些能量浪 费达到最小化。 3 3 无线传感器网络主要m a c 协议性能分析 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 协议还缺乏一个统一的分类方式。可以按照采用固定分 配信道方式还是随机访问信道方式分类m a c 协议： 1 采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时 段，从而避免节点之间的相互干扰； 4 辽宁科技大学硕士论文 第3 章无线传感器网络m a c 协议分析 2 采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，重 点考虑尽量减少节点问的干扰； 3 4 混合m a c 协议，将随机竞争方式和时分复用方式相结合 其它类型m a c 协议，如通过采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点问 的无冲突的无线信道分配。 下面详细介绍已有的典型的适用于无线传感器网络的m a c 协议。 3 3 1 基于竞争的m a c 协议 基于竞争的随机访闻m a c 协议采用按需使用信道的方式，它的基本思想是当 节点需要发送数掘时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞， 就按照某种策略重新发送数据，直到数掘发送成功或放弃发送1 i 。典型的基于竞 争的随机访问m a c 协议有i e e e 8 0 2 ，1 1 协议，s m a c 协议，t m a c 协议1 1 ， b m a c 协议，a c m a c 协议【1 9 】，p m a c 协议【2 0 l 。 ( 一) i e e e 8 0 2 1 l 协议 i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议是无线局域网( w l a n ) 的媒介访问机制，有分布式d c f 和点协调p c f 两种访问控制方式，其中采用载波侦听冲突避免( c s m a c a ) 多址接 入方式的d c f 是i e e e 8 0 2 1 l 协议的基本访问控制方式。 同以太网的载波侦听冲突检沏j ( c s m a c d ) 方式相似，采用c s m a c a 接入的 节点在准备发送之i j ，要侦听信道是否空闲，而在发生冲突的时候要等待一个随 机的后退时问( b a c ko f f 3 再尝试发送，这是c s m a 机制的共性。不同点主要在于： ( 1 ) 访问无线信道时，网卡在发送信号的时候不能同时侦听信道，因此无线节点 无法实际检测到自己同其他节点的发送冲突；所以，c s m a c d 在后退时间后发送 数据同时侦听信道是否发生冲突，而c s m a c a 在侦听到信道空闲后再后退，避 免冲突，然后发送数据。( 2 ) 无线信号的传播衰减和衰落特性使得信号不能有效 地广播到全网，导致发送节点和接受节点的信道状念不尽相同；这就使发送节点 无法得知接收节点处发生的冲突，从而造成所谓隐蔽节点问题【2 1 1 ，同时也使发送 节点将己方可能发生的冲突误认为是的接收节点处可能发生的冲突，从而错过发 送时机，即造成所谓暴露节点问题。 针对无线信道和有线信道的不同点，8 0 2 1 i m a c 还引入了虚载波侦听 ( v i r t u a l c a r r i e r - s e n s e ) 机制。虚载波侦听机制的作用在于：1 ) 通过在发送的包头加入 发送持续时间的标签，使其他节点根据陔标签设置各自的虚载波分配向量 n a v 州e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) 。可以在n a v 忙的时间不发送数据，主动避免冲 辽宁科技大学硕士论文 第3 章无线传感器躁络m a c 协议分析 突；2 ) 在发送大数据包之前，先交换c t s r t s 这些小的控制包，减小发生冲突时 造成的损失，而大数据包在由c t s r t s 预留的准无冲突的时间段发送；3 ) 通过 d a t a ，c t s r t s