（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络节能mac协议研究与实现.pdf

中文摘要 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 ，w s n ) 是由部署在检测区域内大量的廉价微 型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统，其目的是协作地 感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。由于传感器节点通 常由电池供电，且本身不能自动补充能量或能量补充不足，因此无线传感器网络的首要设 计目标是能源的高效使用。本文以十一五期间国家发改委c n g i 研究开发产业化和试验 应用示范项目“i p v 6 无线传感器网络节点”为基础，围绕无线传感器网络节能m a c 协议设计展开。 1 、深入研究无线传感器网络竞争式m a c 协议的能耗因素，总结节能m a c 协议的关 键技术问题，包括休眠机制、冲突避免和退避机制等。 2 、在分析无线传感器网络主要业务特性的基础上，提出了一种利用路由信息的无线 传感器网络节能m a c 协议r m a c ，它通过节点周期休u 民和简化握手的局部中心控制 方式，减小空闲监听和碰撞造成的能量损耗。仿真结果表明r - m a c 与现有s m a c 协议及 i e e e s 0 2 1 1 d c f 相比，具有更好的节能效果。 3 、根据项目实现要求，深入分析不同m a c 控制机制对于协议能量有效性的影响，论 证引入休眠机制的简单有效节能m a c 协议在i p v 6 无线传感器网络节点上的具体实现方 案，并在自主设计的i p v 6 无线传感器网络节点硬件平台上，实现了该节能m a c 协议，完 成了对协议的测试，目前加载在m a c 层之上的应用程序均可以j 下常运行。 4 、进一步研究引入休眠造成的碰撞概率急剧增大的问题，提出了改进方案，即由接 收节点首先竞争接收信道，进而减小节点发送数据分组时的碰撞概率。仿真结果证明了方 案的有效性。 关键词：无线传感器网络；节能m a c 协议；休眠机制；碰撞 第1 页 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 sc o m p o s e do f al a r g en u m b e ro f d i s t r i b u t e ds e n s o rn o d e st h a ta r e d e n s e l yd e p l o y e de i t h e ri n s i d et h ep h e n o m e n o no rv e r yc l o s et oi t t h e s es e n s o rn o d e so r g a n i z e t h e m s e l v e si n t oam u l t i - h o pw i r e l e s sn e t w o r ka n dc o o p e r a t et od e l i v e rc o l l e c t i n gd a t at os i n k n o d e s a ss e n s o rn o d e sa r el i k e l yt ob eb a t t e r yp o w e r e d ，a n di ti so f t e nv e r yd i f f i c u l tt oc h a n g eo r r e c h a r g eb a t t e r i e sf o rt h e s en o d e s ，r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni st h ep r i m a r yg o a li nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k sd e s i g n st h e s i si sb a s e do nt h en a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n dr e f o r m c o n m a i s s i o nc n g ir & d i n d u s t r i a l i z a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o n a p p l i c a t i o nd e m o n s t r a t i o n p r o j e c t - _ i p v 6w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d e s ”f o c u s i n go ne n e r g y - e f f i c i e n tm a cp r o t o c o lo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 1 、b a s e d o n t h ea n a l y s i so f t h e f a c t o r s w h i c ha f f e c t t h ee n e r g y e f f i c i e n c y o f c o n t e n d - b a s e d m a cp r o t o c o lo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，t h ek e yt e c h n i q u ei s s u e so fe n e r g y - e f f i c i e n tm a c p r o t o c o l sa r es u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gs l e e p i n gm e c h a n i s m ，c o l l i s i o na v o i d a n c e ，b a c k o f f t e e h n i q u e e t o 2 、a ne n e r g y e f f i c i e n tm a cp r o t o c o lu s i n gr o u t i n gi n f o r m a t i o nf o rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s r m a ch a sb e e np r e s e n t e d 。a d a p t e dt ot h em a j o rt r a 街cc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tr - m a ch a sb e t t e re n e r g ys a v i n gp e r f o r m a n c ei n t e r m so fd e c r e a s i n gi d l el i s t e n i n g ，c o l l i s i o na v o i d a n c ea n dc o n t r o lo v e r h e a dc o m p a r e dw i t h i e e e 8 0 2 1 1 d c fa n ds m a c 3 、d e m o n s t r a t et h er e a s o n so f d e s i g n i n gt h es i m p l ee n e r g y - e f f i c i e n tm a c p r o t o c o lo ni p v 6 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d e s ，a n di m l p l e m e n tt h i sm a c p r o t o c o lo ns e l f - m a d ei p v 6w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k sn o d e s t h ed e b u g g i n go ft h i se n e r g y e f f i c i e n tm a c p r o t o c o la n dt h ei n t e r f a c e t e s t i n gb e t w e e nt h em o d u l e sh a sa l r e a d yb e e nc o m p l e t e d ，w i t ha p p l i c a t i o nt r a f f i cl o a d i n go nt h e m a cm o d u l ec o m m u n i c a t i n gw e l l 4 、m o r er e s e a r c hh a sb e e nd o n ea b o u tc o l l i s i o ni n c r e a s i n g w h i c hi sc a u s e d b yt h e i n t r o d u c i n go fs l e e p i n gm e c h a n i s m a ni m p r o v e ds c h e m ei sd e s c r i b e d ，i nw h i c ht h er e c e i v e r s c o n t e n df o rr e c e i v i n gc h a n n e lf i r s t l y , r e s u l t i n gi nd e c r e a s i n gt h en u m b e ro fs e n d e r sa n df e w e r c o l l i s i o n sh a p p e n e d k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；e n e r g y - e f f i c i e n tm a cp r o t o c o l ；s l e e p i n gm e c h a n i s m ； c o l l i s i o n 第l l 页 信息丁= 稃大学硕十学位论文 表目录 表1 对竞争式和预分配式m a c 协议性能及能量消耗产生影响的几种开销4 表2 群首信息列表1 3 表3 群成员信息列表1 4 表4 仿真参数2 0 表5 休眠时间表s c h c d t a b 3 4 表6 邻居节点列表n e i g h b l i s t 3 4 表7s y n c 分组格式3 4 第v 页 信息1 = 稗大学硕七学位论文 图目录 图1 无线传感器网络结构1 图2 传感器节点体系结构2 图3s - m a c 的激活休眠规则6 图4s - m a c 与i e e e8 0 2 1 1 能量有效性和时延的比较7 图5t - m a c 的激活，休眠规则8 图6 数据收集树下d m a c 的激活休眠规则9 图7 数据收集树下的虚拟群1 3 图8r t r 及a c k 分组的帧格式。1 5 图9 群首的轮询过程1 6 图1 0 群问干扰1 7 图1 1 激活同步的建立1 8 图1 2s y n c 分组的帧格式1 9 图1 3 节点分布1 9 图1 4 成功分组能耗2 0 图1 5 丢包率2 0 图1 6 分组传输时延2 l 图1 7 两种握手机制下成功传输一个数掘分组的能量开销2 4 图1 8 休眠带来的隐藏终端问题2 6 图1 9 广播分组平均能耗2 7 图2 0c t s 超时次数2 8 图2 1 分组平均能耗2 8 图2 2t i n y o s 结构框架2 9 图2 3 伯克利分校开发的t i n y 0 s 中的通信协议栈。3 l 图2 4 改进后通信协议栈3l 图2 5m a c 层分组格式3 2 图2 6m a c 层模块配置3 2 图2 7 休眠时间表和邻居节点列表的建立流程3 5 图2 8 休眠时间表和邻居节点列表的更新流程3 6 图2 9 数据分组发送流程3 6 图3 0 节点运行流程图3 7 图3 1 测试平台3 9 图3 2 测试方案3 9 第v i 页 信息1 ：程大学硕士学位论文 图3 3 测试网络拓扑3 9 图3 4 建立及维护过程中节点正常的状态转换4 0 图3 50 号节点休眠时间表建立过程4 2 图3 6 数掘通信过程中节点正常的状态转换4 4 图3 7 广播分组的发送和接收4 5 图3 8r t s c t s d a t a a c ki 立程4 5 图3 9 异常时节点正常的状态转换4 5 图4 00 号节点收到了发送给其他节点的分组4 6 图4 1 握手失败4 6 图4 2 四握手和五握手方式下的数据通信5 0 图4 3 周期休眠机制下成功传输一个数据分组的能量开销5 l 第v i i 页 学位论文原创性声明 所提交的学位论文是本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，除了文中标注和致谢的相关内容外，论文中不包含其他个人或集体已经公丌的研究成 果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文题目：玉缮j 曼盛登圆终芷能丛坯邀皿究生实现 学位论文作者签名：之邋三一 日期：臃g 月以日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅：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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 涉密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目；玉线佳盛墨圆终芷筵m q 迹这塑窥生宏现 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 同期：肋；车月爿日 日期：洲年；月蟛日 信息t 稃大学硕十学位论文 第一章绪论 随着信息技术应用领域的不断扩大，传统的单一传感器已经不能满足人们对信息获取 的要求。人们所希望的是能够监测一定区域内的各种环境变量和被监测对象的详尽信息， 通过对这些信息的综合处理和传输，使用户获取所需要的信息，于是人们提出了无线传感 器网络的概念。无线传感器网络是由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组成， 通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网 络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者“1 。无线传感器网络所采用的传感器体积 微小，造价便宜，目前希望达到的造价目标为1 美元以下，因而适合大量投放以进行侦测。 传感器节点的分布密度有时可达一立方米2 0 个。由于无线传感器网络的节点个数可以从 几百到几十万甚至到几千万，使得网络的管理非常困难，加上传感器的电池可能无法置换， 因此能量控制几乎是所有传感器设计及网络管理首要考虑的重点。再加上传感器节点的造 价很低，它们的故障率相应较高，因而容错( f a u l t t o l e r a n t ) 机制对于无线传感器网络的设 计及管理也是很重要的。 在技术上，无线传感器网终综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技 术和通信技术，是一个多学科交叉的领域。强大的数掘获取能力使得无线传感器网络的应 用范围十分广泛，它可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠 的信息因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通 管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。 1 1 无线传感器网络概述 1 1 1 无线传感器网络结构”1 图1 无线传感器网络结构 典型的无线传感器网络系统一般包括传感器节点、汇聚节点( s i n k ) 、中继网络和远程 管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，通过自组织的方式构成网络， 负责对感知对象进i 亍监测并采集摺关数据。这些数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传 输，最终传给汇聚节点；汇聚节点连接无线传感器网络与i n t e r n e t 等外部网络，实现两 第1 页 信息工稃人学硕十学位论文 种协议站之日j 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到外 部网络上；用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发稚监测任务以及收集 监测数据。图1 给出了无线传感器网络体系结构一般形式的描述。 1 1 2 传感器节点结构 传感器模块处理器模块无线通信模块 ：匝眶：，圈t j 匝蜓 + 。+ + 一。 能量供应模块 图2 传感器常点体系结构 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成0 1 ， 如图2 所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换：处理器模块负责控制整 个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数掘以及其他节点发来的数据；无线通信模 块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；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。 1 1 3 无线传感器网络的特点 无线传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的差别。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、存储能量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带宽利用，其次才考虑节约能源；而无线传感器网络是 任务型网络，其目的就是有效地获取信息，因此从网络设计上就要求它以数掘为中心，以 信息获取为目的，通信只是辅助手段。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。 1 1 4 无线传感器网络设计的关键问题 无线传感网络的设计有以下几点必须重点考虑： 能量消耗( e n e r g y c o n s u m p t i o n ) ：这是无线传感器网络设计必须首先考虑的因素，因此 大多相关的研究几乎都以降低能量消耗为目标。这个目标使得无线传感器网络上的算 法不能够太复杂却又同时要求具有高效率，因而设计难度大幅提高。 第2 页 信息t 稃大学硕j ：学位论文 容错能力( f a u l t t o l e r a n c e ) ：传感器故障率高的特性使得网络容错能力成为必要的能力。 容错能力使无线传感器网络在有节点发生故障时仍能正常工作并发挥网络应有的功 能。 生产价格( p r o d u c t i o nc o s t ) ：由于无线传感器网络中使用的传感器多半不能回收使用且 数量需求庞大，因此每一个传感器的价格不能太高。 1 1 5 无线传感器网络m a c 协议设计要求 传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，而 且无线传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。此外，无线传感器网络中的业务 量随时间和空问动态变化，多点通信在局部范围需要m a c 协议协调其间的无线信道分配。 m a c 协议处于无线传感器网络协议的底层部分，对于网络性能有较大影响，是保证无线 传感器网络高效通信的关键网络协议之一。设计无线传感器网络m a c 协议时，需要着重 考虑以下几个方面： ( 1 ) 节能。传感器节点一般由电池提供能量，而且电池能量通常难以进行补充，为了长 时间保持传感器网络的有效工作。m a c 协议在满足应用要求的前提下，应尽量节省使用 节点的能量。 ( 2 ) 可扩展性。由于无线传感器网络的拓扑结构具有动态性，m a c 协议应具有可扩展 性，以适应动态变化的拓扑结构。 ( 3 ) 网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量及带宽利用率等。 在上述三个方面中，普遍认为重要性依次递减。由于现在传感器节点的能量供应问题 没有得到很好解决，传感器节点本身不能自动补充能量或能量补充不足，节约能量成为无 线传感器网络m a c 协议设计首要考虑的因素。这与传统网络的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等设计因素正好相反，这意 味着传统网络的m a c 协议不适用于无线传感器网络，需要设计和提出新的适用于无线传 感器网络的m a c 协议。 1 2 无线传感器网络节能m a c 协议概述 1 ，2 1m a c 层能量浪费因素 目前针对不同的无线传感器网络的应用。已经从不同方面提出了多个m a c 协议，但 对无线传感器网络m a c 协议尚缺乏一个统一的分类方式。可以按照下列条件分类m a c 协议：第一，采用分布式控制还是集中控制；第二，使用单共享信道还是多个信道：第 三，采用预分配信道方式还是随机访问信道方式。下面将按照第三种分类方式分别讨论两 种信道分配方式下的能量浪费因素。 在无线传感器网络中运行竞争式m a c 协议，可能造成能量浪费的主要原因包括如下 几方面： 第3 页 信息丁稃大学硕十学位论文 ( 1 ) 竞争式m a c 协议中，节点发送数掘的过程中可能会出现多个节点同时发送数据 而发生碰撞的现象。此时需要重传发生碰撞的数据，从而消耗节点更多的能量。 ( 2 ) 如果节点不知道何时需要接收数据，为了不错过数据接收，在不需要发送数据 时节点必须始终保持对无线信道的空闲监听，以便接收随时可能传输给自己的数掘。这种 过度的空闲监听同样会造成节点的能量浪费。 ( 3 ) 在空闲监听信道的过程中，节点可能会接收并处理发送给其他节点的数据。从 完成通信任务角度看，这种接收和处理是不必要的，它会造成节点无线接收模块和处理器 模块消耗更多的能量。 ( 4 ) 在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网络能量， 特别是在数据量很小的应用场合下，这项能耗更有可能占据能量开销的大部分。 ( 5 ) 如果网络运行过程中，业务量剧烈波动，由于业务量突然增加会增大冲突的可 能，因此，多数时间和能量被用来进行随机退避。当负载接近信道容量时，协议还可能崩 溃，虽然信道空闲但没有节点发送数据，而都在等待退避，这也会造成严重的能量浪费“1 。 表1 对竞争式和预分配式m a c 协议性能及能量消耗产生影响的儿种开销 性能能量消耗 开销源 ( 时延、吞吐、公平性)( 能量有效性) 碰撞竞争式竞争式 控制开销竞争式、预分配式竞争式、预分配式一 空闲监听竞争式 串音竞争式 业务波动竞争式、预分配式竞争式、预分配式 可扩展性移动性预分配式预分配式 采用预分配方式( 无线传感器网络中多为t d m a 方式) 本身具有无冲突的特性，而且 预先进行的信道分配使节点了解自己何时应监听信道何时可以关闭收发信机，因此这种方 式能够有力的避免由于碰撞、空闲监听及串音造成的能量浪费。但它们会有固定的控制丌 销( 即进行信道分配的开销) ，对业务量波动及节点移动的适应性也会降低。常用的提高 协议适应性的办法是以某种形式预留出信道，并选择足够长的帧长以满足峰值业务的要 求。动态调整帧长度也是一种方案，但它会增加协议的复杂度，对于资源受限的传感器节 点基本上被认为是一种不可能实现的方案。表l 比较了竞争和预分配协议的各种开销对协 议性能及能量消耗的影响。 1 2 2 无线传感器网络节能m a c 协议的关键技术 无线传感器网络节能m a c 协议设计需要综合考虑业务特点、能耗源、网络能力等因 第4 页 信息t 程大学硕士学何论文 素，以实现不同角度的节能策略。 1 2 ，2 1 休眠机制研究 传感器节点无线通信模块的状态包括发送状态、接收状态、监听状态和休眠状态等。 单位时间内消耗的能量按照上述顺序依次减少：无线通信模块在发送状态消耗能量最多， 在休眠状态消耗能量最少，接收状态和监听状态下的能量消耗稍小于发送状态。基于上述 原因，且无线传感器网络业务量小的特点，无线传感器网络m a c 协议为了减少能量的消 耗，通常采用“监听休眠”交替的无线信道使用策略。当有数据收发时，节点就开启无 线通信模块进行发送或监听；如果没有数据需要收发，节点控制无线通信模块进入休眠状 态。从而减少空闲监听造成的能量消耗。为了使节点在休眠时不错过发送给它的数据，或 减少节点的过度监听，邻居节点问需要协调监听和休眠的周期，同时休眠或激活。 在预分配方式的协议中，节点预先了解自己何时应发送数据何时应接收数据，因此可 以很方便的引入节点体眠。而在竞争式m a c 协议中引入休眠是协议设计的难点之一。它 的主要目的是减小空闲监听的能耗，难点是：接收节点没有何时需要接收数据的信息，在 这种条件下，如何保证发送数据时数据的目的节点处于激活状态。当前主要有三类解决方 法： 1 ) 发送节点主动唤醒接收节点 2 ) 发送节点等待接收节点 3 ) 邻居节点间协调激活休眠周期，“同步”的激活休眠 下面我们结合几种具体休眠算法讨论各自的优缺点。 1 、主动唤醒机制 目前只有文献 5 采用了主动唤醒机制，它要求传感器节点有两套无线收发信机，其 中一个功耗很低专门用来发送唤醒信号，唤醒接收节点。其优点在于协议没有增加任何控 制信息，实现简单，而且节点只在需要接收数据时激活，完全避免了空闲监听能耗，非常 符合无线传感器网络节能的要求；缺点是它增加了传感器节点的硬件复杂度。 2 、等待机制 文献 6 中节点按照自己的周期激活，激活时首先广播自己的i d 通知邻居节点，希望 与该节点通信的节点只有在收到通知后才能开始通信。这种方式实现起来也非常简单，然 而，如果节点广播自己的i d 时，有多个邻居节点都有数据要向其发送，必然会发生冲突， 此时虽然减小了空闲监听能耗，但增大了碰撞重传的能量开销。通过调整节点的激活周期 可以平衡这两种能量开销：节点激活周期增大，发送节点缓存的数据分组增多，同时有给 同一节点的数掘的可能增大，因此碰撞概率增大，碰撞重传能耗增加，但是此时节点每次 激活几乎都会有数掘要接收，因此空闲监听的能耗较小；相反节点激活周期减小，碰撞概 率会减小，然而节点激活过于频繁，有时根本没有数掘要接收，浪费了空闲监听的能量。 可见我们可以进一步为节点寻找最佳的激活周期。此外，这种休眠机制实际上将一部份空 第5 页 信息t 稃大学硕士学付论文 闲监听能耗转移到了发送节点处( 为了等待接收节点的通知，节点有数掘要发送时必须监 昕信道) ，而且分组的传输时延会明显增大。 文献 7 8 的基本思想是通过延长物理层分组导频的长度保证发送有效数掘时接收 节点处于激活状态。节点发送数掘前先发送长导频，接收节点周期激活，如果检测到导频， 节点继续监听直到收到起始标志，并接收数据：如果没有检测到导频，节点重新关闭收发 信机直到下次激活。为了使接收节点不错过发送的数据分组，传输导频的时间需要合理设 置，过长不仅浪费发送节点的发送能量，接收节点从检测到导频到开始接收数据也需要比 较长的时问，因此也会浪费接收能量：过短会使接收节点来不及检测到导频，从而接收不 到数掘分组。实际上这种休眠方式也将接收节点的能量歼销转移到发送节点处，与文献 6 的不同仅在于等待接收节点激活的方式由空闲监听转换成了发送足够长的导频。文献 8 提出了一种减小导频长度的算法，其基本思想是如果发送节点知道接收节点的激活周期， 就不需要很长的导频，而只需要等待接收节点的激活时刻，适当延长导频就能保证接收节 点接收到数据分组。具体做法：节点在c s m a 协议中的a c k 分组中夹带信息维护邻居节 点的激活时间偏移信息，当节点需要向邻节点n 发送分组时，它根据节点1 1 的时问偏移信 息确定它何时激活，并在此时开始传输导频。在设定导频长度时还应考虑节点的时钟漂移， 两个节点间越长时间没有通信，时钟漂移会越大。应该注意到，文献 8 的导频长度选择 方式对于广播分组并不十分有效，原因是导频长度必须能够跨越所有邻节点的激活时刻并 考虑时钟漂移，因此广播分组经常需要很长的导频。 文献 7 8 也面临着接收节点如何选择激活周期的问题，发送节点发送导频可以使发 送节点的邻居节点不在占用信道缓解了一部分碰撞，然而相互不在覆盖范围内的接收节 点的邻节点之闯仍然会发生碰撞，导致接收节点不能正确接收起始标志，丢失数据。此时， 发送节点如何确定是由于碰撞还是由于接收节点没有激活而导致的收不到对数据的确认、 如何重发数据都是需要解决的问题。 3 、同步机制 文献 9 1 0 1 1 休眠的基本思想是在多跳网实现“同步”的激活休眠，我们将其称 为分时隙休眠。与前面讨论的节点独立选择激活休眠周期的休h 民方式相比，同步会增加 节点问的碰撞概率，但是有利于减小空闲监听能耗( 无论接收节点还是发送节点) 。这三 种协议都将时间分成时隙，时隙又分成激活期和休眠期，每个时隙的起始，所有节点激活， 有数据要发送的节点开始竞争信道。三种协议由激活转入休眠的方式各不相同，下面展开 详细讨论。 ( 1 ) 激活期长度固定的分时隙休眠 圈竺圈竺 。 圈3s - m a c 的激活休眠规则 第6 页 信息1 = 稃大学硕七学位论文 文献 9 ( s m a c ) 中引入了“虚拟群”，即每个节点交替的在激活和休眠状态下转换 ( 如图3 所示) ，采用相同激活休眠周期的节点组成一个“虚拟群”，它们同时在激活期 激活收发数据，休眠期到达且没有业务时转入休眠。网络启动后，节点根据收到的第一份 s y n c 分组确定自己的激活，休眠周期，如果始终没有收到s y n c ，节点将自行确定激活 休眠周期，并广播s y n c 分组。此后节点还需要周期发送s y n c 分组，用于调整节点的时 钟漂移和同步新加入网络的节点。原则上，网络中所有节点应该采用相同的激活休眠周期， 然而由于无线传感器网络多跳的特点及选择s y n c 的随机性，网络可能被分成了多个“虚 拟群”，相邻的节点可能采用了不同的激活，休h 民周期，为了保证邻居节点问的通信，节点 需要记录每个邻居节点所采用的激活休眠周期信息，除了要在本节点的激活期激活外， 节点需要在数据目的节点的激活期激活发送数据。 这种引入休眠的方式，压缩了节点激活的时间，将原本在任意时刻都可能发送的数据 集中在激活期发送，尽管会增大节点间冲突的概率，但在像无线传感器网络这样数掘量通 常很小的网络环境下，划分激活期和休眠期可以大幅度减少空闲监听的时间，因此可以节 约可观的能量。然而同步的激活休眠会增大分组的传输时延，假设每周期的激活期只能 满足传输一个数据分组。s - m a c 中，只有接收节点的下一跳节点能够监听到当前的数据传 输，它能保持激活，多跳之外的节点都将在休眠期转入休眠，使数据转发发生中断，直到 下一周期开始。特别是在数掘转发需要多跳的情况下，这种由于转发中断造成的传输时延 会随着跳数线性增加，累加起来将是十分严重的。由于网络一经布设激活期长度就无法改 变，因此激活期和休眠期长度的选择是该算法的难点，它们既要能满足最大业务量的要求， 还应能适应业务量的变化，同时还要满足上层业务对时延的要求。 4 乱5 3 童2 5 羞 2 l | 5 1 0 5 0 141 63 06 0i 拍 业务刊谜删捌“) 图4s - m a c 与i e e e8 0 2 11 能量有效性和时延的比较 本文将其与没有引入休眠的i e e e s 0 2 i l d c f “2 1 进行了能量有效性及时延方面的对比， 进一步说明分时隙休眠需要在能量有效性及网络其他性能之间做出取舍。使用n s 一2 t ”】【i ” 仿真软件，仿真条件为：3 0 个静止节点均匀分布在1 0 0 0 m x1 0 0 0 m 范围内，节点最大传输 范围2 5 0 m ，能耗模型采用e y e s 中无线收发信机( t r l 0 0 1 ) 的能耗模型“”。我们主要统 计了不同业务到达周期下，两种协议的性能。在业务较密时( 到达周期小于4 s ) ，8 0 2 1 1 第7 页 信息t 程大学硕士学位论文 协议成功传输一个分组的能耗约为s - m a c 的两倍，此时空闲监听的能耗较小，随着业务 逐渐变得稀疏，空闲监听的能耗比重变大，8 0 2 1 l 协议成功传送一个分组的能耗不断增加， 而s m a c 可以根据业务特点制定休眠激活周期，成功传送一个的分组的能耗基本与业务 疏密程度无关。然而随着激活周期的增加，s - m a c 由于传输中断而产生的时延越来越大， 8 0 2 1l 则不存在该问题。 ( 2 ) 自适应激活期的分时隙休眠 文献 1 0 在 9 的基础上了提出了一种自适应调整激活期长度的算法，其调整的准则 是：只要有邻节点处于激活状态，下一时刻就有可能有节点要和自己通信，因此本节点就 不应该进入休眠期。在该准则下它定义了几种延长激活期的事件，休眠状态下，节点在每 个时隙的起始时刻激活，每发生一次延长激活期的事件，节点就将激活期延长一个t a 时 间，反之如果在t a 时间内没有发生任何一个延长激活期的事件，节点则转入休眠。该算 法中节点完全根据自己获得的信道信息决定是否延长激活期，不考虑其他节点的激活期长 度，称为被动自适应激活期调整。 图5t - m a c 的激j 舌，休眠规则 文献1 1 0 调整激活期的目的是尽量提高激活期的利用率，在一个时隙中传输更多分 组，并在没有数据收发时及时转入休眠。然而它付出了监听其他节点通信和时延的代价， 也就是说一对节点通信时，它们的邻居都将延长激活期，但可能只有这些节点中的小部分 节点需要参加数据转发。而监听范围之外需要参加数掘转发的节点无法获得延长激活期的 信息，可能会提前转入休眠，也会出现由于数掘转发中断带来的时延。文献n 0 增加f r t s 克服这种提早休眠的现象，但也只能在一跳范围内改善转发。 实际上文献 9 1 0 中的传输中断本质上是由节点的激活休眠同步导致的，假设某条 数掘转发路径上的节点都采用了相同的激活周期，它们同时激活监听信道，为了减小空闲 监听的能量开销，激活期的长度不会很长，延长激活期的信息在这条数据转发路径上只能 传播有限次数，必然有节点提前转入了休眠，出现传输中断。 如何解决这一问题，文献 1 1 提出了一种在引入分时隙休眠的基础上进一步减小分组 传输时延的方案。它将一条数据转发链路上节点的激活期交错起来，如图6 所示，交错的 重要6 口提是文献 1 6 中的分析结果：无线传感器网络收集数据的路径具有以s i n k 节点为根 的树形结构。激活期被分成长度均为u 的接收期和发送期，节点根据在数据收集树中的深 度d ，将激活时刻向s i n k 确定的时钟基准移动d u ，这样上一跳节点的发送期与下一跳节点 的接收期对齐，一条转发路径上的节点顺次激活传输数据，既能避免空闲监听、减小冲突， 还不会对分组的传输时延产生严重影响。此外，文献 1 1 采用主动自适应激活期调整：节 第8 页 信息工释大学硕士学位论文 点将自己的激活期调整信息传播出去，收到该信息的节点也随之调整自己的激活期长度。 由于节点交错激活，调整信息可以沿着转发路径顺利地传输下去，保证整条路径上的所有 节点及时调整激活期长度，避免出现转发中断。 图6 数据收集树下d m a c 的激活休眠规则 4 、小结 引入休眠机制虽然可以节约可观的能量开销，但会对协议性能，如时延、吞吐等，产 生很大影响，设计协议时需要根掘网络的具体要求选择不同的方式，在协议性能和能量有 效性之间做出最佳折衷。从以上几种休眠机制可以看出，接收周期的选择是造成这种影响 的关键，各种算法都试图制定合理的接收周期，或是根据实际业务量自适应调整，使该接 收周期满足业务量要求，以最小的能量开销完成通信，然后考虑优化网络的其他性能。 1 2 2 2 冲突避免和退避机制 无线传感器网络具有以下三个特性： 第一，无线传感器网络的空间相关性和时间相关性。为了保持一定的冗余性和可靠性， 通常大量传感器节点部署在监测区域内。当一个事件发生时，多个邻近节点会同时监测到 该事件，这些邻居节点因而会形成事件检测的空间相关性。无线传感器网络是事件驱动的 网络，一个事件的发生会促使同时观察到该事件的多个节点发送消息，而这些邻近节点往 往竞争共享的无线信道，形成事件传递的时间相关性。 第二，不是所有节点都需要报告事件。在很多无线传感器网络的应用中，并不是所有 监测到事件发生的节点都需要发送消息，只要这些节点中的一部分发送消息到s i n k 节点就 足够了。 第三，感知事件的节点密度随时间变化。由于无线传感器网络由大量节点组成，网络 内节点密度会随着时间的推移发生变化。当目标进入监测区域后，监测到目标的节点数目 会随着时间或目标的移动而不断变化。 上述三个特性造成了无线传感器网络中碰撞概率的动态变化，需要合理的选择竞争窗 第9 页 信息- i = 稃大学硕士学位论文 大小，使节点即不会浪费过多的载波监听时问，也不会出现严重的冲突。为了增加无冲突 发送的概率，选择发送时刻的方式主要有两种： 1 ) 固定竞争窗：节点在【o ，c w 】内随机选择发送时刻，然后开始监听信道。若在监听 期间没有其他节点占用信道，节点立即发送数据，否则信道空闲后在相同的c w 内重新选 择发送时刻。 节点选择某一发送时刻的概率可以是相等的，如s - m a c ，也可以按照某种设计要求赋 予不同时刻不同的发送概率，如s i f t ”。 2 ) 动态调整竞争窗：设定最小竞争窗c w m i n 和最大竞争窗c w 矗a x ，节点监听信道 期间如果有其他节点占用信道，则按照某种方式增加竞争窗的值，并在新的竞争窗下选择 发送时刻。如i e e e 8 0 2 1 1 。 设计协议时应针对不同应用环境下的业务特点、性能要求及节点实际的存储计算能力 选择合适的机制，尽最大可能的降低碰撞的发生。 1 3 课题背景和论文的主要工作 本课题来源于十一五期间国家发改委c n g i 研究开发产业化和试验应用示范项目 “i p v 6 无线传感器网络节点”。该项目的研究目标是研制基于i p v 6 的无线传感器网络节点， 支持i p v 6 协议，并对节点的功耗提出了要求。 研究无线传感器网络节点的系统组成结构和无线传感器网络协议、数掘汇聚等技术， 是项目所要解决的关键问题之一，作者的工作围绕无线传感器网络节能m a c 协议展开。 所完成的主要工作包括： 1 、深入研究无线传感器网络竞争式m a c 协议的能耗因素，分析无线传感器网络的业 务特性，提出了一种利用路由信息的无线传感器网路节能m a c 协议：提出了利用无线传 感器网络数据传输路径具有树形结构的特点，在已知上层路由信息的基础上在m a c 层进 行分群：通过群首集中控制缓解节点问碰撞，并减少控制分组开销；群日j 以c s m a 的方式 避免干扰。通过仿真对所提出协议与现有s - m a c 协议及i e e e 8 0 2 1 i d c f 进行了性能比较， 达到了比较好的节能效果。 2 、在t i n y o s 系统中设计m a c 层模块功能，并在自主设计的i p v 6 无线传感器网络节 点硬件平台上，实现了一种简单有效地节能m a c 协议，完成了对协议功能的测试。它采 用r t s c t s d a t a - a c k 四握手机制，并引入了激活期长度固定的分时隙节点休眠。目前 加载在m a c 层模块之上的应用程序均能正常运行。 3 、分析引入休眠周期对节点间碰撞概率的影响，提出利用接收节点首先竞争接收信 道的方式降低节点间的碰撞概率，并通过仿真进行了性能比较。 本文共分4 部分。第一章介绍了无