（信号与信息处理专业论文）无线传感器网络smac协议的改进及实现.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络( w i r c l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 是由部署在监测区域内的 大量传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统，其 目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中监测对象的信息，并发送给观察 者，可广泛应用于环境监测、医疗护理、军事、商业等领域。 媒体访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议处于无线传感器网络协议 的底层部分，主要用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器网络 的性能有较大影响。与传统无线网络不同，提高能量效率和可扩展性是无线传感 器网络m a c 协议设计的主要目标。设计和实现满足无线传感器网络要求的m a c 协议，具有非常重要的实际意义。 本文首先介绍了无线传感器网络的体系结构、m a c 协议的设计要求以及己有 的m a c 层协议，讨论了无线传感器网络m a c 层的主要能量消耗因素。然后详细 介绍和分析了s m a c 协议，并在此基础上，通过改进其不足之处提出一种新的适 用于无线传感器网络的m a c 协议方案。新方案采用了分级的e i e d 退避算法，提 高了节点竞争的公平性；利用上层的路由信息改进了原有自适应监听机制，进一 步降低了节点空闲监听的能耗；提出了新的基于路由信息的全局时间表算法 ( g l o b a ls c h e d u l ea l g o r i t h m ，g s a ) ，与原有算法相比降低了实现的复杂度；采用 自适应握手机制提高了短信息的传输效率。 最后，在自主设计的传感器网络平台上对所设计的m a c 协议进行了具体实 现，完成了硬件驱动程序、物理层协议和m a c 协议的设计与实现，并设计了多个 实验对系统进行了验证和测试。实验结果表明，该协议能满足无线传感器网络低 速率应用环境的需要，节能和扩展性等方面性能优良，达到了预期的设计目标， 这对于网络通信协议的进一步研究具有较强的实用价值。 关键词：无线传感器网络，m a c 协议，s m a c ，退避算法，自适应监听 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 ( 、s n ) i sc o m p o s e do fm a s s i v es e n s o r n o d e sw h i c ha r c d e p l o y e di nm o n i t o r i n gr e g i o n ，f o r m i n gam u l t i h o ps e l f - o r g a n i z e dn e t w o r ks y s t e m t h r o u g hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h et a r g e to fw h i c hi st oc o o p e r a t i v e l ys e n s e ，c o l l e c t a n dp r o c e s st h ei n f o r m a t i o no fo b j e c ti nt h ec o v e r a g ea r e a ，t h e ns e n dt ot h eo b s e r v e r w s nc a nb eu s e di ne n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，m e d i c a lt r e a t m e n ta n ds oo n 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 li sa l l o c a t e da tt h el o wl e v e lo fw s n p r o t o c o l s ，w h i c hi sm a i n l yu s e dt oc o n t r o ls e n s o rn o d e ss h a r i n gc o m m u n i c a t i o nm e d i u m f a i r l y m a cp r o t o c o l sh a v eag r e a ti n f l u e n c eo nt h ew s n sp e r f o r m a n c e d i f f e r e n tw i t h t h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k s ，i m p r o v i n ge n e r g y e f f i c i e n c ya n ds c a l a b i l i t ya r et h e m a j o rg o a l so fm a cp r o t o c o ld e s i g ni nw s n i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g na n d i m p l e m e n tm a cp r o t o c o l st om e e tt h er e q u i r e m e n t so fw s n t h es t r u c t u r eo fw s n ，t h er e q u i r e m e n t so fm a c p r o t o c o l sa n dt h ee x i s t i n gm a c p r o t o c o l sa r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，a n dt h ek e yf a c t o r so fe n e r g yc o n s u m p t i o ni n w s na r ea l s od i s c u s s e d s - m a ci si n t r o d u c e da n da n a l y z e di nt h i st h e s i s ，a n dan e w m a c p r o t o c o lf o rw s n i sp u tf o r w a r dt h r o u g hi m p r o v i n gt h ed i s a d v a n t a g eo fs m a c t h ef a i r n e s so ft h ec o n t e n t i o ni s i m p r o v e db yu s i n gh i e r a r c h i c a l e i e d b a c k o f f a l g o r i t h m ，a n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni ni d l el i s t e ns t a t ei sr e d u c e db yan e wa d a p t i v e l i s t e ns t r a t e g yw h i c hu s e sr o u t ei n f o r m a t i o n an e wg s a a l g o r i t h mi sa l s op u tf o r w a r d t or e d u c et h ec o m p l e x i t yb yu s i n gr o u t ei n f o r m a t i o n ，a n d a n a d a p t i v eh a n d s h a k e s t r a t e g yi su s e dt oi m p r o v et h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo ft h es h o r tm e s s a g e s a f t e r w a r d s ，t h ei m p r o v e dp r o t o c o li si m p l e m e n t e do no u ro w np l a t f o r m ，i n c l u d i n g t h ed r i v e r , p h yp r o t o c o la n dm a c p r o t o c 0 1 s e v e r a le x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt ot e s t i f y t h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h ep r o t o c o lm e e t st h er e q u i r e m e n t sf o rl o wd a t a r a t ea p p l i c a t i o no fw s n t h ep e r f o r m a n c eo fe n e r g y - e f f i c i e n c ya n ds c a l a b i l i t yi sg o o d t h ep r o t o c o la c h i v e dt h eg o a lo fd e s i g n ，a n di ti su s e f u lf o rn e x ts t e pr e s e a r c ho ft h e n e t w o r kp r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：w s n ，m a cp r o t o c o l ，s - m a c ，b a c k o f fa l g o r i t h m ，a d a p t i v el i s t e n i l 图目录 图目录 图1 1 传感器网络节点的组成_ 。：。2 图1 2 传感器网络的体系结构2 图1 3w i s e - m a c 协议1 0 图2 1s m a c 原理图1 3 图2 2 周期性监听和休眠示意图1 4 图2 3 虚拟簇1 5 图2 - 4 不同发送节点和接收节点的关系1 6 图2 5 串音避免示意图1 7 图2 6s m a c 与i e e e8 0 2 1 1m a c 协议的比较1 8 图2 7 快速路径调度2 l 图3 1 三种退避算法的公平性比较。2 5 图3 2s m a c 自适应监听机制。2 6 图3 3 路由建立后的w s n 2 7 图3 4 改进后的自适应监听机制2 7 图4 1c c l 0 1 0 功能结构框图：，。3 2 图4 2c c l 0 1 0 电路3 3 图4 - 3t c l 0 4 7 a 输出电压与温度的关系。3 4 图4 4t c l 0 4 7 a 电路3 4 图4 5 节点电源供给电路3 5 图4 6 串口通信电路3 5 图4 7 扩展电路3 6 图4 8s m a r t r fs t u d i o ：3 7 图4 9r x 和t x 通道的校准3 8 图禾1 0r a n d o mr a n d 函数流程图4 2 图5 1 软件体系结构。4 4 图5 2r f 收发器状态转移图4 6 图5 3p h y 层数据帧示意图4 9 图目录 图5 4 双缓存区切换示意图5 0 图5 5c c i o i or s s i 电路5 1 图5 6r s s i 电压与接收功率关系图o ：。5 1 图5 7 控制帧通过结构5 2 图5 8i 盯s 帧结构：5 3 图5 9c t s 帧结构。5 3 图5 1 0 a c k 帧结构“5 3 图5 1 1 同步帧结构5 4 图5 1 2 数据帧结构5 4 图5 1 3m a c 层状态转移图：5 6 图5 1 4 时间表结构5 8 图5 1 5 邻居表结构。5 9 图5 1 6 时间表和邻居表的更新流程6 0 图6 1u v i s i o n 2 软件界面6 2 图6 2 实验平台开发测试环境实物图6 3 图6 。3 发送的数据。6 4 图6 。4 接收的数据。6 4 图6 5m a c 层功能测试- 6 6 图6 6 碰撞率测试拓扑结构：。6 7 图6 7 多跳实验7 0 图6 8 单跳实验一7 0 v h 表目录 表目录 表4 - 1 不同配置下最小前导码长度。4 0 表4 _ 2a d c o n 寄存器4 0 表4 - 3a d c o n 2 寄存器。4 1 表4 4r a n c o n 寄存器：4 2 表6 1 碰撞率第一次测试结果。6 7 表6 2 碰撞率第二次测试结果6 8 表6 3 功耗测试结果6 9 缩略词表 缩略词表 英文缩写一英文全写中文注释 f p af a s tp a t ha l g o r i t h m 快速路径算法 g s a g l o b a ls c h e d u l ea l g o r i t h m 全局调度时间表算法 m 魄cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l 媒体访问控制 p f rp h yf o o t e r 物理层尾部 唧 p h y s i c a ll a y e r 物理层 p h r删h e a d e r 物理层头部 p p d u p h y p r o t o c o ld a t au n i t 物理层协议数据单元 p s d up h ys e r v i c ed a t au n i t 物理层服务数据单元 r s s i r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n接收信号强度指示 s h r s y n c h r o n i z a t i o nh e a d e r 同步头 w s nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 无线传感器网络 i x 独创性声明 本人声明所呈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。据我所知，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 为获得电子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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：望：量之堑 日期：捌年严月夕日 日期：呓年严月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论在孽密后应遵守此规定)尘p r - 尸- ) 签名：型! i z 经导师签名：圭 二至 日期：吁年月7 日 第一章绪论 第一章绪论 无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高 度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络 及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协 作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式 被发送，并以多跳自组织的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算 世界以及人类社会三元世界的连通。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军 事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控 制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的 高度重视，被认为是对2 1 世纪产生巨大影响力的技术之一。 1 1 无线传感器网概述 1 1 1 无线传感器网络结构 无线传感器节点组成 在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据获取、数 据处理、数据传输和电源这4 部分组成。数据获取单元用于感知、获取外界的信 息，并将其转换为数字信号，被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。数据 处理单元是节点的核心模块，负责协调节点各部分的工作，如对数据获取单元获 取的信息进行必要的处理、保存，控制数据获取单元部件、电源、数据发送和接 收单元的工作模式等。嵌入式核心处理器芯片是数据处理单元的主要功能部件， 通常选用嵌入式c p u 。因为需要进行较复杂的任务调度与管理，需要在处理器上 运行一个微型化的操作系统。数据传输单元负责与其他传感器或观察者的通信， 主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成。电源单元则是所有其他单元的基础。 图1 - 1 描述了节点的组成，其中实心箭头的方向表示数据在节点中的流动方向。 1 电子科技大学硕士学位论文 网络体系结构 图1 1 传感器网络节点的组成 无线传感器网络的体系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 k n o d e ) 和管理节点。大量节点任意散落在被监测区域内，节点以自组织形式构成网 络。传感器节点采集到的监测数据通过多跳中继方式传到s n k 节点，期间，中继 节点可以对数据进行处理，也可以不处理直接转发。s i n k 节点可以直接连入互联 网。最终，监测区域内的数据通过互联网传送到远程管理中心进行集中处理。如 果网络规模太大，可以采用聚类分层的管理模式，图1 2 给出了传感器网络体系结 构一般形式的描述。 监视区域 图1 2 传感器网络的体系结构 2 第一章绪论 1 1 2 无线传感器网络的特点 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 d - h o c 网络 等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点【1 】【2 】【3 】： ( 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 ) 能量有限。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 ) 以数据为中心。在无线传感器网络中，人们关心的是某个区域的某个观测 指标的值，而不会关心具体某个节点的观测数据，这就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融合提取出有用信 息直接传送给用户。 ( 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，一般在几百米范围内，节点只能与 它的邻居直接通信。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 过中间节点进行转发。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 万传感器节点空投到该区域。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。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 1 3 无线传感器网络的应用 无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和 采集节点部署区内观察者感兴趣的感知对象的各种信息( 如光强、温度、湿度、 噪音和有害气体浓度等物理现象) ，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出 去i 通过无线网络最终提供给观察者。无线传感器网络在军事侦察、气候监测、 环境监测、大气污染程度的监测，建筑的结构完整性监控，医疗护理、智能家居、 机场或体育馆的化学、生物威胁的检测与预报，工业生产控制以及商业等领域有 着广阔的应用前景。 环境的监测和保护 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越 多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避 免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人 员曾经将4 3 个小型传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛 上的气候【4 】，用 来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以实现诸如生物多样性监控、森 林火情监控、河道水文监测【5 1 、水灾预警【6 1 等作用。另外，无线传感器网络也可以 应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、，土壤的酸碱度、施肥状况和水分含 量等。 医疗护理 无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科 学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征 兆( 血压、脉搏和呼吸) 、睡觉姿势以及每天2 4 小时的活动状况。英特尔公司也 推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是作为探讨应对老龄化社会的技 术项目c e n t e rf o ra g i n gs e r v i c e st e c h n o l o g i e s ( c a s t ) 的一个环节开发的。该系统 通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人 士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联 网可高效传递必要的信息从而方便接受护理，而且还可以减轻护理人员的负担。 军事领域 由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶 劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控 4 第一章绪论 兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究 局已投资几千万美元，帮助大学进行智能尘埃( s m a r td u s t ) 【9 】传感器技术的研发。 哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从 2 0 0 4 年的1 0 0 0 万美元增加到2 0 1 0 年的几十亿美元。 其他应用 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 n e 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。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。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工 作人员可以通过它来实施安全监测。英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测 试，该网络由4 0 台机器上的2 1 0 个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大 改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现 问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。 1 2 无线传感器网络m a c 协议概述 媒体访问控制( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议，处于无线传感器网络协 议的底层部分，主要用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器网 络的性能有较大影响1 8 l 【1 2 1 ，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。 传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的m a c 协议。 1 2 1 无线传感器网络m a c 协议设计要求 无线传感器网络是一种特殊的自组织网络，可应用于布线和电源供给困难的 区域、人员不能到达的区域( 如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域) 和一些 临时场合( 如发生自然灾害是，固定通信网络被破坏) 等。无线传感器网络要依 靠大量节点协同工作实现特定应用目标，而节点基本采用电池供电，作为一种能 量受限的自组织网络，它的m a c 协议需要解决如下三个方面的问题1 9 1 。 ( 1 ) 能量受限带来的问题 5 电子科技大学硕士学位论文 传感器节点通常使用电池作为能量来源，电池属于一次性耗损资源，节点将 由于能量的耗尽而失效或者废弃，因此网络设计要以节能降耗为重要设计目标。 对无线传感器网络的m a c 协议设计而言，能量受限带来的主要影响包括节点休眠 调度和协议设计的复杂度。 无线通信模块是传感器节点的主要耗能模块，它通常有发送、接收、空闲和 休眠四种工作状态，其能耗也依次递减。其中，休眠状态的能耗远低于其他状态， 因此为节省能源，通常希望节点尽可能处于休眠状态。为了保证节点能及时接收 到其他节点发送给它的数据，m a c 协议通常要采用“侦听，休眠 交替的策略，而 如果侦听时间过长，就会造成能量浪费；侦听时间过短，又会增大消息延迟。对 于一个大规模自组织网络而言，休眠时间长短的合理选择是比较困难的。另外， 如果在目的节点处于休眠状态时，源节点就开始发送数据，接收节点将无法正确 接收，这会造成源节点的能量浪费，因此在休眠策略中还需考虑收发同步的问题。 此外，由于节点通信、计算、存储能力有限，决定了无线传感器网络的m a c 协议 设计不能过于复杂。 ( 2 ) 由多跳共享带来的问题 无线传感器网络采用多跳共享的信道共享方式，由信道共享带来的首要问题 是数据包碰撞冲突，即如果网络中的两个节点在同一时间利用同一信道传送数据 时，它们会互相干扰导致数据包被破坏。数据包冲突也是造成巨大耗能的重要原 因之一。因此，有效地避免碰撞冲突是无线传感器网络m a c 协议的基本任务。 无线传感器网络的多跳共享使用方式还会带来隐终端和暴露终端问题，这是 由多跳共享带来的数据包冲突和节点所处的地理位置相关造成的。隐终端是指在 目的节点覆盖范围之内而在源节点覆盖范围之外的节点，暴露终端是指在源节点 覆盖范围之内目的节点覆盖范围之外的节点。隐终端和暴露终端会带来消息延迟 和不必要的重发，从而造成信道利用率降低和节点能量浪费。 由多跳共享带来的另一个问题是串音( o v e r h e a r i n g ) 问题。当使用共享信道进 行通信是，某个节点可能接收到不是发送给它的数据，从而造成“串音 ，导致节 点能量的浪费。无线传感器网络的m a c 协议必须设法协调各个节点的收发，降低 “串音”的发生概率。 ( 3 ) 由大规模自组织要求带来的问题 与其他无线个域网( w w 蝌) 相比，传感器网络的规模更大，甚至多达上万个 节点。同时，由于节点可能由于各种原因退出网络，节点位置也可能移动，新节 点随时加入等等，网络拓扑结构会呈现出动态性的变化。因此，无线传感器网络 6 第一章绪论 的m a c 协议必须具备可扩展性、分布性和自组织性。 对于网络公平性，在无线传感器网络中实现公平性的目的，一方面是为了赋 予每个节点相同的信道访问机会，另一方面可以起到控制所有节点的能量均匀消 耗，从而延长整个网络的寿命。除此之外，无线传感器网络中还存在消息延迟问 题、信道利用率问题和数据吞吐量问题等，它们的重要程度与具体应用紧密相关。 一般认为，无线传感器网络的功耗性能和可扩展性是其最重要的性能指标。m a c 协议的设计需根据不同应用的特点和需求进行各性能的折中处理。 1 2 2m a c 层的能量问题 无线传感器网络m a c 协议一个主要目标就是在满足网络应用的基本要求下， 尽可能地降低节点能量损耗。对于无线传感器网络来说，其m a c 层存在如下能量 问题： ( 1 ) 碰撞。碰撞会使目的节点的数据接收和源节点的数据发送变得无效，并且 分组的重传会消耗更多的能量。因此，应该通过设计固定配置的协议或适当的碰 撞避免措施来避免碰撞的发生。 ( 2 ) 串音。单播的数据帧有一个源节点和一个目的节点。然而，无线媒体是一 个广播媒体，如果源的所有相邻节点均处于接收状态，则每个节点均可以听到分 组的传输，并且当这个分组不是发送给某个节点时，这个节点会将其丢弃，这就 成为串音。参考文献 1 0 ，1 1 表明，对于较高密度节点的串音问题，如果采取措施避 免串音的发送，则可以节省大量的能量消耗。 ( 3 ) 协议开销。协议开销包含在m a c 的控制帧中，例如r t s 和c t s 分组， 或请求配置协议的请求分组，此外，每个分组还含有首部和尾部，这也是一种开 销。 ( 4 ) 空闲监听。传感器节点状态可以分为4 种：发送、接收、空闲和休眠。发 送状态节点能量消耗最大，接收状态的能量消耗与发送状态相当，空闲状态的能 量消耗比接收状态稍小，休眠状态能量消耗最小，几乎不消耗能量。处于空闲状 态的节点既不发送数据，也不接收数据，但是还要监听信道，以便接受发给自己 的数据包，这种监听会浪费很大一部分能量。 无线传感器网络的m a c 协议要设法解决上述问题，以减小系统的能量消耗。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 2 3 无线传感器网络m a c 协议分析 目前提出的用于无线传感器网络的m a c 协议很多，这些协议分为三类：基于 分配的m a c 协议，如s m a c s 协议【1 3 1 、l m a c 协议【1 4 】【1 5 1 、t r a m a 协谢1 6 1 、d m a c 协谢1 7 】等；基于竞争的m a c 协议；如s m a c 协议【1 8 l 、t - m a c 协议【1 9 1 、w i s e m a c 协议刚、s i f t 协议【2 1 1 等；混合型m a c 协议，如z - m a c 协议圈等。下面简单分析 几种典型的无线传感器网络m a c 协议。 ( 1 ) l m a c 协议 l m a c 协议通过在时间上把信道分成许多时隙，形成一个固定长度的帧结构， 一个时隙包含一个业务控制时段和固定长度的数据时段。帧结构的管理机制非常 简单，每个节点控制一个时隙，当一个节点需要发送一个数据包时，它会一直等 待，直到属于自己的时隙到来。在时隙的控制时段内，节点首先广播消息头，消 息头中详细描述了消息的目的地和消息长度，后马上发送数据。监听到消息头的 节点如果发现自己不是此消息的接收者，它会将自己的无线收发机关闭。与其它 的m a c 协议相比，接收端正确接收一个消息后，不需要向发送端回送证实消息， l ma c 协议将可靠性问题留给高层协议来处理。l m a c 协议通过让节点选择一个 在两跳范围内的无重用的时隙( 类似于蜂窝移动通信中的频率复用) 来调度“帧 结构。控制部分包含了详细的描述时隙占用信息的比特组，欲加入网络的新节点 先侦听整个帧结构，通过或操作时隙占用比特组，新加入的节点能够计算出哪些 时隙是空闲的，并在其中随机选择一个时隙，与其它新加入的节点竞争占用该时 隙。 l m a c 不足之处在于，节点必须监听整个帧结构中的所有控制时段，甚至包 括没有被使用的时隙，因为新的节点随时会加入进来，可采用对未占用时隙的控 制部分进行抽样判断的方法来减少空闲监听能源消耗，当检测到未占用时隙上有 消息传递时将该时隙标记为占用，并在下一个帧中相应时隙进行监听。 ( 2 ) t r a m a 协议 流量自适应介质访问( t r a m a ) 协议将时间划分为连续时隙，根据局部两跳 内的邻居节点信息，采用分布选举机制确定每个时隙的无冲突发送者。同时，通 过避免把时隙分配给无流量的节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节 省能量的目的。为发适应节点失败或节点增加等引起的网络拓扑结构变化，将时 间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期。随机访问周期和调度访问周期的 8 第一章绪论 时隙个数根据具体应用情况而定。随机访问周期主要用于网络维护。 t r a m a 协议根据两跳范围内的邻居节点信息，由节点独立确定自己发送消息 的时隙，同时避免把时隙分配给没有信息发送的节点，由此提高了网络吞吐量， 克服了基于t d m a 的m a c 协议扩展性差的不足。但是t r a m a 协议相对比较复 杂，为了建立节点间一致的调度消息，计算和通信开销都比较大。 ( 3 ) s - m a c 协议 s m a c ( s e n s o rm a c ) 协议是在8 0 2 1 1m a c 协议基础上，针对传感器网络 的节省能量需求而提出的传感器网络m a c 协议。s m a c 协议主要采用了以下机 制：采用周期性侦听睡眠的低占空比工作方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来 降低节点能量的消耗；邻居节点通过协商形成虚拟簇，其作用是使一定范围内的 ，节点的休眠周期趋于一致，从而减少节点的空闲侦听时间；结合使用物理载波侦 听机制以及带内信令，解决消息碰撞和串音问题；通过消息分割和突发传递机制 来减少控制消息的开销和消息的传输延迟，提高长消息的传输效率；通过流量自， 适应的监听机制，减少消息在网络中的传输延迟。 s m a c 协议减少了空闲侦听所消耗的能源，而且具有较好的扩展性，能适应 网络拓扑结构的变化。但是不足之处在于：节点的工作循环周期在协议开始工作 时就已确定下来，不能根据网络中的业务量的变化来进行调整。 ( 4 ) t m a c 协议 t - m a c ( t i m e o u tm a c ) 协议是在s m a c 协议的基础上提出来的。s m a c 、 协议通过采用周期性侦听睡眠工作方式来减少空闲侦听，周期长度是固定不变的， 节点的侦听活动时间也是固定的。而周期长度受限于延迟要求和缓存大小，活动 时间主要依赖于消息速率。这样就存在一个问题：延迟要求和缓存大小是固定的， 而消息速率通常是变化的。如果要保证可靠及时的消息传输，节点的活动时间必 须适应最高通信负载。当负载动态较小时，节点处于空闲侦听的时间相对增加。 针对这个问题，t - m a c 协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地 调整活动时间，用突发方式发送消息，减少空闲侦听时间。暑眦协议相对s 眦 协议减少了处于活动状态的时间。 t - m a c 协议根据当前的网络通信情况，通过提前结束活动周期来减少空闲侦 听，但带来了早睡问题。为解决这个问题，提出了未来请求发送和满缓冲区优先 两种方法，但这两种方法会增加数据产生冲突的可能性以及其他问题，效果并不 理想，关于这些问题的解决方案仍然处于进一步的研究之中。 ( 5 ) w i s e - m a c 协议 9 电子科技大学硕士学位论文 w i s e m a c 协议在非坚持c s m a 协议的基础上，采用前导码采样技术控制节 点处于空闲侦听状态时的能量消耗。与s - m a c 和t - m a c 协议相比，节能效果非 常显著。 无线信道在传输过程中经常出现错误，所以需要链路层的确认机制来恢复丢 失的数据包。w i s e - m a c 协议的a c k 包不仅用来对接收到的数据包进行确认，还 会通知其他邻居节点到下一次采样的剩余时间。通过这种方式，每个节点不断更 新相邻节点的采样时间偏移表。利用这些信息，每个节点可以选择恰当的时间， 使用最小长度的唤醒前导码向目的节点发送数据，如图1 - 3 所示。 w a k e u p , m c d i u m i d l em “e d i u ”m i 9 d l e篙恕m “4 a g e + i _ + 1 + 尹r “c i v e d， 口d o z e 口r x t x 型1 - 3w i s e - m a c 协议 w i s e m a c 协议可以很好地适应网络流量变化，它是和w i s e n e t 超级功耗s o c 芯片结合设计的。w i s e m a c 协议的采样同步机制会带来数据包冲突的问题，也会 由于节点需要存储相邻节点的信道侦听时间，会占用宝贵的存储空间，增加协议 实现的复杂度，尤其是在节点密度较高的网络内这个问题尤为突出。 ( 6 ) z - m a c 协议 z m a c 协议将信道使用物化为时间帧的同时使用c s m a 作为基本机制时 隙的占有者只有数据发送的优先权，其他节点也可以在该时隙发送信息帧当节 点之间产生碰撞之后，时隙占有者的回退时间短，从而真正获得时隙的信道使用 权。z m a c 使用竞争状态标示来转换m a c 机制，节点在a c k 重复丢失和碰撞回 退频繁的情况下，将由低竞争状态转为高竞争状态，由c s m a 机制转为t d m a 机 制。可以说，z - m a c 在低网络负载下类似c s m a ，在网络进八高竞争的信道状态 之后类似t d m a 。 z m a c 并不需要精确的时间同步，有着较好的信道利用率和网络扩展性。协 议达到即时的适应网络负载变化的同时，t d m a 和c s m a 机制的互换会产生大量 第一苹绪论 的能耗，对于网络负载的突发波动会造成网络延迟问题。 总的来说，无线传感器网络是应用相关的网络，不同的应用对网络的设计要 求不同，特别是对协议来说更是如此，要想设计出一种可以满足各方面要求通用 的协议是不现实的。从以上介绍的m a c 协议也可以看出，每一种协议的设计侧重 点不同，因此，在设计无线传感器网络协议时j 应该结合无线传感器网络的特点， 针对不同应用需求，灵活设计协议。 1 3 论文的主要内容 本文的主要内容是无线传感器网络m a c 协议的设计及协议栈实现。文章共分 七章，第一章对无线传感器网络及m a c 层的内容作了介绍，分析了m a c 层能量 消耗的因素，介绍了几种典型的m a c 协议；第二章重点介绍了s m a c 协议的工 作原理、主要机制及相关算法，是本文的理论基础；第三章在分析了s m a c 协议 存在的不足的基础上，提出了改善其性能的改进方法；第四章介绍了自主设计的 c c l 0 1 0 为核心的无线传感器实验平台，以及在该平台与通信相关的驱动程序设 计，是协议栈设计与实现的硬件基础；第五章介绍了基于改进后的s m a c 协议的 协议栈设计与实现，详细介绍了物理层和m a c 层协议的设计与实现；第六章对设 计的协议栈进行了功能和性能测试，并详细分析了实验结果；最后一章对本文进 行了总结，并提出进一步的工作方向。 1 1 电子科技大学硕士学位论文 第二章s m a c 协议 s m a c 协议是在8 0 2 1 1m a c 协议基础上，针对传感器网络的节省能量需求 而提出的。s m a c 假设通常情况下传感器网络的数据传输量少，节点协作完成共 同的任务，网络能够容忍一定程度的通信延迟。它的主要设计目标是减少节点能 量的消耗，并提供良好的扩展性。本章将详细介绍s - m a c 协议的基本原理、主要 机制及使用的相关算法。 2 1s m a c 协议基本原理 无线传感器网络是一个能量极度受限的网络，节能是m a c 协议设计的首要目 标。对于如何减小能量损耗，有不少m a c 协议都提出了相应的解决方案，其中最 为基本的思想就是当节点不需要发送数据时，尽可能让它处于功耗较低的休眠状 态。i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议【2 3 l 中，p c f 和d c f 都有一种节省能量(