（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络中异步mac和仿真系统的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着无线传感器网络的广泛应用，提高网络的能量有效性成为无线传感器网络设计 和研究的关键，m a c 协议对网络能量有效性有重要影响。网络仿真作为一种实验手段， 在无线传感器网络研究中发挥着至关重要的作用。当实验设备、节点功能、部署环境、 网络规模等因素不能满足研究课题所需的条件时，仿真能为我们提供强有力的帮助和研 究支撑。本文主要从基于异步通信模式的m a c 协议和仿真系统的开发展开研究，主要 工作如下： 一、以低功耗异步通信模块硬件构架的可行性为基础，提出异步通信模式的概念。 针对异步模式可能带来的对于传感器网络各层协议及整体性能的影响，设计了一种采用 周期性唤醒睡眠、局部时钟同步、交互确认a c k 等机制的异步m a c 协议。其中根据 传感器网络内数据的相关性和实际网络需求，设计了顺序唤醒和交错唤醒两种不同的机 制。通过系统仿真，验证该协议能在低速率网络场景中获取高能量有效性。 二、结合传感器网络的独特需求，设计开发了一个适用于传感器网络研究的仿真系 统。该系统以c + + 为底层语言，增强了系统仿真效率，提高了网络仿真规模；采用层结 构，以实现单个传感器节点的分层和各层功能行为定义，节点各层的相互独立使模块代 码复用率大大提高；该系统集成了传感器网络能耗、时延和丢包统计模型，并采用后台 数据库支持技术，增强了仿真实验的数据储存和处理能力：支持配置文件和仿真文件的 脱平台运行，具有很好的可移植性。最后通过三个仿真实例验证了该系统具有建模快、 重构有效、功能完整、真实可靠的特点。 关键字：无线传感器网络：异步通信；介质访问控制协议；仿真系统 无线传感器网络中异步m a c 和仿真系统的研究 a b s t r a c t a st h ee x t e n s i v ea p p l i c a t o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，i m p r o v i n gt h ee n e 略y - v a l i d i t y o fn e t w o r k sh a sb e e nc n l c i a l t ot h er e s e a r c ha n dd e s i g no fw i r e l e s ss e n s o rn e t v v o r k s t h e m a cp r o t c o la l s ot a k e sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h i sa r e a a sa ne x p e r i m e n t a lm e t h o d ，n e 似o r l ( s s i m u l a t i o np l a y sa nv e 叫i m p o r t a n tr o l e i nt h er e s e a r c ho nw i r e l e s ss e n s o r sn e t w o r k s i tc a n p r o v i d ep o w e r 如ls u p p o r t so nr e s e a r c h ，w h e ns o m ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o nc a nn o tm e e t b e c a u s eo ft h ee q u i p m e n t ，t h en o d e 向n c t i o n ，t h ed e p l o y m e n te n v i r o n m e n ta n dt h en e t 、v o r k s s c a l ee t c 。t h i sp a p e rm a i n l yo p e n so u tt h er e s e a r c hb a s e do nt h em a cp r o t o c o lo ft h e a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nm o d ea n dt h ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t o ns y s t e m ，w i t h t h e f o l l o wp r o d u c t i o n ： f i r s t l y ，t h i sp a p e rp r o p o s e sac o n c e p to fa s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t o nm o d e ，b a s e do n t h ef e a s i b i l i t yo fl o w p o w e ra s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t o nm o d u l e i na l l u s i o nt ot h ep o s s i b l e e f 奄c t so ne a c h 1 a y e rp r o t o c o l 她dg l o b a lp e r f o m a n c eo fw i r e l e s ss e n s o r sn e 眦o r k sf b mt h e a s y n c h r o n o u sm o d e ， i th a sd e s i g n e da na s y n c h r o n o u sm a cp r o t o c o lu s i n gp e r i d i c a l a w a k e s l e 印，p a n i a lt i m e s y n c h r o n i z a t i o na n di n t e r a c t i v e - c o n f i m a t i o na c k m e c h a n i s me t c t h e nb a s e do nt h ed a t a c o r r e l a t i o na n da c t u a l d e m a n do fw i r e l e s ss e n s o r sn e t w o r k s ，t h e p e r i d i c a la w a k e s l e e pm e c h a n i s mm a i n l yi n c l u d et w o d i f f e r e n tk i n d so fm e c h a n i s m ，w h i c h a r es e q u e n t i a l a w a k ea n di n t e r l e a v i n g a w a k e w i t ht h es y s t e ms i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h em a cm e c h a n i s mi sg o o da te n e r g y - s a v i n gi nt h el o w - r a t i os c e n e s e c o n d l y ，i th a sd e s i g n e d 柚dd e v e l o p e das u i t a b l es i m u l a t i o ns y s t e m f o rw i r e l e s s s e n s o r sn e t w o r k si no r d e rt om e e ti t ss p e c i a ld e m a n d s t h i ss y s t e ma d o p t sc + + a s p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，w h i c hi m p r o v e st h es i m u l a t i o ne f f i c e n c ya n dt h en e 铆o r ks c a i e0 n s i m u l a t i o n i ta l s oa d o p t sl a y e rs t n l c t u r et oi m p l e m e n tt h es i n g l en o d el a y e r e da n dd e f i n et h e 如n c t i o nb e h a v i o r so ne a c hi a y e r 1 nt h i ss y s t e m ，o n ei a y e ri si n d e p e n d e n tf r o me a c ho t h e ri n o r d e rl oi m p r o v et h er e u s e豫t eo ft h em o d u l ec o d e i n a d d i t i o n ， i t i n t e g r a t e s e n e r g y c o n s u m p t i o n ，t i m e d e l a y ，p a c k e t - l o s s m o d e l sa n da d o p t sd a t a b a s ea sab a c k s t a g e s u p p o r t e rt 0s t r e n 舀h e n s i m u l a t i o nf u n c t i o na n dc a p a b i l i t yo fs t o m g i n ga n dp r o c e s s i n g e x p e r i m e n t a ld a t a i fp r o v i d i n gt h ec o n n g u r a t i o n6 l e ，w 宅c a ns i m u i a t ew i t h o u tt h ep l a t f o r m ， i m p r o v i n gt h ep o n a b i l l i 妙f i n a l l y ，t h er e s u l t so ft h r e es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e s y s t e m i sag o o de x p e r i m e n t a lp l a t f o n nf o rw s n s ，w i t ht h ef e a t u r eo fm 。d e l i n gf a s t ， r e m o d e l i n ge 行e c t i v e l y ，c o m p l e t e 如n c t i o na n dm o r er e l i a b l ee x p e r i m e n t a ld a t a k e yw 6 r d s ：w i f e l e s ss e n s o r sn e t w o l ( s ；a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n ；m a cp r o t o c o l ；s y s t 锄 s i m u i a t i o n l i 硕 ：学位论文 插图( 附表) 索引 图2 1 无线传感器网络的体系结构4 图2 2 传感器节点6 图2 3 传感器节点能量消耗情况7 图2 4 传感器网络协议栈8 图3 1 基于分簇的t d m am a c 协议1 2 图3 2d e a n a 协议的时i 日j 帧分配1 3 图3 3s m a c 协议的虚拟簇1 4 图3 4s m a c 和t - m a c 的基本机制1 5 图3 5t - m a c 协议的基本数据交换1 6 图3 6t m a c 协议的早睡问题一1 6 图3 7 事件调度器工作过程1 8 图3 8 构件库类( 部分) 一1 9 图3 9 在n s 中c + + 和o t c l 对象的映射2 0 图4 1 异步通信模式2 3 图4 。2 异步传感器节点模块一2 4 图4 3 异步m a c 协议2 5 图4 4 异步通信模式中的时间不规则性2 6 图4 。5 口对时间段分配的影响2 8 图4 6 相同颜色的节点在同一个时间窗口进行唤醒一2 9 图4 7 交互确认a c k 机制3 l 图4 8s i n k 节点数据包的接收率3 2 图4 9 平均能耗一3 3 图4 1 0 传输延时3 3 图5 1 仿真系统框架3 6 图5 2 节点层结构示意图3 7 图5 3 延时统计示意图3 9 图5 4 仿真系统节点类结构4 1 图5 5 数据报结构图4 2 图5 6 离散事件队列4 2 图5 7 节点建模流程4 3 图5 8 仿真实验网络拓扑图一4 4 图5 9 网格式虚拟簇拓扑结构4 5 图5 。1 0 数据报生成示意图4 6 图5 1 1 簇头数据处理4 6 图5 1 2 系统能耗显示4 7 表4 1 异步m a c 仿真参数3 2 表5 1 耗电事件电流准值3 8 表5 2 数据库字段4 0 表5 3 通信模型物理参数一4 4 1 1 1 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： 、 巧世 日期：少谚年彩月，】7 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 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 黼瑚 孜 记伽 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 微电子技术、计算技术和无限通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快 速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理、无线通信等多种功能。无线 传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t 、o r k ，w s n ) 由部署在监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一个多跳的自组织网络，实现协作式感知、采集和处 理网络覆盖区域内被感知对象的信息数据，并根据特定方式发送给观察者。传感器、感 知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。如果说i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世 界，改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客 观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络 直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业 周刊在预测未来技术发展的报告中，将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响力的2 1 项技 术之一和改变世界的十大技术之一，同时传感器网络又被视为全球未来的三大高科技产 业之一。 传感器网络具有十分广阔的应用前景，能够广泛应用于军事国防、环境监测和预报、 健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车 间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全检测等领域【lj 。以环境监测和预报系统 为例，传感器网络可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、家畜的环境状况和地表 状况等。传感器也可用来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测山洪爆发的可 能性。 传感器网络的出现是信息感知和采集的一场革命，传感器网络作为一个全新的研究 领域，在基础理论和工程技术两个层面向科研工作者提出了大量带有挑战性的研究课 题。由于传感器网络的巨大应用价值，引起了世界上军事界、工业界和学术界的极大关 注，其中美国国防部和各军事部门较早启动了传感器网络的研究。美国陆军近年来确立 了“灵巧传感器网络通信计划”、“战场环境侦察与监视系统”、“无人值守地面传感 器群”等多个项目，利用无线传感器网络了解战场态势，获取更广阔视野，帮助制定战 斗行动方案。在工业界，瑞士a b b 和法国c o r o n i ss y s t e m s 等公司已经采用无线传感器网 络系统监控机器品质，美国d e s e r tm o u n t a i n 公司利用无线传感器网络调控高尔夫球场的 自来水灌溉。据市场调研公司o nw o r l d 近期发布的一份报告，预计到2 0 1 1 年，世界市场 无线传感器网络系统与服务将飞升至约4 6 亿美元，比现在增长5 亿美元。美国d u s t n e t v v o d ( s 和c r o s s b o wt e c h n o l o g i e s 等公司研究的“智能尘埃、m o t e 已进入应用测试。 此外，美国英特尔公司、美国微软公司等工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作， 设立或启动了相应的研究计划。在学术界，美国加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶 无线传感器网络中异步m a c 和仿真系统的研究 分校、斯坦福大学、南加州大学等研究机构都有研究小组在从事传感器网络相关技术的 研究1 2 曲j ，加拿大、英国、德国、日本和意大利等国家的研究机构也纷纷进入该研究领 域。 我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式 出现于1 9 9 9 年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研 究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一，其名称为：重点地区灾害实时监测、 预警和决策支持示范系统。随后，国内的一些科研单位和大学，如清华大学、中科院宁 波计算所、中国科学技术大学等逐步开展了在传感器及传感器网络方面的研究工作，取 得了较多研究成果。近年来，我国的国家自然科学基金、8 6 3 国家高技术研究发展计划 和9 7 3 国家重点基础研究发展计划连续对无线传感器网络的基础理论和关键技术的研究 进行了资助，加快了国内无线传感器网络的研究进程【7 - l 。湖南大学也在国内较早开展 了传感器网络路由、m a c 协议以及定位等技术的研究，并在相关学术会议和专业期刊上 发表一批高质量论文【l2 m 】。总体上来讲，国内对于传感器网络的研究还处于刚刚起步的 阶段，但是由于传感器网络是一门新兴的技术，及时开展对该项前沿科技的研究，对社 会和国民经济的发展将有重大的战略意义。 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 ) 协议是无线传感器网络研究领域的 一个热点问题。由于传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，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的问题：( 1 ) 节省能量。传感 器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，而且电池能量通常难以进行补充， 尤其是当传感器节点被部署在战场、森林等恶劣环境时。为了长时间保证传感器网络的 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。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点 位置可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以m a c 协议应具有可扩展性，以应对无 线传感器网络拓扑结构的动态性；( 3 ) 网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、 网络吞吐量以及带宽利用率等。因此区别于传统的a d - h o c 网络，节约能量成为传感器网 络m a c 协议设计首要考虑的因素。目前针对不同的传感器网络应用，研究人员已经提出 了多种m a c 协议，主要分为时分复用和随机竞争两大类。 与此同时，由于无线传感器网络具有节点数多、网络拓扑动态性、网络环境不确定 性的特点，以及日趋复杂的网络方案和协议，使网络仿真成为传感器网络研究的一个重 要支撑。无线传感器网络仿真能够在一个可控制的环境里仿真数量众多的节点，观察由不 可预测的干扰和噪声引起的节点间的相互作用，及时发现网络路由、m a c 层可能引发的 安全、传输漏洞，获取节点工作细节，从而提高节点投放后的网络成功率，减少投放后的 网络维护工作。因此，如何选择或开发一种具有高可靠性、高性能的仿真工具成为无线 传感器网络研究人员面临的一个难题。 本文以国家高技术发展项目( 8 6 3 ) 异步无线传感器网络数据压缩关键技术为 2 硕士学位论文 背景，围绕无线传感器网络m a c 协议和仿真工具展开研究。 1 2 研究内容 本文围绕无线传感器网络中m a c 协议和仿真工具的开发展开研究，主要包括以下两 个方面的内容： ( 1 ) 分析了目前传感器网络主要的两类m a c 协议，根据能量有效性的需要，提出一种新 的异步通信架构。该架构允许发送节点直接向睡眠中的接收节点发送数据，接收节 点通过特定的模块进行接收并缓存数据，从而使得节点保持一种存储一转发的异步工 作模式。这种新的异步通信架构需要特殊的硬、软件支持，如低功耗的无源式接收 模块。针对这种异步通信架构，本文分析其可能带来的数据传输延时和数据的时间 不规则性等问题，设计了一个采用允许单个节点独立地进行数据传输而无需状态同 步的睡眠唤醒、局部时钟同步和交互确认a c k 等多种机制的异步m a c 协议。系统 仿真表明该异步m a c 机制在低速率网络应用场景中，很好地降低了网络能耗。 ( 2 ) 本文充分认识到网络仿真对于无线传感器网络研究的重要性。针对传统网络仿真工 具在无线传感器网络规模、性能参数统计、节点级行为定义等方面力不能及的状况， 本文设计并实现了一种基于m o b i l 时f r a m e w o r k 的仿真系统。该系统采用模块化设计 思路，集成能量、时延和冲突丢包统计模型，具备数据库后台支持，提高了仿真规 模、仿真效率和可靠性。 1 3 论文结构 全文主要包括五章和一个总结与展望部分，具体安排如下： 第一章，绪论。介绍了本研究课题的背景和研究意义，阐述了主要研究内容，给出 本文的章节安排。 第二章，无线传感器网络概述。介绍了传感器网络、节点和传感器网络协议栈，分 析其特征，指出了传感器网络在诸多领域得到广泛应用。 第三章，无线传感器网络m a c 和仿真工具现状。介绍无线传感器网络中m a c 协 议和网络仿真工具的研究现状，分析了基于时分复用和随机竞争两类m a c 协议，以及 目前经常被采用的几种网络仿真工具。 第四章，无线传感器网络异步m a c 协议的研究。本节提出了一种异步通信架构， 设计基于该架构的异步m a c 协议，阐述该协议所采用的原理与机制，最后用一个仿真 实例说明该协议对网络性能的影响。 第五章，无线传感器网络仿真系统的研究与开发。设计实现一种新的仿真系统，阐 述了其仿真原理、系统结构和实现过程，通过仿真实例验证仿真性能。 总结与展望部分对论文所做的工作进行全面总结，并对后续研究工作进行展望。 无线传感器网络中异步m a c 和仿真系统的研究 第2 章无线传感器网络概述 无线传感器网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通 信方式形成一个多跳的自组织网络，实现协作式感知、采集和处理网络覆盖区域内感知 对象的信息数据，并根据特定方式发送给观察者1 5 】。 2 1 传感器网络 无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点，网络结构如图2 1 所示。传感器节点通过人工放置或飞机撒播等方法部署在监测区域，以自组织方式构成 网络。传感器节点采集的数据沿着其他传感器节点逐跳传输，在传输过程中可能被多个 节点处理，经过多跳后到达汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。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具有较弱处理、存储和通信能力的嵌入式系统。区别于传统 网络中的终端节点，传感器节点具有终端和路由的双重功能，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，还需要对其他节点转发来的数据 进行存储、融合等处理，并将处理后的数据进一步地转发。汇聚节点的处理能力、存储 能力和通信能力都比较强，它连接传感器网络与i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议之间 的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并将收集的数据转发到外部网络上。 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。 征： 图2 1 无线传感器网络的体系结梅【1 5 】 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，具有明显的网络特 l 、大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常密集部署了大量传感器节点。传感器网络的大 4 硕士学位论文 规模性主要包括两方面的含义：是传感器节点分布在很大的地理区域内，如原始森林 等等；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大量 节点。大量冗余节点的存在，可以降低或消除节点失效带来的监测盲区等问题，提高系 统的容错性能；通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量 的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个传感器节点的精度要求。 2 、自组织网络 由于部署的节点个数可能达到成千上万，甚至更多，且监测区域可能是人员难以到 达或者是极其危险的区域，如灾难现场等。传感器节点很难逐个放置在目标区域内，常 常通过飞机撒播或炮弹发射等形式部署，因此传感器节点的位置不能预先精确设定，节 点之间的相关邻居关系预先也不知道。传感器节点能够自动配置和管理，通过拓扑控制 机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。 3 、动态性网络 在大规模传感器网络的应用中，传感器网络的拓扑结构可能会因下列因素而发生变 化：( 1 ) 物理破坏或电池能量耗尽会导致传感器节点出现故障或失效；( 2 ) 无线通信链 路带宽或信号干扰也会造成节点之间的通信时断时通；( 3 ) 新节点的加入；( 4 ) 节点在 监测区域内的移动。 4 、应用相关的网络 传感器网络的应用领域非常广阔，如军事应用、环境观测、智能家居等等。不同的 应用背景对传感器网络的要求不同，因此对应的硬件系统、网络协议也存在很大的差别。 如草皮的自动灌溉系统要求传感器节点监测草皮的湿度信息，桥梁的监测系统要求传感 器节点监测桥梁承受的压力和应变。针对每一个具体的应用要求，研究设计传感器网络 硬件技术和网络协议，是无线传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。 5 、以数据为中心【l6 j 的网络 传感器网络是任务型的网络。传感器节点的随机部署导致传感器网络与节点编号之 间呈动态关系，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。传感器网络报告监测事件或 用户使用传感器网络查询事件时，传感器网络仅需要将所关心的事件汇报给用户，而并 不关心哪个节点监测到事件。 由上可见，无线传感器网络独有的特点使其明显区别于传统的计算机网络和无线 a d - h o c 网络【1 7 】，已有的研究成果很难直接应用于无线传感器网络，因此需要研究新的硬 件技术和设计新的协议，使其更好的适应于不同应用要求，得到更高效的传感器网络应 用系统。 2 2 传感器节点 无线传感器节点由四个基本模块组成，分别为传感器模块、处理器模块、无线收发 模块和能量供应模块1 5 】。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 无线传感器网络中异步m a c 和仿真系统的研究 采集的数据以及其他节点发来的数据。传感器模块由传感器和模数转换器两个子模块组 成。传感器将测到的物理量，如温度、湿度、光强度、压力等，转换成电压信号。模数 转换器将物理信号转换成数字信号并传送到数据处理模块。目前实验室部署的比较多的 是美国c r o s s b o wt e c h n o l o g y 公司生产的m i c a 2 节点和通过扩展方式带有的传感板 m t s 3 0 0 c b ，板上载有光照、温度和声音等多种传感器，如图2 2 所示。无线收发模块通 过无线通信与网络中的其他节点进行信息交互，如收发传感数据以及交换控制消息等。 能量供应模块为节点的各个单元提供能量，通常采用干电池。 ( a ) 无线通信模块( b ) 传感板 图2 2 传感器节点 虽然随着嵌入式计算技术、存储技术、无线通信技术、电池技术等的进步，传感器 节点的通信能力、数据处理能力逐步提高，电池容量进一步加大。然而，由于受节点体 积、成本等多方面的限制，传感器节点在实现网络协议和应用系统时仍然存在以下条件 约束： l 、电源能量有限 传感器节点体积较小，携带的电池能量十分有限。例如，使用较多的锂离子和锌电 池，能量密度大约分别为3 0 0m w h c m 3 、1 5 0 0 m w h c m 3 ，也就是说lc m 3 的锂离子电池或 锌电池仅能支持w i n s 节点保持活跃状态的时间分别为0 4 个小时和2 个小时。由于传感器 节点个数较多，且常常部署在人难以到达的区域，逐个对传感节点更换电池来补充能量 难以实现。为了克服能量难以补充的缺陷，已有学者开始研究传感器网络的自我能量收 集技术和电池无线充电技术。目前如何通过能量节省来最大化网络生命周期仍然是传感 器网络的首要挑战。 传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。如图2 3 所示，随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量 消耗在无线通信模块上。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输l 比 特信息l o o m 距离需要的能量大约相当于执行3 0 0 0 条计算指令消耗的能量。 6 无线传感器网络中异步m a c 和仿真系统的研究 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术； 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制； 网络层主要负责路由生产与路由选择； 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分； 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。 图2 4 ( b ) 所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层既依赖于数据 传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，因此 呈倒l 型结构。右边的诸多机制一部分融入到各层协议中，用以优化和管理协议流程， 另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如能 量管理融入每个协议层中；拓扑控制利用物理层、路由层完成拓扑生成，反过来又为他 们提供基础信息支持，优化m a c 协议和路由协议，提高效率，减少网络能量消耗：网 络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，定时收集协议运行状态和流量信息，协调控 制网络中各个组件的运行。 2 4 无线传感器网络应用 图2 4 传感器网络协议栈【1 5 】 ( b ) 传感器网络可以部署在人不能长期驻守的区域或者人难以到达的危险区域，长期 的、不间断的监测人们感兴趣的物理信息或事件，并及时汇报给管理节点。它具有广泛 的应用前景，如军事、环境监测和预报、灾难救助、健康护理、智能家居、建筑物状态 监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理、地下水管检测以及矿井的安全监测 等领域l l 邺引，其发展和应用将会给人类的生产和生活的各个领域带来深远的影响。 2 4 1 军事应用 传感器网络具有可快速部署、可自组织、成本低、隐蔽性强和高容错性的特点，非 8 一一禹 硕士学位论文 常适合在军事上的利用。部署在敌方区域后，能够近距离地收集敌方的战场信息，如敌 方兵力和装备、地形、生物化学攻击时有毒气体的浓度等，准确地帮助制定作战方案。 传感器节点成本低，可以广泛地撒播到敌方区域。由于节点数量众多，体积较小，隐蔽 性强，一旦被部署下去，节点随机地分布在敌方区域，敌方采用物理破坏的方式就难以 发挥作用。传感器网络具有高容错性，敌方即使损坏一部分节点，或通过信号干扰等手 段使一部分节点发生失效，剩下的节点也会自组织地形成网络。 2 4 2 环境监测和预报系统 由于监测的环境区域通常是一个很大的地理区域，传统监测森林环境、水污染等环 境变化的方法往往依赖于频繁的巡逻检查和昂贵的硬件设备。与传统的监测方法相比， 传感器网络不仅可以节约大量的人力资源，把人从这些烦闷的工作中解脱出来，更加及 时、更为准确地汇报环境的变化情况，而且拓宽了环境监测所涉及的范围，如灾难现场、 有毒化学气体的泄露区域和野生动物的栖息地等f 2 0 ，2 8 ，2 9 1 。 环境监测和预报系统主要由以下三部分组成：传感器基站，分布网络和一个集中式 的数据处理中心，其中数据处理中心用来处理传感器网络收集的监测数据。c o 砌e 是传 感器网络俄勒冈卫生科学海岸和路缘区域研究中心部署在哥伦比亚河河口的传感器网 络系统，由1 3 个固定的基站和1 个在河岸边漂移的基站组成，目的是帮助引导船只通 行和进行预测。a l e r t 【2 3 】是美国国家气象局早在7 0 年代就已经启动的研究计划，通过 装置多种传感器用来监测降雨量、河床水位信息，依此预测爆发洪水的可能性。传感器 网络在环境监测的很多方面都可以得到有效的利用，其中在生态环境监测方面的应用就 非常典型。加州大学伯克利分校计算机系、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，用来监测岛上海燕的生活习性。无线传感器网络还 可以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。 2 4 3 建筑物状态监控 微弱地震、长时间超负荷的压力和不完善的修补常常给大楼、桥梁和其他建筑物带 来一些安全隐患，如一些潜在的裂缝、局部区域负荷过大等，若不及时修补，可能会发 生建筑物突然坍塌、人员伤亡的惨剧。用传统方法检查，如后续测试监测系统，往往要 将该建筑物关闭数月，带来一定的不利影响。无线传感器网络是智能建筑物的感知系统， 可以弥补视觉检查和后续测试监测系统的不足，能够让大建筑物自我感觉并且意识到本 身的状态，并向管理部门报告自身的状态信息，指导他们进行一系列的修复工作【2 3 1 。 1 9 9 8 年，s t m s e r 和k i r e m i d j i a n 首次提出采用无线传感器网络监测建筑物状态。从 那以后，很多研究者开始研究无线传感器网络在建筑物状态监控上的应用。香港科技大 学的倪明选教授和他的研究团队在青马大桥装置了几百个传感器网络，让大桥能够自身 感觉并意识到它们本身的状况。斯坦福大学电气工程师、现任密西根大学教授的j e r o m e 9 无线传感器网络中异步m a c 和仿真系统的研究 l y n c h 在美国新墨西哥的a l a m o s ac a n y o n 大桥和韩国利川的g e u m d a n g 大桥上安装结构 状态监控系统，实现了对这些桥梁的远程监控。除了桥梁、建筑之外，建筑物状态监控 系统也可以用来监测太空船、武器、有轨车辆、采油设备、管道、装甲车、轮船、风力 涡轮机、核电站，甚至氢动力汽车燃料箱的结构健康状态。 2 4 4 其他方面的应用 传感器网络能够应用于煤矿的安全生产中。近年来，随着对煤炭需求的高速增长， 煤炭工业也得到很大发展，但是煤矿重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾害事故的 有效控制。利用无线传感器网络，可以准确判定井下生产作业人员的受困位置、遇险人 员撤退路线、井下的环境监测情况以及及时准确地制定救援方案【33 ，3 4 】。同时，也可以利 用传感器网络，对煤矿的井下瓦斯浓度进行实时监测，对可能出现的瓦斯事故进行预警， 将包括瓦斯浓度和井下作业人员等多种属性的数据信息实时显示在电子地图上。 传感器网络可以应用于空间探索【2 4 1 。借助于航天器在外星体上撤播一些传感器节 点，可以对星球表面进行长时间的监测。这种方式成本很低，节点体积小，相互之间可 以通信，也可以和地面站进行通信。 传感器能够应用在家居中。在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与 i n t e m e t 连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利 用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控，例如可以在回家之前半小时打开空调，在 回家的时候就可以直接享受适合的室温。 l o 硕士学位论文 第3 章无线传感器网络m a c 和仿真工具现状 3 1 引言 在无线传感器网络中，m a c 协议决定无线信道的访问方式，分配有限的无线通信 资源，构建传感器网络系统的底层结构。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。目前对无线传感器网络m a c 协议的研究已经有了一定的成果，提出了多种技术的 m a c 协议，例如s m a c 协议、t m a c 协议和p a m a s 协议等【3 6 1 。网络仿真能够在一个 可控制的环境里仿真数量众多的节点，观察由不可预测的干扰和噪声引起的节点间的相 互作用，及时发现网络路由、m a c 层可能引发的安全、传输漏洞，获取节点工作细节， 从而提高节点投放后的网络成功率，减少后期的网络维护工作。目前无线传感器网络使 用的仿真工具主要有n s 2 、t d s s i m 、o p n e t 、o m n e t _ 卜 等等1 4 卜川】。 本节将分为两部分，一方面详细描述无线传感器网络领域对m a c 协议的研究状况， 介绍几种较为成熟的m a c 协议【i5 1 ，分析其性能评价指标状况；另一方面介绍无线传感 器网络研究中普遍采用的几种仿真工具，陈述仿真原理与仿真性能。 3 2m a c 协议研究现状 与传统网络终端相比，传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单 个节点的功能较弱。因此，在设计无线传感器网络的m a c 协议时，需着重考虑能量损 耗、可扩展性和网络效率等性能指标，其中节约能量成为首要考虑的因素。经过大量实 验和理论分析，科研人员发现无线传感器网络中可能造成网络能量损耗的主要原因包括 如下几个方面”习： ( 1 )碰撞重传。如果m a c 协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发 送数据的过程中可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞，这就需要 重传发送的数据，从而消耗更多能量； ( 2 )串音( o v e r h e a r i n g ) 。节点接收并处理不必要的数据，造成节点的无线接收 模块和处理器模块消耗更多的能量： ( 3 )空闲侦听( i d l el i s t e n i n g ) 。过度的空闲侦听同样会造成大量的能量损耗： ( 4 )在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的节点 能量。 针对以上原因并结合不同的传感器网络应用，研究人员提出了不同的m a c 协议，主 要分为采用无线信道的时分复用方式和采用无线信道的随机竞争方式两类： 无线传感器网络中异步m a c 和仿真系统的研究 3 2 1 时分复用方式 时分复用( t i m ed i v i s o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 是实现信道分配的简单成熟的机制， 其基本思想就是为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时槽，而节点在其他空闲 时槽内转入睡眠状态。相对于竞争机制，t d m a 机制没有碰撞重传问题，数据传输时不 需要过多的控制信息，且节点在空闲时槽能及时进入睡眠状态，因而非常适合传感器网 络节省能量的需求。然而，t d m a 机制需要节点之间比较严格的时间同步，时间同步是 传感器网络的基本要求：多数传感器网络都是用了侦听睡眠的能量唤醒机制，利用时间 同步来实现节点状态的自动转化；节点之间为了完成任务需要协同工作，这同样不可避 免地需要时间同步。此外，t d m a 机制很难调整时间帧的长度和时槽的分配，对于传感 器网络的节点移动、节点失效等动态拓扑结构适应性较差，对于节点发送数据量的变化 也不