无线传感器网络的S-MAC协议仿真

1、无线网络技术实验四报告单班 级姓 名学 号实验日期评 分教师签名 实验名称：无线传感器网络的s-mac协议仿真实验目的：了解无线传感器网络的s-mac协议及提出一种消息节点睡眠机制和退避策略，然后通 过在ns2平台上的仿真，可发现对能量消耗和网络延迟有部分改善。实验内容：1无线传感器网络概述无线传感器网络(witeless sensor networks, wsn)是集信息采集、倍息传输、信息处理 于一休的综合智能信息系统。它综合了微机电系统(microelec一 tron mechanical system, ms)、传感器技术、嵌入式技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能

2、够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监控、感知和釆集各种环境或监控对象的信息。 在军事领域、工业领域、农业领域、环境检测、医疗监护、智能家具系统等许多领域都有十 分广阔的发展前景。2.无线传感器网络结构无线传感器网络包括传感器节点(sensor node) 汇聚节点(sink node)和管理节点 (manager node)。无线传感器网络的协议栈采用5层的分层结构，分别为：物理层、数据链路层、网络层、 传输层和应用层。在网络协议栈中，mac子层位于数据链路层，直接与物理层接口，负责 控制和接入物理介质。提供无线传感器网络屮节点到节点的连接方式，确保传感器节点间通 信资源分配的公平性和有效

3、性。3基于竞争的mac协议分析s-mac(sensormac)1议是针对deee802.11中节点处于侦听状态，消耗大最能最 的问题，提出的周期性的休眠/活动调度机制。s-macrh-个开始的同步时间段开始，交换 sync消息形成虚拟簇。相同虚拟簇卜的节点可以传输数据。节点只有在活动阶段才发送消 息，如图1.1smac采用数据传递机制，通过这种周期性的修眠/活动工作机制，节点降低了 闲置侦听，降低了能耗。receiverfor syncfor rtsfor ctslisten periodtx sync ts rts got ctsrcccivc/siccpperiodsendercscsse

4、nd data图1.1smac数据传递机制采用以上机制，smac协议冇以下儿点好处：采用周期性睡眠/侦听占空比，控制 节点进入睡眠状态，降低了节点能耗；rts / cts机制降低通信范围节点间的碰撞概率: (3) nav避免串音现象，降低了能耗。smac协议相比ieee802.il提高了能量的效率，但是也存在一些不足，节点采川周期性 的侦听和睡眠调度机制，数据在发送时有延迟；邻居节点频繁交换sync信息会导致节点消 耗更多的能虽；当网络负载较低时，过高的占空比会导致空闲侦听会造成能虽浪费，当负载 较高时，又会造成网络延迟；节点为了节省能量进入睡眠状态，增人了睡眠延时。4.ns2网络仿真仿真场景

5、如图1.2所示，在l()()()m*l()0()m的范|韦|内，采用随机分布的方式布置了一 个49个固定节点和一个sink节点构成的较人规模的网络拓扑，在网络模型小，假设所有节 点都能侦听到整个网络的通信情况，即没有考虑隐藏节点问题。图1.2节点随机分布生成网络模型的部分tcl代码如下：for set i 0 $i < $opt(nn) incr i set node_($i) $ns_ node$node_($i) random-motion 0$god_ new_node $node_($i)set ragent_($i) $node_($i) get-ragentset mac_(

6、$i) $node_($i) get-mac oj 4.1参数设置设置ns2中的网络参数，为了对设定的网络环境进行仿真，可以通过设置不同的参数 来实现。对于网络中不同的应用，町以设置移动节点的属性，通过设置energymodel来获取 节点的剩余能量值；设置cbr流量发生器产生网络数据流，并将其绑定到节点上，可以设 scbr的值，使其按照一个确定的速率产主数据，也可以设置不同的节点不同的数据发送 速率，不同速率可以通过对节点的参数interval进行设置实现。对网络规模的人小可以根据 用户的需要通过对网络中节点的数冃，网络场景的长宽尺寸等设置；配置节点能量模型，设 査节点接收发送数据包和节点在

7、闲置侦听状态下所消耗的能量值。配置移动节点的路径参数：为了対仿真结果进行分析，需要将仿真好的结果记录到trace 文件屮，打开节点的trace功能，设iff其小的参数：agenttrace示应用层的trace,记录应川 层数据包接受情况；routertrace表示路由的trace,记录路由层数据包传递悄况；mactrace表 示mac层的trace,在trace文件中用mac表示。设置完以上参数后，每次仿真就可以得到以血为后缀的trace文件，trace文件中记录了仿 真期间各层发生的事件，各个节点收发数据，能量消耗等情况。参数设置程序如下：-energymodel $opt(energymo

8、del) #能量模型idlepower o.35#待机功率rxpower 0.395 #接受功率txpower 0.66 #传输功率-initialenergy $opt(initialenergy)#总的能虽数set udp_(0) new agent/udp#新建一个udp agent赋值给udp_(0)$ns_ attach-agent $node_(0) $udp_(0)#绑定udp_(0)在node_(0)_tset null_(0) new agent/null#新建一个udp agent并赋值给 null_(0)$ns_ attach-agent $node_(expr $opt

9、(nn)-l j) $null_(0)$ns_ connect $udp_(0) $null_(0)set cbr_(0) new application/traffic/cbr$cbr_(0) set packetsize_ 100$cbr_(0) set interval. 1.0$cbr_(0) set random. 0$cbr_(0) attach-agent $udp_(0)4. 2协议的实现由于改进的协议ns-802.ll-mts.ee和ns-802.11-mts.h是在慕于竞争的802.11协议的基础 上继承而来,因此,修改ns-2.29/mac b mac-802_l 1 .

10、h和mac.h头文件。在在macsute枚举 类型中添加mts帧结构。由于ns2采用的是分裂对象模型，既可以用otcl对象也可以用c+程序进行修改，需 要修改协议的c+代码：mac802_l l:recv_hand() assert(pktrx_);assert(rx_state_=mac_recv|rx_state_=mac_coll);if(tx_activc_) packet: free(pktrx_);goto done; if( dh->dh_scontrol = sta_seqno_;) packet:free(pktrx_);sct_nav(uscc(phymib_.gct

11、eifs();goto done;)if(dst != (u_int32_t)index_) set_nav(mh->dh_duration);修改send函数，首先检杏是否有mts数据包，如果收到mts数据包，说明节点有数 据耍发送，数据发送成功。流程图如图1.3 发送完成图1.3数据发送检测流程图 函数程序如下:mac802_l l:send(packet *p, handler *h)double rtime;struct hdr_mac802_ll* dh = hdr_mac802_ll(p);energymodel *em = netif_->node()->ene

12、rgy_model();讦(em && em->sleep() em->set_node_sleep(0); em->set_node_state(energy model: inroute);callback_ = h;if(pkttx_ = 0)return -1;else scnddata(p);check_pktmts();timeout = txtime(pkttx_);settxstate(mac_send);if(mhwakeup_.status()=smac_send)startsend();else fprintf(stderr, “erro

13、rs');cxit(l);)对packet.h进行修改，在ns-allinone-2.29/ ns-2.29/ common文件夹卜，添加定义访问协议报头的指针：#dcfinc hdr_namac(p) (hdr_namac *)hdr_mac:acccss(p)增加na-mac包类型(协议标志)，所有的包类型都是pt_开头，如pt_tcp,pt_udp 等,在枚举类型enum packet_t中增加:pt_namac在类class p_info的构造函数添加标，忐，这样就可以通过协议标识寻找协议对应的字符 串：name_pt_namac=nnamach修改缺省类型,在*/ns-all

14、inone-2.29/ns-2.29/tcl/lib目录卜修改ns-lib.tcl文件，添加路由协议：simroute set ragent $sclf crcatc-simroutc-agcnt $nodc讦 $routingagent_ = "simroute" sragent port-dmux $node demuxjsnode instvar 11_sragent add-11 $ll_(0)sragent use-11 0在ns-mobilenode.tcl中添加ifq队列和trace对象:$mac ifq $ifq$mac trace-target $rcvt

15、讦 $imepflag != set rcvt ssclf mobility-trace rccv "mac" else set rcvt emu-trace reev "mac" $selfj$mac trace-target $rcvt绑定c卄和otcl。otcl对象屮调用对应的c+对象方法，ns是通过command () 函数实现的。将c+中新用到的方法添加到command ()方法中，使得otcl能够正常调 用，修改如下：else if(strcmp(argv 1 , "trace-target")=o) tracetarge

16、t_ = (nsobject*)tclobject:lookup(argv2);if(tracetarget_=o)return tcl_error;return tcl_ok; else if(strcmp(argvl, “ifq”)= 0) ifq = (priqueue*)tclobject:look up(argv2);if(ifq=o)return tcl_error;return tcl_ok; else if(strcmp(argvl, "level'1) = 0) level_ = atoi(argv2);mhwakeup_.sched(level_*recv

17、time+recvtime);return tcl_ok;-修改ns2的编译文件，以便对经过上述修改后的ns2重新进行编译，修改makefile文 件：mac/channel.o mac/mac.o mac/ll.o mac/mac-802_l 1-mts.o 建立模型z后，运行ns-2.29/mac/t的tel文件，1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1(zrihailli1 1 1 1 1 1 iie ilu1ii11ji 102):nj *丄rootl»l-l»ptop: /hortie/l»l/- 口 nam: out.namnarn console vl. 11io or夕朗臼口 *okb/s <okb/5£me yiews analysisout .hmm图1.4数据发送检测图由仿真结果可知，在不增大网络延迟的情况下，当网络负载较大时，在smac协 议中，数据包发送频率