（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中異步mac和仿真系統(tǒng)的研究.pdf

碩士學(xué)位論文 摘要 隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，提高網(wǎng)絡(luò)的能量有效性成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 和研究的關(guān)鍵，m a c 協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)能量有效性有重要影響。網(wǎng)絡(luò)仿真作為一種實(shí)驗(yàn)手段， 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、節(jié)點(diǎn)功能、部署環(huán)境、 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等因素不能滿足研究課題所需的條件時(shí)，仿真能為我們提供強(qiáng)有力的幫助和研 究支撐。本文主要從基于異步通信模式的m a c 協(xié)議和仿真系統(tǒng)的開發(fā)展開研究，主要 工作如下： 一、以低功耗異步通信模塊硬件構(gòu)架的可行性為基礎(chǔ)，提出異步通信模式的概念。 針對(duì)異步模式可能帶來的對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議及整體性能的影響，設(shè)計(jì)了一種采用 周期性喚醒睡眠、局部時(shí)鐘同步、交互確認(rèn)a c k 等機(jī)制的異步m a c 協(xié)議。其中根據(jù) 傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)的相關(guān)性和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需求，設(shè)計(jì)了順序喚醒和交錯(cuò)喚醒兩種不同的機(jī) 制。通過系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證該協(xié)議能在低速率網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中獲取高能量有效性。 二、結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的仿真系 統(tǒng)。該系統(tǒng)以c + + 為底層語言，增強(qiáng)了系統(tǒng)仿真效率，提高了網(wǎng)絡(luò)仿真規(guī)模；采用層結(jié) 構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的分層和各層功能行為定義，節(jié)點(diǎn)各層的相互獨(dú)立使模塊代 碼復(fù)用率大大提高；該系統(tǒng)集成了傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗、時(shí)延和丟包統(tǒng)計(jì)模型，并采用后臺(tái) 數(shù)據(jù)庫支持技術(shù)，增強(qiáng)了仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和處理能力：支持配置文件和仿真文件的 脫平臺(tái)運(yùn)行，具有很好的可移植性。最后通過三個(gè)仿真實(shí)例驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有建?？?、 重構(gòu)有效、功能完整、真實(shí)可靠的特點(diǎn)。 關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：異步通信；介質(zhì)訪問控制協(xié)議；仿真系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中異步m a c 和仿真系統(tǒng)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 眥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 鉚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 鋤 s i m u i a t i o n l i 碩 ：學(xué)位論文 插圖( 附表) 索引 圖2 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)4 圖2 2 傳感器節(jié)點(diǎn)6 圖2 3 傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗情況7 圖2 4 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧8 圖3 1 基于分簇的t d m am a c 協(xié)議1 2 圖3 2d e a n a 協(xié)議的時(shí)i 日j 幀分配1 3 圖3 3s m a c 協(xié)議的虛擬簇1 4 圖3 4s m a c 和t - m a c 的基本機(jī)制1 5 圖3 5t - m a c 協(xié)議的基本數(shù)據(jù)交換1 6 圖3 6t m a c 協(xié)議的早睡問題一1 6 圖3 7 事件調(diào)度器工作過程1 8 圖3 8 構(gòu)件庫類( 部分) 一1 9 圖3 9 在n s 中c + + 和o t c l 對(duì)象的映射2 0 圖4 1 異步通信模式2 3 圖4 。2 異步傳感器節(jié)點(diǎn)模塊一2 4 圖4 3 異步m a c 協(xié)議2 5 圖4 4 異步通信模式中的時(shí)間不規(guī)則性2 6 圖4 。5 口對(duì)時(shí)間段分配的影響2 8 圖4 6 相同顏色的節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)時(shí)間窗口進(jìn)行喚醒一2 9 圖4 7 交互確認(rèn)a c k 機(jī)制3 l 圖4 8s i n k 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的接收率3 2 圖4 9 平均能耗一3 3 圖4 1 0 傳輸延時(shí)3 3 圖5 1 仿真系統(tǒng)框架3 6 圖5 2 節(jié)點(diǎn)層結(jié)構(gòu)示意圖3 7 圖5 3 延時(shí)統(tǒng)計(jì)示意圖3 9 圖5 4 仿真系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)類結(jié)構(gòu)4 1 圖5 5 數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)圖4 2 圖5 6 離散事件隊(duì)列4 2 圖5 7 節(jié)點(diǎn)建模流程4 3 圖5 8 仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D一4 4 圖5 9 網(wǎng)格式虛擬簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4 5 圖5 。1 0 數(shù)據(jù)報(bào)生成示意圖4 6 圖5 1 1 簇頭數(shù)據(jù)處理4 6 圖5 1 2 系統(tǒng)能耗顯示4 7 表4 1 異步m a c 仿真參數(shù)3 2 表5 1 耗電事件電流準(zhǔn)值3 8 表5 2 數(shù)據(jù)庫字段4 0 表5 3 通信模型物理參數(shù)一4 4 1 1 1 湖南大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的 研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均 已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 、 巧世 日期：少諺年彩月，】7 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保 留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借 閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行 檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 l 、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 2 、不保密口。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“ ) 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 黼瑚 孜 記伽 碩士學(xué)位論文 1 1 研究背景及意義 第1 章緒論 微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和無限通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了低功耗多功能傳感器的快 速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信等多種功能。無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)( w i r e l e s ss e n s o rn e t 、o r k ，w s n ) 由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器 節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)協(xié)作式感知、采集和處 理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息數(shù)據(jù)，并根據(jù)特定方式發(fā)送給觀察者。傳感器、感 知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。如果說i n t e m e t 構(gòu)成了邏輯上的信息世 界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客 觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。人們可以通過傳感器網(wǎng)絡(luò) 直接感知客觀世界，從而極大地?cái)U(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識(shí)世界的能力。美國(guó)商業(yè) 周刊在預(yù)測(cè)未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為2 1 世紀(jì)最有影響力的2 1 項(xiàng)技 術(shù)之一和改變世界的十大技術(shù)之一，同時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)又被視為全球未來的三大高科技產(chǎn) 業(yè)之一。 傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能夠廣泛應(yīng)用于軍事國(guó)防、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、 健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車 間和倉庫管理，以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全檢測(cè)等領(lǐng)域【lj 。以環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng) 為例，傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況、家畜的環(huán)境狀況和地表 狀況等。傳感器也可用來監(jiān)測(cè)降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測(cè)山洪爆發(fā)的可 能性。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)全新的研究 領(lǐng)域，在基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)兩個(gè)層面向科研工作者提出了大量帶有挑戰(zhàn)性的研究課 題。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大應(yīng)用價(jià)值，引起了世界上軍事界、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān) 注，其中美國(guó)國(guó)防部和各軍事部門較早啟動(dòng)了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。美國(guó)陸軍近年來確立 了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信計(jì)劃”、“戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)”、“無人值守地面?zhèn)鞲?器群”等多個(gè)項(xiàng)目，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)了解戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，獲取更廣闊視野，幫助制定戰(zhàn) 斗行動(dòng)方案。在工業(yè)界，瑞士a b b 和法國(guó)c o r o n i ss y s t e m s 等公司已經(jīng)采用無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)器品質(zhì)，美國(guó)d e s e r tm o u n t a i n 公司利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)調(diào)控高爾夫球場(chǎng)的 自來水灌溉。據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司o nw o r l d 近期發(fā)布的一份報(bào)告，預(yù)計(jì)到2 0 1 1 年，世界市場(chǎng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與服務(wù)將飛升至約4 6 億美元，比現(xiàn)在增長(zhǎng)5 億美元。美國(guó)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“智能塵埃、m o t e 已進(jìn)入應(yīng)用測(cè)試。 此外，美國(guó)英特爾公司、美國(guó)微軟公司等工業(yè)界巨頭也開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的工作， 設(shè)立或啟動(dòng)了相應(yīng)的研究計(jì)劃。在學(xué)術(shù)界，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中異步m a c 和仿真系統(tǒng)的研究 分校、斯坦福大學(xué)、南加州大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)都有研究小組在從事傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的 研究1 2 曲j ，加拿大、英國(guó)、德國(guó)、日本和意大利等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)也紛紛進(jìn)入該研究領(lǐng) 域。 我國(guó)現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國(guó)家同步啟動(dòng)，首次正式 出現(xiàn)于1 9 9 9 年中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研 究報(bào)告”中，作為該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大項(xiàng)目之一，其名稱為：重點(diǎn)地區(qū)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、 預(yù)警和決策支持示范系統(tǒng)。隨后，國(guó)內(nèi)的一些科研單位和大學(xué)，如清華大學(xué)、中科院寧 波計(jì)算所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等逐步開展了在傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作，取 得了較多研究成果。近年來，我國(guó)的國(guó)家自然科學(xué)基金、8 6 3 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 和9 7 3 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃連續(xù)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究 進(jìn)行了資助，加快了國(guó)內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)程【7 - l 。湖南大學(xué)也在國(guó)內(nèi)較早開展 了傳感器網(wǎng)絡(luò)路由、m a c 協(xié)議以及定位等技術(shù)的研究，并在相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議和專業(yè)期刊上 發(fā)表一批高質(zhì)量論文【l2 m 】?？傮w上來講，國(guó)內(nèi)對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還處于剛剛起步的 階段，但是由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興的技術(shù)，及時(shí)開展對(duì)該項(xiàng)前沿科技的研究，對(duì)社 會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將有重大的戰(zhàn)略意義。 介質(zhì)訪問控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的 一個(gè)熱點(diǎn)問題。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量、存儲(chǔ)、計(jì)算和通信帶寬等資源有限，在設(shè)計(jì)無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的m a c 協(xié)議時(shí)，需要著重考慮以下幾個(gè)方面的問題：( 1 ) 節(jié)省能量。傳感 器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)一般是以干電池、紐扣電池等提供能量，而且電池能量通常難以進(jìn)行補(bǔ)充， 尤其是當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在戰(zhàn)場(chǎng)、森林等惡劣環(huán)境時(shí)。為了長(zhǎng)時(shí)間保證傳感器網(wǎng)絡(luò)的 有效工作，m a c 協(xié)議在滿足應(yīng)用要求的前提下，應(yīng)盡量節(jié)省使用節(jié)點(diǎn)的能量；( 2 ) 可擴(kuò) 展性。由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)分布密度等在傳感器網(wǎng)絡(luò)生存過程中不斷變化，節(jié)點(diǎn) 位置可能移動(dòng)，還有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的問題，所以m a c 協(xié)議應(yīng)具有可擴(kuò)展性，以應(yīng)對(duì)無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性；( 3 ) 網(wǎng)絡(luò)效率。網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時(shí)性、 網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。因此區(qū)別于傳統(tǒng)的a d - h o c 網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約能量成為傳感器網(wǎng) 絡(luò)m a c 協(xié)議設(shè)計(jì)首要考慮的因素。目前針對(duì)不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，研究人員已經(jīng)提出 了多種m a c 協(xié)議，主要分為時(shí)分復(fù)用和隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)兩大類。 與此同時(shí)，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)數(shù)多、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不確定 性的特點(diǎn)，以及日趨復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)方案和協(xié)議，使網(wǎng)絡(luò)仿真成為傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重 要支撐。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真能夠在一個(gè)可控制的環(huán)境里仿真數(shù)量眾多的節(jié)點(diǎn)，觀察由不 可預(yù)測(cè)的干擾和噪聲引起的節(jié)點(diǎn)間的相互作用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由、m a c 層可能引發(fā)的 安全、傳輸漏洞，獲取節(jié)點(diǎn)工作細(xì)節(jié)，從而提高節(jié)點(diǎn)投放后的網(wǎng)絡(luò)成功率，減少投放后的 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作。因此，如何選擇或開發(fā)一種具有高可靠性、高性能的仿真工具成為無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)研究人員面臨的一個(gè)難題。 本文以國(guó)家高技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目( 8 6 3 ) 異步無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)壓縮關(guān)鍵技術(shù)為 2 碩士學(xué)位論文 背景，圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)m a c 協(xié)議和仿真工具展開研究。 1 2 研究?jī)?nèi)容 本文圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中m a c 協(xié)議和仿真工具的開發(fā)展開研究，主要包括以下兩 個(gè)方面的內(nèi)容： ( 1 ) 分析了目前傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的兩類m a c 協(xié)議，根據(jù)能量有效性的需要，提出一種新 的異步通信架構(gòu)。該架構(gòu)允許發(fā)送節(jié)點(diǎn)直接向睡眠中的接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收節(jié) 點(diǎn)通過特定的模塊進(jìn)行接收并緩存數(shù)據(jù)，從而使得節(jié)點(diǎn)保持一種存儲(chǔ)一轉(zhuǎn)發(fā)的異步工 作模式。這種新的異步通信架構(gòu)需要特殊的硬、軟件支持，如低功耗的無源式接收 模塊。針對(duì)這種異步通信架構(gòu)，本文分析其可能帶來的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)的時(shí)間 不規(guī)則性等問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)采用允許單個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而無需狀態(tài)同 步的睡眠喚醒、局部時(shí)鐘同步和交互確認(rèn)a c k 等多種機(jī)制的異步m a c 協(xié)議。系統(tǒng) 仿真表明該異步m a c 機(jī)制在低速率網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景中，很好地降低了網(wǎng)絡(luò)能耗。 ( 2 ) 本文充分認(rèn)識(shí)到網(wǎng)絡(luò)仿真對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要性。針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真工 具在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)、節(jié)點(diǎn)級(jí)行為定義等方面力不能及的狀況， 本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于m o b i l 時(shí)f r a m e w o r k 的仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì) 思路，集成能量、時(shí)延和沖突丟包統(tǒng)計(jì)模型，具備數(shù)據(jù)庫后臺(tái)支持，提高了仿真規(guī) 模、仿真效率和可靠性。 1 3 論文結(jié)構(gòu) 全文主要包括五章和一個(gè)總結(jié)與展望部分，具體安排如下： 第一章，緒論。介紹了本研究課題的背景和研究意義，闡述了主要研究?jī)?nèi)容，給出 本文的章節(jié)安排。 第二章，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述。介紹了傳感器網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)和傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，分 析其特征，指出了傳感器網(wǎng)絡(luò)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 第三章，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)m a c 和仿真工具現(xiàn)狀。介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中m a c 協(xié) 議和網(wǎng)絡(luò)仿真工具的研究現(xiàn)狀，分析了基于時(shí)分復(fù)用和隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)兩類m a c 協(xié)議，以及 目前經(jīng)常被采用的幾種網(wǎng)絡(luò)仿真工具。 第四章，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)異步m a c 協(xié)議的研究。本節(jié)提出了一種異步通信架構(gòu)， 設(shè)計(jì)基于該架構(gòu)的異步m a c 協(xié)議，闡述該協(xié)議所采用的原理與機(jī)制，最后用一個(gè)仿真 實(shí)例說明該協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。 第五章，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種新的仿真系統(tǒng)，闡 述了其仿真原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)過程，通過仿真實(shí)例驗(yàn)證仿真性能。 總結(jié)與展望部分對(duì)論文所做的工作進(jìn)行全面總結(jié)，并對(duì)后續(xù)研究工作進(jìn)行展望。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中異步m a c 和仿真系統(tǒng)的研究 第2 章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通 信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)協(xié)作式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知 對(duì)象的信息數(shù)據(jù)，并根據(jù)特定方式發(fā)送給觀察者1 5 】。 2 1 傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。傳感器節(jié)點(diǎn)通過人工放置或飛機(jī)撒播等方法部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，以自組織方式構(gòu)成 網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸，在傳輸過程中可能被多個(gè) 節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過 管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理、發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)具有較弱處理、存儲(chǔ)和通信能力的嵌入式系統(tǒng)。區(qū)別于傳統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)具有終端和路由的雙重功能，在實(shí)施監(jiān)測(cè)、發(fā)送自身的 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)的同時(shí)，還需要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù) 進(jìn)行存儲(chǔ)、融合等處理，并將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)一步地轉(zhuǎn)發(fā)。匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ) 能力和通信能力都比較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與i n t e m e t 等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議之間 的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并將收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。 匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與 計(jì)算資源，也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。 征： 圖2 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)梅【1 5 】 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測(cè)、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有明顯的網(wǎng)絡(luò)特 l 、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) 為了獲取精確信息，在監(jiān)測(cè)區(qū)域通常密集部署了大量傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大 4 碩士學(xué)位論文 規(guī)模性主要包括兩方面的含義：是傳感器節(jié)點(diǎn)分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如原始森林 等等；另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集，在一個(gè)面積不是很大的空間內(nèi)密集部署大量 節(jié)點(diǎn)。大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，可以降低或消除節(jié)點(diǎn)失效帶來的監(jiān)測(cè)盲區(qū)等問題，提高系 統(tǒng)的容錯(cuò)性能；通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量 的采集信息能夠提高監(jiān)測(cè)的精確度，降低對(duì)單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的精度要求。 2 、自組織網(wǎng)絡(luò) 由于部署的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可能達(dá)到成千上萬，甚至更多，且監(jiān)測(cè)區(qū)域可能是人員難以到 達(dá)或者是極其危險(xiǎn)的區(qū)域，如災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)等。傳感器節(jié)點(diǎn)很難逐個(gè)放置在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，常 常通過飛機(jī)撒播或炮彈發(fā)射等形式部署，因此傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié) 點(diǎn)之間的相關(guān)鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道。傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)配置和管理，通過拓?fù)淇刂?機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 3 、動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò) 在大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會(huì)因下列因素而發(fā)生變 化：( 1 ) 物理破壞或電池能量耗盡會(huì)導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效；( 2 ) 無線通信鏈 路帶寬或信號(hào)干擾也會(huì)造成節(jié)點(diǎn)之間的通信時(shí)斷時(shí)通；( 3 ) 新節(jié)點(diǎn)的加入；( 4 ) 節(jié)點(diǎn)在 監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)。 4 、應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，如軍事應(yīng)用、環(huán)境觀測(cè)、智能家居等等。不同的 應(yīng)用背景對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，因此對(duì)應(yīng)的硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也存在很大的差別。 如草皮的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)要求傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)草皮的濕度信息，橋梁的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求傳感 器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)橋梁承受的壓力和應(yīng)變。針對(duì)每一個(gè)具體的應(yīng)用要求，研究設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò) 硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。 5 、以數(shù)據(jù)為中心【l6 j 的網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之 間呈動(dòng)態(tài)關(guān)系，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒有必然聯(lián)系。傳感器網(wǎng)絡(luò)報(bào)告監(jiān)測(cè)事件或 用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)僅需要將所關(guān)心的事件匯報(bào)給用戶，而并 不關(guān)心哪個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到事件。 由上可見，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的特點(diǎn)使其明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無線 a d - h o c 網(wǎng)絡(luò)【1 7 】，已有的研究成果很難直接應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此需要研究新的硬 件技術(shù)和設(shè)計(jì)新的協(xié)議，使其更好的適應(yīng)于不同應(yīng)用要求，得到更高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng) 用系統(tǒng)。 2 2 傳感器節(jié)點(diǎn) 無線傳感器節(jié)點(diǎn)由四個(gè)基本模塊組成，分別為傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā) 模塊和能量供應(yīng)模塊1 5 】。處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中異步m a c 和仿真系統(tǒng)的研究 采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。傳感器模塊由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)子模塊組 成。傳感器將測(cè)到的物理量，如溫度、濕度、光強(qiáng)度、壓力等，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。模數(shù) 轉(zhuǎn)換器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。目前實(shí)驗(yàn)室部署的比較多的 是美國(guó)c r o s s b o wt e c h n o l o g y 公司生產(chǎn)的m i c a 2 節(jié)點(diǎn)和通過擴(kuò)展方式帶有的傳感板 m t s 3 0 0 c b ，板上載有光照、溫度和聲音等多種傳感器，如圖2 2 所示。無線收發(fā)模塊通 過無線通信與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，如收發(fā)傳感數(shù)據(jù)以及交換控制消息等。 能量供應(yīng)模塊為節(jié)點(diǎn)的各個(gè)單元提供能量，通常采用干電池。 ( a ) 無線通信模塊( b ) 傳感板 圖2 2 傳感器節(jié)點(diǎn) 雖然隨著嵌入式計(jì)算技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)、無線通信技術(shù)、電池技術(shù)等的進(jìn)步，傳感器 節(jié)點(diǎn)的通信能力、數(shù)據(jù)處理能力逐步提高，電池容量進(jìn)一步加大。然而，由于受節(jié)點(diǎn)體 積、成本等多方面的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)仍然存在以下條件 約束： l 、電源能量有限 傳感器節(jié)點(diǎn)體積較小，攜帶的電池能量十分有限。例如，使用較多的鋰離子和鋅電 池，能量密度大約分別為3 0 0m w h c m 3 、1 5 0 0 m w h c m 3 ，也就是說lc m 3 的鋰離子電池或 鋅電池僅能支持w i n s 節(jié)點(diǎn)保持活躍狀態(tài)的時(shí)間分別為0 4 個(gè)小時(shí)和2 個(gè)小時(shí)。由于傳感器 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較多，且常常部署在人難以到達(dá)的區(qū)域，逐個(gè)對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)更換電池來補(bǔ)充能量 難以實(shí)現(xiàn)。為了克服能量難以補(bǔ)充的缺陷，已有學(xué)者開始研究傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我能量收 集技術(shù)和電池?zé)o線充電技術(shù)。目前如何通過能量節(jié)省來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期仍然是傳感 器網(wǎng)絡(luò)的首要挑戰(zhàn)。 傳感器節(jié)點(diǎn)消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。如圖2 3 所示，隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量 消耗在無線通信模塊上。傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)要比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更消耗電能，傳輸l 比 特信息l o o m 距離需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3 0 0 0 條計(jì)算指令消耗的能量。 6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中異步m a c 和仿真系統(tǒng)的研究 物理層提供簡(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)； 數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問和差錯(cuò)控制； 網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生產(chǎn)與路由選擇； 傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分； 應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件。 圖2 4 ( b ) 所示的協(xié)議棧細(xì)化并改進(jìn)了原始模型。定位和時(shí)間同步子層既依賴于數(shù)據(jù) 傳輸通道進(jìn)行協(xié)作定位和時(shí)間同步協(xié)商，同時(shí)又要為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持，因此 呈倒l 型結(jié)構(gòu)。右邊的諸多機(jī)制一部分融入到各層協(xié)議中，用以優(yōu)化和管理協(xié)議流程， 另一部分獨(dú)立在協(xié)議外層，通過各種收集和配置接口對(duì)相應(yīng)機(jī)制進(jìn)行配置和監(jiān)控。如能 量管理融入每個(gè)協(xié)議層中；拓?fù)淇刂评梦锢韺?、路由層完成拓?fù)渖桑催^來又為他 們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化m a c 協(xié)議和路由協(xié)議，提高效率，減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗：網(wǎng) 絡(luò)管理則要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，定時(shí)收集協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控 制網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)組件的運(yùn)行。 2 4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 圖2 4 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧【1 5 】 ( b ) 傳感器網(wǎng)絡(luò)可以部署在人不能長(zhǎng)期駐守的區(qū)域或者人難以到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域，長(zhǎng)期 的、不間斷的監(jiān)測(cè)人們感興趣的物理信息或事件，并及時(shí)匯報(bào)給管理節(jié)點(diǎn)。它具有廣泛 的應(yīng)用前景，如軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、災(zāi)難救助、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài) 監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理、地下水管檢測(cè)以及礦井的安全監(jiān)測(cè) 等領(lǐng)域l l 鄴引，其發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)給人類的生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響。 2 4 1 軍事應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、成本低、隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，非 8 一一禹 碩士學(xué)位論文 常適合在軍事上的利用。部署在敵方區(qū)域后，能夠近距離地收集敵方的戰(zhàn)場(chǎng)信息，如敵 方兵力和裝備、地形、生物化學(xué)攻擊時(shí)有毒氣體的濃度等，準(zhǔn)確地幫助制定作戰(zhàn)方案。 傳感器節(jié)點(diǎn)成本低，可以廣泛地撒播到敵方區(qū)域。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，體積較小，隱蔽 性強(qiáng)，一旦被部署下去，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地分布在敵方區(qū)域，敵方采用物理破壞的方式就難以 發(fā)揮作用。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有高容錯(cuò)性，敵方即使損壞一部分節(jié)點(diǎn)，或通過信號(hào)干擾等手 段使一部分節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效，剩下的節(jié)點(diǎn)也會(huì)自組織地形成網(wǎng)絡(luò)。 2 4 2 環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng) 由于監(jiān)測(cè)的環(huán)境區(qū)域通常是一個(gè)很大的地理區(qū)域，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)森林環(huán)境、水污染等環(huán) 境變化的方法往往依賴于頻繁的巡邏檢查和昂貴的硬件設(shè)備。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法相比， 傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可以節(jié)約大量的人力資源，把人從這些煩悶的工作中解脫出來，更加及 時(shí)、更為準(zhǔn)確地匯報(bào)環(huán)境的變化情況，而且拓寬了環(huán)境監(jiān)測(cè)所涉及的范圍，如災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)、 有毒化學(xué)氣體的泄露區(qū)域和野生動(dòng)物的棲息地等f 2 0 ，2 8 ，2 9 1 。 環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要由以下三部分組成：傳感器基站，分布網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)集中式 的數(shù)據(jù)處理中心，其中數(shù)據(jù)處理中心用來處理傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。c o 砌e 是傳 感器網(wǎng)絡(luò)俄勒岡衛(wèi)生科學(xué)海岸和路緣區(qū)域研究中心部署在哥倫比亞河河口的傳感器網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)，由1 3 個(gè)固定的基站和1 個(gè)在河岸邊漂移的基站組成，目的是幫助引導(dǎo)船只通 行和進(jìn)行預(yù)測(cè)。a l e r t 【2 3 】是美國(guó)國(guó)家氣象局早在7 0 年代就已經(jīng)啟動(dòng)的研究計(jì)劃，通過 裝置多種傳感器用來監(jiān)測(cè)降雨量、河床水位信息，依此預(yù)測(cè)爆發(fā)洪水的可能性。傳感器 網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)的很多方面都可以得到有效的利用，其中在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用就 非常典型。加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系、i n t e l 實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院聯(lián)合在大鴨島上部 署了一個(gè)多層次的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用來監(jiān)測(cè)島上海燕的生活習(xí)性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還 可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的 成分等。 2 4 3 建筑物狀態(tài)監(jiān)控 微弱地震、長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷的壓力和不完善的修補(bǔ)常常給大樓、橋梁和其他建筑物帶 來一些安全隱患，如一些潛在的裂縫、局部區(qū)域負(fù)荷過大等，若不及時(shí)修補(bǔ)，可能會(huì)發(fā) 生建筑物突然坍塌、人員傷亡的慘劇。用傳統(tǒng)方法檢查，如后續(xù)測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，往往要 將該建筑物關(guān)閉數(shù)月，帶來一定的不利影響。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是智能建筑物的感知系統(tǒng)， 可以彌補(bǔ)視覺檢查和后續(xù)測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，能夠讓大建筑物自我感覺并且意識(shí)到本 身的狀態(tài)，并向管理部門報(bào)告自身的狀態(tài)信息，指導(dǎo)他們進(jìn)行一系列的修復(fù)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 首次提出采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)建筑物狀態(tài)。從 那以后，很多研究者開始研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在建筑物狀態(tài)監(jiān)控上的應(yīng)用。香港科技大 學(xué)的倪明選教授和他的研究團(tuán)隊(duì)在青馬大橋裝置了幾百個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，讓大橋能夠自身 感覺并意識(shí)到它們本身的狀況。斯坦福大學(xué)電氣工程師、現(xiàn)任密西根大學(xué)教授的j e r o m e 9 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中異步m a c 和仿真系統(tǒng)的研究 l y n c h 在美國(guó)新墨西哥的a l a m o s ac a n y o n 大橋和韓國(guó)利川的g e u m d a n g 大橋上安裝結(jié)構(gòu) 狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些橋梁的遠(yuǎn)程監(jiān)控。除了橋梁、建筑之外，建筑物狀態(tài)監(jiān)控 系統(tǒng)也可以用來監(jiān)測(cè)太空船、武器、有軌車輛、采油設(shè)備、管道、裝甲車、輪船、風(fēng)力 渦輪機(jī)、核電站，甚至氫動(dòng)力汽車燃料箱的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。 2 4 4 其他方面的應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)用于煤礦的安全生產(chǎn)中。近年來，隨著對(duì)煤炭需求的高速增長(zhǎng)， 煤炭工業(yè)也得到很大發(fā)展，但是煤礦重大、特大事故時(shí)有發(fā)生，仍未實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害事故的 有效控制。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以準(zhǔn)確判定井下生產(chǎn)作業(yè)人員的受困位置、遇險(xiǎn)人 員撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測(cè)情況以及及時(shí)準(zhǔn)確地制定救援方案【33 ，3 4 】。同時(shí)，也可以利 用傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)煤礦的井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)可能出現(xiàn)的瓦斯事故進(jìn)行預(yù)警， 將包括瓦斯?jié)舛群途伦鳂I(yè)人員等多種屬性的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)顯示在電子地圖上。 傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于空間探索【2 4 1 。借助于航天器在外星體上撤播一些傳感器節(jié) 點(diǎn)，可以對(duì)星球表面進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。這種方式成本很低，節(jié)點(diǎn)體積小，相互之間可 以通信，也可以和地面站進(jìn)行通信。 傳感器能夠應(yīng)用在家居中。在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與 i n t e m e t 連接在一起，將會(huì)為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。利 用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可完成對(duì)家電的遠(yuǎn)程遙控，例如可以在回家之前半小時(shí)打開空調(diào)，在 回家的時(shí)候就可以直接享受適合的室溫。 l o 碩士學(xué)位論文 第3 章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)m a c 和仿真工具現(xiàn)狀 3 1 引言 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，m a c 協(xié)議決定無線信道的訪問方式，分配有限的無線通信 資源，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層結(jié)構(gòu)。m a c 協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分， 對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之 一。目前對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)m a c 協(xié)議的研究已經(jīng)有了一定的成果，提出了多種技術(shù)的 m a c 協(xié)議，例如s m a c 協(xié)議、t m a c 協(xié)議和p a m a s 協(xié)議等【3 6 1 。網(wǎng)絡(luò)仿真能夠在一個(gè) 可控制的環(huán)境里仿真數(shù)量眾多的節(jié)點(diǎn)，觀察由不可預(yù)測(cè)的干擾和噪聲引起的節(jié)點(diǎn)間的相 互作用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由、m a c 層可能引發(fā)的安全、傳輸漏洞，獲取節(jié)點(diǎn)工作細(xì)節(jié)， 從而提高節(jié)點(diǎn)投放后的網(wǎng)絡(luò)成功率，減少后期的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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】。 本節(jié)將分為兩部分，一方面詳細(xì)描述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域?qū) a c 協(xié)議的研究狀況， 介紹幾種較為成熟的m a c 協(xié)議【i5 1 ，分析其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)狀況；另一方面介紹無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)研究中普遍采用的幾種仿真工具，陳述仿真原理與仿真性能。 3 2m a c 協(xié)議研究現(xiàn)狀 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)終端相比，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量、存儲(chǔ)、計(jì)算和通信帶寬等資源有限，單 個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能較弱。因此，在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的m a c 協(xié)議時(shí)，需著重考慮能量損 耗、可擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)效率等性能指標(biāo)，其中節(jié)約能量成為首要考慮的因素。經(jīng)過大量實(shí) 驗(yàn)和理論分析，科研人員發(fā)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可能造成網(wǎng)絡(luò)能量損耗的主要原因包括 如下幾個(gè)方面”習(xí)： ( 1 )碰撞重傳。如果m a c 協(xié)議采用競(jìng)爭(zhēng)方式使用共享的無線信道，節(jié)點(diǎn)在發(fā) 送數(shù)據(jù)的過程中可能會(huì)引起多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，這就需要 重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而消耗更多能量； ( 2 )串音( o v e r h e a r i n g ) 。節(jié)點(diǎn)接收并處理不必要的數(shù)據(jù)，造成節(jié)點(diǎn)的無線接收 模塊和處理器模塊消耗更多的能量： ( 3 )空閑偵聽( i d l el i s t e n i n g ) 。過度的空閑偵聽同樣會(huì)造成大量的能量損耗： ( 4 )在控制節(jié)點(diǎn)之間的信道分配時(shí)，如果控制消息過多，也會(huì)消耗較多的節(jié)點(diǎn) 能量。 針對(duì)以上原因并結(jié)合不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，研究人員提出了不同的m a c 協(xié)議，主 要分為采用無線信道的時(shí)分復(fù)用方式和采用無線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式兩類： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中異步m a c 和仿真系統(tǒng)的研究 3 2 1 時(shí)分復(fù)用方式 時(shí)分復(fù)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 ) 是實(shí)現(xiàn)信道分配的簡(jiǎn)單成熟的機(jī)制， 其基本思想就是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)槽，而節(jié)點(diǎn)在其他空閑 時(shí)槽內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，t d m a 機(jī)制沒有碰撞重傳問題，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不 需要過多的控制信息，且節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)槽能及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，因而非常適合傳感器網(wǎng) 絡(luò)節(jié)省能量的需求。然而，t d m a 機(jī)制需要節(jié)點(diǎn)之間比較嚴(yán)格的時(shí)間同步，時(shí)間同步是 傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要求：多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)都是用了偵聽睡眠的能量喚醒機(jī)制，利用時(shí)間 同步來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)化；節(jié)點(diǎn)之間為了完成任務(wù)需要協(xié)同工作，這同樣不可避 免地需要時(shí)間同步。此外，t d m a 機(jī)制很難調(diào)整時(shí)間幀的長(zhǎng)度和時(shí)槽的分配，對(duì)于傳感 器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、節(jié)點(diǎn)失效等動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性較差，對(duì)于節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量的變化 也不