畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議

1、 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）題目: 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)院專業(yè)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師姓名職稱設(shè)計(jì)(論文)題目無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時(shí)分復(fù)用方式的mac協(xié)議的研究題目分類1、工程實(shí)踐類 研究設(shè)計(jì)類理論分析類（1、2類中各選一項(xiàng)在內(nèi)打）2、軟件 硬件 軟硬結(jié)合 非軟硬件題目來(lái)源題目是否來(lái)源于科研項(xiàng)目 是 否主要任務(wù)及目標(biāo)：研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一類mac協(xié)議：基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議主要內(nèi)容：1 對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議以及基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議進(jìn)行綜述；2 學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件opnet；3 研究deana協(xié)議；4 研究trama協(xié)議； 5 對(duì)上述兩種協(xié)

2、議進(jìn)行比較，對(duì)其中之一進(jìn)行改進(jìn)或提出一種更有效的基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議；6 對(duì)改進(jìn)的結(jié)果或新提出的協(xié)議性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證；7 總結(jié)整個(gè)研究過(guò)程的收獲；8 翻譯兩篇最新的有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議研究的英文論文。主要參考文獻(xiàn)：1 akyildiz i f, su w, sankarasubramaniam y, cayirci e, “a survey on sensor networks”, ieee communications magazine, 2002, 40(8):102-114.2 bao l, garcial-luna-aceves j j, “a new approach to

3、channel access scheduling for ad hoc networks”, proc 7th annual intl conf on mobile computing and networking (mobicom 2001), rome, italy, july 16-21, 2001, 210-221.3 rajendran v, obraczka k, garcial-luna-aceves j j, “energy-efficient, collision-free periodic medium access control for wireless sensor

4、 networks”, proc 1st intl conf on embedded networked sensor systems (sensys03), november 2003, los angeles, ca, 181-192.4 孫利民等，“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”，清華大學(xué)出版社，2005。5 opnet online tutorial.進(jìn)度安排：2月中3月中，查閱文獻(xiàn)，編寫開(kāi)題報(bào)告，完成關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議以及基于時(shí)分復(fù)用mac協(xié)議的研究綜述并學(xué)習(xí)仿真軟件。3月中4月中，完成對(duì)deana以及trama協(xié)議的研究并進(jìn)行仿真，編寫中期報(bào)告。4月中5月中，對(duì)以上幾種mac協(xié)議之一進(jìn)行改

5、進(jìn)或提出新的基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議，完成仿真。5月中6月中，完成論文的最終稿以及翻譯，答辯。指導(dǎo)教師簽字日期2009年3 月10 日注：一式二份，學(xué)院、學(xué)生各一份。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯決議書學(xué)院學(xué)生姓名畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：（主要包含選題背景、意義；設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量；設(shè)計(jì)（論文）成果、價(jià)值、創(chuàng)見(jiàn)性；論文撰寫水平、文本規(guī)范程度；學(xué)生能力體現(xiàn)、工作量、工作態(tài)度；不足和希望等方面）指導(dǎo)教師評(píng)分(滿分40分)簽字日期 年 月 日答辯小組評(píng)語(yǔ)：（主要包含選題背景、意義；設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量；設(shè)計(jì)（論文）成果、價(jià)值、創(chuàng)見(jiàn)性；論文撰寫水平、文本規(guī)范程度；答辯準(zhǔn)備、陳述、回答問(wèn)題情況；不

6、足和希望等方面） 答辯小組評(píng)分： 組長(zhǎng)職稱： 簽字：(滿分60分) 成員職稱： 簽字： 成員職稱： 簽字： 成員職稱： 簽字： 成員職稱： 簽字： 年 月 日 注：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)由指導(dǎo)教師評(píng)分（滿分40分）和答辯小組評(píng)分（滿分60分）相加，得出百分制成績(jī)，再按100-90分為“優(yōu)”、89-80分為“良”、79-70分為“中”、69-60分為“及格”、60分以下為“不及格”的標(biāo)準(zhǔn)折合成五級(jí)分制成績(jī)。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信聲明本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），題目無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致

7、謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。本人簽名： 日期： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議研究摘 要在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問(wèn)控制mac協(xié)議決定無(wú)線信道的使用方式，在節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線通信資源。mac協(xié)議處于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有重要作用，是保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議重點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)使用帶寬的公平性，提高帶寬的利用率以及增加網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，而傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)

8、議所注重的因素正好反序，所以，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要研究和提出新的適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議。本文首先對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)做了系統(tǒng)的介紹，隨后總結(jié)了傳感器網(wǎng)絡(luò)中mac協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足的一些要求，并對(duì)現(xiàn)有的mac協(xié)議按照基于競(jìng)爭(zhēng)和基于十分復(fù)用的原則分成兩類進(jìn)行介紹，重點(diǎn)介紹基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議。然后重點(diǎn)研究了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于時(shí)分復(fù)用的兩種典型協(xié)議deana和trama協(xié)議。通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件opnet對(duì)上述兩種協(xié)議進(jìn)行仿真比較。經(jīng)過(guò)仿真可知，和其他一些協(xié)議相比，deana協(xié)議可以節(jié)省大約95%的能量。但是deana協(xié)議要求相當(dāng)高的時(shí)間同步精度。關(guān)鍵詞無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

9、mac協(xié)議opnet網(wǎng)絡(luò)仿真工作the research of wireless sensor networks mac protocol based on tdmaabstractin wireless sensor networks, the medium access control (mac) protocol decided the access of the wireless channel and the allocation of the wireless communication resources among the nodes. as the bottom founda

10、tion of wireless sensor networks, mac plays an important role in sensor network. it is one of the crucial protocols which guarantee the efficiency of the wireless sensor network communication.the mac protocol of the traditional network focuses on the fairness of the use of bandwidth, improving the b

11、andwidth utilization ratio and increasing the real-time of the network. but what the sensor network focuses on is different from the traditional network. therefore traditional mac protocols cannot be applied efficiently to wsns, many new mac protocols which are adequate for wsns need to be discussed

12、 and proposed.in this paper, we first introduce the wireless sensor network briefly. next we summarize the requirements we need to design the mac protocols for sensor network. we mainly introduced the mac protocols based on tdma after introduced two types of mac protocols -contention-based mac proto

13、cols and tdma-based mac protocols. after that we focus on deana and trama, two tdma-based mac protocols. at the end, opnet was used to compare the performance of the two protocols.using the simulation result, we find out that deana can achieve significant energy savings (up to 95%).but it calls for

14、very high accuracy of time synchronization.key words wsn mac protocols opnet目錄第一章 引言11.1 課題研究背景及意義1第二章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述32.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念32.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)32.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)42.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu)42.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征62.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用7第三章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議93.1概述93.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議設(shè)計(jì)原則93.2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要能耗93.2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議設(shè)計(jì)93.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac

15、協(xié)議研究現(xiàn)狀103.3.1基于競(jìng)爭(zhēng)的mac協(xié)議103.3.2基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議113.3.3 mac協(xié)議研究進(jìn)展11第四章 基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議134.1基于分簇網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議134.2 deana協(xié)議134.3 trama協(xié)議15第五章 使用opnet實(shí)現(xiàn)deana協(xié)議的仿真205.1網(wǎng)絡(luò)仿真軟件opnet簡(jiǎn)介：205.2 opnet仿真步驟215.3 opnet modeler主要特性215.4使用opnet對(duì)deana協(xié)議進(jìn)行仿真225.4.1 節(jié)點(diǎn)模型的搭建225.4.2進(jìn)程模型的搭建245.4.3 仿真環(huán)境介紹265.4.4 仿真結(jié)果27第六章 總結(jié)29參考文獻(xiàn)30致謝3

16、2第一章 引言1.1 課題研究背景及意義無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks,簡(jiǎn)稱wsn）是由部署在監(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(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者，使得人們能在任何時(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下都能獲得大量詳實(shí)而可靠的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其具有易擴(kuò)展、自組織、分布式結(jié)構(gòu)、健壯性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，能夠廣泛地應(yīng)用在軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶救救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等諸多領(lǐng)域。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，已引起全世界

17、各國(guó)學(xué)術(shù)界、軍事部門、商界和工業(yè)界的極大關(guān)注。自2001年開(kāi)始，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（defense advanced research projects agency,darpa）把智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)研究，以求獲得所謂戰(zhàn)區(qū)“超視覺(jué)”數(shù)據(jù)。2002年8月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)nsf資助4000萬(wàn)美元在ucla成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心，聯(lián)合各高校展開(kāi)“嵌入式智能傳感器”項(xiàng)目進(jìn)行研究，以求利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理世界實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)測(cè)與控制，這也是美國(guó)國(guó)情咨文中有關(guān)ngi最主要的遠(yuǎn)景規(guī)劃之一。日本、英國(guó)、意大利、巴西等國(guó)家也對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開(kāi)了該領(lǐng)域的研究工作。我國(guó)在傳感器網(wǎng)絡(luò)方

18、面的研究工作還很少，啟動(dòng)我國(guó)在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，特別是面向國(guó)防的應(yīng)用研究，以提高國(guó)防軍事信息化的水平及爭(zhēng)取未來(lái)信息戰(zhàn)中的主動(dòng)權(quán)，不僅具有重要社會(huì)與經(jīng)濟(jì)意義，也具有十分長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問(wèn)控制（medium access control, mac）協(xié)議決定了無(wú)線信道的使用方式，通過(guò)在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線通信資源來(lái)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。mac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(wú)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。本文共分五章：第一章為緒論部分，主要介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、課題背景、發(fā)展?fàn)顩r以及本文的工作內(nèi)容和組織結(jié)

19、構(gòu)；第二章主要分析了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)，總結(jié)了現(xiàn)有的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)、應(yīng)用和特征。第三章主要就現(xiàn)有的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的各種mac協(xié)議和算法進(jìn)行了對(duì)比和分析，總結(jié)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議的共有特點(diǎn)以及不同網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議間的不同之處。為后面的深入研究無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的mac奠定了基礎(chǔ)。第四章主要介紹了使用的仿真平臺(tái)：網(wǎng)絡(luò)仿真軟件opnet，并略述在opnet中實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)仿真的工作。第五章針對(duì)分布式能量感知節(jié)點(diǎn)活動(dòng)（distributed energy-aware node activation, deana），進(jìn)行了分析和仿真，證明了算法的有效性。最后對(duì)所作的工作進(jìn)行了總結(jié)和未來(lái)工作的展望

20、。第二章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念隨著無(wú)線通信、微電子機(jī)械制造技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks, wsns) 引起了人們的廣泛關(guān)注.。wsns 由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)， 大量集成有感知、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信及能量供應(yīng)模塊的微型傳感器節(jié)點(diǎn)所組成。在目標(biāo)入侵監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、生物醫(yī)療、搶險(xiǎn)救災(zāi)以及工業(yè)加工過(guò)程的監(jiān)控等領(lǐng)域，wsns 都具有廣闊的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多在空間上分布的自動(dòng)裝置組成的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這些裝置使用傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染物）

21、。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）、和管理節(jié)點(diǎn)。圖2-1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 如上圖所示：傳感器節(jié)點(diǎn)散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)“多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)也可以用同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)直接與internet或通信衛(wèi)星相連，通過(guò)internet或通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)（即觀察者）與傳感器之間的通信。2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)需要自組織(ad hoc)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。盡管已有許多ad hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和算法，但并不能夠滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。

22、具體來(lái)說(shuō)，相對(duì)于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下一些特色，需要在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中特殊考慮1。(1) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目高出ad hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這就對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性提出了要求。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目多開(kāi)銷大，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯一的地址標(biāo)識(shí)，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相對(duì)于一般網(wǎng)絡(luò)而言，有很大的簡(jiǎn)化。此外，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)眾多，因此，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的價(jià)格對(duì)于整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本而言非常重要。(2) 自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)就是能量受限。傳感器節(jié)點(diǎn)受環(huán)境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及各層協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)能是設(shè)

23、計(jì)的主要考慮目標(biāo)之一。(3) 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的環(huán)境的特殊性、無(wú)線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受損的概率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此自組織網(wǎng)絡(luò)的健壯性保障是必須的以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的損壞不會(huì)影響到全局任務(wù)的進(jìn)行。(4) 傳感器節(jié)點(diǎn)高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快，對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維護(hù)也提出了挑戰(zhàn)。上述這些特點(diǎn)使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有別于傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò)，并在當(dāng)前的一些體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的嘗試中得到了突出的表現(xiàn)。2.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡相同，但一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這4部分組成(見(jiàn)圖1)。根據(jù)具體應(yīng)用需求，還可能會(huì)有定位系統(tǒng)以確

24、定傳感節(jié)點(diǎn)的位置，有移動(dòng)單元使得傳感器可以在待監(jiān)測(cè)地域中移動(dòng)，或具有供電裝置以從環(huán)境中獲得必要的能源。此外，還必須有一些應(yīng)用相關(guān)部分，例如，某些傳感器節(jié)點(diǎn)有可能在深?；蛘吆５?，也有可能出現(xiàn)在化學(xué)污染或生物污染的地方，這就需要在傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上采用一些特殊的防護(hù)措施。圖2-2傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)2.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu)根據(jù)以上特性，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計(jì)適應(yīng)自身特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)具有二維結(jié)構(gòu)(如圖2-3所示)，即橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理

25、層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層，而網(wǎng)絡(luò)管理面則可以劃分為能耗管理面、移動(dòng)性管理面以及任務(wù)管理面。管理面的存在主要是用于協(xié)調(diào)不同層次的功能以求在能耗管理、移動(dòng)性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設(shè)計(jì)。圖2-3傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu) 1、物理層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無(wú)線、紅外或者光介質(zhì)。例如，在微塵項(xiàng)目中，使用了光介質(zhì)進(jìn)行通信。還有使用紅外技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，它們都需要在收發(fā)雙方之間存在視距傳輸通路。而大量的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基于射頻電路，本文主要探討這類傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)推薦使用免許可證頻段(ism)。在物理層技術(shù)選擇方面，環(huán)境的信號(hào)傳播特性、物理層技術(shù)的能耗是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

26、傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型信道屬于近地面信道，其傳播損耗因子較大。并且天線高度距離地面越近，其損耗因子就越大，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)的不利因素。然而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些內(nèi)在特征也有有利于設(shè)計(jì)的方面，例如，高密度部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分集特性，可以用來(lái)克服陰影效應(yīng)和路徑損耗。目前低功率傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)仍然有許多未知領(lǐng)域需要深入探討。2、數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測(cè)、媒體接入和差錯(cuò)控制。數(shù)據(jù)鏈路層保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的連接。(1)媒體接入控制在無(wú)線多跳ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，媒體訪問(wèn)控制(mac)層協(xié)議主要負(fù)責(zé)兩個(gè)職能。其一是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立。因?yàn)槌汕先f(wàn)個(gè)傳感器節(jié)

27、點(diǎn)高密度地分布于待測(cè)地域，mac層機(jī)制需要為數(shù)據(jù)傳輸提供有效的通信鏈路，并為無(wú)線通信的多跳傳輸和網(wǎng)絡(luò)的自組織特性提供網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)。其二是為傳感器節(jié)點(diǎn)有效合理地分配資源。藍(lán)牙和移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)可能是最接近傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。然而藍(lán)牙采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用集中式分配的時(shí)分復(fù)用機(jī)制，這對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要經(jīng)常調(diào)整的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)并不有利。傳統(tǒng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)的mac層協(xié)議強(qiáng)調(diào)在移動(dòng)條件下提供較好的服務(wù)質(zhì)量(qos)保證，節(jié)電并非其考慮的主要因素，因此，也不能夠照搬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。(2)差錯(cuò)控制數(shù)據(jù)鏈路層的另一個(gè)重要功能是傳輸數(shù)據(jù)的差錯(cuò)控制。在通信網(wǎng)中有兩種重要的差錯(cuò)控制模式分別是前向差

28、錯(cuò)控制(fec)和自動(dòng)重傳請(qǐng)求(arq)。在多跳網(wǎng)絡(luò)中arq的使用由于重傳的附加能耗和開(kāi)銷而很少使用。既便是使用fec方式，也只有低復(fù)雜度的循環(huán)碼被考慮到，而其他的適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的差錯(cuò)控制方案仍處在探索階段。3、網(wǎng)絡(luò)層傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高密度地分布于待測(cè)環(huán)境內(nèi)或周圍。在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和接收器節(jié)點(diǎn)之間需要特殊的多跳無(wú)線路由協(xié)議。傳統(tǒng)的ad hoc網(wǎng)絡(luò)多基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。而為增加路由可達(dá)度，并考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)并非很穩(wěn)定，在傳感器節(jié)點(diǎn)多數(shù)使用廣播式通信，路由算法也基于廣播方式進(jìn)行優(yōu)化。此外，與傳統(tǒng)的ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別考慮能耗的問(wèn)題?；诠?jié)能的路由

29、有若干種，如最大有效功率(pa)路由算法，即選擇總有效功率最大的路由，總有效功率可以通過(guò)累加路由上的有效功率得到。最小能量路由算法，該算法選擇從傳感器節(jié)點(diǎn)到接收器傳輸數(shù)據(jù)消耗最小能量的路由。基于最小跳數(shù)路由：在傳感器節(jié)點(diǎn)和接收機(jī)之間選擇最小跳數(shù)的節(jié)點(diǎn)。以及基于最大最小有效功率節(jié)點(diǎn)路由，即算法選擇所有路由中最小有效功率最大的路由。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)特色還體現(xiàn)在以數(shù)據(jù)為中心。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個(gè)區(qū)域的某個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的值，而不會(huì)去關(guān)心具體某個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點(diǎn)的物理地址聯(lián)系起來(lái)的，以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過(guò)程，快速有效的組織起各

30、個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。4、傳輸層傳感器網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源都十分有限，而且通常數(shù)據(jù)傳輸量并不是很大。這樣，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，是否需要傳輸層是一個(gè)問(wèn)題。最為熟知的傳輸控制協(xié)議(tcp)是一個(gè)基于全局地址的端到端傳輸協(xié)議，而對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，tcp設(shè)計(jì)思想中基于屬性的命名對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性并沒(méi)有太大的必要性，而數(shù)據(jù)確認(rèn)機(jī)制也需要大量消耗存儲(chǔ)器，因此合適于傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議會(huì)更類似于udp協(xié)議。2.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征wsns 網(wǎng)絡(luò)是一種特定的ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)自組織成網(wǎng)絡(luò)，不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施。 與wsns 網(wǎng)絡(luò)最為相似的是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(m

31、obile ad hoc networks, manet)， 盡管二者都是無(wú)線自組織多跳網(wǎng)絡(luò)，具有相似之處， 但差異很大。1、自組織性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)向監(jiān)測(cè)區(qū)域隨機(jī)拋撒大量的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)部署網(wǎng)絡(luò)的，各節(jié)點(diǎn)間通過(guò)自我協(xié)調(diào)、自我配置組成網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法依靠其他輔助設(shè)施或是認(rèn)為手段來(lái)配置網(wǎng)絡(luò)。由于能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素的影響，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)損壞，導(dǎo)致一些節(jié)點(diǎn)不能正常工作，也有一些節(jié)點(diǎn)為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測(cè)精度而補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)就動(dòng)態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動(dòng)態(tài)地變化。這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)的自組織能力來(lái)適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。2、動(dòng)態(tài)拓?fù)湓趥鞲?/p>

32、器網(wǎng)絡(luò)的是使用過(guò)程中，有以下幾種原因造成傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變：新節(jié)點(diǎn)的加入；環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效；傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性；環(huán)境條件變化可能造成無(wú)線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時(shí)通。3、以應(yīng)用為導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。其硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都有很大差別。針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。4、多跳路由節(jié)點(diǎn)受通信距離、功率控制或節(jié)能的限制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)無(wú)法與網(wǎng)關(guān)直接通信時(shí)，需要由

33、其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)完成數(shù)據(jù)的傳輸，因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路由是多跳的。2.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；趍ems的微傳感技術(shù)和無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。1. 軍事應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，因此非常適合在軍事上的應(yīng)用。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，可以通過(guò)飛機(jī)撒播等形式將大量廉價(jià)的傳感器密集地部署在人員不便到達(dá)的觀察區(qū)域。如敵方陣地，收集到有用的機(jī)密數(shù)據(jù)；在個(gè)別或一部分傳感器節(jié)點(diǎn)因?yàn)樵馄茐牡仍蚴r(shí)，傳感器

34、網(wǎng)絡(luò)仍然能夠依靠自組織性完成貫徹任務(wù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)眾多優(yōu)點(diǎn)可適應(yīng)于以下幾種軍事應(yīng)用：監(jiān)測(cè)人員、裝備等情況以及單兵系統(tǒng)；監(jiān)測(cè)敵軍進(jìn)攻；評(píng)估戰(zhàn)果；核能、生物、化學(xué)攻擊的偵查。2. 環(huán)境應(yīng)用 應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有部署簡(jiǎn)單、便宜、長(zhǎng)期不需要更換電池、無(wú)需派人現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)密集的節(jié)點(diǎn)布置，可以觀察到微觀的環(huán)境因素，為環(huán)境研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了嶄新的途徑3 。(1) 農(nóng)業(yè)環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。各種環(huán)境因素包括水、電、熱、光等，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非常地重要，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)有效地監(jiān)測(cè)這些環(huán)境因素，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)沫h(huán)境控制，可以提高農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)的程度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜性，降低設(shè)備的成本，有效

35、地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和效果。(2) 自然災(zāi)害的預(yù)防。在一些容易發(fā)生泥石流、滑坡等自然災(zāi)害的地方，使用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及時(shí)、長(zhǎng)期地對(duì)這些地方的地形變化、各種環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治?，?dāng)災(zāi)難將要發(fā)生時(shí)，我們就可以提前發(fā)出預(yù)警報(bào)告以做好準(zhǔn)備或采取相應(yīng)措施防止它們進(jìn)一步的發(fā)生。(3) 火災(zāi)、化學(xué)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集。對(duì)于一些人類不適宜進(jìn)入的但又必須對(duì)其環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合，例如火災(zāi)、含有大量對(duì)人體有害的化學(xué)物質(zhì)的場(chǎng)合，在其中部署一組無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以讓我們知道這些場(chǎng)合的實(shí)時(shí)情況，并做出正確的決策，減少災(zāi)難造成的損失或者有效地收集到化學(xué)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境變化數(shù)據(jù)，進(jìn)行有效的分析和研究。(4) 生態(tài)環(huán)境的監(jiān)

36、測(cè)4。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境逐漸被更多人所關(guān)注，從研究到保護(hù)都需要掌握大面積地域中的大量數(shù)據(jù)，甚至有些勘測(cè)區(qū)域人類無(wú)法觸及，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多特征正好適應(yīng)了這樣一種需求。例如在非洲不發(fā)達(dá)地區(qū)，每年都有大量的人因?yàn)榛魜y以及其他經(jīng)由水污染的疾病死去，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，采集并分析這些受污染地區(qū)的飲用水質(zhì)量，并作出相應(yīng)的保護(hù)措施，這樣，才能減少受災(zāi)的人數(shù)。3. 企業(yè)、家庭監(jiān)控。在企業(yè)、家庭布設(shè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控人員的流動(dòng)和環(huán)境的變化，有利于企業(yè)、家庭采取有效的安全防護(hù)措施和災(zāi)難應(yīng)變措施。4. 醫(yī)療應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域也有一些成功實(shí)例。ssim（smart sensors an

37、d integrated microsystems）項(xiàng)目中，100個(gè)微型傳感器被植入病人眼中5，從而幫助盲人獲得了一定程度的視覺(jué)。借助于各種醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們可以享受到更方便更舒適的醫(yī)療服務(wù)。5. 建筑及城市管理 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測(cè)建筑物的健康狀況，不僅成本低廉，而且能解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)布線復(fù)雜、線路老化、易受損壞等問(wèn)題。斯坦福大學(xué)提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建筑物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)由evk915模塊和adxl210加速度傳感器構(gòu)成，簇首節(jié)點(diǎn)由proxim rangellan2無(wú)線調(diào)制器和evk915連接而成。第三章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議3.1概述無(wú)線傳感器

38、網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,wsns)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn),涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域,有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究,其中,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)就是關(guān)鍵技術(shù)之一,目前的研究重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,而在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中,mac(medium access control)協(xié)議是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的重要協(xié)議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)明顯不同的性能特點(diǎn)和技術(shù)要求,傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議無(wú)法應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò),各種針對(duì)特定傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的mac協(xié)議相繼提出。在以下幾節(jié)中，本文歸納無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議的設(shè)計(jì)原則和分類方法,分析當(dāng)前典型的各類mac

39、協(xié)議的主要機(jī)制,詳細(xì)比較這些協(xié)議的特點(diǎn)、性能差異和應(yīng)用范圍。3.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議設(shè)計(jì)原則3.2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要能耗為了分析和評(píng)價(jià)mac 協(xié)議的能量有效性, 需要分析是哪些因素導(dǎo)致了能量損耗. wsns 網(wǎng)絡(luò)中造成能量浪費(fèi)的主要因素有以下幾個(gè)方面67：1、空閑偵聽(tīng)(idle listening) 節(jié)點(diǎn)不能預(yù)知他的鄰居節(jié)點(diǎn)何時(shí)傳輸數(shù)據(jù)給自己，因此節(jié)點(diǎn)的射頻模塊需要一直保持為接收模式，就造成了節(jié)點(diǎn)能量的大量消耗。這是能量浪費(fèi)的主要因素。2、沖突重傳(collision and retransmission) 節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，在競(jìng)爭(zhēng)共享的無(wú)線信道中，可能會(huì)引起多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間發(fā)

40、送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗，這就浪贊了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)上的能量，然后需要重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而消耗節(jié)點(diǎn)更多的能量。3、串音(overhearing) 數(shù)據(jù)包是在共享的無(wú)線信道中傳輸，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)接收并處理不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)包，此時(shí)，會(huì)造成節(jié)點(diǎn)的無(wú)線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量。4、控制消息 mac協(xié)議首部包括一些控制信息，如rts/cts/ack，節(jié)點(diǎn)發(fā)送這些控制信息需要消耗一定的能量。傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊的狀態(tài)包括發(fā)送、接收、偵聽(tīng)和休眠四種狀態(tài)，目前的mac協(xié)議在降低功耗方面主要集中在增加節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間，減少節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的偵聽(tīng)。3.2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

41、域現(xiàn)有的ad hoc網(wǎng)絡(luò)有很大的區(qū)別，導(dǎo)致已有網(wǎng)絡(luò)中的許多技術(shù)并不能直接應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議的主要目標(biāo)是節(jié)能和自組織，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)的公平和時(shí)延是次要的。為了建立可靠穩(wěn)定的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac層協(xié)議時(shí)需要著重考慮以下5個(gè)方面：1、降低能耗。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本特征就是能量受限，mac層協(xié)議要盡可能地節(jié)約能源，如減少?zèng)_突和串音、降低占空比和盡量避免長(zhǎng)距離通信。協(xié)議中還應(yīng)該包括折中機(jī)制，使用火可用在節(jié)能和提高吞吐量、降低延遲之間做出選擇。另外，設(shè)計(jì)協(xié)議時(shí)應(yīng)該注意能量不是隨時(shí)可用的，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可能處于睡眠狀態(tài)或者由于不可知的原因死亡。傳統(tǒng)的mac層協(xié)議

42、的設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大化吞吐量、最小化時(shí)延并且提供公平性。而為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的mac層協(xié)議關(guān)注的是最小化能耗，這就決定了它要適度地減小吞吐量和增加時(shí)延。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)總是協(xié)作完成某應(yīng)用任務(wù)，所以公平性通常不是主要問(wèn)題。另外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些典型應(yīng)用（如戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)跟蹤）也對(duì)其mac層協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了不同于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求。2、實(shí)時(shí)性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被應(yīng)用于軍事、醫(yī)療等對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的領(lǐng)域，及時(shí)地檢測(cè)、處理和傳遞信息是其不可缺少的要求。mac層應(yīng)和其他層合作提供實(shí)時(shí)保證。3、自組織性。由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)分布等在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存過(guò)程中不斷變化，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也經(jīng)常變化，節(jié)點(diǎn)位

43、置可能移動(dòng)，考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，節(jié)點(diǎn)的加入與退出使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑蕜?dòng)態(tài)變化。mac層協(xié)議應(yīng)該具有可擴(kuò)展性以適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。4、分布式。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力有限，需要眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成某應(yīng)用任務(wù)，所以mac層協(xié)議應(yīng)該運(yùn)行分布式的算法，這也是有效避免某些節(jié)點(diǎn)的死亡造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓的需要。5、網(wǎng)絡(luò)性能。mac層協(xié)議的設(shè)計(jì)需要在各種性能間取得平衡，各性能間的平衡往往比單個(gè)性能的表現(xiàn)更重要。因?yàn)橐粋€(gè)不平衡的協(xié)議即使在實(shí)驗(yàn)室里表現(xiàn)好，也可能在實(shí)際環(huán)境中表現(xiàn)很差。比如，一個(gè)協(xié)議如果太頻繁地關(guān)閉無(wú)線收發(fā)裝置來(lái)節(jié)能，不僅使實(shí)時(shí)性和可靠性受到影響，包丟失引起的重傳也會(huì)反

44、過(guò)來(lái)影響節(jié)能的效果。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)針對(duì)不同的應(yīng)用顯示出了不同的網(wǎng)絡(luò)特性，mac層協(xié)議應(yīng)該能適應(yīng)不同應(yīng)用的各種流量模式。3.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議研究現(xiàn)狀mac層是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧中的一個(gè)重要層次，它實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和節(jié)能。節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)放置后，mac層協(xié)議實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間鏈路的建立，保證所有節(jié)點(diǎn)可以公平、有效地利用有效的帶寬。另外，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能也由mac層實(shí)現(xiàn)。目前研究者已經(jīng)提出了很多mac層設(shè)計(jì)的建議方案，大致可以劃分為以下幾類。3.3.1基于競(jìng)爭(zhēng)的mac協(xié)議基于無(wú)線信道隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式的mac協(xié)議采用按需使用信道的方式，主要思想就是當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式占用無(wú)線信道，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)生

45、沖突時(shí)，按照某種策略(如ieee802.11 mac協(xié)議8的分布式協(xié)調(diào)工作模式dcf采用的是二進(jìn)制退避重傳機(jī)制)重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或徹底放棄發(fā)送數(shù)據(jù)。由于在ieee802.11 mac協(xié)議基礎(chǔ)上，研究者們提出了多個(gè)適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于競(jìng)爭(zhēng)的mac協(xié)議。主要有ieee 802.11 mac層協(xié)議、s-mac協(xié)議以及在s-mac基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的t-mac協(xié)議。3.3.2基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議 時(shí)分復(fù)用(tdma)機(jī)制就是為每個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)隙，而節(jié)點(diǎn)在其他空閑時(shí)隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠節(jié)能狀態(tài)。相比隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制，時(shí)分復(fù)用方式本身就更能節(jié)省能量，是實(shí)現(xiàn)信道分配的簡(jiǎn)

46、單成熟機(jī)制，因?yàn)闊o(wú)線電波的工作時(shí)間縮短，而且沒(méi)有任何競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的開(kāi)銷和沖突。如藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)就是采用的典型tdma的mac協(xié)議。3.3.3 mac協(xié)議研究進(jìn)展由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大應(yīng)用前景，其研究正逐步受到各國(guó)研究人員的重視。作為citris（center of information technology research in the interest of society）計(jì)劃的一部分，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的環(huán)境工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)家們采用傳感器網(wǎng)絡(luò)，讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠自身感覺(jué)并意識(shí)到它們本身的狀況，使得安裝了傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑自動(dòng)告訴管理部門它們的狀態(tài)信息，并且能夠自動(dòng)按照優(yōu)先級(jí)來(lái)進(jìn)行

47、一系列自我修復(fù)工作。在我國(guó)，清華大學(xué)，北京郵電大學(xué)，中科院研究所等也開(kāi)始對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，并取得了一些初步進(jìn)展。下面簡(jiǎn)單介紹一下國(guó)內(nèi)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議的研究成果：1. zheng tao 等人提出了p-mac9協(xié)議（pattern-mac）,該協(xié)議主要思想是：用一串二進(jìn)制字符來(lái)代表某一節(jié)點(diǎn)所處的模式信息（pattern information）調(diào)整睡眠與工作時(shí)間。該協(xié)議在節(jié)能方面性能優(yōu)于s-mac和t-mac，但該算法主要適用于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化頻率不大的情況。2. venkatesh rajendran等人提出的flama協(xié)議10，該協(xié)議通過(guò)防止空閑偵聽(tīng)，數(shù)據(jù)碰撞，并且不將數(shù)據(jù)傳送給

48、一個(gè)還未準(zhǔn)備好接好數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量高效。經(jīng)過(guò)仿真顯示，flama在節(jié)省能量和可靠性方面都比其他一些協(xié)議有優(yōu)越性。3. 仇兆存提出的crmac協(xié)議11。該協(xié)議將節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間分離為信道預(yù)約時(shí)間和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間。在信道預(yù)約時(shí)間里，有數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)發(fā)送預(yù)定信道幀通知多跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，確定節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間框架。在數(shù)據(jù)傳送時(shí)間里，只有需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)被喚醒，而其他節(jié)點(diǎn)保持睡眠狀態(tài)。4. 岳宇君等提出的基于生成樹(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議st-mac12。該協(xié)議以匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)組成的生成樹(shù)。st-mac采用tdma接入方式，其固有的低工作周期提高了網(wǎng)絡(luò)性能。性能分析和實(shí)

49、驗(yàn)結(jié)果表明：相對(duì)s-mac，st-mac在能量節(jié)省和時(shí)延方面有較好的效果。5. katayoun sohrabi等人提出了smacs協(xié)議和ear協(xié)議13。該協(xié)議主要用于靜止的節(jié)點(diǎn)之間連接的建立，而對(duì)于靜止節(jié)點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的通訊，則需要通過(guò)ear協(xié)議進(jìn)行管理。smacs協(xié)議負(fù)責(zé)系統(tǒng)啟動(dòng)后自組網(wǎng)，ear協(xié)議負(fù)責(zé)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入控制。smacs使用無(wú)中心信道分配策略，ear協(xié)議在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入方面對(duì)smacs協(xié)議進(jìn)行了補(bǔ)充。但是該協(xié)議不能完全避免碰撞，多個(gè)節(jié)點(diǎn)在協(xié)商過(guò)程中可能同時(shí)發(fā)出“邀請(qǐng)”消息或應(yīng)答消息，從而出現(xiàn)沖突。在可擴(kuò)展性方面，ear協(xié)議可以為變化慢的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供持續(xù)的服務(wù)。但并不適用于拓?fù)浣Y(jié)

50、構(gòu)變化較快的傳感器網(wǎng)絡(luò)。第四章 基于時(shí)分復(fù)用的mac協(xié)議時(shí)分復(fù)用（time division multiple access,tdma）是實(shí)現(xiàn)信道分配的簡(jiǎn)單成熟的機(jī)制。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用tdma機(jī)制，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)。tdma機(jī)制的特點(diǎn)非常適合傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的需求：tdma機(jī)制沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的碰撞重傳問(wèn)題；數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不需要過(guò)多的控制信息；節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)槽能夠及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。tdma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。下面介紹幾個(gè)典型的tdma協(xié)議。4.1基于分簇網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議基于分簇結(jié)構(gòu)的無(wú)

51、線傳感器網(wǎng)絡(luò)，arisha k a等提出了基于tdma(energy-awaretdma)機(jī)制的能量感知的分簇網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議。根據(jù)功能的差異，分簇網(wǎng)絡(luò)主要由三類節(jié)點(diǎn)組成：簇成員節(jié)點(diǎn)(又叫感知節(jié)點(diǎn))、簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。其中節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)又分為四種：感應(yīng)(sensing)、轉(zhuǎn)發(fā)(relaying)、感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)(sensing and relaying)和非激活(inactive)狀態(tài)。感應(yīng)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并向鄰居發(fā)送。轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)時(shí)節(jié)點(diǎn)接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。處于感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)需要完成上面兩種功能。如果節(jié)點(diǎn)無(wú)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送則自動(dòng)進(jìn)入非激活狀態(tài)。此外，該協(xié)議將時(shí)間幀分為

52、周期性的四個(gè)階段，以更好地適應(yīng)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化。a) 數(shù)據(jù)傳輸階段。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在各自分配時(shí)隙內(nèi)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)給簇頭。b) 更新階段。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)向簇頭報(bào)告其當(dāng)前狀態(tài)。c) 更新引起的重組階段。在更新階段之后簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，重新給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙。d) 事件觸發(fā)的重組階段。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)或節(jié)點(diǎn)能量低于特定值等事件發(fā)生時(shí)，簇頭就要重新分配時(shí)隙。e) 該協(xié)議在更新和重組階段都需重新分配時(shí)隙，才能適應(yīng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化。這樣要求簇頭節(jié)點(diǎn)有較強(qiáng)的計(jì)算和通信能力，能耗也較大，因此如何合理選擇簇頭節(jié)點(diǎn)是設(shè)計(jì)該類mac協(xié)議的一個(gè)至關(guān)重要的關(guān)鍵問(wèn)題。4.2 deana協(xié)議分布式能量感

53、知節(jié)點(diǎn)活動(dòng)（distributed energy-aware node activation,deana）14協(xié)議將時(shí)間幀分為周期性的調(diào)度訪問(wèn)階段和隨機(jī)訪問(wèn)階段。調(diào)度訪問(wèn)階段由多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)槽組成，某個(gè)時(shí)槽分配給特定節(jié)點(diǎn)用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。除相應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)外，其他節(jié)點(diǎn)在此時(shí)槽處于睡眠狀態(tài)。隨機(jī)訪問(wèn)階段由多個(gè)連續(xù)的信令交換時(shí)槽組成，用于處理節(jié)點(diǎn)的添加、刪除以及時(shí)間同步等。為了進(jìn)一步節(jié)省能量，在調(diào)度訪問(wèn)部分中，每個(gè)時(shí)槽又細(xì)分為控制時(shí)槽和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)槽。控制時(shí)槽相對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)槽而言長(zhǎng)度很短。如果節(jié)點(diǎn)在其分配的時(shí)槽內(nèi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則在控制時(shí)槽發(fā)出控制消息，指出接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，然后在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)槽發(fā)送數(shù)據(jù)

54、。在控制時(shí)槽內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)都處于接收狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)自己不是數(shù)據(jù)的接受者，節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入睡眠狀態(tài)，只有數(shù)據(jù)的接受者才在整個(gè)時(shí)槽內(nèi)保持在接收狀態(tài)。這樣就能有效減少節(jié)點(diǎn)接收不必要的數(shù)據(jù)。deana協(xié)議的時(shí)間幀分配如圖所示。圖4- deana協(xié)議的時(shí)間幀分配 如果在當(dāng)前傳輸時(shí)槽的勝利者是節(jié)點(diǎn)a的一跳鄰居中，那么將節(jié)點(diǎn)a在控制時(shí)槽設(shè)置為接收模式。如果在控制時(shí)槽，節(jié)點(diǎn)a被選為接收者，那么在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)槽仍然將a設(shè)置為接收模式，或者將其設(shè)為待命模式。如果在當(dāng)前傳輸時(shí)槽的勝利者是在節(jié)點(diǎn)a的兩跳鄰居中，那么在整個(gè)傳輸時(shí)槽中將a設(shè)為睡眠模式。 如果節(jié)點(diǎn)a是當(dāng)前傳輸時(shí)槽的勝利者，并且有數(shù)據(jù)包需要傳送，那么將節(jié)點(diǎn)a設(shè)定為傳輸

55、模式，在控制時(shí)槽中，通知所有潛在接收者，然后在數(shù)據(jù)時(shí)槽傳輸數(shù)據(jù)包。如果節(jié)點(diǎn)a是當(dāng)前傳輸時(shí)槽的勝利者，但是沒(méi)有數(shù)據(jù)包需要傳送，那么在整個(gè)傳輸時(shí)槽將a設(shè)為待命模式。在一個(gè)數(shù)據(jù)傳送時(shí)槽內(nèi)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗分析如下：為了更細(xì)致地分析，現(xiàn)在先引入幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的術(shù)語(yǔ)：n:節(jié)點(diǎn)的兩跳鄰居數(shù)量n:節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居數(shù)量q:信道接入概率p:被選中節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要傳送的概率p:一個(gè)節(jié)點(diǎn)被它的一跳鄰居選擇為接收者的概率p:在傳送模式的平均能耗p:在接收模式的平均能耗p:在待命模式的平均能耗p:從模式x轉(zhuǎn)到模式y(tǒng)需要的能耗信道接入概率q是指節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)槽內(nèi)被選為勝利者的概率。我們假設(shè)節(jié)點(diǎn)是獨(dú)立的，并且是節(jié)點(diǎn)的兩跳鄰居數(shù)量n2函數(shù)，并且我們假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都有相同的兩跳鄰居數(shù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，會(huì)消耗一定得能量。以下是狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)能量消耗的公式： p=（p+p）式(4-1) p= p式(4-2)p=(p+p)/2式(4-3)p= p式(4-4)p=( p+ p)/2式(4-5)p= p式(4-6)由上述式子可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)從高能耗的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低能耗狀態(tài)時(shí)所消耗的能量為兩者的平均值，反之，所消耗的能量等于高能耗狀態(tài)所消耗的能量。根據(jù)上述分析，deana協(xié)議的主要缺點(diǎn)在于，頻繁的廣播模式轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致不必要的能量消耗。4.3 trama協(xié)議流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(wèn)(traffic adaptiv