畢業(yè)論文---無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時分復用的mac協(xié)議

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）</p><p>　　題目: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時分復用的MAC協(xié)議</p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書</p><p>　　注：一式二份，學院、學生各一份。</p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯決議書</p><p>　　注：畢業(yè)設(shè)計（論文）成績

2、由指導教師評分（滿分40分）和答辯小組評分（滿分60分）相加，得出百分制成績，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”的標準折合成五級分制成績。</p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信聲明</p><p>　　本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），題目《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時分復用的MAC協(xié)議》是本人在指導教師的

3、指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。</p><p>　　申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關(guān)責任。</p><p>　　本人簽名： 日期：

4、 </p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時分復用的MAC協(xié)議研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問控制MAC協(xié)議決定無線信道的使用方式，在節(jié)點之間分配有限的無線通信資源。MAC協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有重要作用，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)

5、鍵協(xié)議之一。</p><p>　　傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議重點考慮節(jié)點使用帶寬的公平性，提高帶寬的利用率以及增加網(wǎng)絡(luò)的實時性，而傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)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。</p><p>　　本文首先對于無線傳感器網(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)計應該滿足的

6、一些要求，并對現(xiàn)有的MAC協(xié)議按照基于競爭和基于十分復用的原則分成兩類進行介紹，重點介紹基于時分復用的MAC協(xié)議。然后重點研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于時分復用的兩種典型協(xié)議——DEANA和TRAMA協(xié)議。通過使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET對上述兩種協(xié)議進行仿真比較。</p><p>　　經(jīng)過仿真可知，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)議要求相當高的時間同步精度。</p&g

7、t;<p>　　關(guān)鍵詞　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)　MAC協(xié)議　OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工作</p><p>　　The Research of Wireless Sensor Networks MAC Protocol Based on TDMA</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In wireless s

8、ensor 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 foundation of wireless sensor

9、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.</p><p>　　The MAC protocol of the tradi

10、tional network focuses on the fairness of the use of bandwidth, improving the bandwidth utilization ratio and increasing the real-time of the network. But what the sensor network focuses on is different from the traditio

11、nal network. Therefore traditional MAC protocols cannot be applied efficiently to WSNs, many new MAC protocols which are adequate for WSNs need to be discussed and proposed.</p><p>　　In this paper, we first

12、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

13、 MAC protocols -------contention-based MAC protocols 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 pr

14、otocols.</p><p>　　Using the simulation result, we find out that DEANA can achieve significant energy savings (up to 95%).But it calls for very high accuracy of time synchronization.</p><p>　　KEY

15、 WORDS WSN MAC protocols OPNET</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　第一章 引言1</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及意義1</p><p>　　第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述3</p>

16、<p>　　2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念3</p><p>　　2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能結(jié)構(gòu)4</p><p>　　2.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu)4</p><p>　　2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征6</p><p>　　2.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

17、的應用7</p><p>　　第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議9</p><p><b>　　3.1概述9</b></p><p>　　3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計原則9</p><p>　　3.2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要能耗9</p><p>　　3.2.2無線傳感器網(wǎng)

18、絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計9</p><p>　　3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究現(xiàn)狀10</p><p>　　3.3.1基于競爭的MAC協(xié)議10</p><p>　　3.3.2基于時分復用的MAC協(xié)議11</p><p>　　3.3.3 MAC協(xié)議研究進展11</p><p>　　第四章 基于時分復用的MAC協(xié)議

19、13</p><p>　　4.1基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議13</p><p>　　4.2 DEANA協(xié)議13</p><p>　　4.3 TRAMA協(xié)議15</p><p>　　第五章 使用OPNET實現(xiàn)DEANA協(xié)議的仿真20</p><p>　　5.1網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET簡介：20</p>

20、<p>　　5.2 OPNET仿真步驟21</p><p>　　5.3 OPNET Modeler主要特性21</p><p>　　5.4使用OPNET對DEANA協(xié)議進行仿真22</p><p>　　5.4.1 節(jié)點模型的搭建22</p><p>　　5.4.2進程模型的搭建24</p><p>

21、;　　5.4.3 仿真環(huán)境介紹26</p><p>　　5.4.4 仿真結(jié)果27</p><p>　　第六章 總結(jié)29</p><p><b>　　參考文獻30</b></p><p><b>　　致　　謝32</b></p><p><b>　　第一章

22、 引言</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及意義</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,簡稱WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(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)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者，使得人們能在任何時間、地點和任何環(huán)境條件

23、下都能獲得大量詳實而可靠的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其具有易擴展、自組織、分布式結(jié)構(gòu)、健壯性和實時性等特點，能夠廣泛地應用在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶救救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等諸多領(lǐng)域。</p><p>　　由于傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的科學意義和應用價值，已引起全世界各國學術(shù)界、軍事部門、商界和工業(yè)界的極大關(guān)注。自2001年開始，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Res

24、earch 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”數(shù)據(jù)。2002年8月，美國國家科學基金會NSF資助4000萬美元在UCLA成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心，聯(lián)合各高校展開“嵌入式智能傳感器”項目進行研究，以求利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對物理世界實現(xiàn)全方位的監(jiān)測與控制，這也是美國國情咨文中有關(guān)NGI最主要的遠景規(guī)劃之一。日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開了該領(lǐng)

25、域的研究工作。我國在傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作還很少，啟動我國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，特別是面向國防的應用研究，以提高國防軍事信息化的水平及爭取未來信息戰(zhàn)中的主動權(quán)，不僅具有重要社會與經(jīng)濟意義，也具有十分長遠的戰(zhàn)略意義。</p><p>　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問控制（medium access control, MAC）協(xié)議決定了無線信道的使用方式，通過在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)的底

26、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。</p><p><b>　　本文共分五章：</b></p><p>　　第一章為緒論部分，主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、課題背景、發(fā)展狀況以及本文的工作內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)；</p><p>　　第二章主要分析了無線傳

27、感網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)，總結(jié)了現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)、應用和特征。</p><p>　　第三章主要就現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的各種MAC協(xié)議和算法進行了對比和分析，總結(jié)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的共有特點以及不同網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議間的不同之處。為后面的深入研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　第四章主要介紹了使用的仿真平臺：網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET，并略述在OPNET中實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)

28、絡(luò)仿真的工作。</p><p>　　第五章針對分布式能量感知節(jié)點活動（distributed energy-aware node activation, DEANA），進行了分析和仿真，證明了算法的有效性。</p><p>　　最后對所作的工作進行了總結(jié)和未來工作的展望。</p><p>　　第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述</p><p>　　

29、2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念</p><p>　　隨著無線通信、微電子機械制造技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展， 無線傳感器網(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)測區(qū)域內(nèi)， 大量集成有感知、數(shù)據(jù)處理和無線通信及能量供應模塊的微型傳感器節(jié)點所組成。在目標入侵監(jiān)測、目標跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵察、生物醫(yī)療、搶險救災以及工業(yè)加工過程的監(jiān)控等領(lǐng)域，WSNs

30、都具有廣闊的應用前景。</p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多在空間上分布的自動裝置組成的一種計算機網(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、壓力、運動或污染物）。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（sensor node）、匯聚節(jié)點（sink node）、和管理節(jié)點。</p><p>　　圖2-1無線傳感器網(wǎng)絡(luò) <

31、/p><p>　　如上圖所示：傳感器節(jié)點散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個節(jié)點都可以收集數(shù)據(jù)，并通過“多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點也可以用同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點。匯聚節(jié)點直接與Internet或通信衛(wèi)星相連，通過Internet或通信衛(wèi)星實現(xiàn)任務管理節(jié)點（即觀察者）與傳感器之間的通信。</p><p>　　2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　

32、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(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。具體來說，相對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)計中特殊考慮[1]。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目高出Ad hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目幾個數(shù)量級，這就對傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性提出了要求。由于傳感器節(jié)點的數(shù)目多開銷大，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯

33、一的地址標識，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相對于一般網(wǎng)絡(luò)而言，有很大的簡化。此外，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點眾多，因此，單個節(jié)點的價格對于整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本而言非常重要。</p><p>　　自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點就是能量受限。傳感器節(jié)點受環(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)計時，節(jié)能是設(shè)計的主要考慮目標之一。</p><p>　　由

34、于傳感器網(wǎng)絡(luò)應用的環(huán)境的特殊性、無線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點受損的概率遠大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，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)的損壞不會影響到全局任務的進行。</p><p>　　傳感器節(jié)點高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化快，對于拓撲結(jié)構(gòu)的維護也提出了挑戰(zhàn)。</p><p>　　上述這些特點使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有別于傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò)，并在當前的一些體系結(jié)構(gòu)設(shè)

35、計的嘗試中得到了突出的表現(xiàn)。</p><p>　　2.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能結(jié)構(gòu)</p><p>　　在不同應用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成不盡相同，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(見圖1)。根據(jù)具體應用需求，還可能會有定位系統(tǒng)以確定傳感節(jié)點的位置，有移動單元使得傳感器可以在待監(jiān)測地域中移動，或具有供電裝置以從環(huán)境中獲得必要的能源。此外，還必須有一些應用相關(guān)部分，例

36、如，某些傳感器節(jié)點有可能在深?；蛘吆５?，也有可能出現(xiàn)在化學污染或生物污染的地方，這就需要在傳感器節(jié)點的設(shè)計上采用一些特殊的防護措施。</p><p>　　圖2-2傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)以上特性，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計適應自身特點的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[2]，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標

37、準化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。</p><p>　　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層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應用層，而網(wǎng)絡(luò)管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面以及任務管理面。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、移動性管理和任務管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設(shè)計。</p>

38、<p>　　圖2-3傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu) </p><p><b>　　1、物理層</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無線、紅外或者光介質(zhì)。例如，在微塵項目中，使用了光介質(zhì)進行通信。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)點基于射頻電路，本文主要探討這類傳感器網(wǎng)絡(luò)。</p&

39、gt;<p>　　無線傳感器網(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)境的信號傳播特性、物理層技術(shù)的能耗是設(shè)計的關(guān)鍵問題。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)計的不利因素。然而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些內(nèi)在特征也有有利于設(shè)計的方面，例如，高密度部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分集特性，可以用來克服陰影效應和路徑損耗。目前低功率傳感器網(wǎng)

40、絡(luò)物理層的設(shè)計仍然有許多未知領(lǐng)域需要深入探討。</p><p><b>　　2、數(shù)據(jù)鏈路層</b></p><p>　　數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)流的多路復用、數(shù)據(jù)幀檢測、媒體接入和差錯控制。數(shù)據(jù)鏈路層保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)點到點和點到多點的連接。</p><p><b>　　(1)媒體接入控制</b></p><

41、p>　　在無線多跳Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議主要負責兩個職能。其一是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立。因為成千上萬個傳感器節(jié)點高密度地分布于待測地域，MAC層機制需要為數(shù)據(jù)傳輸提供有效的通信鏈路，并為無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)點有效合理地分配資源。</p><p>　　藍牙和移動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)。然而藍牙采用星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并

42、采用集中式分配的時分復用機制，這對于拓撲結(jié)構(gòu)需要經(jīng)常調(diào)整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說并不有利。傳統(tǒng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議強調(diào)在移動條件下提供較好的服務質(zhì)量(QoS)保證，節(jié)電并非其考慮的主要因素，因此，也不能夠照搬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b>　　(2)差錯控制</b></p><p>　　數(shù)據(jù)鏈路層的另一個重要功能是傳輸數(shù)據(jù)的差錯控制。在通信網(wǎng)中有兩種

43、重要的差錯控制模式分別是前向差錯控制(FEC)和自動重傳請求(ARQ)。在多跳網(wǎng)絡(luò)中ARQ的使用由于重傳的附加能耗和開銷而很少使用。既便是使用FEC方式，也只有低復雜度的循環(huán)碼被考慮到，而其他的適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的差錯控制方案仍處在探索階段。</p><p><b>　　3、網(wǎng)絡(luò)層</b></p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點高密度地分布于待測環(huán)境內(nèi)或周圍。在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

44、和接收器節(jié)點之間需要特殊的多跳無線路由協(xié)議。傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)多基于點對點的通信。而為增加路由可達度，并考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點并非很穩(wěn)定，在傳感器節(jié)點多數(shù)使用廣播式通信，路由算法也基于廣播方式進行優(yōu)化。此外，與傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法在設(shè)計時需要特別考慮能耗的問題?；诠?jié)能的路由有若干種，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累加路由上的有效功率得到。最小能

45、量路由算法，該算法選擇從傳感器節(jié)點到接收器傳輸數(shù)據(jù)消耗最小能量的路由?；谧钚√鴶?shù)路由：在傳感器節(jié)點和接收機之間選擇最小跳數(shù)的節(jié)點。以及基于最大最小有效功率節(jié)點路由，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)計的設(shè)計特色還體現(xiàn)在以數(shù)據(jù)為中心。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個區(qū)域的某個觀測指標的值，而不會去關(guān)心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫

46、離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，快速有效的組織起各個節(jié)點的信息并融合</p><p><b>　　4、傳輸層</b></p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的計算資源和存儲資源都十分有限，而且通常數(shù)據(jù)傳輸量并不是很大。這樣，對于傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，是否需要傳輸層是一個問題。最為熟知的傳輸控制協(xié)議(TCP)是一個基于全局地址的端到端傳輸協(xié)議，而對于傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，TCP設(shè)計思想中基于屬性的命

47、名對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴展性并沒有太大的必要性，而數(shù)據(jù)確認機制也需要大量消耗存儲器，因此合適于傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議會更類似于UDP協(xié)議。</p><p>　　2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征</p><p>　　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)最為相似的是移動自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad hoc networks, M

48、ANET)， 盡管二者都是無線自組織多跳網(wǎng)絡(luò)，具有相似之處， 但差異很大。</p><p><b>　　1、自組織性</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過向監(jiān)測區(qū)域隨機拋撒大量的傳感器節(jié)點來部署網(wǎng)絡(luò)的，各節(jié)點間通過自我協(xié)調(diào)、自我配置組成網(wǎng)絡(luò)，無法依靠其他輔助設(shè)施或是認為手段來配置網(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)點會損壞，導致一些

49、節(jié)點不能正常工作，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。這就要求傳感器節(jié)點的自組織能力來適應這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。</p><p><b>　　2、動態(tài)拓撲</b></p><p>　　在傳感器網(wǎng)絡(luò)的是使用過程中，有以下幾種原因造成傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變：①

50、新節(jié)點的加入；②環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通。</p><p>　　3、以應用為導向的網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應用前景，不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應用關(guān)心不同的物理量，因此對傳感器網(wǎng)絡(luò)的應用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。其硬件平臺、軟件系統(tǒng)

51、和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都有很大差別。針對每一個具體應用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。</p><p><b>　　4、多跳路由</b></p><p>　　節(jié)點受通信距離、功率控制或節(jié)能的限制，當節(jié)點無法與網(wǎng)關(guān)直接通信時，需要由其他節(jié)點轉(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。</p><p>　　2.4無線傳感

52、器網(wǎng)絡(luò)的應用</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應用前景。</p><p><b>　　軍事應用</b></p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)

53、具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點，因此非常適合在軍事上的應用。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，可以通過飛機撒播等形式將大量廉價的傳感器密集地部署在人員不便到達的觀察區(qū)域。如敵方陣地，收集到有用的機密數(shù)據(jù)；在個別或一部分傳感器節(jié)點因為遭破壞等原因失效時，傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然能夠依靠自組織性完成貫徹任務。</p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)眾多優(yōu)點可適應于以下幾種軍事應用：①監(jiān)測人員、裝備等情況以及單兵系統(tǒng)；②監(jiān)測敵軍進攻；③

54、評估戰(zhàn)果；④核能、生物、化學攻擊的偵查。</p><p><b>　　環(huán)境應用</b></p><p>　　應用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有部署簡單、便宜、長期不需要更換電池、無需派人現(xiàn)場維護的優(yōu)點。通過密集的節(jié)點布置，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)測提供了嶄新的途徑[3] 。</p><p>　　農(nóng)業(yè)環(huán)境的自動監(jiān)測系統(tǒng)。各種

55、環(huán)境因素包括水、電、熱、光等，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非常地重要，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)有效地監(jiān)測這些環(huán)境因素，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)并進行適當?shù)沫h(huán)境控制，可以提高農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)的程度，簡化系統(tǒng)復雜性，降低設(shè)備的成本，有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和效果。</p><p>　　自然災害的預防。在一些容易發(fā)生泥石流、滑坡等自然災害的地方，使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)及時、長期地對這些地方的地形變化、各種環(huán)境因素的監(jiān)測，采集相關(guān)數(shù)據(jù)并進行適當?shù)姆治?，當災難將要

56、發(fā)生時，我們就可以提前發(fā)出預警報告以做好準備或采取相應措施防止它們進一步的發(fā)生。</p><p>　　火災、化學現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集。對于一些人類不適宜進入的但又必須對其環(huán)境進行監(jiān)測的場合，例如火災、含有大量對人體有害的化學物質(zhì)的場合，在其中部署一組無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以讓我們知道這些場合的實時情況，并做出正確的決策，減少災難造成的損失或者有效地收集到化學現(xiàn)場的環(huán)境變化數(shù)據(jù)，進行有效的分析和研究。</p>&l

57、t;p>　　生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測[4]。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境逐漸被更多人所關(guān)注，從研究到保護都需要掌握大面積地域中的大量數(shù)據(jù)，甚至有些勘測區(qū)域人類無法觸及，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多特征正好適應了這樣一種需求。例如在非洲不發(fā)達地區(qū)，每年都有大量的人因為霍亂以及其他經(jīng)由水污染的疾病死去，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采集并分析這些受污染地區(qū)的飲用水質(zhì)量，并作出相應的保護措施，這樣，才能減少受災的人數(shù)。</p><p>&l

58、t;b>　　企業(yè)、家庭監(jiān)控。</b></p><p>　　在企業(yè)、家庭布設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實時地監(jiān)控人員的流動和環(huán)境的變化，有利于企業(yè)、家庭采取有效的安全防護措施和災難應變措施。</p><p><b>　　醫(yī)療應用</b></p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域也有一些成功實例。SSIM（Smart Sensors an

59、d Integrated Microsystems）項目中，100個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。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。</p><p><b>　　建筑及城市管理</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測建筑物的健康狀況，不僅成本低廉，而且能解決傳統(tǒng)監(jiān)測布線復雜、線路老化、易受損

60、壞等問題。</p><p>　　斯坦福大學提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建筑物監(jiān)測系統(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)點由EVK915模塊和ADXL210加速度傳感器構(gòu)成，簇首節(jié)點由Proxim RangelLAN2無線調(diào)制器和EVK915連接而成。</p><p>　　第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議</p><p><b>　　3.1概述

61、</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)作為當今信息領(lǐng)域新的研究熱點,涉及多學科交叉的研究領(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)計就是關(guān)鍵技術(shù)之一,目前的研究重點是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,而在無線傳感器網(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。無線傳感器

62、網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)明顯不同的性能特點和技術(shù)要求,傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議無法應用于傳感器網(wǎng)絡(luò),各種針對特定傳感器網(wǎng)絡(luò)特點的MAC協(xié)議相繼提出。在以下幾節(jié)中，本文歸納無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計原則和分類方法,分析當前典型的各類MAC協(xié)議的主要機制,詳細比較這些協(xié)議的特點、性能差異和應用范圍。</p><p>　　3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計原則</p><p>　　3.2.1無線

63、傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要能耗</p><p>　　為了分析和評價MAC 協(xié)議的能量有效性, 需要分析是哪些因素導致了能量損耗. WSNs 網(wǎng)絡(luò)中造成能量浪費的主要因素有以下幾個方面[6][7]：</p><p>　　1、空閑偵聽(Idle Listening) 節(jié)點不能預知他的鄰居節(jié)點何時傳輸數(shù)據(jù)給自己，因此節(jié)點的射頻模塊需要一直保持為接收模式，就造成了節(jié)點能量的大量消耗。這是能量浪費的主要因素

64、。</p><p>　　2、沖突重傳(Collision and Retransmission) 節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，在競爭共享的無線信道中，可能會引起多個節(jié)點之間發(fā)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)點更多的能量。</p><p>　　3、串音(Overhearing) 數(shù)據(jù)包是在共享的無線信道中傳輸，一個節(jié)點可能會接

65、收并處理不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)包，此時，會造成節(jié)點的無線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量。</p><p>　　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)點發(fā)送這些控制信息需要消耗一定的能量。</p><p>　　傳感器節(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)包括發(fā)送、接收、偵聽和休眠四種狀態(tài)，目前的MAC協(xié)議在降低功耗方面主要集中在增加節(jié)點的休眠時間，減少節(jié)點對信道的偵聽。

66、</p><p>　　3.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)域現(xiàn)有的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有很大的區(qū)別，導致已有網(wǎng)絡(luò)中的許多技術(shù)并不能直接應用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議的主要目標是節(jié)能和自組織，而每個節(jié)點的公平和時延是次要的。為了建立可靠穩(wěn)定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議時需要著重考慮以下5個方面：</p>

67、<p>　　1、降低能耗。無線傳感器網(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，如減少沖突和串音、降低占空比和盡量避免長距離通信。協(xié)議中還應該包括折中機制，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)計協(xié)議時應該注意能量不是隨時可用的，因為節(jié)點可能處于睡眠狀態(tài)或者由于不可知的原因死亡。傳統(tǒng)的MAC層協(xié)議的設(shè)計目標是最大化吞吐量、最小化時延并且提供公平性。而為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的MAC層協(xié)議關(guān)

68、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延。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點總是協(xié)作完成某應用任務，所以公平性通常不是主要問題。另外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些典型應用（如戰(zhàn)場目標跟蹤）也對其MAC層協(xié)議的設(shè)計提出了不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的要求。</p><p>　　2、實時性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被應用于軍事、醫(yī)療等對實時性要求很高的領(lǐng)域，及時地檢測、處理和傳遞信息是其不可缺少的要求。MAC層應和其他層合作提供實時保

69、證。</p><p>　　3、自組織性。由于傳感器節(jié)點數(shù)目、節(jié)點分布等在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存過程中不斷變化，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也經(jīng)常變化，節(jié)點位置可能移動，考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，節(jié)點的加入與退出使得網(wǎng)絡(luò)拓撲呈動態(tài)變化。MAC層協(xié)議應該具有可擴展性以適應無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)。</p><p>　　4、分布式。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點計算能力和存儲能力有限，需要眾多節(jié)點協(xié)同完成某

70、應用任務，所以MAC層協(xié)議應該運行分布式的算法，這也是有效避免某些節(jié)點的死亡造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓的需要。</p><p>　　5、網(wǎng)絡(luò)性能。MAC層協(xié)議的設(shè)計需要在各種性能間取得平衡，各性能間的平衡往往比單個性能的表現(xiàn)更重要。因為一個不平衡的協(xié)議即使在實驗室里表現(xiàn)好，也可能在實際環(huán)境中表現(xiàn)很差。比如，一個協(xié)議如果太頻繁地關(guān)閉無線收發(fā)裝置來節(jié)能，不僅使實時性和可靠性受到影響，包丟失引起的重傳也會反過來影響節(jié)能的效果。無線傳

71、感器網(wǎng)絡(luò)針對不同的應用顯示出了不同的網(wǎng)絡(luò)特性，MAC層協(xié)議應該能適應不同應用的各種流量模式。</p><p>　　3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究現(xiàn)狀</p><p>　　MAC層是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧中的一個重要層次，它實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和節(jié)能。節(jié)點被隨機放置后，MAC層協(xié)議實現(xiàn)節(jié)點間鏈路的建立，保證所有節(jié)點可以公平、有效地利用有效的帶寬。另外，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能也由MAC層實現(xiàn)。目前研究者已

72、經(jīng)提出了很多MAC層設(shè)計的建議方案，大致可以劃分為以下幾類。</p><p>　　3.3.1基于競爭的MAC協(xié)議</p><p>　　基于無線信道隨機競爭方式的MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，主要思想就是當節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送請求時，通過競爭方式占用無線信道，當發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)生沖突時，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采用的是二進制退避重傳機制)重發(fā)數(shù)

73、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適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于競爭的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)上進行改進的T-MAC協(xié)議。</p><p>　　3.3.2基于時分復用的MAC協(xié)議 </p><p>　　時分復用(TDMA)機制就是為每個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配獨立

74、的用于數(shù)據(jù)收發(fā)的時隙，而節(jié)點在其他空閑時隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠節(jié)能狀態(tài)。相比隨機競爭接入機制，時分復用方式本身就更能節(jié)省能量，是實現(xiàn)信道分配的簡單成熟機制，因為無線電波的工作時間縮短，而且沒有任何競爭帶來的開銷和沖突。如藍牙網(wǎng)絡(luò)就是采用的典型TDMA的MAC協(xié)議。</p><p>　　3.3.3 MAC協(xié)議研究進展</p><p>　　由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大應用前景，其研究正逐步受到各國研究人員的重視

75、。作為CITRIS（Center of Information Technology Research in the Interest of Society）計劃的一部分，美國加州大學伯克利分校的環(huán)境工程和計算機科學家們采用傳感器網(wǎng)絡(luò)，讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠自身感覺并意識到它們本身的狀況，使得安裝了傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑自動告訴管理部門它們的狀態(tài)信息，并且能夠自動按照優(yōu)先級來進行一系列自我修復工作。在我國，清華大學，北京郵電大學，中

76、科院研究所等也開始對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行研究，并取得了一些初步進展。</p><p>　　下面簡單介紹一下國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議的研究成果：</p><p>　　Zheng Tao 等人提出了P-MAC[9]協(xié)議（Pattern-MAC）,該協(xié)議主要思想是：用一串二進制字符來代表某一節(jié)點所處的模式信息（pattern information）調(diào)整睡眠與工作時間。該協(xié)議在節(jié)能方面性能優(yōu)于

77、S-MAC和T-MAC，但該算法主要適用于網(wǎng)絡(luò)負載變化頻率不大的情況。</p><p>　　Venkatesh Rajendran等人提出的FLAMA協(xié)議[10]，該協(xié)議通過防止空閑偵聽，數(shù)據(jù)碰撞，并且不將數(shù)據(jù)傳送給一個還未準備好接好數(shù)據(jù)包的節(jié)點來實現(xiàn)能量高效。經(jīng)過仿真顯示，F(xiàn)LAMA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。</p><p>　　仇兆存提出的CRMAC協(xié)議[11]。

78、該協(xié)議將節(jié)點工作時間分離為信道預約時間和數(shù)據(jù)發(fā)送時間。在信道預約時間里，有數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點發(fā)送預定信道幀通知多跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，確定節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送時間框架。在數(shù)據(jù)傳送時間里，只有需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的節(jié)點被喚醒，而其他節(jié)點保持睡眠狀態(tài)。</p><p>　　岳宇君等提出的基于生成樹的無線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議——ST-MAC[12]。該協(xié)議以匯聚節(jié)點為根節(jié)點，創(chuàng)建一個由網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點組成的生成樹。ST-MAC采用TDMA接入

79、方式，其固有的低工作周期提高了網(wǎng)絡(luò)性能。性能分析和實驗結(jié)果表明：相對S-MAC，ST-MAC在能量節(jié)省和時延方面有較好的效果。</p><p>　　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)點之間連接的建立，而對于靜止節(jié)點與運動節(jié)點之間的通訊，則需要通過EAR協(xié)議進行管理。SMACS協(xié)議負責系統(tǒng)啟動后自組網(wǎng)，EAR協(xié)議負責移動節(jié)點的接入控制。SMACS使用

80、無中心信道分配策略，EAR協(xié)議在移動節(jié)點接入方面對SMACS協(xié)議進行了補充。但是該協(xié)議不能完全避免碰撞，多個節(jié)點在協(xié)商過程中可能同時發(fā)出“邀請”消息或應答消息，從而出現(xiàn)沖突。在可擴展性方面，EAR協(xié)議可以為變化慢的移動節(jié)點提供持續(xù)的服務。但并不適用于拓撲結(jié)構(gòu)變化較快的傳感器網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　第四章 基于時分復用的MAC協(xié)議</p><p>　　時分復用（time division

81、 multiple access,TDMA）是實現(xiàn)信道分配的簡單成熟的機制。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用TDMA機制，就是為每個節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時槽，而節(jié)點在其他空閑時槽內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。</p><p>　　TDMA機制的特點非常適合傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的需求：TDMA機制沒有競爭機制的碰撞重傳問題；數(shù)據(jù)傳輸時不需要過多的控制信息；節(jié)點在空閑時槽能夠及時進入睡眠狀態(tài)。TDMA機制需要節(jié)點之間比較嚴格的時間同

82、步。時間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要求。下面介紹幾個典型的TDMA協(xié)議。</p><p>　　4.1基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議</p><p>　　基于分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，Arisha K A等提出了基于TDMA(Energy-awareTDMA)機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)點組成：簇成員節(jié)點(又叫感知節(jié)點)、簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點。其中節(jié)點的工作狀

83、態(tài)又分為四種：感應(Sensing)、轉(zhuǎn)發(fā)(Relaying)、感應并轉(zhuǎn)發(fā)(Sensing and Relaying)和非激活(Inactive)狀態(tài)。感應狀態(tài)節(jié)點主要負責采集數(shù)據(jù)并向鄰居發(fā)送。轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)時節(jié)點接收其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送給下一個節(jié)點。處于感應并轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的節(jié)點需要完成上面兩種功能。如果節(jié)點無數(shù)據(jù)接收和發(fā)送則自動進入非激活狀態(tài)。此外，該協(xié)議將時間幀分為周期性的四個階段，以更好地適應拓撲動態(tài)變化。</p><

84、;p>　　數(shù)據(jù)傳輸階段。簇內(nèi)節(jié)點在各自分配時隙內(nèi)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)給簇頭。</p><p>　　更新階段。簇內(nèi)節(jié)點向簇頭報告其當前狀態(tài)。</p><p>　　更新引起的重組階段。在更新階段之后簇頭節(jié)點根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點的當前狀態(tài)，重新給簇內(nèi)節(jié)點分配時隙。</p><p>　　事件觸發(fā)的重組階段。網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化時或節(jié)點能量低于特定值等事件發(fā)生時，簇頭就要重新分配時隙。&

85、lt;/p><p>　　該協(xié)議在更新和重組階段都需重新分配時隙，才能適應簇內(nèi)節(jié)點拓撲動態(tài)變化及節(jié)點狀態(tài)的變化。這樣要求簇頭節(jié)點有較強的計算和通信能力，能耗也較大，因此如何合理選擇簇頭節(jié)點是設(shè)計該類MAC協(xié)議的一個至關(guān)重要的關(guān)鍵問題。</p><p>　　4.2 DEANA協(xié)議</p><p>　　分布式能量感知節(jié)點活動（distributed energy-aware

86、node activation,DEANA）[14]協(xié)議將時間幀分為周期性的調(diào)度訪問階段和隨機訪問階段。調(diào)度訪問階段由多個連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸時槽組成，某個時槽分配給特定節(jié)點用來發(fā)送數(shù)據(jù)。除相應的接收節(jié)點外，其他節(jié)點在此時槽處于睡眠狀態(tài)。隨機訪問階段由多個連續(xù)的信令交換時槽組成，用于處理節(jié)點的添加、刪除以及時間同步等。</p><p>　　為了進一步節(jié)省能量，在調(diào)度訪問部分中，每個時槽又細分為控制時槽和數(shù)據(jù)傳輸時槽。控

87、制時槽相對數(shù)據(jù)傳輸時槽而言長度很短。如果節(jié)點在其分配的時槽內(nèi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則在控制時槽發(fā)出控制消息，指出接收數(shù)據(jù)的節(jié)點，然后在數(shù)據(jù)傳輸時槽發(fā)送數(shù)據(jù)。在控制時槽內(nèi)，所有節(jié)點都處于接收狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)自己不是數(shù)據(jù)的接受者，節(jié)點就進入睡眠狀態(tài)，只有數(shù)據(jù)的接受者才在整個時槽內(nèi)保持在接收狀態(tài)。這樣就能有效減少節(jié)點接收不必要的數(shù)據(jù)。DEANA協(xié)議的時間幀分配如圖所示。</p><p>　　圖4-１ DEANA協(xié)議的時間幀分配

88、 </p><p>　　如果在當前傳輸時槽的勝利者是節(jié)點A的一跳鄰居中，那么將節(jié)點A在控制時槽設(shè)置為接收模式。如果在控制時槽，節(jié)點A被選為接收者，那么在數(shù)據(jù)傳輸時槽仍然將A設(shè)置為接收模式，或者將其設(shè)為待命模式。</p><p>　　如果在當前傳輸時槽的勝利者是在節(jié)點A的兩跳鄰居中，那么在整個傳輸時槽中將A設(shè)為睡眠模式。</p><p>　　如果節(jié)點A是當前傳輸時槽的

89、勝利者，并且有數(shù)據(jù)包需要傳送，那么將節(jié)點A設(shè)定為傳輸模式，在控制時槽中，通知所有潛在接收者，然后在數(shù)據(jù)時槽傳輸數(shù)據(jù)包。</p><p>　　如果節(jié)點A是當前傳輸時槽的勝利者，但是沒有數(shù)據(jù)包需要傳送，那么在整個傳輸時槽將A設(shè)為待命模式。</p><p>　　在一個數(shù)據(jù)傳送時槽內(nèi)，一個節(jié)點的能耗分析如下：</p><p>　　為了更細致地分析，現(xiàn)在先引入幾個節(jié)點的術(shù)語：

90、</p><p>　　N:節(jié)點的兩跳鄰居數(shù)量</p><p>　　N:節(jié)點的一跳鄰居數(shù)量</p><p><b>　　q:信道接入概率</b></p><p>　　p:被選中節(jié)點有數(shù)據(jù)包要傳送的概率</p><p>　　p:一個節(jié)點被它的一跳鄰居選擇為接收者的概率</p><p

91、>　　P:在傳送模式的平均能耗</p><p>　　P:在接收模式的平均能耗</p><p>　　P:在待命模式的平均能耗</p><p>　　P:從模式x轉(zhuǎn)到模式y(tǒng)需要的能耗</p><p>　　信道接入概率q是指節(jié)點在一個時槽內(nèi)被選為勝利者的概率。我們假設(shè)節(jié)點是獨立的，并且是節(jié)點的兩跳鄰居數(shù)量N2函數(shù)，并且我們假設(shè)所有節(jié)點都有相同的

92、兩跳鄰居數(shù)。</p><p>　　當節(jié)點從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個狀態(tài)時，會消耗一定得能量。以下是狀態(tài)轉(zhuǎn)換時能量消耗的公式：</p><p>　　由上述式子可知，當節(jié)點從高能耗的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低能耗狀態(tài)時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。</p><p>　　根據(jù)上述分析，DEANA協(xié)議的主要缺點在于，頻繁的廣播模式轉(zhuǎn)換會導致不必要的能

93、量消耗。</p><p>　　4.3 TRAMA協(xié)議</p><p>　　流量自適應介質(zhì)訪問(traffic adaptive medium access,TRAMA)[18]協(xié)議將時間劃分為連續(xù)時槽，根據(jù)局部兩跳內(nèi)的鄰居節(jié)點信息，采用分布式選舉機制確定每個時槽的無沖突發(fā)送者。同時，通過避免把時槽分配給無流量的節(jié)點，并讓非發(fā)送和接收節(jié)點處于睡眠狀態(tài)達到節(jié)能的目的。TRAMA協(xié)議包括鄰居協(xié)議

94、。NP(neighbor protocol)、調(diào)度交換協(xié)議SEP(schedule exchange protocol)和自適應時槽選擇算法AEA(adaptive election algorithm)。</p><p>　　在TRAMA協(xié)議中，為了適應節(jié)點失敗或節(jié)點增加等引起的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化，將時間劃分為交替的隨機訪問周期和調(diào)度訪問周期。隨機訪問周期和調(diào)度訪問周期的時槽個數(shù)根據(jù)具體應用情況而定。隨機訪問周期

95、主要用于網(wǎng)絡(luò)維護，如新節(jié)點加入、已知節(jié)點失效等引起的網(wǎng)絡(luò)拓撲變化要在隨機訪問周期內(nèi)完成。</p><p><b>　　NP協(xié)議</b></p><p>　　NP協(xié)議在隨機訪問周期內(nèi)執(zhí)行，節(jié)點通過NP協(xié)議以競爭方式使用無線信道。協(xié)議要求節(jié)點周期性通告自己的節(jié)點編號ID，是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送以及能夠直接通信的鄰居節(jié)點的相關(guān)信息，并實現(xiàn)節(jié)點之間的時間同步。節(jié)點將通過NP協(xié)議要

96、求獲得一致的兩跳內(nèi)拓撲結(jié)構(gòu)和節(jié)點流量信息，為此協(xié)議要求所有節(jié)點在隨機訪問周期內(nèi)都一直處于活動狀態(tài)，同時要求通告信息要廣播多次。</p><p>　　在TRAMA協(xié)議中，每個節(jié)點有唯一的節(jié)點編號ID。節(jié)點根據(jù)編號獨立計算兩跳內(nèi)所有節(jié)點在每個時槽上的優(yōu)先級，節(jié)點u在編號為t的時槽內(nèi)的優(yōu)先級計算公式為：</p><p>　　由于節(jié)點間獲取的鄰居節(jié)點信息是一致的，每個節(jié)點獨立計算的在每個時槽上各個

97、節(jié)點的優(yōu)先級也是一致的，因此，節(jié)點能夠確定每個時槽上優(yōu)先級最高的節(jié)點，從而知道自己在哪些時槽上優(yōu)先級最高。節(jié)點優(yōu)先級最高的時槽稱為節(jié)點的贏時槽。</p><p><b>　　SEP協(xié)議</b></p><p>　　調(diào)度交換協(xié)議SEP用來建立和維護發(fā)送者和接收者的調(diào)度信息。在調(diào)度訪問周期內(nèi)，節(jié)點周期廣播其調(diào)度信息，比如在節(jié)點優(yōu)先級最高的時隙，發(fā)送數(shù)據(jù)的接收者或者放棄該最

98、高優(yōu)先級時隙的調(diào)度信息。其基本調(diào)度過程如下：節(jié)點根據(jù)應用層產(chǎn)生分組的速率，先計算出它的調(diào)度間隔Tinterval(表示一次調(diào)度對應的時隙個數(shù))，然后計算在[t，t+Tinterval]內(nèi)它具有最高優(yōu)先級的時隙，最后在最高優(yōu)先級時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過調(diào)度消息告訴對應接收方。如節(jié)點無足夠多數(shù)據(jù)發(fā)送，應當及時通告放棄該最高優(yōu)先級時隙以便其他節(jié)點使用。值得注意的是，在每個調(diào)度間隔內(nèi)，為防止調(diào)度信息的不一致和發(fā)送調(diào)度分組時產(chǎn)生沖突，最后一個最高優(yōu)先

99、級時隙預留給節(jié)點廣播其下一個調(diào)度間隔的調(diào)度信息。</p><p>　　由于節(jié)點間保持一致的兩跳鄰居拓撲結(jié)構(gòu)，可以將鄰居節(jié)點按照節(jié)點ID的升或降序排列，并采用位圖指定接受者。位圖中的每一位代表一個鄰居節(jié)點，需要該節(jié)點接收信息則將該節(jié)點的對應位置置為1，這樣可以方便地實現(xiàn)單播、廣播和組播。節(jié)點將放棄的贏時槽的位圖置為全0。最后一個非0時槽稱為變更時槽（changeover slot）。節(jié)點通過調(diào)度分組廣播其調(diào)度信息。

100、調(diào)度分組的格式如圖所示，其中SourceAddr是發(fā)送調(diào)度分組的節(jié)點編號，Timeout是從當前時槽開始本次調(diào)度有效的時槽個數(shù)，Width是鄰居個數(shù)，也就是鄰居位圖的節(jié)點長度，NumSlot是贏時槽的個數(shù)。</p><p>　　圖4-3 TRAMA協(xié)議中調(diào)度分組的格式 </p><p>　　節(jié)點采用捎帶技術(shù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)分組中攜帶節(jié)點的調(diào)度摘要，減少調(diào)度分組在廣播過程中丟失所造成的影響。調(diào)

101、度摘要包括Timeout、Numslot以及接下來的一個贏時槽的位圖。該贏時槽既可以解決調(diào)度分組丟失問題，也可以實現(xiàn)調(diào)度變更。如最初調(diào)度發(fā)送給節(jié)點2，3，現(xiàn)在只想發(fā)送給3，則可以在最近一個數(shù)據(jù)分組中修改贏時槽位圖。</p><p>　　由于多種原因，節(jié)點可能改變自己的調(diào)度，如調(diào)度分組宣布放棄的贏時槽可能不再放棄等。在一個節(jié)點的變更時槽,其所有鄰居節(jié)點都要處于接收狀態(tài)，同步它們關(guān)于該節(jié)點的調(diào)度信息。為了防止調(diào)度信息

102、的不一致性和發(fā)送調(diào)度分組時產(chǎn)生沖突，節(jié)點只能在當前調(diào)度時槽內(nèi)的最后一個贏時槽廣播下一個調(diào)度間隔的調(diào)度信息。</p><p><b>　　AEA算法</b></p><p>　　節(jié)點有發(fā)送、接收和睡眠三種狀態(tài)。在調(diào)度訪問周期內(nèi)的給定時槽，節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)當且僅當它有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，且在競爭者中有最高的優(yōu)先級；節(jié)點處于接收狀態(tài)當且僅當它是當前節(jié)點指定的接收者；其他情況下，節(jié)

103、點處于睡眠狀態(tài)。每個節(jié)點在調(diào)度周期的每個時槽上運行AEA算法。該算法根據(jù)當前兩跳鄰居節(jié)點內(nèi)的節(jié)點優(yōu)先級和一跳鄰居的調(diào)度信息，決定節(jié)點在當期時槽的活動策略：發(fā)送，接收，或是睡眠。</p><p>　　介紹AEA算法之前，首先從節(jié)點u的角度引入幾個基本的術(shù)語：</p><p>　　N1（u）：u的直接鄰居集合；</p><p>　　N2（u）：u的兩跳鄰居集合；<

104、/p><p>　　CS（u）：u的競爭節(jié)點集合，包括u，N1（u）和N2（u）中的節(jié)點；</p><p>　　tx(u)：絕對勝者（absolute winner）集合，是CS（u）中優(yōu)先級最高的節(jié)點；</p><p>　　atx(u)：相對勝者（abternative winner）集合，是u和其直接鄰居中優(yōu)先級最高的節(jié)點；</p><p>　

105、　PTX（u）：可能發(fā)送節(jié)點集合（possible transmitter set），是u及其直接鄰居中滿足下面公式的優(yōu)先級最高的節(jié)點，但不包括atx(u)節(jié)點。式（4-1）中，y是u的一個直接鄰居，其優(yōu)先級大于u的所有兩跳鄰居節(jié)點的優(yōu)先級。</p><p>　　prio(y)>prio(x) x,xN1(N1(y))and x N1(y) 4-1 </p><p>

106、;　　NEED(u):需要競爭節(jié)點集合（need contender set）,u和PTX（u）中需要額外時槽的節(jié)點；</p><p>　　ntx(u):需要發(fā)送者（need transmitter），NEED（u）中優(yōu)先級最高的節(jié)點。</p><p>　　AEA算法的具體描述如下：</p><p>　　1：計算tx(u),atx(u)和ntx(u)</p&g

107、t;<p>　　2:if(u=tx(u)) then //u是絕對勝者</p><p>　　3: if(u在調(diào)度分組中通告在該時槽發(fā)送時槽發(fā)送數(shù)據(jù)) then</p><p>　　4: let u.state=TX</p><p>　　5： let u.receiver=u.reported.rxId</p>&l