参考]无线传感器网络基于时分复用的mac协议

参考]无线传感器网络基于时分复用的mac协议内容摘要：

网络层 传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围。 在传感器网络节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。 传统的 Ad hoc 网络多基于点对点的通信。 而为增加路由可达度，并考虑到传感器网络的节点并非很稳定，在传感器节点多数使用广播式通信，路由算法也基于广播方式进行优化。 此外，与传统的 Ad hoc 网络路由技术相比，无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑 能耗的问题。 基于节能的路由有若干种，如最大有效功率 (PA)路由算法，即选择总有效功率最大的路由，总有效功率可以通过累加路由上的有效功率得到。 最小能量路由算法，该算法选择从传感器节点到接收器传输数据消耗最小能量的路由。 基于最小跳数路由：在传感器节点和接收机之间选择最小跳数的节点。 以及基于最大最小有效功率节点路由，即算法选择所有路由中最小有效功率最大的路由。 传感器网络的网络层设计的设计特色还体现在以数据为中心。 在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。 而传统网络传送 的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。 传输层 传感器网络的计算资源和存储资源都十分有限，而且通常数据传输量并不是很大。 这样，对于传感器网络而言，是否需要传输层是一个问题。 最为熟知的传输控制协议 (TCP)是一个基于全局地址的端到端传输协议，而对于传感器网络而言， TCP 设计思想中基于属性的命名对于传感器网络的扩展性并没有太大的必要性，而数据确认机制也需要大量消耗存储器，因此合适于传 感器网络的传输层协议会更类似于 UDP 协议。 无线传感器网络的特征 WSNs 网络是一种特定的 Ad hoc 网络，网络中的节点自组织成网络，不需要任何基础设施。 与 WSNs 网络最为相似的是移动自组织网络 (Mobile Ad hoc works, MANET)， 尽管二者都是无线自组织多跳网络，具有相似之处， 但差异很大。 自组织性 北京邮电大学本科毕业设计（论文） 7 无线传感器网络是通过向监测区域随机抛撒大量的传感器节点来部署网络的，各节点间通过自我协调、自我配置组成网络，无法依靠其他辅助设施或是认为手段来配置网络。 由于能量限 制、环境干扰和人为破坏等因素的影响，传感器节点会损坏，导致一些节点不能正常工作，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。 这就要求传感器节点的自组织能力来适应这种网络拓扑结构的动态变化。 动态拓扑 在传感器网络的是使用过程中，有以下几种原因造成传感器网络拓扑结构的改变：①新节点的加入；②环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④环境 条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通。 以应用为导向的网络 传感器网络具有非常广阔的应用前景，不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器网络的应用系统也有多种多样的要求。 其硬件平台、软件系统和网络协议都有很大差别。 针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。 多跳路由 节点受通信距离、功率控制或节能的限制，当节点无法与网关直接通信时，需要由其他节点转发完成数据的传输，因此网络数据传输路由是多跳的。 无线传感器网络的应用 无线传感器网 络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。 基于 MEMS 的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。 1. 军事应用 传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上的应用。 在现代战争中，可以通过飞机撒播等形式将大量廉价的传感器密集地部署在人员不便到达的观察区域。 如敌方阵地，收集到有用的机密数据；在个别或一部分传感器节点因为遭破坏等原因失效时，传感器网络仍然能 够依靠自组织性完成贯彻任务。 传感器网络众多优点可适应于以下几种军事应用：①监测人员、装备等情况以及单兵系统；②监测敌军进攻；③评估战果；④核能、生物、化学攻击的侦查。 2. 环境应用 应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需要更换电池、北京邮电大学本科毕业设计（论文） 8 无需派人现场维护的优点。 通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径 [3]。 (1) 农业环境的自动监测系统。 各种环境因素包括水、 电、热、光等，对于农业生产非常地重要，利用无线传感网络有效地监测这些环境因素，采集相关的数据并进行适当的环境控制，可以提高农业集约化生产的程度，简化系统复杂性，降低设备的成本，有效地提高农业生产的效率和效果。 (2) 自然灾害的预防。 在一些容易发生泥石流、滑坡等自然灾害的地方，使用无线传感网络及时、长期地对这些地方的地形变化、各种环境因素的监测，采集相关数据并进行适当的分析，当灾难将要发生时，我们就可以提前发出预警报告以做好准备或采取相应措施防止它们进一步的发生。 (3) 火灾、化学现场的数据采集。 对于一些人类不适宜进入的 但又必须对其环境进行监测的场合，例如火灾、含有大量对人体有害的化学物质的场合，在其中部署一组无线传感网络可以让我们知道这些场合的实时情况，并做出正确的决策，减少灾难造成的损失或者有效地收集到化学现场的环境变化数据，进行有效的分析和研究。 (4) 生态环境的监测 [4]。 随着科学技术的飞速发展，生态环境逐渐被更多人所关注，从研究到保护都需要掌握大面积地域中的大量数据，甚至有些勘测区域人类无法触及，而传感器网络的许多特征正好适应了这 样一种需求。 例如在非洲不发达地区，每年都有大量的人因为霍乱以及其他经由水污染的疾病死去，利用无线传感网络，采集并分析这些受污染地区的饮用水质量，并作出相应的保护措施，这样，才能减少受灾的人数。 3. 企业、家庭监控。 在企业、家庭布设无线传感网络，可以实时地监控人员的流动和环境的变化，有利于企业、家庭采取有效的安全防护措施和灾难应变措施。 4. 医疗应用 传感器网络在医疗领域也有一些成功实例。 SSIM（ Smart Sensors and Integrated Microsystems）项目中， 100 个微型传感器 被植入病人眼中 [5]，从而帮助盲人获得了一定程度的视觉。 借助于各种医疗传感器网络，人们可以享受到更方便更舒适的医疗服务。 5. 建筑及城市管理 无线传感器网络用于监测建筑物的健康状况，不仅成本低廉，而且能解决传统监测布线复杂、线路老化、易受损坏等问题。 斯坦福大学提出了基于无线传感器网络的建筑物监测系统，采用基于分簇结构的两层网络系统。 传感器节点由 EVK915 模块和 ADXL210 加速度传感器构成，簇首节点由Proxim RangelLAN2 无线调制器和 EVK915 连接而成。 北京邮电大学本科毕业设计（论文） 9 第三章 无线传感器网络 MAC 协议 概述 无线传感器网络 (wireless sensor works,WSNs)作为当今信息领域新的研究热点 ,涉及多学科交叉的研究领域 ,有非常多的关键技术有待发现和研究 ,其中 ,网络协议的设计就是关键技术之一 ,目前的研究重点是网络层协议和数据链路层协议 ,而 在无线传感器网络体系结构中 ,MAC(medium access control)协议是保证网络高效通信的重要协议。 无线传感器网络有着与传统无线 网络明显不同的性能特点和技术要求 ,传统无线网络 MAC协议无法应用于传感器网络 ,各种针对特定传感器网络特点的 MAC 协议相继提出。 在以下几节中，本文 归纳无线传感器网络 MAC 协议的设计原则和分类方法 ,分析当前典型的各类MAC 协议的主要机制 ,详细比较这些协议的特点、性能差异和应用范围。 无线传感器网络 MAC 协议设计原则 无线传感器网络中的主要能耗 为了分析和评价 MAC 协议的能量有效性 , 需要分析是哪些因素导致了能量损耗 . WSNs 网络中造成能量浪费的主要因素有以下几个方面 [6][7]： 空闲侦听 (Idle Listening) 节点不能预知他的邻居节点何时传输数据给自己，因此节点的射频模块需要一直保持为接收模式，就造成了节点能量的大量消耗。 这是能量浪费的主要因素。 冲突重传 (Collision and Retransmission) 节点在发送数据的过程中，在竞争共享的无线信道中，可能会引起多个节点之间发送的数据 产生碰撞，数据包发送失败，这就浪赞了发送和接收数据上的能量，然后需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。 串音 (Overhearing) 数据包是在共享的无线信道中传输，一个节点可能会接收并处理不是发送给自己的数据包，此时，会造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。 控制消息 MAC 协议首部包括一些控制信息，如 RTS/CTS/ACK，节点发送这些控制信息需 要消耗一定的能量。 传感器 节点无线通信模块的状态包括发送、接收、侦听和休眠四种状态，目前的MAC 协议在降低功耗方面主要集中在增加节点的休眠时间，减少节点对信道的侦听。 无线传感器网络 MAC 协议设计 无线传感器网络域现有的 Ad Hoc 网络有 很大的区别，导致已有网络中的许多技术并不能直接应用到无线传感器网络中。 无线传感器网络的 MAC 协议的主要目标是节能和自组织，而每个节点的公平和时延是次要的。 为了建立可靠稳定的无线传感器网络，北京邮电大学本科毕业设计（论文） 10 在设计无线传感器网络的 MAC 层协议时需要着重考虑以下 5 个方面： 降低能耗。 无线传感器网络的基本特征就是能量受限， MAC 层协议要尽可能地节约能源，如减少冲突和串音、降低占空比和尽量避免长距离通信。 协议中还应该包括折中机制，使用火可用在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择。 另外，设计协议时应该注意能量不是随时可用的，因为 节点可能处于睡眠状态或者由于不可知的原因死亡。 传统的 MAC 层协议的设计目标是最大化吞吐量、最小化时延并且提供公平性。 而为无线传感器网络设计的 MAC 层协议关注的是最小化能耗，这就决定了它要适度地减小吞吐量和增加时延。 由于无线传感器网络的节点总是协作完成某应用任务，所以公平性通 常不是主要问题。 另外无线传感器网络的一些典型应用（如战场目标跟踪）也对其MAC 层协议的设计提出了不同于传统无线网络的要求。 实时性。 无线传感器网络经常被应用于军事、医疗等对实时性要求很高的领域，及时地检测、处理和传递信息是其不可缺少的 要求。 MAC 层应和其他层合作提供实时保证。 自组织性。 由于传感器节点数目、节点分布等在无线传感器网络生存过程中不断变化，网络的拓扑结构也经常变化，节点位置可能移动，考虑无线传感器网络的可扩展性，节点的加入与退出使得网络拓扑呈动态变化。 MAC 层协议应该具有可扩展性以适应无线传感器网络动态变化的拓扑结构。 分布式。 由于无线传感器网络的节点计算能力和存储能力有限，需要众多节点协同完成某应用任务，所以 MAC 层协议应该运行分布式的算法，这也是有效避免某些节点的死亡造成网络瘫痪的需要。 网络性能。 MAC 层协 议的设计需要在各种性能间取得平衡，各性能间的平衡往往比单个性能的表现更重要。 因为一个不平衡的协议即使在实验室里表现好，也可能在实际环境中表现很差。 比如，一个协议如果太频繁地关闭无线收发装置来节能，不仅使实时性和可靠性受到影响，包丢失引起的重传也会反过来影响节能的效果。 无线传感器网络针对不同的应用显示出了不同的网络特性， MAC 层协议应该能适应不同应用的各种流量模式。 无线传感器网络 MAC 协议研究现状 MAC 层是无线传感器网络协议堆栈中的一个重要层次，它实现网络的自组织和节能。 节点被随机放置后， MAC 层协 议实现节点间链路的建立，保证所有节点可以公平、有效地利用有效的带宽。 另外，网络的节能也由 MAC 层实现。 目前研究者已经提出了很多 MAC 层设计的建议方案，大致可以划分为 以下几 类。 基于竞争的 MAC 协议 基于无线信道随机竞争方式的 MAC 协议采用按需使用信道的方式，主要思想就是北京邮电大学本科毕业设计（论文） 11 当节点有数据发送请求时，通过竞争方式占用无线信道，当发送数据发生冲突时，按照某种策略 (如 MAC 协议 [8]的分布式协调工作 模式 DCF 采用的是二进制退避重传机制 )重发数据，直到数据发送成功或彻底放弃发送数据。 由于在 MAC协议基础上，研究者们提出了多个适合无线传感器网络的基于竞争的 MAC 协议。 主要有 IEEE MAC 层协议、 SMAC 协议以及在 SMAC 基础上进行改进的 TMAC 协议。 基于时 分复用的 MAC 协议 时分复用 (TDMA)机制就是为每个无线传感器网络节点分配独立的用于数据收发的时隙，而节点在其他空闲时隙内转入睡眠节能状态。 相比随机竞争接入机制，时分复用方式本。