无线传感器网络smac协议的分析与仿真

无线传感器网络smac协议的分析与仿真内容摘要：

代意义的传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，同步发展。 2020年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心， 其后，该中心在 传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、 微电子所、半导体所、电子所、软件所以及中国科技大学等 10 余所研究所和高校。 经过几年的努力，初步建立了传感器网路系统的研究平台， 在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动基站和应用各级组织系统等方面取得了很大进展。 其中多项关键技术已列入 “国家中长期科技发展规划 ”和上海市 “十一五 ”规划，并具备制定国家乃至国际标准的条件。 目前，上海无线传感技术已在宁波北仑区政府应急指挥、嘉兴水运智能交通等系统中示范应用，在电力、水利设施 维护等领域也已开发运用，并瞄准上海市世博会需求进行开发应用。 传感器网络体系结构 传感器网络结构 在传感器网络中，结点任意散落在被监测区域内，这一过程是通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的。 节点以自组织形式构成网络，同过多跳中继方式将监测数据传到 sink 结点， 最终借助长距离或临时建立的 sink 链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。 卫星链路可用作 sink 链路，借助游戈在监测区上空的无人飞机回收 sink 结点上的数据也是一种方式， UC Berkeley 在进行 UAV(unmanned aerial vehicle)项目的外场测试时便采用了这种方式。 如果网络规模太大，可以采用聚类分层的管理模式， 图 给出了2020 届通信工程专业毕业设计（论文） 5 传感器网络体系结构一般形式的描述。 图 传感器网络结构 传感器网络协议栈 传感器网络协议栈包括物理层、 数据链路层、网络层、传输层和应用层 ，与互联网协议栈的五层协议相对应。 图 所示是一种细化了的协议栈， 定位和时间 同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，所以用到 L 型描述两个功能子层。 独立于协议栈外的各协议，通过各种收集和配置接口对相应的机制进行配 置和监控。 如能量管理， 每个协议层中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配决策； Qos 管理在各层协议层设计队列管理、优先级机制或带宽预留机制，并对特定应用的数据给予特别处理； 拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成， 反过来又为它们提供基础信息支持，优化 MAC 协议和路由协议的过程， 提高协议效率，减少网络能量消耗；网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。 图 传感器网络协议栈 巩艳：无线传感器网络 SMAC 协议的研究 6 传感器网络的特征 传 感器节点能量有限 传感器节点体积微小， 通常携带能量十分有限的电池。 节点中消耗能量的模块有传感器模块、处理器模块和通信模块。 随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗很低。 绝大部分能量消耗在无线通信模块上。 图 给出的是 Deborah Estrin 在 Mobi 2020 会议上的特邀报告 (Wireless Sensor Network， Part IV： Sensor Network Protocols)[4]中所述传感器节点各模块的能量消耗情况。 从图中可知 传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块上 ，而且无线通信模块在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，在睡眠状态的能量消耗最少。 图 传感器节点各模块的能量消耗情况 传感器网络的特点 1．传感器网络是以数据为中心 (DataCentric)的网络 [5]，整个网络相当 于分布式的网络数据库，要查询的数据分布在所有或部分节点中。 传感器网络中每个传感器节点同时具有终端系统和路由器两者的作用： 传感器节点接收汇聚节点的查询或控制命令，实现信息的采集、处理和收发功能； 同时，处理和转发收到的来自其他节点的数据，实现路由的功能。 由于传感器网络关注的 是具有某种特性的数据，加之传感器节点数目巨大和节点放置的随机性，传感器节点可以不采用与 IP 地址类似的编址，而是使用仅在局部能够区分的标号进行标识。 2．传感器网络是与应用相关的网络。 传统网络发展的趋势是电信网、计算机网以及电视网的逐步融合， 而传感器网络是针对某个或某些应用而专门设计的。 传感器网络中邻居节点的数据具有相似性，它们监测 到的事件可能是同一事件 (如火灾 )， 从不同监测点得到同一事件的相关数据，因此这些数据存在信息的冗余性。 在数据传输路径上的中间传感器节点需要针对具体应用，对收到其他节点转发来的数据以及 本身采集的数据进行融合、缓存和转发，2020 届通信工程专业毕业设计（论文） 7 减少冗余数据的发送，以求有效地节省网络资源，特别是能源。 传感器网络的应用前景 虽然传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经有为数不少的传感器网络开始投入使用。 目前传感器网络的应用主要集中在以下领域： 1． 军事领域 传感器网络将会成为现代化战场指挥系统不可或缺的一部分。 由于传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判 断生物化学攻击等多方面用途。 美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行 “智能尘埃 ”传感器技术的研发。 哈伯研究公司总裁阿尔门丁 格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从 2020 年的 1000 万美元增加到 2020 年的几十亿美元。 2． 环境监测和保护 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多， 传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。 比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将 32 个小型传感器连进互联网，以读出缅因州 “大 鸭岛 ”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。 传感器万网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响， 监测海洋、大气和土壤的成分等。 此外，它也可以应用在精细农业中， 来监测农作物 中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 3． 医疗护理 传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。 罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间， 使用微尘来测量居住者的重要征兆 (血压、脉搏和呼吸 )、睡觉姿势以及每天 24 小时的活动状况。 英特尔公司也推出了传感器网络的家庭护理技术。 该技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项 目 Center for Aging Services Technologies(CAST)的一个环节开发的。 该系统通过在鞋、家具以及家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏 病患者以及残障人士的家庭生活。 利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理， 而且还可以减轻护理人员的负担。 英特尔主管预防性健康保险研究的董事 Eric Dishman 称， “在开发家庭护理技术方面，传感器网落是非常有前途的领域 ”。 巩艳：无线传感器网络 SMAC 协议的研究 8 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域 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，下面仅列出部分关键技术 [6]。 1． 网络拓扑控制 通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和 MAC 协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。 2． 网络协议 传感网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。 网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器 节点的通信过程和工作模式。 3． 网络安全 为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，传感器网络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播和安全管理。 除此之外，为了确保数据融合后数据信息的保留，水印技术也成为传感器网络研究内容。 SPING[7]安全框架是目前传感器网络安全最有代表性的算法。 4． 时间同步 时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。 目前已提出了多个时间同步机制 [8]，其中 RBS、 TINY/MINISYNC 和 TPSN 被认为是三个基 本的同步机制。 5． 定位技术 确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。 根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把传感器网络中的定位分类为基于距离的定位和距离无关的定位 [9]。 6． 数据融合 传感器网络存在能量约束。 减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合 [10]，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。 7． 数据管理 数据管理系统必须在尽量减少能量消耗的同时提供有效的数据服务。 传统分布式数据库的数 据管理技术不适用于传感器网络。 传感器网络中数据的存储采用网络外部存储、本地存储和数据为中心的存储三种方式。 相对于其他两种方式，以数据为中心的存储方式可以在通2020 届通信工程专业毕业设计（论文） 9 信效率和能量消耗两个方面获得很好的折中。 8． 无线通信技术 传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术 [11]。 标准 [12]是针对低速无线个人域网的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标。 由于 标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处。 故很多研究机构把 作为无线传感器网络的 无线通信平台。 超宽带技术（ UWB） [13]是一种极具潜力的无线通信技术。 超宽带技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，非常适合应用在无线传感器网络中，不过目前还没有正式的国际标准。 9． 嵌入式操作系统 传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最大的支持。 在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。 美国加州大学 伯克分校针对无线传感器网络研发了 TinyOS 操作系统，在科研机构中得到比较广泛的使用，但仍然存在不足之处。 本章小结 本章介绍了一种新兴的无线网络 无线传感器网络，介绍了其概念、特点、体系结构、应用领域和对未来网络的深远影响，详细分析了传感器网络的研究进展及设计时需考虑的因素，总结了现有的传感器网络的网络架构以及现在面临的技术难点和挑战，最后，根据当前的应用需要和研究状况，给出了传感器网络研究的几个方向。 巩艳：无线传感器网络 SMAC 协议的研究 10 第 3 章 MAC 协议 MAC 协议 设计的因素 MAC 协议保证 节点间的完整、无误、可靠的通信，并且使各节点在整个网络中公平、有效的共享通信信道。 无线自组织网络主要考虑如何在节点在高速移动性的环境中如何高效建立连接，同时考虑 QoS 要求，能量消耗不是其主要考虑因素。 无线传感器网络的 MAC 协议首要考虑的因素就是节省能量，无线传感器网络的性能如能量消耗、吞吐量、端到端延迟性能等很大程度上取决于所采用的 MAC 协议，与无线自组织网络的 MAC 协议相比较，无线传感器网络的 MAC 协议需要考虑以下几个因素 [14]。 1． 节点自身约束 无线传感器网络的节点能量有限，无线传感器网络的节点一般 以电池提供能量，由于节点数目众多或无人职守等原因，能量不便进行补充。 所以，节能成为无线传感器网络 MAC协议设计的最核心问题，需要在充分满足应用的前提下尽最大可能延长网络寿命。 无线传感器节点由于受体积、成本等因素影响，处理和存储能力有限，这要求在 MAC 协议设计时尽量简化协议的运行机制，减速运算和存储量。 2． 适应性 传感器节点多为静止状态，但是节点因为能量耗尽而失效以及新节点的加入都会造成节点的拓扑结构发生变化， MAC 协议设计时也需要适应这种局部拓扑的变化，使协议具有一定适应性。 3． 网络吞吐量、延时、信道带 宽 无线传感器网络的业务类型单一、业务量小，应用层的业务对于带宽利用率和网络的吞吐等性能的要求不是很严格。 业务具有一定规律，无线传感器网络以信息获取为目的，应用层的业务类型主要归纳为三类，即 sink 向传感器节点分配任务、查询数据的业务，传感器节点向 sink 报告监测的业务，以及传感器节点之间的协作处理监测数据的业务。 前两种业务具有很明显的方向性，第三种业务方向性不明显。 在 MAC 协议设计时需要考虑三种业务的多数来合理的分配信道资源，简化 MAC 协议运行机制，降低能耗和提高信道利用率。 4． 能量消耗原因和改进策略 受到传感节点电池容量的限制，提高能量效率和延长网络生命周期时成为无线传感器网络 MAC 协议主要的设计准则。 无线传感器网络的 MAC 协议能量消耗原因有： (1)节点在传输时不可避免的冲突引起重传，重传则带来的多余能量消耗。 2020 届通信工。