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电路与系统专业论文-基于子网划分和时序调度的无线传感器网络多

发布时间:2019-06-24 22:15 来源:未知 编辑:admin

  电路与系统专业论文-基于子网划分和时序调度的无线传感器网络多信道MAC协..

  山东大学硕士学位论文摘要 无线传感器网络是由密集部署在监测区域内的大量的微型传感器节点通过无 线自组织方式组成的分布式多跳网络,其目的是协作地感知、采集和处理监测区 域内感知对象的信息,并报告给观察者。它作为一项新兴的数据采集技术,在军 事国防、医疗卫生、环境监测、智能家居方面都获得了广泛的应用。 无线传感器网络的研究热点主要集中在路由协议、MAC协议、定位技术、数 据融合技术等方面。其中,无线传感器网络的MAC协议直接控制无线信道的使用 方式,决定数据的收发时机,用来构建网络系统的底层基础结构,对网络的性能 有很大的影响。传统的无线传感器网络MAC协议通常对能量效率进行了最多的考 虑,而把带宽使用率、吞吐量等放在了次要的位置。但近来的应用,如建筑物健 康状况监测等都要求网络能够快速采集大量数据,这就对网络的吞吐量指标提出 了更高的要求。 考虑到当前无线传感器网络节点配备的无线收发器已经支持多信道操作,本文 提出了一种基于子网划分和时序调度的无线传感器网络多信道MAC协议。首先, 协议按照干扰值最小的原则将整个网络划分成多个树状子网,并给每个子网分配 一个不同的信道,以减小子网内干扰和子网间干扰。其次,协议在每个子网内采 用基于时序调度的无线信道使用方式,给每个节点两跳范围内的所有节点分配不 同的发送时隙,实现了数据包的无碰撞传输。 最后,本文对提出的多信道MAC协议进行了详细的分析,并与单信道CSMA 协议及多信道CSMA协议进行了比较。仿真结果表明,在合理地估计了节点密度 之后,本文提出的多信道MAC协议能够获得较高的吞吐量及较低的延时,同时保 证较高的能量效率。 关键词:无线传感器网络:MAC;多信道;子网划分;时序调度 山东大学硕士学位论文 ABSTRACT WirelessSensor Network(WSN)is distributedmulti—hopnetwork composed massivemicro.sensorplaceddensely inthe monitoring areain wireless,self-organizing manneraiming processtheinformationfromthe sensed objects inthe monitoringareaandthen report totheobserver.Asall emerging data acquisitiontechnologyWSN has played greatrolein manyapplications militaryandnationaldefense,healthcare,environmentalmonitoring,smarthome,ete. Research WSNmainly focuses routingprotocols,MACprotocols, positioningtechnologydataaggregationtechnologyetc.WSN MAC protocols control theallocationofthewirelessmediaanddeterminethe timing ofdata sending receiving,whichbuild infrastructureofthe network systems andhave great influence upon network performances.In traditionalWSNMAC protocols,energy efficiency may beconsideredtobethe most important concernwhereas utilizing bandwidthand maximizingthroughput areof secondaryimportance.Howeverrecent applications,such嬲structural health monitoring,requirehigh amountsofdatatobe collectedatafaster rate,whichpresents greaterchallengetothenetwork throughput. Taking intoaccountthattransceivers equippedby WSNnodeshave supported multi—channel,thepaperproposes amulti channelWSNMAC protocol basedonsubnet partition timingschedule.First,accordingtotheruleofminimu//l interference value,the wholenetworkis dividedinto multiple tree-based subnets toreduce intra-subnet interference,each ofwhichtakes adifferent channelto eliminate inter-subnet interference.Second,timing schedule-basedmediaaccessis adopted individualsubnetsandalloftheneighboring nodesina 2-hop radiusofsomenode try toselectdifferent sendingtimeslots,which achievesnon-collisiontransmission. Atlastthe proposedprotocol analyzedindetailand compared single-channelCSMA protocol andmulti-channelCSMA protoc01.The simulationresultsmanifestthat witha proper estimationofthenode density proposedprotocolCanachieve high 山东大学硕士学位论文throughput andlow latency while keepingenergy efficient. Key Words:wirelesssensor network;MAC;multi—channel;subnetpartition;timing schedule 山东大学硕士学位论文1.1研究背景 第一章绪论 信息的获取、存储、传输、处理及应用是现代信息科学的重要组成部分,其中 信息的获取是信息技术产业链上最基本的环节,没有它之后的环节也就无从谈起。 随着现代传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术、无线通信技术和计算机网 络技术的迅猛发展,集成了传感器模块、数据处理模块和无线通信模块的低成本、 低功耗、多功能的微型嵌入式系统的批量生产已成为可能,而且传统的传感器信 息获取技术从独立的单一化模式逐步向集成化、微型化,进而向智能化、网络化 方向发展【1】。正是在这样的背景下,无线传感器网络应运而生。 无线传感器网络是一个由大量的功能相同或不同的微型传感器节点组成的分 布式多跳网络。这些传感器节点被部署在监测区域内,通过自组织方式组成网络, 借助内置的多种传感器测量周围环境中温度、湿度、声音、光照、土壤成分、移 动物体的大小、速度和方向等各种各样的现象。为了节省能量,传感器节点通过 协作将经过本地处理或未经处理的数据以多跳的形式转发给汇聚节点。最后汇聚 节点将整个网络的监测数据通过Intemet或卫星网络传送到远程控制中心,供任务 管理节点或用户分析处理121。 无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、多学科高度交叉的、知识高度集 成的前沿热点研究领域,具有大规模、低功耗、自组织、分布式、多跳路由、拓 扑动态变化、以数据为中心等特点,适应性和灵活性好,在军事、环境监测、医 疗卫生、空间探索等方面都展现出了巨大的研究价值和应用价值,被认为是将在 21世纪产生重大影响力的技术之一【3】。无线传感器网络极大地扩展了人们的信息 获取能力,它的广泛应用必将很大程度地加强人们与物理世界的联系,加深人们 对物理世界的认知。 正是由于无线传感器网络有其自身的特点,不同于传统的网络,现有的许多网 络技术及协议不能直接应用,新的技术及协议有待开发。目前,对于无线传感器 网络的研究主要集中在网络层路由协议、MAC协议以及时钟同步技术、定位技术 山东大学硕士学位论文等方面【21。传统的网络协议多以网络吞吐量为第一性能指标,而把能量效率放在次 要位置,但无线传感器网络节点能量通常十分有限,尽可能地降低节点的能量消 耗,从而延长整个网络的生存时间,成为无线传感器网络协议设计的首要原则。 1.2研究的目的和意义 在网络通信模型中,数据链路层位于物理层和网络层之间,在物理层提供的服 务的基础上给网络层提供无差错的、可靠的数据服务【4】。数据链路层的重点在于介 质访问控制(MediumAccessControl,MAC)协议,这也是无线传感器网络在数 据链路层的研究热点。 MAC协议处于无线传感器网络协议栈的底层部分,它决定无线信道的分配方式,控制节点发送和接收数据的时机,并处理隐藏终端和暴露终端问题,用来构 建网络系统的底层基础结构,对网络的性能有较大的影响,是保证网络高效通信 的关键协议之一【3】。 传统的无线网络MAC协议多以高吞吐量、低延时及公平性为主要设计目标。 而无线传感器网络节点能量有限,节点易失效导致拓扑结构动态变化,为了保证 较长的监测时间,无线传感器网络的MAC协议通常以能量效率和扩展性为首要设 计原则,然后再考虑吞吐量、延时、公平性、安全性等指标。这就要求无线传感 器网络的MAC协议在最小化能量消耗的同时,能够处理原有节点的死亡和新节点 的加入问题,即要有较强的自组织特性。 当然,不同的无线传感器网络应用都会有其特定的要求,并不存在一个具有普 适性的MAC层协议,而往往需要在能量效率、扩展性、吞吐量、延时等指标之间 做一个权衡或折中。例如,近来的很多应用都需要高速采集较高的数据量,这就 把吞吐量和能量效率都放在了优先考虑的位置,给无线传感器网络MAC协议的设 计开发带来了较大的挑战。对于这类应用,之前被研究较多的基于单信道的MAC 协议很难满足其要求,于是混合型MAC协议,尤其是基于多信道的MAC协议受 到了进一步的关注。 本文正是出于这种考虑,对应用于无线传感器网络的混合型MAC协议做了一 定的研究。 山东大学硕士学位论文1.3本文的主要工作和组织结构 本文主要对无线传感器网络的MAC协议进行了探讨,分析和改进现有MAC 协议,提出了一种基于FDMA和TDMA的多信道MAC协议,简称为TMCMAC。 该协议结合了基于树状结构的子网划分和基于时序调度的无冲突自组织的单信道 MAC协议,在保证能量效率的前提下,以期优化吞吐量、包传输率和抗干扰性能。 最后通过仿真,分析了TMCMAC协议的性能,并与其他相关协议进行了比较。 本文的组织结构如下: 第一章简单介绍了本文的研究背景、研究意义及章节安排。 第二章介绍了无线传感器网络的基本概念、体系结构和关键技术,并探讨了无 线传感器网络的应用前景和存在的问题。 第三章介绍了无线传感器网络MAC协议的设计目标及分类,并分析了典型的 单信道MAC协议和多信道MAC协议。 第四章阐述了本文提出的混合型MAC协议TMCMAC。首先说明了基于树状 结构的子网划分方法,分析了基于时序调度的单信道MAC协议,然后将该单信道 协议分别应用于占用不同信道的各个子网中。 第五章假设了仿真场景和实验参数,使用MATLAB软件对TMCMAC协议进 行了仿真,并通过与其他相关协议的比较分析了TMCMAC协议的性能。 第六章总结了本文的研究工作,并提出了下一步工作的设想。 山东大学硕士学位论文第二章无线无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络(WirelessSensorNetworkWSN)是由大量部署在监测区域内 的廉价、微型的传感器节点,通过无线自组织的方式形成的分布式多跳网络【31。网 络内的众多节点通过协作完成对目标事件的感知、分析和处理,并告知观测者。 2.1.1无线传感器网络的网络结构 典型的无线所示,通常包括传感器节点(Sensor Node)、汇聚节点(SinkNode)和管理节点【31。大量的传感器节点部署在监测区域 内,其上带有温湿度、光照、土壤盐碱度等多种不同类型的传感器,针对用户需 求采集不同类型的信息。传感器节点采集的数据通过周围邻居节点的协作以多跳 的形式被转发至汇聚节点,在传输过程中数据可能已被多个中间节点处理。最后, 汇聚节点将接收到的数据借助外部网络(如Intemet、卫星网络等)发送给管理节 点或用户。 盟稠区域俘惑器_节点 图2-1无线传感器网络的网络结构 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统,其处理能力、存储能力和通信能力 相对较弱,一般由能量有限的电池供电。从网络功能的角度来看,每个传感器节 点兼顾传统网络节点的终端和路由器的双重功能,不仅进行本地信息收集和简单 的数据处理,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理,同时 山东大学硕士学位论文与其他节点协作完成一些特定的任务。与传感器节点相比,汇聚节点具有更强的 处理能力、存储能力和通信能力,通常由持续的电源供电。它连接传感器网络与 外部网络,实现两种不同通信协议的转换,同时发布管理节点的监测任务,并把 收集的数据转发到外部网络上。管理节点能够对接收到的数据进行显示、分析和 处理,供用户根据结果制定相应的策略,或向网络发布特定的监测任务。 201.2传感器节点的结构 传感器节点的主要功能是感知和通信,通常由传感器模块、处理器模块、无线 通信模块和能量供应模块四部分组成。对于不同的应用,传感器节点也可能包括 定位模块、时钟同步模块和机械移动模块等辅助功能模块‘卯。典型的传感器节点结 构如图2.2所示。 图2-2传感器节点结构 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责协调整个 传感器节点的操作,存储和处理本地采集的数据以及其他节点发来的数据;无线 通信模块负责利用无线信道与其他节点交换控制消息和收发采集的数据;能量供 应模块为传感器节点提供电源,是节点正常运行的必要条件,通常采用微型电池。 2.1.3无线传感器网络的通信协议栈 无线传感器网络的通信协议栈出分层的网络通信协议、管理平台以及应用支撑山东大学硕士学位论文 三个部分组成【6】,如图2-3所示。 传输层网络层 数据链路层 物理层 传输媒介 图2-3无线传感器网络的通信协议栈1.分层的网络通信协议 类似于传统IIltemet网络中的TCP/IP协议体系,它由物理层、数据链路层、网 络层、传输层和应用层组成。各层的功能特点如下: 1)物理层主要负责数据的调制、发送与接收,是决定无线传感器网络节点体 积、成本以及能耗的关键环节。 2)数据链路层主要负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。目前对无 线传感器网络数据链路层的研究集中在媒体访问控制子层(MAC),它决 定无线信道的使用方式,对网络的性能有非常大的影响。 3)网络层主要负责路由生成和路由选择,实现节点与节点问的数据转发 4)传输层主要负责数据流的传输控制,是保证通信服务质量的重要部分 5)应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。 2.管理平台 主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理,它包括了拓扑 控制、能量管理、网络管理等。 1)拓扑控制平台负责保持网络连通和数据有效传输。传感器节点被大量密集 山东大学硕士学位论文部署在监测区域,为了节省能量,延长网络生存时间,部分节点将按照某 种规则进入休眠状态。拓扑管理的目的就是在保持网络连通和数据有效传 输的前提下,协调网络中各个节点的状态转换。 2)能量管理平台负责控制节点对能量的使用。在WSN中,电池能量是各个 节点最宝贵的资源,为了延长网络生存时间,必须有效地利用能量 31网络管理平台负责网络维护、诊断,并向用户提供网络管理服务接口,通 常包含数据收集、数据处理、数据分析和故障处理等功能。 3.应用支撑 建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础上,它包括一系列给予检测任 务的应用层软件,通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供具体的应 用支持。 1)时钟同步技术。由于晶体振荡器频率的差异及诸多物理因素的干扰,无线 传感器网络各节点的时钟会出现时间偏差。而时钟同步对于无线传感器网 络非常重要,如安全协议中的时间戳、数据融合中数据的时间标记、带有 睡眠机制的MAC层协议等都需要不同程度的时钟同步。 2)定位技术。无线传感器网络采集的数据往往需要与位置信息相结合才有意 义。由于其具有低功耗、自组织和通信距离有限等特点,传统的基于GPS 的算法不再适用,需要开发新的定位算法。在无线传感器网络中,通常使 用三边测量法、三角测量法和极大似然估计法来计算未知节点的位置。 2.2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兴的研究热点,有非常多的关键技术f7】有 待发现和研究,下面仅列出部分关键技术。 1.网络协议 由于传感器节点的处理能力、存储能力和通信能力都十分有限,每个节点只能 获取局部网络的拓扑信息,其上运行的网络协议也不能太复杂。另外,无线传感 器网络的拓扑结构具有比较高的动态性,这也对网络协议提出了更高的要求。网 络协议负责使各个独立的节点通过自组织的方式形成一个多跳的数据传输网络, 10 山东大学硕士学位论文 目前研究的重点是路由协议和MAC协议。路由协议决定数据的传输路径;MAC 协议决定通信介质的使用方式,控制传感器节点的通信过程和工作模式。 2.网络安全 无线传感器网络要想真正投入应用,除了能够完成基本的数据传输外,还必须 保证数据的机密性和可靠性。由于无线传感器网络受到的安全威胁不同于传统的 网络,所以无法直接应用现有的网络安全机制,必须针对无线传感器网络的特性 开发专门的协议。目前主要存在两种思路,一是从维护路由安全的角度出发,寻 找尽可能安全的路由以保证网络的安全;二是把重点放在安全协议方面,如点到 点的消息认证、完整性鉴别、认证广播、水印技术等。 3.数据融合 传感器节点的能量非常有限。减少传输的数据量能够有效地节省能量,因此在 数据收集的过程中,可以利用节点的本地计算能力和存储能力对数据进行预处理, 去除冗余信息,从而达到节省能量的目的。另外,由于传感器节点的易失效性, 无线传感器网络也需要通过数据融合技术对多份数据进行综合,提高信息的可信 度。数据融合技术可以与无线传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层可 以利用分布式数据库技术,对采集到的数据进行逐步筛选;网络层的很多路由协 议均结合了数据融合机制,以期减少数据传输量:此外,还有研究者提出了独立 于其他协议层的数据融合协议层,通过减少MAC层的发送碰撞和头部开销达到节 省能量的上次,同时又不会损失时间性能和信息的完整性。 4.数据管理 无线传感器网络是一个以数据为中心的网络,从数据存储的角度可把其看作来 自物理世界的连续数据流组成的大型分布式数据库。在此基础上的数据管理系统 主要负责监测数据的组织和管理,以及对来自用户或应用程序的查询请求进行应 答。无线传感器网络的数据管理技术包括数据管理系统的体系结构、数据存储与 索引技术、数据模式、查询处理及优化技术等。 5.移动控制 无线传感器网络中的部分节点可能经常会根据用户要求进行移动,所以需要移 动控制技术来发现、跟踪和控制节点的移动,维护移动节点到汇聚节点的路由和 山东大学硕士学位论文 网络拓扑。由于无线传感器网络是一种分布式多跳网络,不同于手机网络等传统 网络,其中不存在基站等基础设施,所以新的具有针对性的移动控制技术有待进 一步开发。 2.3无线传惑器网络的应用及面临的挑战 2.3.1无线传感器网络的应用 无线传感器网络在军事、国防、工农业、城市交通、医疗卫生、智能家居、空 间探索、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程检测等许多领域都有重要的研究价 值和巨大的实用价值,已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的 极大关注,被认为是未来改变世界的十大技术之一、全球未来四大高技术产业之 1.军事应用无线传感器网络的研究最早起源于军事领域。由于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应用。通过 飞机或者炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部或者作战区域,就能够近距 离地收集战场信息,实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监视、目标的定 位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。即使网络中的一部 分传感器节点被敌方破坏,剩下的节点依然能够自组织地形成网络,具有较强的 生命力。 2.环境监测 随着人们对环境的日益关注,需要采集的环境数据越来越多,无线传感器网络 的出现为随机性的研究数据获取提供了便利,并且避免了传统数据采集方式给环 境带来的侵入式破坏。它在环境研究方面有广泛的应用,如在精细农业中可用于 监测农作物灌溉情况、土壤空气情况、病虫害情况等,还可以通过跟踪候鸟和昆 虫的迁移进行种群复杂度的研究等。 3.医疗护理 无线传感器网络在医疗研究和健康护理方面也可以大展身手。如果在住院病人 12 山东大学硕士学位论文 身上安装特殊用途的传感器节点,医生就可以随时对被监护病人的各项生理指标 进行远程监控,一旦发生危急情况可在第一时问实施救助,从而减轻了护理人员 的负担,提高了护理质量。另外,还可以利用无线传感器网络长时间地收集人体 的生理数据,促进对人体活动机理的研究和加速新药品的研制,而安装在被监测 对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。总之,无线传感 器网络将为未来的远程医疗提供更加方便、快捷的技术实现手段。 4.智能家居 在家电和家具中嵌入传感器节点,通过无线网络与Internet连接在一起,将会 为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。例如可利用远程监控 系统完成对家电的远程遥控;通过图像传感设备随时监控家庭安全情况等。 5.建筑物健康状况监测 通过将传感器节点放置在建筑结构内,可以实现对建筑物安全状态的监测。与 传统的检测方法相比,无线传感器网络对于建筑物损坏、退化等现象的监测具有 更高的实时性和更强的预警能力。尤其是在交通管理方面,无线传感器网络的应 用会很大程度地减少由于桥梁断裂等造成的生命财产损失。 23.2面临的挑战 虽然无线传感器网络在许多场合都展现出了广阔的应用前景,但是目前的研究 还不够成熟,仍然存在很多问题和挑战,要想真正将其投入商业应用,还有较长 的路要走。 1.低能耗 传感器节点通常由电池供电,电池容量一般不会很大。由于传感器节点数目众 多,且多长期工作在无人值守的环境中,给节点充电或更换电池不太现实,电池 能量一旦用完,节点也就失去了作用。这就要求在网络运行过程中,每个节点都 要最小化自身的能量消耗,获得最长的工作时间。所以无线传感器网络协议的开 发一般都以能量效率为第一指标。 2.实时性 在许多监测任务中,某个事件的发生只在特定的时刻具有重要的意义,所以无 13 山东大学硕士学位论文 线传感器网络的应用大多有实时性的要求。网络需要在最短的时问内对事件作出 反应,反应时间越短,说明系统性能越好。 3.低成本 组成无线传感器网络的节点数目众多,单个节点的价格将严重影响整个系统的 成本及其推广应用。为了降低成本,通常每个节点只拥有十分有限的资源,这就 限制了它的计算能力、存储能力和通信能力,对通信协议的设计开发提出了更高 的要求。 4.安全和抗干扰 由于单个节点资源的限制,无线传感器网络将经受更高于传统网络的安全威 胁。如何以更高的能量效率完成数据加密、身份认证、入侵检测以及在存在恶意 破坏干扰的情况下可靠地完成数据传输任务,也是无线传感器网络研究面临的一 个重要挑战。 5.协作性 单个传感器节点的数据具有较低的可信度,往往不能全面正确地描述要观测的 现象。通常需要将多个传感器节点的数据进行汇总、融合,从而获得比较精确的 对于物理世界的内容描述。如何建立节点间的协作关系,也是无线传感器网络研 究的热点问题。 2.4本章小结 无线传感器网络作为一种新兴的信息获取技术,越来越受到大家的广泛关注。 本章简单介绍了无线传感器网络的基本概念、体系结构及关键技术,并讨论了无 线传感器网络的应用Ij{『景及面临的挑战。 14 山东大学硕士学位论文 第三章无线传感器网络的MAC协议 在传统的无线网络中,MAC协议的设计主要以高吞吐量、高公平性、低延时 等为目标,而不考虑节点能量及处理能力问题。但无线传感器网络作为一种特殊 的无线网络,有其自身的特点,如节点结构简单、能量及处理能力十分有限等。 另外,无线传感器网络也不同于一般的AdHoc网络【3】,由于能量耗尽、恶意破坏 等造成的节点失效率比较高,节点移动性通常也不是很高。由于这些原因,无线 传感器网络的MAC协议设计一般都以最大化网络生存时间为目的,以获得更多的 监测数据和更可靠的信息。也就是说,在设计无线传感器网络的MAC协议时,需 要将最小化节点能量消耗为首要目标,而把吞吐量、公平性、延时等指标放在次 要的位置。所以,目前针对传统的无线网络和AdHoc网络开发的MAC协议并不 能直接应用于无线传感器网络,新的与具体应用相关的无线传感器网络MAC协议 需要进一步开发和研究。 3.1无线传感器网络MAC层的能耗分析 无线传感器网络节点最大的耗能部件是无线通信模块,无线通信模块的工作状 态包括发送状态(Transmitting)、接收状态(Receiving)、侦听(Listening)状态 和睡眠(Sleeping)状态。无线通信模块在发送状态的能耗最多,在睡眠状态的能 耗最少,在接收状态和侦听状态的能耗略低于发送状态。基于上述原因,无线传 感器网络MAC协议通常采用“侦听/睡眠”交替的无线。 MAC层直接控制无线信道的共享方式和节点状态切换的时机,因此它对节点 能耗影响重大,直接关系到节点的生存时间。通常,造成无线传感器节点能量浪 费的因素[91有以下几个: 1)空闲侦听(IdleListening)。节点无法确定邻居节点向其发送数据的时机, 所以一直处于侦听状态随时准备接收数据,但在这个状态,并没有实际上 接收到任何数据,所以造成了大量的能量消耗。这是导致能量浪费的主要 原因。 2)碰撞(Collision)。由于收发调度不当、基于竞争访问信道等原因导致两个 山东大学硕士学位论文 或多个源节点同时向同一个目的节点发送数据包时,在目的节点处就会产 生碰撞,接收到的数据包无法再被识别。碰撞会使目的节点的数据接收和 源节点的数据发送都变得无效,浪费了能量,如果采用重传策略,将会消 耗更多的能量。 3】窃听(Overhearing)。无线信道是一个广播介质,虽然单播的数据包有一 个源节点和一个目的节点,但如果源节点的所有相邻节点均处于侦听状 态,则每个邻居节点均可以侦听到数据包的传输,只是除了目的节点外的 其他节点丢弃了收到的数据包而已,称这些节点窃听了传输的数据包。对 于密集部署的无线传感器网络而言,这部分能耗也是相当可观的。 4)控制报文开销(Contr01.PacketOverhead)。RTS、CTS等控制消息以及数 据包的首部和尾部都不包含实际数据,因此可认为是一种损耗。因此,为 了节省能量,应尽可能减少控制消息,并精简数据包的首部和尾部。 5)过度发送(Overemitting)。由于状态切换不当、时间同步误差等原因,源 节点在目的节点没有准备好接收时发送了数据,需要再次发送,浪费了能 以上各因素造成的能耗依次减少,在无线传感器网络MAC协议设计的过程中应有重点地避免以上问题的出现,尽可能地节省能量,延长网络生存时间。 3.2无线传感器网络MAC协议的设计原则 根据无线传感器网络所面向的实际应用的特点,MAC协议在设计时一般要考 虑以下问题【10】: 1)能量效率。传感器节点多以电池供电,能量有限。为了最小化节点能量消 耗,延长整个网络的生存时间,从而更好地完成监测任务,MAC协议应 尽可能减少由于上节提到的各因素造成的能量浪费;另外,应保证节点具 有较低的活动占空比,使其大部分时间处于睡眠状态,从而节省能量。这 是无线传感器网络协议设计的核心问题。 2)可扩展性。无线传感器网络的工作环境通常比较恶劣,一些节点可能因为 外部破坏或自身能量耗尽而退出网络,一些节点可能按需要被加入网络, 16 山东大学硕士学位论文 MAC协议必须能够快速正确地处理这两种情况;同时,网络中的部分节 点可能具有一定的移动性,这些都会造成网络拓扑结构的动态变化。MAC 协议负责搭建无线传感器网络通信系统底层基础结构,必须能够适应网络 规模、网络负载和网络拓扑的动态变化,使所有节点尽快组织成网,稳定 高效地执行监测任务。 3)网络效率。网络效率是网络各种性能的综合,包括网络的吞吐量、延时、 公平性、QoS等。在无线传感器网络MAC协议的设计中,较能量效率和 可扩展性,它被放在了次要的位置。无线传感器网络应用广泛,不同的应 用场景对网络的各种性能提出了专门的要求,所以MAC协议的设计需要 根据特定的应用在各种网络性能之间做一个折中。 4)算法复杂度【71。无线传感器网络的处理能力和存储能力受限,因此MAC 协议应针对具体应用,在保证网络基本性能的前提下,尽可能地降低复杂 以上各原则的重要性依次递减,与传统无线网络MAC协议的设计原则有所区别,但这也不是绝对的,在实际操作中往往需要充分考虑具体的应用需求,在各 个设计原则之问取得平衡。 3.3无线传感器网络MAC协议的分类 按照上节所述的设计原则,研究人员从不同角度入手,在传统无线MAC协议 的基础上进行改进和创新,提出了多种针对无线传感器网络的MAC协议。通常, 无线传感器网络的MAC协议有以下几种分类方式p】: 1)按照控制方式可分为集中式MAC协议和分布式MAC协议。前者类似GSM 网络,需要一个控制中心;后者是无中心、自组织的,网络内节点地位平 2)按照使用的信道数目可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。前者节点结构及协议操作简单,但是信道利用率非常低,而且节点间干扰严重; 后者对节点硬件要求较高,需要一定的信道分配策略,但是使用多个信道 可以有效地解决节点间干扰问题,并能够提高网络吞吐量、减小网络延时。 17 山东大学硕士学位论文 3)按照信道分配方式可分为随机访问的MAC协议、基于竞争的MAC协议、 基于时序调度的MAC协议和混合型MAC协议。 随机访问的MAC协议采用最原始的信道使用方式。节点只要有数据 就向无线信道发送,而不考虑当Ij{『的信道使用情况,因此碰撞和能量 浪费非常严重。 基于竞争的MAC协议采用按需使用信道的方式。当节点要发送数据时,首先会侦听无线信道,如果信道忙就延迟发送,否则就抢占无线 信道进行发送;如果发生碰撞,就按照某种策略进行重传。其优点是 不需要复杂的时间同步,能较好地满足网络负载和网络拓扑的变化; 缺点是网络负载较重时,碰撞和重传发生的机率会提高。 基于时序调度的MAC协议采用固定的信道使用方式。通常将时间按帧划分,每个帧包括多个时间片,称为时隙,给每个节点分配一个或 多个时隙。节点只能在属于自己的时隙内发送数据,在其他时隙内接 收来自邻居节点的数据或者睡眠。其优点是无碰撞,能够适应数据量 比较大的场合;缺点是需要比较严格的时间同步,并可能引入较大的 延时。 混合型MAC协议是指结合了TDMA与FDMA或者TDMA与CDMA的协议,它通常会兼具两者的优点,但一般复杂度较高。 本文将重点讨论一种结合了TDMA和FDMA的混合型MAC协议,该协议的 主要目标是在保证能量效率的同时,提高网络的吞吐量,减小节点间干扰。 3.4典型的单信道MAC协议 出于功耗等方面的考虑,最初的传感器节点结构非常简单,通常只配备一个无 线收发器,且只支持单信道操作。目前,研究人员已经对基于单收发器单信道的 无线传感器网络MAC协议进行了深入的研究,获得了大量的研究成果‘91。 3.4.1SMAC协议 18 SMAC(SensorMAC)协议【1u是较早提出的一种基于竞争的无线传感器网络 山东大学硕士学位论文 MAC协议,它假设网络内部能够进行数据处理以减少通信量,节点有较长的空闲 时间,网络可以容忍一定的延时。协议重点关注系统范围的应用性能而不是公平 性指标,其设计目标是减少能量消耗,同时提供良好的可扩展性并避免碰撞。为 了避免过多的能量消耗,它主要采用了三种机制。 1.周期性侦听和睡眠 在许多无线传感器网络应用中,如果没有事件发生,节点会有较长的空闲时间。 在这段时间内,数据率一般非常低,所以节点没有必要一直处于侦听状态,而最 好采用侦听和睡H民交替的工作模式,如图3.1所示。当然,为了便于相互通信,相 邻节点之间应该尽量保持侦听/睡眠调度周期的同步。 时间 图3—1周期性侦听和睡眠 每个节点在开始周期性地侦听和睡眠之前,需要选择自己的调度,并广播给它 的邻居节点;同时维护一个调度表,保存所有邻居结点的调度信息。节点按照以 下方式选择自己的调度和确定调度表。 11节点首先侦听一段时间,如果没有收到其他节点的调度信息,则随机选择 一个时间进入睡眠,并立即广播。 2)如果节点在选择自己的调度之前收到一个邻居节点的调度信息,则将自己 的调度周期设置为与该邻居节点相同,然后随机等待一段时间进行广播。 3.)如果节点在选择并广播了自己的调度之后收到了一个不同的调度,则将同 时采用这两种调度,即节点在两种调度的侦听周期内都会醒来,最后广播 这个调度信息。 这样,具有相同调度的节点就会形成一个虚拟簇,边界节点会记录两个或多个 调度,如图3—2所示。 节点间靠发送SYNC包来更新调度以保持同步。SYNC包非常小,通常包含源 节点的地址和下次睡眠时间。为了使节点能够接收SYNC包和实际的数据包,侦 19 山东大学硕士学位论文 听周期被分为两部分。第一部分用来接收SYNC包,第二部分用来接收数据包。 每个节点周期性地发送SYNC包,这样新加入的节点也能够快速确定自己 的调度。 调度1 调度2 图3-2SMAC协议的虚拟簇 2.碰撞和窃听避免 与IEEE802.11标准【12】类似,SMAC协议利用虚拟和物理载波侦听以及 RTS/CTS交换来避免碰撞;同时,RTS/CTS机制也被用来处理隐藏终端问题‘BJ。 广播包的发送不需要RTS/CTS,单播包从发送端到接收端要经历 RTS/CTS/DATA/ACK的通信过程。 SMAC协议通过使干扰节点在接收到RTS或CTS包后进入睡眠状态来避免窃 听。如图3.3所示,节点A、B、C、D、E组成一个简单的多跳网络,各个节点只 能跟它的直接邻居通信。假设节点C正向节点D发送一个数据包,现在的问题就 是确定哪些节点应该进入睡H民状态。显而易见,节点E应该进入睡眠状态,因为 它的发送会与节点C的发送在节点D处发生碰撞。如果节点B也恰好向节点A发 送了RTS,那么节点A向节点B发送的CTS会与节点C的发送在节点B处发生 碰撞,所以节点B也应该进入睡眠状态。总之,发送者和接收者的所有直接邻居 在侦听到RTS或CTS包后都应该进入睡眠状态,直到当前的发送结束为止。 3.消息传递 图3-3SMAC协议的窃听避免机制 山东大学硕士学位论文 SMAC协议对于长消息的处理,是将其分割成多个小数据片,利用一个 RTS/CTS预留足够长的时间,然后将这些小数据片突发传送。发送端每发送完一 个数据片,都会等待接收方的ACK应答,如果没有收到应答,则重传这个数据片。 3.4.2TMAC协议 TMAC(TimeoutMAC)协议是在SMAC协议基础上提出来的。SMAC协 议采用固定的活动/睡眠占空比,这对于减少空闲侦听时间来说并不是最优的,因 为它不能很好地适应消息速率的变化。TMAC协议的作者认为,能量消耗是MAC 协议设计的主要指标,在多个造成能量浪费的因素中,空闲侦听是最重要的角色。 TMAC协议通过动态结束节点的活动周期来获得自适应的占空比,从而进一步缩 短了节点的空闲侦听时间。 1.基本思想 节点只要处于活动周期,就保持侦听信道或者发送数据。如果在一个时间TA 内节点没有检测到任何激活事件,则活动周期结束。激活事件的定义如下: 通过侦听RTS和CTS包,确认邻居节点的数据交换已经结束。TA决定了每个节点在一个调度周期内中进行空闲侦听的最短时间。 f11个私图3-4TMAC协议与SMAC协议的比较 图3-4说明了TMAC协议的基本思想,并与SMAC协议进行了对比。图中向 21 山东大学硕士学位论文 上的箭头表示发送消息,向下的箭头表示接收消息。可见TMAC协议是在每个活 动周期的开始以突发方式发送所有数据,从而减少了空闲侦听的时间。 2.早睡问题 在采用周期性调度的MAC协议中,如果一个节点在邻居节点仍然要向其发送 数据时进入了睡眠状态,这种现象称为早睡。通常无线传感器网络中的数据是由 源节点传输到汇聚节点,这是一种典型的非对称通信。如图3.5所示,假设只有相 邻节点间可以通信,且数据传输方向为A—B—C—D。现在考虑节点C,它每次 向节点D发送数据前都要竞争信道,并且可能由于节点A或节点B的发送而放弃 竞争。如果节点C由于收到来自节点B的RTS包而放弃竞争信道,它会回复一个 CTS包,这个CTS包同时可以被节点D收到。这种情况下,节点D会在节点B 和C的通信结束后醒来。然而,如果节点C由于窃听到了节点B发给节点A的 CTS包而放弃竞争信道,它会进入睡眠状态直到A和B之间的通信结束。但是节 点D并不知道节点A和节点B正在通信,它保持侦听TA时间后,活动周期结束, 转而进入睡H民状态。只有在下一帧的开始节点C才可以再次向节点D发送数据。 图3—5早睡问题TMAC协议提出了两种解决早睡问题的方法。下面对这两种方法进行介绍。 1)Futurerequest-to send 第一种方法是未来请求发送(Futurerequest-to.sendFRTS)。如图3-6所示, 节点C在收到节点B回复给节点A的CTS包后,便立即发送一个FRTS包,其中 包含节点D接收数据前需要等待的时间长度。由于节点C向节点D发送的FRTS 山东大学硕士学位论文 包会干扰到节点A向节点B发送的数据包,所以节点A要推迟一个FRTS时间后 再发送数据。在此期间,节点A通过发送一个DS包来保持信道占据,DS包中不 包含有效数据。由于采用了FRTS机制,TA需要增加一个CTS时间。FRTS方法 可以有效地提高吞吐量,但是会稍微降低能量效率。 FRTSRTS 图3-6未来请求发送2)Full—bufferpdofft), 第二种方法是满缓冲区优先(Fdl.bufferpfiofit),)。当节点的发送缓冲区接近占 满时,它就不会对接收到的RTS包回复CTS包,而是发送自己的RTS包,以建立 数据传输。如图3.7所示,节点C收到节点B发给它的RTS包后,由于其缓冲区 快要占满,所以不回复CTS包,而是向节点D发送自己的RTS包,然后将缓冲区

  电路与系统专业论文基于子网划分和时序调度的无线传感器网络多信道MAC协议的研究

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