（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络中基于分簇的mac层节能研究.pdf

中文摘要 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成， 通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。随着传感器技术、微电子系统、 现代网络和无线通信等技术的发展，以体积小、成本低、具有数据收集、短距 离无线通信和数据处理能力的传感器节点为基础，无线传感器网络在环境监测、 军事、工业控制、医疗健康等领域有着广阔的应用前景。传感器能量受限的特 点，使无线传感器网络区别其他网络把能量有效放到所有问题的首要位置。因 此如何降低无线传感器网络的能耗是目前该领域研究的热点问题。 无线传感器网络中，介质访问控制协议( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 规 定了无线信道的使用方式，对传感器网络得性能有较大影响，是无线传感器网 络能量损耗的关键网络协议之一。经过专家的研究发现良好的分簇结构能够提 高m a c 协议的效率，为数据融合等很多方面提供基础，降低无线传感器网络 的整体能耗，延长网络生存时间，因此分簇结构可以作为降低m a c 协议能耗 的一个解决方案。 本文在对不同类型m a c 协议进行了介绍，并分析了m a c 层的能耗原因， 如网络串音、空闲侦听、碰撞冲突及控制信息过多。针对上述原因，本文提出 了一种簇结构的m a c 层节能算法( m e a c ) ，该算法围绕m a c 层节能的目标， 通过簇结构的各个环节采用相应的策略来降低m a c 层的能耗。m e a c 算法采 用d c h s 的簇头选取策略来均衡网络能耗，在稳定工作阶段对簇内时槽进行动 态分配来避免网络串音和空闲侦听等问题，并引入数据加权系数，增加敏感数 据的时槽长度。然后簇内节点所需传输数据进行无损失数据融合，减少控制信 息等冗余数据。使用n s 2 仿真平台对m e a c 算法的各个部分进行验证，结果 显示m e a c 算法降低了能耗达到了能量有效的目标。 最后总结本文的工作，并对以后的工作进行了展望。 关键字：无线传感器网络，节能，m a c 协议，分簇 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc o n s i s to fal a r g eq u a n t i t yo fl o w - - c o s tm i c r o 。s e n s o r n o d e st h a ta r ed e p l o y e di nt h em o n i t o r i n gr e g i o n ，a n dt h en o d e sf o r mam u l t i - h o p a d h o cn e t w o r k st h r o u g ht h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d e w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fs e n s o rt e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c ss y s t e m s ，m o d e mn e t w o r k i n g ，a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , o nt h eb a s i so fs m a l ls i z e ，l o wc o s t ，d a t ac o l l e c t i o n ， s h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dd a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo f s e n s o rn o d e s ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，m i l i t a r y , i n d u s t r i a lc o n t r o l ， m e d i c a la n dh e a l t ha n do t h e rf i e l d sh a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s b e c a u s eo f e n e r g y - c o n s t r a i n e d ，e n e r g y - e f f i c i e n ti so fp r i m a r yi m p o r t a n c et o w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sb u tn o to t h e rn e t w o r k s s oh o wt or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sr e s e a r c hi nt h i sf i e l di sah o ti s s u e i nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，m a cp r o t o c o l ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) d e f i n e st h eu s em o d eo fw i r e l e s sc h a n n e l ，w h i c hm a yh a v eag r e a ti m p a c to nt h e p e r f o r m a n c eo fs e n s o rn e t w o r k s ，a n dm a cp r o t o c o li so n eo ft h ek e yn e t w o r k p r o t o c o l so fe n e r g yc o n s u m p t i o n e x p e r t sf o u n dt h eag o o dc l u s t e rs t r u c t u r ec a n i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm a cp r o t o c o l s ，p r o v i d eb a s i sf o rd a t aa g g r e g a t i o na n d m a n yo t h e ra s p e c t s ，r e d u c et h eo v e r a l le n e r g yc o n s u m p t i o no fw i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s ，e x t e n dt h es u r v i v a lt i m eo fn e t w o r k s t h e r e f o r ec l u s t e rs t r u c t u r ec a nb e u s e da sas o l u t i o nt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o no fm a cp r o t o c 0 1 a f t e ri n t r o d u c i n gs o m ed i f f e r e n tm a c p r o t o c o l si nt h i st h e s i s ，a n da n a l y z i n g e n e r g yf a c t o r so fm a cl a y e r , s u c ha so v e r h e a r i n g ，i d l el i s t e n i n g ，c o l l i s i o nc o n f l i c t a n de x c e s s i v ei n f o r m a t i o no fc o n t r 0 1 f o rt h ea b o v er e a s o n s ，t h i st h e s i sp u r p o s e sa c l u s t e rs t r u c t u r eo fe n e r g y - e f f i c i e n tm a cl a y e ra l g o r i t h m ( m e a c ) ，t h i sa l g o r i t h m a i m st os a v ee n e r g yo ft h em a c l a y e r , a n de v e r ya s p e c to fc l u s t e rs t r u c t u r ea d o p t s c o r r e s p o n d i n gs t r a t e g yt or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fm a cl a y e r m e a c a l g o r i t h m u s e dd c h sc l u s t e r - h e a ds e l e c t i o nt ob a l a n c en e t w o r k se n e r g y c o n s u m p t i o n ，i nas t a b l es t a g eo fn e t w o r k s ，t i m es l o t sa r ed y n a m i c a l l ya l l o c a t e dt o s e n s o rn o d e st oa v o i do v e r h e a r i n ga n di d l el i s t e n i n gi s s u e s ，a n dt h et h e s i si n t r o d u c e s i i d a t aw e i g h t i n gc o e f f i c i e n tt oi n c r e a s et h et i m es l o tl e n g t ho fs e n s i t i v ed a t a t h e n ， l o s s l e s sa g g r e g a t i o ns t r a t e g yi su s e dt oh a n d l et h ed a t at h a tc l u s t e r i n gn o d e sn e e dt o t r a n s m i t ，i no r d e rt or e d u c ec o n t r o li n f o r m a t i o na n do t h e rr e d u n d a n td a t a u s i n gn s 2 s i m u l a t i o np l a t f o r mv e r i f ym e a ca l g o r i t h mv a r i o u sp a r t s ，t h er e s u l ts h o w st h a t m e a ca l g o r i t h mr e d u c e se n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e a c h e st h eg o a lo fe n e r g y e f f i c i e n t f i n a l l y , t h i st h e s i sg i v e sas u m m a r ya n dp r o s p e c tt h a tt h ew o r k sh a v eb e e n c a r r i e do u ta n dt ob ec a r r i e do u ti nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，e n e r g ys a v i n g ，m a cp r o t o c o l ，c l u s t e r i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：曼丕日期：兰岁f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：蓝墨导师( 签名) ：l 塑耋圣旦日期：。兰呈王： 研究生( 签名) ： 皓丕 导师( 签名) ： j14 匕日期：兰呈l 兰 武汉理上人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及现状 近年来随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功 耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理 和无线通讯等多种功能。无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 是 由大量具有无线通信功能的微传感器节点以自组织方式组织起来的网络。它采 用a dh o c 方式配置大量微传感器节点，通过节点的协同工作来采集、处理和传 递网络覆盖区域中的被监测目标的相关信息。传感器节点可以连续不断地进行 数据采集、事件检测、事件标识、位置监测和节点控制，传感器节点的这些特 性和无线连接方式使得无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于 军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监 控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的 安全监测等领域。传感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注，美国 和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家 自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。随着无 线传感器网络的深人研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活 的各个领域。 美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究， 加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了传感器 网络的研究。我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、 计算机所、电子所、自动化所、和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工 业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、和国防科技大学等院校在 国内较早的展开了传感器网络的研究并有很多的院校和科研机构加入到该领域 的研究工作中来。无线传感器网络研究领域众多，其中的网络协议m a c 层协议 是这些领域中的重点研究对象。到目前为止，国际上有许多专门为无线传感器 网络设计的m a c 层协议。这些协议一般都是根据传感器网络的特点的针对能量 有效性提出的，由于侧重点有所不同，所以被划分为不同类型，主要有基于竞 武汉理t 大学硕士学位论文 争的m a c 协议、基于固定分配的m a c 协议、混合型的m a c 协议，及其他一 些m a c 协议【1 3 】。 1 2 研究的目的与意义 我国十分重视无线传感器网络的研究。“中国未来2 0 年技术预见研究”提 出的1 5 7 个技术课题中有7 项直接涉及无线传感器网络。2 0 0 6 年初发布的国 家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了3 个前沿方向，其中两 个与无线传感器网络研究直接相关。国家自然科学基金委员会已经在该领域设 立了多个重点项目。 无线传感器网络是由低能量、低能耗的微传感器节点以组织起来的网络。 由于无线传感器网络能量受限特点的需要，传统网络上成熟的协议和算法对传 感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。针 对传感器网络特点各个研究机构和大学已经分别对各层设计了很多协议及算 法，由于m a c 协议的设计对无线传感器网络的能量有效性有着密切的关系，在 无线传感器网络中，介质访问控制m a c 协议决定了无线信道的使用方式，通过 在传感器节点之间分配。有限的无线通信资源束构建传感器网络的底层基础结 构。m a c 协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影 响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。降低m a c 协议的能 耗对降低无线传感器网络的能耗有着非常关键的作用。 在当前无线传感器网络m a c 协议节能算法的研究中，广泛采用的方式是 优化信道调度，包括增加节点的休眠时间，减少节点对信道的侦听控制节点串 音，减少冲突重传现象和降低控制开销等方法。但在这些方法中，往往只是在 一个方面降低了节点能耗，而又增加了在另一个方面控制节点能量开销的难度， 信道调度没有形成最佳能耗性能。 无线传感器网络m a c 协议对生命周期、网络时延等性能有很大的影响。正 因为如此，无线传感器网络的m a c 协议的节能算法的重要性就不言而喻了，提 高m a c 层的能量使用效率，是具有现实意义的。 2 武汉理i ：人学硕士学位论文 1 3 本文的组织结构 本文结构安排如下： 第一章是绪论部分，在这一部分中，主要介绍了课题的研究背景、研究目 的与意义以及文章的主要研究工作和章节结构。 第二章对无线传感器网络m a c 协议的特点进行分析，对m a c 层协议划 分为三类，基于信道竞争的m a c 协议、基于固定分配的m a c 协议、混合型 的m a c 协议。分析m a c 层能耗的主要原因如信道碰撞、网络串音、空闲侦 听、控制开销、无效数据。并介绍了数据有效性问题又次生出网络串音、信道 碰撞等问题。在介绍分数据融合后提出使用m a c 层数据融合的方式来解决上 述m a c 层能耗问题，最后引入分簇算法介绍为下章整个本文算法的提出提供 理论背景。 第三章本章提出了一种基于m a c 层数据融合的分簇算法。应对能耗原因 提出了本文的簇结构的网络模型，从簇头的选取、簇的形成、稳定工作阶段时 的信道分配，及簇内节点的数据融合设计，围绕节能这个中心点详细的设计各 个环节部分，最后提出本文的算法m e a c 算法。以簇结构的形式结合数据融合 的方式。 第四章介绍了网络仿真及n s 2 ，分别对本文提出算法的各个部分进行对 比仿真，最后通过仿真结果验证该算法的节能效果。 第土章对全文的工作进行了总结，并对本文后续还需继续的研究方向作了 展望。 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章m a c 层协议与分簇算法研究 2 1 无线传感器网络m a c 协议 介质访问控$ i j ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) m 】协议的功能是在实现信道复 用的同时，保障链路通信的可靠性。无线传感器网络中，成千上力的节点在传 感区域内随机分布，m a c 协议要在节点之间建立链路，保证所有的节点可以公 平、有效的利用有限的带宽。无线传感器网络( w s n ) 的特性和应用促使其m a c 层协议与传统的无线m a c 层协议在许多方面不同，其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。传统的无线网络内，主要的评价指标 有吞吐量、带宽利用率、公平性和延时等，但对于无线传感器网络来说，能量 效率是第一位的，有时甚至不惜牺牲其他方面，来获得更高的能量效率。 m a c 层处于w s n 网络通信协议的底层部分，以解决w s n 网络中节点以 怎样的规则共享媒体才能取得满意的网络性能问题。w s n 网络的吞吐量、时延 等性能，与所采用的m a c 协议直接相关。近年来，研究人员根据无线传感器 网络上述的特点及其与现有网络的区别，并且提出了众多专用于无线传感器网 络的m a c 协议。 2 2m a c 协议概述及分类 传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等性能有限，单个节点的功能 较弱，而传感器网络的整体性能是有众多节点协作而实现的。多点通信在局部 范围需要m a c 协议协调之间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协 议选择通信路径。在设计无线传感器网络的m a c 协议时，需要着重考虑以下 几个方面： ( 1 ) 节省能量 无线传感器网络的基本特征就是能量的局限性。节点一般是以干电池、纽 扣电池等提供能量，而且电池的能量通常难以进行补充。在无线传感器网络中， 无自动补充或补充不足，节约能量成为传感器网络m a c 协议设计首要考虑的 4 武汉理t 大学硕士学位论文 因素【5 j 。 ( 2 ) 可扩展性 由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化， 节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓 扑结构具有动态性。m a c 协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓 扑结构。 ( 3 ) 最小时延 时延为数据包在端到端传输过程中的耗时。网络中部分数据报具有时效性； 传感器节点之间为了节省能量，部分协议要求节点之间保持工作频率的一致， 而数据时延问题会影响到这种一致性。因此，m a c 协议需要保证数据在最迟 截止时间之前发送给接收节点。无线传感器网络的时延主要来自节点的周期休 眠，休眠导致数据包在节点内的滞留而带来休眠时延，降低时延应尽量缩短数 据包在节点内的滞留时间。 ( 4 ) 分布式算法 由于w s n 的节点计算能力和存储能力受限，需要众多节点协同完成某应 用任务，所以m a c 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。 ( 5 ) 灵活性 w s n 针对不同的应用显示出了不同的网络特性，m a c 层协议应该能适应 不同应用的各种流量模式。 ( 6 ) 网络效率。 网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。 ( 7 ) 各性能间的平衡 m a c 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h 向，包丢失引起的重传也会反过来影响节能 的效果。 在以上几个方面中，节约能量是传感器网络m a c 协议设计首要考虑的因 素。针对能量受限、网络拓扑结构动态变化等特点以及特殊的通信要求，在无 线传感器网络m a c 协议的研究上，国内外学者提出了很多富有建设性的方案。 武汉理t 大学硕士学何论文 根据网络信道的划分方式，可将现有的无线传感器网络m a c 协议分为以下几 类：基于信道竞争的m a c 协议、基于固定分配的m a c 协议、混合型的m a c 协议等。 2 2 1 基于信道竞争的m a c 协议 基于竞争的随机访问m a c 协议采用按需使用信道的方式，它的基本思想 是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生 了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。典型的基 于竞争的随机访问m a c 协议是载波侦听多路访问( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ， c s m a ) 。无线局域网i e e e 8 0 2 11 m a c 协议【6 】的分布式协调( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) 工作模式采用带冲突避免的载波侦听多路访问 ( c s m a w i t h c o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 协议，它可以作为基于竞争m a c 协 议的代表。在i e e e8 0 2 1 1m a c 协议的基础上，研究者提出了多个用于无线传 感器网络的基于竞争的m a c 协议。 ( 1 ) i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议 i e e e8 0 2 1 1m a c 协议有分布式协调d c f 和点协调( p o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ，p c f ) 两种控制方式，其中d c f 是i e e e8 0 2 1 l 协议的基本访问方式。 d c f 工作方式是基于竞争的，是i e e e8 0 2 1 1 的基本访问控制方式。当节点 检测到无线信道忙时，采用载波侦听多路访问冲突检测( c 枷e rs e n s e m u l t i a c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 幂u 随机退避时间，实现无线信道的共 享。同时，采用立即的主动确认( a c k 帧) 机制，当节点在一定时间内没有收到 a c k 确认帧时，发送方会自动认为数据丢失，随即重传数据。p c f 是基于优先 级的无竞争访问控制方式，采用轮询方式查询当日仃哪些节点有数据需要发送， 并且结合节点的优先级，给予节点数据发送权，通过访问接入点( a c c e s sp o i n t ， a p ) 协调节点的数据收发。 i e e e 8 0 2 11 m a c 协议中通过立即主动确认机制和预留机制来提高性能。在 主动确认机制中，当目的节点收到一个发给它的有效数据帧( d a t a ) 时，必须向 源节点发送一个应答帧( a c k ) ，确认数据己经被正确接收到。为减少节点问使 用共享无线信道的碰撞概率，预留机制要求源节点和目的节点在发送数据帧之 前交换简短的控制帧( 请求帧r t s 和清除帧c t s ) 。在这两个帧中都有一个字段 6 武汉理工大学硕士学何论文 表示这次数据交换需要的时间长度，城为网络分配矢量( n e t w o r ka l l o c a t i o n v e c t o r , n a v ) ，其他帧的m a c 头也会捎带这一信息。n a v 可以看成一个计数器， 当计数器不为零时表示信道忙，这段时间一直被数据交换占用。通过这种方式 为数据传输预留了信道。 ( 2 ) s - m a c 协议 s m a c 协议【7 】是为无线传感器网络设计的新的m a c 协议，沿用了i e e e 8 0 2 1 1 协议的冲突避免方式，除此之外还采用了工作休h 民策略，将时间分为帧， 每一帧内分为工作阶段和休眠阶段。没有通信任务时，节点转入休眠状态，并 缓存采集到的数据；进入工作阶段集中发送数据。其工作原理图如图2 1 所示。 它针对无线传感网络消耗能量的主要环节，采用三方面技术措施减少功耗： n 。n n a l t上t上t上t丁上t t ：一：厂 厂 s m a c t 1 l rt 5 1 e e p s 组1 1 ：r 上t 1 ：ltt 图2 1s m a c 协议工作方式 a ) 每个节点独立调度，周期性地转入睡眠状态，从睡眠状态醒来后进 行监听判断是否需要通信；邻居节点之间尽量周期性同步以保持状 态一致性。 b ) 避免冲突和接收不必要的消息，采用i e e e8 0 2 1 1 的虚拟物理载波 监听机制以及r t s c t s 通告机制。 c ) 消息传递，考虑到传感器网络的数据合并和无线信道不稳定的特点， 将一个长消息分割成几个短消息连续发出。 因此s m a c 具有很好的节能特性，它满足了m a c 层协议对各性能间平衡 的要求，能量和时延之间可以根据流量来进行折中。然而，每个节点的占空比 都相同，没有对能量较少的节点给予保护。另外，虚拟簇技术还有待研究，同 步调度对能量消耗会有很大影响。 ( 3 ) t m a c 协议 7 武汉理工大学硕士学位论文 t - m a c 8 】协议基于s m a c 协议，引入了可调节占空比机制，根据节点流 量，动态调节节点侦听睡眠的时间，采用突发方式发送数据，减少侦听时间。 其工作原理如图2 2 所示。t - m a c 协议中，发送数据时仍然采用 r t s c t s d a t a a c k 的通信过程，节点在给定的时间t a ( t i m ea c t i v e ) 内没有 发生周期性时间溢出、收到新的数据、接收到数据交换结束信号等激活事件， 则活动结束，但同时会引起早睡问题。所谓早睡问题是指在多个传感器节点向 一个或少数几个汇聚节点发送数据时，由于节点在当前t a 没有收到激活事件， 过早进入睡眠，没有监测到接下来的数据包，导致网络延迟。 t - m a c 针对早睡的情况提出了两种解决方案：一种称为未来请求发送 f r t s ( f u t u r et os e n d ) ，其基本思想就是提前联系发送节点。另一种方案称作满缓 冲区优先，具体的思想是当节点的发送缓冲区快满时，优先转发而不是接收， 也就是在这种状态时，节点暂时不响应r t s 。 n 。n n a l t上t上t上t t上t丁 a c 母吒一图2 - 2t m a c 协议工作方式 2 2 2 基于固定分配的m a c 协议 原有的固定分配类m a c 层协议主要有频分复用( f d m a ) 、时分复用 ( t d m a ) 、码分复用( c d m a ) 三种。 f d m a 是将频带分成多个信道，不同节点可以同时使用不同的信道。t d m a 是将一个时问段内的整个频带分给一个节点使用。c d m a 是固定分配方式和随 机分配方式的结合。由于节点的设计要求体积尽量小，因此节点不允许采用复 杂的无线收发装置，而采用f d m a 和c d m a 系统的收发装置均比较复杂。因此， t d m a 方案就成了无线传感器网络中最常用的方案。同时t d m a 方案还要比其 他两种方案节省能量，因为在节点处于非接收，非发送和非感应状态时，可以 使节点处于睡眠状态，大大节省了节点的能量。 武汉理工大学硬士学位论文 由于无线传感器网络的节点非常多，怎样分配节点问通信链路是一个关键 的问题。通常为了减少分配的难度，网络常采用一种层次结构，由本地的一组 节点构成一个簇，由簇头节点为本地节点来分配时槽。所以就有基于分簇网路 的m a c 协议。还有采用数据采集数结构的d m a c 协议，以及d e a n a 协议。 ( 1 ) 基于分簇网络的m a c 协议 文献【9 】提出了基于t d m a 机制韵m a c 协议。如图2 - 3 所以，网络中所有传 感器节点固定划分或自动形成多个簇，每个簇内有一个簇头节点。簇头负责为 簇内所有传感器节点分配时槽，收集和处理簇内传感器节点发过来的数据，井 将数据发送给汇聚节点。 。椁懂* 止蕊生m il l _ _ r - 策 图2 - 3 基于分簇的t d m a m a c 协议 在基于分簇网络的m a c 协议中，节点状态分为感应、转发、感应并转发和 非活动四种状态。节点在感应状态时采集数据并向其相邻的节点发送；在转发状 态时，接收其他节点发送的数据并发送给下一个节点；在感应并转发状态的节点 需要完成上述两项的功能i 节点没有数据需要接收和发送时，自动进入非活动状 态。 为了适应簇内节点的动态变化、及时发现新的节点、使用能量相对高的节 点转发数据等目的，协议将时间帧分为周期性的四个阶段： a ) 数据传输阶段。簇内传感器节点在各自分配的时槽内，发送采集数据给 武汉理工人学硕十学位论文 簇头。 b ) 刷新阶段。簇内传感器节点向簇头报告其当前状态。 c ) 刷新引起的重组阶段。紧跟在刷新阶段之后，簇头节点根据簇内节点的 当前状态，重新给簇内节点分配时槽。 d ) 事件出发的重组阶段。节点能量小于特定值、网络拓扑发生变化等事件 发送时，簇头就要重新分配时槽。 上述基于分簇网络的m a c 协议在刷新和重组阶段重新分配时槽，适应簇内 拓扑结构的变化及节点状态的变化。簇头节点要求具有比较强的处理和通信能 力，能量消耗比较大，如何合理地选取簇头节点是一个需要深入研究的关键问 题。 ( 2 ) d m a c 协议 d m a c ( d a t ag a t h e r i n gt r e e m a c ) 【1 0 】是传感器网络中基于数据聚集树的一 种高效能量和低时延的m a c 层协议。在无线传感器网络中的主要任务是从传感 器节点到接收节点构建一个数据聚集树。d m a c 利用这一数据聚集树结构以实 现高效能量利用率和低的包传输时延。d m a c 根据在树中节点的调度机制，使 其进入激活睡眠状态。这样允许连续的数据传输流，使得在多跳路径上的所有 节点都可以被通知到正在进行的数据传输和任何活动占空比的调整。 当每一个单一源节点执行任务的速率比较低而中间节点的聚合速率高出基 本节点活动占空比可以处理的极限时，可用通过数据预测来解决这一问题。来 自不同父节点的节点间的干扰可能导致任务被阻止，因为在多跳路径上的节点 可能不知干扰冲突的发生。当一个节点由于干扰问题没有把包发往它的父节点 时，m t s ( m o r e t o s e n d ) 包可以命令在多跳路径上的节点保持激活状态。 仿真结果表明在采用了数据聚集树结构后，d m a c 在能量节省和低时延方 面都取得了不错的效果，但在一些需要在任意节点之间进行数据交换的应用中， d m a c 并不适合。 ( 3 ) d e a n a 协议 分布式能量感知节点活动( d i s t r i b u t e de n e r g y a w a r en o d ea c t i v a t i o n ， d e a n a 协议】将时i 、日j 帧分为周期性的调度访问阶段和随机访问阶段。调度访问 阶段由多个连续的数据传输时槽组成的，某个时槽分配给特定的节点用束发送 数据，除目的节点外，其它节点在此时槽处于睡眠状态。随机访问阶段由多个 连续的信令交换时槽组成，用于处理节点的添d i l l 删除和时间同步等。为了进一 l o 武汉理工大学硕士学位论文 步节约能量，在调度访问部分中，每个时槽又分为控制时槽和数据传输时槽， 控制时槽与数据传输相比很短。与传统的 t d m a 协议相比，协议在数据传输时槽 前加入了一个控制时槽，发送节点通告谁是消息的接收者；所有非发送节点都 处于接收状态并判断自己是否为消息的接收者，使节点在得知不需要接收数据 时进入睡眠状态，从而能够解决部分串音问遥，但是，此协议对节点的时间同 步精度要求较高。 2 2 3 混合型的m a c 协议 混合协议包含竞争协议和调度协议的设计要素，既能保持所组合协议的优 点，又能避免各自的缺点。当时空域或某种网络条件改变时，混合协议仍表现 为以某类协议为主，其他协议为辅的特性。混合协议更有利于网络全局优化。 ( 1 ) 基于码分复用( c d m a ) 的m a c 协议 文献【l ”中介绍了一种使用c d m a 技术的m a c 协议。为了实现正交的地址 编码，通过一种伪随机码分配算法，使得各传感器节点与其两跳范围内邻居节 点的伪随机码都保持正交，从而实现了信道共享，确保了通讯过程中不会产生 碰撞冲突。为了保持局部范围内的同步和降低能量消耗，该协议要求每个节点 使用两个独立的无线电装置，即数据收，发射频和低功率唤醒射频。在不榭发 数据时让大功率的收，发电路进入休眠状态，低功率唤醒射频一直处于侦听状 态，如果发现需要与其它节点需要向本节点发送数据，则打开数据收发射频来 接收数据；如果节点自身需要发送数据到邻居节点，则通过唤醒射频唤醒休眠 的接收节点，然后双方打开数据恻发射频传输数据，如图2 _ 4 所示。基于c d m a 技术的m a c 协议，不需要严格的时钟同步，只要求局部范围内的节点之间保 持同步，网络的可扩展性较好，能量有效性较高。 接收节点 信道 ， n “k e一 发莲驴一- 昌宣置宣_ _ _ _ i “ fr ，” 唤醒信道- _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 图2 4 向一个睡眠节点发送数据的信号时序过程1 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) s m a c s e a r 协议 s m a c s e a r ( s e l f - o r g a n i z i n g m e d i u ma c c e s sc o n t r o lf o r s e n s o r n e t w o r k s e a v e s d r o pa n dr e g i s t e r ) 协议【1 3 】是结合t d m a 和f d m a 的基于固定信道 分配的m a c 协议。其基本思想是为每一对邻居节点分配一个特有频率进行数 据传输，不同节点对间频率互不干扰，从而避免同时传输的数据之间产生碰撞。 s m a c s 协议假设传感器节点静止。当节点启动时通过共享信道广播一个 “邀请”消息，通知临节点与其建立连接。如果节点收到多个邻节点对其“邀 请”消息的应答，则选择最先应答的邻节点建立无线链路。e a r 协议则用于建 立少量运动节点与静止节点之间的通信链路。其基本思想是运动节点侦听固定 节点发送出的“邀请”消息，根据消息的信号强度、节点d 等信息决定是否 建立链路。如果运动节点认为需要建立链路，则通过与对方交换信息分配一对 通信时槽和通信频率。 s m a c e a r 协议不要求所有节点之间进行时间同步，只需要两个通信节点 间保持帧同步。但是，多个节点在协商过程中可能同时发送出“邀请”消息， 因此不能完全避免冲突。由于每个节点需要建立的通信链路数无法事先预计， 也很难动态的调整，这使得整个网络的频带利用率不高。每个节点要支持多种 通信频率，这对节点硬件提出了很高的要求。 2 3m a c 层能耗分析 由于节点能量有限，能量效率是无线传感器网络协议设计中最主要的考虑 方面。能量管理是无线传感器网络协议设计中的核心问题。经过2 2 节对各种 常见无线传感器网络m a c 协议的分析，以及其它学者的大量研究和实验表明， 无线传感器网络节点无效功耗主要来源于以下几个因素：信道碰撞、网络串音、 空闲侦听、控制丌销、无效数据等。 ( 1 ) 网络串音 所谓串音【l4 1 ，是无线传感器节点接收并处理不必要数据的一种现象。在广 播发送方式之中，如果源节点的所有相邻节点均处于侦听状态且未采取避免串 音的措施，则每个节点均可以侦听到分组数据的传输，并且当这个分组数据不 是发送给某个节点的时候，便产生了串音。对于较高密度节点的串音问题，如 果采取措施避免串音的发生，可以节省大量的能量消耗。为避免这种情况，节 1 2 武汉理下大学硕士学位论文 点应该在无数据收发的时候关闭接收器。 ( 2 ) 节点空闲侦听 空闲侦听( i d l el i s t e n i n g ) 。网络中的节点，由于不能预知它的邻节点什么时 候会向其发送数据，所以将其无线收发模块始终保持在接收模式，这种接收模 式有较高的能量消耗率，并且在较低的网络负载条件下是不必要的。这是节点 能量浪费的主要来源。原因在于典型的无线收发模块处于接收模式时消耗的能 量，比其处于睡眠模式时要多几个数量级。 ( 3 ) 碰撞冲突问题 无线传感器网络m a c 协议中，采用竞争方式使用共享的无线信道，节点 在发送数据的过程中，可能导致多个节点对之间发送的数据因信道冲突而产生 碰撞。碰撞将使目的节点的数据接收和源节点的数据发送变得无效，并且数据 分组的重传会消耗更多的能量。 ( 4 ) 控制消息过多 在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，将导致处理过程烦琐、 计算量大，消耗过多的节点能量。应该设计控制消息精简的m a c 协议。 ( 5 ) 数据有效性及其综合能耗 在无线传感器网络中，m a c 层的能耗和传感器节点结构和工作方式有着 重要的关系。传感器节点是由传感器感应模块、处理器模块、无线通信模块、 电源四个主要部分组成。其中传感器感应模块、处理器模块、无线通信模块三 个模块有能量消耗。随着电子技术和集成电路设计技术的进步，传感器感应模 块、处理器模块的功耗已经很低。无线通信模块又存在发送数据、接收数据、 空闲和睡h 民四种状态。传感器节点能耗情况如图2 5 所示。无线通信模块是无 线传感器网络中主要的耗能部件，节点传输信息比进行计算处理要消耗更多的 电能，传输1 比特信息1 0 0 m 所需要的电能大约可以执行3 0 0 0 条计算指令f l l 。 由此可知绝大部分能量消耗是由无线通信模块产生。 武汉理上人学硕士学位论文 2 0 功1 5 耗 、1 0 m w 5 o 厂、 估瞒馨廿弹馨羞送 培粤审汨睡畦 迥1 i 图2 - 5 传感器节点能耗情况【l 】 由于通信产生的能耗在整个无线传感器网络中占的比重，那么减少发射数 据量及压缩通信时间是降低m a c 协议能耗的一个重要方式。在以高密度、大 规模为特点的无线传感器网络中，多个节点会对相同信息源进行采集，将会产 生大量的冗余数据。这些数据的冗余部分将增加节点的通讯能耗，延长收发节 点的数据通讯时间，产生大量无效能耗。并次生出以下两个问题： a ) 信道碰撞 文献【1 5 】分析比较了不同负载下多种无线传感器网络m a c 协议的吞吐量， 得到数据流量增大将加重无线信道碰撞的概率。数据冗余部分会占用一定的信 道，在信道有限的前提下，无疑会增加信道碰撞的概率。特别在高密度，大规 模网络负载率高的情况下，数据冗余会加大信道碰撞的概率。 b ) 串音 数据量低时，传感器节点将更多的处于休眠状态，网络串音较少。当节点 的通信模块处于侦听状态时