毕业设计论文基于SMAC协议无线传感网络节能技术研究

摘要无线传感器网络是由大量集成了传感、数据收集、处理和无线通信功能的传感器节点构成的无线自组织网络，能量极为有限的特点决定了其MAC(MediaAccess Contr01)层协议的设计要以最小化能耗为首要目标。本文基于SMAC( Sensor MAC)协议，研究了无线传感器中MAC层协议的节能策略，提出了节能高效的MAC层协议。论文首先对典型的MAC层协议和节能机制进行了介绍，并详细分析了SMAC的能量消耗和节能机制，指出了该协议中存在的问题。其次，以节能为目标，提出了PCMPSMAC(Power Control Message Passing SMAC)协议，该协议采用消息分割和连续发送的策略，并结合“碰撞防止策略，引入功率控制技术。通过在NS2中进行网络模拟，结果表明该协议可减少网络能量的消耗。第三，根据事件驱动型无线传感器网络的特点，提出了事件驱EDSMAC(Event-Driven SMAC)协议，该协议定义了常规态和事件态两种网络状态，在常规态时采用原有的SMAC协议，在事件态下引入跨层优化的构想，并给出了基于事件的动态成簇算法，仿真结果表明该协议改善了节点的节能性能和网络时延性能，提高了事件监测的可靠性。关键词：无线传感网络 节能机制 S-MAC事件 驱动 通信负载 延迟 NS2AbstractWireless Sensor Network(WSN)is composed of a large number of sensors whichhave functions of data sensing，gathering，handling and communicatingAs energyconstraint in sen$or nodes iS one of the important characteristics of WSN，a criticaldesign issue for the MAC protocol OfWSN is to efficiently reduce energy consumptionBased on the typical medium access control protocol，Sensor MAC(SMAC)，thisthesis analyses the energysaving mechanisms in MAC protocols and proposes twoenergy efficient MAC protocolsFirstly,we introduce the typical MAC protocols in WSN and their energysavingmechanismsThen a detailed introduction to SMAC iS given,which is mainlydesigned for WSNWe discuss the energy-saving mechanisms and the details in energyconsumption of S-MAC，and poim out the problems existed in S-MACSecondly,Power Control Message Passing SMAC(PCMP-SMAO is proposed to achieve thegoal of energy savingThe fragments are transmitted continuously after bemg marked Fragment IndicatorMeanwhile，power control mechanism is introduced withcollision prevention that allows nodes to vary their transmission power levelsThenetwork simulation platform is established by NS-2 and simulation results show thatPCMPSMAC reduces energy consumptionThirdly,based on the characteristic ofevent driven WSN，a cross1ayer Event-Driven Sensor MAC protocol(ED-SMAC)isproposedEDSMAC defines two network statuses：regular status and event statusOnregular status，the basic techniques in S-MAC protocol are adoptedOn event status，a new event-based cluster formation algorithm is proposed according to the crosslayer theorySimulation results show that the proposed protocol saves node energy,shortens average packet latency,and improves event detection reliabilityKeyword：WSN Energy-efficient technology S-MAC Event driven目 录前言1第一章 21.1无线传感器网络概述31.1.1 无线传感器网络的概念 31.1.2无线传感器网路的体系结构 51.1.3无线传感器网络的特点6114无线传感器网络的应用 712研究意义与内容 813本文的组织结构 9第二章 1021 MAC层协议概述 1022 典型的MAC层协议 12221基于调度的协议 13222基于竞争的协议 142 3 MAC层协议节能机制究 15231 MAC层网络能量浪费的主要原因 16232 MAC层协议的节能策略1724 小结 19第三章 2031 S-MAC协议的原理 20311 S-MAC协议的概念 21312 S-MAC协议采用的机制2232 S-MAC协议的能量消耗分析233.3 SMAC协议采用机制解析 2434 小结 25第四章 2641典型的S-MAC改进协议 264.2 T-MAC(T,meout-MAC)的改进 2743 仿真工具介绍及仿真 284.31 NS2特点 2843.2协议实现与模拟环境 2943.2 仿真结果分析 294.4 小结 30致谢 31参考文献 32前言随着计算机、传感器和无线通讯的发展，出现了一种新兴的计算机网络无线传感器网络1 。由于其广泛的应用远景，无线传感器网络受到越来越多研究职员的青睐。介质访问控制（MAC）协议决定了无线信道使用的方式，在传感器结点之间分配有限的通讯资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议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讯的关键网络协议之一。无线传感器网络(WSN，W-lreless Sensor Networks)是由大量的集成了传感、数据收集、处理和无线通信能力的小体积、低成本的传感器节点构成的无线自组织网纠。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。这些信息通过无线方式发送，并以自组织多跳的方式传送到用户终端。低成本、自组织、体积小、撒布灵活等特点及强大的数据获取能力使传感器网络在军事侦察、环境信息检测、空间探索、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制、交通控制以及商业领域有着极其广阔的应用前景。 第一章 绪论11无线传感器网络概述111无线传感器网络的概念 本文首先解析了S-MAC协议采用的机制，指出其存在的题目，然后结合T-MAC协议和D-MAC协议，提出了改进方法。最后通过仿真分析，证实了改进后的方法能使节点活动时间灵活的适应网络通讯负载的变化，进一步节省了能量，同时能在很大程度上减少节点休眠产生的延迟。 S-MAC 协议是一种典型的基于竞争的随机访问MAC协议，它是IEEE802.11MAC3 协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出来的传感器网络MAC协议。该协议具有良好的扩展性，不要求严格的时间同步，但是它也存在着节点活动时间无法根据通讯负载动态变化以及节点休眠带来的延迟题目。112无线传感器网路的体系结构微型传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同完成特定的任务。下面介绍其传感器节点的结构和网络的体系结构以及协议结构。l、传感器节点结构一般而言，传感器节点由4部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块它们各自负责自己的工作。传感器模块负责采、集监测区域内的信息，传感器模块中的传感器部分从环境中采集数据，这些信号通过数据转换之后，传送给处理器模块进行处理。处理器模块对数据进行适当的处理后就将数据发送给其它节点，于是数据进入无线通信模块。在无线通信模块中，数据经过网络层传到数据链路层，因为一般研究较多的是其中的MAC层，所以图中用MAC层代替了数据链路层。数据经由MAC层再传到物理层的收发器，在这里，数据被转换成二进制物理信号在介质中传送。而对于接收数据的节点，数据则是通过收发器收到物理信号，将其向上发给MAC层再到网络层，最终到达应用层，即处理器模块。2 基于S-MAC协议的无线传感网络节能技术研究2、传感器网络体系结构节点分为3类：普通的传感器节点、汇聚节点和任务管理节点大量的传感器节点随机分布在监测区域，它们能自组织成网络。传感器监测到的数据可以通过其它节点逐跳的传输，中间用做中继的节点可以对数据进行处理，也可以不处理直接转发。数据经多跳传输到汇聚节点，汇聚节点能直接连接到互联网。最后数据通过互联网或卫星传输到管理节点。管理节点能够对传感器网络进行配置管理，发布监测任务以及收集监测数据。3、传感器网络协议结构网络协议结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。虽然无线传感器网络与传统网络相比有很多不同的地方，但是其网络协议栈都可以划分成五层模型嘲，如图13所示。其中，物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层又分成两个子层：逻辑链接控制层(LLC)和介质访问控制层(MAC)，主要负责数据成帧、帧检测、媒介访问控制和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分：应用层包括一系列基于检测任务。能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。应用层(任务调度、数据分发和定位等)传输层(数据传输控制)网络层(分组路由、网络互联)数据链路层(MAC和逻辑链路控制)物理层(超宽带、扩频)在本论文中，主要研究的是MAC层。它决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。113无线传感器网络的特点目前常见的无线网络包括Ad hoe网络、无线局域网、蓝牙网络、移动通信网等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点：l、规模一般较大为了获取精确的信息，部署在监测区域的传感器节点数量可能达到几万、几十万，甚至更多。无线传感器网络可以在一个面积不大的空间内密集放置大量的节点，也可以让节点分布在宽广的地理区域内，比如在原始森林中利用无线传感器网络进行森林防火监测，这就需要节点被分布的跨度足够长。2、以数据为中心以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息并融合，然后传送给用户。这种思想以数据本身作为查询或传输线索。在无线传感器网络中人们只关心某个区域的观测指标的值，而不会关心具体某个节点的观测数据。3、动态变化由于无线传感器网络自身的特点，传感器节点要不断在活动状态和休眠状态之间转换，传感器节点随时可能由于各种外界环境干扰发生故障而失效或有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量。这些特点都使得无线传感器网络的拓扑结构变化很快，因此它应具备动态系统的可重构性以适应这种变化。4、应用相关不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别，所以无线传感器网络不会有统一的通信协议平台。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。5、电源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。由于无线传感器网络中节点数目多、成本要求低、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传器通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是无线传感器网络面临的又一严峻挑战。6、计算和存储能力有限传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务也是无线传感器网络发展迫切需要解决的问题。7、通信能力有限无线传感器网络的通信带宽较窄而且经常变化。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失效。由于无线传感器网络受到障碍物、建筑物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络、离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，也是我们必须面对的挑战之一。114无线传感器网络的应用无线传感器网络可以使人们在任何环境、任何时间地点条件下获取大量详实而可靠的信息，这种网络系统可以被广泛应用于环境监测、医疗护理、军事国防、智能家居等领域。随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐渗透到人类生活的各个领域。1、环境监测随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛，通过传统方式采集原始数据是一件非常困难的工作。无线传感器网络为野外环境随机性的研究提供了方便，比如，监视南极上空臭氧层的情况、探测火星地表土壤的成分、跟踪候鸟和昆虫的迁移等。基于无线传感器网络的系统中就有多种传感器用来监测土壤水分、降雨量、河水水位，并以此预测爆发山洪的可能性。此外，无线传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物的施肥状况、害虫破坏、土壤的酸碱度等。2、医疗护理无线传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监控医院内患者和医生的行为，监测病人身体里的各种生理数据以及医院药品管理等。如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如血压和心率监测设备，利用无线传感器网络医生就可以随时了解被监护病人的病情，发现异常能够迅速抢救。还可以利用无线传感器网络长时间地收集人们对某种药品的生理反应数据，把这些反馈信息用在新药品的研制中。总之，无线传感器网络为未来的远程医疗提供了更加快捷、便利的技术基础。3、军事国防无线传感器网络具有部署迅速、隐蔽性强、高容错性和自组织性的特点，因此非常适合在军事上应用。利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、目标的定位、战场的实时监控、生物化学攻击和核攻击的搜索和监测、以及战场评估等功能。4、建筑及城市管理各种无线传感器可以灵活方便地布置于建筑物内，获取室内环境参数，从而为居室环境控制和危险报警提供依据。智能家居通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器，感知居室不同部分的微观状况，从而对空调、门窗以及其它家电进行自动控制，提供给人们智能、舒适的居住环境。建筑安全通过布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力、辐射等传感器，发现异常事件及时报警，自动启动应急措施。智能交通通过布置于道路上的速度、识别传感器，监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，发现违章能及时报警和记录。5、空间探索探索地球以外的星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的无线传感器节点实现对星球地表长时间的监测，搜集温度、土壤成分、有无生物活动等信息应该是一种经济可行的方案。NASA的JPL(Jet Propulsion Laboratory)实验室研制的Sensor Webs就是为火星探测进行技术准备的，该系统己在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目进行测试和完善。6、其它方面的应用微型化、自组织和对外部世界的感知能力是无线传感器网络的三大特点，这些特点决定了无线传感器网络在商业领域应用中也应该有自己的席之地。比如，德国某研究机构正在利用无线传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以减少足球比赛中越位和进球的误判率。此外，在工厂自动化生产线、交互式博物馆、交互式玩具、仓库管理等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。无线传感器网络还被应用于危险的工作环境中。在石油钻井、核电厂和组装线工作的员工将可以得到随时的监控。12研究意义与内容传感器节点采用电池供电，往往工作环境恶劣复杂，电池耗尽后不再更换，因而能量十分有限。如何提高节点的能量有效性，使网络在有限的能量条件下尽可能工作更长的时间，是传感器网络研究中的关键问题Il5。设计低功耗的MAC协议并实现节能的目标，是本文的根本出发点。传感器节点主要在感知、处理和通信三方面消耗能量。其中通信消耗的能量所占比例最大。通信时节点分为四个状态：发送、接收、空闲和睡眠。睡眠状态时节点的能量消耗远小于其它三种状态。因此，如果让节点不工作时立刻转入睡眠状态，就能在很大程度上减少能量消耗。在MAC协议设计中加入睡眠机制，是传感器网络节能的一个重要手段。目前的研究主要分为基于CS呲A的MAC协议改进和基于TDMA的MAC协议改进两大类。在基于CSMMCA的MAC协议中，使用最为广泛的是文献提出的SMAC协议。SMAC中，相邻节点保持同步，即相邻节点能同时控制天线周期性地进入睡眠状态。同时，在发送和接收数据时，收发节点的邻居也将天线置于休眠状态，以减少持续侦听造成的额外能量消耗。但这种节能机制的引入，会带来数据传输时延的巨大增加。同时，基于CSMCA的MAC协议，随着网络负载的增加，冲突增大，数据包的频繁重传导致能量的极大消耗；在基于TDMA的MAC协议中，通常是由中心节点负责调度其它节点的收发时隙，每个节点都在自己的非收发时隙进入睡眠状态。中心节点要维护和调度所有节点的收发时隙，因而设计的复杂度很高。并且节点之间需要精确同步。如何设计出节能、高扩展性、低开销、同时又具备良好的公平性的MAC协议对于提高无线传感器网络的能量有效性和性能有着重大意义。本文主要针对典型的基于竞争的SMAC协议进行研究，主要创新点如下：1.SMAC协议中的消息分割和突发传送机制要求目的节点对每一个正确接收的分段都要回复确认帧，这种机制增大了控制帧的开销，不利于无线传感器网络中的低能耗控制。另外，SMAC协议中，控制帧和数据帧都采用全网统一的功率进行发射，造成能量浪费。PCMPSMAC(Power Control Message Passing SMAC)协议是在SMAC协议的基础上针对无线传感器网络的节能要求，引入了两种新的机制来减少节点能量消耗。PCMPSMAC协议采用了消息分割和连续发送的策略，节省了控制帧的开销，同时，结合“碰撞防止”策略，通过对控制帧和数据帧选择不同的发送功率，来减少节点的能量消耗以及对邻居节点的干扰，进一步节省了网络能量消耗。2.根据事件驱动型的无线传感器网络的特点，提出一种应用于事件驱动型基于S-MAC协议的无线传感网络节能技术研究WSN的EDSMAC(Event Driven Sensor-MAC)协议，该协议定义了网络的两种状态，即常规态和事件态。常规态下，网络没有事件发生，只需要发送网络自身状态监视信息；事件态下，网络有事件发生，需要将事件消息实时发送到监控基站。EDSMAC协议在常规态时，采用原有SMAC协议的机制，而在事件态下，该协议引入跨层优化的思想，提出一种基于事件的动态成簇算法，即在有事件发生时，要求监测到事件的所有节点成簇，并基于剩余能量选出簇首，簇内节点采用节能TDMA方式向簇首发送数据，簇首进行数据融合后再将消息发往基站。13本文的组织结构全文分为四章，每章内容安排如下：第一章绪论，主要介绍了无线传感器网络体系结构、特点、应用领域、性能评价指标及研究热点，分析了本文的研究意义，描述了本文所做的主要工作和创新点。第二章对无线传感器网络MAC协议设计的问题进行了总结，并按照MAC协议的接入方式对已有典型无线传感器网络MAC协议进行分类，比较各类协议的优势和不足。随后从节能角度出发，分析了造成无线传感器网络能量浪费的主要原因，介绍了MAC协议中针对这些因素采用的节能机制，并进一步总结了MAC协议的关键技术。第三章详细介绍了专用于无线传感器网络的竞争类MAC层协议S-MAC。重点讨论了该协议采用的多种节能机制，并从理论上分析了SMAC协议的能量消耗。随后提出了S-MAC协议中存在的主要问题。第四章分析了现有的S-MAC的典型改进协议，并根据S-MAC协议中存在的问题和节能策略的研究。并在网络模拟器NS2下进行了模拟仿真，并对其性能和仿真结果进行了分析。第二章 无线传感器网络MAC协议21 MAC层协议概述介质访问控制(MAC)层协议决定了局部范围无线信道的使用方式，以及多跳自组织无线传感器网络节点之间的通信资源分配，也就是说MAC层协议的设计必须实现两大基本功能目标：在密集散布的传感器现场，能够有助于建立起网络基础实施所需的数据通信链路；协调共享介质的访问，以便传感器网络节点能够有效地分享通信资源引。MAC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。传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围内需要MAC协议协调无线信道的分配，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MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：1、能量有效(Energyeflficiency)：无线传感器网络始终是一种电源能量受限的网络，并且很难为无线传感节点更换电源或给电源充电，因此，在无线传感器网络的MAC协议设计中首要考虑的因素就是能量有效。MAC层协议要尽可能的节约能源，如减少冲突和串音、最小化控制开销、降低通信模块工作时间和尽量避免长距离通信。同时，协议还应考虑节能和提高吞吐量、降低延迟之间的权衡。2、适应性(Scalability and Adaptability)：无线传感节点的移动、失效和新节加入都会引起无线传感器网络的大小、密度或拓扑的变化，因此，MAC层协议必须能够对于这些变化迅速做出反应。同时，由于无线传感器网络是面向数据的，在不同应用环境中，其数据传输具有不同的方式，所以MAC层协议必须适应不同流量密度的网络状态。3、时延(Latency)：在传感器网络中，时延的重要性随着应用环境的不同而不同。因此，在MAC层协议设计时应考虑时延的多变性，可以根据不同的用户需求而改变协议策略。4、吞吐量(Throughput)：吞吐量是指单位时间内网络成功输出的比特或字节数。它是衡量网络时延、碰撞避免、信道利用率和控制信息开销的重要物理量。MAC层协议必须在能量有效的基础上，尽量增加网络吞吐量，以实现信息的有效传输。22典型的MAC层协议总体上说，现有的无线传感器网络的MAC层协议被分为三类：基于调度的协(Schedule-based protocols)、基于竞争的协议(Contention-based protocols)和混合方案。在下面的部分中，本文将简要介绍和分析近年来较有影响的几种无线传感器网络的MAC层协议。221基于调度的协议在基于调度的MAC层协议中，每个节点能传输和发送信号的时间是由调度算法决定的，所以多个节点能在无线信道上同时地发送信号而不相互干扰。现有的WsN中的基于调度的MAC协议一般都是基于时分多址接入()MA)的。主要有以下几种：LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hie掰chy)协议瞄J采用分布式算法选择某传感节点为簇头，簇头负责根据TDMA方式为簇内节点分配时隙，收集和处理数据，并将数据传送给汇聚节点(sink node)或其它中继节点。簇头节点的选取要考虑簇内各节点的能量水平，簇内节点只与本簇的簇头节点交互数据。由于簇内采用TDMA方式，簇内节点在没有数据传输时，可以进入低能耗的休眠模式，从而节省能量。但是，此协议的扩展性较差，而且对同步的要求较高。TRAMA(Traffic Adaptive Medium Access)协议L23J是根据两跳范围内的邻居节点信息，由节点独立确定自己发送消息的时隙，同时避免把时隙分配给没有信息发送的节点，提高了网络吞吐率，克服了TDMA的MAC层协议扩展性差的不足。TRAMA协议利用两种技术来节能：用基于流量的传输调度表，保证在单播，组播和广播数据时，避免可能在接收端发生的数据包冲突；节点在无发送接收要求时进入低能耗模式。但该协议相对复杂，为了在节点间建立一致的调度信息，协议计算和通信开销都比较大。TRAMA协议适用于周期性数据采集和监测等WSN应用。EMACs(EYEs MAC)241和LMAC(Lightweight MAC)的基本原理是：采用分布式算法选举主动节点构成连通骨干网络，其它节点称为被动节点；主动节点协商产生调度，时隙只能在3跳外重用；被动节点只能向特定主动节点发送数据，而在大多数情况下保持睡眠；根据网络业务流量和节点剩余能量，主动节点和被动节点可以转换；连通骨干网络有利于网络层建立路由，并减少路由开销。在L MAC中，控制分组的长度固定，包含控制消息(目标m和跳数)和数据单元，因为没有冲突，所以可以一起直接发送，无须数据交换握手机制，更能有效减少无线收发器的切换次数。EMACs和LMAC宜用作数据流量不大的结构化网络MAC层协议。222基于竞争的协议基于竞争的MAC层协议一般使用广播信道，连接到这条信道的节点都可以向信道发送广播信息，有数据需要发送的节点按照某种规则竞争信道，得到使用权的节点可以发送信息。现有的基于竞争的协议大多数遵循载波监听(CSMA)操作模式，同时结合其它机制(如冲突避免机制和握手机制)来减少冲突可能性。常见的基于竞争的MAC层协议主要有两种策略：节点同步和节点异步。下面分别介绍其中的典型协议。l、节点同步(Synchronous protocols)，即节点按照一定策略，使相邻节点或全局节点具有相同的调度周期，即节点基本在同一时间醒来侦听信道。主要代表有SMAC，T-MAC。SMAC(Sensor-MAC)采用周期性侦听睡眠的低占空比工作方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能量的消耗；邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少节点的空闲侦听时间：通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中传输时延；采用带内信令(握手机制)来减少重传和避免监听不必要的数据；通过消息分割和突发传送机制来减少控制消息的开销和消息的传输延时。 T-MAC(TtmeoutMAC)在S-MAC协议的基础上进行了改进，为了克服SMAC协议不能根据网络流量负载的变化而自适应改变占空比的缺点，它将调度周期划分为可变长度的活动状态和休眠状态，通过动态改变活动状态的持续时间可减少空闲侦听带来的能量损耗。每一帧中的活跃时间可根据网络流量动态调整，增加了睡眠时间，但随机睡眠带来早睡问题，增加了延时针对SMAC和T-MAC中存在的睡眠延时问题和数据转发停顿问题，DMAC(Data gathering treebased MAC)提出了一种改进方法。根据节点转发数据形成的数据采集树，采用交错唤醒调度机制，将一个周期划分为接收时间、发送时间和睡眠时间。每个节点的调度具有不同的偏移，下层节点的发送时间对应于上层节点的接收时间。在理想情况下，数据能够连续地从数据源节点传送到汇聚节点，消除了睡眠延时。这种基于数据采集树的MAC层协议非常适合边缘节点数据流量小而中间节点数据流量大的WSN，但需要严格的时钟同步，且数据采集树的拓扑结构相对稳定，不适合移动节点和规模较大的WSN。2、节点异步(Asynchronous protocols)，即传感器节点按照一定策略，更多地利用了竞争协议对无线信道的“抢占”原则，睡眠调度更具主动性，同时减少对时钟同步精度的依赖。主要代表有BMAC采用前导序列采样机制(preamble sampling scheme)，称为低功率侦听LPL，low powerlistening)。节点具有相同的占空比，但不同步，当节点从休眠中醒来，采用LPL方法对信道进行采样，如果检测到前导序列，表示本节点有数据要接收，该节点就与该前导序列同步，接收数据。发送节点在发送分组之前，必须先发送一个长的前导序列，前导序列必须比节点的睡眠时间要长，以使接收节点能够同步。BMAC协议在低流量负载的情况下可以大大降低节点能量消耗。WiseMAC采用的方案与BMAC类似，但是WiscMAC动态调整前导序列的长度。接收节点在最近ACK报文中捎带下次唤醒时间，使发送方了解每个下游节点的采样调度，进而缩短前导长度。为了减少固定前导冲突概率，该协议采用随机唤醒前导。WiSeMAC中采样调度表存储开销较大，当网络密度大时尤为突出。sMAC使用非坚持CSMA减少空闲监听，无法克服隐藏终端问题。WiseMAC宜用作网络负载较轻的结构化网络中下行链路MAC层协议。 XMAC协议再次缩短前导序列的长度，同时引入握手机制进一步减小发送前导序列的能量开销。前导序列由若干较小的频闪前导(咖bed preamble)组成，其中包含目的地址，非接收节点尽早丢弃分组并睡眠。利用频闪前导之间的时间间隔，接收节点向源节点发送早期确认。发送节点收到早期确认后立刻发送数据分组，从而避免发送节点过度前导和接收节点过度侦听。23 MAC层协议节能机制研究231 MAC层网络能量浪费的主要原因l、碰撞重传(Collisions)：如果MAC协议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会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞，这就需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量；2、串音(Overheating)：节点接收并处理不必要(发送给其它节点)的数据，这种现象造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量；3、空闲侦听(Idle listening)：节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。这种过度的空闲侦听或没必要的空闲侦听会造成节点能量的浪费；4、控制开销(Overhead)：在控制节点之间的信道分配时，如果控制信息过多，也会消耗较多的网络能量。5、发送失效(Over emitting)：在目的节点没有准备好接收时，发送节点发送了消息，这种无效的发送造成了能量浪费。232 MAC层协议的节能策略针对上面总结的主要能量损耗原因，传感器网络MAC层协议的节能策略主要有以下几个方面：1、冲突减少与避免。MAC层协议要解决信道的访问问题，节点竞争共享的信道资源时，难免会发生冲突。无论是在有线网络还是无线网络中，这都是每个MAC层协议必须解决的关键问题。1)采用监听信道的方式。当信道忙时延迟发送，使用退避算法进行退避；基于SMAC协议的无线传感网络节能技术研究道空闲则根据l坚持、P坚持选择立即发送或是以概率P发送。在WSN中也有不少协议是采用CSMA机制来避免冲突的，如IEEE802154协议p51。2)握手机制。这种机制广泛运用于SMAC、T-MAC等MAC层协议中。节点A向节点B发送信息之前，先要向节点B发送RTS(Request To Send)请求发送帧，B节点收到A节点的RTS后，回应一个CTS(Clear To Send)控制帧，A节点收到B节点的CTS后就可以向B发送数据了。而对于A和B外的其它邻居节点，虽然收到RTS或CTS，但是目标地址不是自己，就抑制自己信息的发送，以免与A、B冲突。3)基于固定分配信道避免信号的冲突。典型的固定信道分配方式是时分复用TDMA，在无线传感器网络中为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时隙，而在其它时隙进入睡眠状态。这种方式可以很好的避免冲突重传，但要求网络有比较严格的时间同步。在数据率低的网络中空闲监听能量消耗比较大，而且网络的扩展性不好，对网络的拓扑变化适应性较差。2、尽量延长节点的休眠时间，从而减少空闲监听的时间。在大多数应用场合，节点间的传输数据率低，传感事件(指传感器感应到周围的突发事件)发生的频率较低，没有必要让节点一直处于空闲监听状态。节点可以进入休眠状态，并设置计时器使其能够及时醒来。但是传感节点进入休眠的代价是加大了数据包的传输延迟，尤其在多跳网络中。3、串音的避免。节点要监听信道，那么它就会收到一些不是直接发给它的数据包，从而造成了节点的能量消耗，特别是在节点密度大、数据传送频繁的传感器网络中。通常采用的办法是，除了当前有数据传输的节点，其它节点在收到RTS或CTS后均进入睡眠状态，这样可以避免节点接收不相关DATA数据包和ACK(Acknowledge)确认帧，从而节省了串音所造成的能量消耗。4、大数据分段 当传送一个较长的数据包时，如果中途出现了差错，需要重新传送一次这个数据包，而通常情况下只是其中的几位错了，这样会产生很多不必要的重传，浪费了能量。若能将大数据包分成若干子段，再进行独立传输，出错时只需重传发生错误的子段，会大大减少重传大数据包消耗的能量。5、发送功率控制。功率控制是另一个角度的节能手段。发送数据时，发送功率过大，会造成能量的浪费，而且信号干扰范围过大，信道可复用程度较低。降低发送功率，不仅可以节省能量，还能提高系统容量。但发送功率过小，可能导致接收节点无法正确接收，网络的连通性也会降低。6、减少控制开销。为了实现网络维护和数据的可靠传输，在MAC层协议中一定的控制开销是必需的，但是为了节省网络能量和带宽，应尽力较少控制开销，主要措施有：缩短控制帧的长度，合并有相同内容的帧，减少控制帧的种类等。24小结如何设计出节能、高扩展性、低开销，同时又具备良好公平性的MAC协议对于提高无线传感器网络的能量有效性和性能有着重要意义，其中节能在无线传感器网络中占有重要地位，因此使得在设计无线传感器网络MAC协议时必须首先将减少能量损耗放在第一位。本章首先分析了无线传感器网络MAC层协议设计时需要考虑的问题，在阅读大量关于无线传感器网络MAC层协议的中英文文献后，本章对典型的MAC层协议进行了分类和研究，从而分析出MAC层中网络能量消耗的主要因素，以及无线传感器网络MAC协议设计时，为了避免或者减少这些因素致的能量消耗应该采取的节能措施。无线传感器网络MAC层目前己经有一些比较流行的协议，主要分为基于调度的MAC协议和基于竞争的MAC协议，其中基于调度的MAC协议在能量节省上有天然的优势，但是同时它们的扩展性能普遍不好，如果要适应无线传感器网络不断变化的拓扑结构，还需要有更进一步的改进。特别是对基于TDMA的MAC协议来说，还需要节点间严格的时间同步，这只能在分簇网络中才比较容易实现，要实现平面结构的网络全网同步是比较困难的；而基于竞争的MAC协议则更适合无线传感器网络不断变化的拓扑情况，同时现有的一些基于竞争的MAC协议也做到了节省一定程度能量的目的，并且一般不要求严格的时钟同步，当然它们也需要一些其它的代价。总之，因为无线传感器网络的应用需求总是不断变化的，因此，具体选择基于调度的MAC协议还是基于竞争的MAC协议也需要根据具体需求而定。本文主要针对竞争性无线传感器网络MAC协议进行改进，并针对一种特定的事件驱动型的无线传感器网络应用，基于跨层优化的思想，提出了一种节能MAC协议。第三章 S-MAC协议的分析和研究31 S-MAC协议原理311 S-MAC协议的概念IEEE 80211 MAC协议是无线局域网WLAN标准的一部分，有分布式协调DCF(Distributed Coordination Function)和点协调PCF(Point Coordination Function)两部分，其中DCF方式是IEEE 8021 1协议的基本访问控制方式。无线传感器网络SMAC协议是对IEEE 80211 MAC协议的改进，主要以减少节点能量消耗为目标。SMAC协议是分布式的层协议，无须任何局部或全局主节点的调度便能让传感器节点发现相邻节点，并安排合理信道占用的时间。它是一种基于竞争的控制协议，但加入了同步功能。SMAC协议的设计思想是重点考虑如何有效地节约能源，如何适应网络规模、节点密度及拓扑结构变化的要求，而把其它网络考虑得较多的平等性、吞吐量、带宽利用率等放在次要位置。312 S-MAC协议采用的机制针对空闲监听、串音、冲突重传等可能造成无线传感器网络消耗更多能量的主要因素，SMAC协议采用如下机制：采用周期性休眠侦听的低占空比工作方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能量的消耗；邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少节点的空闲侦听时间；通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中传输时延；通过消息分割和突发传送机制来减少控制消息,的开销和消息的传输延时。采用的主要机制。1、“虚拟簇机制S-MAC协议采用了一种叫“虚拟簇的机制，在这种机制下，每个节点用广播同步帧SYNC通告自己的调度信息，同时维护一个调度表，用来保存所有相邻节点的调度信息。当节点启动时，首先监听一段固定长度的时间，如果在这段监听时间内收到其它节点的调度信息，则将它的调度周期设置为与邻居节点相同，并在等待一段随机时间后广播它的调度信息。当节点在这段监听时间内没有收到其它节点的调度信息，则产生自己的调度周期并广播。节点在产生和通告自己的调度信息后，如果收到了邻居不同的调度信息，则分两种情况来对待。如果节点已经收到过与自己调度相同的其它邻居的通告，就在调度表中记录该调度信息，以便能够与非同步的相邻节点进行通信。如果没有收到过与自己调度相同的其它邻居的通告，就采纳邻居节点的调度而丢弃自己生成的调度。这样拥有相同调度信息的节点形成一个虚拟簇，在部署区域广阔的无线传感器网络中，可能形成众多不同的虚拟簇，这使得SMAC协议具有良好的扩展性。为了适应新加入节点，每个节点都要定期广播自己的调度信息，这样如果是新节点可以与已经存在的邻居节点保持同步。如果一个节点同时收到两种不同的调度，那么这个节点可以选择先收到的调度，并记录另一个调度信息。2、周期性侦听休眠机制S-MAC将时间划分为多个帧，每个帧由两部分构成：侦听状态或者空闲状态。在侦听状态，节点可以和它的相邻节点进行通信，接收或发送数据，活动状态的帧长度通常固定不变。在休眠状态节点将其发射接收器关闭，以此减少能量的损耗，如果此时有数据要处理，数据就被缓存起来，等到节点处于活动状态再处理。通过周期性的活动休眠调度机制大大减少了空闲监听造成的能量损耗。为了适应新加入节点，每个节点都要定期广播自己的调度信息，这个广播调度信息的周期称为SYNC周期，一般包括若干个侦听休眠周期。3、冲突减少与串音避免机制如果网络中的两个节点在相同时间利用相同信道传送数据时，它们将会相互干扰导致数据包被破坏而产生冲突。当使用共享信道进行通信时，某个节点可能接收到不是发送给它的数据而造成串音。SM_AC协议采用与IEEE 80211 MAC协议类似的物理和虚拟载波监听机制，以及RTSCTS的握手机制来减少冲突和避免串音，如图33所示。两者之间的不同是当邻居节点处于通信过程时，SMAC协议下的节点需要进入休眠状态。每个节点在传输数据时，都要经历RTSCTSDA：I-AACK的通信过程。当节点竞争到信道后，采用与IEEE80211中相同的帧间间隔，在DIFS时间后开始发送一个短的发送请求帧(I玎S)来通知接收节点，该节点收到RTS后，在SIFS时间后用一个CTS信息帧回复发送节点。发送节点在接到CTS回复后便可开始发送DATA数据分组了。通过RTSCTS信号完成发送方和接收方之间的握手过程，目的是为了公发送方和接收方两者的邻居节点，避免邻居节点此时传输数据造成冲突碰撞。在传输的每个分组中，都有一个域值表示剩余通信过程需要持续的时间长度。发送方和接收方的邻居节点在监听期间监听到分组时，利用一个网络分配矢量值(NAV，NetworkAllocation Vector)设置虚拟载波侦听时间，然后进入休眠状态。虚拟载波的设定使得无论是位于发送节点传输范围的节点还是位于接收节点传输范围的节点都能了解介质忙闲状况，从而解决了隐终端问题。每个节点在发送数据时，都要先进行载波监听。只有虚拟和物理载波监听表示无线信道空闲时，才可以竞争通信信道。4、流量自适应监听机制无线传感器网络通常采用多跳通信，而节点的周期性休眠会导致通信延迟的累加。在S-MAC协议中为了减少通信延迟的累加效应，采用了流量自适应监听机制。它的核心思想是在一次通信过程中，通信节点的邻居节点在通信结束后不立即进入休眠状态，而是保持监听一段时间。节点如果在此期间内收到RTS分组，则可以立刻接收数据，无须等到下一次调度的侦听周期，从而减少了数据分组的传输延迟。如果在此期间内没有收到RTS分组，则转入休眠状态直到下一次调度的侦听周期为止。5、消息传递机制如果发送节点和接收节点通过握手机制竞争信道成功，则在随后的休眠期间进行发送数据。由于一个长消息作为单个分组发送时，如果分组中只有几个比特出现错误，也要重新发送整个分组，这就造成了能量的浪费。S-MAC采用消息分割(message passing)和突发传送机制(burst transmit)来减少控制消息的开销和消息的传输延时. 消息分割即将一个长消息分割成小段(fTagrnent)分组，当发送节点和接收节点握手完成后，便开始进个小段分组的突发发送。接收节点接收到一个数据分段后，便向发送节点发出一个ACK应答帧。当发送节点接收到ACK后，继续发送小段分组，接收节点收到后回复ACK应答帧。直到所有小段分组发送完毕，发送节点释放信道所有权供其它节点竞争。同理，在小段分组数据帧和ACK应答帧里仍然携带持续时间的数值来说明传输的持续时间值，其它的节点可根据此传输持续时间值设定NAV定时器，在传输结束后立即醒来监听信道，如果有数据要发送就竞争信道。接收节点ACK消息的发送是专门预留出的时间块，而且这个时间块是有固定长度的，足够ACK消息的发送，这段时间是ACK消息独享的。6、网络维护节点需要定时进行SYNC广播，向网络中的邻居节点通告自己的调度信息。这个SYNC广播信息的收发是在侦听周期的开始初时。同时节点此时也根据接收到的邻居节点的SYNC信息来进行网络的维护，新节点的加入，邻居列表的更新.以及邻居节点是否消亡的判断。因此SMAC协议可以适应无线传感器网络的拓扑变化，从而进行网络维护，防止因为某些节点的变化而影响全网的数据传输。32 S-MAC协议的能量消耗分析假设一个时间间隔t，在t时间内一个节点的全部能量消耗主要分为四个部分：发送分组、接收分组、空闲侦听和休眠。现在我们假设在这个节点的无线发射范围内有n个邻居节点，并依次记为1，2，n。邻居节点i的分组发送速率为k，分组接收速率为k，节点j处接收来自节点i的分组速率为。假设一个节点以概率接收来自邻居节点的RTS或CTS 。3.3 S-MAC协议采用机制解析 S-MAC协议是一种基于竞争的控制协议，它主要采用以下机制： “虚拟簇”机制：每个节点在每个时隙开始的时候广播含有自己调度信息的同步数据包，接受到同步数据包的节点按需要调整时钟。这样具有相同调