畢業(yè)設(shè)計（論文）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時分復(fù)用的MAC協(xié)議

1、 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）題目: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時分復(fù)用的mac協(xié)議本科畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院專業(yè)學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)教師姓名職稱設(shè)計(論文)題目無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時分復(fù)用方式的mac協(xié)議的研究題目分類1、工程實踐類 研究設(shè)計類理論分析類（1、2類中各選一項在內(nèi)打）2、軟件 硬件 軟硬結(jié)合 非軟硬件題目來源題目是否來源于科研項目 是 否主要任務(wù)及目標(biāo)：研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一類mac協(xié)議：基于時分復(fù)用的mac協(xié)議主要內(nèi)容：1 對傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議以及基于時分復(fù)用的mac協(xié)議進行綜述；2 學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件opnet；3 研究deana協(xié)議；4 研究trama協(xié)議； 5 對上述兩種協(xié)

2、議進行比較，對其中之一進行改進或提出一種更有效的基于時分復(fù)用的mac協(xié)議；6 對改進的結(jié)果或新提出的協(xié)議性能進行仿真驗證；7 總結(jié)整個研究過程的收獲；8 翻譯兩篇最新的有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議研究的英文論文。主要參考文獻：1 akyildiz i f, su w, sankarasubramaniam y, cayirci e, “a survey on sensor networks”, ieee communications magazine, 2002, 40(8):102-114.2 bao l, garcial-luna-aceves j j, “a new approach to

3、channel access scheduling for ad hoc networks”, proc 7th annual intl conf on mobile computing and networking (mobicom 2001), rome, italy, july 16-21, 2001, 210-221.3 rajendran v, obraczka k, garcial-luna-aceves j j, “energy-efficient, collision-free periodic medium access control for wireless sensor

4、 networks”, proc 1st intl conf on embedded networked sensor systems (sensys03), november 2003, los angeles, ca, 181-192.4 孫利民等，“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”，清華大學(xué)出版社，2005。5 opnet online tutorial.進度安排：2月中3月中，查閱文獻，編寫開題報告，完成關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議以及基于時分復(fù)用mac協(xié)議的研究綜述并學(xué)習(xí)仿真軟件。3月中4月中，完成對deana以及trama協(xié)議的研究并進行仿真，編寫中期報告。4月中5月中，對以上幾種mac協(xié)議之一進行改

5、進或提出新的基于時分復(fù)用的mac協(xié)議，完成仿真。5月中6月中，完成論文的最終稿以及翻譯，答辯。指導(dǎo)教師簽字日期2009年3 月10 日注：一式二份，學(xué)院、學(xué)生各一份。本科畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯決議書學(xué)院學(xué)生姓名畢業(yè)設(shè)計論文題目指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師評語：（主要包含選題背景、意義；設(shè)計（論文）質(zhì)量；設(shè)計（論文）成果、價值、創(chuàng)見性；論文撰寫水平、文本規(guī)范程度；學(xué)生能力體現(xiàn)、工作量、工作態(tài)度；不足和希望等方面）指導(dǎo)教師評分(滿分40分)簽字日期 年 月 日答辯小組評語：（主要包含選題背景、意義；設(shè)計（論文）質(zhì)量；設(shè)計（論文）成果、價值、創(chuàng)見性；論文撰寫水平、文本規(guī)范程度；答辯準(zhǔn)備、陳述、回答問題情況；不

6、足和希望等方面） 答辯小組評分： 組長職稱： 簽字：(滿分60分) 成員職稱： 簽字： 成員職稱： 簽字： 成員職稱： 簽字： 成員職稱： 簽字： 年 月 日 注：畢業(yè)設(shè)計（論文）成績由指導(dǎo)教師評分（滿分40分）和答辯小組評分（滿分60分）相加，得出百分制成績，再按100-90分為“優(yōu)”、89-80分為“良”、79-70分為“中”、69-60分為“及格”、60分以下為“不及格”的標(biāo)準(zhǔn)折合成五級分制成績。本科畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信聲明本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），題目無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時分復(fù)用的mac協(xié)議是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致

7、謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。本人簽名： 日期： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于時分復(fù)用的mac協(xié)議研究摘 要在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問控制mac協(xié)議決定無線信道的使用方式，在節(jié)點之間分配有限的無線通信資源。mac協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有重要作用，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議重點考慮節(jié)點使用帶寬的公平性，提高帶寬的利用率以及增加網(wǎng)絡(luò)的實時性，而傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)

8、議所注重的因素正好反序，所以，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要研究和提出新的適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議。本文首先對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)做了系統(tǒng)的介紹，隨后總結(jié)了傳感器網(wǎng)絡(luò)中mac協(xié)議設(shè)計應(yīng)該滿足的一些要求，并對現(xiàn)有的mac協(xié)議按照基于競爭和基于十分復(fù)用的原則分成兩類進行介紹，重點介紹基于時分復(fù)用的mac協(xié)議。然后重點研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于時分復(fù)用的兩種典型協(xié)議deana和trama協(xié)議。通過使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件opnet對上述兩種協(xié)議進行仿真比較。經(jīng)過仿真可知，和其他一些協(xié)議相比，deana協(xié)議可以節(jié)省大約95%的能量。但是deana協(xié)議要求相當(dāng)高的時間同步精度。關(guān)鍵詞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

9、mac協(xié)議opnet網(wǎng)絡(luò)仿真工作the research of wireless sensor networks mac protocol based on tdmaabstractin wireless sensor networks, the medium access control (mac) protocol decided the access of the wireless channel and the allocation of the wireless communication resources among the nodes. as the bottom founda

10、tion of wireless sensor networks, mac plays an important role in sensor network. it is one of the crucial protocols which guarantee the efficiency of the wireless sensor network communication.the mac protocol of the traditional network focuses on the fairness of the use of bandwidth, improving the b

11、andwidth utilization ratio and increasing the real-time of the network. but what the sensor network focuses on is different from the traditional network. therefore traditional mac protocols cannot be applied efficiently to wsns, many new mac protocols which are adequate for wsns need to be discussed

12、 and proposed.in this paper, we first introduce the wireless sensor network briefly. next we summarize the requirements we need to design the mac protocols for sensor network. we mainly introduced the mac protocols based on tdma after introduced two types of mac protocols -contention-based mac proto

13、cols and tdma-based mac protocols. after that we focus on deana and trama, two tdma-based mac protocols. at the end, opnet was used to compare the performance of the two protocols.using the simulation result, we find out that deana can achieve significant energy savings (up to 95%).but it calls for

14、very high accuracy of time synchronization.key words wsn mac protocols opnet目錄第一章 引言11.1 課題研究背景及意義1第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述32.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念32.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)32.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能結(jié)構(gòu)42.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu)42.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征62.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用7第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議93.1概述93.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議設(shè)計原則93.2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要能耗93.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議設(shè)計93.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac

15、協(xié)議研究現(xiàn)狀103.3.1基于競爭的mac協(xié)議103.3.2基于時分復(fù)用的mac協(xié)議113.3.3 mac協(xié)議研究進展11第四章 基于時分復(fù)用的mac協(xié)議134.1基于分簇網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議134.2 deana協(xié)議134.3 trama協(xié)議15第五章 使用opnet實現(xiàn)deana協(xié)議的仿真205.1網(wǎng)絡(luò)仿真軟件opnet簡介：205.2 opnet仿真步驟215.3 opnet modeler主要特性215.4使用opnet對deana協(xié)議進行仿真225.4.1 節(jié)點模型的搭建225.4.2進程模型的搭建245.4.3 仿真環(huán)境介紹265.4.4 仿真結(jié)果27第六章 總結(jié)29參考文獻30致謝3

16、2第一章 引言1.1 課題研究背景及意義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks,簡稱wsn）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者，使得人們能在任何時間、地點和任何環(huán)境條件下都能獲得大量詳實而可靠的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其具有易擴展、自組織、分布式結(jié)構(gòu)、健壯性和實時性等特點，能夠廣泛地應(yīng)用在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶救救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等諸多領(lǐng)域。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的科學(xué)意義和應(yīng)用價值，已引起全世界

17、各國學(xué)術(shù)界、軍事部門、商界和工業(yè)界的極大關(guān)注。自2001年開始，美國國防高級研究計劃局（defense advanced research projects agency,darpa）把智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)研究，以求獲得所謂戰(zhàn)區(qū)“超視覺”數(shù)據(jù)。2002年8月，美國國家科學(xué)基金會nsf資助4000萬美元在ucla成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心，聯(lián)合各高校展開“嵌入式智能傳感器”項目進行研究，以求利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對物理世界實現(xiàn)全方位的監(jiān)測與控制，這也是美國國情咨文中有關(guān)ngi最主要的遠景規(guī)劃之一。日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。我國在傳感器網(wǎng)絡(luò)方

18、面的研究工作還很少，啟動我國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，特別是面向國防的應(yīng)用研究，以提高國防軍事信息化的水平及爭取未來信息戰(zhàn)中的主動權(quán)，不僅具有重要社會與經(jīng)濟意義，也具有十分長遠的戰(zhàn)略意義。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問控制（medium access control, mac）協(xié)議決定了無線信道的使用方式，通過在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。mac協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。本文共分五章：第一章為緒論部分，主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、課題背景、發(fā)展?fàn)顩r以及本文的工作內(nèi)容和組織結(jié)

19、構(gòu)；第二章主要分析了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)，總結(jié)了現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)、應(yīng)用和特征。第三章主要就現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的各種mac協(xié)議和算法進行了對比和分析，總結(jié)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議的共有特點以及不同網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議間的不同之處。為后面的深入研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)的mac奠定了基礎(chǔ)。第四章主要介紹了使用的仿真平臺：網(wǎng)絡(luò)仿真軟件opnet，并略述在opnet中實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)仿真的工作。第五章針對分布式能量感知節(jié)點活動（distributed energy-aware node activation, deana），進行了分析和仿真，證明了算法的有效性。最后對所作的工作進行了總結(jié)和未來工作的展望

20、。第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念隨著無線通信、微電子機械制造技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks, wsns) 引起了人們的廣泛關(guān)注.。wsns 由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)， 大量集成有感知、數(shù)據(jù)處理和無線通信及能量供應(yīng)模塊的微型傳感器節(jié)點所組成。在目標(biāo)入侵監(jiān)測、目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵察、生物醫(yī)療、搶險救災(zāi)以及工業(yè)加工過程的監(jiān)控等領(lǐng)域，wsns 都具有廣闊的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多在空間上分布的自動裝置組成的一種計算機網(wǎng)絡(luò)，這些裝置使用傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物）

21、。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點（sensor node）、匯聚節(jié)點（sink node）、和管理節(jié)點。圖2-1無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 如上圖所示：傳感器節(jié)點散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個節(jié)點都可以收集數(shù)據(jù)，并通過“多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點也可以用同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點。匯聚節(jié)點直接與internet或通信衛(wèi)星相連，通過internet或通信衛(wèi)星實現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點（即觀察者）與傳感器之間的通信。2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)需要自組織(ad hoc)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。盡管已有許多ad hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和算法，但并不能夠滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。

22、具體來說，相對于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下一些特色，需要在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中特殊考慮1。(1) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目高出ad hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目幾個數(shù)量級，這就對傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性提出了要求。由于傳感器節(jié)點的數(shù)目多開銷大，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯一的地址標(biāo)識，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相對于一般網(wǎng)絡(luò)而言，有很大的簡化。此外，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點眾多，因此，單個節(jié)點的價格對于整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本而言非常重要。(2) 自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點就是能量受限。傳感器節(jié)點受環(huán)境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及各層協(xié)議設(shè)計時，節(jié)能是設(shè)

23、計的主要考慮目標(biāo)之一。(3) 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的環(huán)境的特殊性、無線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點受損的概率遠大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因此自組織網(wǎng)絡(luò)的健壯性保障是必須的以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的損壞不會影響到全局任務(wù)的進行。(4) 傳感器節(jié)點高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化快，對于拓撲結(jié)構(gòu)的維護也提出了挑戰(zhàn)。上述這些特點使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有別于傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò)，并在當(dāng)前的一些體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的嘗試中得到了突出的表現(xiàn)。2.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成不盡相同，但一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這4部分組成(見圖1)。根據(jù)具體應(yīng)用需求，還可能會有定位系統(tǒng)以確

24、定傳感節(jié)點的位置，有移動單元使得傳感器可以在待監(jiān)測地域中移動，或具有供電裝置以從環(huán)境中獲得必要的能源。此外，還必須有一些應(yīng)用相關(guān)部分，例如，某些傳感器節(jié)點有可能在深海或者海底，也有可能出現(xiàn)在化學(xué)污染或生物污染的地方，這就需要在傳感器節(jié)點的設(shè)計上采用一些特殊的防護措施。圖2-2傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能結(jié)構(gòu)2.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu)根據(jù)以上特性，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計適應(yīng)自身特點的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)具有二維結(jié)構(gòu)(如圖2-3所示)，即橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理

25、層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層，而網(wǎng)絡(luò)管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面以及任務(wù)管理面。管理面的存在主要是用于協(xié)調(diào)不同層次的功能以求在能耗管理、移動性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設(shè)計。圖2-3傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu) 1、物理層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無線、紅外或者光介質(zhì)。例如，在微塵項目中，使用了光介質(zhì)進行通信。還有使用紅外技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，它們都需要在收發(fā)雙方之間存在視距傳輸通路。而大量的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點基于射頻電路，本文主要探討這類傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)推薦使用免許可證頻段(ism)。在物理層技術(shù)選擇方面，環(huán)境的信號傳播特性、物理層技術(shù)的能耗是設(shè)計的關(guān)鍵問題。

26、傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型信道屬于近地面信道，其傳播損耗因子較大。并且天線高度距離地面越近，其損耗因子就越大，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計的不利因素。然而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些內(nèi)在特征也有有利于設(shè)計的方面，例如，高密度部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分集特性，可以用來克服陰影效應(yīng)和路徑損耗。目前低功率傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計仍然有許多未知領(lǐng)域需要深入探討。2、數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測、媒體接入和差錯控制。數(shù)據(jù)鏈路層保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)點到點和點到多點的連接。(1)媒體接入控制在無線多跳ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，媒體訪問控制(mac)層協(xié)議主要負責(zé)兩個職能。其一是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立。因為成千上萬個傳感器節(jié)

27、點高密度地分布于待測地域，mac層機制需要為數(shù)據(jù)傳輸提供有效的通信鏈路，并為無線通信的多跳傳輸和網(wǎng)絡(luò)的自組織特性提供網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)。其二是為傳感器節(jié)點有效合理地分配資源。藍牙和移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)可能是最接近傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。然而藍牙采用星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并采用集中式分配的時分復(fù)用機制，這對于拓撲結(jié)構(gòu)需要經(jīng)常調(diào)整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說并不有利。傳統(tǒng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)的mac層協(xié)議強調(diào)在移動條件下提供較好的服務(wù)質(zhì)量(qos)保證，節(jié)電并非其考慮的主要因素，因此，也不能夠照搬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。(2)差錯控制數(shù)據(jù)鏈路層的另一個重要功能是傳輸數(shù)據(jù)的差錯控制。在通信網(wǎng)中有兩種重要的差錯控制模式分別是前向差

28、錯控制(fec)和自動重傳請求(arq)。在多跳網(wǎng)絡(luò)中arq的使用由于重傳的附加能耗和開銷而很少使用。既便是使用fec方式，也只有低復(fù)雜度的循環(huán)碼被考慮到，而其他的適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的差錯控制方案仍處在探索階段。3、網(wǎng)絡(luò)層傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點高密度地分布于待測環(huán)境內(nèi)或周圍。在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和接收器節(jié)點之間需要特殊的多跳無線路由協(xié)議。傳統(tǒng)的ad hoc網(wǎng)絡(luò)多基于點對點的通信。而為增加路由可達度，并考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點并非很穩(wěn)定，在傳感器節(jié)點多數(shù)使用廣播式通信，路由算法也基于廣播方式進行優(yōu)化。此外，與傳統(tǒng)的ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法在設(shè)計時需要特別考慮能耗的問題。基于節(jié)能的路由

29、有若干種，如最大有效功率(pa)路由算法，即選擇總有效功率最大的路由，總有效功率可以通過累加路由上的有效功率得到。最小能量路由算法，該算法選擇從傳感器節(jié)點到接收器傳輸數(shù)據(jù)消耗最小能量的路由?；谧钚√鴶?shù)路由：在傳感器節(jié)點和接收機之間選擇最小跳數(shù)的節(jié)點。以及基于最大最小有效功率節(jié)點路由，即算法選擇所有路由中最小有效功率最大的路由。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計的設(shè)計特色還體現(xiàn)在以數(shù)據(jù)為中心。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個區(qū)域的某個觀測指標(biāo)的值，而不會去關(guān)心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，快速有效的組織起各

30、個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。4、傳輸層傳感器網(wǎng)絡(luò)的計算資源和存儲資源都十分有限，而且通常數(shù)據(jù)傳輸量并不是很大。這樣，對于傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，是否需要傳輸層是一個問題。最為熟知的傳輸控制協(xié)議(tcp)是一個基于全局地址的端到端傳輸協(xié)議，而對于傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，tcp設(shè)計思想中基于屬性的命名對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴展性并沒有太大的必要性，而數(shù)據(jù)確認機制也需要大量消耗存儲器，因此合適于傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議會更類似于udp協(xié)議。2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征wsns 網(wǎng)絡(luò)是一種特定的ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點自組織成網(wǎng)絡(luò)，不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施。 與wsns 網(wǎng)絡(luò)最為相似的是移動自組織網(wǎng)絡(luò)(m

31、obile ad hoc networks, manet)， 盡管二者都是無線自組織多跳網(wǎng)絡(luò)，具有相似之處， 但差異很大。1、自組織性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過向監(jiān)測區(qū)域隨機拋撒大量的傳感器節(jié)點來部署網(wǎng)絡(luò)的，各節(jié)點間通過自我協(xié)調(diào)、自我配置組成網(wǎng)絡(luò)，無法依靠其他輔助設(shè)施或是認為手段來配置網(wǎng)絡(luò)。由于能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素的影響，傳感器節(jié)點會損壞，導(dǎo)致一些節(jié)點不能正常工作，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。這就要求傳感器節(jié)點的自組織能力來適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。2、動態(tài)拓撲在傳感

32、器網(wǎng)絡(luò)的是使用過程中，有以下幾種原因造成傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變：新節(jié)點的加入；環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時通。3、以應(yīng)用為導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都有很大差別。針對每一個具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。4、多跳路由節(jié)點受通信距離、功率控制或節(jié)能的限制，當(dāng)節(jié)點無法與網(wǎng)關(guān)直接通信時，需要由

33、其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完成數(shù)據(jù)的傳輸，因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路由是多跳的。2.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；趍ems的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。1. 軍事應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點，因此非常適合在軍事上的應(yīng)用。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，可以通過飛機撒播等形式將大量廉價的傳感器密集地部署在人員不便到達的觀察區(qū)域。如敵方陣地，收集到有用的機密數(shù)據(jù)；在個別或一部分傳感器節(jié)點因為遭破壞等原因失效時，傳感器

34、網(wǎng)絡(luò)仍然能夠依靠自組織性完成貫徹任務(wù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)眾多優(yōu)點可適應(yīng)于以下幾種軍事應(yīng)用：監(jiān)測人員、裝備等情況以及單兵系統(tǒng)；監(jiān)測敵軍進攻；評估戰(zhàn)果；核能、生物、化學(xué)攻擊的偵查。2. 環(huán)境應(yīng)用 應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有部署簡單、便宜、長期不需要更換電池、無需派人現(xiàn)場維護的優(yōu)點。通過密集的節(jié)點布置，可以觀察到微觀的環(huán)境因素，為環(huán)境研究和環(huán)境監(jiān)測提供了嶄新的途徑3 。(1) 農(nóng)業(yè)環(huán)境的自動監(jiān)測系統(tǒng)。各種環(huán)境因素包括水、電、熱、光等，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非常地重要，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)有效地監(jiān)測這些環(huán)境因素，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)并進行適當(dāng)?shù)沫h(huán)境控制，可以提高農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)的程度，簡化系統(tǒng)復(fù)雜性，降低設(shè)備的成本，有效

35、地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和效果。(2) 自然災(zāi)害的預(yù)防。在一些容易發(fā)生泥石流、滑坡等自然災(zāi)害的地方，使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)及時、長期地對這些地方的地形變化、各種環(huán)境因素的監(jiān)測，采集相關(guān)數(shù)據(jù)并進行適當(dāng)?shù)姆治觯?dāng)災(zāi)難將要發(fā)生時，我們就可以提前發(fā)出預(yù)警報告以做好準(zhǔn)備或采取相應(yīng)措施防止它們進一步的發(fā)生。(3) 火災(zāi)、化學(xué)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集。對于一些人類不適宜進入的但又必須對其環(huán)境進行監(jiān)測的場合，例如火災(zāi)、含有大量對人體有害的化學(xué)物質(zhì)的場合，在其中部署一組無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以讓我們知道這些場合的實時情況，并做出正確的決策，減少災(zāi)難造成的損失或者有效地收集到化學(xué)現(xiàn)場的環(huán)境變化數(shù)據(jù)，進行有效的分析和研究。(4) 生態(tài)環(huán)境的監(jiān)

36、測4。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境逐漸被更多人所關(guān)注，從研究到保護都需要掌握大面積地域中的大量數(shù)據(jù)，甚至有些勘測區(qū)域人類無法觸及，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多特征正好適應(yīng)了這樣一種需求。例如在非洲不發(fā)達地區(qū)，每年都有大量的人因為霍亂以及其他經(jīng)由水污染的疾病死去，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采集并分析這些受污染地區(qū)的飲用水質(zhì)量，并作出相應(yīng)的保護措施，這樣，才能減少受災(zāi)的人數(shù)。3. 企業(yè)、家庭監(jiān)控。在企業(yè)、家庭布設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實時地監(jiān)控人員的流動和環(huán)境的變化，有利于企業(yè)、家庭采取有效的安全防護措施和災(zāi)難應(yīng)變措施。4. 醫(yī)療應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域也有一些成功實例。ssim（smart sensors an

37、d integrated microsystems）項目中，100個微型傳感器被植入病人眼中5，從而幫助盲人獲得了一定程度的視覺。借助于各種醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們可以享受到更方便更舒適的醫(yī)療服務(wù)。5. 建筑及城市管理 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測建筑物的健康狀況，不僅成本低廉，而且能解決傳統(tǒng)監(jiān)測布線復(fù)雜、線路老化、易受損壞等問題。斯坦福大學(xué)提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建筑物監(jiān)測系統(tǒng)，采用基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點由evk915模塊和adxl210加速度傳感器構(gòu)成，簇首節(jié)點由proxim rangellan2無線調(diào)制器和evk915連接而成。第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議3.1概述無線傳感器

38、網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,wsns)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點,涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域,有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究,其中,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計就是關(guān)鍵技術(shù)之一,目前的研究重點是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中,mac(medium access control)協(xié)議是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的重要協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)明顯不同的性能特點和技術(shù)要求,傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議無法應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò),各種針對特定傳感器網(wǎng)絡(luò)特點的mac協(xié)議相繼提出。在以下幾節(jié)中，本文歸納無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議的設(shè)計原則和分類方法,分析當(dāng)前典型的各類mac

39、協(xié)議的主要機制,詳細比較這些協(xié)議的特點、性能差異和應(yīng)用范圍。3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議設(shè)計原則3.2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要能耗為了分析和評價mac 協(xié)議的能量有效性, 需要分析是哪些因素導(dǎo)致了能量損耗. wsns 網(wǎng)絡(luò)中造成能量浪費的主要因素有以下幾個方面67：1、空閑偵聽(idle listening) 節(jié)點不能預(yù)知他的鄰居節(jié)點何時傳輸數(shù)據(jù)給自己，因此節(jié)點的射頻模塊需要一直保持為接收模式，就造成了節(jié)點能量的大量消耗。這是能量浪費的主要因素。2、沖突重傳(collision and retransmission) 節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，在競爭共享的無線信道中，可能會引起多個節(jié)點之間發(fā)

40、送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗，這就浪贊了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)上的能量，然后需要重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而消耗節(jié)點更多的能量。3、串音(overhearing) 數(shù)據(jù)包是在共享的無線信道中傳輸，一個節(jié)點可能會接收并處理不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)包，此時，會造成節(jié)點的無線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量。4、控制消息 mac協(xié)議首部包括一些控制信息，如rts/cts/ack，節(jié)點發(fā)送這些控制信息需要消耗一定的能量。傳感器節(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)包括發(fā)送、接收、偵聽和休眠四種狀態(tài)，目前的mac協(xié)議在降低功耗方面主要集中在增加節(jié)點的休眠時間，減少節(jié)點對信道的偵聽。3.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

41、域現(xiàn)有的ad hoc網(wǎng)絡(luò)有很大的區(qū)別，導(dǎo)致已有網(wǎng)絡(luò)中的許多技術(shù)并不能直接應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議的主要目標(biāo)是節(jié)能和自組織，而每個節(jié)點的公平和時延是次要的。為了建立可靠穩(wěn)定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac層協(xié)議時需要著重考慮以下5個方面：1、降低能耗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本特征就是能量受限，mac層協(xié)議要盡可能地節(jié)約能源，如減少沖突和串音、降低占空比和盡量避免長距離通信。協(xié)議中還應(yīng)該包括折中機制，使用火可用在節(jié)能和提高吞吐量、降低延遲之間做出選擇。另外，設(shè)計協(xié)議時應(yīng)該注意能量不是隨時可用的，因為節(jié)點可能處于睡眠狀態(tài)或者由于不可知的原因死亡。傳統(tǒng)的mac層協(xié)議

42、的設(shè)計目標(biāo)是最大化吞吐量、最小化時延并且提供公平性。而為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的mac層協(xié)議關(guān)注的是最小化能耗，這就決定了它要適度地減小吞吐量和增加時延。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點總是協(xié)作完成某應(yīng)用任務(wù)，所以公平性通常不是主要問題。另外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些典型應(yīng)用（如戰(zhàn)場目標(biāo)跟蹤）也對其mac層協(xié)議的設(shè)計提出了不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的要求。2、實時性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被應(yīng)用于軍事、醫(yī)療等對實時性要求很高的領(lǐng)域，及時地檢測、處理和傳遞信息是其不可缺少的要求。mac層應(yīng)和其他層合作提供實時保證。3、自組織性。由于傳感器節(jié)點數(shù)目、節(jié)點分布等在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存過程中不斷變化，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也經(jīng)常變化，節(jié)點位

43、置可能移動，考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，節(jié)點的加入與退出使得網(wǎng)絡(luò)拓撲呈動態(tài)變化。mac層協(xié)議應(yīng)該具有可擴展性以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)。4、分布式。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點計算能力和存儲能力有限，需要眾多節(jié)點協(xié)同完成某應(yīng)用任務(wù)，所以mac層協(xié)議應(yīng)該運行分布式的算法，這也是有效避免某些節(jié)點的死亡造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓的需要。5、網(wǎng)絡(luò)性能。mac層協(xié)議的設(shè)計需要在各種性能間取得平衡，各性能間的平衡往往比單個性能的表現(xiàn)更重要。因為一個不平衡的協(xié)議即使在實驗室里表現(xiàn)好，也可能在實際環(huán)境中表現(xiàn)很差。比如，一個協(xié)議如果太頻繁地關(guān)閉無線收發(fā)裝置來節(jié)能，不僅使實時性和可靠性受到影響，包丟失引起的重傳也會反

44、過來影響節(jié)能的效果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)針對不同的應(yīng)用顯示出了不同的網(wǎng)絡(luò)特性，mac層協(xié)議應(yīng)該能適應(yīng)不同應(yīng)用的各種流量模式。3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議研究現(xiàn)狀mac層是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧中的一個重要層次，它實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和節(jié)能。節(jié)點被隨機放置后，mac層協(xié)議實現(xiàn)節(jié)點間鏈路的建立，保證所有節(jié)點可以公平、有效地利用有效的帶寬。另外，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能也由mac層實現(xiàn)。目前研究者已經(jīng)提出了很多mac層設(shè)計的建議方案，大致可以劃分為以下幾類。3.3.1基于競爭的mac協(xié)議基于無線信道隨機競爭方式的mac協(xié)議采用按需使用信道的方式，主要思想就是當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送請求時，通過競爭方式占用無線信道，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)生

45、沖突時，按照某種策略(如ieee802.11 mac協(xié)議8的分布式協(xié)調(diào)工作模式dcf采用的是二進制退避重傳機制)重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或徹底放棄發(fā)送數(shù)據(jù)。由于在ieee802.11 mac協(xié)議基礎(chǔ)上，研究者們提出了多個適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于競爭的mac協(xié)議。主要有ieee 802.11 mac層協(xié)議、s-mac協(xié)議以及在s-mac基礎(chǔ)上進行改進的t-mac協(xié)議。3.3.2基于時分復(fù)用的mac協(xié)議 時分復(fù)用(tdma)機制就是為每個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據(jù)收發(fā)的時隙，而節(jié)點在其他空閑時隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠節(jié)能狀態(tài)。相比隨機競爭接入機制，時分復(fù)用方式本身就更能節(jié)省能量，是實現(xiàn)信道分配的簡

46、單成熟機制，因為無線電波的工作時間縮短，而且沒有任何競爭帶來的開銷和沖突。如藍牙網(wǎng)絡(luò)就是采用的典型tdma的mac協(xié)議。3.3.3 mac協(xié)議研究進展由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大應(yīng)用前景，其研究正逐步受到各國研究人員的重視。作為citris（center of information technology research in the interest of society）計劃的一部分，美國加州大學(xué)伯克利分校的環(huán)境工程和計算機科學(xué)家們采用傳感器網(wǎng)絡(luò)，讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠自身感覺并意識到它們本身的狀況，使得安裝了傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑自動告訴管理部門它們的狀態(tài)信息，并且能夠自動按照優(yōu)先級來進行

47、一系列自我修復(fù)工作。在我國，清華大學(xué)，北京郵電大學(xué)，中科院研究所等也開始對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行研究，并取得了一些初步進展。下面簡單介紹一下國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議的研究成果：1. zheng tao 等人提出了p-mac9協(xié)議（pattern-mac）,該協(xié)議主要思想是：用一串二進制字符來代表某一節(jié)點所處的模式信息（pattern information）調(diào)整睡眠與工作時間。該協(xié)議在節(jié)能方面性能優(yōu)于s-mac和t-mac，但該算法主要適用于網(wǎng)絡(luò)負載變化頻率不大的情況。2. venkatesh rajendran等人提出的flama協(xié)議10，該協(xié)議通過防止空閑偵聽，數(shù)據(jù)碰撞，并且不將數(shù)據(jù)傳送給

48、一個還未準(zhǔn)備好接好數(shù)據(jù)包的節(jié)點來實現(xiàn)能量高效。經(jīng)過仿真顯示，flama在節(jié)省能量和可靠性方面都比其他一些協(xié)議有優(yōu)越性。3. 仇兆存提出的crmac協(xié)議11。該協(xié)議將節(jié)點工作時間分離為信道預(yù)約時間和數(shù)據(jù)發(fā)送時間。在信道預(yù)約時間里，有數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點發(fā)送預(yù)定信道幀通知多跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，確定節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送時間框架。在數(shù)據(jù)傳送時間里，只有需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的節(jié)點被喚醒，而其他節(jié)點保持睡眠狀態(tài)。4. 岳宇君等提出的基于生成樹的無線傳感網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議st-mac12。該協(xié)議以匯聚節(jié)點為根節(jié)點，創(chuàng)建一個由網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點組成的生成樹。st-mac采用tdma接入方式，其固有的低工作周期提高了網(wǎng)絡(luò)性能。性能分析和實

49、驗結(jié)果表明：相對s-mac，st-mac在能量節(jié)省和時延方面有較好的效果。5. katayoun sohrabi等人提出了smacs協(xié)議和ear協(xié)議13。該協(xié)議主要用于靜止的節(jié)點之間連接的建立，而對于靜止節(jié)點與運動節(jié)點之間的通訊，則需要通過ear協(xié)議進行管理。smacs協(xié)議負責(zé)系統(tǒng)啟動后自組網(wǎng)，ear協(xié)議負責(zé)移動節(jié)點的接入控制。smacs使用無中心信道分配策略，ear協(xié)議在移動節(jié)點接入方面對smacs協(xié)議進行了補充。但是該協(xié)議不能完全避免碰撞，多個節(jié)點在協(xié)商過程中可能同時發(fā)出“邀請”消息或應(yīng)答消息，從而出現(xiàn)沖突。在可擴展性方面，ear協(xié)議可以為變化慢的移動節(jié)點提供持續(xù)的服務(wù)。但并不適用于拓撲結(jié)

50、構(gòu)變化較快的傳感器網(wǎng)絡(luò)。第四章 基于時分復(fù)用的mac協(xié)議時分復(fù)用（time division multiple access,tdma）是實現(xiàn)信道分配的簡單成熟的機制。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用tdma機制，就是為每個節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時槽，而節(jié)點在其他空閑時槽內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。tdma機制的特點非常適合傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的需求：tdma機制沒有競爭機制的碰撞重傳問題；數(shù)據(jù)傳輸時不需要過多的控制信息；節(jié)點在空閑時槽能夠及時進入睡眠狀態(tài)。tdma機制需要節(jié)點之間比較嚴(yán)格的時間同步。時間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要求。下面介紹幾個典型的tdma協(xié)議。4.1基于分簇網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議基于分簇結(jié)構(gòu)的無

51、線傳感器網(wǎng)絡(luò)，arisha k a等提出了基于tdma(energy-awaretdma)機制的能量感知的分簇網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議。根據(jù)功能的差異，分簇網(wǎng)絡(luò)主要由三類節(jié)點組成：簇成員節(jié)點(又叫感知節(jié)點)、簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點。其中節(jié)點的工作狀態(tài)又分為四種：感應(yīng)(sensing)、轉(zhuǎn)發(fā)(relaying)、感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)(sensing and relaying)和非激活(inactive)狀態(tài)。感應(yīng)狀態(tài)節(jié)點主要負責(zé)采集數(shù)據(jù)并向鄰居發(fā)送。轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)時節(jié)點接收其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送給下一個節(jié)點。處于感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的節(jié)點需要完成上面兩種功能。如果節(jié)點無數(shù)據(jù)接收和發(fā)送則自動進入非激活狀態(tài)。此外，該協(xié)議將時間幀分為

52、周期性的四個階段，以更好地適應(yīng)拓撲動態(tài)變化。a) 數(shù)據(jù)傳輸階段。簇內(nèi)節(jié)點在各自分配時隙內(nèi)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)給簇頭。b) 更新階段。簇內(nèi)節(jié)點向簇頭報告其當(dāng)前狀態(tài)。c) 更新引起的重組階段。在更新階段之后簇頭節(jié)點根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點的當(dāng)前狀態(tài)，重新給簇內(nèi)節(jié)點分配時隙。d) 事件觸發(fā)的重組階段。網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化時或節(jié)點能量低于特定值等事件發(fā)生時，簇頭就要重新分配時隙。e) 該協(xié)議在更新和重組階段都需重新分配時隙，才能適應(yīng)簇內(nèi)節(jié)點拓撲動態(tài)變化及節(jié)點狀態(tài)的變化。這樣要求簇頭節(jié)點有較強的計算和通信能力，能耗也較大，因此如何合理選擇簇頭節(jié)點是設(shè)計該類mac協(xié)議的一個至關(guān)重要的關(guān)鍵問題。4.2 deana協(xié)議分布式能量感

53、知節(jié)點活動（distributed energy-aware node activation,deana）14協(xié)議將時間幀分為周期性的調(diào)度訪問階段和隨機訪問階段。調(diào)度訪問階段由多個連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸時槽組成，某個時槽分配給特定節(jié)點用來發(fā)送數(shù)據(jù)。除相應(yīng)的接收節(jié)點外，其他節(jié)點在此時槽處于睡眠狀態(tài)。隨機訪問階段由多個連續(xù)的信令交換時槽組成，用于處理節(jié)點的添加、刪除以及時間同步等。為了進一步節(jié)省能量，在調(diào)度訪問部分中，每個時槽又細分為控制時槽和數(shù)據(jù)傳輸時槽?？刂茣r槽相對數(shù)據(jù)傳輸時槽而言長度很短。如果節(jié)點在其分配的時槽內(nèi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則在控制時槽發(fā)出控制消息，指出接收數(shù)據(jù)的節(jié)點，然后在數(shù)據(jù)傳輸時槽發(fā)送數(shù)據(jù)

54、。在控制時槽內(nèi)，所有節(jié)點都處于接收狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)自己不是數(shù)據(jù)的接受者，節(jié)點就進入睡眠狀態(tài)，只有數(shù)據(jù)的接受者才在整個時槽內(nèi)保持在接收狀態(tài)。這樣就能有效減少節(jié)點接收不必要的數(shù)據(jù)。deana協(xié)議的時間幀分配如圖所示。圖4- deana協(xié)議的時間幀分配 如果在當(dāng)前傳輸時槽的勝利者是節(jié)點a的一跳鄰居中，那么將節(jié)點a在控制時槽設(shè)置為接收模式。如果在控制時槽，節(jié)點a被選為接收者，那么在數(shù)據(jù)傳輸時槽仍然將a設(shè)置為接收模式，或者將其設(shè)為待命模式。如果在當(dāng)前傳輸時槽的勝利者是在節(jié)點a的兩跳鄰居中，那么在整個傳輸時槽中將a設(shè)為睡眠模式。 如果節(jié)點a是當(dāng)前傳輸時槽的勝利者，并且有數(shù)據(jù)包需要傳送，那么將節(jié)點a設(shè)定為傳輸

55、模式，在控制時槽中，通知所有潛在接收者，然后在數(shù)據(jù)時槽傳輸數(shù)據(jù)包。如果節(jié)點a是當(dāng)前傳輸時槽的勝利者，但是沒有數(shù)據(jù)包需要傳送，那么在整個傳輸時槽將a設(shè)為待命模式。在一個數(shù)據(jù)傳送時槽內(nèi)，一個節(jié)點的能耗分析如下：為了更細致地分析，現(xiàn)在先引入幾個節(jié)點的術(shù)語：n:節(jié)點的兩跳鄰居數(shù)量n:節(jié)點的一跳鄰居數(shù)量q:信道接入概率p:被選中節(jié)點有數(shù)據(jù)包要傳送的概率p:一個節(jié)點被它的一跳鄰居選擇為接收者的概率p:在傳送模式的平均能耗p:在接收模式的平均能耗p:在待命模式的平均能耗p:從模式x轉(zhuǎn)到模式y(tǒng)需要的能耗信道接入概率q是指節(jié)點在一個時槽內(nèi)被選為勝利者的概率。我們假設(shè)節(jié)點是獨立的，并且是節(jié)點的兩跳鄰居數(shù)量n2函數(shù)，并且我們假設(shè)所有節(jié)點都有相同的兩跳鄰居數(shù)。當(dāng)節(jié)點從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個狀態(tài)時，會消耗一定得能量。以下是狀態(tài)轉(zhuǎn)換時能量消耗的公式： p=（p+p）式(4-1) p= p式(4-2)p=(p+p)/2式(4-3)p= p式(4-4)p=( p+ p)/2式(4-5)p= p式(4-6)由上述式子可知，當(dāng)節(jié)點從高能耗的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低能耗狀態(tài)時所消耗的能量為兩者的平均值，反之，所消耗的能量等于高能耗狀態(tài)所消耗的能量。根據(jù)上述分析，deana協(xié)議的主要缺點在于，頻繁的廣播模式轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致不必要的能量消耗。4.3 trama協(xié)議流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(traffic adaptiv