對無線傳感器網(wǎng)絡MAC層協(xié)議探究

1、一 、 引 言隨著硬件技術的發(fā)展 , 低功耗的傳感器節(jié)點可以僅 由單獨的芯片組成 , 在這個芯片中將會集成內(nèi)存 、 處理 器和收發(fā)裝置等 。 與其他的移動裝置相比 , 低的功率容 量限制了傳感器節(jié)點的通信范圍和覆蓋區(qū)域 。 因此 , 在 目標跟蹤和實時監(jiān)測等應用中 , 傳感器網(wǎng)絡要有大量的 節(jié)點才能覆蓋目標區(qū)域 。與其他的無線網(wǎng)絡相比 , 在無線傳感器網(wǎng)絡中給其 節(jié)點充電或更換電池是比較困難的 , 也是不太實際的 , 因此最大化地延長節(jié)點或網(wǎng)絡的生命周期將是我們工 作的主要目標 。 通常情況下 , 節(jié)點的通信過程比其計算 過程消耗能量更多 , 所以要保證在網(wǎng)絡正常運轉(zhuǎn)的前提 下使通信過程最小化

2、 。 盡管如此 , 在由多個低工作周期 的節(jié)點所組成的密集網(wǎng)絡中 , 考慮到能量的效率 , 媒體 接入的方法仍是一個難以解決的問題 。在本文的第二部分 , 將介紹無線傳感器網(wǎng)絡的特性 及在媒體接入通信中所隱含的能量浪費的原因 。 第三部 分是本文的主體 , 將給出傳感器網(wǎng)絡中一些重要的 MAC 層協(xié)議 , 并列舉它們的優(yōu)缺點 。 同時 , MAC 層和其 他層融合的方法和相關協(xié)議也會在此部分進行探討 。 二 、 與傳感器網(wǎng)絡相關的 MAC 層協(xié)議特性 傳感器節(jié)點的電量耗完后 , 我們將會丟棄此節(jié)點 , 因此傳感器網(wǎng)絡研究的主要目的就是使網(wǎng)絡的存在時 間最大化 。 在這種情況下 , 所提出的 M

3、AC 層協(xié)議就需要 減少潛在的能量浪費 。1. 能量浪費的原因 當一個接收節(jié)點同時接收到多于一個的分組且 有部分沖突發(fā)生時 , 這些分組則被稱為 “ 有沖突的分 組 ”, 發(fā)生沖突的所有分組都將會被丟棄或重新發(fā)送 , 而 這將導致能量消耗的增加 ; 串擾 , 即節(jié)點接收到發(fā)給 其他節(jié)點的分組 ; 控制分組的費用 , 我們將盡量滿足 使最小數(shù)量的控制分組用于數(shù)據(jù)的發(fā)送 ; 空閑監(jiān)聽 引起的 , 即監(jiān)聽一個空閑的信道以接收可能的信息量 ; 當目的節(jié)點未準備就緒時 , 信息的發(fā)送已經(jīng)開始而 引起的 。 在設計 MAC 協(xié)議時應避免以上 5種能量浪費 情況的發(fā)生 。2. 通信的方式在無線傳感器網(wǎng)絡中定

4、義了 3種類型的通信方式 :廣 播 (broadcast , 匯 聚 播 (convergecast 和 本 地 傳 播 (local gossip 。 廣播類型通常是由基站 (稱為 sink 所使 用 , 它用來將一些信息傳送給網(wǎng)絡中的所有節(jié)點 。 廣播 信息包括有對傳感器詢問處理結構的詢問 , 節(jié)點的程序 更新以及整個系統(tǒng)的控制分組 。 廣播類型的通信方式不 要和廣播類型分組相混淆 。 對于前者 , 網(wǎng)絡中的所有節(jié) 點都是接收者 ; 而對于后者 , 接收者則是那些在發(fā)送節(jié) 點通信范圍內(nèi)的節(jié)點 。在某些情況下 , 檢測到網(wǎng)絡中進入一個新的節(jié)點的 傳感器將會在本地互相進行通信 , 這種通信方式

5、被稱作 本地傳播 。 傳感器將在一定范圍內(nèi)發(fā)送一條消息給它的 鄰居節(jié)點們 , 檢測到有新的進入者的傳感器需要將其所 感知到的信息傳送到信息中心 , 這種通信方式又被稱為 匯聚播 , 一組傳感器將和一個特有的傳感器進行通信 。 目的節(jié)點可以是數(shù)據(jù)匯聚中心 、 基站等 。3. 優(yōu)良的 MAC 協(xié)議的特征一是能量高效的協(xié)議有效地延長網(wǎng)絡的生存時間 ; 二是具有對于變化的可預測性和自適應性 。 網(wǎng)絡大小 、 節(jié)點的密度和拓撲改變之后 , 對于一個成功的自適應系收稿日期 2010-02-28中 國 管 理 信 息 化 C hina Management Informationization2010年 8

6、月 第 13卷第 15期Aug. , 2010 Vol . 13, No . 15無線傳感器網(wǎng)絡 MAC 層協(xié)議探究曹自力(青島 4808廠 監(jiān)修室 , 山東 青島 266001摘 要 無線傳感器網(wǎng)絡是目前很熱門的研究領域 , 有著很廣泛的應用前景 , 但是由于較低的感應范圍使得網(wǎng)絡節(jié)點 十分密集 , 因此采用一種高效的媒體接入?yún)f(xié)議顯得十分必要 。 本文首先列舉出在設計 MAC 層協(xié)議時所需要考慮的一 些關鍵特性 , 然后具體描述各種 MAC 協(xié)議 , 并指出它的優(yōu)缺點 , 得出結論 。關鍵詞MAC 層協(xié)議 ; 無線傳感器網(wǎng)絡 ; 探究 ; 融合doi:10. 3969/j.issn. 167

7、3-0194. 2010. 15. 032中圖分類號 TP212文獻標識碼 A 文章編號 1673-0194(2010 15-0074-0374/CHINA MANAGEMENT INFORMATIONIZATION統(tǒng)應該可以進行快速而有效的處理 。 其他要素 , 如等待 時間 、 吞吐量和帶寬利用率等 , 對傳感器網(wǎng)絡都是次要 的 。 另外公平性在其他無線網(wǎng)絡中會顯得比較重要 , 但 在無線傳感器網(wǎng)絡中則不是設計的目標 。 因為所有的傳 感器節(jié)點都進行的是同樣的工作 。三 、 常見的 MAC 層協(xié)議針對無線傳感器網(wǎng)絡的特性 , 已經(jīng)提出了很多種 MAC 層協(xié)議 。1. Sensor-MAC

8、(S-MAC 該協(xié)議將時間分幀 , 幀長度由應用程序確定 , 幀內(nèi) 分為工作階段和休眠階段 。 2002年版本中 , 工作階段持 續(xù)時間是固定的 。 2004年版本為了更好地支持數(shù)據(jù)突 發(fā) , 協(xié)議將工作階段改為長度可調(diào) , 在休眠階段 , 節(jié)點關 閉射頻模塊 , 緩存在此期間采集到的數(shù)據(jù) , 在工作階段 集中發(fā)送 。 通過同步消息 , 相鄰節(jié)點可以采用相同的工 作 /休眠策略 , 新節(jié)點也可以加入進來 , 這種機制在協(xié)議 中稱為虛擬簇 。 基于這些同步的本地化管理同步和周期 性的工作 /休眠策略形成了 S-MAC 協(xié)議的基本思想 。 相 鄰節(jié)點形成虛擬簇來建立一個共同的休眠策略 。 如果兩

9、個相鄰節(jié)點位于兩個不同的虛擬簇 , 它們將在兩個簇的 工作階段都處于喚醒狀態(tài) , 這會導致更多的能量消耗 。 S-MAC 的一個很重要的特征是采用了消息傳遞技 術 , 很好地支持長消息發(fā)送 。 對于無線信道 , 傳輸差錯與 包長度成正比 。 根據(jù)這一原理 , 將長消息分為若干短包 , 采用一次 RTS/CTS握手 , 集中連續(xù)發(fā)送全部短包 , 既可 以提高發(fā)送成功率 , 又有效地減少了控制開銷 。周期性的休眠可能會導致高的等待時間 , 尤其是對 于多跳路由算法 , 因為所有的相鄰節(jié)點都有它們自己的 休眠策略 , 它們可能會互相造成影響 。 由周期性休眠所 引起的等待時間我們稱之為休眠延遲 。

10、自適應的監(jiān)聽技 術可以改善這種延遲 。該協(xié)議的擴展性較好 , 可以適應網(wǎng)絡拓撲結構的變 化 , 可以有效地改善由于空閑監(jiān)聽所導致的能量浪費問 題 ; 缺點是協(xié)議實現(xiàn)非常復雜 , 需要占用大量的存儲空 間 , 這在資源受限的傳感器節(jié)點中顯得尤為突出 。 2. Timeout-MAC (T-MAC 該協(xié)議工作方式是將時間分幀 , 幀長度固定 , 工作 階段長度可變 。 協(xié)議定義了 5種事件和一個計時器 TA , 以確定工作階段的結束時間 。 5種事件分別為 : 幀長 度超時 ; 節(jié)點接收到數(shù)據(jù) ; 數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生沖突 ; 節(jié) 點數(shù)據(jù)或確認發(fā)送完成 ; 鄰居節(jié)點完成數(shù)據(jù)交換 (如 果在 TA 內(nèi) ,

11、射頻模塊沒有偵聽到這 5種事件中的任何 一種 , 就認為信道進入空閑狀態(tài) , 節(jié)點關閉射頻模塊 , 轉(zhuǎn) 入休眠階段 。由于 T-MAC 的實現(xiàn)機制與 2004版的 S-MAC 基 本相同 , 它們的性能也很接近 。3. Traffic-Adaptive MAC (TRAMA TRAMA 提出了在能量效率方面增加對 TDMA 的 利用 。 時間被分為隨機接入和預定接入 。 隨機接入階段 用來建立兩跳拓撲信息 , 信道接入是基于競爭策略的 。 一個基本的假設是通過應用層傳遞的信息 , MAC 層能 夠計算出所需要的傳輸時間 。相比于那些基于 S-MAC 的協(xié)議 , 該協(xié)議具有更長 的休眠時間和更少

12、的減少沖突的比例 。 因為預定的接收 方是利用位圖來顯示 , 通信方式很少采用多播和廣播的 形式 。4. Data-gathering MAC (D-MAC D-MAC 的基本目標是達到較低的等待時間 , 但同 時也能夠保證能量的效率 。 D-MAC 分析了 S-MAC 和 T-MAC 協(xié)議的自適應工作 /休眠策略 , 發(fā)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) 中斷問題 , 并提出了擺動喚醒策略來解決這個問題 。 從 傳感器節(jié)點到基站節(jié)點形成一棵數(shù)據(jù)匯集樹 , 樹中的數(shù) 據(jù)傳輸是單向的 , 由子節(jié)點到父節(jié)點 。 節(jié)點采用工作 /休 眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換 。 擺動喚醒策略調(diào)整樹中每層節(jié)點的工作周 期 , 使子節(jié)點的發(fā)送時間與父節(jié)點

13、的接收時間重合 , 在 最理想情況下 , 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)會一直進行 , 沒有任何延遲 。 5. MAC 層與其他層的融合在傳感器網(wǎng)絡中 , 關于將網(wǎng)絡中不同層間融合為一 層及在網(wǎng)絡層和 MAC 層之間進行跨層交互的問題 , 目 前所進行的研究還是很有限的 。S.Cui , R.Madan 等曾經(jīng)對 MAC 層與物理層之間的 集成和網(wǎng)絡 /MAC/物理層之間集成的目標進行了研究 , 并且提出了一種可變長度的 TDMA 方案 。 在這種方案 中 , 時隙的長度是根據(jù)最優(yōu)化的能量耗費標準來進行分 配的 。 在這些標準中 , 最關鍵的值是每個節(jié)點所產(chǎn)生的 通信量的信息和每個節(jié)點對之間的距離 。 根據(jù)這些值

14、, 提出了一種線性可編程問題并加以解決 , 同時還確定了 在每個節(jié)點中最優(yōu)化的時隙的數(shù)量以及相關的路由策 略 。 然而這種方案需要龐大的計算量并且很難適應目前 存在的系統(tǒng) 。多跳架構的網(wǎng)絡結構是將 MAC 層和網(wǎng)絡層集成 的另一種方法 。 J.Ding , K.Sivalingam 等人提出了一種分 層的多跳網(wǎng)絡結構 , 在這種結構中 , 到達基站的跳數(shù)相 同的網(wǎng)絡節(jié)點被歸類于同一層 。 信道接入是基于 TDMA 企業(yè)管理信息化 75CHINA MANAGEMENT INFORMATIONIZATION /一 、 引 言信貸管理系統(tǒng)是銀行對其資產(chǎn)信貸業(yè)務進行全面 的信息化管理系統(tǒng) , 它包括客

15、戶信息管理 、 評級授信管 理 、 信貸審批管理 、 貸后監(jiān)管與預警 、 五級風險分類管 理 、 低質(zhì)押物管理 、 不良資產(chǎn)管理 、 業(yè)務分析等方面的管 理 。 信貸管理系統(tǒng)的目的是控制和降低信貸風險 , 降低 管理成本 , 提供方便快捷的信貸服務 , 提供決策支持 , 其 中控制和降低信貸風險是其根本目的 。信貸管理系統(tǒng)是一個龐大而復雜的管理系統(tǒng) , 對各 個方面的要求十分嚴格 , 如系統(tǒng)性能 、 安全性等 。 數(shù)據(jù)庫 是整個信貸管理系統(tǒng)的核心 , 它存放的是銀行的所有客 戶資料數(shù)據(jù)和貸款賬戶數(shù)據(jù) , 其安全性十分重要 ; 由于 信貸管理系統(tǒng)的在線用戶數(shù)量大 , 數(shù)據(jù)的存取頻繁 、 查 詢統(tǒng)

16、計復雜多樣 , 對數(shù)據(jù)庫的存取性能要求很高 。 下面就從業(yè)務功能方面談談構建信貸管理系統(tǒng)數(shù) 據(jù)庫的幾個設計要點 。 本文所引用的數(shù)據(jù)庫模型是筆者 全程參與設計和修改維護的一個信貸管理系統(tǒng)的后臺 數(shù)據(jù)庫 , 經(jīng)歷了 3個省級商業(yè)銀行的成功實施 , 歷時 3年 , 幾經(jīng)修改 。二 、 設計原則(1 規(guī)范性 。 在設計和操作維護數(shù)據(jù)庫時 , 關鍵的 步驟就是要確保數(shù)據(jù)正確地分布到數(shù)據(jù)庫的表中 。 使用 正確的數(shù)據(jù)結構 , 不僅便于對數(shù)據(jù)庫進行相應的存取操 作 , 而且可以極大地簡化應用程序的其他內(nèi)容 , 如查詢 、 頁面 、 報表 、 代碼等 。(2 正確性 。 數(shù)據(jù)庫要能正確地描述信貸業(yè)務的信 息

17、 、 過程 、 關系 , 錯誤的信息描述將會帶來不可預知的問 題 , 所以 , 在設計表時 , 要多與銀行信貸業(yè)務人員 、 管理 人員 、 高層領導溝通 , 從多個角度正確理解業(yè)務對象的 信息內(nèi)容 、 用途和關系 , 寧缺毋濫 。(3 安全性 。 信貸管理系統(tǒng)的各個層面都要求有安 全性保障 , 有應用程序?qū)用娴?、 操作系統(tǒng)層面的 、 數(shù)據(jù)庫 層面的等 。 而對于繞過應用程序和操作系統(tǒng)直接進入數(shù) 據(jù)庫的操作 , 則更具危險性 , 所以 , 數(shù)據(jù)庫在設計和部署 時要求有防篡改的手段或輔助的設計 。收稿日期 2010-02-28中 國 管 理 信 息 化 C hina Management Inf

18、ormationization2010年 8月 第 13卷第 15期Aug. , 2010 Vol . 13, No . 15商業(yè)銀行信貸管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計要點 黃承明(衡陽財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術學院 電子信息系 , 湖南 衡陽 421002摘 要 信貸管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計是信貸管理系統(tǒng)建設的重點之一 , 直接關系到應用系統(tǒng)的架構 、 性能 、 安全等 。 本 文將從系統(tǒng)的業(yè)務功能 、 性能需求方面結合 3年來信貸管理系統(tǒng)實施中數(shù)據(jù)庫的改進經(jīng)驗 , 對信貸管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的 設計要點做了較詳細的分析 , 并提供了相應的解決方案 。關鍵詞銀行信貸管理系統(tǒng) ; 信貸 ; 數(shù)據(jù)庫 ; 設計 ; 性能 ; 安全doi:10. 3969/j.issn. 1673-0194. 2010. 15. 033中圖分類號 F830.33; TP315文獻標識碼 A 文章編號 1