無線傳感網(wǎng)mac協(xié)議詳情詳情設計

1、一種符合無線傳感器網(wǎng)絡特征的MAC層協(xié)議設計1. 無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網(wǎng)絡，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳 輸網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域內被感知對象的信息， 并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡的所有 者。無線傳感器網(wǎng)絡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。潛在的應用領域可以歸納為：軍事、航空、防爆、救災、環(huán) 境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。2. 無線傳感器網(wǎng)絡特征1）傳感節(jié)

2、點體積小，成本低，計算能力有限。2）傳感節(jié)點數(shù)量大、易失效，具有自適應性。3）通信半徑小，帶寬很低。4）電源能量是網(wǎng)絡壽命的關鍵。5）數(shù)據(jù)管理與處理是傳感器網(wǎng)絡的核心技術。3. MAC 層協(xié)議設計3.1 MAC 層協(xié)議設計的考慮無線傳感器網(wǎng)絡是應用相關的網(wǎng)絡，不同應用網(wǎng)絡，對 MAC協(xié)議的考慮也不盡 相同，不存在一個適用于所有無線傳感器網(wǎng)絡的通用 MAC協(xié)議。MAC協(xié)議設 計時，需要著重考慮以下幾個方面：節(jié)省能量傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般是以干電池、 紐扣電池等提供能量，電池能量通常難以補充，MAC協(xié)議在滿足應用要求前提下，應盡量節(jié)省節(jié)點的能量。可擴展性傳感器網(wǎng)絡中網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目一般較大。 另外，由于節(jié)

3、點死亡、新節(jié)點加入、節(jié)點移動導致節(jié)點數(shù)目、分布密度等在傳感器網(wǎng)絡生存過程中不斷變 化。因此，MAC協(xié)議應具有可擴展性，以適應動態(tài)變化的拓撲結構。兼顧網(wǎng)絡性能 網(wǎng)絡性能包括網(wǎng)絡的公平性、實時性、吞吐量以及帶寬利用率。不同應用的傳感器網(wǎng)絡產生不同特征的流量，要求不同的性能參數(shù)，所以MAC協(xié)議應能兼顧好這些網(wǎng)絡性能。3.2傳感器網(wǎng)絡能耗浪費問題經(jīng)過大量實驗和理論分析，人們發(fā)現(xiàn)可能造成傳感器網(wǎng)絡能量浪費的主要原因包 括如下幾個方面：碰撞沖突問題節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，可能會引起多個節(jié)點之間發(fā)送的數(shù)據(jù)產 生碰撞。而重傳數(shù)據(jù)，將消耗節(jié)點更多能量。串音問題節(jié)點接收并處理不必要的數(shù)據(jù)。這種串音現(xiàn)象造成節(jié)點的無線

4、接收模塊和處理模塊消耗更多的能量?？臻e偵聽問題 節(jié)點在不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時一直保持對信道的空閑偵聽，過度空閑偵聽或沒必要的空閑偵聽會造成節(jié)點能量浪費。控制消息消耗如果控制消息過多，也會消耗較多的能量。3.3參考S MAC協(xié)議的一種無線傳感器網(wǎng)MAC協(xié)議設計美國加州大學信息科學院的 Wei Ye和Estrin等人在802 . 11MAC協(xié)議的基礎 上，提出了 S MAC（SensorMAC 協(xié)議）n1。該協(xié)議主要針對無線傳感器網(wǎng)絡的 節(jié)省能量要求。s MAC協(xié)議通常假設傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸量少，節(jié)點協(xié)作 完成共同任務，網(wǎng)絡內部能夠進行數(shù)據(jù)處理和融合減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡能夠容忍一定程度通信延遲。SMA

5、C協(xié)議就是為減少空閑偵聽、沖突避免和減少控 制開銷而設計的，采用了工作/休眠策略，將時間分為幀，每一幀分為工作階段 和休眠階段。其主要采用以下幾種措施：1. 周期性偵聽/睡眠：每個節(jié)點獨立地調度他的工作狀態(tài)，周期性地轉入睡眠 狀態(tài)，睡眠期間關掉無線電收發(fā)部分，在蘇醒后偵聽信道狀態(tài)，判斷是否需 要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。如圖2所示。每個節(jié)點用SYNC消息通告自己的調度信息，同時維護一個調度表，保存所 有相鄰節(jié)點的調度信息。具有相同調度的節(jié)點形成一個虛擬簇，簇的邊界節(jié) 點記錄兩個或者多個調度，如圖3所示。部署區(qū)域內，可能形成多個簇。為 了適應新節(jié)點的加入，每個都要定期廣播自己的調度，使新節(jié)點可以與已經(jīng) 存

6、在的相鄰節(jié)點保持同步。listenSL就p曲伽 廟卿time圖2周期性偵聽/睡眠圖3 S-MAC協(xié)議的虛擬叢2. 流量自適應偵聽機制：通信節(jié)點的鄰居節(jié)點在通信結束后不立即進入睡眠狀態(tài)而是偵聽信道一段時間，無須等待下一次調度，減少了多跳方式引起的傳 輸延遲。3. 串音避免：每個節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)時，都要經(jīng)歷RTS/ CTS/DATA /ACK的通信過程。每個分組都有一個域值（NAV）表示剩余通信過程需要持續(xù)的時間 長度。若鄰居節(jié)點處于偵聽周期時，記錄這個時間長度值，同時進入睡眠狀 態(tài)。NAV變?yōu)?時，節(jié)點就被喚醒。4.消息傳遞：S MAC協(xié)議利用RTS/CTS機制，一次預約發(fā)送整個長消息的時問，并把

7、一個長消息分成許多短消息。如圖 4所示。1RTS21DATAJ9DA'l A!7Be*1ACt J6ACK詣CTS 2CACK1RTSCTS 2DATA31ACK2ACK2DATA IDAIA ；圖4 S'MAC與IEEE8C2.il兩種不同的發(fā)送方式不同的是：S MAC的RTS/CTS控制消息和數(shù)據(jù)消息攜帶的時問是整個長 消息的剩余時間，其他節(jié)點接收到這個剩余時間然后進入睡眠狀態(tài)，直至長 消息發(fā)送完成。而IEEE802. 11MAC協(xié)議考慮網(wǎng)絡的公平性，RTS/CTS 只預約下一個發(fā)送短消息的時間，其他節(jié)點在每個短消息發(fā)送完成后都必須 醒來進入偵聽狀態(tài)。S MAC協(xié)議增加了能量的效率，避免了沖突造成的能 量浪費，但是也存在不足：第一，由于