無線傳感網(wǎng)mac協(xié)議設(shè)計(jì)

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1、一種符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征的MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)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(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為:軍事、航空、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征1)傳感節(jié)點(diǎn)體積小,成本低,

2、計(jì)算能力有限。2)傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、易失效,具有自適應(yīng)性。3)通信半徑小,帶寬很低。4)電源能量是網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵。5)數(shù)據(jù)管理與處理是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。3.MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)3.1MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)的考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，不同應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，對(duì)MAC協(xié)議的考慮也不盡相同，不存在一個(gè)適用于所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用MAC協(xié)議。MAC協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，需要著重考慮以下幾個(gè)方面：節(jié)省能量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(bǔ)充，MAC協(xié)議在滿足應(yīng)用要求前提下，應(yīng)盡量節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量。可擴(kuò)展性傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目一般較大。另外，由于節(jié)點(diǎn)死亡、新節(jié)點(diǎn)加入、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致節(jié)

3、點(diǎn)數(shù)目、分布密度等在傳感器網(wǎng)絡(luò)生存過程中不斷變化。因此，MAC協(xié)議應(yīng)具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兼顧網(wǎng)絡(luò)性能網(wǎng)絡(luò)性能包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時(shí)性、吞吐量以及帶寬利用率。不同應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)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(yīng)能兼顧好這些網(wǎng)絡(luò)性能。3.2傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗浪費(fèi)問題經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和理論分析，人們發(fā)現(xiàn)可能造成傳感器網(wǎng)絡(luò)能量浪費(fèi)的主要原因包括如下幾個(gè)方面：碰撞沖突問題節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，可能會(huì)引起多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞。而重傳數(shù)據(jù)，將消耗節(jié)點(diǎn)更多能量。串音問題節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的無線接收模塊和處理模塊消耗更多的能量。空閑

4、偵聽問題節(jié)點(diǎn)在不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)一直保持對(duì)信道的空閑偵聽，過度空閑偵聽或沒必要的空閑偵聽會(huì)造成節(jié)點(diǎn)能量浪費(fèi)?？刂葡⑾娜绻刂葡⑦^多，也會(huì)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(shè)計(jì)美國(guó)加州大學(xué)信息科學(xué)院的WeiYe和Estrin等人在802．11MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了S—MAC(SensorMAC協(xié)議)n1。該協(xié)議主要針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量要求。s—MAC協(xié)議通常假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量少，節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成共同任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融合減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能夠容忍一定程度通信延遲。S—MAC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(shè)

5、計(jì)的，采用了工作／休眠策略，將時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地調(diào)度他的工作狀態(tài)，周期性地轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，睡眠期間關(guān)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(gè)節(jié)點(diǎn)用SYNC消息通告自己的調(diào)度信息，同時(shí)維護(hù)一個(gè)調(diào)度表，保存所有相鄰節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息。具有相同調(diào)度的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)虛擬簇，簇的邊界節(jié)點(diǎn)記錄兩個(gè)或者多個(gè)調(diào)度，如圖3所示。部署區(qū)域內(nèi)，可能形成多個(gè)簇。為了適應(yīng)新節(jié)點(diǎn)的加入，每個(gè)都要定期廣播自己的調(diào)度，使新節(jié)點(diǎn)可以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點(diǎn)保持同步。1.流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制：通信節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)在

6、通信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)而是偵聽信道一段時(shí)間，無須等待下一次調(diào)度，減少了多跳方式引起的傳輸延遲。2.串音避免：每個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，都要經(jīng)歷RTS／CTS／DATA／ACK的通信過程。每個(gè)分組都有一個(gè)域值(NAV)表示剩余通信過程需要持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度。若鄰居節(jié)點(diǎn)處于偵聽周期時(shí)，記錄這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度值，同時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。NAV變?yōu)?時(shí)，節(jié)點(diǎn)就被喚醒。3.消息傳遞：S—MAC協(xié)議利用RTS／CTS機(jī)制，一次預(yù)約發(fā)送整個(gè)長(zhǎng)消息的時(shí)問，并把一個(gè)長(zhǎng)消息分成許多短消息。如圖4所示。不同的是：S—MAC的RTS／CTS控制消息和數(shù)據(jù)消息攜帶的時(shí)問是整個(gè)長(zhǎng)消息的剩余時(shí)間，其他節(jié)點(diǎn)接收到這個(gè)剩余時(shí)間然后進(jìn)入睡

7、眠狀態(tài)，直至長(zhǎng)消息發(fā)送完成。而IEEE802．11MAC協(xié)議考慮網(wǎng)絡(luò)的公平性，RTS／CTS只預(yù)約下一個(gè)發(fā)送短消息的時(shí)間，其他節(jié)點(diǎn)在每個(gè)短消息發(fā)送完成后都必須醒來進(jìn)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(fèi)，但是也存在不足：第一，由于是周期性的偵聽和睡眠，一個(gè)節(jié)點(diǎn)給鄰居發(fā)送數(shù)據(jù)只能等到他處于偵聽狀態(tài)，造成延時(shí)。第二，當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)同時(shí)喚醒信道時(shí)，一致同步會(huì)增加鄰居間沖突。第三，固定占空比不能隨網(wǎng)絡(luò)流