無線傳感器網(wǎng)絡(luò)smac協(xié)議的分析與仿真

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目無線傳感器網(wǎng)絡(luò)SMAC協(xié)議的分析與仿真學(xué)院（全稱）信息科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)、年級06級01班學(xué)生姓名鞏艷學(xué)號06950105指導(dǎo)教師許登元論文評閱人重慶交通大學(xué)2010年前言傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動了具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及眾多學(xué)科，成為目前IT領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)在，互聯(lián)網(wǎng)為人們提供了快捷的通信平臺，極大地方便了人們的信息交流。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們的信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在

2、下一代互聯(lián)網(wǎng)中將為人們提供最直接、最有效、最真實(shí)的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等諸多領(lǐng)域。美國在20世紀(jì)90年代就開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作，并首先在軍方應(yīng)用和推廣。我國也非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，國家自然科學(xué)基金委員會已經(jīng)審批了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的一個(gè)重點(diǎn)課題和多個(gè)面上課題，在國家發(fā)展改革委員會的下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程中，也部署了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

3、(wirelesssensornetworks,WSN)是由大量的廉價(jià)微型的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式形成的一個(gè)特殊的Adhoc網(wǎng)絡(luò)。與Adhoc網(wǎng)絡(luò)相比，WSN的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)的電源能量和硬件資源有限、無中心自組織、數(shù)量眾多分布密集、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強(qiáng)。其中能耗問題是WSN中至關(guān)重要的問題，因此WSN的節(jié)點(diǎn)要求必須是低功耗的。媒體介質(zhì)訪問控制(MediumAccessControl,MAC)協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，主要用于在傳感器節(jié)點(diǎn)間公平有效地共享通信媒介，對傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無

4、線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。對于競爭型的MAC協(xié)議，一般情況下所有節(jié)點(diǎn)都共享一個(gè)普通信道?；诟偁幍腗AC協(xié)議的基本思想是，當(dāng)無線節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主動搶占無線信道，當(dāng)在其通信范圍內(nèi)的其他無線節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，也會發(fā)起對無線信道的搶占，這就需要相應(yīng)的機(jī)制來保證任一時(shí)刻在通信區(qū)域內(nèi)只能有一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)獲得信道使用權(quán)?；诟偁幍腗AC協(xié)議有如下有點(diǎn)：(1)由于基于競爭的MAC協(xié)議是根據(jù)需要分配信道，所以這種協(xié)議能較好的滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)路負(fù)載的變化；(2)基于競爭的MAC協(xié)議能較好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞?/p>

5、變化；(3)基于競爭的MAC協(xié)議不需要復(fù)雜的時(shí)間同步或集中控制調(diào)度算法。SMAC協(xié)議是較早提出的一種基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由USC/ISI的WeiYe等人提出，并在NS2、TinyOS等平臺上進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)。該協(xié)議繼承了802.11MAC協(xié)議和PAMAS協(xié)議的基本思想，同時(shí)兼顧了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，為廣大研究人員參考和比較。對于任何減少能量損耗，有不少的MAC協(xié)議都提出了相應(yīng)的解決辦法，其中最為基本的思想就是當(dāng)節(jié)點(diǎn)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，盡可能讓它處于功耗較低的睡眠狀態(tài)。IEEE802.11MAC協(xié)議中，

6、PCF和DCF都有一種節(jié)省能量模式，運(yùn)行于該模式時(shí)設(shè)備可以周期性地進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量。但是該協(xié)議有一個(gè)前提，那就是所有的設(shè)備都只進(jìn)行單跳通信?；谶@種假設(shè)，設(shè)備通過簡單地廣播一個(gè)新標(biāo)幀就可以保持同步睡眠和喚醒。此外對于如何減少串?dāng)_，PAMAS協(xié)議給出了啟示：當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)主動轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)?；谏鲜鰞煞N基本思想，SMAC協(xié)議提出了適合于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的競爭型MAC協(xié)議的節(jié)能方法。本文通過對SMAC協(xié)議的理論研究，以及其采用的周期性睡眠和偵聽機(jī)制、消息傳遞機(jī)制和串?dāng)_避免機(jī)制，在能量損耗減

7、少的情況下，增加的延遲問題。目錄中文摘要I英文摘要II第1章緒論11.1課題背景11.2研究目的和意義21.3研究的主要工作31.4論文組織3第2章傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述42.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史42.2傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)42.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)42.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧52.3傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征62.3.1傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限62.3.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)62.4傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景72.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)82.6本章小結(jié)9第3章MAC協(xié)議103.1MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的因素103.2現(xiàn)有的MAC協(xié)議113

8、.2.1基于固定分配的MAC協(xié)議113.2.2基于隨機(jī)競爭的MAC協(xié)議123.3基于競爭的SMAC協(xié)議143.3.1網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用假設(shè)143.3.2S-MAC協(xié)議基本原理143.3.3S-MAC協(xié)議基本原理15第4章SMAC協(xié)議的仿真實(shí)現(xiàn)194.1基于NS2的仿真平臺194.2SMAC協(xié)議節(jié)能的實(shí)現(xiàn)224.2.1S-MAC協(xié)議仿真設(shè)計(jì)流程圖224.2.2S-MAC協(xié)議仿真結(jié)果及其分析264.2.3S-MAC協(xié)議存在的問題30第5章