無線傳感網(wǎng)mac協(xié)議分析和研究

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1、無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議分析和研究近年來，在很多國家關(guān)于智慧城市的研究和建設(shè)已經(jīng)得到了很大的關(guān)注和進展。而國內(nèi)自2010年來，也有不少城市相繼開展了智慧城市的建設(shè)。智慧城市建設(shè)的總體框架可劃分為感知層，通信層，數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層，感知層作為智慧城市框架的底層，它是否能良好的實現(xiàn)對于智慧城市建設(shè)具有重要的影響。而現(xiàn)在作為研究熱點的無線傳感網(wǎng)是完全可以成為智慧城市感知網(wǎng)絡(luò)的一種實現(xiàn)方式的。1.無線傳感網(wǎng)1.1無線傳感網(wǎng)的概念無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(WirelessSensorNetwork)是當前國際上備受關(guān)注的、由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌

2、入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信三大功能的微型化、智能化、集成化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化的分布式傳感器系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境、醫(yī)療、軍事、工業(yè)和智能家居等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用價值，它在未來將是一個無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，將完全融入我們的生活，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。在環(huán)境監(jiān)測和保護

3、方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為隨機性研究數(shù)據(jù)的獲取提供了便利，還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如可以將傳感器分布在海洋，火山，冰原等地區(qū)，檢測該地的環(huán)境狀態(tài)。在醫(yī)療護理領(lǐng)域，可以通過在老齡人，殘障人士等生活不方便的人衣物、家具、電器等地方嵌入無線傳感器，組成網(wǎng)絡(luò)，便可實時獲取他們的信息，幫助生活不能自理的人士更方便的接受護理，同時還能減輕護理人員的負擔(dān)。無線傳感器還可以用在藥物管理方面，還可以通過在病人身上安裝有特殊用途的傳感器，讓醫(yī)生可實時獲取病人病情信息。在軍事戰(zhàn)爭領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，可以通過飛機撒播，人工部署等方式將傳感器

4、節(jié)點分布在敵方戰(zhàn)場，用于監(jiān)控兵力、偵察敵方地形及布防、定位攻擊目標以及探測核、生物和化學(xué)攻擊等。在工業(yè)生產(chǎn)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以提高工業(yè)生產(chǎn)中自動化程度、降低生產(chǎn)風(fēng)險。例如可以在設(shè)備上部署傳感器節(jié)點，對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)控，工作人員可根據(jù)監(jiān)控信息對設(shè)備進行調(diào)整。而一些危險的工業(yè)環(huán)境，如礦井、核電廠等，工作人員可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實施監(jiān)測，達到對突發(fā)事件在第一時間進行處理。在智能家居方面，可以通過在家具，電器等生活用品中嵌入特定的傳感器，并將這些節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)相連，在家庭網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)管理下，可實現(xiàn)遠距離控制，為人們提供舒適、方便和人性化的家居環(huán)境。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣

5、泛的應(yīng)用前景，在物聯(lián)網(wǎng)，車載網(wǎng)，智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域都會占有重要的一席之地，這個技術(shù)將會給人類的生活方式帶來極大的變革。1.1無線傳感網(wǎng)的特點和協(xié)議體系無線傳感網(wǎng)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，同Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)很類似，但是也有其自身的特殊性。其主要特點如下：⑴傳感器節(jié)點的能量有限。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器一般由電池供電，而傳感器網(wǎng)又要求工作時間較長，而且工作環(huán)境也比較惡劣，更換電池的可能性很小，而太陽能供電或洋流供電對于傳感器節(jié)點的技術(shù)要求也很高，這樣就造成了能源方面突出矛盾。⑵傳感器節(jié)點的通信能力有限。感器網(wǎng)的傳感器的傳輸速率低，通信距離近一般只有幾十米到幾百米；而且工作環(huán)境惡劣，更容易受地

6、勢地貌和自然災(zāi)害等的影響，一方面造成傳感器之間的通信不可靠，另一方面可能使傳感器出現(xiàn)長時間故障、甚至損壞。⑶計算能力有限。傳感器網(wǎng)中的傳感器一般采用嵌入式處理器和存儲器，但由于嵌入式處理器和存儲器的能力和容量有限，傳感器的計算處理能力十分有限。⑷網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜。傳感器網(wǎng)中節(jié)點密集，數(shù)目龐大，可能達到幾百甚至幾千萬個，而且它的感知范圍也會很大。另外由于有的節(jié)點會因為故障退出網(wǎng)絡(luò)，有的節(jié)點又會新加入網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化。⑸數(shù)據(jù)傳輸方向性強。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通常，查詢信息是通過廣播或多播的方式從觀察者向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器傳輸，而探測結(jié)果信息則是由分布在各處的傳感器節(jié)

7、點向查詢節(jié)點匯聚。傳感器網(wǎng)絡(luò)的這些特點使得以前適用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議都不再適用，需要進行修改或重新制定。比如說現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)將節(jié)省能量作為主要的考慮因素，而對于數(shù)據(jù)傳輸速率，實時性的考慮會相對弱化一些，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可能更注重數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和速率，對于能耗的要求并沒有那么嚴格。無線傳感網(wǎng)的這些特殊要求和制約因素為傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議研究，拓撲結(jié)構(gòu)研究等帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。到目前為止，無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究方面還沒有形成一個標準無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，現(xiàn)在比較通用的協(xié)議棧是將其劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、能量管理平面、移動性管理平面和任務(wù)管理