無線傳感網(wǎng)mac協(xié)議設計

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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（WirelessSensorNetwork,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(gòu)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(nèi)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)點體積小,成本低,

2、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3.1MAC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?？蓴U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)點死亡、新節(jié)點加入、節(jié)點移動導致節(jié)

3、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(jié)構(gòu)。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(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(chǎn)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WeiYe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(nèi)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。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

5、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(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(diào)度信息，同時維護一個調(diào)度表，保存所有相鄰節(jié)點的調(diào)度信息。具有相同調(diào)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(diào)度，如圖3所示。部署區(qū)域內(nèi)，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(diào)度，使新節(jié)點可以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點保持同步。1.流量自適應偵聽機制：通信節(jié)點的鄰居節(jié)點在

6、通信結(jié)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(diào)度，減少了多跳方式引起的傳輸延遲。2.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。3.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，并把一個長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

7、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，由于是周期性的偵聽和睡眠，一個節(jié)點給鄰居發(fā)送數(shù)據(jù)只能等到他處于偵聽狀態(tài)，造成延時。第二，當鄰居節(jié)點同時喚醒信道時，一致同步會增加鄰居間沖突。第三，固定占空比不能隨網(wǎng)絡流