無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議研究--金巍new

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1、無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議研究506金巍1、無線傳感網(wǎng)簡介無線傳感網(wǎng)（WirelessSensorNetworks）是由具有感知能力，通過無線通信方式形成的一個多跳的自配置的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)給觀察者。WSN網(wǎng)絡(luò)是一種特定的Adhoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點自組織成網(wǎng)絡(luò)，不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施。WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不移動或很少移動，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用電池供電，WSN網(wǎng)絡(luò)通信能耗高，數(shù)據(jù)處理能耗低。WSN一般獨立組網(wǎng)主要用于監(jiān)測，是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。1.1典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和節(jié)點結(jié)構(gòu)1.

2、2WSN的特點電源能力局限性節(jié)點通常是由電池供電，每個節(jié)點的能源是有限的，一旦電池能量耗盡，節(jié)點就會停止正常工作。節(jié)點數(shù)量多增大覆蓋范圍，減少洞穴和盲區(qū)；降低對單個節(jié)點的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)的具有很強(qiáng)的容錯性。動態(tài)拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，某個節(jié)點可能因為電池的能量耗盡或其它故障，退出網(wǎng)絡(luò)；也有可能新節(jié)點的加入等等。自組織網(wǎng)絡(luò)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通常情況下節(jié)點的位置不能與精確設(shè)定。節(jié)點之間的相鄰關(guān)系也不能預(yù)先知道，如通過飛機(jī)撒播大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可能到達(dá)或危險的

3、區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動的進(jìn)行配置和管理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性還要求能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。多跳路由網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通信距離一般在幾十米到幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信，如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點進(jìn)行路由。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成的，沒有專門的路由設(shè)備。這樣每個節(jié)點既可以是信息的發(fā)起者，也可以是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。以數(shù)據(jù)為中心目前的互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)，如果想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先要知道存放資源的服務(wù)器的IP地址。WSN

4、是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點沒有任何意義。WSN中的節(jié)點采用節(jié)點編號標(biāo)識，節(jié)點編號不需要全網(wǎng)唯一。由于傳感器節(jié)點隨機(jī)部署，節(jié)點編號和節(jié)點位置之間的關(guān)系是完全動態(tài)的，沒有必然聯(lián)系。用戶查詢事件時，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這是一種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或者傳輸線索的思想。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議目前對于無線傳感網(wǎng)本身的研究熱點集中在3個方面的關(guān)鍵技術(shù)上：網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)

5、。在通信協(xié)議上，研究的重點是數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議；在網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)層，研究的重點是收集數(shù)據(jù)的管理、節(jié)能降耗問題以及網(wǎng)絡(luò)通信安全的實現(xiàn)；在網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)層，主要研究節(jié)點定位問題、時間同步技術(shù)的實現(xiàn)以及用戶應(yīng)用接口的實現(xiàn)問題?；赪SN網(wǎng)絡(luò)的能量限制，為了延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，能量有效性成為WSN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中首要的一個指標(biāo)，能量高效的WSN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是目前的一個熱點研究領(lǐng)域。通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的分析可知，射頻模塊是節(jié)點最大的耗能部件，是優(yōu)化的主要目標(biāo)。介質(zhì)訪問控制協(xié)議（MAC）直接控制射頻模塊，對節(jié)點功耗有重要影響，能源效率是

6、無線傳感網(wǎng)MAC層協(xié)議最主要的設(shè)計目標(biāo)。2.1影響WSN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的因素2.1.1WSN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計的主要問題1）能量有效性能量有效性是WSN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議最重要的意向的性能指標(biāo)。由于WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般能采用電池提供能量，并且電池能量難以補(bǔ)充和更換。因此，在設(shè)計WSN網(wǎng)絡(luò)時，有效利用節(jié)點的能量，盡量延長網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生存時間，是設(shè)計各層協(xié)議都要考慮的一個重要問題。在節(jié)點的能耗中，無線收發(fā)裝置的能耗占絕大部分，而MAC層協(xié)議的能量直接控制無線收發(fā)裝置，因此MAC協(xié)議的能量有效性直接影響網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生存時間。2）可擴(kuò)展性可擴(kuò)

7、展性是指一個MAC協(xié)議適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)大小、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點密度不斷變化的能力。由于節(jié)點數(shù)目，節(jié)點分布密度等在WSN網(wǎng)絡(luò)生存過程中不斷變化，節(jié)點位置也可能移動，還有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的問題，所以WSN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動態(tài)性。一個好的MAC協(xié)議也應(yīng)該具有可擴(kuò)展性，以很好地適應(yīng)這種動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3）沖突避免沖突避免是MAC協(xié)議的一項基本任務(wù)。它決定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點何時、以何種方式訪問共享的傳輸媒體和發(fā)送數(shù)據(jù)。在WSN網(wǎng)絡(luò)中，沖突避免的能力直接影響節(jié)點的能耗和網(wǎng)絡(luò)性能。4）信道利用率信道利用率反映了網(wǎng)絡(luò)通信中信道帶寬如何被利用。在蜂窩移動通

8、信系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)中，信道利用率是一項非常重要的性能指標(biāo)。因為在這樣的系統(tǒng)中，帶寬是非常重要的資源，系統(tǒng)需要盡可能地容納更多的用戶通信。相比之下，WSN中處于通信中的節(jié)點數(shù)量是由一定的應(yīng)用任務(wù)所決定的，信道利用率在WSN中處于次要的位置5）延遲延遲是指從發(fā)送端開始向接收端發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，直