【正文】 畢業(yè)設計（論文） 題目 無線傳感器網(wǎng)絡 SMAC 協(xié)議的分析與仿真 學院（全稱） 信息科學與工程 學院 專業(yè)、年級 06 級 01 班 學 生 姓 名 鞏 艷 學號 06950105 指 導 教 師 許登元 論文評閱人 重慶交通大學 2020 年 前 言 傳感器技術、微機電系統(tǒng)、現(xiàn)在網(wǎng)絡和無線通信等技術的進步，推動了具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡的產(chǎn)生和發(fā)展。 無線傳感器網(wǎng)絡涉及眾 多學科，成為目前 IT 領域中的研究熱點之一?，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)絡擴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)絡連接在一起，在下一代互聯(lián)網(wǎng)中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息。 無線傳感器網(wǎng)絡能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應用前景，能應用于軍事國防、工農業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等諸多領域。 美國在 20 世紀90 年代就開始了傳感器網(wǎng)絡的研究工作，并首先在軍方應用和推廣。我國也非常重視無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，國家 自然科學基金委員會已經(jīng)審批了無線傳感器網(wǎng)絡相關的一個重點課題和多個面上課題，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)絡相關的課題。 無線傳感器網(wǎng)絡 (wireless sensor works,WSN)是由大量的廉價微型的傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個特殊的 Ad hoc 網(wǎng)絡。 與 Ad hoc 網(wǎng)絡相比， WSN 的特點是節(jié)點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)絡動態(tài)性強。 其中能耗問題是 WSN 中至關重要的問題，因此 WSN 的節(jié)點要求必須 是低功耗的。 媒體介質訪問控制 (Medium Access Control,MAC)協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的底層部分，主要用于在傳感器節(jié)點間公平有效地共享通信媒介，對傳感器網(wǎng)絡的 性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡有效通信的關鍵網(wǎng)絡協(xié)議之一。 對于 競爭型的 MAC 協(xié)議，一般情況下所有節(jié)點都共享一個普通信道。 基于競爭的 MAC協(xié)議的基本思想是，當無線節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，主動搶占無線信道，當在其通信范圍內的其他無線節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，也會發(fā)起對無線信道的搶占，這就需要相應的機制來保證任一時刻在通信區(qū)域內只能有一 個無線節(jié)點獲得信道使用權。 基于競爭的 MAC 協(xié)議有如下有點： (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)點數(shù)量和網(wǎng)路負載的變化； (2)基于競爭的 MAC 協(xié)議能較好的適應網(wǎng)絡拓撲的變化； (3)基于競爭的 MAC 協(xié)議不需要復雜的時間同步或集中控制調度算法。 SMAC 協(xié)議是較早提出的一種基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議，由 USC/ISI 的 Wei Ye等人提出，并在 NS TinyOS 等平臺上進行了仿真和實現(xiàn)。該協(xié)議繼承了 協(xié)議和 PAMAS 協(xié)議的基本思想，同時兼顧了網(wǎng)絡的可擴展 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)議都提出了相應的解決辦法，其中最為基本的思想就是當節(jié)點不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，盡可能讓它處于功耗較低的睡眠狀態(tài)。 IEEE 協(xié)議中， PCF 和 DCF 都有一種節(jié)省能量模式，運行于該模式時設備可以周期性地進入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量。但是 該協(xié)議有一個前提，那就是所有的設備 都只進行單跳通信。基于這種假設，設備通過簡單地廣播一個新標幀就可以保持同步睡眠和喚醒。 此外對于如何減少串擾， PAMAS 協(xié)議給出了啟示：當鄰居節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點主動轉入睡 眠狀態(tài)。基于上述兩種基本思想， SMAC 協(xié)議提出了適合于多跳無線傳感器網(wǎng)絡的競爭型 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 眠和偵聽機制、消息傳遞機制和串擾避免機制，在能量損耗減少的情況下，增加的延遲問題。 目 錄 中文摘要 ............................................................................................................................................. I 英文摘要 ............................................................................................................................................II 第 1 章 緒論 ...................................................................................................................................... 1 課題背景 .................................................................................................................................. 1 研究目的和意義 ...................................................................................................................... 2 研究的主要工作 ...................................................................................................................... 3 論文組織 .................................................................................................................................. 3 第 2 章 傳感器網(wǎng)絡的概述 .............................................................................................................. 4 傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷史 .......................................................................................................... 4 傳感器網(wǎng)絡體系結構 .............................................................................................................. 4 傳感器網(wǎng)絡結構 ............................................................................................................. 4 傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧 ......................................................................................................... 5 傳感器網(wǎng)絡的特征 .................................................................................................................. 6 傳感器節(jié)點能量有限 ..................................................................................................... 6 傳感器網(wǎng)絡的特點 ......................................................................................................... 6 傳感器網(wǎng)絡的應用前景 .......................................................................................................... 7 無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術 .................................................................................................. 8 本章小結 .................................................................................................................................. 9 第 3 章 MAC 協(xié)議 .......................................................................................................................... 10 MAC 協(xié)議設計的因素 .......................................................................................................... 10 現(xiàn)有的 MAC 協(xié)議 ................................................................................................................. 11 基于固定分配的 MAC 協(xié)議 ........................................................................................ 11 基于隨機競爭的 MAC 協(xié)議 ........................................................................................ 12 基于競爭的 SMAC 協(xié)議 ...................................................................................................... 14 網(wǎng)絡與應用假設 ........................................................................................................... 14 SMAC 協(xié)議基本原理 .................................................................................................. 14 SMAC 協(xié)議基本原理 .................................................................................................. 15 第 4 章 SMAC 協(xié)議的仿真實現(xiàn) ................................................................................................... 19 基于 NS2 的仿真平臺 ........................................................................................................... 19 SMAC 協(xié)議節(jié)能的實現(xiàn) ........................................................................................................ 22 SMAC 協(xié)議仿真設計流程圖 ...................................................................................... 22 SMAC 協(xié)議仿真結果及其分析 ..............................................