【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目 無(wú)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(jí) 06 級(jí) 01 班 學(xué) 生 姓 名 鞏 艷 學(xué)號(hào) 06950105 指 導(dǎo) 教 師 許登元 論文評(píng)閱人 重慶交通大學(xué) 2020 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(wú)線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了具有現(xiàn)代意義的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。 無(wú)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(tái)，極大地方便了人們的信息交流。 無(wú)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(wú)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(guó)防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(guó)在 20 世紀(jì)90 年代就開(kāi)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(guó)也非常重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，國(guó)家 自然科學(xué)基金委員會(huì)已經(jīng)審批了無(wú)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(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)的下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程中，也部署了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (wireless sensor works,WSN)是由大量的廉價(jià)微型的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)特殊的 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)。 與 Ad hoc 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(wú)中心自組織、數(shù)量眾多分布密集、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)。 其中能耗問(wèn)題是 WSN 中至關(guān)重要的問(wèn)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(wèn)控制 (Medium Access Control,MAC)協(xié)議處于無(wú)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(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的 性能有較大影響，是保證無(wú)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(duì)于 競(jìng)爭(zhēng)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。 基于競(jìng)爭(zhēng)的 MAC協(xié)議的基本思想是，當(dāng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主動(dòng)搶占無(wú)線信道，當(dāng)在其通信范圍內(nèi)的其他無(wú)線節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，也會(huì)發(fā)起對(duì)無(wú)線信道的搶占，這就需要相應(yīng)的機(jī)制來(lái)保證任一時(shí)刻在通信區(qū)域內(nèi)只能有一 個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)獲得信道使用權(quán)。 基于競(jìng)爭(zhēng)的 MAC 協(xié)議有如下有點(diǎn)： (1)由于基于競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)的 MAC 協(xié)議能較好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?(3)基于競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由 USC/ISI 的 Wei Ye等人提出，并在 NS TinyOS 等平臺(tái)上進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)。該協(xié)議繼承了 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(duì)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)。 IEEE 協(xié)議中， 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(guò)簡(jiǎn)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(duì)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(dòng)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)型 MAC 協(xié)議的節(jié)能方法。 本文通過(guò)對(duì) SMAC 協(xié)議的理論研究，以及其采用的周期性睡 眠和偵聽(tīng)機(jī)制、消息傳遞機(jī)制和串?dāng)_避免機(jī)制，在能量損耗減少的情況下，增加的延遲問(wèn)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(luò)的概述 .............................................................................................................. 4 傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史 .......................................................................................................... 4 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) .............................................................................................................. 4 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ............................................................................................................. 4 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 ......................................................................................................... 5 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征 .................................................................................................................. 6 傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限 ..................................................................................................... 6 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) ......................................................................................................... 6 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景 .......................................................................................................... 7 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) .................................................................................................. 8 本章小結(jié) .................................................................................................................................. 9 第 3 章 MAC 協(xié)議 .......................................................................................................................... 10 MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)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(jī)競(jìng)爭(zhēng)的 MAC 協(xié)議 ........................................................................................ 12 基于競(jìng)爭(zhēng)的 SMAC 協(xié)議 ...................................................................................................... 14 網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用假設(shè) ........................................................................................................... 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(shí)現(xiàn) ................................................................................................... 19 基于 NS2 的仿真平臺(tái) ........................................................................................................... 19 SMAC 協(xié)議節(jié)能的實(shí)現(xiàn) ........................................................................................................ 22 SMAC 協(xié)議仿真設(shè)計(jì)流程圖 ...................................................................................... 22 SMAC 協(xié)議仿真結(jié)果及其分析 ..............................................