【正文】 體系結(jié)構(gòu) [2]，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。 網(wǎng) 絡(luò) 服 務(wù) 接 口時(shí) 間 同 步 節(jié) 點(diǎn) 定 位Q o s傳 輸 控 制路 由安 全機(jī) 制信 道接 入拓 撲生 成無(wú) 線 電 紅 外 線 光 波網(wǎng) 絡(luò) 管 理 接 口拓 撲管 理能 量管 理網(wǎng) 絡(luò)管 理應(yīng) 用 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù) 據(jù) 鏈 路 層物 理 層 圖 23 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu) 物理層 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無(wú)線、紅外或者光介質(zhì)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)推薦使用免許可證頻段 (ISM)。然而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些內(nèi)在特征也有有利于設(shè)計(jì)的方面，例如，高密度部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分集特性，可以用來(lái)克服陰影效應(yīng) 和路徑損耗。 (1)媒體接入控制 在無(wú)線多跳 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中，媒體訪問(wèn)控制 (MAC)層協(xié)議主要負(fù)責(zé)兩個(gè)職能。 藍(lán)牙和移動(dòng) Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)可能是最接近傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。在通信網(wǎng)中有兩種重要的差錯(cuò)控制模式分別是前向差錯(cuò)控制 (FEC)和自動(dòng)重傳請(qǐng)求 (ARQ)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和接收器節(jié)點(diǎn)之間需要特殊的多跳無(wú)線路由協(xié)議?；诠?jié)能的路由有若干種，如最大有效功率 (PA)路由算法，即選擇總有效功率最大的路由，總有效功率可以通過(guò)累加路由上的有效功率得到。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)特色還體現(xiàn)在以數(shù)據(jù)為中心。這樣，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，是否需要傳輸層是一個(gè)問(wèn)題。 自組織性 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)向監(jiān)測(cè)區(qū)域隨機(jī)拋撒大量的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)部署網(wǎng)絡(luò)的，各節(jié)點(diǎn)間通過(guò)自我協(xié)調(diào)、自我配置組成網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法依靠其他輔助設(shè)施或是認(rèn)為手段來(lái)配置網(wǎng)絡(luò)。 以應(yīng)用為導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)所具有的眾多類(lèi)型的傳感器，可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)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。如敵方陣地，收集到有用的機(jī)密數(shù)據(jù)；在個(gè)別或一部分傳感器節(jié)點(diǎn)因?yàn)樵馄茐牡仍蚴r(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然能 夠依靠自組織性完成貫徹任務(wù)。 (1) 農(nóng)業(yè)環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 (3) 火災(zāi)、化學(xué)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集。例如在非洲不發(fā)達(dá)地區(qū)，每年都有大量的人因?yàn)榛魜y以及其他經(jīng)由水污染的疾病死去，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，采集并分析這些受污染地區(qū)的飲用水質(zhì)量，并作出相應(yīng)的保護(hù)措施，這樣，才能減少受災(zāi)的人數(shù)。 SSIM（ Smart Sensors and Integrated Microsystems）項(xiàng)目中， 100 個(gè)微型傳感器 被植入病人眼中 [5]，從而幫助盲人獲得了一定程度的視覺(jué)。傳感器節(jié)點(diǎn)由 EVK915 模塊和 ADXL210 加速度傳感器構(gòu)成，簇首節(jié)點(diǎn)由Proxim RangelLAN2 無(wú)線調(diào)制器和 EVK915 連接而成。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)原則 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要能耗 為了分析和評(píng)價(jià) MAC 協(xié)議的能量有效性 , 需要分析是哪些因素導(dǎo)致了能量損耗 . WSNs 網(wǎng)絡(luò)中造成能量浪費(fèi)的主要因素有以下幾個(gè)方面 [6][7]： 空閑偵聽(tīng) (Idle Listening) 節(jié)點(diǎn)不能預(yù)知他的鄰居節(jié)點(diǎn)何時(shí)傳輸數(shù)據(jù)給自己，因此節(jié)點(diǎn)的射頻模塊需要一直保持為接收模式，就造成了節(jié)點(diǎn)能量的大量消耗。 控制消息 MAC 協(xié)議首部包括一些控制信息，如 RTS/CTS/ACK，節(jié)點(diǎn)發(fā)送這些控制信息需 要消耗一定的能量 。為了建立可靠穩(wěn)定的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 層協(xié)議時(shí)需要著重考慮以下 5 個(gè)方面： 降低能耗。傳統(tǒng)的 MAC 層協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大化吞吐量、最小化時(shí)延并且提供公平性。 實(shí)時(shí)性。由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)分布等在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存過(guò)程中不斷變化，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也經(jīng)常變化，節(jié)點(diǎn)位置可能移動(dòng)，考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，節(jié)點(diǎn)的加入與退出使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑蕜?dòng)態(tài)變化。 網(wǎng)絡(luò)性能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)針對(duì)不同的應(yīng)用顯示出了不同的網(wǎng)絡(luò)特性， MAC 層協(xié)議應(yīng)該能適應(yīng)不同應(yīng)用的各種流量模式。目前研究者已經(jīng)提出了很多 MAC 層設(shè)計(jì)的建議方案，大致可以劃分為 以下幾 類(lèi)。 基于時(shí) 分復(fù)用的 MAC 協(xié)議 時(shí)分復(fù)用 (TDMA)機(jī)制就是為每個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)隙，而節(jié)點(diǎn)在其他空閑時(shí)隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠節(jié)能狀態(tài)。作為CITRIS（ Center of Information Technology Research in the Interest of Society）計(jì)劃的一部分，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的環(huán)境工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)家們采用傳感器網(wǎng)絡(luò)，讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠自身感覺(jué)并意 識(shí)到它們本身的狀況，使得安裝了傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑自動(dòng)告訴管理部門(mén)它們的狀態(tài)信息，并且能夠自動(dòng)按照優(yōu)先級(jí)來(lái)進(jìn)行一系列自我修復(fù)工作。 2. Venkatesh Rajendran 等人提出的 FLAMA 協(xié)議 [10]，該協(xié)議通過(guò)防止空閑偵聽(tīng)，數(shù)據(jù)碰撞，并且不將數(shù)據(jù)傳送給一個(gè)還未準(zhǔn)備好接好數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量高效。在信道預(yù)約時(shí)間里，有數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)發(fā)送預(yù)定信道幀通知多跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，確定節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間框架。 STMAC 采用TDMA 接入方式，其固有的低工作周期提高了網(wǎng)絡(luò)性能。 SMACS 協(xié)議負(fù)責(zé)系統(tǒng) 啟動(dòng)后自組網(wǎng)， EAR 協(xié)議負(fù)責(zé)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入控制。但并不適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較快的傳感器網(wǎng)絡(luò)。 TDMA 機(jī)制需要節(jié)點(diǎn)之間比較嚴(yán)格的時(shí)間同步。根據(jù)功能的差異，分簇網(wǎng)絡(luò)主要由三類(lèi)節(jié)點(diǎn)組成：簇成員節(jié)點(diǎn) (又叫感知節(jié)點(diǎn) )、簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。處于感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)需要完成上面兩種功能。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在各自分配時(shí)隙內(nèi)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)給簇頭。在更新階段之后簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，重新給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙。這樣要求簇頭節(jié)點(diǎn)有較強(qiáng)的計(jì)算和通信能力， 能耗也較大，因此如何合理選擇簇頭節(jié)點(diǎn)是設(shè)計(jì)該類(lèi) MAC 協(xié)議的一個(gè)至關(guān)重要的關(guān)鍵問(wèn)題。隨機(jī)訪問(wèn) 階段由多個(gè)連續(xù)的信令交換時(shí)槽組成，用于處理節(jié)點(diǎn)的添加、刪除以及時(shí)間同步等。在控制時(shí)槽內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)都處于接收狀態(tài)。 控 制數(shù) 據(jù)調(diào) 度 訪 問(wèn) 隨 機(jī) 訪 問(wèn) 圖 4１ DEANA協(xié)議的時(shí)間幀分配 如果 在 當(dāng)前 傳輸時(shí)槽的勝利者是節(jié)點(diǎn) A 的一跳鄰居中，那么將節(jié)點(diǎn) A 在控制時(shí)槽設(shè)置為接收模式。 如果節(jié)點(diǎn) A 是當(dāng)前傳輸時(shí)槽的勝利者，但是沒(méi)有數(shù)據(jù)包需要傳送，那么在整個(gè)傳輸時(shí)槽將 A 設(shè)為待命模式。 以 下是狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)能量消耗的公式： P sttx, =（ Ptx +Pst ） 式 (41) P txst, = Ptx 式 (42) P strx, =(Prx +Pst )/2 式 (43) P rxst, = Prx 式 (44) P rxtx, =( Ptx + Prx )/2 式 (45) P txrx, = Ptx 式 (46) 由上述式子可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)從高能耗的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低能耗狀態(tài)時(shí)所消耗的能量為兩者的平均值，反之，所消耗的能量等于高能耗狀態(tài)所消耗的能量。 TRAMA 協(xié)議包括鄰 居協(xié)議 。隨機(jī)訪問(wèn)周期主要用于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，如新節(jié)點(diǎn)加入、已知節(jié)點(diǎn)失效等引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓陔S機(jī)訪問(wèn)周期內(nèi)完成。 在 TRAMA 協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一的節(jié)點(diǎn)編號(hào) ID。在調(diào)度訪問(wèn)周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)周期廣播其調(diào)度信息，比如在節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)最高的時(shí)隙，發(fā)送數(shù) 據(jù)的接收者或者放棄該最高優(yōu)先級(jí)時(shí)隙的調(diào)度信息。 由于節(jié)點(diǎn)間保持一致的兩跳鄰居拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以將鄰居節(jié)點(diǎn)按照節(jié)點(diǎn) ID 的升或降序排列，并采用位圖指定接受者。節(jié)點(diǎn)通過(guò)調(diào)度分組廣播其調(diào)度信息。該贏時(shí)槽既可以解決調(diào)度分組丟失問(wèn)題，也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度變更。為了防止調(diào)度信息的不一致性和發(fā)送調(diào)度分組時(shí)產(chǎn)生沖突，節(jié)點(diǎn)只能在當(dāng)前調(diào)度時(shí)槽內(nèi)的最后一個(gè)贏時(shí)槽廣播下一個(gè)調(diào)度間隔的調(diào)度信息。該算法根據(jù)當(dāng)前兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和一跳鄰居的調(diào)度信息，決定節(jié)點(diǎn)在當(dāng)期時(shí)槽的活動(dòng)策略：發(fā)送，接收，或是睡眠。 AEA 算法的具體描述如下： 1：計(jì)算 tx(u),atx(u)和 ntx(u) 2:if(u=tx(u)) then //u 是絕對(duì)勝者 3: if(u 在調(diào)度分組中通告在該時(shí)槽發(fā)送時(shí)槽發(fā)送數(shù)據(jù) ) then 4: let =TX 5： let = 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 6： 發(fā)送數(shù)據(jù)，更新通告的調(diào)度信息 7： else if (u 在調(diào)度分組中放棄該時(shí)槽 ) then 8: call HandleNeedTransmissions 9: endif 10: else if (tx(u)?N1(u)) then //u 的一跳鄰居是絕對(duì)勝者 11： if（ tx(u)在調(diào)度分組中放棄該時(shí)槽 ） then 12: call HandleNeedTransmissions 13: else if (tx(u)在調(diào)度分組中通告接收者為 u)then 14: let =RX 15: else 16: let =SL 17: 更新 tx(u)的調(diào)度信息 18： endif 19:else//u 的兩跳鄰居是絕對(duì)勝者 20： if（ atx(u)與 tx(u)不是兩跳內(nèi)鄰居，而且 atx(u)?PTX(u)） then 22: call HandleNeedTransmissions 23: else if(atx(u)在調(diào)度分組中通告接收者為 u)then 24： let =RX 25: else 26: let =SL 27: 更新 atx(u)的調(diào)度信息 28： endif 29 else 30: call HandleNeedTransmissions 31: endif 32: procedure HandleNeedTransmissions 33: if(ntx(u)=u)then 34: let =TX 35: let = 36: 發(fā)送數(shù)據(jù)，更新通告的調(diào)度信息 37： else if (ntx(u)在調(diào)度分組中通告接收者為 u)then 38: let =RX 39:else 40: let =SL 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 41: 更新 ntx(u)的調(diào)度信息 42： endif 在 TRAMA 協(xié)議中，調(diào)度訪問(wèn)周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為三種：發(fā)送、接收和睡眠。 TRAMA 協(xié)議通過(guò)分布式協(xié)商保證節(jié)點(diǎn)無(wú)沖突發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收能耗的同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率。鑒于上面綜合分析，TRAMA 協(xié)議比較適合于周期性數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)方面的應(yīng)用。 未來(lái)數(shù)年將是網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，今后網(wǎng)絡(luò)仿真必將成為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)不可缺少的環(huán)節(jié)。目前共有大概 2700 個(gè) OPNET 用戶，包括企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、儀器配備廠商，以及軍事、教育、銀行、保險(xiǎn)等領(lǐng)域。 圖 41 OPNET 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 OPNET 仿真步驟 圖 42顯示了使用 Modeler進(jìn)行仿真的一般流程 [17]。 (2) 簡(jiǎn)單明了的建模方法。這也是 Modeler 建模的重要機(jī)制，這種機(jī)制有利于項(xiàng)目的管理和分工。用戶可以隨心所遇地控制仿真的詳細(xì)程度。支持 400多個(gè)庫(kù)函數(shù)以及書(shū)寫(xiě)風(fēng)格簡(jiǎn)潔的協(xié)議模型。因此，很多用戶都是在標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議上進(jìn)行一些修改來(lái)作自己的研究。 Modeler 仿真結(jié)果的顯示界面十分友好，可以輕松刻畫(huà)和分析各種類(lèi)型的曲線，也可將曲線導(dǎo)出到電子表格中?？焖俚尿?yàn)證仿真或發(fā)現(xiàn)仿真中存在的問(wèn)題， OPNET 本身有自己的調(diào)試工具 —— OPNET Debugger(ODB)。仿真中的各個(gè)模塊之間通過(guò)事件中斷方式傳遞事件信息。分組一旦產(chǎn)生，立即發(fā)送到下層。 wlan_port_rx0和 wlan_port_tx0:對(duì)應(yīng)物理層。 Wlan_wsn_mac_intf模塊：是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體訪問(wèn)接口模塊，負(fù)責(zé)傳遞網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層之間的數(shù)據(jù)信息和控制信息。 圖 43 WSN 節(jié)點(diǎn)模型 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 source模塊：產(chǎn)生數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流，根據(jù)設(shè)定的分組大小和到達(dá)時(shí)間間隔分布產(chǎn)生分組。 使用 OPNET 對(duì) DEANA 協(xié)議進(jìn)行仿真 節(jié)點(diǎn)模型的搭建 OPNET 是通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域權(quán)威的仿真工具，其層次化的建模和基于有限狀態(tài)機(jī)的模型描述，更符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型的表達(dá)方式。 Modeler 可以在仿真中或仿真后顯示模型行為的動(dòng)畫(huà)，使得仿真平臺(tái)具有很好的演示效果。使用 Modeler 進(jìn)行開(kāi)發(fā)的仿真平臺(tái)，使仿真的效率相當(dāng)高。 (5) 系統(tǒng)的完全性。 OPNET 稱這個(gè)集合為 Proto C 語(yǔ)言。在過(guò)程層次使用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)對(duì)協(xié)議和其他過(guò)程進(jìn)行建模。在過(guò)程層次中模擬單個(gè)對(duì)象的行為，在節(jié)點(diǎn)層次中將其互連成設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)層次中將這些設(shè)備互連組成網(wǎng)絡(luò)。