【正文】 uce the overall energy dissipated in the work and to maximize the work lifetime. This paper analyzes the basic principles of SMAC protocol and different from other MAC protocols,and by the NS2 simulation platform,for parison of energy consumption of S MAC with ,highlighting the advantages in energy efficiency SMAC,SMAC delay are also analyzed some of the problems and solutions. At last,conclusion and image future about designing materializing MAC in WSN are given. Key words: Wireless Sensor Network。Energyefficient。 傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無基站的無線網(wǎng)絡(luò)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。 傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò) (如 WLAN 和蜂窩移動電話網(wǎng)絡(luò) )有著不同的設(shè)計目標(biāo)， 后者在調(diào)度移動的環(huán)境中通過優(yōu)化路由和資源管理策略最大化帶寬的利用率， 同時為用戶提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證。研究表明 [2]傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有著明顯不 同的技術(shù)要求。 在密集分布的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點間的距離非常短，低功耗的多跳信息模式節(jié)省功耗，同時增加了通信的隱蔽性， 也避免了長距離的無線通信易受外界噪聲干擾的影響，這些獨特的要求和制約因素為傳感 器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的技術(shù)問題。 美國英特爾公司、美國微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的工作，紛紛設(shè)立或啟動相 應(yīng)的行動計劃。 未來，傳感器網(wǎng)絡(luò)將向天、空、海、陸、地下一體化綜合傳感器網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，最終將成為現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的接口，深入到人們生活和各個層面，像互聯(lián)網(wǎng)一樣改變?nèi)藗?的生活方式。 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興技術(shù)，國內(nèi)與國際水平的差距并不是很大，及時開展這項對人類未來生活影響甚遠(yuǎn)的前沿科技的研究，對整個國家的社會、經(jīng)濟(jì)將有重大的戰(zhàn)略意義。 論文組織 本文以當(dāng)前的傳感器網(wǎng)絡(luò)研究為 背景，針對傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的特點，分析和比較了國外提出的幾種針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 協(xié)議 ，并借鑒其中的優(yōu)秀思想，在 協(xié)議的基礎(chǔ)上，探討了節(jié)能的 SMAC 協(xié)議。 第五章， 總結(jié)全文并展望后續(xù)的研究工作 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 4 第 2 章 傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述 傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史 早在 上世紀(jì) 70 年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器 采用點對點傳輸 、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，這被歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。 我國現(xiàn)代意義的傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動，同步發(fā)展。 目前，上海無線傳感技術(shù)已在寧波北侖區(qū)政府應(yīng)急指揮、嘉興水運智能交通等系統(tǒng)中示范應(yīng)用，在電力、水利設(shè)施 維護(hù)等領(lǐng)域也已開發(fā)運用，并瞄準(zhǔn)上海市世博會需求進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。 如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模太大，可以采用聚類分層的管理模式， 圖 給出了2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)一般形式的描述。如能量管理， 每個協(xié)議層中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進(jìn)行能量分配決策； Qos 管理在各層協(xié)議層設(shè)計隊列管理、優(yōu)先級機(jī)制或帶寬預(yù)留機(jī)制，并對特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特別處理； 拓?fù)淇刂评梦锢韺?、鏈路層或路由層完成拓?fù)渖桑?反過來又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化 MAC 協(xié)議和路由協(xié)議的過程， 提高協(xié)議效率，減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗；網(wǎng)絡(luò)管理則要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個協(xié)議組件的運行。絕大部分能量消耗在無線通信模塊上。 傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個傳感器節(jié)點同時具有終端系統(tǒng)和路由器兩者的作用： 傳感器節(jié)點接收匯聚節(jié)點的查詢或控制命令，實現(xiàn)信息的采集、處理和收發(fā)功能； 同時，處理和轉(zhuǎn)發(fā)收到的來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)路由的功能。 傳感器網(wǎng)絡(luò)中鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)具有相似性，它們監(jiān)測 到的事件可能是同一事件 (如火災(zāi) )， 從不同監(jiān)測點得到同一事件的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此這些數(shù)據(jù)存在信息的冗余性 。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判 斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經(jīng)將 32 個小型傳感器連進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州 “大 鴨島 ”上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。 羅徹斯特大學(xué)的科學(xué)家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間， 使用微塵來測量居住者的重要征兆 (血壓、脈搏和呼吸 )、睡覺姿勢以及每天 24 小時的活動狀況。 利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護(hù)理， 而且還可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。 2． 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，目前研究的重點是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。SPING[7]安全框架是目前傳感器網(wǎng)絡(luò)安全最有代表性的算法。根據(jù)定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離或角度，把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位分類為基于距離的定位和距離無關(guān)的定位 [9]。傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫的數(shù) 據(jù)管理技術(shù)不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。 標(biāo)準(zhǔn) [12]是針對低速無線個人域網(wǎng)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，把低功耗、低成本作為設(shè)計的主要目標(biāo)。超寬帶技術(shù)具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不過目前還沒有正式的國際標(biāo)準(zhǔn)。 本章小結(jié) 本章介紹了一種新興的無線網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，介紹了其概念、特點、體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域和對未來網(wǎng)絡(luò)的深遠(yuǎn)影響，詳細(xì)分析了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展及設(shè)計時需考慮的因素，總結(jié)了現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及現(xiàn)在面臨的技術(shù)難點和挑戰(zhàn)，最后，根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用需要和研究狀況，給出了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的幾個方向。 1． 節(jié)點自身約束 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量有限，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點一般 以電池提供能量，由于節(jié)點數(shù)目眾多或無人職守等原因，能量不便進(jìn)行補(bǔ)充。 3． 網(wǎng)絡(luò)吞吐量、延時、信道帶 寬 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)類型單一、業(yè)務(wù)量小，應(yīng)用層的業(yè)務(wù)對于帶寬利用率和網(wǎng)絡(luò)的吞吐等性能的要求不是很嚴(yán)格。 4． 能量消耗原因和改進(jìn)策略 受到傳感節(jié)點電池容量的限制，提高能量效率和延長網(wǎng)絡(luò)生命周期時成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議主要的設(shè)計準(zhǔn)則。 (4)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點狀態(tài)可以分為 3 種：睡眠、空閑偵聽、接收 /發(fā)送。 (2)改進(jìn)握手機(jī)制，降低控制開銷。 基于固定分配的 MAC 協(xié)議 傳統(tǒng)的固定分配類信道方式主要有： FDMA、 TDMA、 CDMA。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，各國學(xué)者提出了改進(jìn)的固定分配 MAC 協(xié)議，本小節(jié)將簡單介紹下幾種基于固定分配的 MAC 協(xié)議。協(xié)議缺點是：從屬于不同子網(wǎng)的節(jié)點進(jìn)行通信的機(jī)會渺茫。協(xié)議缺點是：由于采用固定分配信道和固定時隙分配，空閑時隙利用率較低，導(dǎo)致協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)流量較小時信道利用率較低。協(xié)議使用兩種技術(shù)來節(jié)能：用基于流量的傳輸調(diào)度表來避免可能在接收者發(fā)生的數(shù)據(jù)包沖突；使節(jié)點在無接收要求時進(jìn)入低能耗模式，協(xié)議具有較好的吞吐量和公平性。想要通信的節(jié)點遵循預(yù)先制定的競爭方法去競爭信道，競爭到信道的節(jié)點就可以發(fā)送信息。DCF 的核心機(jī)制包括：四次握手機(jī)制、載波檢測 (CS)機(jī)制、幀間間隔和隨機(jī)退避機(jī)制。協(xié)議采用類似 中的方式來避免沖突，包括虛擬和物理的載波監(jiān)聽和 RTS/CTS 交換。周期長度通常取決于延遲要求和節(jié)點的緩存大小，偵聽期間的長度取決于報文的傳輸速率。 TMAC 協(xié)議也帶來一些問題： 早睡。如果在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)比較小，可采用基于 競爭的 MAC 協(xié)議，這時發(fā)生碰撞的概率很小，在不通信的時候傳感器節(jié)點可長期處于睡眠狀態(tài)。 SMAC 協(xié)議設(shè)計的主要目標(biāo)是：減少沖突、降低能量消耗的同時保持良好的可擴(kuò)展性。很多節(jié)點在物理位置很靠近以便簡化信號處理；節(jié)點的通信通過短距離的多跳傳輸而不是長距離傳輸以實現(xiàn)能量的節(jié)省。協(xié)議不太關(guān)注節(jié)點級的公平，而是重點考慮如何最大限度提高全網(wǎng)的性能。協(xié)議基本的思想是：減少節(jié)點的偵聽時間，盡可能讓節(jié)點處于功耗較低的休眠狀態(tài)。節(jié)點 x 的偵聽階段被進(jìn)一步劃分為 SYNC、 RTS 和 CTS3 個階段。 圖 SMAC 的周期監(jiān)聽和睡眠 所有節(jié)點可以自由選擇偵聽 /休眠機(jī)制，但是為了減少控制開銷，鄰居節(jié)點盡可能采用相同的偵聽 /睡眠機(jī)制。這種節(jié)點稱為同步節(jié)點，它獨立選擇自己的調(diào)度時間表。 (3)如果在節(jié)點產(chǎn)生自己的調(diào)度表并且廣播出去之后收到了鄰居節(jié)點的調(diào)度表。兩個不同的調(diào)度簇之間的節(jié)點可能收到兩種不同的調(diào)度，即節(jié)點 A 同時采用這兩種調(diào)度。圖 35 也展示了一個發(fā)送節(jié)點向接收節(jié)點傳輸?shù)娜N可能情況。采用 RTS/CTS機(jī)制來部分解決隱藏終端和暴露終端問題。節(jié)點使用 RTS、 CTS、 DATA 幀中延遲信息來 更新自己的 NAV。如圖 35 所示，節(jié)點 A、 B、 C、 D、 E、 F 組成一個多跳網(wǎng)絡(luò)，假定每個節(jié)點只能聽到直接相連的鄰居節(jié)點的傳輸。由此我們得出：所有發(fā)送者和接收者的鄰居節(jié)點 (如圖 36 中節(jié)點 C 和節(jié)點 D)在聽到 RTS 或 CTS 包后都應(yīng)該進(jìn)入睡眠，一直到現(xiàn)有的傳輸結(jié)束。 與 IEEE ： SMAC進(jìn)行信道預(yù)約時并不是預(yù)約每個短數(shù)據(jù)包的傳送時間，而是整個長消息的傳送時間。在上述三個方面，普遍認(rèn)為重要性依次遞減。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點不知其何時會從其一個或多個相鄰節(jié)點接收數(shù)據(jù)時 ,它必須長時間的保持其接收器處于活動狀態(tài)。 2． 碰撞沖突問題 (collision):如果網(wǎng)絡(luò)中的兩個節(jié)點在相同時間利用相同信道傳送數(shù)據(jù)時 ,它們將會互相干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)包被破壞。為盡量避免這種情況，節(jié)點應(yīng)該在無數(shù)據(jù)收發(fā)時關(guān)閉其接收器。 圖 NS 類結(jié)構(gòu)圖 NS 采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計程序，以類的形式對現(xiàn)有的對象進(jìn)行繼承和擴(kuò)充，圖 所示為部分 NS2 體系結(jié)構(gòu)圖。 NS 通過 TclCL 把兩種語言中的對象和變量聯(lián)系起來。構(gòu)件的主要功能通常在 C++程序中實現(xiàn)， Otcl 中的類則主要提供 C++對象面向用戶配置接口。每個編譯對象都是當(dāng)用戶從解釋器中創(chuàng)建解釋對象的同時在 C++類結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生出的影像對象。2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 一個 Simulator 類的實例表示了一個模擬的環(huán)境 (拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，事件的發(fā)生順序，需要模擬的功能等 )。 最初 NS2 只能仿真有線網(wǎng)絡(luò)， CMU(卡內(nèi)基 建立一個節(jié)點的基本方法就是調(diào)用 Simulator 類的 node 過程： set ns[newSimulator] $ns node 在創(chuàng)建節(jié)點之前要定義它的各種屬性，完成節(jié)點的配置。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量配置 在 NS2 中可以配置一個節(jié)點的能量參數(shù)，參數(shù)值代表了 節(jié)點的能量水平。 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的產(chǎn)生 數(shù)據(jù)流發(fā)包間隔值不同，可以模擬網(wǎng)絡(luò)的不同流量負(fù)荷情況。其基本方法是： 定義一個 UDP 的代理，并將它添加至源節(jié)點；再建立一個空的 （ NULL） 代理，添加到目的節(jié)點上，這樣就能產(chǎn)生一個從源節(jié)點到目的節(jié)點的 UDP 連接，在這個連接上，再添加上一個 CBR 的應(yīng)用，這樣我們就能從源節(jié)點發(fā)送 CBR 數(shù)據(jù)流給目的節(jié)點。 CBR 信號指的是固定比特率的數(shù)據(jù)流，每個節(jié)點的數(shù)據(jù)具有固定大小。仿真時的節(jié)點能量屬性配置如下： 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 22 $ns_nodeconfigenergyModel EnergyModel\ txPower \ rxPower \ idlePower \ sleepPower \ transitionPower \ transitionTime \ initialEnergy 1000 energyModel 參數(shù)是設(shè)置節(jié)點使用能量模式； txPower 節(jié)點的發(fā)送功耗； rxPower 為節(jié)點的接收功耗； idlePower 為節(jié)點的空閑偵聽功耗； sleepPower 為節(jié)點的睡眠功耗； initialEnergy為設(shè)置節(jié)點初始能量； transitionPower， transitionTime 分別是狀態(tài)轉(zhuǎn)換功耗和轉(zhuǎn)換時間。 $ns_nodeconfig–adhocRouting$opt(rp) llType$opt(ll)\ macType$opt(mac)\ ifqType$opt(ifq)\ iqf Len$opt(ifqlen)\ antType$opt(ant)\ propType$opt(prop)\ phyType$opt(if)\ channelType$val(chan)\ topoInstanee$toPo\ agentTraee ON\ routerTrace ON\ macTrace ON 屬性參數(shù) adhocRouting 為節(jié)點所使用的路由協(xié)議， llType 邏 輯鏈路層，