【正文】 macTPye 用的是SMAC，仿真時其他 mac 協(xié)議時相應(yīng)更改此處 mac 類型， ifqTPye 是隊列類型， ifqLen 是隊列長度， antTtype 是天線類型， propType 是無線信號傳輸模型， phyType 是物理層類型，channelType 是無線信道類型， topoInstanee 是 topo 對象。本協(xié)議 采用網(wǎng)絡(luò)仿真工具 進行仿真。 Simulator 類中定義了大量的配置網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境、創(chuàng)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、安排模擬事件的函數(shù)，用于腳本模 擬網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境。 4．事件調(diào)度機制。 TclCl 主要是通過 TclObject 和 TclClass 兩個 C++類來實現(xiàn)的。其中的構(gòu)件通常都是由相互關(guān)聯(lián)的兩個類來實現(xiàn)，一個在 C++中，一個在 Otcl 中。 NS 的設(shè)計實現(xiàn)使用了兩種程序設(shè)計語言， C++和 OTCL。由 UC Berkley 大學(xué)計算機系等研究機構(gòu)開發(fā)并 免費發(fā)布，其前身是KESHAVS 研制的 REAL 仿真器，是一個事件驅(qū)動的和面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真工具，由于 NS2具有免費、開放源代碼、可擴充性好等優(yōu)點而在各種網(wǎng)絡(luò)的仿真測試中獲得了廣泛應(yīng)用。 3． 控制信息消耗 (control packet overhead):大多數(shù)的 MAC 層協(xié)議需要節(jié)點相互之間交 換控制信息而這些控制信息并非應(yīng)用型數(shù)據(jù)，因此這些控制信息的交換也將損耗一定的能量，應(yīng)該設(shè)計控制信息盡量少的 MAC 層協(xié)議。其中的交換信息是非常短的 ,發(fā)送交換信息給其他節(jié)點需要 5ms 時間 ,從其他節(jié)點接收信息需要 5ms 時間 ,因此收發(fā)器有 990ms 的時間用于空閑的監(jiān)聽，即在 99%的時間什么都沒有做。人們經(jīng)過大量的實驗和理論分析總結(jié)出了可能造成的造成網(wǎng)絡(luò)能量浪費的主要因素包括發(fā)送數(shù)據(jù)沖突導(dǎo)致的數(shù)據(jù)重發(fā)、節(jié)點接收并處理不必要的數(shù)據(jù)、節(jié)點空閑時對信道的偵聽過程以及過多的控制信息等幾個方面。除此之外，采用這種處理方式還可以盡量延 長其他節(jié)點的休眠時間，有效降低碰撞概率，節(jié)省能量。如果將長消息作為一個數(shù)據(jù)包發(fā)送，由于數(shù)據(jù)包過長很容易受干擾而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯，理論上只需重傳數(shù)據(jù) 出錯的這部分但是實際情況是必須重傳整個數(shù)據(jù)包，這造成了能量浪費。而節(jié)點 C 距離 B 有兩跳遠(yuǎn)，他的傳輸并不干擾 B 的接收，所以他可以自由地傳輸?shù)剿渌泥従庸?jié) 點 (如 E)。 在 中每個節(jié)點保持對鄰居節(jié)點的監(jiān)聽，每個節(jié)點可能監(jiān)聽到許多本不是發(fā)送給自己的報文，這就造成能量很大的浪費，尤其當(dāng)節(jié)點密度很大并且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重 時，情況更為嚴(yán)重。這個延 時信息包含于 RTS、 CTS及 DATA 幀中，該延時實際上就是節(jié)點通過接收到的信號推斷出正在進行的通信到結(jié)束（由接收方返回 ACK 幀）的時長。 圖 一個接收節(jié)點和不同發(fā)送節(jié)點的時間關(guān)系 2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 2． 沖突和串音避免機制 當(dāng)多個發(fā)送節(jié)點想同時向一個接收節(jié)點發(fā)送，就會產(chǎn)生沖突。每個節(jié)點都會 定期發(fā)送 SYNC 幀， SYNC 幀非常簡短，發(fā)送者的地址以及下次休眠的時間，該時間是相對于 SYNC幀發(fā)送時刻的相對時間。具有相同調(diào)度的節(jié)點形成一個虛擬的簇，邊界的節(jié)點記錄兩個或者多個時間調(diào)度。這種節(jié)點稱為追隨節(jié)點，并在等待一段隨機時間 td 后廣播鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 16 它的調(diào)度信息，告知自己在 ttd 后醒來。節(jié)點開始工作時，需要先選擇一種時間調(diào)度表，節(jié)點按照下面的步驟來選擇和建立自己的調(diào)度時間表： (1)節(jié)點首先偵聽一段時間，這段時間必須大于 SYNC 幀的發(fā)送時間。節(jié)點在 偵聽階段競爭信道來發(fā)送信息，在睡眠階段關(guān)閉收 /發(fā)信機。如果節(jié)點 X 在偵聽時間段內(nèi)沒有接收到任何SYNC 幀，則其選擇默認(rèn)的時間表并廣播 SYNC 幀。 以上對網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的假設(shè)對于 MAC 協(xié)議的影響很大，也導(dǎo)致和 SMAC 與 存在很大不同。 (2)假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是比較單一的而不是復(fù)合性的。在研究這些機制之前，首先假設(shè)SMAC 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用環(huán)境。 基于競爭的 MAC協(xié)議的基本思想是，當(dāng)無線節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，主動搶占無線信道，當(dāng)在其通信范圍內(nèi)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(yīng)的機制來保證任一時刻在通信區(qū)域內(nèi)只能有一個無線節(jié)點獲得信道使用權(quán) [23]。各位研究學(xué)者針對不同的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用需求提出和改進了原有的MAC 協(xié)議，并在實際應(yīng)用中得到了驗證。為了保證的報文的可靠傳輸，節(jié)點在偵聽期間也必須保持最高通信負(fù)載；一旦負(fù)載動態(tài)較小時，節(jié)點處于空閑偵聽的時間相對增加。 (3)TMAC 協(xié)議 [22] TMAC(Timeout MAC)協(xié)議是在 SMAC 協(xié)議的 基礎(chǔ)上的改進。 2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 DCF 的基本接入方式 (2)SMAC 協(xié)議 [20,21] SAMC(SensorMAC)是 Wei Ye 等人在 2020 年提出的基于競爭類的最具代表性的協(xié)議。 DCF 工作模式是采用帶沖突避免的載波偵聽多路 訪問 (CSMA/CA)協(xié)議，這是典型的基于競爭的 MAC 協(xié)議。 基于隨機競爭的 MAC 協(xié)議 基于隨機競爭的協(xié)議并不把預(yù)先分配信道或者把信道分成幾塊，而是所有的節(jié)點共享一個信道，協(xié)議使用相應(yīng)的競爭方法來決定節(jié)點如何獲得訪問信道。協(xié) 議的缺點是：節(jié)點只在自己占有時隙且無傳輸時，才能進入睡眠狀態(tài)，當(dāng)它的鄰節(jié)點占有的時隙時，節(jié)點就算沒有數(shù)據(jù)傳輸，它也必須進行偵聽，會造成過多的能量消耗。協(xié)議的主要機制是：節(jié)點上維護著一個特殊的幀，幀的功能類似于 TDMA 中的時隙分配表，節(jié)點根據(jù)幀的信息來調(diào)度與相鄰節(jié)點之間的通信。協(xié)議優(yōu)點是：不需要全網(wǎng)同步，只需各子網(wǎng)內(nèi)鄰節(jié)點之間的時間同步。 TDMA 是將一個時間段內(nèi)的整個頻帶分給一個節(jié)點使用，節(jié)點在不同的時間占用相同的頻帶。 現(xiàn)有的 MAC 協(xié)議 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，用途不同，信道接入機制沒有統(tǒng)一的分類，一般來說信道接入機制可以分為：固定分配接入、隨機競爭接入、混合接入。 (5)節(jié)點發(fā)送功 率過大造成的能量消耗過多。 2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 (2)串音指節(jié)點收到了不是發(fā)給它自己的數(shù)據(jù)，節(jié)點浪費能量去接受不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)。前兩種業(yè)務(wù)具有很明顯的方向性，第三種業(yè)務(wù)方向性不明顯。無線傳感器節(jié)點由于受體積、成本等因素影響，處理和存儲能力有限，這要求在 MAC 協(xié)議設(shè)計時盡量簡化協(xié)議的運行機制，減速運算和存儲量。無線自組織網(wǎng)絡(luò)主要考慮如何在節(jié)點在高速移動性的環(huán)境中如何高效建立連接，同時考慮 QoS 要求，能量消耗不是其主要考慮因素。在面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)的支持下，多個應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。故很多研究機構(gòu)把 作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 無線通信平臺。相對于其他兩種方式，以數(shù)據(jù)為中心的存儲方式可以在通2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 信效率和能量消耗兩個方面獲得很好的折中。減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量，因此在從各個傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數(shù)據(jù)的融合 [10]，去除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。目前已提出了多個時間同步機制 [8]，其中 RBS、 TINY/MINISYNC 和 TPSN 被認(rèn)為是三個基 本的同步機制。 3． 網(wǎng)絡(luò)安全 為了保證任務(wù)的機密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)一些最基本的安全機制：機密性、點到點的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播和安全管理。 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 8 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域 新的研究熱點，涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究，下面僅列出部分關(guān)鍵技術(shù) [6]。該技術(shù)是作為探討應(yīng)對老齡化社會的技術(shù)項 目 Center for Aging Services Technologies(CAST)的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的。 此外，它也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中， 來監(jiān)測農(nóng)作物 中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。 哈伯研究公司總裁阿爾門丁 格預(yù)測：智能塵埃式傳感器及有關(guān)的技術(shù)銷售將從 2020 年的 1000 萬美元增加到 2020 年的幾十億美元。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景 雖然傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)有為數(shù)不少的傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用。 2．傳感器網(wǎng)絡(luò)是與應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。 從圖中可知 傳感器節(jié)點的絕大部分能量消耗在無線通信模塊上 ，而且無線通信模塊在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的能量消耗接近，在睡眠狀態(tài)的能量消耗最少。 節(jié)點中消耗能量的模塊有傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊。 圖 所示是一種細(xì)化了的協(xié)議棧， 定位和時間 同步協(xié)商，同時又要為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持，所以用到 L 型描述兩個功能子層。 節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，同過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到 sink 結(jié)點， 最終借助長距離或臨時建立的 sink 鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程中心進行集中處理。 經(jīng)過幾年的努力，初步建立了傳感器網(wǎng)路系統(tǒng)的研究平臺， 在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器端機、移動基站和應(yīng)用各級組織系統(tǒng)等方面取得了很大進展。 而從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們 用其組建智能 化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。 第二章， 主要介紹目前的傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域，體系結(jié)構(gòu)以及基本的研究情況 。 本論文的研究工作如下： 在 協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用多種機制來減少節(jié)點能量的消耗。但是，這些研究成果處于起步階段，距離實際需求還相差甚遠(yuǎn)。我國也非常重視傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，國家自然科學(xué)基金委員會已經(jīng)審批了傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的一個重點課題和多個面課題，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，也部署了傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題。 它強調(diào)戰(zhàn)場情報的感知能力、 信息的綜合能力和信息的利用能力，把傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目。為了適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序，傳統(tǒng)為自組織 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的協(xié)議和算法未必適合傳感器網(wǎng)絡(luò)鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 2 的特點和應(yīng)用的要求 [3]。 因為它們通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險地遠(yuǎn)程環(huán)境中，能源無法更換，設(shè)計 有效的 策略 延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期成 為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。 特別是在軍事領(lǐng)域，其應(yīng)用需求是傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的主要推動力量。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (wireless sensor work， WSN)被認(rèn)為是 21 世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，它將會對人類未來的生活方式產(chǎn)生巨大影響。SMAC。 本文 分析了 SMAC 協(xié)議的基本原理以及與其他 MAC 協(xié)議的不同，并經(jīng) NS2 平臺上的仿真， 進行 SMAC 與 能耗的比較，突出 SMAC 在節(jié)能方面的優(yōu)勢，同時也分析了SMAC 延遲的一些問題和解決方法。 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?dāng)_避免機制，在能量損耗減少的情況下，增加的延遲問題。但是 該協(xié)議有一個前提，那就是所有的設(shè)備 都只進行單跳通信。 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(luò)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)。 媒體介質(zhì)訪問控制 (Medium Access Control,MAC)協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，主要用于在傳感器節(jié)點間公平有效地共享通信媒介，對傳感器網(wǎng)絡(luò)的 性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。我國也非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，國家 自然科學(xué)基金委員會已經(jīng)審批了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)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(luò)相關(guān)的課題?，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(luò)涉及眾 多學(xué)科，成為目前 IT 領(lǐng)域中的研究熱點之一。 美國在 20 世紀(jì)90 年代就開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作，并首先在軍方應(yīng)用和推廣。 其中能耗問題是 WSN 中至關(guān)重要的問題，因此 WSN 的節(jié)點要求必須 是低功耗的。 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(fù)載的變化； (2)基于競爭的 MAC 協(xié)議能較好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?(3)基于競爭的 MAC 協(xié)議不需要復(fù)雜的時間同步或集中控制調(diào)度算法。 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(shè)備可以周期性地進入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量?；谏鲜鰞煞N基本思想， SMAC 協(xié)議提出了適合于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的競爭型 MAC 協(xié)議的節(jié)能方法。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量龐大、單個節(jié)點資源極其有限，數(shù)據(jù)鏈路層介質(zhì)訪問控制(medium access control， MAC)協(xié)議的設(shè)計的首要目標(biāo)是有效節(jié)約能源，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。MAC protocol。2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒論 課題背景 隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、通信技術(shù)和半導(dǎo)體與微機電系統(tǒng) (MEMS)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，具有感知、計算存儲和通信能力的微型傳感器開始出現(xiàn)在軍事、