【正文】 工業(yè)、農(nóng)業(yè)和宇航各個(gè)領(lǐng)域。 傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境信息檢測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)、建筑與家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止的。前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸為目的。 研究目的和意義 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大應(yīng)用價(jià)值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，美國自然科學(xué)基金委員會(huì) 2020 年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃， 投資 34，000,000 美元，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究，美國國防部和各軍事部門都對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)給予了高度重視，提出了 C4ISRT(Cmmand， Control， Communication， Computing， Intelligence，Surveillance， Rceonnaissance and Targeting)計(jì)劃， C4ISRT 系統(tǒng) 的目標(biāo)是利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)設(shè)計(jì)一個(gè)集命令、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)。 日本、英國、意大利、巴西等國家也對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了 極大地興趣，紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。 傳感器網(wǎng)絡(luò)處于新技術(shù)的最前沿， IEEE 還沒有成立傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)制定小組，國際上從 2020 年開始出現(xiàn)一些有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果的報(bào)道。 2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 研究的主要工作 本論文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 機(jī)制作了較深入系統(tǒng)的研究，主要內(nèi)容包括對(duì) SMAC機(jī)制原理的探討，其性能的分析和改進(jìn)，以及能量有效性的分析。 本文的組織結(jié)構(gòu)大致如下： 第一章， 簡(jiǎn)要介紹了論文研究的背景 、意義和論文的組織結(jié)構(gòu)。 隨著相關(guān)科學(xué)的不斷發(fā) 展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號(hào)的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這就是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。 2020年中國科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心， 其后，該中心在 傳感器網(wǎng)絡(luò)方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學(xué)所、 微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所以及中國科技大學(xué)等 10 余所研究所和高校。 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點(diǎn)任意散落在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，這一過程是通過飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的。 圖 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧包括物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層 ，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對(duì)應(yīng)。 圖 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 6 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征 傳 感器節(jié)點(diǎn)能量有限 傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小， 通常攜帶能量十分有限的電池。 圖 給出的是 Deborah Estrin 在 Mobi 2020 會(huì)議上的特邀報(bào)告 (Wireless Sensor Network， Part IV： Sensor Network Protocols)[4]中所述傳感器節(jié)點(diǎn)各模塊的能量消耗情況。 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的 是具有某種特性的數(shù)據(jù)，加之傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大和節(jié)點(diǎn)放置的隨機(jī)性，傳感器節(jié)點(diǎn)可以不采用與 IP 地址類似的編址，而是使用僅在局部能夠區(qū)分的標(biāo)號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。 在數(shù)據(jù)傳輸路徑上的中間傳感器節(jié)點(diǎn)需要針對(duì)具體應(yīng)用，對(duì)收到其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)以及 本身采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 減少冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送，以求有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，特別是能源。 美國國防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學(xué)進(jìn)行 “智能塵埃 ”傳感器技術(shù)的研發(fā)。 傳感器萬網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響， 監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。 英特爾公司也推出了傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護(hù)理技術(shù)。 英特爾主管預(yù)防性健康保險(xiǎn)研究的董事 Eric Dishman 稱， “在開發(fā)家庭護(hù)理技術(shù)方面，傳感器網(wǎng)落是非常有前途的領(lǐng)域 ”。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定監(jiān)測(cè)信息的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制用來構(gòu)建底層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制傳感器 節(jié)點(diǎn)的通信過程和工作模式。 4． 時(shí)間同步 時(shí)間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。 6． 數(shù)據(jù)融合 傳感器網(wǎng)絡(luò)存在能量約束。傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用網(wǎng)絡(luò)外部存儲(chǔ)、本地存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)為中心的存儲(chǔ)三種方式。由于 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處。 9． 嵌入式操作系統(tǒng) 傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供最大的支持。 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 10 第 3 章 MAC 協(xié)議 MAC 協(xié)議 設(shè)計(jì)的因素 MAC 協(xié)議保證 節(jié)點(diǎn)間的完整、無誤、可靠的通信，并且使各節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中公平、有效的共享通信信道。所以，節(jié)能成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的最核心問題，需要在充分滿足應(yīng)用的前提下盡最大可能延長網(wǎng)絡(luò)壽命。業(yè)務(wù)具有一定規(guī)律，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以信息獲取為目的，應(yīng)用層的業(yè)務(wù)類型主要?dú)w納為三類，即 sink 向傳感器節(jié)點(diǎn)分配任務(wù)、查詢數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)向 sink 報(bào)告監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)，以及傳感器節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 協(xié)議能量消耗原因有： (1)節(jié)點(diǎn)在傳輸時(shí)不可避免的沖突引起重傳，重傳則帶來的多余能量消耗。處于空閑狀態(tài)的節(jié)既不發(fā)送數(shù)據(jù)，也不接受數(shù)據(jù)，但是還要監(jiān)聽信道，這種監(jiān)聽會(huì)浪費(fèi)了節(jié)點(diǎn)很多能量。 (3)控制發(fā)送功率。 FDMA 是將頻帶分成多個(gè)信道，不同節(jié)點(diǎn)在相同時(shí)間占用不同的信道。 (1)SMACS 協(xié)議 [15] SMACS(SelfOrganizing Medium Access Control for Sensor Networks)使用控制信道周期地發(fā)送連接建立邀請(qǐng)，與鄰節(jié)點(diǎn)協(xié)商數(shù)據(jù)信道內(nèi)的連接時(shí)隙和頻率，節(jié)點(diǎn)在未建立連接的時(shí)隙里休眠，通過一定機(jī)制發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)并建立發(fā)送 /接收調(diào)度表。 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 12 (2)TDMFDM 這是一個(gè)混合 TDMA 和 FDMA 的協(xié)議。 (3)DEMAC[16] 協(xié)議的主要思想是：節(jié)點(diǎn)之間交換能級(jí)信息，通過判斷節(jié)點(diǎn)的能量信息來決定節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間平衡能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。協(xié)議缺點(diǎn)是：協(xié)議的延遲較高，不適用于對(duì)延遲要求高的應(yīng)用。 (l)IEEE MAC 協(xié)議 [18,19] IEEE MAC 協(xié)議有兩種工作方式：一種是分布式協(xié)調(diào)功能 (DCF)；另一種是中心點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 (PCF)。如圖31 所示表明在 DCF 基本接入方式中，成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀的時(shí)序圖。協(xié)議應(yīng)用了三種技術(shù)：節(jié)點(diǎn)周期偵聽 /睡眠以減少空閑監(jiān)聽造成的能耗；沖突和串音避免機(jī)制，減少?zèng)_突帶來的能量消耗；用消息傳遞的方法來減少時(shí)延。延遲要求和節(jié)點(diǎn)緩存大小一般是固定的，而報(bào)文的傳輸速率通常是變化的。 總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是與應(yīng)用需求相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，不同的應(yīng)用需求不同，對(duì) MAC 協(xié)議的考慮的因素也不同，沒有哪一種 MAC 協(xié)議是絕對(duì)最優(yōu)的，也不存在一個(gè)適用于所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 協(xié)議。 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 14 基于競(jìng)爭(zhēng)的 SMAC 協(xié)議 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。協(xié)議對(duì) MAC 協(xié)議能量消耗的各種因素進(jìn)行改進(jìn)，為了達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，協(xié)議采用三種主要機(jī)制：周期性偵聽和睡眠，沖突和串音避免，消息傳遞。節(jié)點(diǎn)之間的絕大多數(shù)通信是一種對(duì)等的通信，而不是一種單一的基站通信。 (3)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)將長時(shí)間處于空 閑狀態(tài)即網(wǎng)絡(luò)流量很小并且能容忍一定延遲。下面簡(jiǎn)單介紹一下 SMAC2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 的工作原理： 節(jié)點(diǎn) X 開始工作后，首先偵聽一段時(shí)間，在該時(shí)間段內(nèi)，如果節(jié)點(diǎn) A 收到一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的 包含了時(shí)間調(diào)度表的 SYNC 幀，然后按照這個(gè)時(shí)間表進(jìn)行周期性的休眠和喚醒，并在其鄰居節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)偵聽階段廣播 SYNC 幀。 圖 SMAC 的原理圖 SMAC 協(xié)議基本原理 1． 周期性的偵聽 /睡眠 如圖 33 所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性的進(jìn)入偵聽和睡眠。為了便于相互通信，相鄰節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)該盡量維持監(jiān)聽 /休眠周期的同步。 (2)如果節(jié)點(diǎn)在產(chǎn)生自己的調(diào)度表之前，收到了鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)間調(diào)度表，那么節(jié)點(diǎn)就將自己的調(diào)度表設(shè)為與鄰居節(jié)點(diǎn)相同。這時(shí)分兩種情況處理：如果這個(gè)節(jié)點(diǎn) 沒有其他的鄰居節(jié)點(diǎn)，那么它就放棄當(dāng)前的時(shí)間調(diào)度表，而采用鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度時(shí)間表；如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)采用了某鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度表，并且存在其他幾個(gè)節(jié)點(diǎn)也采用了此調(diào)度周期，那么節(jié)點(diǎn)就同時(shí)采用這兩種調(diào)度時(shí)間表，以便能夠與同步的和非同步的相鄰節(jié)點(diǎn)都能進(jìn)行通信。 圖 兩個(gè)不同的調(diào)度簇 節(jié)點(diǎn)之間通過 SYNC 幀來解決節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘誤差及保持監(jiān)聽休眠周期。 由于網(wǎng)絡(luò)存在接收 SYNC 幀出錯(cuò)的可能性，并且新節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能加入網(wǎng)絡(luò)，為確保監(jiān)聽休眠周期的同步和及時(shí)發(fā)現(xiàn)調(diào)度方式不同的新節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行一定次數(shù)的周期性監(jiān)聽和休眠調(diào)度后，必須保持一次全 周期監(jiān)聽，在該周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)始終處于監(jiān)聽狀態(tài)。物理載波偵聽是通過節(jié)點(diǎn)接收周圍的信道上的信號(hào)來確定信道的占用情況；而虛擬載波偵聽是對(duì)接收到的信息進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上判斷信道將被占用的時(shí)間，以確定自身的發(fā)送需要延遲多長的時(shí)間。信道無論是通過物理載波偵聽還是虛擬載波偵聽認(rèn)為忙時(shí)都會(huì)把信道標(biāo)記為忙。節(jié)點(diǎn) A 現(xiàn)在正傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到節(jié)點(diǎn) B，由于沖突發(fā)生在接收段，很明顯節(jié)點(diǎn)D 的傳輸干擾了 B 的接收，應(yīng)該進(jìn)入睡眠，而節(jié)點(diǎn) E 和 F 對(duì) B 并不產(chǎn)生干擾，因此不需要進(jìn)入睡眠。 圖 一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)下的節(jié)點(diǎn)睡眠 3． 消息傳遞機(jī)制 對(duì)于無線信道，傳輸差錯(cuò)和消息長度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長消息，但是某些情況下可能需要傳遞較長的消息。采用這種方式可以降低突發(fā)干擾的影 響，即使中間傳送出錯(cuò)也只需重傳一個(gè)短數(shù)據(jù)包，提高傳輸效率。由于現(xiàn)在傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)問題沒有得到很好的解決，傳感器節(jié)點(diǎn)本 身不能自動(dòng)補(bǔ)充能量或能量補(bǔ)充不足，節(jié)約能量成為傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)首要考慮的因素。例如 :需要傳感器節(jié)點(diǎn)平均每秒鐘和其相 鄰的節(jié)點(diǎn)交換一次信息。因此 ,發(fā)送和接收這些錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的能量將被損耗掉。 基于 NS2 的仿真平臺(tái) NS2 是美國 DARPA 支持的項(xiàng)目 VINT(the Virtual Inter Tested)中的核心部分，它主要面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究者。 2． NS2 的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。 NS的構(gòu)件庫是一個(gè)層次結(jié)構(gòu)。 圖 分裂對(duì)象模型 3． tcl 和 C++之間的對(duì)象連接。而類 TclClass 則包含了執(zhí)行這種映象的機(jī)制。這是一個(gè) Otcl 類，沒有對(duì)應(yīng)的 C++類。梅隆大學(xué) )對(duì) NS2 進(jìn)行了擴(kuò)展，在物理層、鏈路層、 MAC 層等方面增加了對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)的支持，用這些增加的部件可以對(duì)無線局域網(wǎng)、Ad Hoc 網(wǎng)、移動(dòng) IP 等進(jìn)行仿真，目前， NS2 已經(jīng)集成了部分成熟的面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，如 Directed Diffusion 和 SMAC 等， 其主要不足在于缺乏對(duì)感知過程的建模和實(shí)現(xiàn)，需要做相應(yīng)擴(kuò)展 。下面給出本文中的傳感器節(jié)點(diǎn)部分屬性的配置，配置函數(shù)為 Simulator::nodeconfig{}。初始化時(shí)節(jié)點(diǎn)的有一個(gè)能量初始值 initialEnergy_，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量降低為零，節(jié)點(diǎn)就不能再接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)失效。間隔值越大，代表流量負(fù)荷越輕；間隔值小，代表流 量負(fù)荷大或者網(wǎng)絡(luò)突發(fā)流量情況。 SMAC 協(xié)議節(jié)能的實(shí)現(xiàn) SMAC 協(xié)議仿真設(shè)計(jì)流程圖 2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 SMAC 總的流程圖 初始化時(shí)間表函數(shù)是為了進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間同步 (4) 用戶定義占空比（ 10%）函數(shù)是為了讓節(jié)點(diǎn)盡可能 的處于睡眠時(shí)間 (5) 定時(shí)器的處理函數(shù)就是處理定時(shí)器函數(shù)的 (7) 鄰居節(jié)點(diǎn)列表和時(shí)間表的處理函數(shù)就是處理節(jié)點(diǎn)列表和時(shí)間表 函數(shù) (8) 初始化鄰居節(jié)點(diǎn)表函數(shù)是為了讓節(jié)點(diǎn)在更新鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)變量數(shù)增加 (3) 計(jì)算包的時(shí)間函數(shù)是指一個(gè)包分為睡眠和偵聽兩部分的時(shí)間 (2) 設(shè)置定時(shí)器函數(shù)是為了RTS/CTS/ACK/DATA和自適應(yīng)偵聽超時(shí) (1) 開始 包的捕獲、碰撞和丟棄函數(shù)是對(duì)接收到 RTS/CTS 包的處理 (6) RTS/CTS/SYNC/ACK 的處理函數(shù)是處理這些包的 (9) 傳送和無線音頻的檢測(cè)函數(shù)是節(jié)點(diǎn)在發(fā)送包的時(shí)候，要先偵聽音頻接口是不是出于忙的狀態(tài)，即信道的空閑 (10) 廣播和單播函數(shù)，廣播（沒有 RTS/CTS）的所有節(jié)點(diǎn)都是目的節(jié)點(diǎn)，而單播（有RTS/CTS）是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，自適應(yīng)偵聽中即是單播 (11) 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 24 void S