【正文】 ......................................................................................................... 19 SMAC 協(xié)議節(jié)能的實現(xiàn) ........................................................................................................ 22 SMAC 協(xié)議仿真設(shè)計流程圖 ...................................................................................... 22 SMAC 協(xié)議仿真結(jié)果及其分析 .................................................................................. 26 SMAC 協(xié)議存在的問題 .............................................................................................. 30 第 5 章 全文總結(jié)與展望 ................................................................................................................ 32 全文主要工作 ........................................................................................................................ 32 下一步主要工作 .................................................................................................................... 32 致謝 .................................................................................................................................................. 33 參考文獻 .......................................................................................................................................... 34 2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） I 摘 要 集成了傳感器、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)和無線通信四大技術(shù)而形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，是一種新型的無基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，傳送到需要這 些信息的用戶。NS2。 因 為傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成的，自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中損壞而導致整個系統(tǒng)的崩潰，而且由于傳感器網(wǎng)絡(luò)無需外界配置管理的自組織特性，使傳感器網(wǎng)絡(luò)易于快速部署，非常適合應(yīng)用于 惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，可以提供監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防， 定位攻擊目標，評估損失，偵察和探測核、生物和化學攻擊等功能，及時準確地將采集到的各種信息，通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送到各級指揮部門，最后融合決定戰(zhàn)場勝敗的完備的及時更新的戰(zhàn)區(qū)信息庫，為指揮決策提供及時準確的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點不像傳統(tǒng) Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一樣 快速移動，因此沒有必要花費很大的代價頻繁地更新路由表信息； 另外，中間節(jié)點也負擔著數(shù)據(jù)處理、融合和緩存等功能。 傳感器網(wǎng)絡(luò)無論是在國家安全，還是國民經(jīng)濟諸方面均有著廣泛的應(yīng)用前景。固定周期性的偵聽和睡眠：為了減少能量的消耗，傳感器節(jié)點要盡量處于低功耗的睡眠狀態(tài)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。 衛(wèi)星鏈路可用作 sink 鏈路，借助游戈在監(jiān)測區(qū)上空的無人飛機回收 sink 結(jié)點上的數(shù)據(jù)也是一種方式， UC Berkeley 在進行 UAV(unmanned aerial vehicle)項目的外場測試時便采用了這種方式。 隨著集成電路工藝的進步，處理器和傳感器模塊的功耗很低。 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢是電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)以及電視網(wǎng)的逐步融合， 而傳感器網(wǎng)絡(luò)是針對某個或某些應(yīng)用而專門設(shè)計的。 2． 環(huán)境監(jiān)測和保護 隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多， 傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。 該系統(tǒng)通過在鞋、家具以及家用電器等家中道具和設(shè)備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏 病患者以及殘障人士的家庭生活。除此之外，為了確保數(shù)據(jù)融合后數(shù)據(jù)信息的保留，水印技術(shù)也成為傳感器網(wǎng)絡(luò)研究內(nèi)容。 7． 數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)必須在盡量減少能量消耗的同時提供有效的數(shù)據(jù)服務(wù)。超寬帶技術(shù)（ UWB） [13]是一種極具潛力的無線通信技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 協(xié)議首要考慮的因素就是節(jié)省能量，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如能量消耗、吞吐量、端到端延遲性能等很大程度上取決于所采用的 MAC 協(xié)議，與無線自組織網(wǎng)絡(luò)的 MAC 協(xié)議相比較，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 協(xié)議需要考慮以下幾個因素 [14]。在 MAC 協(xié)議設(shè)計時需要考慮三種業(yè)務(wù)的多數(shù)來合理的分配信道資源，簡化 MAC 協(xié)議運行機制，降低能耗和提高信道利用率。 分析清楚了能量浪費的主要因素，就可以針對現(xiàn)有的 MAC 協(xié)議結(jié)合網(wǎng)絡(luò)特點與應(yīng)用需求設(shè)計了適合自己的 MAC 協(xié)議，減少能量消耗的思路有： (1)讓空閑節(jié)點進入某種節(jié)能狀態(tài)。 CDMA 是通過特殊的編碼實現(xiàn)節(jié)點在同一時間使用相同的頻帶進行通信。協(xié)議優(yōu)點是： FDMA 技術(shù)提供的多信道，保證多個節(jié)點之間可以同時通信，從而有效地避免了沖突，減少能量消耗。協(xié)議一般使用廣播式信道，節(jié)點都可以向信道發(fā)送廣播信息。協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用做了以下假設(shè)：網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸流量少，節(jié)點協(xié)作完成共同的任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)能夠容忍一定程度的網(wǎng)絡(luò)延遲。針對這個問題， TMAC 協(xié)議在保持周期長度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動態(tài)地調(diào)整偵聽時間，用突發(fā)方式發(fā)送消息，減少空閑偵聽時間。 基于競爭的 MAC 協(xié)議有如下優(yōu)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)絡(luò)負載的變化； (2)基于競爭的 MAC 協(xié)議能較好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化； (3)基于競爭的 MAC 協(xié)議不需要復雜的時間同步或集中控制調(diào)度算法。傳感器網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)一般是一種或少數(shù)幾種，應(yīng)用程序特定的代碼可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸和在必要時啟用。節(jié)點確定了時間表后，就開始周期性的監(jiān)聽和休眠（如圖 32 所示），并在監(jiān)聽時段發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果沒有偵聽到從其他節(jié)點發(fā)送過來的時間調(diào)度表， 那么它產(chǎn)生自己的調(diào)度時間表并且發(fā)送 SYNC 幀（遵從一般的 CSMA/CA 機制）來廣播自己的時間調(diào)度表，告知自己在 t 秒后醒來。如圖 34 所示。 SMAC 在這方面遵循類似 對沖突的避免和處理，包括物理和虛擬載波偵聽以及 RTS/CTS 交換?？紤]到數(shù)據(jù)包通常比控制包長很多，協(xié)議通過讓干擾節(jié)點收到 RTS/CTS 幀以后進入睡眠來避免串音，也就是通過阻止鄰近節(jié)點監(jiān)聽長的數(shù)據(jù)包和 ACK 來節(jié)能。如果將長數(shù)據(jù)包簡單地分割為多個短數(shù)據(jù)包，發(fā)送失敗鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 18 雖然只需重傳錯誤的數(shù)據(jù)包，但每一個短數(shù)據(jù)包都要經(jīng)過一次 RTS/CTS/DATA/ACK 握手過程，這樣極大地增加了協(xié)議控制，增加了能量消耗，降低傳輸效率。具體為： 1． 空閑監(jiān)聽問題 (idle listening):大部分的能量損耗主要是由于空閑監(jiān)聽所引起的。 4． 串音問題 (overhearing):當使用共享信道進行通信時，某個節(jié)點可能接收到不是發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，造成串音。這兩種語言都是面向?qū)ο?Object Oriented)的程序設(shè)計語言。類 TclObject 是所有編譯類的基類，對應(yīng)的 SplitObject 是所有解釋類的基類。同時， Simulator 類中還保存了生成的拓撲結(jié)點（ Node)的列表，用戶每生成一個結(jié)點就在該列表中添加該結(jié)點的一個地址，方便訪問。 agentTrace 是是否打開應(yīng)用層的軌跡， routerTraee 是是否打開路由的軌跡， macTrace 是是否打開 mac 的軌跡。通過調(diào)整 CBR 連接的數(shù)目、發(fā)包的速率和包的大小來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的負載。其中功率參數(shù)的單位均為 W，時間參數(shù)的單位為 s。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的創(chuàng)建和配置 在 NS2 中，主要是通過 Simulator 類的實例來控制模擬的過程。 通常情況下，模擬器模擬工作的開始，就是通過創(chuàng)建一個 Simulator 類的實例后開始的。因此， NS 中就包含了一個 C++類的層次結(jié)構(gòu)和一個 Otcl 類的層次結(jié)構(gòu)，如圖 所示。 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) SMAC 協(xié)議的研究 20 1． NS2 體系結(jié)構(gòu)。能量損耗幾乎都是在這個時候產(chǎn)生的。 2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 第 4 章 SMAC 協(xié)議的仿真實現(xiàn) 設(shè)計一個傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 協(xié)議 ,主要應(yīng)該考慮到以下性能指標，一是能源有效性，MAC 協(xié)議在滿足應(yīng)用要求的前提下，應(yīng)盡量節(jié)省使用節(jié)點的能量；二是可擴展性，協(xié)議要能自動適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)大小，節(jié)點密度，和拓撲結(jié)構(gòu)的變化；三是網(wǎng)絡(luò)效率，網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實時性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。但是 C 卻不能收到 E 回復的 CTS 或數(shù)據(jù)，因為 E 的傳輸和 A的傳輸在節(jié)點 C 處沖突，所以 C 的傳輸是能量的浪費。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都要維護一個 NAV（網(wǎng)絡(luò)分配矢量），它指示出一個正在進行的傳輸所需的時間。因為單跳傳輸延遲很少可以忽略，因此接收到此數(shù)據(jù)包的節(jié)點可以用 SYNC 幀中的時間減去整個數(shù)據(jù)包的接收時間得到相鄰節(jié)點的休眠時刻，并將本地時鐘調(diào)整為該時間值。延遲 td 后廣播是為了避免沖突。節(jié)點監(jiān)聽和休眠的時間長度根據(jù)具體應(yīng)用的需求而定。 SMAC 協(xié)議基本原理 正如上面所述，在許多傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，如果沒有感知事件發(fā)生，節(jié)點將長時間處于空閑狀態(tài)；在數(shù)據(jù)數(shù)速率很低的時候，也沒必要讓節(jié)點一直保持偵聽。 網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用假設(shè) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有別于傳統(tǒng)的 IP 網(wǎng)絡(luò)和無線自組織網(wǎng)絡(luò)， 協(xié)議對于網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用做了以下假設(shè)： (1)假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)由很多小的傳感節(jié)點以自組組織形式構(gòu)成。對于選取那種類型的 MAC 協(xié)議一般參考的標準是：如果在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量很大，采用基于分配的 MAC 協(xié)議更省能量，因為基于競爭的協(xié)議需要多次握手，而且報文發(fā)送時碰撞的概率很大，造成延遲增加和節(jié)點能量的消耗。 SMAC 協(xié)議采用周期性偵聽 /睡眠工作方式來減少空閑偵聽，周期長度是固定不變的。協(xié)議采用單一共享信道的模式，通過RTSCTSDATAACK 的握手機制完成分布式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入過程，并基本解決了隱藏終端和暴露終端問題；同時利用載波偵聽、沖突避免等技術(shù)防止單一共享信道中數(shù)據(jù)包的沖突。 (4)TRAMA[17] 協(xié)議的主要思想是：把時間分成時隙，使用基于各節(jié)點流量信息的分布式選舉算法來決定哪個節(jié)點可以在某個特定的時隙傳輸數(shù)據(jù)。在連接階段使用一個隨機喚醒機制，在空閑時關(guān)掉無線收發(fā)，進入睡眠狀態(tài)，能量節(jié)省不錯。通過對現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議的研究，按照節(jié)點的信道機制把現(xiàn)有的 MAC 協(xié)議大致分為兩類：基于固定分配的 MAC 協(xié)議和基于隨機競爭的 MAC 協(xié)議。 (3)控制信號的過多能量消耗。 2． 適應(yīng)性 傳感器節(jié)點多為靜止狀態(tài)，但是節(jié)點因為能量耗盡而失效以及新節(jié)點的加入都會造成節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， MAC 協(xié)議設(shè)計時也需要適應(yīng)這種局部拓撲的變化，使協(xié)議具有一定適應(yīng)性。美國加州大學 伯克分校針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)了 TinyOS 操作系統(tǒng)，在科研機構(gòu)中得到比較廣泛的使用，但仍然存在不足之處。 8． 無線通信技術(shù) 傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低功耗短距離的無線通信技術(shù) [11]。 5． 定位技術(shù) 確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。 1． 網(wǎng)絡(luò)拓撲控制 通過拓撲控制自動生成的良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和 MAC 協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。 3． 醫(yī)療護理 傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護理領(lǐng)域也可以大展身手。 目前傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域： 1． 軍事領(lǐng)域 傳感器網(wǎng)絡(luò)將會成為現(xiàn)代化戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)不可或缺的一部分。 圖 傳感器節(jié)點各模塊的能量消耗情況 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點 1．傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心 (DataCentric)的網(wǎng)絡(luò) [5]，整個網(wǎng)絡(luò)相當 于分布式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，要查詢的數(shù)據(jù)分布在所有或部分節(jié)點中。 獨立于協(xié)議棧外的各協(xié)議，通過各種收集和配置接口對