【文章內(nèi)容簡介】 。目前為止還沒有關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧，每種WSN協(xié)議或多或少參考了OSI網(wǎng)絡(luò)分層體系。跨層設(shè)計是通過層與層之間的信息交換來滿足全局性的需要，是一個全局優(yōu)化的問題。事實上單一性能參數(shù)的改善并不一定能帶來系統(tǒng)全局效率的提高，比如，物理層鏈路質(zhì)量好的節(jié)點可能剩余能量較小，緩沖區(qū)待發(fā)送分組隊列較長，因此，MAC協(xié)議不應(yīng)該將該節(jié)點選作下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。為進(jìn)一步提高M(jìn)AC協(xié)議效率，實現(xiàn)協(xié)議輕量化，減少開銷?；诳鐚釉O(shè)計的網(wǎng)絡(luò)體系可以成為WSN的一種新選擇。 作為WSN底層通信的支撐協(xié)議，MAC協(xié)議對WSN的性能有很大影響，是保證WSN高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。針對具體的應(yīng)用模型研究高效的MAC協(xié)議意義深遠(yuǎn)。本課題專注于能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層MAC協(xié)議優(yōu)化的研究，主要研究的問題是通過利用路由層的路由表信息，改變傳統(tǒng)MAC協(xié)議的控制幀格式，基于典型的跨層MAC協(xié)議AIMRP[21]，設(shè)計更高效的WSN MAC協(xié)議，達(dá)到低能耗、可擴(kuò)展/自適應(yīng)特點的同時提供盡可能低的通信延時。 課題來源及本文主要研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 課題來源本論文課題主要來源于：（1）RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題研究（國家自然科學(xué)基金資助項目,編號：60673132）（2）中高速傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)（廣東省重大科技專項,編號：2009A080207008）（3）信息服務(wù)的RFID理論與技術(shù)研究（國家基金廣東省聯(lián)合基金重點項目,編號：8351009001000002）本人在這些課題項目中參與的工作主要涉及其中的MAC協(xié)議的研究與設(shè)計，本論文的論述都是在這些研究工作基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 本文研究內(nèi)容及創(chuàng)新點1）本文研究的主要內(nèi)容本文主要研究能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層MAC協(xié)議，論文涉及工作如下：（1）綜合分析了經(jīng)典的競爭型的和TDMA型MAC協(xié)議，并分析了典型的跨層MAC協(xié)議；（2）針對中高速型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提出一種跨層的MAC協(xié)議（EAIMRP）；（3）為EAIMRP協(xié)議設(shè)計了一種高效的能量節(jié)省模型，使該協(xié)議在事件增加或節(jié)點增加的情況下，能量消耗維持在一個常數(shù)；（4）最后在NS2平臺下輔以Matlab對EAIMRP協(xié)議進(jìn)行仿真實驗，并分析評價其性能。2）本文研究的創(chuàng)新表現(xiàn)本文主要有以下兩點創(chuàng)新表現(xiàn)：（1）在深入研究分層MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，從協(xié)議的可擴(kuò)展性能與節(jié)能性能兩方面進(jìn)行了研究，最后提出EAIMRP協(xié)議。該協(xié)議針對中高速型應(yīng)用，通過重新設(shè)計RTR（Request_to_Relay）數(shù)據(jù)幀，跨層融合MAC和路由功能，解決了傳統(tǒng)協(xié)議中由于多節(jié)點檢測和報告而造成的能量浪費問題，同時擴(kuò)展了單節(jié)點檢測拓?fù)淠Ｐ?。實驗結(jié)果表明：該協(xié)議有效地抑制了節(jié)點能量過早耗完而使網(wǎng)絡(luò)生命提早結(jié)束問題。對應(yīng)于公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文“一種融合MAC和路由的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計節(jié)能協(xié)議”（《計算機(jī)工程》，已錄用，Apr. 2009: 9~1）。（2）深入分析傳一般MAC協(xié)議的能量模型后，發(fā)現(xiàn)其能量模型有很大的局限性，主要表現(xiàn)在使用固定的競爭接入方式和同時強制喚醒上。針對該問題，本文為EAIMRP參考鏈路層的信息設(shè)計了一種高效的能量節(jié)省模型，使其在事件增加或節(jié)點增加的情況下，能量消耗維持在一個常數(shù)。第五章的仿真結(jié)果表明該模型能夠以稍微降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延性能，取得良好的節(jié)能效率。該研究成果已在核心期刊《計算機(jī)工程與應(yīng)用》投稿論文一篇“一種高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計MAC協(xié)議”。 論文結(jié)構(gòu)本論文各章的聯(lián)系與全文的結(jié)構(gòu)如下：第一章，緒論主要介紹該課題的研究背景和研究目的、意義，以及課題來源、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢。第二章，傳統(tǒng)分層MAC協(xié)議分析及跨層MAC的提出主要介紹和分析經(jīng)典的傳統(tǒng)分層MAC，最后提出分層思想的適用性。第三章，參考路由信息跨層設(shè)計MAC協(xié)議為解決由于多節(jié)點檢測和報告而造成的能量浪費問題和單節(jié)點檢測型應(yīng)用的拓?fù)渥赃m應(yīng)問題，通過重新設(shè)計RTR數(shù)據(jù)幀，跨層融合MAC和路由功能，設(shè)計了EAIMRP協(xié)議。第四章，基于鏈路層的能量計算模型分析針對固定的競爭接入方式和同時強制喚醒問題，為EAIMRP參考鏈路層的信息設(shè)計了一種高效的能量節(jié)省模型，并分析了其能量效率性能。第五章，仿真與實驗分析針對第三、四章的研究進(jìn)行仿真實驗，并著重對實驗結(jié)果分析比較，并評價EAIMRP協(xié)議的各種性能。最后，結(jié)語和展望對本文工作總結(jié)，討論有待進(jìn)一步解決的問題，展望無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC協(xié)議的研究方向和趨勢。第二章 傳統(tǒng)分層MAC協(xié)議的分析及跨層MAC的提出第二章 傳統(tǒng)分層MAC協(xié)議的分析及跨層MAC的提出 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議框架類似，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧可分為五層[22]，如圖21所示。圖21 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議框架Fig. 21 Communication Protocols of Wireless Sensor Networks物理層協(xié)議：物理層負(fù)責(zé)信號的調(diào)制、發(fā)送與接收。該層的設(shè)計將直接影響到電路的復(fù)雜度和能耗。物理層的研究目標(biāo)是設(shè)計低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、差錯控制以及無線信道的使用控制，減少鄰居節(jié)點發(fā)送引起的沖突。主要的部分是介質(zhì)訪問控制MAC協(xié)議，它決定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)的性能有非常大的影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。路由層協(xié)議：路由層負(fù)責(zé)路由生成和路由選擇，并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。傳輸層協(xié)議：傳輸控制層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，協(xié)作維護(hù)數(shù)據(jù)流，是保障通信質(zhì)量的重要部分。TCP協(xié)議是Internet上通用的傳輸層協(xié)議，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源受限、錯誤率高、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，這將嚴(yán)重影響TCP協(xié)議的性能。故TCP協(xié)議也不能直接應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。應(yīng)用層協(xié)議：基于檢測任務(wù)，可在應(yīng)用層上開發(fā)和使用不同的應(yīng)用層軟件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層支持服務(wù)包括：時間同步和節(jié)點定位。其中，時間同步服務(wù)為協(xié)同工作的節(jié)點同步本地時鐘，節(jié)點定位服務(wù)依靠有限的位置已知節(jié)點（信標(biāo)）確定其他節(jié)點的位置，在系統(tǒng)中建立起一定的空間關(guān)系。圖21中右側(cè)部分不是獨立的模塊，他們的功能滲透到各層中，如能量、安全、移動，在各層設(shè)計實現(xiàn)中都要考慮；而拓?fù)涔芾碇饕菫榱私⑧従訑?shù)據(jù)表，管理拓?fù)潢P(guān)系；網(wǎng)絡(luò)管理主要是實現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對各種資源的管理，為上層應(yīng)用服務(wù)的執(zhí)行提供一個集成的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；QoS支持是指為用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)，通信協(xié)議中的各層都需要提供QoS支持。本文研究WSN的MAC協(xié)議，它決定有限的無線共享信道的訪問方式，分解發(fā)送沖突，對WSN的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有非常重要的影響。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層關(guān)鍵問題 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層能耗分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題之一是功耗管理。這就決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧各層的設(shè)計，都必須以能源有效性（節(jié)能效率）作為首要的考慮。通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的分析可知，射頻模塊是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中最大的耗能部件，也是優(yōu)化的主要目標(biāo)[23]。由于媒體訪問控制MAC層協(xié)議直接控制網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的無線收發(fā)裝置（即射頻模塊），因此，MAC協(xié)議的設(shè)計對節(jié)點的能耗有非常大影響，直接關(guān)系到節(jié)點的生存時間。參考文獻(xiàn)[23]，傳感器節(jié)點無效功耗主要有以下5個來源：（1）空閑偵聽（Idle hearing）：節(jié)點不知道鄰居節(jié)點何時會向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，因此，射頻模塊一直處于接收狀態(tài)，消耗大量的能源。這是無效功耗的最主要來源；（2）沖突（Collision），碰撞重傳：數(shù)個節(jié)點可能同時向同一節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀，信號相互干擾，接收方無法準(zhǔn)確接收，重發(fā)造成能量浪費；（3）串?dāng)_/串音（Overhearing）：接收和處理發(fā)往其它節(jié)點的數(shù)據(jù)都屬于無效功耗；（4）控制開銷（Control overhead）：控制報文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗的能量對用戶來說是無效的；（5）過度發(fā)送（Overtransmitting）：發(fā)出數(shù)據(jù)幀，接收節(jié)點未準(zhǔn)備好接收，再次發(fā)送造成能量浪費。以上5個因素中，空閑偵聽消耗的能量占比重最大，其次是沖突或過度發(fā)送帶來的重發(fā)，再次是串?dāng)_和控制開銷。在MAC協(xié)議設(shè)計中，也應(yīng)該首要盡量減少空閑偵聽比例，提高節(jié)點的節(jié)能效率。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計原則與設(shè)計目標(biāo)在 WSN 中，節(jié)點能量有限且難以補充。為保證WSN長期有效工作，MAC 協(xié)議以減少能耗、最大化網(wǎng)絡(luò)生存時間為首要設(shè)計目標(biāo)；其次，為了適應(yīng)節(jié)點分布和拓?fù)渥兓?，MAC 協(xié)議需要具備良好的可擴(kuò)展性；傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的實時性、吞吐量及帶寬利用率等性能指標(biāo)成為次要目標(biāo)；此外，WSN 節(jié)點一般屬于同一利益實體，可為系統(tǒng)優(yōu)化作出一定的犧牲，因此，能量效率以外的公平性一般不作為設(shè)計目標(biāo)，除非多用途W(wǎng)SN重疊部署。 WSN 中的能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和計算能耗。其中，通信能耗所占比重最大。因此，減少通信能耗是延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的有效手段。大量研究表明，通信過程中主要能量浪費存在于：沖突導(dǎo)致重傳和等待重傳；非目的節(jié)點接收并處理數(shù)據(jù)形成串音；發(fā)射/接收不同步導(dǎo)致分組空傳(Overemitting) ；控制分組本身開銷；無通信任務(wù)節(jié)點對信道的空閑偵聽等。此外,無線發(fā)射裝置頻繁發(fā)送/接收狀態(tài)切換也會造成能量迅速消耗?；谏鲜鲈?，WSN MAC協(xié)議通常采用“偵聽/休眠”交替的信道訪問策略，節(jié)點無通信任務(wù)則進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)，以減少沖突、串音和空閑偵聽；通過協(xié)調(diào)節(jié)點間的偵聽/休眠周期以及節(jié)點發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的時機(jī)，避免分組空傳和減少過度偵聽；通過限制控制分組長度和數(shù)量減少控制開銷；盡量延長節(jié)點休眠時間,減少狀態(tài)切換次數(shù)。同時，為了避免MAC 協(xié)議本身開銷過大，消耗過多的能量，MAC協(xié)議盡量做到簡單、高效。當(dāng)然，影響傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議設(shè)計的一些基本問題，如隱藏終端和暴露終端問題、無線信道衰減和無規(guī)律沖突(Interference and Irregularity)問題等，在 WSN MAC協(xié)議中依然存在，需要解決。WSN MAC的特殊需求表現(xiàn)在：（1）節(jié)能效率；（2）可擴(kuò)展性；（3）網(wǎng)絡(luò)效率。具體而言，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性，設(shè)計MAC協(xié)議，需要和考慮以下因素：（1）能源有效性（節(jié)能效率）節(jié)能效率是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議性能指標(biāo)中最重要的一項指標(biāo)，正如前文所述，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量非常有限，而且在實際設(shè)計一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，也會考慮減少節(jié)點的成本，以節(jié)點的一次性使用作為設(shè)計目標(biāo)。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能工作在比較偏遠(yuǎn)，甚至危險的環(huán)境中，通常很難給傳感器節(jié)點替換電池或充電。因此，盡量延長網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生存時間是是設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時需要考慮到的一個重要問題。在節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)中，無線收發(fā)裝置消耗的能源占節(jié)點消耗能源的絕大部分，MAC協(xié)議直接控制無線收發(fā)裝置的行為，可直接控制其消耗的能源大小，因此MAC層的能源有效性直接影響網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生存時間。（2）可擴(kuò)展性可擴(kuò)展性是指一個MAC協(xié)議應(yīng)該適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)大小、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度的變化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可以移動；一個節(jié)點可能因為電池能源耗盡或其它原因退出網(wǎng)絡(luò)運行；一個節(jié)點也可能由于需要而加入到網(wǎng)絡(luò)中。諸多的因素影響，改變著網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、結(jié)構(gòu)等。因此，一個好的MAC協(xié)議應(yīng)該使網(wǎng)絡(luò)能快速高效地自適應(yīng)這些變化。（3）網(wǎng)絡(luò)效率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)效率指標(biāo)應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用來取舍和平衡。常關(guān)注的方面包括：a）通信延遲延遲是指發(fā)送端向接收端發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，到接收端成功接收這一數(shù)據(jù)包之間的這一時間間隔。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，延遲的重要性主要取決于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。b）信道利用率信道利用率反映了網(wǎng)絡(luò)通信中信道帶寬如何被使用。在蜂窩移動通信系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)中信道利用率是一項非常重要的性能指標(biāo)，因為在這一的系統(tǒng)中，帶寬是非常重要的資源，系統(tǒng)需要盡可能地容納更多的用戶通信。相比之下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中處于通信中的節(jié)點數(shù)量是由一定的應(yīng)用任務(wù)所決定的，信道利用率性能指標(biāo)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是處于第二位的。c）吞吐量吞吐量代表在一個給定的時間內(nèi)，發(fā)送端成功發(fā)送給接收端的數(shù)據(jù)量。許多因素影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，例如，沖突避免機(jī)制的有效性、信道利用率、延遲、控制開銷等。和延遲一樣，吞吐量的重要性也取決于具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用為了獲得更長的節(jié)點生存時間，可以適當(dāng)犧牲延遲和吞吐量性能指標(biāo)。d）其它因此，設(shè)計一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，主要應(yīng)該考慮到，一是能源有效性，另一個是可擴(kuò)展性，而其它的一些網(wǎng)絡(luò)效率方面的性能指標(biāo)，包括信道訪問的公平性、延遲、吞吐量、帶寬利用率等傳統(tǒng)MAC協(xié)議中首要考慮到性能指標(biāo)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，和這兩個性能指標(biāo)相比，其重要性就可以放在比較次要的地位了。上文提到的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)中，無論怎樣的應(yīng)用環(huán)境，基本始終以資源的有限性作為第一考慮因素，以網(wǎng)絡(luò)良好的節(jié)能效率作為重要的設(shè)計指標(biāo)，其次是可擴(kuò)展性，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)的變化，然后才對關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)效率進(jìn)行合理的取舍和權(quán)衡。目前的WSN MAC協(xié)議可分四類，主要有：（1）基于競爭，節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機(jī)競爭使用無線信道，重點考慮盡量減少節(jié)點間的干擾；（2）基于采用時分復(fù)用（TDMA）方式，給每個傳感器節(jié)點分配固定的無線信道使用時段，從而避免節(jié)點之間的相互干擾；（3）基于競爭和基于TDMA調(diào)度的混合型的MAC協(xié)議；（4）跨層設(shè)計的MAC協(xié)議。下面按照上述傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類，簡要介紹幾種經(jīng)典的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。 基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競爭的MAC協(xié)議的基本思想是當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線信道，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。IEEE ，廣泛應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以作為無線節(jié)點的MAC協(xié)議。由于無線網(wǎng)絡(luò)使用的傳輸媒介屬于開放式共享資源，移動節(jié)點要傳輸時必須完全占用傳輸媒介才能運作，因此，（CSMA/CA）的方式來爭奪傳輸媒介，只有獲得信道的節(jié)點才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但是C