【文章內(nèi)容簡介】 網(wǎng)絡(luò)層 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點高密度地分布于待測環(huán)境內(nèi)或周圍。在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和接收器節(jié)點之間需要特殊的多跳無線路由協(xié)議。傳統(tǒng)的 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)多基于點對點的通信。而為增加路由可達度，并考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點并非很穩(wěn)定，在傳感器節(jié)點多數(shù)使用廣播式通信，路由算法也基于廣播方式進行優(yōu)化。此外，與傳統(tǒng)的 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法在設(shè)計時需要特別考慮 能耗的問題?；诠?jié)能的路由有若干種，如最大有效功率 (PA)路由算法，即選擇總有效功率最大的路由，總有效功率可以通過累加路由上的有效功率得到。最小能量路由算法，該算法選擇從傳感器節(jié)點到接收器傳輸數(shù)據(jù)消耗最小能量的路由?；谧钚√鴶?shù)路由：在傳感器節(jié)點和接收機之間選擇最小跳數(shù)的節(jié)點。以及基于最大最小有效功率節(jié)點路由，即算法選擇所有路由中最小有效功率最大的路由。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計的設(shè)計特色還體現(xiàn)在以數(shù)據(jù)為中心。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個區(qū)域的某個觀測指標的值，而不會去關(guān)心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送 的數(shù)據(jù)是和節(jié)點的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，快速有效的組織起各個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。 傳輸層 傳感器網(wǎng)絡(luò)的計算資源和存儲資源都十分有限，而且通常數(shù)據(jù)傳輸量并不是很大。這樣，對于傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，是否需要傳輸層是一個問題。最為熟知的傳輸控制協(xié)議 (TCP)是一個基于全局地址的端到端傳輸協(xié)議，而對于傳感器網(wǎng)絡(luò)而言， TCP 設(shè)計思想中基于屬性的命名對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴展性并沒有太大的必要性，而數(shù)據(jù)確認機制也需要大量消耗存儲器，因此合適于傳 感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議會更類似于 UDP 協(xié)議。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征 WSNs 網(wǎng)絡(luò)是一種特定的 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點自組織成網(wǎng)絡(luò)，不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施。 與 WSNs 網(wǎng)絡(luò)最為相似的是移動自組織網(wǎng)絡(luò) (Mobile Ad hoc works, MANET)， 盡管二者都是無線自組織多跳網(wǎng)絡(luò)，具有相似之處， 但差異很大。 自組織性 北京郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過向監(jiān)測區(qū)域隨機拋撒大量的傳感器節(jié)點來部署網(wǎng)絡(luò)的，各節(jié)點間通過自我協(xié)調(diào)、自我配置組成網(wǎng)絡(luò)，無法依靠其他輔助設(shè)施或是認為手段來配置網(wǎng)絡(luò)。由于能量限 制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素的影響，傳感器節(jié)點會損壞，導致一些節(jié)點不能正常工作，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。這就要求傳感器節(jié)點的自組織能力來適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。 動態(tài)拓撲 在傳感器網(wǎng)絡(luò)的是使用過程中，有以下幾種原因造成傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變：①新節(jié)點的加入；②環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④環(huán)境 條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通。 以應(yīng)用為導向的網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都有很大差別。針對每一個具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。 多跳路由 節(jié)點受通信距離、功率控制或節(jié)能的限制，當節(jié)點無法與網(wǎng)關(guān)直接通信時，需要由其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完成數(shù)據(jù)的傳輸，因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路由是多跳的 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；?MEMS 的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。 1. 軍事應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點，因此非常適合在軍事上的應(yīng)用。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，可以通過飛機撒播等形式將大量廉價的傳感器密集地部署在人員不便到達的觀察區(qū)域。如敵方陣地，收集到有用的機密數(shù)據(jù)；在個別或一部分傳感器節(jié)點因為遭破壞等原因失效時，傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然能 夠依靠自組織性完成貫徹任務(wù)。 傳感器網(wǎng)絡(luò)眾多優(yōu)點可適應(yīng)于以下幾種軍事應(yīng)用：①監(jiān)測人員、裝備等情況以及單兵系統(tǒng)；②監(jiān)測敵軍進攻；③評估戰(zhàn)果；④核能、生物、化學攻擊的偵查。 2. 環(huán)境應(yīng)用 應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有部署簡單、便宜、長期不需要更換電池、北京郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 無需派人現(xiàn)場維護的優(yōu)點。通過密集的節(jié)點布置，可以觀察到微觀的環(huán)境因素，為環(huán)境研究和環(huán)境監(jiān)測提供了嶄新的途徑 [3] 。 (1) 農(nóng)業(yè)環(huán)境的自動監(jiān)測系統(tǒng)。各種環(huán)境因素包括水、 電、熱、光等，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非常地重要，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)有效地監(jiān)測這些環(huán)境因素，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)并進行適當?shù)沫h(huán)境控制，可以提高農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)的程度，簡化系統(tǒng)復雜性，降低設(shè)備的成本，有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和效果。 (2) 自然災(zāi)害的預(yù)防。在一些容易發(fā)生泥石流、滑坡等自然災(zāi)害的地方，使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)及時、長期地對這些地方的地形變化、各種環(huán)境因素的監(jiān)測，采集相關(guān)數(shù)據(jù)并進行適當?shù)姆治?，當?zāi)難將要發(fā)生時，我們就可以提前發(fā)出預(yù)警報告以做好準備或采取相應(yīng)措施防止它們進一步的發(fā)生。 (3) 火災(zāi)、化學現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集。對于一些人類不適宜進入的 但又必須對其環(huán)境進行監(jiān)測的場合，例如火災(zāi)、含有大量對人體有害的化學物質(zhì)的場合，在其中部署一組無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以讓我們知道這些場合的實時情況，并做出正確的決策，減少災(zāi)難造成的損失或者有效地收集到化學現(xiàn)場的環(huán)境變化數(shù)據(jù)，進行有效的分析和研究。 (4) 生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測 [4]。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境逐漸被更多人所關(guān)注，從研究到保護都需要掌握大面積地域中的大量數(shù)據(jù)，甚至有些勘測區(qū)域人類無法觸及，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多特征正好適應(yīng)了這 樣一種需求。例如在非洲不發(fā)達地區(qū)，每年都有大量的人因為霍亂以及其他經(jīng)由水污染的疾病死去，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采集并分析這些受污染地區(qū)的飲用水質(zhì)量，并作出相應(yīng)的保護措施，這樣，才能減少受災(zāi)的人數(shù)。 3. 企業(yè)、家庭監(jiān)控。 在企業(yè)、家庭布設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實時地監(jiān)控人員的流動和環(huán)境的變化，有利于企業(yè)、家庭采取有效的安全防護措施和災(zāi)難應(yīng)變措施。 4. 醫(yī)療應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域也有一些成功實例。 SSIM（ Smart Sensors and Integrated Microsystems）項目中， 100 個微型傳感器 被植入病人眼中 [5]，從而幫助盲人獲得了一定程度的視覺。借助于各種醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們可以享受到更方便更舒適的醫(yī)療服務(wù)。 5. 建筑及城市管理 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測建筑物的健康狀況，不僅成本低廉，而且能解決傳統(tǒng)監(jiān)測布線復雜、線路老化、易受損壞等問題。 斯坦福大學提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建筑物監(jiān)測系統(tǒng)，采用基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點由 EVK915 模塊和 ADXL210 加速度傳感器構(gòu)成，簇首節(jié)點由Proxim RangelLAN2 無線調(diào)制器和 EVK915 連接而成。 北京郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議 概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (wireless sensor works,WSNs)作為當今信息領(lǐng)域新的研究熱點 ,涉及多學科交叉的研究領(lǐng)域 ,有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究 ,其中 ,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計就是關(guān)鍵技術(shù)之一 ,目前的研究重點是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 ,而 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中 ,MAC(medium access control)協(xié)議是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的重要協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)無線 網(wǎng)絡(luò)明顯不同的性能特點和技術(shù)要求 ,傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò) MAC協(xié)議無法應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò) ,各種針對特定傳感器網(wǎng)絡(luò)特點的 MAC 協(xié)議相繼提出 。在以下幾節(jié)中，本文 歸納無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議的設(shè)計原則和分類方法 ,分析當前典型的各類MAC 協(xié)議的主要機制 ,詳細比較這些協(xié)議的特點、性能差異和應(yīng)用范圍 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議設(shè)計原則 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要能耗 為了分析和評價 MAC 協(xié)議的能量有效性 , 需要分析是哪些因素導致了能量損耗 . WSNs 網(wǎng)絡(luò)中造成能量浪費的主要因素有以下幾個方面 [6][7]： 空閑偵聽 (Idle Listening) 節(jié)點不能預(yù)知他的鄰居節(jié)點何時傳輸數(shù)據(jù)給自己，因此節(jié)點的射頻模塊需要一直保持為接收模式，就造成了節(jié)點能量的大量消耗。這是能量浪費的主要因素。 沖突重傳 (Collision and Retransmission) 節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，在競爭共享的無線信道中，可能會引起多個節(jié)點之間發(fā)送的數(shù)據(jù) 產(chǎn)生碰撞，數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗，這就浪贊了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)上的能量，然后需要重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而消耗節(jié)點更多的能量。 串音 (Overhearing) 數(shù)據(jù)包是在共享的無線信道中傳輸，一個節(jié)點可能會接收并處理不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)包，此時，會造成節(jié)點的無線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量。 控制消息 MAC 協(xié)議首部包括一些控制信息，如 RTS/CTS/ACK，節(jié)點發(fā)送這些控制信息需 要消耗一定的能量 。 傳感器 節(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)包括發(fā)送、接收、偵聽和休眠四種狀態(tài)，目前的MAC 協(xié)議在降低功耗方面主要集中在增加節(jié)點的休眠時間，減少節(jié)點對信道的偵聽。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議設(shè)計 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)域現(xiàn)有的 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)有 很大的區(qū)別，導致已有網(wǎng)絡(luò)中的許多技術(shù)并不能直接應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 協(xié)議的主要目標是節(jié)能和自組織，而每個節(jié)點的公平和時延是次要的。為了建立可靠穩(wěn)定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，北京郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 層協(xié)議時需要著重考慮以下 5 個方面： 降低能耗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本特征就是能量受限， MAC 層協(xié)議要盡可能地節(jié)約能源，如減少沖突和串音、降低占空比和盡量避免長距離通信。協(xié)議中還應(yīng)該包括折中機制，使用火可用在節(jié)能和提高吞吐量、降低延遲之間做出選擇。另外，設(shè)計協(xié)議時應(yīng)該注意能量不是隨時可用的，因為 節(jié)點可能處于睡眠狀態(tài)或者由于不可知的原因死亡。傳統(tǒng)的 MAC 層協(xié)議的設(shè)計目標是最大化吞吐量、最小化時延并且提供公平性。而為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的 MAC 層協(xié)議關(guān)注的是最小化能耗，這就決定了它要適度地減小吞吐量和增加時延。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點總是協(xié)作完成某應(yīng)用任務(wù)，所以公平性通 常不是主要問題。另外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些典型應(yīng)用（如戰(zhàn)場目標跟蹤）也對其MAC 層協(xié)議的設(shè)計提出了不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的要求。 實時性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被應(yīng)用于軍事、醫(yī)療等對實時性要求很高的領(lǐng)域，及時地檢測、處理和傳遞信息是其不可缺少的 要求。 MAC 層應(yīng)和其他層合作提供實時保證。 自組織性。由于傳感器節(jié)點數(shù)目、節(jié)點分布等在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存過程中不斷變化，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也經(jīng)常變化，節(jié)點位置可能移動，考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，節(jié)點的加入與退出使得網(wǎng)絡(luò)拓撲呈動態(tài)變化。 MAC 層協(xié)議應(yīng)該具有可擴展性以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)。 分布式。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點計算能力和存儲能力有限，需要眾多節(jié)點協(xié)同完成某應(yīng)用任務(wù)，所以 MAC 層協(xié)議應(yīng)該運行分布式的算法，這也是有效避免某些節(jié)點的死亡造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓的需要。 網(wǎng)絡(luò)性能。 MAC 層協(xié) 議的設(shè)計需要在各種性能間取得平衡，各性能間的平衡往往比單個性能的表現(xiàn)更重要。因為一個不平衡的協(xié)議即使在實驗室里表現(xiàn)好，也可能在實際環(huán)境中表現(xiàn)很差。比如，一個協(xié)議如果太頻繁地關(guān)閉無線收發(fā)裝置來節(jié)能，不僅使實時性和可靠性受到影響，包丟失引起的重傳也會反過來影響節(jié)能的效果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)針對不同的應(yīng)用顯示出了不同的網(wǎng)絡(luò)特性， MAC 層協(xié)議應(yīng)該能適應(yīng)不同應(yīng)用的各種流量模式。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議研究現(xiàn)狀 MAC 層是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧中的一個重要層次，它實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和節(jié)能。節(jié)點被隨機放置后， MAC 層協(xié) 議實現(xiàn)節(jié)點間鏈路的建立，保證所有節(jié)點可以公平、有效地利用有效的帶寬。另外，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能也由 MAC 層實現(xiàn)。目前研究者已經(jīng)提出了很多 MAC 層設(shè)計的建議方案，大致可以劃分為 以下幾 類。 基于競爭的 MAC 協(xié)議 基于無線信道隨機競爭方式的 MAC 協(xié)議采用按需使用信道的方式，主要思想就是北京郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 當節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送請求時，通過競爭方式占用無線信道，當發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)生沖突時，按照某種策略 (如 MAC 協(xié)議 [8]的分布式協(xié)調(diào)工作 模式 DCF 采用的是二進制退避重傳機制 )重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或徹底放棄發(fā)送數(shù)據(jù)。由于在 MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，研究者們提出了多個適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于競爭的 MAC 協(xié)議 。主要有 IEEE MAC 層協(xié)議、 SMAC 協(xié)議以及在 SMAC 基礎(chǔ)上進行改進的 TMAC 協(xié)議。 基于時 分復用的 MAC 協(xié)議 時分復用 (TDMA)機制就是為每個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據(jù)收發(fā)的時隙，而節(jié)點在其他空閑時隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠節(jié)能狀態(tài)。相比隨機競爭接入機制，時分復用方式本