【導(dǎo)讀】題目分類1、工程實(shí)踐類□研究設(shè)計(jì)類√理論分析類□2、軟件√硬件□軟硬結(jié)合□非軟硬件□。1．對傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議以及基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議進(jìn)行綜述；3．研究DEANA協(xié)議；6．對改進(jìn)的結(jié)果或新提出的協(xié)議性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證；7．總結(jié)整個(gè)研究過程的收獲；8．翻譯兩篇最新的有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究的英文論文。[4]孫利民等，“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”，清華大學(xué)出版社，2020。3月中—4月中，完成對DEANA以及TRAMA協(xié)議的研究并進(jìn)行仿真，編寫中期報(bào)告。5月中—6月中，完成論文的最終稿以及翻譯，答辯。人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。MAC協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層，在傳感器。網(wǎng)絡(luò)中具有重要作用，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一。真軟件OPNET對上述兩種協(xié)議進(jìn)行仿真比較。經(jīng)過仿真可知，和其他一些協(xié)議相比，DEANA協(xié)議可以節(jié)省大約95%的能量。是DEANA協(xié)議要求相當(dāng)高的時(shí)間同步精度。

　　

【正文】 可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度變更。如最初調(diào)度發(fā)送給節(jié)點(diǎn) 2， 3，現(xiàn)在只想發(fā)送給 3，則可以在最近一個(gè)數(shù)據(jù)分組中修改贏時(shí)槽位圖。 由于多種原因，節(jié)點(diǎn)可能改變自己的調(diào)度 ，如調(diào)度分組宣布放棄的贏時(shí)槽可能不再放棄等。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的變更時(shí)槽 ,其所有鄰居節(jié)點(diǎn)都要處于接收狀態(tài)，同步它們關(guān)于該節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息。為了防止調(diào)度信息的不一致性和發(fā)送調(diào)度分組時(shí)產(chǎn)生沖突，節(jié)點(diǎn)只能在當(dāng)前調(diào)度時(shí)槽內(nèi)的最后一個(gè)贏時(shí)槽廣播下一個(gè)調(diào)度間隔的調(diào)度信息。 3. AEA 算法 節(jié)點(diǎn)有發(fā)送、接收和 睡眠三種狀態(tài)。在調(diào)度訪問周期內(nèi)的給定時(shí)槽，節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)當(dāng)且僅 當(dāng)它有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，且在競爭者中有最高的優(yōu)先級；節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)當(dāng)且僅當(dāng)它是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)指定的接收者；其他情況下，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在調(diào)度周期的每個(gè)時(shí)槽上運(yùn)行 AEA 算法。該算法根據(jù)當(dāng)前兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級和一跳鄰居的調(diào)度信息，決定節(jié)點(diǎn)在當(dāng)期時(shí)槽的活動策略：發(fā)送，接收，或是睡眠。 介紹 AEA 算法之前，首先從節(jié)點(diǎn) u 的角度引入幾個(gè)基本的術(shù)語： N1（ u）： u 的直接鄰居集合； N2（ u）： u 的兩跳鄰居集合； CS（ u）： u 的競爭節(jié)點(diǎn)集合，包括 u， N1（ u）和 N2（ u） 中的節(jié)點(diǎn)； tx(u)：絕對勝者（ absolute winner）集合，是 CS（ u） 中優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)； atx(u)： 相對勝者（ abternative winner）集合，是 u 和其直接鄰居中優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)； PTX（ u） ：可能發(fā)送節(jié)點(diǎn)集合 （ possible transmitter set） ，是 u 及其直接鄰居中滿足下面公式的優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)，但不包括 atx(u)節(jié)點(diǎn)。式（ 41）中， y 是 u 的一個(gè)直接鄰居，其優(yōu)先級大于 u 的所有兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級。 prio(y)prio(x) ? x,x?N1(N1(y))and x? N1(y) 41 NEED(u):需要競爭節(jié)點(diǎn)集合（ need contender set） ,u和 PTX（ u）中需要額外時(shí)槽的節(jié)點(diǎn)； ntx(u):需要發(fā)送者（ need transmitter）， NEED（ u）中優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)。 AEA 算法的具體描述如下： 1：計(jì)算 tx(u),atx(u)和 ntx(u) 2:if(u=tx(u)) then //u 是絕對勝者 3: if(u 在調(diào)度分組中通告在該時(shí)槽發(fā)送時(shí)槽發(fā)送數(shù)據(jù) ) then 4: let =TX 5： let = 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 6： 發(fā)送數(shù)據(jù)，更新通告的調(diào)度信息 7： else if (u 在調(diào)度分組中放棄該時(shí)槽 ) then 8: call HandleNeedTransmissions 9: endif 10: else if (tx(u)?N1(u)) then //u 的一跳鄰居是絕對勝者 11： if（ tx(u)在調(diào)度分組中放棄該時(shí)槽 ） then 12: call HandleNeedTransmissions 13: else if (tx(u)在調(diào)度分組中通告接收者為 u)then 14: let =RX 15: else 16: let =SL 17: 更新 tx(u)的調(diào)度信息 18： endif 19:else//u 的兩跳鄰居是絕對勝者 20： if（ atx(u)與 tx(u)不是兩跳內(nèi)鄰居，而且 atx(u)?PTX(u)） then 22: call HandleNeedTransmissions 23: else if(atx(u)在調(diào)度分組中通告接收者為 u)then 24： let =RX 25: else 26: let =SL 27: 更新 atx(u)的調(diào)度信息 28： endif 29 else 30: call HandleNeedTransmissions 31: endif 32: procedure HandleNeedTransmissions 33: if(ntx(u)=u)then 34: let =TX 35: let = 36: 發(fā)送數(shù)據(jù)，更新通告的調(diào)度信息 37： else if (ntx(u)在調(diào)度分組中通告接收者為 u)then 38: let =RX 39:else 40: let =SL 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 41: 更新 ntx(u)的調(diào)度信息 42： endif 在 TRAMA 協(xié)議中，調(diào)度訪問周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為三種：發(fā)送、接收和睡眠。發(fā)送狀態(tài)是指當(dāng)且僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的狀態(tài)， 且在競爭中具有最高優(yōu)先級；接收狀態(tài)是指它是當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)指定的接收方；其他情況節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)。自適應(yīng)時(shí)隙選擇算法AEA 就是根據(jù)當(dāng)前兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級和一跳鄰居調(diào)度信息，決定節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙的狀態(tài)策略：接收、發(fā)送或睡眠。節(jié)點(diǎn)在調(diào)度周期的每個(gè)時(shí)隙上都需要運(yùn)行 AEA算法。 TRAMA 協(xié)議通過分布式協(xié)商保證節(jié)點(diǎn)無沖突發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收能耗的同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率。相比基于 CSMA 機(jī)制的傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議， TRAMA 通過位圖實(shí)現(xiàn)了更高的睡眠時(shí)間百分比和更低的數(shù)據(jù)發(fā)送沖突概率。此外，相比其他協(xié)議的多播和 廣播模式， TRAMA 協(xié)議的通信開銷也更少些。但是也存在一些不足：該協(xié)議要求有較大存儲空間保存兩跳內(nèi)的拓?fù)湫畔⒑袜従诱{(diào)度信息；對于任何一個(gè)時(shí)隙都需計(jì)算兩跳內(nèi)所有鄰居節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級和運(yùn)行 AEA 算法；對于每個(gè)時(shí)隙可能會發(fā)生重復(fù)計(jì)算，因?yàn)橛?jì)算參數(shù)會隨時(shí)間變化；由于傳輸時(shí)隙設(shè)置為 7 倍的隨機(jī)訪問周期，而隨機(jī)訪問期間要求節(jié)點(diǎn)要么處于發(fā)送狀態(tài)，要么處于接收激活狀態(tài)，這意味著如不考慮傳輸和接收的話，工作周期至少不低于 ％，這仍是一個(gè)相當(dāng)高的比例值。鑒于上面綜合分析，TRAMA 協(xié)議比較適合于周期性數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)方面的應(yīng)用。 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 第五章 使用 OPNET 實(shí)現(xiàn) DEANA 協(xié)議的仿真 網(wǎng)絡(luò)仿真是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的一種基本手段。在新技術(shù)的研究過程中，由于各種原因，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)往往是代價(jià)較高或是不 實(shí)現(xiàn) 的。在這種情況下，仿真就成了最佳可供選擇的測試、評估和驗(yàn)證手段之一。 未來數(shù)年將是網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，今后網(wǎng)絡(luò)仿真必將成為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)不可缺少的環(huán)節(jié)。如何有效逼真地對復(fù)雜的通信系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真是個(gè)富有挑戰(zhàn)性的課題。網(wǎng)絡(luò)仿真的種種困難隨著 OPNET、 NS2 等網(wǎng)絡(luò)仿真工具的誕生迎刃而 解，而OPNET 是目前網(wǎng)絡(luò)仿真工具中很好的一個(gè)。 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件 OPNET 簡介： OPNET[16] 最早是在 1986 年由麻省理工大學(xué)的兩個(gè)博士創(chuàng)建的，并發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模擬非常有價(jià)值，因此于 1987 年建立了商業(yè)化的 OPNET。目前共有大概 2700 個(gè) OPNET 用戶，包括企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、儀器配備廠商，以及軍事、教育、銀行、保險(xiǎn)等領(lǐng)域。 OPNET 近幾年贏得的大量獎項(xiàng)是對其在網(wǎng)絡(luò)仿真中所采用的精確模擬方式及其呈現(xiàn)結(jié)果 的充分肯定。在 OPNET 各種產(chǎn)品中， Modeler幾乎包含其他產(chǎn)品的功能，針對不 同的領(lǐng)域，它表現(xiàn)出不同的用途： （ 1）對于企業(yè)網(wǎng)的模擬， Modeler 調(diào)用已經(jīng)建好的標(biāo)準(zhǔn)模型組網(wǎng)。在某些業(yè)務(wù)達(dá)不到服務(wù)質(zhì)量要求的情況下，如網(wǎng)上交易、數(shù)據(jù)庫等業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間慢于正常情況， Modeler 捕捉重要的流量進(jìn)行分析，從業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器三方面找出瓶頸；（ 2）對于比企業(yè)網(wǎng)更復(fù)雜的運(yùn)營商（ ISP）網(wǎng)的模擬， Modeler 焦點(diǎn)放在整個(gè)業(yè)務(wù)層、流量的模擬，使運(yùn)營商有效查出業(yè)務(wù)配置中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，例如有哪個(gè)服務(wù)器配置不好，讓黑客容 易進(jìn)攻，有哪些業(yè)務(wù)的參數(shù)配置不合適等情形；（ 3）針對研發(fā)的需求，Modeler 提供了一個(gè)開放的環(huán)境，使用戶能夠建立新的協(xié)議和配備，并且能夠?qū)⒓?xì)節(jié)定義并模擬出來。 圖 41 OPNET 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 OPNET 仿真步驟 圖 42顯示了使用 Modeler進(jìn)行仿真的一般流程 [17]。它給出了從建立模型、運(yùn)行仿真到收集最后結(jié)果的一般仿真流程。 圖 42 OPNET 仿真流程 OPNET Modeler 主要特性 (1) 層次化的網(wǎng)絡(luò)模型。使用無限嵌套的子網(wǎng)來建立復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 (2) 簡單明了的建模方法。 Modeler 建模過程分為 3 個(gè)層次：過程（ process）層次、節(jié)點(diǎn)（ node）層次以及網(wǎng)絡(luò)（ Network）層次。在過程層次中模擬單個(gè)對象的行為，在節(jié)點(diǎn)層次中將其互連成設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)層次中將這些設(shè)備互連組成網(wǎng)絡(luò)。幾個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)場景組成 “ 項(xiàng)目 ” ，用以比較不同的設(shè)計(jì)方案。這也是 Modeler 建模的重要機(jī)制，這種機(jī)制有利于項(xiàng)目的管理和分工。 (3) 有限狀態(tài)機(jī)。在過程層次使用有限狀態(tài)機(jī)來對協(xié)議和其他過程進(jìn)行建模。在有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移條件中使用 C/C++語言對任何過程進(jìn)行模擬。用戶可以隨心所遇地控制仿真的詳細(xì)程度。有限狀態(tài)機(jī)加上標(biāo)準(zhǔn)的 C/C++以及 OPNET 本身提供的 400多個(gè)庫函數(shù)構(gòu)成了 Modeler 編程的核心。 OPNET 稱這個(gè)集合為 Proto C 語言。 (4) 對協(xié)議編程的全面支持。支持 400多個(gè)庫函數(shù)以及書寫風(fēng)格簡潔的協(xié)議模型。 OPNET的核心已經(jīng)嵌入了眾多協(xié)議，因此對于很多協(xié)議，無需進(jìn)行額外的編 程。 (5) 系統(tǒng)的完全性。 Modeler 中的源碼全部開放，用戶可以根據(jù)自己的需要添加、修改開始 理解系統(tǒng) 理解仿真目的 選擇需要建模的方面 定義輸入和輸出 確定系統(tǒng)模型 確定輸入，運(yùn)行仿真 系統(tǒng)結(jié)果精確？ 結(jié)果足夠詳細(xì) ？ 否 是 否 結(jié)果統(tǒng)計(jì)可用 ？ 否 結(jié)束 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 已有的源碼。因此，很多用戶都是在標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議上進(jìn)行一些修改來作自己的研究。 (6) 高效的仿真引擎。使用 Modeler 進(jìn)行開發(fā)的仿真平臺，使仿真的效率相當(dāng)高。 (7) 集成的分析工具。 Modeler 仿真結(jié)果的顯示界面十分友好，可以輕松刻畫和分析各種類型的曲線，也可將曲線導(dǎo)出到電子表格中。 (8) 動畫。 Modeler 可以在仿真中或仿真后顯示模型行為的動畫，使得仿真平臺具有很好的演示效果。 (9) 集成的調(diào)試器?？焖俚尿?yàn)證仿真或發(fā)現(xiàn)仿真中存在的問題， OPNET 本身有自己的調(diào)試工具 —— OPNET Debugger(ODB)。另外， OPNET 在 Windows 平臺下還支持和編程語言 VC 的聯(lián)合調(diào)試。 使用 OPNET 對 DEANA 協(xié)議進(jìn)行仿真 節(jié)點(diǎn)模型的搭建 OPNET 是通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域權(quán)威的仿真工具，其層次化的建模和基于有限狀態(tài)機(jī)的模型描述，更符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對網(wǎng)絡(luò)模型的表達(dá)方式。 OPNET 采用離散事件驅(qū)動的仿真機(jī)制，并發(fā)的事件被模擬為密集的離散事件處理。仿真中的各個(gè)模塊之間通過事件中斷方式傳遞事件信息。根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，以及前文所述的跨層模型特征 ， 本文基于 OPNET 設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型如圖 43 所示。 圖 43 WSN 節(jié)點(diǎn)模型 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 source模塊：產(chǎn)生數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流，根據(jù)設(shè)定的分組大小和到達(dá)時(shí)間間隔分布產(chǎn)生分組。到達(dá)間隔時(shí)間可以在仿真期間選擇。分組一旦產(chǎn)生，立即發(fā)送到下層。 wsn_sink:接收來自下一層模塊處理過的分組，記錄各種端到端統(tǒng)計(jì)量，然后廢棄該分組。 Wlan_wsn_mac_intf模塊：是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體訪問接口模塊，負(fù)責(zé)傳遞網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層之間的數(shù)據(jù)信息和控制信息。 wsn_DEANA模塊：對應(yīng) MAC層，該模塊采用基于時(shí) 分復(fù)用的 DEANA協(xié)議。 wlan_port_rx0和 wlan_port_tx0:對應(yīng)物理層。 以下 圖 44至圖 49為數(shù)據(jù)流流向： 圖 44 source 圖 45 wlan_port_rxo 圖 46 wlan_port_tx0 圖 47 wlan_wsn_mac_intf 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 48 wsn_DEANA 圖 49 wsn_sink 進(jìn)程模型的搭建 根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)典型應(yīng)用的需要，在網(wǎng)絡(luò)初始化以后，將節(jié)點(diǎn)分為匯聚節(jié)點(diǎn)、傳輸節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn) 3 類，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層針對不同類型的節(jié) 點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的策略，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)如下所示： source節(jié)點(diǎn)進(jìn)程模型 圖 410source 進(jìn)程模型 wlan_wsn_mac_inferface節(jié)點(diǎn)進(jìn)程模型 北京郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）