【正文】 網(wǎng)絡 MAC層協(xié)議設計時需要考慮的問題，在閱讀大量關于無線傳感器網(wǎng)絡 MAC層協(xié)議的中英文文獻后，本章對典型的 MAC層協(xié)議進行了分類和研究，從而分析出 MAC層中網(wǎng)絡能量消耗的主要因素，以及無線傳感器網(wǎng)絡 MAC協(xié)議設計時，為了避免或者減少這些因素致的能量消耗應該采取的節(jié)能措施。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡維護和數(shù)據(jù)的可靠傳輸，在 MAC層協(xié)議中一定的控制開銷是必需的，但是為了節(jié)省網(wǎng)絡能量和帶寬，應盡力較少控制開銷，主要措施有：縮短控制幀的長度，合并有相同內(nèi)容的幀，減少控制幀的種類等。但發(fā)送功率過小，可能導致接收節(jié)點無法正確接收，網(wǎng)絡的連通性也會降低。發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送功率過大，會造成能量的浪費，而且信號干擾范圍過大，信道可復用程度較低。 發(fā)送功率控制。 大數(shù)據(jù)分段 當傳送一個較長的數(shù)據(jù)包時，如果中途出現(xiàn)了差錯，需要重新傳送一次這個數(shù)據(jù)包，而通常情況下只是其中的幾位錯了，這樣會產(chǎn)生很多不必要的重傳，浪費了能量。節(jié)點要監(jiān)聽信道，那么它就會收到一些不是直接發(fā)給它的數(shù)據(jù)包，從而造成了節(jié)點的能量消耗，特別是在節(jié)點密度大、數(shù)據(jù)傳送頻繁的傳感器網(wǎng)絡中。但是傳感節(jié)點進入休眠的代價是加大了數(shù)據(jù)包的傳輸延遲，尤其在多跳網(wǎng)絡中。在大多數(shù)應用場合，節(jié)點間的傳輸數(shù)據(jù) 率低，傳感事件 (指傳感器感應到周圍的突發(fā)事件 )發(fā)生的頻率較低，沒有必要讓節(jié)點一直處于空閑監(jiān)聽狀態(tài)。在數(shù)據(jù)率低的網(wǎng)絡中空閑監(jiān)聽能量消耗比較大，而且網(wǎng)絡的擴展性不好，對網(wǎng)絡的拓撲變化適應性較差。典型的固定信道分配方式是時分復用 TDMA，在無線傳感器網(wǎng)絡中為每個節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時隙，而在其它時隙進入睡眠狀態(tài)。而對于 A和 B外的其它 鄰居節(jié)點，雖然收到 RTS或 CTS，但是目標地址不是自己，就抑制自己信息的發(fā)送， 以免與 A、 B沖突。這種機制廣泛運用于 S． MAC、 TMAC等 MAC層協(xié)議中。在 WSN中也有不少協(xié)議是采用CSMA機制來避免沖突的，如 IEEE802． 15． 4協(xié)議 p51。 1)采用監(jiān)聽信道的方式。 MAC層協(xié)議要解決信道的訪問問題，節(jié)點競爭共享的信道資源時，難免會發(fā)生沖突。 發(fā)送失效 (Over emitting)：在目的節(jié)點沒有準備好接收時，發(fā)送節(jié)點發(fā)送了消息，這種無效的發(fā)送造成了能量浪費。 2． 3 MAC層協(xié)議節(jié)能機制研究 2． 3． 1 MAC層網(wǎng)絡能量浪費的主要原因 l、碰撞重傳 (Collisions)：如果 MAC協(xié)議采用競爭方式使用共享的無線信道，節(jié)點在發(fā)送 數(shù)據(jù)的過程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，這就需要重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而消耗節(jié)點更多的能量； 串音 (Overheating)：節(jié)點接收并處理不必要 (發(fā)送給其它節(jié)點 )的數(shù)據(jù)，這種現(xiàn)象造成節(jié)點的無線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量； 空閑偵聽 (Idle listening)：節(jié)點在不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時一直保持對無線信道的空閑偵聽，以便接收可能傳輸給自己的數(shù)據(jù)。利用頻閃前導之間的時間間隔，接收節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送早期確認。 X． MAC協(xié)議再次縮短前導序列的長度，同時引入握手機制進一步減小發(fā)送前導序列的能量開銷。 sMAC使用非堅持 CSMA減少空閑監(jiān)聽，無法克服隱藏終端問題。為了減少固定前導沖突概率，該協(xié)議采用隨機喚醒前導。 WiseMAC采用的方案與 B． MAC類似，但是 WiscMAC動態(tài)調(diào)整前導序列的長度。發(fā)送節(jié)點在發(fā)送分組之前，必須先發(fā)送一個長的前導序列，前導序列必須比節(jié)點的睡眠時間要長，以 使接收節(jié)點能夠同步。主要代表有 B． MAC采用前導序列采樣機制 (preamble sampling scheme)，稱為低功率偵聽 LPL， low powerlistening)。這種基于數(shù)據(jù)采集樹的 MAC層協(xié)議非常適合邊緣節(jié)點數(shù)據(jù)流量小而中間節(jié)點數(shù)據(jù)流量大的 WSN，但需要嚴格的時鐘同步，且數(shù)據(jù)采集樹的拓撲結構相對穩(wěn)定，不適合移動節(jié)點和規(guī)模較大的 WSN。每個節(jié)點的調(diào)度具有不同的偏移，下層節(jié)點的發(fā)送時間對應于上層節(jié)點的接收時間。每一幀中的活躍時間可根據(jù)網(wǎng)絡流量動態(tài)調(diào)整， 增加了睡眠時間，但隨機睡眠帶來早睡問題，增加了延時 針對 S． MAC和 TMAC中存在的睡眠延時問題和數(shù)據(jù)轉發(fā)停頓問題， DMAC(Data gathering tree． based MAC)提出了一種改進 方法。 TMAC(T39。 主要代表有 S． MAC， TMAC。 下面分別介紹其中的典型協(xié)議?，F(xiàn)有的基于競爭的協(xié)議大多數(shù)遵循載波監(jiān)聽 (CSMA)操作模式，同時結合其它機制 (如沖突避免機制和握手機制 )來減少沖突可能性。 EMACs和 LMAC宜用作數(shù)據(jù)流量不大的結構化網(wǎng)絡 MAC層協(xié)議。 EMACs(EYEs MAC)[241和 LMAC(Lightweight MAC)的基本原理是：采用分布式算法選舉主動節(jié)點構成連通骨干網(wǎng)絡，其它節(jié)點稱為被動節(jié)點；主動節(jié)點協(xié)商產(chǎn)生調(diào)度，時隙只能在 3跳外重用；被動節(jié)點只能向特定主動節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而在大多數(shù)情況下保持睡眠；根據(jù)網(wǎng)絡業(yè)務流量和節(jié)點剩余能量，主動節(jié)點和被動節(jié)點可以轉換；連通骨干網(wǎng)絡有利于網(wǎng)絡層建立路由，并減少路由開銷。但該協(xié)議相對復雜，為了在節(jié)點間建立一致的調(diào)度信息，協(xié)議計算和通信開銷都比較大。 TRAMA(Traffic Adaptive Medium Access)協(xié)議 L23J是根據(jù)兩跳范圍內(nèi)的鄰居 節(jié)點信息，由節(jié)點獨立確定自己發(fā)送消息的時隙，同時避免把時隙分配給沒有信息發(fā)送的節(jié)點，提高了網(wǎng)絡吞吐率，克服了 TDMA的 MAC層協(xié)議擴展性差的不足。由于簇內(nèi)采用 TDMA方式，簇內(nèi)節(jié)點在沒有數(shù)據(jù)傳輸時，可以進入低能耗的休眠模式，從而節(jié)省能量。主要有以下幾種： LEACH(LowEnergy Adaptive Clustering Hie掰 chy)協(xié)議瞄 J采用分布式算法選擇某傳感節(jié)點為簇頭，簇頭負責根據(jù) TDMA方式為簇內(nèi)節(jié)點分配時隙，收集和處理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點 (sink node)或其它中繼節(jié)點。 2． 2． 1基于調(diào)度的協(xié)議 在基于調(diào)度的 MAC層協(xié)議中，每個節(jié)點能傳輸和發(fā)送信號的時間是由調(diào)度算法決定的，所以多個節(jié)點能在無線信道上同時地發(fā)送信號而不相互干擾。 2． 2典型的 MAC層協(xié)議 總體上說，現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡的 MAC層協(xié)議被分為三類 ：基于調(diào)度的協(xié) (Schedulebased protocols)、基于競爭的協(xié)議 (Contentionbased protocols)和混合方案。它是衡量網(wǎng)絡時延、碰撞避免、信道利用率和控制信息開銷的重要物理量。因此，在MAC層協(xié)議設計時應考慮時延的多變性，可以根據(jù)不同的用戶需求而改變協(xié)議策略。同時，由于無線傳感器網(wǎng)絡是面向數(shù)據(jù)的，在不同應用環(huán)境中，其數(shù)據(jù)傳輸具有不同的方式，所以 MAC層協(xié)議 必須適應不同流量密度的網(wǎng)絡狀態(tài)。同時，協(xié)議還應考慮節(jié)能和提高吞吐量、降低延遲之間的權衡。 在設計無線傳感器網(wǎng)絡的 MAC協(xié)議時，需要著重考慮以下幾個方面： 能量有效 (Energy．． eflficiency)：無線傳感器網(wǎng)絡始終是一種電源能量受限的網(wǎng)絡，并且很難為無線傳感節(jié)點更換電源或給電源充電，因此，在無線傳感器網(wǎng)絡的 MAC協(xié)議設計中首要考慮的因素就是 —— 能量有效。傳感器節(jié)點的能量、存儲、計算和通信帶寬等資源有限，單個節(jié)點的功能比 較弱，而傳感器網(wǎng)絡的強大功能是由眾多節(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的。 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡 MAC協(xié)議 2． 1 MAC層協(xié)議概述 介質(zhì)訪問控制 (MAC)層協(xié)議決定了局部范圍無線信道的使用方式，以及多跳自組織無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點之間的通信資源分配，也就是說 MAC層協(xié)議的設計必須實現(xiàn)兩大基本功能目標：在密集散布的傳感器現(xiàn)場，能夠有助于建立起網(wǎng)絡基礎實施所需的數(shù)據(jù)通信鏈路；協(xié)調(diào)共享介質(zhì)的訪問，以便傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能夠有效地分享通信資源引。 第四章分析了現(xiàn)有的 SMAC的典型改進協(xié)議，并根據(jù) SMAC協(xié)議中存在的問題和節(jié) 能策略的研究。重點討論了該協(xié)議采用的多種節(jié)能機制，并從理論上分析了 S． MAC協(xié)議的能量消耗。隨后從節(jié)能角度出發(fā)，分析了造成無線傳感器網(wǎng)絡能量浪費的主要原因，介紹了 MAC協(xié)議中針對這些因素采用的節(jié)能機制，并進一步總結了 MAC協(xié)議的關鍵技術。 1． 3本文的組織結構 全文分為四 章，每章內(nèi)容安排如下： 第一章緒論，主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡體系結構、特點、應用領域、性能評價指標及研究熱點，分析了本文的研究意義，描述了本文所做的主要工作和創(chuàng)新點。常規(guī)態(tài)下，網(wǎng)絡沒有事件發(fā)生，只需要發(fā)送網(wǎng)絡自身 狀態(tài)監(jiān)視信息；事件態(tài)下，網(wǎng)絡有事件發(fā)生，需要將事件消息實時發(fā)送到監(jiān)控基站。 PCMP． SMAC協(xié)議采用了消息分割和連續(xù)發(fā)送的策略，節(jié)省了控制幀的開銷，同時，結合“ 碰撞防止”策略，通過對控制幀和數(shù)據(jù)幀選擇不同的發(fā)送功率，來減少節(jié)點的能量消耗以及對鄰居節(jié)點的干擾，進一步節(jié)省了網(wǎng)絡能量消耗。另外， S． MAC協(xié)議中，控制幀和數(shù)據(jù)幀都采用全網(wǎng)統(tǒng)一的功率進行發(fā)射，造成能量浪費。如何設計出節(jié)能、高擴展性、低開銷、同時又具備良好的公平性的 MAC協(xié)議對于提高無線傳感器網(wǎng)絡的能量有效性和性能有著重大意義。中心節(jié)點要維護和調(diào)度所有節(jié)點的收發(fā)時隙，因而設計的復雜度很高。但這種節(jié)能機制的引入，會帶來數(shù)據(jù)傳輸時延的 巨大增加。 S． MAC中，相鄰節(jié)點保持同步，即相鄰節(jié)點能同時控制天線周期性地進入睡眠狀態(tài)。目前的研究主要分為基于 CS呲 A的 MAC協(xié)議改進和基于 TDMA的 MAC協(xié)議改進兩大類。 因此，如果讓節(jié)點不工作時立刻轉入睡眠狀態(tài)，就能在很大程度上減少能量消耗。通信時節(jié)點分為四個狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑和睡眠。傳感器節(jié)點主要在感知、處理和通信三方面消耗能量。如何提高節(jié)點的能量有效性，使網(wǎng)絡在有限的能量條件下盡可能工作更長的時間，是傳感器網(wǎng)絡研究中的關鍵問題 Il5。在石油鉆井、核電廠和組裝線工作的員工將可以得到隨時的監(jiān)控。此外，在工廠自動化生產(chǎn)線、交互式博物館、交互式玩具、倉庫管理等眾多領域，無線傳感器網(wǎng)絡都將會孕育出全新的設計和應用模式。 其它方面的應用 微型化、自組織和對外部世界的感知能力是無線傳感器網(wǎng)絡的三大特點，這些特點決定了無線傳感器網(wǎng)絡在商業(yè)領域應用中也應該有自己的～席之地。 空間探索 探索地球以外的星球一直是人類夢寐以求的理想，借助于航天器布撒的無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)對星球地表長時間的監(jiān)測，搜集溫度、土壤成分、有無生物活動等信息應該是一種經(jīng)濟可行的方案。建筑 安全通過布置于建筑物內(nèi)的圖像、聲音、氣體檢測、溫度、壓力、輻射等傳感器，發(fā)現(xiàn)異常事件及時報警，自動啟動應急措施。 建筑及城市管理 各種無線傳感器可以靈活方便地布置于建筑物內(nèi)，獲取室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，從而為居室環(huán)境控制和危險報警提供依據(jù)。 軍事國防 無線 傳感器網(wǎng)絡具有部署迅速、隱蔽性強、高容錯性和自組織性的特點，因此非常適合在軍事上應用。還可以利用無線傳感器網(wǎng)絡長時間地收集人們對某種藥品的生理反應數(shù)據(jù)，把這些反饋信息用在新藥品的研制中。 醫(yī)療護理 無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面的應用包括監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)患者和醫(yī)生的行為，監(jiān)測病人身體里的各種生理數(shù)據(jù)以及醫(yī)院藥品管理等?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)中就有多種傳感器用來監(jiān)測土壤水分、降雨量、河水水位，并以此預測爆發(fā)山洪的可能性。 環(huán)境監(jiān)測 隨著人們對于環(huán)境的日益關注，環(huán)境科學所涉及的范圍越來越廣泛，通過傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件非常困難的工作。 1． 1． 4無線傳感器網(wǎng)絡的應用 無線傳感器網(wǎng)絡可以使人們在任何環(huán)境、任何時間地點條件下獲取大量詳實而可靠的信息，這種網(wǎng)絡系統(tǒng)可以被廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、軍事國 防、智能家居等領域。由于無線傳感器網(wǎng)絡受到障礙物、建筑物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間脫離網(wǎng)絡、離線工作。 通信能力有限 無線傳感器網(wǎng)絡的通信帶寬較窄而且經(jīng)常變化。為了完成各種任務，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應答匯聚節(jié)點的任務請求和節(jié)點控制等多種工作。如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡生命周期是無線傳感器網(wǎng)絡面臨的又一嚴峻挑戰(zhàn)。 電源能量有限 傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。 應用相關 頁 8 不同的應用背景對傳感器網(wǎng)絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議必然會有很大差別，所以無線傳感器網(wǎng)絡不會有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。 動態(tài)變化 由于無線傳感器網(wǎng)絡自身的特點，傳感器節(jié)點要不斷在活動狀態(tài)和休眠狀態(tài)之間轉 換，傳感器節(jié)點隨時可能由于各種外界環(huán)境干擾發(fā)生故障而失效或有新的傳感器節(jié)點補充進來以提高網(wǎng)絡的質(zhì)量。這種思想以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索。無線傳感器網(wǎng)絡可以 在一個面積不大的空間內(nèi)密集放置大量的節(jié)點，也可以讓節(jié)點分布在寬廣的地理區(qū)域內(nèi)，比如在原始森林中利用無線傳感器網(wǎng)絡進行森林防火監(jiān)測，這就需要節(jié)點被分布的跨度足夠長。它決定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，用來構建傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的底層基礎結構。 能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務。雖然無線傳感器網(wǎng)絡與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比有很多不同的地方，但是其網(wǎng)絡協(xié)議棧都可以劃分成五層模型嘲，如圖 1． 3所示。管理節(jié)點能夠?qū)鞲衅骶W(wǎng)絡進行配置管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)多跳傳輸?shù)?