【正文】 voidance strategy 27 Main operating mechanism of EAIMRP 28 Qualitative Analysis on Performance of EAIMRP 30 Summary 31Chapter 4. Design of energysaving model for EAIMRP 32 Powersaving model of EAIMRP 32 Setting the Backoff time and TimeOuts of EAIMRP 35 Network parameters of EAIMRP 36 Connection parameters of EAIMRP 36 Sleep parameters of EAIMRP 37 Estimation of average energy consumption of EAIMRP 39 Summary 41Chapter on Simulations and Experments 42 Data transceiver of MAC layer 42 Evaluation Crateria and Analyze Method 43 Analyze on Simulation Results of EAIMRP 44 Simulation parameter settings and numerical analysis 44 Analysis of energy efficiency and delay performance 45 Summary 49Conclustions and Prospect 51Reference 52Publications 57Research Activities 58Original Creative Statement 59Acknowlegement 60第一章 緒論第一章 緒論 課題的研究背景及意義 研究背景當前，信息技術可以實現(xiàn)信息的海量存儲、高速傳輸和快速處理,但信息獲取卻仍未達到自動化水平。WSN 正在給人類生活和生產(chǎn)的各個領域帶來深遠影響。目前，WSN的研究主要集中于網(wǎng)絡協(xié)議、能量、定位、可靠性、網(wǎng)絡架構以及數(shù)據(jù)處理等問題，網(wǎng)絡協(xié)議的研究是其中的熱點之一。目前，已有大量針對 WSN 不同特點和具體應用的 MAC協(xié)議相繼提出。相對于傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡，它有明顯的特殊性[1,2]：（1）電源能量有限；（2）通信能力有限；（3）計算能力和存儲能力有限；（4）傳感器數(shù)量大、分布范圍廣；（5）網(wǎng)絡拓撲動態(tài)性強；（6）大規(guī)模分布式觸發(fā)?，F(xiàn)有協(xié)議在能量有效方面取得了很好的效果，但隨著無線傳感器網(wǎng)絡應用要求的提高，如何在有限資源的動態(tài)條件下高質量地完成目標信息的感知、處理和傳輸，是面臨的重大挑戰(zhàn)。 研究意義無線傳感器網(wǎng)絡是新興的特殊的計算機網(wǎng)絡，是基于應用的特殊的大規(guī)模分布式無線網(wǎng)絡，被認為21世紀最有影響力的、改變世界的10大技術之一，有著十分廣泛的應用前景，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等領域有具有巨大的應用價值[2]多點通信網(wǎng)絡局部范圍內需要介質訪問控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議分配共享的無線信道，分解發(fā)送沖突，MAC協(xié)議決定網(wǎng)絡中無線信道的使用方式，在節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構建無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的底層基礎結構。無線傳感器網(wǎng)絡對其MAC協(xié)議提出了特殊的需求，著重考慮以下幾方面[2]：（1）節(jié)能效率；（2）可擴展性；（3）網(wǎng)絡效率。節(jié)能成為傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議設計首要考慮的因素，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的MAC協(xié)議所注重的因素正好反序，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的MAC協(xié)議不適用于無線傳感器網(wǎng)絡，需要研究和設計適用于無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議。關于網(wǎng)絡效率，包括網(wǎng)絡的公平性、實時性、安全性、網(wǎng)絡吞吐率以及帶寬利用率等，一般其優(yōu)先級不高，這在無線傳感器網(wǎng)絡中需要根據(jù)實際應用來取決和平衡。因此對低能耗和可擴展的高效率MAC協(xié)議的研究是無線傳感器網(wǎng)絡研究中的一個重要課題，意義深遠?？鐚釉O計機制是實現(xiàn)高效WSN MAC的一種可行解決方案，同時也是一種全局優(yōu)化的方案。 國內外研究現(xiàn)狀本文的研究對象為無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧中的MAC協(xié)議，下面闡述一下當前國內外對MAC研究的現(xiàn)狀，并給出目前的跨層MAC設計方案。節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時競爭使用無線信道，如果發(fā)生了發(fā)送碰撞，就按某種策略重發(fā)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。經(jīng)典的競爭型WSN MAC協(xié)議有SMAC[4]、TMAC[5]、Sift MAC[6]、BMAC[7]、WiseMAC[8]等。典型的TDMA調度型WSN MAC協(xié)議包括基于分簇網(wǎng)絡的TDMA調度型MAC協(xié)議[9]、EAMAC[10]、DMAC[11]、DEANA[12]等。（4）各種機制的混合型方案，如TDMA/FDMA混合設計，CSMA/TDMA混合機制。而根據(jù)目前的TDMA型MAC研究進展，已經(jīng)有不少TDMA調度型的MAC協(xié)議實質上在整個協(xié)議運行期間引入了交替的競爭訪問期來動態(tài)調整時隙分配、拓撲數(shù)據(jù)表等，已經(jīng)具備混合型MAC協(xié)議的特性。（5）各種跨層設計方案A．基于能效管理的跨層設計技術：基于能效的無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧設計是結合對節(jié)能、容錯性、抗干擾性等關鍵指標的具體要求，借鑒現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信、信息處理等領域的先進技術和研究方法，達到符合網(wǎng)絡應用特點這一必要條件。特別在文獻[19]中提出了一種基于能效管理的無線傳感器跨層優(yōu)化設計，其核心思想是利用了MAC 層與網(wǎng)絡層之間跨層信息的交互從而實現(xiàn)整體網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能改善。可知協(xié)議通過跨層設計后網(wǎng)絡系統(tǒng)壽命明顯得到了延長和提高。B．基于最優(yōu)代理的跨層設計技術：利用最優(yōu)代理提供不同協(xié)議層之間信息的交換與控制，進而達到改善無線傳感器網(wǎng)絡的性能的目的是基于最優(yōu)代理的跨層優(yōu)化設計技術的核心思想。通過自上而下的應用需求，最優(yōu)代理反饋信息給底層網(wǎng)絡。同時大量實驗與性能測試也顯示傳輸范圍與無線射頻干擾均對網(wǎng)絡的性能有比較大的影響。C．基于 QoS 保障的跨層設計技術：在中高速多媒體無線傳感器網(wǎng)絡中，為了滿足多媒體業(yè)務傳輸延遲需求，出現(xiàn)了動態(tài)自適應代理跨層設計技術。須保證在傳輸多媒體信息過程中滿足用戶的諸如帶寬、延遲及抖動等QoS需求。（6）當前跨層設計技術面臨的挑戰(zhàn)由于跨層設計是一項嶄新的無線網(wǎng)絡設計技術，特別是具有諸多限制和與應用高度相關的無線傳感器網(wǎng)絡，對于什么情況下采用跨層設計技術以及如何實現(xiàn)跨層設計都面臨著很大的技術挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：A．針對全網(wǎng)絡的設計和優(yōu)化極其復雜，特別是試圖實時動態(tài)優(yōu)化時。B．優(yōu)化時使用的衡量的標準是另一個沒有辦法回避的核心問題。C．動態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化的最后一個關鍵問題是由誰來控制跨層功能這個過程。目前的研究主要集中在競爭的和TDMA時間調度方式的WSN MAC協(xié)議，這也是WSN中實用、可行的MAC方案，而基于碼分復用等特殊方式的MAC協(xié)議過于復雜，且性能改善不夠理想。競爭型的MAC協(xié)議擴展性好，但延時大；調度型的MAC協(xié)議開銷小，實時性比較好，但擴展性差，時間同步要求嚴格。競爭性MAC機制與TDMA時間調度機制的有機結合可以平衡兩者的優(yōu)勢和不足，取得較好的性能，但混合型MAC協(xié)議普遍算法過于復雜，在實際應用仍需要進一步的討論?？鐚釉O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。為進一步提高MAC協(xié)議效率，實現(xiàn)協(xié)議輕量化，減少開銷。 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高效通信的關鍵網(wǎng)絡協(xié)議之一。本課題專注于能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡跨層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]，設計更高效的WSN MAC協(xié)議，達到低能耗、可擴展/自適應特點的同時提供盡可能低的通信延時。 本文研究內容及創(chuàng)新點1）本文研究的主要內容本文主要研究能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡跨層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)絡應用提出一種跨層的MAC協(xié)議（EAIMRP）；（3）為EAIMRP協(xié)議設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)議進行仿真實驗，并分析評價其性能。該協(xié)議針對中高速型應用，通過重新設計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，同時擴展了單節(jié)點檢測拓撲模型。對應于公開發(fā)表的學術論文“一種融合MAC和路由的無線傳感器網(wǎng)絡跨層設計節(jié)能協(xié)議”（《計算機工程》，已錄用，Apr. 2009: 9~1）。針對該問題，本文為EAIMRP參考鏈路層的信息設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)。該研究成果已在核心期刊《計算機工程與應用》投稿論文一篇“一種高效的無線傳感器網(wǎng)絡跨層設計MAC協(xié)議”。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。最后，結語和展望對本文工作總結，討論有待進一步解決的問題，展望無線傳感器網(wǎng)絡 MAC協(xié)議的研究方向和趨勢。圖21 無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議框架Fig. 21 Communication Protocols of Wireless Sensor Networks物理層協(xié)議：物理層負責信號的調制、發(fā)送與接收。物理層的研究目標是設計低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點。主要的部分是介質訪問控制MAC協(xié)議，它決定無線傳感器網(wǎng)絡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，對網(wǎng)絡的性能有非常大的影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡高效通信的關鍵網(wǎng)絡協(xié)議。傳輸層協(xié)議：傳輸控制層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，協(xié)作維護數(shù)據(jù)流，是保障通信質量的重要部分。故TCP協(xié)議也不能直接應用在無線傳感器網(wǎng)絡中。無線傳感器網(wǎng)絡的應用層支持服務包括：時間同步和節(jié)點定位。圖21中右側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，在各層設計實現(xiàn)中都要考慮；而拓撲管理主要是為了建立鄰居數(shù)據(jù)表，管理拓撲關系；網(wǎng)絡管理主要是實現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡環(huán)境下，對各種資源的管理，為上層應用服務的執(zhí)行提供一個集成的網(wǎng)絡環(huán)境；QoS支持是指為用戶提供高質量的服務，通信協(xié)議中的各層都需要提供QoS支持。 無線傳感器網(wǎng)絡MAC層關鍵問題 無線傳感器網(wǎng)絡MAC層能耗分析無線傳感器網(wǎng)絡研究的核心問題之一是功耗管理。通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的分析可知，射頻模塊是傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中最大的耗能部件，也是優(yōu)化的主要目標[23]。參考文獻[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。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)，再次是串擾和控制開銷。 無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議的設計原則與設計目標在 WSN 中，節(jié)點能量有限且難以補充。 WSN 中的能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和計算能耗。因此，減少通信能耗是延長網(wǎng)絡生存時間的有效手段。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。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。WSN MAC的特殊需求表現(xiàn)在：（1）節(jié)能效率；（2）可擴展性；（3）網(wǎng)絡效率。另外，無線傳感器網(wǎng)絡可能工作在比較偏遠，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。在節(jié)點的硬件結構中，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)絡節(jié)點的生存時間。無線傳感器網(wǎng)絡是一個動態(tài)的網(wǎng)絡，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)絡運行；一個節(jié)點也可能由于需要而加入到網(wǎng)絡中。因此，一個好的MAC協(xié)議應該使網(wǎng)絡能快速高效地自適應這些變化。常關注的方面包括：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。b）信道利用率信道利用率反映了網(wǎng)絡通信中信道帶寬如何被使用。相比之下，無線傳感器網(wǎng)絡中處于通信中的節(jié)點數(shù)量是由一定的應用任務所決定的，信道利用率性能指標在無線傳感器網(wǎng)絡中是處于第二位的。許多因素影響網(wǎng)絡的吞吐量，例如，沖突避免機制的有效性、信道利用率、延遲、控制開銷等。d）其它因此，設計一個無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議，主要應該考慮到，一是能源有效性，另一個是可擴展性，而其它的一些網(wǎng)絡效率方面的性能指標，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，在無線傳感器網(wǎng)絡中，和這兩個性能指標相比，其重要性就可以放在比較次要的地位了。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調度的混合型的MAC協(xié)議；（4）跨層設計的MAC協(xié)議。 基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC協(xié)議的基本思想是當節(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