无线传感网MAC协议研究--金巍

2. 无线传感器网络MAC协议 无线传感器网络MAC协议
目前对于无线传感网本身的研究热点集中在3 目前对于无线传感网本身的研究热点集中在3个方面的关键 技术上：网络通信协议、网络管理协议和网络支撑技术。在通信 技术上：网络通信协议、网络管理协议和网络支撑技术。在通信 协议上，研究的重点是数据链路层MAC协议和网络层路由协议； 协议上，研究的重点是数据链路层MAC协议和网络层路由协议； 在网络管理技术层，研究的重点是收集数据的管理、节能降耗问 题以及网络通信安全的实现；在网络支撑技术层，主要研究节点 定位问题、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现问题。 基于WSN网络的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效 基于WSN网络的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效 性成为WSN网络应用中首要的一个指标，能量高效的WSN网络通信 成为WSN网络应用中首要的一个指标，能量高效的WSN网络通信 协议是目前的一个热点研究领域。 通过对现有系统的分析可知， 射频模块是节点最大的耗能部件，是优化的主要目标。介质访问 射频模块是节点最大的耗能部件，是优化的主要目标。介质访问 控制协议（MAC）直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响， 控制协议（MAC）直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响， 能源效率是无线传感网MAC层协议最主要的设计目标。 能源效率是无线传感网MAC层协议最主要的设计目标。
以数据为中心
目前的互联网是一个以地址为中心的网络，如果想访问互联网中的资 源，首先要知道存放资源的服务器的IP地址。WSN是任务型的网络， 源，首先要知道存放资源的服务器的IP地址。WSN是任务型的网络， 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。WSN中的节点采用节 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。WSN中的节点采用节 点编号标识，节点编号不需要全网唯一。由于传感器节点随机部署， 节点编号和节点位置之间的关系是完全动态的，没有必然联系。用户 查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确 定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这是一种 以数据本身作为查询或者传输线索的思想。所以通常说传感器网络是 一个以数据为中心的网络。
2.1 影响WSN网络MAC协议的因素 影响WSN网络 网络MAC协议的因素
2.1.1 WSN网络MAC 协议设计的主要问题 WSN网络 网络MAC
1）能量有效性 能量有效性是WSN网络 网络MAC协议最重要的意向的性能指标 由于WSN网络节点 协议最重要的意向的性能指标。 能量有效性是WSN网络MAC协议最重要的意向的性能指标。由于WSN网络节点 一般能采用电池提供能量，并且电池能量难以补充和更换。因此，在设计WSN 一般能采用电池提供能量，并且电池能量难以补充和更换。因此，在设计WSN 网络时，有效利用节点的能量，尽量延长网络节点的生存时间， 网络时，有效利用节点的能量，尽量延长网络节点的生存时间，是设计各层协议 都要考虑的一个重要问题。在节点的能耗中，无线收发装置的能耗占绝大部分， 都要考虑的一个重要问题。在节点的能耗中，无线收发装置的能耗占绝大部分， MAC层协议的能量直接控制无线收发装置 因此MAC协议的能量有效性直接 层协议的能量直接控制无线收发装置， 而MAC层协议的能量直接控制无线收发装置，因此MAC协议的能量有效性直接 影响网络节点的生存时间。 影响网络节点的生存时间。 2）可扩展性 可扩展性是指一个MAC协议适应网络大小 拓扑结构、 协议适应网络大小、 可扩展性是指一个MAC协议适应网络大小、拓扑结构、节点密度不断变化的能 由于节点数目，节点分布密度等在WSN网络生存过程中不断变化 网络生存过程中不断变化， 力。由于节点数目，节点分布密度等在WSN网络生存过程中不断变化，节点位 置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以WSN网络的拓扑结构具有动 置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以WSN网络的拓扑结构具有动 态性。一个好的MAC协议也应该具有可扩展性 协议也应该具有可扩展性， 态性。一个好的MAC协议也应该具有可扩展性，以很好地适应这种动态变化的 拓扑结构。 拓扑结构。 3）冲突避免 冲突避免是MAC协议的一项基本任务 它决定网络中的节点何时、 协议的一项基本任务。 冲突避免是MAC协议的一项基本任务。它决定网络中的节点何时、以何种方式 访问共享的传输媒体和发送数据。 WSN网络中 网络中， 访问共享的传输媒体和发送数据。在WSN网络中，冲突避免的能力直接影响节 点的能耗和网络性能。 点的能耗和网络性能。
2.1.2 能Байду номын сангаас浪费的主要原因
1）空闲侦听 节点不知道邻居节点何时向自己发送数据， 节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频模块必须一直处于接收状 消耗大量的能量。这是无效功耗的最主要的来源。 态，消耗大量的能量。这是无效功耗的最主要的来源。 2）消息碰撞（冲突） 消息碰撞（冲突） 同时向同一节点发送多个数据包时，信号会互相干扰， 同时向同一节点发送多个数据包时，信号会互相干扰，接收方无法准确接 这时节点消耗在发送和接收数据上的能量就被浪费了， 收，这时节点消耗在发送和接收数据上的能量就被浪费了，而重新发送数 据消耗更多的能量。 据消耗更多的能量。 3）串扰（窃听） 串扰（窃听） 无线信道是一个共享的媒体， 无线信道是一个共享的媒体，一个节点可能会接收到发送给其他节点的消 这时节点消耗在接收数据上的能量属于无效功耗。 息，这时节点消耗在接收数据上的能量属于无效功耗。 4）控制报文开销 MAC协议的头字段和控制消息包中没有包含有效的数据 协议的头字段和控制消息包中没有包含有效的数据， 在MAC协议的头字段和控制消息包中没有包含有效的数据，消耗的能量也 是无效的。 是无效的。 5）发送失效 在目的节点没有准备好接收时。发生节点发送了消息，造成能量的浪费。 在目的节点没有准备好接收时。发生节点发送了消息，造成能量的浪费。
2.1.3 MAC协议降低功耗的主要方法 MAC协议降低功耗的主要方法
减少数据流 减少数据流量是最根本的解决方案，目前主要靠在网络层或 者在数据链路层上增加一个数据融合层来实现，但在MAC层 者在数据链路层上增加一个数据融合层来实现，但在MAC层 是否能够进行数据融合以及如何进行融合是目前的研究的较 少的领域。 增加射频模块的休眠时间 节点在没有数据接收或发送时，关闭射频模块，节点转入休 眠状态，这种方法可以降低工作占空比，减少串扰和空闲侦 听带来的能量浪费，代价是增加延迟和降低系统的吞吐量。 冲突避免 冲突避免主要采用RTS/CTS/DATA/ACK握手机制，既解决 冲突避免主要采用RTS/CTS/DATA/ACK握手机制，既解决 了隐藏节点的冲突，又实现了链路层的可靠传输，但也增加 了控制开销。
2.2 几种典型的WSN的MAC协议 几种典型的WSN MAC协议 WSN的
1）S-MAC协议 MAC协议
S-MAC(Sensor medium access control)协议是在IEEE802.11协议 control)协议是在IEEE802.11协议 协议是在IEEE802.11 的基础上，针对WSN的能量有效性而提出的专用于WSN的节能MAC WSN的能量有效性而提出的专用于WSN的节能MAC协 的基础上，针对WSN的能量有效性而提出的专用于WSN的节能MAC协 MAC协议设计的主要目标是减少能量消耗 协议设计的主要目标是减少能量消耗， 议。S-MAC协议设计的主要目标是减少能量消耗，提供良好的可扩 展性。它针对WSN WSN消耗能量的主要环节采用以下三方面的技术措施 展性。它针对WSN消耗能量的主要环节采用以下三方面的技术措施 来减少能耗： 来减少能耗： a）周期性侦听和休眠。S-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应用 周期性侦听和休眠。 MAC协议将时间分为帧， 协议将时间分为帧 程序决定。帧内分侦听工作阶段和休眠阶段。侦听／ 程序决定。帧内分侦听工作阶段和休眠阶段。侦听／休眠阶段持续 时间根据应用可调，当节点处于休眠阶段就关掉无线收发装置（ 时间根据应用可调，当节点处于休眠阶段就关掉无线收发装置（射 频模块）以节省能量， 频模块）以节省能量，但需缓存这期间收到的数据以便工作阶段集 中发送并设置一个唤醒定时器。 中发送并设置一个唤醒定时器。
无线传感网MAC协议研究 无线传感网MAC协议研究
506金巍 506金巍
1、无线传感网简介
无线传感网（Wireless 无线传感网（Wireless Sensor Networks）是由具有感知能 Networks）是由具有感知能 力，通过无线通信方式形成的一个多跳的自配置的网络系统， 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象 的信息，并发给观察者。 WSN 网络是一种特定的Adhoc网络，网络中的节点自组 网络是一种特定的Adhoc网络，网络中的节点自组 织成网络，不需要任何基础设施。WSN网络节点不移动或很 织成网络，不需要任何基础设施。WSN网络节点不移动或很 少移动，其网络节点采用电池供电，WSN网络通信能耗高， 少移动，其网络节点采用电池供电，WSN网络通信能耗高， 数据处理能耗低。WSN一般独立组网主要用于监测，是以数 数据处理能耗低。WSN一般独立组网主要用于监测，是以数 据为中心的网络。
1.1 典型的传感器网络的系统结构和节点结构
1.2 WSN的特点 WSN的特点
电源能力局限性 节点通常是由电池供电，每个节点的能源是有限的，一旦电池能量耗 尽，节点就会停止正常工作。 节点数量多 增大覆盖范围，减少洞穴和盲区；降低对单个节点的精度要求；大量 冗余节点的存在，使得系统的具有很强的容错性。 动态拓扑 无线传感器网络是一个动态的网络，某个节点可能因为电池的能量耗 尽或其它故障，退出网络；也有可能新节点的加入等等。 尽或其它故障，退出网络；也有可能新节点的加入等等。 自组织网络 在无线传感器网络中，通常情况下节点的位置不能与精确设定。节点 之间的相邻关系也不能预先知道，如通过飞机撒播大量传感器节点到 面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可能到达或危险的区域。 这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动的进行配置和管 理。无线传感器网络的自组织性还要求能适应网络拓扑结构的动态变 化。 多跳路由 网络中的节点通信距离一般在几十米到几百米范围内，节点只能与它 的邻居直接通信，如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信， 则需要通过中间节点进行路由。无线传感网络中的多跳路由是由普通 网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息 的发起者，也可以是信息的转发者。
4）信道利用率 信道利用率反映了网络通信中信道带宽如何被利用。 信道利用率反映了网络通信中信道带宽如何被利用。在蜂窝移动通信系统和无线 局域网中，信道利用率是一项非常重要的性能指标。因为在这样的系统中， 局域网中，信道利用率是一项非常重要的性能指标。因为在这样的系统中，带宽 是非常重要的资源，系统需要尽可能地容纳更多的用户通信。相比之下，WSN中 是非常重要的资源，系统需要尽可能地容纳更多的用户通信。相比之下，WSN中 处于通信中的节点数量是由一定的应用任务所决定的，信道利用率在WSN WSN中处于 处于通信中的节点数量是由一定的应用任务所决定的，信道利用率在WSN中处于 次要的位置 5）延迟 延迟是指从发送端开始向接收端发送一个数据包， 延迟是指从发送端开始向接收端发送一个数据包，直到接收端成功接收这一数据 包所经历的时间。 WSN中 延迟重要性取决于网络的应用。 包所经历的时间。在WSN中，延迟重要性取决于网络的应用。 6）吞吐量 吞吐量是指在给定的时间内发送端能够成功发送给接收端的数据量。 吞吐量是指在给定的时间内发送端能够成功发送给接收端的数据量。网络的吞吐 量受到很多因素的影响，如冲突避免机制的有效性、信道利用率、延迟、 量受到很多因素的影响，如冲突避免机制的有效性、信道利用率、延迟、控制开 销等。和数据传输的延迟一样，吞吐量的重要性也取决于WSN网络的应用。 WSN网络的应用 销等。和数据传输的延迟一样，吞吐量的重要性也取决于WSN网络的应用。在WSN 的许多应用中，为了获得更长的节点生存时间， 的许多应用中，为了获得更长的节点生存时间，允许适当的牺牲数据传输的延迟 和吞吐量等性能指标。 和吞吐量等性能指标。 7）公平性 公平性通常指网络中各节点、用户、应用平等的共享信道的能力。在传统的语音、 公平性通常指网络中各节点、用户、应用平等的共享信道的能力。在传统的语音、 数据通信网络中，它是一项很重要的性能指标。因为网络中每一个用户， 数据通信网络中，它是一项很重要的性能指标。因为网络中每一个用户，都希望 拥有平等发送、接收数据的能力。但在WSN WSN中 拥有平等发送、接收数据的能力。但在WSN中，所有的节点为了一个共同的任务 相互协作，在某个特定的时刻， 相互协作，在某个特定的时刻，存在一个节点的相比于其他节点拥有大量的数据 要传送。因此，公平性往往用网络中某一应用是否成功实现来评价， 要传送。因此，公平性往往用网络中某一应用是否成功实现来评价，而不是以每 个各节点平等发送、接收数据的能力来评价。 个各节点平等发送、接收数据的能力来评价。