无线传感器网络MAC协议仿真研究

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主要内容
国内外研究现状 WSN 模拟和仿真研究 WSN 实验和开发平台(Testbed) WSN MAC协议开发
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WSN 模拟和仿真研究
传统网络模拟和仿真软件
免费软件，开放源码的离散事件模拟系统，在网络模拟和 仿真领域应用广泛，被学术界认可，但没有直接提供对WSN 仿真的支持。 NS(UCB) 采用C++编写的内核运行高效；提供复杂的脚本场 景， 提供无线信号传输模型、天线模型，更加真实的评估网络 性能。 OMNet++ 采用C++编写的内核运行高效；采用基于组件的模块化 架构，提供强大的GUI支持，更加高效的开发和调试仿真 程序，直观的评估网络性能。
无线传感器网络 MAC协议研究进展
xpsonny@nbicc.com 2005.9.15
主要内容
国内外研究现状 WSN 模拟和仿真研究 WSN 实验和开发平台(Testbed) WSN MAC协议开发
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国内外研究现状
背景
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益 成熟，具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点开始在世界范围 内出现。微型传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信模块， 通过自组织的方式构成无线传感器网络(WSN)。 到目前为止，WSN的研究大致经过了两个阶段。第1阶段主要偏 重利用MEMS技术设计小型化的节点设备。对于网络本身问题的关注 和研究可以认为是无线传感器网络研究的第2阶段，目前已经成为无 线网络研究领域的热点。
WSN对MAC的要求
低功耗，延长节点的工作寿命； 自组织形成网络，适应网络拓朴和节点密度的变化； 可靠性；
WSN MAC主要成果
基于竞争的MAC：SMAC，TMAC…… 基于调度的MAC：TRAMA和SMACS……
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WSN MAC协议开发
目标
利用理论界已有的研究成果和我们自主研发的测试平台，快速实现 多种WSN应用解决方案需要的MAC协议。 采用跨层设计的新思路，开发适用于高速率实时业务的WSN MAC 协议，采用先仿真后实验的路线，提高调试和开发效率。
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WSN MAC协议开发
MAC协议性能测试方案
Testbed的建立 网络拓朴结构如右图。测试数 据包由节点0和节点1发起，节点0 发起的数据包经节点2转发到达节点 4，节点1发起的数据包经节点2转 发到达节点3，所有业务均为单播业 务，一次完整的数据收发过程采用 RTS-CTS-DATA-ACK机制。
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国内外研究现状
主要研究方法
解析(Analytic) 根据限定条件和合理假设，描述研究对象和系统，抽象数学分析模 型来对问题进行求解。 模拟和仿真(Simulation&Emulation) 应用网络模拟和仿真软件(自己开发或通用)，建立网络和系统模 型，运行模型并计算和分析结果。 实验(Testbed) 设计所需硬、软件配置，建立测试床等现实网络来进行网络协 议、行为和性能的研究。
业务量过大， 睡眠导致时延产生， SMAC功耗大。 业务量减小， SMAC睡眠机制的低 功耗优势得以体现。
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WSN MAC协议开发
待解决的问题
1. 实验过程中发现SMAC未考虑到在节点进行睡眠—监听状态切 换时的能量损耗。 解决方法：对状态切换带来的能量损耗进行量化，在协议中 加入能量模型。这样，只有当射频进入睡眠节省的能量能够补偿 状态切换产生的能量损耗时，才会采用睡眠—监听转换机制。 2. 由于没有采用功率控制，SMAC对信道资源的利用没有达到最 优。同时，采用功率控制能进一步降低功耗。 解决方法：在RTS-CTS接收时加入对信号强度和背景噪声的 分析，在DATA传输时采用最小发射功率。
SMAC：由USC的WeiYe等人设计的带周期性睡眠监听机制的低 功耗MAC协议，是WSN MAC理论研究中最具代表性的成果。 MACA：Ad hoc网络经典MAC协议
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WSN MAC协议开发
MAC协议性能测试方案
Testbed的建立 网络拓朴结构如右图。测试数 据包由节点0和节点1发起，节点0 发起的数据包经节点2转发到达节点 4，节点1发起的数据包经节点2转 发到达节点3，所有业务均为单播业 务，一次完整的数据收发过程采用 RTS-CTS-DATA-ACK机制。
WSN: Wireless Sensor Network MEMS: MicroElectroMechanical Systems
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国内外研究现状
研究点调查
从目前国内外WSN已有 研究成果统计来看，WSN领 域各研究点所占的比例如右 图所示。 对网络协议、能量、定 位、可靠性、网络架构以及 数据处理的研究是WSN研究 的热点问题。
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WSN MAC协议开发
MAC协议性能测试方案
Testbed的建立 网络拓朴结构如右图。测试数 据包由节点0和节点1发起，节点0 发起的数据包经节点2转发到达节点 4，节点1发起的数据包经节点2转 发到达节点3，所有业务均为单播业 务，一次完整的数据收发过程采用 RTS-CTS-DATA-ACK机制。
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WSN MAC协议开发
MAC协议性能测试方案
实验步骤： 1. 分别设置源节点为1,2 …10秒，进行十次试验； 2. 每次试验源节点发送100个数据包； 3. 每个节点实时统计射频的状态信息； 4. 数据发送完成后将状态信息发送给Sink节点； 5. Sink节点通过串口将试验结果发到PC机； 6. SNAMP接收结果数据，并进行统计分析计算，将本次实 验的结 果保存到文本文件，也可以绘制性能对比曲 线图(见下页)。
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WSN MAC协议开发
MAC协议性能测试方案
Testbed的建立 网络拓朴结构如右图。测试数 据包由节点0和节点1发起，节点0 发起的数据包经节点2转发到达节点 4，节点1发起的数据包经节点2转 发到达节点3，所有业务均为单播业 务，一次完整的数据收发过程采用 RTS-CTS-DATA-ACK机制。
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WSN 模拟和仿真研究
面向TinyOS的WSN模拟和仿真软件
TOSSIM(UCB) 主要提供对TinyOS应用的模拟，在PC上观测网络运行状态，方便 调试和开发基于TinyOS的WSN应用程序，调试大规模网络应用程 序。但没有对信道和信号强度建模，无法模拟真实的干扰。 EYES WSN Simulation Framework 利用NesCT将 TinyOS代码转换成OMNet++内核中的类，在 OMNet++上对TinyOS中的应用进行仿真。能对移动性仿真，能对 单向链路进行仿真。但不支持TinyOS中的默认事件；没有优化，仿 真速度较慢。
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主要内容
国内外研究现状 WSN 模拟和仿真研究 WSN 实验和开发平台(Testbed) WSN MAC协议开发
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WSN实验和开发平台(Testbed)
硬件平台：GAINS
提供对串口通讯的支持； 提供对JTAG的支持； 正在开发支持USB和GPRS通讯的GAINS-4；
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WSN MAC协议开发
MAC协议性能分析
SMAC vs MACA
业务量较大时， 睡眠避免冗余数据包 的接收。 业务量较小时， 更多机会进入睡眠， 低功耗优势明显。
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WSN MAC协议开发
MAC协议性能分析
SMAC vs MACA
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WSN MAC协议开发
工作进展
前期进行充分调研，在NS2下 对SMAC进行仿真分析，熟悉 MAC协议的开发流程。 利用GAINS节点搭建Testbed (如右图)，利用C语言开发硬件 驱动程序和嵌入式内核。在此 基础上先后开发了CSMA、 MACA、SMAC协议。完成低速 率低功耗WSN应用解决方案所 需要的MAC协议支持。
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国内外研究现状 WSN 模拟和仿真研究 WSN 实验和开发平台(Testbed) WSN MAC协议开发
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WSN MAC协议开发
背景
WSN主Βιβλιοθήκη Baidu特点
吞吐量较小； 可靠性要求高，网络生命周期长； 带宽利用率要求不高； 延迟和公平性根据应用不同而要求不同；
NesCT: NesC Translator
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WSN 模拟和仿真研究
分析比较
开发应用于WSN的通信协议可以采用传统仿真软件，但是在对协议 进行实验时需要重新开发和调试，没有解决大规模网络调试困难、 转向应用周期较长的问题。 采用面向应用的WSN模拟和仿真软件，能够比传统仿真软件更加理 想的模拟WSN场景，对开发适合WSN应用的协议和算法更有指导 意义，但这些软件还需要进一步完善。 基于TinyOS开发，并利用EYES等进行仿真分析，既能对网络进行 模拟和仿真，而且所开发的应用能直接用于实验，是一种非常有效 的研究手段。
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WSN 模拟和仿真研究
面向应用的WSN模拟和仿真软件
SENS(MIT) 采用模块化的结构，提供对多种WSN场景的模拟，分析WSN 应用在不同场景下的行为。物理层能量模型中加入电池模型，可以 对长期的WSN应用进行模拟。 下一步工作：将提供对3D地图和波传播衍射等的模拟。 EmStar(UCLA) 提供三种工作模式，模拟和仿真更加精确。 Pure Simulation：用软件模拟整个网络 Ceiling Array：提供室内阵列平台，模拟器采用由硬件平台搭建 的物理信道 Portable Array：提供室外可移动平台，模拟器采用实际的物理 信道 下一步工作：Data Replay
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国内外研究现状
主要研究方法对比
解析方法的有效性和精确性受假设限制很大。 模拟仿真方法可根据需要设计所需网络模型，只需较少的时间和费 用就能得到网络在不同条件下的各种特性，灵活，高效，低成本。 但目前网络模拟和仿真软件对WSN的模拟和仿真并不能完全真实和 有效的反映整个网络的状态。(注：采用解析和模拟仿真相结合的方 法是WSN理论研究的主要手段) 实验方法相对成本较高，不如仿真灵活，但能获得丰富有效的网络 数据，准确的测试和评估网络的性能，是将理论成果转化为网络标 准或产品的必经之路。
嵌入式软件平台：GOS
提供GAINS硬件驱动； 提供低速率低功耗MAC协议； 提供低功耗平面路由协议和三角定位； 正在进行内核的改进和其他路由算法的开发；
WSN分析和管理平台：SNAMP
提供对WSN中MAC，路由，定位的可视化； 提供对被动式WSN监测网络的可视化； 正在开发基于主动查询方式的WSN监测网络； 正在开发GOS模拟器； 正在开发远程登录访问功能；
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WSN MAC协议开发
MAC协议性能测试方案
Testbed的建立 网络拓朴结构如右图。测试数 据包由节点0和节点1发起，节点0 发起的数据包经节点2转发到达节点 4，节点1发起的数据包经节点2转 发到达节点3，所有业务均为单播业 务，一次完整的数据收发过程采用 RTS-CTS-DATA-ACK机制。