无线传感网MAC协议分析和研究

无线传感网MAC协议分析和研究近年来，在很多国家关于智慧城市的研究和建设已经得到了很大的关注和进展。而国内自2010年来，也有不少城市相继开展了智慧城市的建设。智慧城市建设的总体框架可划分为感知层，通信层，数据层和应用层，感知层作为智慧城市框架的底层，它是否能良好的实现对于智慧城市建设具有重要的影响。而现在作为研究热点的无线传感网是完全可以成为智慧城市感知网络的一种实现方式的。1.无线传感网1.1无线传感网的概念无线传感器网络WSN(WirelessSensorNetwork)是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织的无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。无线传感网络是集数据采集、数据处理和数据通信三大功能的微型化、智能化、集成化、系统化和网络化的分布式传感器系统。无线传感器网络在环境、医疗、军事、工业和智能家居等领域表现出巨大的潜在应用价值，它在未来将是一个无孔不入的十分庞大的网络，将完全融入我们的生活，具有十分广阔的应用前景。在环境监测和保护方面，无线传感器网络为随机性研究数据的获取提供了便利，还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如可以将传感器分布在海洋，火山，冰原等地区，检测该地的环境状态。在医疗护理领域，可以通过在老龄人，残障人士等生活不方便的人衣物、家具、电器等地方嵌入无线传感器，组成网络，便可实时获取他们的信息，帮助生活不能自理的人士更方便的接受护理，同时还能减轻护理人员的负担。无线传感器还可以用在药物管理方面，还可以通过在病人身上安装有特殊用途的传感器，让医生可实时获取病人病情信息。在军事战争领域，无线传感器网络非常适合用于恶劣的战场环境中，可以通过飞机撒播，人工部署等方式将传感器节点分布在敌方战场，用于监控兵力、侦察敌方地形及布防、定位攻击目标以及探测核、生物和化学攻击等。在工业生产方面，无线传感器网络可以提高工业生产中自动化程度、降低生产风险。例如可以在设备上部署传感器节点，对设备状态进行监控，工作人员可根据监控信息对设备进行调整。而一些危险的工业环境，如矿井、核电厂等，工作人员可以通过无线传感器网络来实施监测，达到对突发事件在第一时间进行处理。在智能家居方面，可以通过在家具，电器等生活用品中嵌入特定的传感器，并将这些节点与互联网相连，在家庭网络操作系统管理下，可实现远距离控制，为人们提供舒适、方便和人性化的家居环境。无线传感器网络具有非常广泛的应用前景，在物联网，车载网，智慧城市建设等领域都会占有重要的一席之地，这个技术将会给人类的生活方式带来极大的变革。1.2无线传感网的特点和协议体系无线传感网是一种自组织网络，同Ad-hoc网络很类似，但是也有其自身的特殊性。其主要特点如下：⑴传感器节点的能量有限。网络中的传感器一般由电池供电，而传感器网又要求工作时间较长，而且工作环境也比较恶劣，更换电池的可能性很小，而太阳能供电或洋流供电对于传感器节点的技术要求也很高，这样就造成了能源方面突出矛盾。⑵传感器节点的通信能力有限。感器网的传感器的传输速率低，通信距离近一般只有几十米到几百米；而且工作环境恶劣，更容易受地势地貌和自然灾害等的影响，一方面造成传感器之间的通信不可靠，另一方面可能使传感器出现长时间故障、甚至损坏。⑶计算能力有限。传感器网中的传感器一般采用嵌入式处理器和存储器，但由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算处理能力十分有限。⑷网络规模大，拓扑结构复杂。传感器网中节点密集，数目庞大，可能达到几百甚至几千万个，而且它的感知范围也会很大。另外由于有的节点会因为故障退出网络，有的节点又会新加入网络，导致拓扑结构不断变化。⑸数据传输方向性强。在传感器网络中，通常，查询信息是通过广播或多播的方式从观察者向网络内传感器传输，而探测结果信息则是由分布在各处的传感器节点向查询节点汇聚。传感器网络的这些特点使得以前适用于传统网络的协议都不再适用，需要进行修改或重新制定。比如说现在传感器网络将节省能量作为主要的考虑因素，而对于数据传输速率，实时性的考虑会相对弱化一些，而传统网络可能更注重数据传输的质量和速率，对于能耗的要求并没有那么严格。无线传感网的这些特殊要求和制约因素为传感器网络的协议研究，拓扑结构研究等带来了新的技术挑战。到目前为止，无线传感网络协议研究方面还没有形成一个标准无线传感网络协议栈，现在比较通用的协议栈是将其划分为物理层、数据链路层、网络层、应用层、能量管理平面、移动性管理平面和任务管理平面七个部分组成。①物理层：在这层中，数据作为比特流进行处理，其功能是为上层提供数据传输的物理连接，负责数据传输的物理规范性。在无线传感器网络中使用的是共享信道方式进行通信。②数据链路层：在这层中要完成传统网络数据链路层的帧填充、差错校验和帧检测等功能。同时要设计一个适合于无线传感器网络的媒体介质访问控制(MAC)，以减少无线传感器网络的能量损耗，这是无线传感器网络协议研究重点内容。③网络层：在这层中负责路由发现、路由维护和路由选择，使得节点间可以进行有效的相互通信。路由算法执行效率的高低，直接决定了无线传感器节点收发控制性数据与有效采集数据的比率．④应用层：该层主要完成节点传感器数据采集管理，实现数据融合，支持感知数据的存储、查询、分析、挖掘等各种数据管理和分析处理软件系统，以便为终端用户的决策提供有效的支持。⑤三个管理平面：无线传感器网络协议栈中三个管理平面，应在网络协议栈中的物理层、数据链路层、网络层和应用层中实现。任务管理平面更多实现在网络层和应用层。能量管理更多实现在数据链路和网络层。移动性管理平面更多实现在数据链路和网络层。2.MAC层协议简介MAC子层处理所有的物理无线电信道接入。利用物理层提供的服务为高层提供使用MAC层数据服务和管理服务，实现MAC层的数据在物理层提供的数据服务中正确收发，和维护MAC层相关协议状态的信息数据库，并负责以下的任务：①如果设备是协调者就要产生网络信标帧；②普通设备依据信标帧与协调器同步；③支持PAN的关联与解除关联操作；④支持无线信道通信安全；⑤采用CSMA-CA机制进行信道接入；⑥处理和维护GTS机制；⑦为两个对等MAC层实体提供可靠地连接。MAC协议处于无线传感器网络协议的底层，对网络的性能有直接的影响，是网络高效通信的关键协议。在无线传感器网络中，单个节点资源有限，功能比较弱，而无线传感器网络的强大功能是由大量(成千上万)的节点共同协作实现。多点通信在局部范围内需要MAC协议协调无线信道的分配。MAC协议的选择要考虑三个方面：节省能量、可扩展性以及网络效率，包括公平性、实时性、网络吞吐量以及宽带利用率等。①节省能量：传感器网络的节点一般使用电池提供能量，由于电池能量非常有限，而且传感器节点一般工作在环境比较险恶的场所，通常难以进行补充或者更换电池，为了保证无线传感器网络的长时间有效工作，MAC协议在满足应用要求的前提下，应当尽量节省能量。②可扩展性：由于节点失效退出网络，或者添加新节点都会导致网络拓扑发生变化，所以就要求MAC协议具有可扩展性，以适应网络拓扑的动态变化。③网络效率：虽然传感器网络对于实时性并没有传统网络的要求高，但对于一些实时性要求比较高的应用仍要考虑延时问题，传感器网络的延时主要来自节点的周期睡眠，睡眠导致数据包在节点内的滞留而带来睡眠延时，降低延时应缩短数据包在节点内的滞留时间但不影响节点的周期睡眠。吞吐量的重要性也是由应用决定的，吞吐量为固定时间内发送节点向接收节点成功发送的数据量，通常以每秒发送的比特数或字节数来衡量。吞吐量和冲突避免、信道利用率、延时和控制包开销密切相关。在无线传感网中，带宽利用率往往是次要的考虑因素，有时为了获得更高的其它性能，不惜牺牲带宽利用率来换取高能效，低延时等。对于接入公平性而言，在传感器网络中，节点间协调完成同一个任务，每个时刻节点需转发的数据量并不相等，让每个节点都平等地接入信道，获得平等的带宽并不适用，因此，节点和用户的公平性也是次要的。一般情况下，以上三个因素对于无线传感网MAC协议的重要性依次递减，而传统的有线网络的MAC协议的目标更多的是考虑接入的公平性和无冲突传输。另外对于无线网络而言，隐藏终端和暴露终端的问题也是需要考虑的一个方面。WSN中的能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗，研究表明，其中通信能耗占得比重最大。而通信过程中的能量主要浪费在以下四个方面：①空闲侦听：节点不能预知他的邻居节点何时传输数据给自己，因此节点的射频模块需要一直保持为接收模式，就造成了节点能量的大量消耗。这是能量浪费的主要因素。②冲突重传：节点在发送数据的时候，在竞争共享的无线信道中，可能出现不同节点发送的数据产生碰撞，导致传输失败，浪费了接受和发送的能量，而且需要重传，消耗节点更多的能量。③串音：数据包可能接收并处理共享信道中不是发给自己的数据包，会造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多不必要的能量。④控制消息：MAC协议首部包括一些控制信息，如RTS／CTS／ACK，节点发送这些控制信息需要消耗一定的能量。针对以上一些原因，无线传感网的MAC协议设计通常采用“侦听/休眠”交替的信道访问机制，节点无任务就进入睡眠状态以减少冲突、串音和空闲侦听等；通过协调节点间的侦听/休眠周期以及节点发送/接收数据的时机,避免分组空传和减少过度侦听；通过限制控制分组长度和数量减少控制开销；尽量延长节点休眠时间以减少状态切换次数，因为状态切换时能量会快速的消耗。目前的MAC协议在降低功耗方面主要集中在增加节点的休眠时间，减少节点对信道的侦听等。无线传感网是与应用密切相关的，所以针对不同的应用场合，研究者们提出了多种MAC协议，分类方式根据侧重点不同也有多种。MAC协议根据信道访问策略的不同可分为竞争协议、调度协议和混合MAC协议；根据使用单一共享信道还是多信道可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议；根据传感器节点发射器硬件功率是否可变可分为功率固定MAC协议和功率控制MAC协议。2.1竞争协议竞争协议采用按需使用信道的方式，当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，若发送的数据产生了冲突，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送为止。在无线传感网中，竞争协议重点考虑的三个问题是“侦听/休眠”调度，握手机制设计和减少睡眠延时。由于采用“侦听/休眠”机制的时候，要尽量保证相邻节点保持相同的“侦听/休眠”周期，即同时睡眠同时工作，所以竞争协议对于时钟同步也有一定的要求。基于竞争的适用于无线传感网的MAC协议主要有：S-MAC、T-MAC、B-MAC、P-MAC和Sift协议等。S－MAC通过让节点处于周期休眠状态来降低侦听时间，每个节点休眠一段时间，然后唤醒并侦听是否有其它节点想和它通信。在休眠期间，节点关闭无线装置，并设置定时器，随后唤醒自己。侦听和休眠的一个完整周期称为一帧，侦听间隔与整个帧之比为占空比。为了降低开销，我们希望邻居节点能保持同步。邻居节点通过周期地向它们的直接邻居广播SYNC包来交换它们的时间表，具有相同时间表的节点形成一个虚拟簇，簇内的对等节点直接通信。多个邻居节点通过竞争协议使用信道，通过虚拟载波侦听和物理载波侦听以及RTS/CTS通告机制结合的方式实现冲突避免。在控制分组中捎带数据传输剩余时间，邻居节点据此计算NAV,并进入睡眠状态，直到长消息发送完毕为止。单播分组在发送者和接收者之间遵循RTS/CTS/DATA/ACK序列。RTS和CTS成功交换后，两个节点将利用它们的休眠时间进行数据分组传输，直到它们完成传输后才遵循它们的休眠时间表。在每个侦听间隔内，由于占空比操作和竞争机制，S-MAC有效地标识由于侦听和碰撞产生的能量消耗。但是S-MAC协议仍存在以下的缺