无线传感器网络基于时分复用的MAC协议的研究毕业设计论文.docx

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无线传感器网络基于时分复用的MAC协议的研究毕业设计论文

本科毕业设计（论文）

题目:

无线传感器网络基于时分复用的MAC协议

北京邮电大学

本科毕业设计（论文）任务书

学院

专业

学生姓名

学号

指导教师姓名

职称

设计（论文）题目

无线传感器网络基于时分复用方式的MAC协议的研究

题目分类

1、工程实践类□研究设计类√理论分析类□（1、2类中各选一项在□内打√）

2、软件√硬件□软硬结合□非软硬件□

题目来源

题目是否来源于科研项目是□否√

主要任务及目标：

研究无线传感器网络中的一类MAC协议：

基于时分复用的MAC协议

主要内容：

1．对传感器网络的MAC协议以及基于时分复用的MAC协议进行综述；

2．学习网络仿真软件OPNET；

3．研究DEANA协议；

4．研究TRAMA协议；

5．对上述两种协议进行比较，对其中之一进行改进或提出一种更有效的基于时分复用的MAC协议；

6．对改进的结果或新提出的协议性能进行仿真验证；

7．总结整个研究过程的收获；

8．翻译两篇最新的有关传感器网络MAC协议研究的英文论文。

主要参考文献：

[1]AkyildizIF,SuW,SankarasubramaniamY,CayirciE,“Asurveyonsensornetworks”,IEEECommunicationsMagazine,2002,40（8）:

102-114.

[2]BaoL,Garcial-Luna-AcevesJJ,“Anewapproachtochannelaccessschedulingforadhocnetworks”,Proc7thAnnualInt’lConfonMobileComputingandNetworking（MobiCOM2001）,Rome,Italy,July16-21,2001,210-221.

[3]RajendranV,ObraczkaK,Garcial-Luna-AcevesJJ,“Energy-efficient,collision-freeperiodicmediumaccesscontrolforwirelesssensornetworks”,Proc1stInt’lConfonEmbeddedNetworkedSensorSystems（SenSys’03）,November2003,LosAngeles,CA,181-192.

[4]孙利民等，“无线传感器网络”，清华大学出版社，2005。

[5]OPNETonlinetutorial.

进度安排：

2月中—3月中，查阅文献，编写开题报告，完成关于传感器网络MAC协议以及基于时分复用MAC协议的研究综述并学习仿真软件。

3月中—4月中，完成对DEANA以及TRAMA协议的研究并进行仿真，编写中期报告。

4月中—5月中，对以上几种MAC协议之一进行改进或提出新的基于时分复用的MAC协议，完成仿真。

5月中—6月中，完成论文的最终稿以及翻译，答辩。

指导教师签字

日期

2009年3月10日

注：

一式二份，学院、学生各一份。

北京邮电大学

本科毕业设计（论文）答辩决议书

学院

学生姓名

毕业设计

论文题目

指导教师姓名

指导教师评语：

（主要包含选题背景、意义；设计（论文）质量；设计（论文）成果、价值、创见性；论文撰写水平、文本规范程度；学生能力体现、工作量、工作态度；不足和希望等方面）

指导教师评分（满分40分）

签字

日期

年月日

答辩小组评语：

（主要包含选题背景、意义；设计（论文）质量；设计（论文）成果、价值、创见性；论文撰写水平、文本规范程度；答辩准备、陈述、回答问题情况；不足和希望等方面）

答辩小组评分：

组长职称：

签字：

（满分60分）成员职称：

签字：

成员职称：

签字：

成员职称：

签字：

成员职称：

签字：

年月日

注：

毕业设计（论文）成绩由指导教师评分（满分40分）和答辩小组评分（满分60分）相加，得出百分制成绩，再按100-90分为“优”、89-80分为“良”、79-70分为“中”、69-60分为“及格”、60分以下为“不及格”的标准折合成五级分制成绩。

北京邮电大学

本科毕业设计（论文）诚信声明

本人声明所呈交的毕业设计（论文），题目《无线传感器网络基于时分复用的MAC协议》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：

日期：

无线传感器网络基于时分复用的MAC协议研究

摘要

在无线传感器网络中，介质访问控制MAC协议决定无线信道的使用方式，在节点之间分配有限的无线通信资源。

MAC协议处于无线传感器网络协议的底层，在传感器网络中具有重要作用，是保证无线传感器网络高效通信的关键协议之一。

传统网络的MAC协议重点考虑节点使用带宽的公平性，提高带宽的利用率以及增加网络的实时性，而传感器网络MAC协议与传统网络的MAC协议所注重的因素正好反序，所以，传统网络的MAC协议不适用于传感器网络，需要研究和提出新的适用于传感器网络的MAC协议。

本文首先对于无线传感器网络做了系统的介绍，随后总结了传感器网络中MAC协议设计应该满足的一些要求，并对现有的MAC协议按照基于竞争和基于十分复用的原则分成两类进行介绍，重点介绍基于时分复用的MAC协议。

然后重点研究了无线传感器网络中基于时分复用的两种典型协议——DEANA和TRAMA协议。

通过使用网络仿真软件OPNET对上述两种协议进行仿真比较。

经过仿真可知，和其他一些协议相比，DEANA协议可以节省大约95%的能量。

但是DEANA协议要求相当高的时间同步精度。

关键词　无线传感器网络　MAC协议　OPNET网络仿真工作

TheResearchofWirelessSensorNetworksMACProtocolBasedonTDMA

ABSTRACT

Inwirelesssensornetworks,themediumaccesscontrol（MAC）protocoldecidedtheaccessofthewirelesschannelandtheallocationofthewirelesscommunicationresourcesamongthenodes.Asthebottomfoundationofwirelesssensornetworks,MACplaysanimportantroleinsensornetwork.Itisoneofthecrucialprotocolswhichguaranteetheefficiencyofthewirelesssensornetworkcommunication.

TheMACprotocolofthetraditionalnetworkfocusesonthefairnessoftheuseofbandwidth,improvingthebandwidthutilizationratioandincreasingthereal-timeofthenetwork.Butwhatthesensornetworkfocusesonisdifferentfromthetraditionalnetwork.ThereforetraditionalMACprotocolscannotbeappliedefficientlytoWSNs,manynewMACprotocolswhichareadequateforWSNsneedtobediscussedandproposed.

Inthispaper,wefirstintroducethewirelesssensornetworkbriefly.NextwesummarizetherequirementsweneedtodesigntheMACprotocolsforsensornetwork.WemainlyintroducedtheMACprotocolsbasedonTDMAafterintroducedtwotypesofMACprotocols-------contention-basedMACprotocolsandTDMA-basedMACprotocols.AfterthatwefocusonDEANAandTRAMA,twoTDMA-basedMACprotocols.Attheend,OPNETwasusedtocomparetheperformanceofthetwoprotocols.

Usingthesimulationresult,wefindoutthatDEANAcanachievesignificantenergysavings（upto95%）.Butitcallsforveryhighaccuracyoftimesynchronization.

KEYWORDSWSNMACprotocolsOPNET

目　　录

第一章引言

1.1课题研究背景及意义

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,简称WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，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，并发送给观察者，使得人们能在任何时间、地点和任何环境条件下都能获得大量详实而可靠的信息。

传感器网络由于其具有易扩展、自组织、分布式结构、健壮性和实时性等特点，能够广泛地应用在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢救救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域。

由于传感器网络巨大的科学意义和应用价值，已引起全世界各国学术界、军事部门、商界和工业界的极大关注。

自2001年开始，美国国防高级研究计划局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency,DARPA）把智能传感器网络的基础研究，以求获得所谓战区“超视觉”数据。

2002年8月，美国国家科学基金会NSF资助4000万美元在UCLA成立了传感器网络研究中心，联合各高校展开“嵌入式智能传感器”项目进行研究，以求利用传感器网络对物理世界实现全方位的监测与控制，这也是美国国情咨文中有关NGI最主要的远景规划之一。

日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。

我国在传感器网络方面的研究工作还很少，启动我国在该领域的基础研究，特别是面向国防的应用研究，以提高国防军事信息化的水平及争取未来信息战中的主动权，不仅具有重要社会与经济意义，也具有十分长远的战略意义。

在无线传感器网络中，介质访问控制（mediumaccesscontrol,MAC）协议决定了无线信道的使用方式，通过在传感器节点之间分配有限的无线通信资源来构建传感器网络的底层基础结构。

MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。

本文共分五章：

第一章为绪论部分，主要介绍了无线传感器网络的概念、课题背景、发展状况以及本文的工作内容和组织结构；

第二章主要分析了无线传感网络的组成结构，总结了现有的无线传感网络的体系架构、应用和特征。

第三章主要就现有的无线传感网络的各种MAC协议和算法进行了对比和分析，总结了无线传感网络MAC协议的共有特点以及不同网络MAC协议间的不同之处。

为后面的深入研究无线传感网络的MAC奠定了基础。

第四章主要介绍了使用的仿真平台：

网络仿真软件OPNET，并略述在OPNET中实现无线传感网络仿真的工作。

第五章针对分布式能量感知节点活动（distributedenergy-awarenodeactivation,DEANA），进行了分析和仿真，证明了算法的有效性。

最后对所作的工作进行了总结和未来工作的展望。

第二章无线传感器网络概述

2.1无线传感器网络的概念

随着无线通信、微电子机械制造技术和传感技术的发展，无线传感器网络（Wirelesssensornetworks,WSNs）引起了人们的广泛关注.。

WSNs由部署在监测区域内，大量集成有感知、数据处理和无线通信及能量供应模块的微型传感器节点所组成。

在目标入侵监测、目标跟踪、环境监测、战场侦察、生物医疗、抢险救灾以及工业加工过程的监控等领域，WSNs都具有广阔的应用前景。

传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物）。

传感器网络结构如图2-1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensornode）、汇聚节点（sinknode）、和管理节点。

图2-1无线传感器网络

如上图所示：

传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到汇聚节点，汇聚节点也可以用同样的方式将信息发送给各节点。

汇聚节点直接与Internet或通信卫星相连，通过Internet或通信卫星实现任务管理节点（即观察者）与传感器之间的通信。

2.2传感器网络体系结构

无线传感器网络的实现需要自组织（Adhoc）网络技术。

尽管已有许多Adhoc网络的协议和算法，但并不能够满足传感器网络的需求。

具体来说，相对于一般意义上的自组织网络，传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计中特殊考虑[1]。

（1）无线传感器网络中的节点数目高出Adhoc网络节点数目几个数量级，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求。

由于传感器节点的数目多开销大，传感器网络通常不具备全球唯一的地址标识，这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网络而言，有很大的简化。

此外，由于传感器网络节点众多，因此，单个节点的价格对于整个传感器网络的成本而言非常重要。

（2）自组织传感器网络最大的特点就是能量受限。

传感器节点受环境的限制，通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。

（3）由于传感器网络应用的环境的特殊性、无线信道不稳定以及能源受限的特点，传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的以保证部分传感器网络的损坏不会影响到全局任务的进行。

（4）传感器节点高密度部署，网络拓扑结构变化快，对于拓扑结构的维护也提出了挑战。

上述这些特点使得无线传感器网络有别于传统的自组织网络，并在当前的一些体系结构设计的尝试中得到了突出的表现。

2.2.1传感器网络节点功能结构

在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这4部分组成（见图1）。

根据具体应用需求，还可能会有定位系统以确定传感节点的位置，有移动单元使得传感器可以在待监测地域中移动，或具有供电装置以从环境中获得必要的能源。

此外，还必须有一些应用相关部分，例如，某些传感器节点有可能在深海或者海底，也有可能出现在化学污染或生物污染的地方，这就需要在传感器节点的设计上采用一些特殊的防护措施。

图2-2传感器网络节点功能结构

2.2.2传感器网络的通信体系结构

根据以上特性，传感器网络需要根据用户对网络的需求设计适应自身特点的网络体系结构[2]，为网络协议和算法的标准化提供统一的技术规范，使其能够满足用户的需求。

传感器网络体系结构具有二维结构（如图2-3所示），即横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面。

通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层、应用层，而网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面。

管理面的存在主要是用于协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。

图2-3传感器网络的通信体系结构

1、物理层

无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。

例如，在微尘项目中，使用了光介质进行通信。

还有使用红外技术的传感器网络，它们都需要在收发双方之间存在视距传输通路。

而大量的传感器网络节点基于射频电路，本文主要探讨这类传感器网络。

无线传感器网络推荐使用免许可证频段（ISM）。

在物理层技术选择方面，环境的信号传播特性、物理层技术的能耗是设计的关键问题。

传感器网络的典型信道属于近地面信道，其传播损耗因子较大。

并且天线高度距离地面越近，其损耗因子就越大，这是传感器网络物理层设计的不利因素。

然而无线传感器网络的某些内在特征也有有利于设计的方面，例如，高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影效应和路径损耗。

目前低功率传感器网络物理层的设计仍然有许多未知领域需要深入探讨。

2、数据链路层

数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制。

数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接。

（1）媒体接入控制

在无线多跳Adhoc网络中，媒体访问控制（MAC）层协议主要负责两个职能。

其一是网络结构的建立。

因为成千上万个传感器节点高密度地分布于待测地域，MAC层机制需要为数据传输提供有效的通信链路，并为无线通信的多跳传输和网络的自组织特性提供网络组织结构。

其二是为传感器节点有效合理地分配资源。

蓝牙和移动Adhoc网络可能是最接近传感器网络的现有网络。

然而蓝牙采用星形网络拓扑结构，并采用集中式分配的时分复用机制，这对于拓扑结构需要经常调整的无线传感器网络来说并不有利。

传统Adhoc网络的MAC层协议强调在移动条件下提供较好的服务质量（QoS）保证，节电并非其考虑的主要因素，因此，也不能够照搬于无线传感器网络。

（2）差错控制

数据链路层的另一个重要功能是传输数据的差错控制。

在通信网中有两种重要的差错控制模式分别是前向差错控制（FEC）和自动重传请求（ARQ）。

在多跳网络中ARQ的使用由于重传的附加能耗和开销而很少使用。

既便是使用FEC方式，也只有低复杂度的循环码被考虑到，而其他的适合传感器网络的差错控制方案仍处在探索阶段。

3、网络层

传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围。

在传感器网络节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。

传统的Adhoc网络多基于点对点的通信。

而为增加路由可达度，并考虑到传感器网络的节点并非很稳定，在传感器节点多数使用广播式通信，路由算法也基于广播方式进行优化。

此外，与传统的Adhoc网络路由技术相比，无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题。

基于节能的路由有若干种，如最大有效功率（PA）路由算法，即选择总有效功率最大的路由，总有效功率可以通过累加路由上的有效功率得到。

最小能量路由算法，该算法选择从传感器节点到接收器传输数据消耗最小能量的路由。

基于最小跳数路由：

在传感器节点和接收机之间选择最小跳数的节点。

以及基于最大最小有效功率节点路由，即算法选择所有路由中最小有效功率最大的路由。

传感器网络的网络层设计的设计特色还体现在以数据为中心。

在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。

而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。

4、传输层

 传感器网络的计算资源和存储资源都十分有限，而且通常数据传输量并不是很大。

这样，对于传感器网络而言，是否需要传输层是一个问题。

最为熟知的传输控制协议（TCP）是一个基于全局地址的端到端传输协议，而对于传感器网络而言，TCP设计思想中基于属性的命名对于传感器网络的扩展性并没有太大的必要性，而数据确认机制也需要大量消耗存储器，因此合适于传感器网络的传输层协议会更类似于UDP协议。

2.3无线传感器网络的特征

WSNs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。

与WSNs网络最为相似的是移动自组织网络（MobileAdhocnetworks,MANET），尽管二者都是无线自组织多跳网络，具有相似之处，但差异很大。

1、自组织性

无线传感器网络是通过向监测区域随机抛撒大量的传感器节点来部署网络的，各节点间通过自我协调、自我配置组成网络，无法依靠其他辅助设施或是认为手段来配置网络。

由于能量限制、环境干扰和人为破坏等因素的影响，传感器节点会损坏，导致一些节点不能正常工作，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。

这就要求传感器节点的自组织能力来适应这种网络拓扑结构的动态变化。

2、动态拓扑

在传感器网络的是使用过程中，有以下几种原因造成传感器网络拓扑结构的改变：

①新节点的加入；②环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通。

3、以应用为导向的网络

传感器网络具有非常广阔的应用前景，不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器网络的应用系统也有多种多样的要求。

其硬件平台、软件系统和网络协议都有很大差别。

针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

4、多跳路由

节点受通信距离、功率控制或节能的限制，当节点无法与网关直接通信时，需要由其他节点转发完成数据的传输，因此网络数据传输路由是多跳的。

2.4无线传感器网络的应用

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。

基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。

1.军事应用

传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上的应用。

在现代战争中，可以通过飞机撒播等形式将大量廉价的传感器密集地部署在人员不便到达的观察区域。

如敌方阵地，收集到有用的机密数据；在个别或一部分传感器节点因为遭破坏等原因失效时，传感器网络仍然能够依靠自组织性完成贯彻任务。

传感器网络众多优点可适应于以下几种军事应用：

①监测人员、装备等情况以及单兵系统；②监测敌军进攻；③评估战果；④核