无线传感器网络混合网络拓扑MAC协议研究

无线传感器网络混合网络拓扑MAC协议研究硕士研究生：冯会伟指导教师：石为人教授重庆大学自动化学院控制理论与控制工程2009年7月15日硕士工作汇报主要研究工作一、无线传感器网络综述研究二、MAC协议研究1、MAC协议综述研究2、对分配型、竞争型、混合型MAC协议进行对比研究；3、对竞争型MAC协议的二进制退避算法进行改进，提出ARAC算法；4、仿真实验，从消息传输时延、丢包率等方面分析ARAC算法性能；三、结论与展望一、综述研究无线传感器网络由低功耗、低速率、低成本、高密度的微型节点组成，节点通过中继多跳、无线通信的方式构成自组织网络。每个节点由数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块以及电池模块组成，内置形式多样的传感器协作地感知、采集和处理网络覆盖区域的热、红外、声纳、雷达和地震波等信号，从而探测众多我们感兴趣的物理现象。传感器收发器MAC网络存储器处理器AC/DC能量供应模块传感器模块处理器模块无线通信模块因特网和卫星ABCDE汇聚节点任务管理节点监测区域传感器节点用户一、综述研究节点由于其成本和体积限制：电源能量受限、通信能力有限、计算和存储能力有限无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络。无线传感器网络是能够自主实现数据采集、融合和传输应用的智能网络应用系统。广泛应用在军事、环境科学、医疗卫生、家庭自动化、建筑等多领域。涉及众多关键技术：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术等。无线传感器网络协议栈物理层：频段的选择，信号的调制以及数据的加密。数据链路层：数据帧的监测，媒体访问控制和错误控制。保证无线传感器网络中点到点或一点到多点的可靠连接。MAC功能:无线信道管理，信标帧发送及设备间同步；错误控制通过应答握手信号及循环冗余校验实现。网络层：对传输层提供的数据进行路由。传输层:维护网络中的数据流，保证通信服务质量。应用层：根据具体应用需求添加不同的应用程序。一、综述研究物理层MAC子层网络层逻辑链路子层硬件驱动模块数据链路层传输层应用层一、综述研究移动节点1移动节点n移动节点5移动节点4移动节点3移动节点2远程监控现有通信系统传感器感知子网移动交互子网星型网拓扑网状网拓扑网络协调器网络协调器全功能设备精简功能设备通信信道拓扑类型功耗传输距离星型网络低短网状网络高长混合网络低长混合网络拓扑应用系统抽象介质访问控制（MediunAccessControl,MAC）协议的设计是无线传感器网络的关键技术之一，基本任务是节点共享网络媒体的接入问题。MAC决定无线信道的使用方式，通过在传感器节点之间分配和共享有限的无线通信资源，构建起无线传感器网络通信系统的底层基础结构。设计MAC协议关键问题：能量效率；自组织和可扩展性；网络效率；算法复杂度；与其他层协议的协同；二、MAC协议研究2.1MAC协议分类从不同的角度入手，对MAC协议分类可以有多种。可以按照以下条件分类MAC协议：根据网络类型采用分布式控制还是集中控制；根据MAC协议使用的信道数目分为基于单一信道、基于双信道和基于多信道；根据MAC协议使用信道方式分为基于竞争型、分配型以及混合型。二、MAC协议研究2.1MAC协议分类按照信道使用方式分为：分配型MAC协议FDMA，TDMA，CDMA，SDMA各子信道之间无冲突，互不干扰，易于休眠，能量效率高。但不能灵活适应网络拓扑变化，协议算法复杂较高。竞争型MAC协议802.11，802.15.4混合型MAC协议ZMAC能很好地适应网络拓扑变化并提供均衡的网络性能。时隙分配DRAND算法复杂，实现比较困难，限制了ZMAC的应用。DIFS当信道空闲时间大于DIFS时使用信道信道忙竞争窗口退避窗口下一帧推迟发送时间槽时间SIFSPIFSDIFSCSMA/CA的基本访问机制当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。2.1.1竞争型MAC协议基本思想当多个节点推迟发送进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时间节点作为竞争优胜者。退避时间=Random（）×aSlottime节点A节点B节点C节点D节点EDIFS推迟推迟推迟推迟帧竞争窗口帧帧帧帧竞争窗口竞争窗口竞争窗口退避时间剩余退避时间2.1.2竞争型MAC协议退避机制①根据需要分配信道，能较好地满足节点数量和网络负载的变化；②能较好地适应网络拓扑的变化；③算法相对简单，容易实现。无线传感器网络节点的硬件资源、计算能力、存储能力、能量等受限的前提下，认为基于竞争的MAC协议算法比较适合大多数应用。基于竞争的MAC协议如802.15.4等大多采用二进制指数退避算法。2.1.3竞争型MAC协议优点二进制指数退避算法（binaryexponentialbackoff,BEB）：每次发生冲突时，退避计数器的值加倍；每次交互成功时，退避计数器的值降到最小值。BEB算法有两个缺点：一是不能正确反映信道的争用情况二是BEB算法会带来不公平现象BEB算法退避窗口更新规则不合理使算法不能很好适应流量突发或者节点同时传送信息的多跳网络应用场景。2.2.1二进制退避算法缺点参考改进更新规则算法以及研究分析，提出ARAC算法（AdaptiveRapidaccessAvoidCollision）。设置两个阈值CW1、CW2来区分低流量和高流量退避，兼顾不同网络流量下性能；分段采取不同更新规则，使节点能够自适应快速接入信道；节点连续三次发送成功时，认为CW为粗略优化值，在一跳范围内同步更新CW。2.2.2ARAC算法ARAC算法竞争窗口更新规则具体描述：CWminCWCW1ifbusyCWminCWCW1（2，），（，）CWminCW-2CWminifidleCWminCWCW1（，），（，）CWminCWCWmaxifbusyCW2CWCWmax（α*，）（，）CWminCWCW2ifidleCW2CWCWmax（β*，）（，）CWCWmininitialization，（）CWCW2+2ifbusyCW1CWCW2，（，）CWCW1-2ifidleCW1CWCW2，（，）CWCWifretrylimitreachedfail（，）CwminCW1CW2CWmax2.2.2ARAC算法2.3仿真实验分析2.3.1实验参数确定通过实验测定及算法描述，ARAC算法中取CW1=15，CW2=20，CWmin=3,CWmax=40，macMinBE=3,macMaxBE=5,MaxCSMABackoffs=4。IEEE802.15.4二进制原型退避算法各参数取值分别为：CWmin=2,CWmax=31，macMinBE=3,macMaxBE=5,MaxCSMABackoffs=4。将ARAC算法，IEEE802.15.4原型算法，LMILD算法进行对比分析。cCWminmCWCWmax（，）collidingnodescCWminCW+lCWmax（，）overhearingnodescCWmaxCW-lCWmin（，）successful,allnodesCW是竞争窗口，CWmin、CWmax和ARAC算法取相同值。mc是乘性因子置为2，lc是线性因子置为2。2.3.2实验环境设置星型网络，中心节点定时向各节点发送数据，各节点收到中心节点数据后采用退避算法竞争信道，发送数据到中心节点。节点由于检测到信道忙碌进而退避产生消息延时；节点多次退避超过退避次数接入信道失败，放弃发送，导致丢包。2.3.3仿真数据分析消息传输时延随着节点数增多，ARAC算法竞争窗口值根据网络流量变化而更新规则不同，能够自适应较快调整，接入信道。比原型算法相比大大减小消息传输时延，其整体性能比LMILD算法更加优化。丢包率ARAC算法可根据网络流量变化，较快调整窗口大小，以适应信道争用，合理分布各节点竞争窗口值提高成功接入率，减少消息重发次数，降低丢包率。2.3.3仿真数据分析2.3.4ARAC算法小结通过设定两个阈值，根据网络流量变化制定不同CW更新规则以及同步更新优化窗口值。主要优点是加快竞争窗口优化速度，使节点快速接入信道，减少数据包发送时延、丢包率等。降低重发次数同时也是降低了节点能耗。ARAC算法能较好得适应网络流量变化，算法设计复杂度低。2.4.1应用系统原型节点规划1）Sink节点：移动用户终端，位置不固定，具有感知、获取定位信息和数据汇集等功能。2）Node节点：网络路由节点，位置相对固定，具有感知、发布定位信息、数据融合和路由等功能。3）Device节点：网络设备节点，位置相对固定，具有感知、获取定位信息等功能。Node节点Device节点Sink节点虚拟簇2.4.2应用系统原型网络拓扑移动节点1移动节点n移动节点5移动节点4移动节点3移动节点2远程监控现有通信系统传感器感知子网移动交互子网网络拓扑为混合网络，虚拟簇内Device节点和Node节点构成星型网络。Node与Node节点之间、Node与Sink节点之间为点对点网络（网状网络）。参照IEEE802.15.4标准底层结构，对PHY、MAC层进行设计与实现。物理层（PHY）和MAC层通过数据服务访问点（PD-SAP、MACPS-SAP）和管理实体服务访问点（PLME-SAP、MLME-SAP）与上下层交互，提供数据和管理服务。MAClayerPHYlayerRF-SAPPLMEPHYPIBPD-SAPMLMEPLME-SAPMACPIBMCPS-SAPMLME-SAP2.4.3应用系统原型软件构架2.4.4应用系统原型测试数据01234567891357911131517192123252729测试次数时间(ms)测试值平均值丢包率测试值00.020.040.060.080.10.120.140.1623456789竞争节点数丢包率节点实验表明，软件构架可行，底层协议运行良好。MAC层消息传输时延0510152025303540452345678同时竞争信道节点个数时延（ms）消息传输时延数据传输速率多节点发送数据丢包率三、结论与展望工作归纳分析了三种典型的MAC协议，重点对竞争型MAC进行研究；创新点：针对竞争型MAC协议二进制退避算法存在的问题，提出了ARAC改进算法。通过仿真实验从消息传输时延、丢包率等方面验证了算法性能；根据背景需求，构建应用系统原型，对PHY、MAC层进行设计与实现。节点实验表明，底层协议运行良好。后续工作展望研究MAC协议能量效率问题；MAC协议与其它层协议的协同问题。