无线传感网定向天线MAC协议对比分析研究

论文总字数：20880字

目 录

一 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.3 本文主要工作 1

1.4 本文主体结构 1

二 无线传感器网络技术基础 2

2.1 无线传感器网络概述 2

2.2 无线传感器网络特征 2

2.3 无线传感器网络体系结构 3

2.4 无线传感器协议栈 4

2.4.1 网络通信协议 4

2.4.2 网络管理平台 5

2.4.3 应用支撑平台 5

2.5 无线传感器网络的应用 6

2.5.1 军事应用 6

2.5.2 环境应用 6

2.5.3 工业应用 6

2.5.4 健康应用 6

三 无线传感器网络MAC层协议研究 6

3.1 MAC层协议概述 7

3.1.1 影响协议设计的因素 7

3.1.2 协议分类方法 8

3.2 常见MAC协议分析 9

3.2.1 基于竞争的MAC协议 9

3.2.2 基于分配的MAC协议 10

3.2.3 混合MAC协议 11

3.3 MAC协议整体比对分析 12

3.4 MAC层协议总结 13

四 基于定向天线的MAC协议 14

4.1 定向MAC协议关键技术问题 14

4.1.1 邻节点位置和发现问题 14

4.1.2 隐藏终端问题 14

4.1.3 “听不见”问题 15

4.2 定向MAC协议分类 15

4.2.1 单信道定向MAC协议 15

4.2.2 多信道定向MAC协议 16

4.3 定向MAC协议总结 16

五 总结与展望 16

参考文献 17

致谢 18

无线传感网定向天线MAC协议对比分析研究

顾栋洲

，China

Abastract:Wireless sensor network is a large number of sensor nodes in a wireless network, it needs to be deployed in user perception and data collection area, it is always called WSN for short. This paper focuses on the MAC layer protocol of WSN. MAC layer protocol main concern is how to make the sensor nodes in a wireless network to avoid conflicts and collisions,on the other side , it also care about how to carry on effective and reliable communications.From the characteristics and practical application of wireless sensor networks departure, the MAC layer protocol study practical problems need to be addressed. Then introduced now it exists in several mainstream MAC protocol, a detailed analysis of their core ideology and disadvantages. Finally, several new issues introduced after WSN directional antenna and directional antenna MAC protocol to that end.

Key words：Wireless sensor network;MAC protocol; directional antenna

一 绪论

1.1 研究背景

传感器技术是获取信息最重要的技术之一，随着网络时代的不断推进，人们对于信息的要求也越来越高，所以传感器技术也必须不断更新才能跟上前进的步伐，它的发展由原先的单一走向多元。

网络技术发展越来越快，不仅仅是建立在电脑桌面和无限的数据之中，同时也向物理环境靠拢。

无线传感器网络（WSN）通过多种集成式的传感器节点对目标区域进行实时监测和获取信息，并对数据信息加以处理，再通过自组织多跳方式将信息传输到管理系统，实现“无所不在的计算”的概念^[1]。

1.2 研究现状

20世纪70年代，第一代传感器网络诞生，此时的传感器使用点对点的方式进行数据传输，同时只能获取简单数据；随着科技的发展，传感器网络采用串/并口网络连接传感器节点来获取信息，形成了能够收集并处理信息的第二代传感器网络；在20世纪90年代后期，人们通过使用一根总线来连接传感器，同时传感器获取信息的方式更加智能化，信息处理能力也更加强大，它被称为第三代的传感器网络；第四代传感器网络诞生于21世纪初，采用无线通信模式，在需要检测的区域部署具有简单数据处理能力的传感器节点，无线自组织地实现节点之间的相互通信，但是由于关于节点成本和电池生命的问题尚未拥有很好的解决方案，所以这一代传感器不能很好地在现实中得到实现。

无线传感器网络最先是被应用在军事方面的，美国军方最先开始该应用的研究，分别开展了CEC、REMBASS、TRSS、SensorIT、WINS、SmartDust、SeaWeb、μAMPS、NEST等研究项目。在这些研究项目中，美国投入了几千万美元的资金去资助各所大学进行无线传感器网络的研究。自此之后，国际性质的学术会议上对于WSN的探讨次数逐步加多，可供参考的期刊论文等也有了很大幅度的增额。

1.3 本文主要工作

本文的主要工作就是对MAC层协议的分析。首先我们必须了解无线传感器网络的特点，接着分析研究已经存在的MAC协议的优缺点以及它们在怎样的应用环境下能够最大程度的发挥出它们的优势。最后讨论在引入定向天线后MAC协议存在的几个问题，同时列举出为解决问题提出的几种常见MAC协议。

1.4 本文主体结构

本文主要分为三个部分阐述观点。

第一章是绪论章节，主要介绍无线传感器网络的研究背景和发展状况。

第二章主要介绍无线传感器网络的技术基础，包括了WSN的概述、特点、体系结构、协议栈以及应用领域。

第三章主要介绍的是MAC层协议的特点，首先讲述应当如何去设计MAC协议，接着根据一定的分类来分析常见的MAC协议，最后经过对这些协议的对比分析得到结论。

第四章主要介绍了定向天线MAC协议设计的主要问题和已经提出的解决方案。

第五章对本文的工作进行了一定的总结，同时对进一步的工作进行展望。

二 无线传感器网络技术基础

2.1 无线传感器网络概述

无线传感器网络是如今科学领域非常受到关注的一个需要多科学进行同步使用和研究的一个重要学问。简单地说，无线传感器网络就是在需要进行探测的环境中部署相应的传感器节点，并且通过无线访问方式组织成一个大型网络，其中传感器节点进行数据采集的工作，然后通过无线网络将采集到的信息发送到接收者处让其进行数据处理。总结来说WSN是建立在集传感与控制能力、采集数据能力、通信能力、计算能力于一体的嵌入式节点的基础上的，即传感器，然后通过无线方式将它们互联起来的网络。

2.2 无线传感器网络特征

WSN 与传统无线网在设计以及使用途径方面具有很大的差异性，所以WSN的特征与传统无线网具有很大的不同，主要有如下几点：

1、通信半径小，带宽低。在无线传感器网络中进行数据传送是通过多跳的方式达成的，因此不适用于大范围的通信，一般范围都在几十米之内，否则容易出现数据包丢失的情况。同时因为在节点发送数据之前会对即将发送的数据进行整合或者删除等简单的操作，这样可以在发送数据时使用较少的网络流量，是以WSN所需要的传输带宽较小。

2、传感器节点数目多、部署区域广。一般情况下为了更好得采集到监测数据，在监测区域内传感器节点会布置的比较密集，同时数量也非常庞大。WSN在设置很多节点的情况下可以监测很大范围，所以可以将其部署在很大的地理区域。

3、计算能力薄弱，存储容量有限。因为受到传感器体积和功耗的影响，所有WSN的计算能力相对薄弱。因此在内存容量有限的情况下如何最大程度地进行计算是一个难题所在。

4、节点平等、自组织。在无线传感器网络中，我们不需要设置中心节点，所以每个节点的地位是平等的，这样的特征使得WSN的整体结构相当可靠，一个节点被破坏不会引发整个网络工作异常，同时自组织的特点使得每次有新的节点加入到整个网络中来的时候可以更加自如地适应网络拓扑结构。

5、电池持续时间短。因为传感器的数目众多，并且这些节点分布的区域可能相当广阔，不能够依靠人为的更换电池来使整个网络续航工作，所以如何保持最小的能耗让传感器网络工作更多的时间是需要解决的问题。

6、高冗余、容错率高。传感器节点大区域的密集性使用使得整个网络中存在很高的节点冗余和获取的数据冗余，这样的使用方式增加了WSN的负担，但是相对而言也提高了网络的容错性，使得关键的数据不会丢失。

7、使用与应用相关。WSN没有统一的通信协议标准，所以需要根据特定的应用环境来定义标准。

2.3 无线传感器网络体系结构

如下图2.1所示，无线传感器网络体系结构一般都拥有以下几个组成部分：传感器节点所在的监测区域、汇聚节点、管理节点。我们在监测区域内部署大量的传感器节点（Sensor node），这些节点通过节点间的通信相互连接起来构成了一个较为完整的网络体系，它们之间的通信是通过多跳的方式进行的，在传感器收集完检测任务所需求的数据之后会将数据统一发送到汇聚节点（Sink node）上，汇聚节点一般与外界网络直接相连，所以可以通过互联网的方式将数据传送到用户管理节点进行最终处理。管理节点的作用在于用户可以通过它对汇聚节点以及检测区域内的传感器节点进行一定的参数配置，同时管理节点也是向传感器节点发送检测任务的主要接口。

传感器节点

网络

图2.1 典型WSN体系结构

通常在应用中使用的传感器节点是一个将很多的应用系统集成之后并嵌入到硬件中的集成系统，对于单一的传感器节点而言，它由于受到体积以及电池电量等问题的影响，所以存储能力、计算能力、处理能力和续航时间上都不是很强。传感器节点的主要任务是收集管理节点发布的监测任务中需要的数据，同时它也需要对转发过来的信息进行相应的处理，才能将最终的数据发送给汇聚节点。相对的我们来看汇聚节点的能力体现，它作为对外联系的节点，存储能力、计算能力和通信能力都比传感器节点强很多，同时它的供电方式一般不采用内置电池，所以不容易出现一般传感器节点经常出现的能量不足的问题，此节点一般与外界的网络直接相连接，方便将收集处理过的数据传送到管理节点，同时也负责将管理节点的监测任务发布给传感器节点。

传感器节点的组成相当简易，最为简单的传感器只需要包含传感模块、处理模块、通信模块和电源模块就可以正常工作。传感模块主要由传感器和模数转换模块组成，它的主要功能是收集数据，处理模块的主要作用是处理采集到的数据或者其他节点转发过来的数据，通信模块采用的是无线通信方式与其他节点通信。除了上述的4个基本构成模块，我们还有为传感器节点准备了一些候选的模块功能，包括了定位模块和移动模块，以及为解决能量不足而准备的电源自供电模块，定位模块一般是为传感器采集信息提供一定的位置信息，移动模块的存在是为了让节点能够自主选择位置信息，优点在于某些节点失去作用后调整拓扑结构的便利，图2.2所示就是传感器节点的一般组成结构。

图2.2 传感器节点组成

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