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一种基于UWB无线Ad hoc 网络MAC控制协议

一种基于UWB无线Ad hoc网的MAC控制协议

王小华,崔晓燕

北京邮电大学信号与信息处理系北京(1000876)

E-mail:wangxiaohua.lucky@https://www.wendangku.net/doc/2b14811404.html,

摘要:为了解决传统MAC协议存在的时延较大,吞吐量低的问题,论文提出了一种改进的媒体接入控制协议CT-MAC。CT-MAC协议实现了多个数据同时通信,协议采用基于CSMA/CA的方法,用一系列特定的扩频码来发送数据帧和ACK帧。当使用不同的扩频码时,多个发送-接收节点就可以互不干扰的同时通信,从而减少了数据通信延迟,增加了吞吐量。仿真结果也表明CT-MAC协议与传统CSMA/CA协议相比,在时延和吞吐量上都有了明显的改进。

关键词:超宽带,媒体访问控制,载波侦听多点接入/避免冲撞

1. 引言

随着通信技术的发展,UWB技术凭着自身的优势,获得了厂商和研究机构的青睐,并且得到了更深入的研究。UWB是一种以占空比很低的冲激脉冲作为信息载体的无载波通信技术,采用持续时间非常短的爆发式脉冲,根据傅立叶变换的不确定原理,这样的时域脉冲在频域里延展出非常宽的带宽【1】【2】。UWB最主要的优点是可以获得极低的类似于高斯白噪声的功率谱密度,提高了频谱利用率。UWB信号带宽是现在系统带宽的数千或者数万倍,可以用很低的发送功率达到传统窄带系统无法达到的传输速率。UWB脉冲持续时间超短,信号可以轻易的区分开,大大减少了多径干扰的影响。UWB具有很强的穿透能力,适合于室内通信【3】。

针对UWB技术的应用,IEEE制订了802.15标准,但该标准目前仅仅针对短距离无线通信的应用,并未涉及UWB技术在移动Ad hoc网络中的应用。对于UWB技术在移动Ad hoc中的应用可在Bluetooth标准的基础上进行改造,主要是对其QoS、MAC层协议及网络层路由协议的改造。其中对采用UWB技术的移动Ad Hoc网络的QoS需要重新进行定义,针对UWB技术特性的网络层路由协议、多址接入方式也需要重新进行探讨,同时还涉及网络资源管理、拓扑结构设计、分群算法、功率控制等问题【4】。

到目前为止,对于UWB系统的开发和研究都是致力于物理层的传输问题,在物理层方面也形成了2个标准,比如摩托罗拉公司DS-UWB采用传统的脉冲无线电方案,而英特尔、德州仪器等公司MB-OFDM采用了正交频分复用(OFDM)技术。相对应的,对于UWB 设计的MAC层研究工作不是很多,研究文献也很少,但现在人们已经逐渐认识到UWB中MAC层的重要作用。对于UWB来说,理想的MAC层能实现如下功能:QoS、保证、低抖动、固定延迟、无冲突接入、自组织和中央控制、低系统开销、安全性、多用户支持、可扩张性等【5】。合理的MAC设计,能够极大提升整个系统的性能,对UWB系统的MAC研究正在不断的深入中。本论文针结合UWB和MAC的特点,介绍了一个基于UWB的 Ad hoc 网络MAC协议。

2. MAC层协议-CT-MAC

本节介绍了UWB中的一种MAC协议-CT-MAC(medium access control with concurrent transmissions)。协议假定没有特殊的物理层结构,假定采用UWB中每个传输占用至少500MHz带宽的定义。CT-MAC基于IEEE802.11,采用了载波侦听多点接入/避免冲撞

(CSMA/CA)方法,一方面,载波侦听——查看介质是否空闲;另一方面,避免冲撞——通

过随机的时间等待,使信号冲突发生的概率减到最小,当介质被侦听到空闲时,优先发送[6]。

2.1 干扰距离与传输距离的比值

图 1 发送节点,接收节点,干扰节点之间的距离模型

考虑到UWB 系统的容量密度C ,有公式 C = L d i 2L e P 1R π)

-(× (1)

C 是容量密度,R 是比特速率,L 是信息包大小,i d 是一个以接收节点为圆心的圆形区域的半径,在这个圆形区域里没有其他节点进行发送,d 是发送节点和接收节点的距离,而对应在图1里,i d 与d 是有联系的,i d =x ×d (x >0)。e P 是传输比特出错概率,假设采用了BPSK 调制技术, 信道为AWGN(加性高斯白噪声),e P =)(

5.0γerfc ×,γ是信噪比(SNR) [6]。

进一步假设背景噪声相对与多用户间的干扰可以忽略不计,并且在同一个功率级别发送所有的数据包。图1模型的SNR 就可以如此表示:

γ=αx R W × (2) α

是信号衰减系数,W 是传输的带宽。 对于一个传输速率,发送和接收距离,包大小都给定的系统,可以更进一步定义标准的容量密度C R

L d C 2C π==L R W x x )/erfc 5.01(2)(α×?? (3) 由公式(3)可以看出,当x 趋于0时,趋于无穷大。但是当x 趋于0,接收节点和干扰节点就重合了。对于实际情况来说,x 趋于0没有意义。考虑x 足够大时,能够实现一个有效的传输过程。这样的话,当x 增加,的值也随着增加到一个最大值,然后单调递减。最大的时候,x 则是理想的距离比值。由公式(3)可以看到,当其他比特速率,带宽等变量恒定的时候,x 值的变化极大影响着整个系统的容量密度。选择合适的x ,对于整个系统容量密度提高有着很重要的作用[6]。

2.2 CT-MAC 协议工作的流程

CSMA/CA 方法的工作原理:发送节点首先发送一个RTS(Request-To-Send)帧,目标接收节点探测到这个RTS ,在SIFS(short inter-frame spacing)时间间隔后发出一个

CTS(Clear-To-Send)帧,发送端正确接收到CTS 以后开始发送数据帧,接收节点正确接收数据帧,返回一个ACK 。每一个RTS 和CTS 帧都包含了目标节点的识别标志和传送数据包的长度,任何接收到RTS 和CTS 帧的节点根据数据包的信息来更新NA V(Network Allocation Vector),NA V 指示的是信道传输,发送端停止工作的时间。如图2 所示。

在上面这个方法里有一个严重的缺陷:在当前传输没有结束的情况下,在接收端范围内是不能有其他发送节点进行工作的。CT-MAC 解决了这个问题,实现同时间的多个传输。在CT-MAC 里,在RTS/CTS 帧交换工作后,发送的数据帧和ACK 帧采用了一系列特定的扩频码进行传输。在图3里,节点A 到B 发送的数据帧使用了节点B 的特定扩频码CB ,接收了DATA 帧后,B 节点发送的ACK 帧使用了A 节点的特定扩频码CA 。使用了这样一种特定的扩频码后,只有相对应的节点才能够正确的接收传输的信息,对于其他节点来说,接收到的则是噪声。就这样采用不同扩频码,多个发送-接收节点就能正确的在彼此的传输范围类同时通信。

图2 CT-MAC 时间图

图3 用于UWB 无线网络的CT-MAC 协议

在图3里,当B 节点转换到合适的扩频码CB 以后,可以成功接收数据帧。在ACK 帧到达前,A 节点需要转换为扩频码CA ,具体的过程在图4里面有详细介绍。

假设B 节点接收一个RTS 帧,它在发送CTS 后转换为扩频码CB ,同时开始一个数据帧计时器。假定CTS N 是上面NA V 的值,ACK T 是ACK 传输的持续时间,sifs T 是SIFS 时间间隔。从图3来看,数据帧计时out DATA T 可以这样计算 out

DATA T =CTS N -ACK T -sifs T

(4)

在CT-MAC 协议中,out DATA T 是有设定值的。在out DATA T 期满或者数据帧接收完毕情况下,out DATA T

计时器清零,接收节点的扩频码重设。

当CT-MAC 中,接收到一个CTS 帧。节点A 用扩频码CB 传送数据后,转换为扩频码CA 。在发送了数据帧后,节点A 开始一个ACK 的计时器out ACK T

,可以这样计算 out ACK T =ACK T +sifs T (5)

在接收到ACK 帧或者out ACK T

到时间的情况下,计时器清零,节点的扩频码重设。

图 4 CT-MAC 流程图

为了满足误码率的要求,CT-MAC 协议在同时传输方面也有相应的限制。比如, i d /d 的比值,对于W/R 能确定的情况下,这个比值应该尽量保持在理想值。在CT-MAC 协议中,由于不同区域不同节点发送的帧都有着不同的d ,对于每一个不同的d ,系统都要自动重新计算一次比值。

3. 仿真比较

如上文所说CT-MAC 协议是基于802.11协议原始CSMA/CA 的改进,现对原始CSMA/CA 与CT-MAC 进行仿真比较,本节主要考察延迟特性。NS-2.lb89中有IEEE 802.11的CSMA/CA 实现模块,原始的仿真就采用这个模块,并对其中的参数进行部分的修改,在

此模块基础上实现对于CT-MAC算法。下面是对于两种协议的仿真及其分析结果。

首先给出仿真参数:采用的仿真环境是400m ×400m 的ad hoc 无线网络;无线信号传输的距离为100m;仿真带宽W定义在500MHz和5GHz间;比特速率R定义在1Mbps;数据包长度为1024 bytes。CSMA/CA 相关的参数为:SIFS、PIFS、DIFS 分别为10 us、30 us、50us;碰撞窗口的大小为31~ 1 023;分别选择20、30 和40 个站点(STA ) ;STA 位置随机选择;以0. 9 的概率移动, 平均移动速度为1m/s;采用的路由协议为AODV。

如图5所示,是一个CT-MAC评估的简单的节点拓扑,在图中,节点1和3都是发送节点,节点2和4都是接收节点,并特别定义下,2和4都是1和3产生的数据包的唯一接收节点。

图5 CT-MAC评估拓扑结构

通过上述定义,在NS2中进行仿真,有如下结果:

图6 基于802.11原始CSMA/CA与CT-MAC吞吐延迟特性

图6显示了CT-MAC与基于802.11原始CSMA/CA协议在吞吐延迟特性方面的比较。CT-MAC有带宽为500MHz与5GHz时候的仿真,802.11原始CSMA/CA仿真是带宽为5GHz 时候的仿真。从上图可以很清楚的看到,条件相同,CT-MAC的时延明显要小的多,与 802.11原始CSMA/CA相比有极大的提高,这是CT-MAC优越性的明确表现。

图7 带宽为500MHz时不同包大小下的吞吐延迟特性

从图7可以看出,当W/R一定的情况下,包的大小越大,它的吞吐延迟特性就越差。这是因为,包越大,对与同时传输的要求就越高,导致同时传输的几率变小。所以,在对吞吐延迟有严格要求的情况下,对于数据包的大小也有这相应的要求。

4. 结束语

本文首先介绍了UWB的特点,指出了设计MAC层协议存在的困难。在UWB基础上提出了CT-MA协议,该协议实现了多用户可靠传输,对ad hoc 网络MAC层研究具有一定的影响,是值得深入研究的MAC协议。但是与采用伪随机序列扩频,混沌序列扩频,伪混沌跳时,传统跳时的MAC协议比较优势不明显。当前ad hoc 网络的MAC协议研究还存在很多的问题,有待进一步研究。

参考文献

【1】 王海涛,郑少仁,宋丽华.移动Ad hoc网络的信道接入协议[J].数据通信, 2002.1

【2】 Ian Oppermann, Matti H?m?l?inen, Jari Iinatti.UWB Theory and Applications [ M ].2004

【3】 L.D Nardis.P.Baldi and M. -G.D.Benedetto.UWB ad-hoc networks [J]. IEEE Conf.On Ultra Wideband systems and Technologies, pp. 219-2223, May 2002

【4】 Minina St, Nizhny Novgord and Russia.AD-HOC WIRELESS NETWORK BASED ON THE UWB TECHNOLOGY [J].IEEE0-7803-8523-3/04

【5】 杨彩玉.基于UWB技术的Ad hoc网的MAC技术[J].中兴通信技术,2004.3

【6】 Peng-Yong Kong, Mangalam R. Shajan.A medium access control protocol for ultra-wideband wireless ad hoc networks [J].Vehicular Technology Conference,2005 , 3 , 1993- 1997, 2005. VTC

A Mac Protocol of Ad hoc Network Based on UWB

Technology

Wang Xiaohua, Cui Xiaoyan

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing(1000876)

Abstract

To solve the problem of delay and throughput in traditional MAC protocol, the paper proposes a new MAC protocol CT-MAC. It is based on CSMA/CA, and in this protocol the concurrent of the multi-transmission is realized. Data frame and ACK frame are sent by a series of specific Spread Spectrum Code, and nodes with the same Spread Spectrum Code will be able to receive the correct information. With different Spread Spectrum Code, nodes can receive and send message at the same time, which decreases delay and increases throughput. Simulation proves the protocol is really improved in delay and throughput.

Keywords: UWB MAC CSMA/CA

作者简介:

崔晓燕,生于1958年11月,硕士生导师,北京邮电大学副教授,主要从事Ad hoc 网络和无线传感网络研究;

王小华,生于1983年8月,硕士研究生,就读于北京邮电大学信号与信息处理系,从事Ad hoc网络协议和无线传感网络研究。

无线传感器网络的特点

无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息,在监测区域通常部署大量传感器节点,传感器节点数量可能达到成千上万,甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义:一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内,如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测,需要部署大量的传感器节点;另一方面,传感器节点部署很密集,在一个面积不是很大的空间内,密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点:通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度,降低对单个节点传感器的精度要求;大量冗余节点的存在,使得系统具有很强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域,减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中,或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力,能够自动进行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传

感器网络使用过程中,部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效,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。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变:①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效;②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新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化,具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域,传感器节点可能工作在露天环境中,遭受太阳的暴晒或风吹雨淋,甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署,如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固,不易损坏,适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大,不可能人工“照顾每个传感器节点,网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要,要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此,传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

无线传感器网络在监测方面的应用

无线传感器网络技术 电子信息工程学院 08级电信工程4班 学号:3008204323 姓名:张延红

无线传感器网络在生态环境监测方面的应用 1996年,美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年,同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里,WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注!美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一,麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。 无线传感器网络,简称“WSN”,是一种新兴的科学网络技术。它是由大量的具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式,相互传递信息,协同地完成特定功能的智能专用网络!它综合了微机电系统、传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技术、分布式处理技术等,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检测对象的信息。这些信息通过无线方式被发送出去,并以自组织多跳的网络传送到用户终端。从而实现物理世界、计算机世界和人类社会三元世界的连通! 无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统,具有广阔的应用前景,是目前非常活跃的一个领域!2000年,美国国防部将传感器网络列为国防五个尖端领域之一;2002年,美国的OAK实验室预言:IT时代正从“The network is computer”向“The network is sensor”转变;2003年美国《技术评论》杂志将无线传感器网络技术列为未来改变人类生活的十大技术之首。可以

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Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers

移动adhoc网络HOLSR路由协议研究与实现

计算机工程与设计ComputerEngineeringandDesign2009。30(9)2147II ?网络与通信技术? 移动ad.hoc网络HOLSR路由协议研究与实现 黄娟,余敬东 (电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室,四川成都610054) 摘要:根据移动ad.hoe网络的特点分析了HOLSR分级路由协议的工作原理,在控制网络中群的数量及规模、减少冗余控制分组两方面进行了改进,并基于C语言提出了一种HOLSR路由协议的实现方案。该方案结合了c语言特点主要完成了消息处理、拓扑计算、群成员管理、路由计算等功能。最后在Linux系统下实现了该方案,基于对实验结果的分析,验证了HOL-SR路由协议简单、实用、性能优越. 关键词:Ad-hoe网络;HOLSR;分级路由;群;Linux 中图法分类号:TP393.02文献标识码:A文章编号:1000-7024(2009)09.2147.04 ResearchandimplementationofHOLSRroutingprotocolforAd—hocnetworks HUANGJuan.YUJing—dong (NationalLaboratoryofCommunication,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina, Chengdu610054,China) Abstract:AccordingtotheattributeofmobileAd—hoenetworks.theprincipleofHOLSRhierarchicalroutingprotocolisstudied,thentwoaspectsisimproved,thatistheclusternumberandscalecontrol,controlpacketredundancyreducing.AnimplementationofHOLSRroutingprotocolispresented.TheimplementationisdonecombinedwiththecharacteristicsofC,includingmessagemanagement,topo—logycalculation,clustermembermanagement,routingcalculation.Basedontheresultsanalysis,theresultshowHOLSRroutingprotocolissimple,practicalandsuperiorperformance. Keywords:Ad-hoenetworks;HOLSR;hierarchicalmutingprotocol;cluster;Linux 0引言 移动AdHoe网络“1是由一组可移动的无线节点组成的多跳无线网络。这种多跳无线网络没有基站一类的基础通信设施,依靠节点之间在无线信道上的相互感知与协调,构成网络通信环境,移动节点既是主机也是路由器。与有中心网络相比,移动AdHoe网更坚固,更耐用,而且不需要提供固定的骨干设施,用户就可以通过无线网络瓦通。因此移动AdHoe网主要应用于军事l二,以及一些紧急情况,如受灾地区的通信、边远地区和勘探等场合的通信。 l移动Adhoe网络的路由技术 在多跳和移动通信环境下,节点间的通信关系随时都可能发生变化,需要采用一定的自组织算法,及时掌握动态变化中的网络拓扑结构,为网络中的通信寻找路由。 大部分移动AdHoe网络的路由协议假设节点具有相用的处理和通信能力,即网络是同构的。对于同构的网络,路由协议根据路由发现策略可分为:主动路由协议(如optimizedlinkstateroutingo“,0LSR)和按需路由协议(如011.demanddis—taaceVOCt一,AODV)两种类型嘲。OLSR、AODV的节点都有多个接口,然而都采用了平面结构,这种方法没有考虑接口的通信能力,增加了控制开销。 然而,在大多数军事战术情况下,AdHoe无线网络是异构的,组成的移动设备的配备接口具有不同的通信能力,频带,电池寿命等。为了在异构AdHoe网络解决这一复杂问题的路由,可将网络细分为一个层次规模较小的网络,每个一级负责自己的路由嘲。在分级路由协议中,节点根据自己的地理位置进行分群,每个群由一个群首和多个普通节点组成。普通节点只知道其群内的所有信息,群首节点除了知道其群内的所有信息,还知道其它对等群的成员信息。这种方法每个节点只用维护一个比较小的路由表,减小了资源开销,缩短了路南收敛时间。 目前提出的针对异构移动Adhoe网络的分级路由协议主要有:HSR用(hierarehkalstaterouting)、LANMAR蚓(1andmarkromagprotoc01)、HOLSRI”oghieraarhicaloptimizedlinkstateroutingprotoc01)。 2HOLSR路由协议 2.1协议概述 HOLSR协议是以节点性能的高低来进行群组的划分和 收稿日期:2008-05.19:修订日期:2008.08.05。 基金项目:国家自然科学基金项目(10577007)。 作者简岔:黄娟(1982一),女,硕士研究生,研究方向为无线移动自组织网的组网与路由技术;余敬东(1968~),男,副教授,研究方向为无线移动自组网、通信信号侦察、通信中的信号处理。E-mail:live6743@,sina.coin 万方数据

无线传感器网络的MAC协议综述

2010届无线传感器 网络论文 题目: 无线传感器网络的MAC协议综述 院系名称:通信学院 专业班级:电子与通信工程8班 学生姓名:郭鑫学号: S100131025 指导教师:王恒教师职称:教授 2010年12月26日 摘要: 无线传感网络作为汁算机、通信和传感器三项技术相结合的产物,已成为计算机与通信领域一个活跃的研究分支。进行实时检测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息,具有极为广阔的应用和发展前景。本文主要介绍了无线传感网MAC协议的特点以及分类,然后对其中MAC协议进行了一一介绍.并作了性能对比。最后阐明了无线传感网基于竞争的MAC协议的发展趋势。

关键词:无线传感网络 MAC协议性能对比 Title:General Analysis of Wireless Sensor Network MAC Protocols Abstract:Wireless sensor networks as juice calculate machine, communication and sensor three technical combination of computer and communication, has become an active field of research branch. Real-time detection, awareness and collecting network distribution area of all sorts of monitoring information about objects, is extremely broad application and development prospect. This article mainly introduced the wireless sensor network MAC protocols of characteristic and classification, and then to the one which MAC protocols are introduced. And performance comparison. At last illustrates wireless sensor network based on competition of MAC protocols development trend. Keyword:Wireless Sensor Network MAC protocols Comparative performance 1.绪论 1.1 研究本课题的意义 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的日益成熟,无线技术的迅猛发展和人们对检测需求的多样化,人们所希望的是能够检测一定区域内的各种环境变量和被监控对象的详尽信息,通过对这些信息的综合处理和传输,使用户获得所需要的各种信息,于是人们提出了无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)的概念。无线传感网能进行实时检测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息,具有极为广阔的应用和发展前景。现已成为计算机与通信领域一个活跃的研究分支,受到人们的极大重视。 1.2 无线传感器网络的应用 无线传感器网络是一种低成本、低功耗特殊的无线自组网,传感器网由大量具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器节点组成,这些传感器节点不但能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,而且可以处理收集到的探测数据,并将处理后的数据以多跳无线传输的方式送到数据收集节点(sink node)或基地台(base station),从而实现“无处不在的计算”理念。无线传感器网络在军事侦察、生物栖息环境监测、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域都有着广泛的应用前景,是近年来军事部门、工业界、学术界极受关注的技术。

无线传感器网络的应用分析解析

天津电子信息职业技术学院课程设计 课题名称无线传感器网络的应用姓名XXX 学号34 班级电子S09-3 专业应用电子技术 成绩 完成日期2011/10/26

摘要 传感器探测技术和结点间的无线通信能力,为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。作为一种无处不在的感知技术,无线传感器网络广泛应用于各种行业领域,这里主要对当前成功应用的一些领域进行简略介绍。 关键词:传感器;应用;领域

目录 一、前言 (4) 二、无线传感器网络的标准定义和优势 (4) 三、无线传感器网络应用领域 (4) 1、军事领域 (4) 2、工业领域 (5) 3、农业领域 (5) 4、智能交通领域 (6) 5、家庭与健康领域 (6) 6、环境保护领域 (7) 7、其他领域 (7) 四、需要解决的问题 (7) 1、网络内通信问题 (8) 2、成本问题 (8) 3、系统能量供应问题 (8) 4、高效的无线传感器网络结构 (8)

一、前言 随着通信技术、嵌入式计算机技术与传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够通过协作实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测队象的信息,并对这些信息进行处理,获得详细、准确的数据,传送到需要这些信息的用户。 科技发展的脚步越来越快,人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术,也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展,并将会带来一场信息革命。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的信息,传送到需要这些信息的用户。 无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用前景,其发展和应用,将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。无线传感器网络的广泛使用是一种必然趋势,将为人类社会带来极大的变革。 二、无线传感器网络的标准定义和优势 无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。它的英文是wireless sensor network,简称WSN。 另外,从定义上可以看出,传感器、感知对象和用户是传感器网络的三个要素。 无线传感器网络和传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接,大大减少了电缆成本,在传感器节点端即合并了模拟信号/数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能,节点具有自检功能,系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。 三、无线传感器网络应用领域 1、军事领域 信息技术正推动着一场新的军事变革。信息化战争要求作战系统“看得明、反应快、打得准”,谁在信息的获取、传输、处理上占据优势(取得制信息权),谁就能掌握战争的主动权。无线传感器网络以其独特的优势,能在多种场合满足军事信息获取的实时性、准确性、全面性等需求。

无线传感器网络MAC协议进展

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/2b14811404.html, 无线传感器网络MAC协议进展 作者:李红映高峰 来源:《电脑知识与技术》2009年第13期 摘要:MAC协议是无线传感器网络协议的重要组成部分,网络的性能(如吞吐量、容量、时延及功耗等)依赖于所采用的MAC协议,也是无线传感器网络设计研究的主要技术难点之一。该文指出了无线传感器网络MAC协议设计的主要问题,对几种典型的MAC协议进行了分析和研究,并分析研究了无线传感器网络MAC协议的研究与应用方向。 关键词:无线传感器网络;MAC协议;基于预约的MAC协议;基于竞争的MAC协议;混合MAC协议 中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)13-3394-04 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,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取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、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域。 在无线传感器网络中,介质访问控制(medium access control,MAC)协议决定无线信道的使用方式,在传感器节点之间分配有限的无线通信资源。用来构建无线传感器网络系统的底层基础 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。 1 无线传感器网络MAC协议设计要点 传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限,因而单个传感器节点的处理能力 通常比较弱。无线传感器网络的强大功能需要众多节点密切协作才能实现。局部范围内的多点通信需要MAC协议协调节点间的无线信道分配,以高效的支持在整个网络范围内的路由选择与通信路径的正确连通。在设计无线传感器网络的MAC协议时,需要着重考虑以下几个方面: 1) 能源有效性。WSN的基本特征就是能量的局限性。节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量,而且电池的能量通常难以进行补充。在WSN中,无线通信是传感器能量的主要消 耗。MAC协议要尽可能的节约能源,如减少冲突和串音、最小化控制开销、降低占空比和尽量

adhoc网络层路由协议总结

移动Ad Hoc网络层路由协议总结 描述Ad Hoc路由质量指标: 快速自适应链路变化; 达到目标节点的最少跳数路径; 传播时延; 开环; 链路质量; Ad Hoc网络中,由于通信半径的限制,网络节点之间是通过多跳数据转发机制进行数据交互的,需要路由协议完成分组转发决策。与传统路由协议相比,Ad hoc路由协议的设计面临着网络拓扑动态变化、带宽受限、信道容量变化、移动终端有限的可用资源等新的问题和挑战。 1.移动Ad Hoc网络的主动式路由协议 1.1最优化链路状态路由(OLSR)协议 协议概念 OLSR路由协议是由IETF MANET(Mobile Ad hoc NETwork)工作组为无线移动Ad Hoc网提出的一种标准化的表驱动式优化链路状态路由协议。节点之间需要周期性地交换各种控制信息,通过分布式计算来更新和建立自己的网络拓扑图,被邻节点选为多点中继站MPR(MultipointRelay)的节点需要周期性地向网络广播控制信息。控制信息中包含了把它选为MPR的那些节点的信息(称为MPR Selector),只有MPR节点被用作路由选择节点,非MPR节点不参与路由计算。OLSR还利用MPR节点有效地广播控制信息,非MPR节点不需要转发控制信息。 OLSR主要采用两种控制消息分组,HELLO分组和TC(Topology Control)分组。 HELLO 消息用于建立一个节点的邻居表,报文中可以包括邻居节点的地址以及本节点到邻居节点的延迟或开销,OLSR采用周期性地广播HELLO分组来侦听

邻居节点的状态。HELLO分组只在一跳的范围内广播,不能被转发。与HELLO消息相反,TC分组必须被广播到全网。 节点在从自己的一跳邻居节点中选择MPR时计算的原则是:节点与MPR之间必须是双向对称链路,节点所发送的分组通过MPR的中继,能够到达所有对称的两跳邻居节点,如果能够满足这一点,那么MPR就能有效地进行TC分组的转发,同时,应该使MPR的数量尽量的少。 OLSR路由协议 优缺点 WRP的优点是当节点检测到任何链路变化时便检查邻居的一致性,有助于消除环路以及加速算法收敛。缺点是由于WRP需要保存四张路由表且依赖于周期性的Hello消息,这些需要大量的存储空间和计算资源,浪费了内存和带宽。另外,WRP的可扩展性不强,不适用于大型的Ad Hoc网络。 1.节点之间需要周期性地交换各种控制信息:使接入Ad Hoc网的结点所处环境比较嘈杂; 2. TC分组必须被广播到全网。全网处于动态游走的状态,需要周期性更新TC 分组;占用带宽比较严重。

无线传感器网络MAC协议:SMAC和TMAC

无线传感器网络MAC协议:SMAC和TMAC 摘要:无线传感器网络是一种新兴的网络技术,它的出现使得环境智能成为现实。它是由一些微小的节点在特设环境中彼此连接,并相互配合,而形成的一个网络。它具有广泛的应用,例如入侵者警报和跟踪,环境监测,工业过程监测和战术系统等潜在领域。然而,当无线网络在地势陡峻的地方传播时,为了实现地区全覆盖就需要使用大量的无线传感器,但它们的电池一旦耗尽时要想更换就很困难。所以节能对于传感器网络是非常必要的特别是在MAC层水平。现已经提出了多种针对不同目标的MAC协议的无线传感器网络。在各种协议中SMAC就是其中一个简单修改的成果。SMAC有静态睡眠时间表同时TMAC有动态睡眠时间表。在本文中,我们首先概述了无线传感器网络的基础知识,然后我们讨论了MAC层的性能特征,在随后的一节中概括了WSN中能源浪费的原因。紧接着描述了 i.e SMAC 和TMAC两个协议的各自的优缺点。最后,在结束之前,根据无线传感器网络与SMAC 和TMAC有关的各种设计过程都包含在文章中。 关键词:无线传感器网络,环境智能,MAC层,能源废物,SMAC,TMAC 1.引言 在开始介绍无线传感器网络前,我们需要了解为无线传感器网络发明铺平道路的要求和条件。通常情况下在我们的工作场所我们所使用的系统,主要包括个人电脑,笔记本电脑,电脑,智能手机和平板电脑等。这些系统都是建立在“人 - 系统”互动的概念上的。在这种人与信息处理系统交流互动的系统中。整个装置是间接连接到物理环境的。由用户和用户交流系统读取物理环境。另一方面,系统的装置与物理环境相互作用,并自行调整。在图1和图2中描绘了这两个方案。 系统人环境 图 1 人机交互 系统环境人 图 2 系统环境交互

基于无线传感器网络的室内监控系统

30 无线传感器网络集传感器技术、微机电系统(MEMS)技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体,它由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者。无线传感器网络因其具有成本低、能耗小等特点,已经展现了非常广阔的应用前景,参考文献[1]和参考文献 [2]中分别介绍了其在农业与医药学领域的应用。2003年MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展的报告中,将其列为改变世界的十大新技术之一。 随着社会经济的发展及生活条件的改善,人们对工作和生活环境的安全性和舒适度提出了更高的要求,而室内环境与人们的生活与工作息息相关,因此室内环境的监测与控制引起了人们越来越多的关注。为了实现各式各样的生活与工作要求,室内环境的结构也是多种多样的,正是这种结构复杂多样性及区域差异性,给室内环境的监测与控制带来了诸多挑战。但是,随着无线传感器网络技术的发展及应用,这些挑战均迎刃而解。 1 系统工作原理 系统的监控功能主要利用了无线传感器网络技术来实现。系统分为三个部分,分别为监控节点、 下位机和上位机。系统结构如图1所示: 图1 系统结构示意图 监控节点:作为无线传感器网络的基本组成部分,它可以利用搭载的多种传感器来获取室内的环境参数,通过微机电系统将这些参数进行数字化处理,并打包通过无线通讯模块发送至下位机。 下位机:作为无线传感器网络的中心节点,下位机起着承上启下的作用。它既能够通过无线通讯模块与诸传感器节点通讯,又能通过串口与上位机实现信息交互,最终实现了传感器节点与上位机的协调。 上位机:作为无线传感器网络的“大脑”,上位机负责整个传感器网络的正常运行。通过对下位机呈递的数据包进行解码,上位机能够提取各环境参数信息,并将其图形化显示。此外,通过设置环境参 数阈值,上位机可以实现整个系统的自动控制。 基于无线传感器网络的室内监控系统 张新耀 冯启朋 霍 鹏 王亚慧 (中国海洋大学信息科学与工程学院,山东 青岛 266100) 摘要: 室内环境与人的生活、工作密切相关,一般具有结构复杂及区域差异性大的特点。无线传感器网络是由具有感知能力、计算能力、无线通讯能力的传感器节点组成的智能网络,可以有效地监测环境参数变化,并能够对环境异常做出实时处理,从而实现复杂环境下的分区域环境监控,由此设计了一套基于无线传感器网络(WSN)的智能室内监控系统。文章通过对整个系统的设计方法、软硬件实现及系统测试结果进行了分析研究,最终证明了由无线传感器网络构成的系统可以高效地实现室内环境监控的任务。关键词: 无线传感器网络;室内监控系统;环境监控;环境参数中图分类号: TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2012)30-0030-032012年第30期(总第237期)NO.30.2012 (CumulativetyNO.237)

工业无线传感器网络所使用的通讯协议比较分析

编号:_______________本资料为word版本,可以直接编辑和打印,感谢您的下载 工业无线传感器网络所使用的通讯协议比较分析 甲方:___________________ 乙方:___________________ 日期:___________________

随着无线通信、电源效率、极度微型化(如透过MEMS传感器达到的迷你规格设计)以 及嵌入式运算技术的不断演进,发展出越来越多适用于严苛工业环境的无线传感器网络(WSN)。预估在未来五年,工业用无线传感器网络的传感器安装点将达到2400万,爆发5.53倍的成长。 无线传感器网络的快速成长受益于其可靠度符合大多数工业级应用的需求,工业系统专用的无线传感器网络标准问世,以及无线传感器网络的效益逐渐受到重视与了解。在整合芯 片解决方案的价格日趋亲民化后,各种无线传感器网络的全新用途、解决方案和应用纷纷推 出,不仅为许多产业带来庞大的效益,同时也逐渐从本质上改变不同产业一贯的运作方式。 无线传感器网络是由分散在实体空间内的数千个微型自主传感器(或节点)所组成的网络。这些传感器采用高效方式链接,透过射频(RF)波进行点对点通讯,藉由射频波监控并通报本机状态或状况,如温度、震动、压力、污染物、动作等(请参见图1)。这些智能型传感器可自动管理制程,除非发生无法透过智能节点或从远程启动人为命令修正的制程故障,否则一智能型传感器/节点以协同作业方式,透过网络上多种可用的路径,将数据传递至其他智能型传感器,再视情况导向由人工检视信息的主要位置、采取进一步处理与储存行动或采取相应行动。若将节点间所有可用路径以图像显示,多重通讯路径的冗余路径看起来会像一片 网状结构。每一个传感器或节点就像一粒胡椒,内部装有处理器、微型内存(如:12 Kb内建RAM)、低数据传输速率(40 Kb/s)以及短收发范围(大多数为100英叭以下),皆相当省电。传感器之所以能够达到省电效益是因为成本降低、整合度提升、具备更精良的电源管理能力 以及采用了更先进的算法。除此之外,能量整合功能也使用电达到近零耗能(Net-Zero)境界,而降低电池用量的智能型运转方式则带来此一新兴技术独具的解决方案。 无线传输能力提供广大效益。不需布线即可新增远程传感器(通常配备若干本机决策制 定功能),节省人力、材料,同时由于智能型手机是相当理想的人工操作员/维护接口,可随时随地提供更精准的监控与修正,因此制程效率及质量可获得提升。作业员不需要四处奔忙取得远程数据或在危险或不易操作的地点更换电池,因此可提高生产力。比起有线网络,无线传感器网络的安装更迅速,如需重新安置,过程也更简单。无线传感器网络具备极高的扩充弹性与链接可靠性,若搭配能量整合装置设置,还可提供实时功能与独立能源运作。无线传感器网络的工业用途正不断延伸扩大,包括机器健全度(如震动分析)、制造、条件式维护、自动化计量、远程监控、库存管理、载具与人员管理以及其他运作管理层面。设备需进行维护时,可透过传感器输入执行。相较于过去不管设备是否需要,一律定期维护的作法,及早于必要时执行维护,可延长设备的使用寿命并减少浪费(更具环保效益)。这又称为条件式维护”。

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