无线传感器网络高能效mac协议的分析

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1、重庆大学硕士学位论文1绪论1．1研究背景1．1．1无线传感器网络概念无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)是伴随着无线通信技术、微电子技术、传感器技术以及计算机技术等技术的飞速发展和日益成熟而产生的，它是由大量低成本、低功耗和具有感知功能的传感器节点组成，将这些节点随机布撒到被监测区域中，通过无线通信的方式形成一个自组织网络，可用于协作的感知、处理和传输被监测对象的信息[1．3】。无线传感器网路被誉为21世界对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之一【4】，凭借其具有快速组网、能耗低以及抗毁性强等特点，无线传感器网络技术现已被广

2、泛应用于国防军事、环境监测、工业控制、智能家居以及生物医疗等诸多领域。1．1．2无线传感器网络结构①系统结构无线传感器网络系统结构如图1．1所示，系统主要是由传感器节点(sensornode)、汇聚节点(sink)、管理节点以及用户终端等几部分组成。其典型的工作方式为：随机布撒在监测区域中的节点通过自组织方式构成无线网络，节点对监测区域内的物理量进行采集和处理，并通过多跳的方式将数据发送到Sink节点，最后由Sink节点将数据传送至外部网络，供用户进行查询、管理等。图1．1无线传感器网络系统结构Fig1．1Architectureofwirelesssenso

3、rnetworks重庆大学硕士学位论文1绪论在无线传感器网络中，每个传感器节点都具有数据采集和路由的双重功能，不仅需要对自身的数据进行采集、处理和传输，同时还要对其他节点转发的数据进行存储、管理、融合和转发等操作。汇聚节点一般具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，用于连接外部网络与传感器网络，从而实现用户终端与传感器网络之间的通信。②传感器节点的结构无线传感器网络节点的结构如图1．2所示，可分为传感器、通信、处理以及电源四部分16J。传感器模块处理器模块无线通信模块匝雪匿枷母肫电源模块图1．2传感器节点的结构Fig．1．2Architectureofsens

4、ornodes传感器模块是由一组传感元件组成，通过不同的传感元件可实现对客观世界不同物理量的采集。处理器模块是节点的控制中心，主要负责控制和协调节点各部分的工作，处理和存储数据。处理器模块通过被设计成可在多种操作模式下进行切换的形式。无线通信模块负责与其他节点之间进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据，无线通信模块又包括发送、接收、空闲和睡眠四种状态【15,40]。电源模块主要负责为整个节点提供正常工作所必须的能量，一般采用微型电池。1．1．3无线传感器网络特点无线传感网络与传统的无线自组织网络有很多的相似之处，但也有其独有特征，总的来说其主要有以下特征：①

5、分布式。在无线传感网络中，每个传感器节点都是平等的地位，节点之间通过分布式算法进行协调。单个节点的加入、离开或者是发生故障，都不会对网络的整体运行造成影响，具有较强的抗毁坏性。②自组织。由于网络所在的环境以及自身有很多不可预测因素，要求节点具有较强的自组织能力，即整个网络可自动的进行配置和管理，不需要借助人工或网络设施，能够在任何地方、任何时间快速展开并组成网络，并通过多个节点间的相互协作来完成监测信息的采集和转发[6l。重庆大学硕士学位论文1绪论③规模大、密度高。在无线传感器网络中，每一项任务都是靠多个节点间的相互协作来完成的。因此，如果在大片的监测区域中布

6、置大量的冗余节点，可以有效的提高整个系统的工作质量。④动态性强。在无线传感器网络中，可能随时会有节点的加入和离开，或者外界环境发生变化(例如突发事件导致网络负载的变化)，这就要求传感器节点能够随着自身和环境的变化动态的调整自己的工作状态。此外，网络拓扑结构的变化也要求其能较好适应这种变化。⑤应用相关。无线传感网络没有一个统一的设计模板，因为对于不同的应用场景，不论是软硬件平台还是通信协议都有很大的不同。针对具体的应用背景，来开展设计工作，才能实现系统高效、可靠的运行，这也是无线传感器网络不同于传统网络的显著特点。⑥资源受限【39】。由于传感器节点体积微小，其所

7、具有的能量、处理能力以及通信能力等都十分有限，所以说无线传感器网络以一种资源受限型网络。在这些受限资源中，能源是最关键的问题之一。因此如何降低节点的能耗，最大化网络使用寿命，成为WSN的研究热点。1．1．4无线传感器网络应用无线传感器网络凭借其自身特点，在国防军事、环境监测、医疗护理以及智能家居等领域有着广泛的应用。①国防军事。由于无线传感器网络具有快速部署、隐蔽性强、自组织以及高容错性等特点，可以实现敌方地形和兵力布防的侦查、目标定位、战场实时监控、战场评估、核攻击和生化攻击的监测等功能。因此在国防军事领域中有着广泛的应用。②环境监测。因传感器节点体积小、成

8、本低和布撒简单等特点，所以无线传感器网