無線傳感器網絡smac協議的分析與仿真-資料下載頁

【導讀】無線傳感器網絡的產生和發展。無線傳感器網絡涉及眾多學科，成為目前IT領域中的研究。現在，互聯網為人們提供了快捷的通信平臺，極大地方便了人們的信息交流。線傳感器網絡擴展了人們的信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網絡連接在一起，在下一代互聯網中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息。無線傳感器網絡能夠獲取。物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制等諸多領域。90年代就開始了傳感器網絡的研究工作，并首先在軍方應用和推廣。器網絡相關的課題。無線通信方式形成的一個特殊的Adhoc網絡。與Adhoc網絡相比，WSN的特點是節點的。題是WSN中至關重要的問題，因此WSN的節點要求必須是低功耗的。部分，主要用于在傳感器節點間公平有效地共享通信媒介，對傳感器網絡的性能有較大影響，是保證無線傳感器網絡有效通信的關鍵網絡協議之一。機制和串擾避免機制，在能量損耗減少的情況下，增加的延遲問題。

　　

【正文】 實際上就是節點通過接收到的信號推斷出正在進行的通信到結束（由接收方返回 ACK 幀）的時長。網絡中的每個節點都要維護一個 NAV（網絡分配矢量），它指示出一個正在進行的傳輸所需的時間。節點使用 RTS、 CTS、 DATA 幀中延遲信息來 更新自己的 NAV。信道無論是通過物理載波偵聽還是虛擬載波偵聽認為忙時都會把信道標記為忙。 在 中每個節點保持對鄰居節點的監聽，每個節點可能監聽到許多本不是發送給自己的報文，這就造成能量很大的浪費，尤其當節點密度很大并且網絡負載很重 時，情況更為嚴重。考慮到數據包通常比控制包長很多，協議通過讓干擾節點收到 RTS/CTS 幀以后進入睡眠來避免串音，也就是通過阻止鄰近節點監聽長的數據包和 ACK 來節能。如圖 35 所示，節點 A、 B、 C、 D、 E、 F 組成一個多跳網絡，假定每個節點只能聽到直接相連的鄰居節點的傳輸。節點 A 現在正傳輸一個數據包到節點 B，由于沖突發生在接收段，很明顯節點D 的傳輸干擾了 B 的接收，應該進入睡眠，而節點 E 和 F 對 B 并不產生干擾，因此不需要進入睡眠。而節點 C 距離 B 有兩跳遠，他的傳輸并不干擾 B 的接收，所以他可以自由地傳輸到他其他的鄰居節 點 (如 E)。但是 C 卻不能收到 E 回復的 CTS 或數據，因為 E 的傳輸和 A的傳輸在節點 C 處沖突，所以 C 的傳輸是能量的浪費。由此我們得出：所有發送者和接收者的鄰居節點 (如圖 36 中節點 C 和節點 D)在聽到 RTS 或 CTS 包后都應該進入睡眠，一直到現有的傳輸結束。 圖 一個多跳網絡下的節點睡眠 3． 消息傳遞機制 對于無線信道，傳輸差錯和消息長度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長消息，但是某些情況下可能需要傳遞較長的消息。如果將長消息作為一個數據包發送，由于數據包過長很容易受干擾而導致數據出錯，理論上只需重傳數據 出錯的這部分但是實際情況是必須重傳整個數據包，這造成了能量浪費。如果將長數據包簡單地分割為多個短數據包，發送失敗鞏艷：無線傳感器網絡 SMAC 協議的研究 18 雖然只需重傳錯誤的數據包，但每一個短數據包都要經過一次 RTS/CTS/DATA/ACK 握手過程，這樣極大地增加了協議控制，增加了能量消耗，降低傳輸效率。 與 IEEE ： SMAC進行信道預約時并不是預約每個短數據包的傳送時間，而是整個長消息的傳送時間。采用這種方式可以降低突發干擾的影 響，即使中間傳送出錯也只需重傳一個短數據包，提高傳輸效率。除此之外，采用這種處理方式還可以盡量延 長其他節點的休眠時間，有效降低碰撞概率，節省能量。 2020 屆通信工程專業畢業設計（論文） 19 第 4 章 SMAC 協議的仿真實現 設計一個傳感器網絡的 MAC 協議 ,主要應該考慮到以下性能指標，一是能源有效性，MAC 協議在滿足應用要求的前提下，應盡量節省使用節點的能量；二是可擴展性，協議要能自動適應網絡大小，節點密度，和拓撲結構的變化；三是網絡效率，網絡效率包括網絡的公平性、實時性、網絡吞吐量以及帶寬利用率等。在上述三個方面，普遍認為重要性依次遞減。由于現在傳感器節點的能量供應問題沒有得到很好的解決，傳感器節點本 身不能自動補充能量或能量補充不足，節約能量成為傳感器網絡 MAC 協議設計首要考慮的因素。人們經過大量的實驗和理論分析總結出了可能造成的造成網絡能量浪費的主要因素包括發送數據沖突導致的數據重發、節點接收并處理不必要的數據、節點空閑時對信道的偵聽過程以及過多的控制信息等幾個方面。具體為： 1． 空閑監聽問題 (idle listening):大部分的能量損耗主要是由于空閑監聽所引起的。當網絡中節點不知其何時會從其一個或多個相鄰節點接收數據時 ,它必須長時間的保持其接收器處于活動狀態。例如 :需要傳感器節點平均每秒鐘和其相 鄰的節點交換一次信息。其中的交換信息是非常短的 ,發送交換信息給其他節點需要 5ms 時間 ,從其他節點接收信息需要 5ms 時間 ,因此收發器有 990ms 的時間用于空閑的監聽，即在 99%的時間什么都沒有做。能量損耗幾乎都是在這個時候產生的。 2． 碰撞沖突問題 (collision):如果網絡中的兩個節點在相同時間利用相同信道傳送數據時 ,它們將會互相干擾導致數據包被破壞。因此 ,發送和接收這些錯誤數據的能量將被損耗掉。 3． 控制信息消耗 (control packet overhead):大多數的 MAC 層協議需要節點相互之間交 換控制信息而這些控制信息并非應用型數據，因此這些控制信息的交換也將損耗一定的能量，應該設計控制信息盡量少的 MAC 層協議。 4． 串音問題 (overhearing):當使用共享信道進行通信時，某個節點可能接收到不是發送給它的數據，造成串音。為盡量避免這種情況，節點應該在無數據收發時關閉其接收器。 基于 NS2 的仿真平臺 NS2 是美國 DARPA 支持的項目 VINT(the Virtual Inter Tested)中的核心部分，它主要面向網絡協議研究者。由 UC Berkley 大學計算機系等研究機構開發并 免費發布，其前身是KESHAVS 研制的 REAL 仿真器，是一個事件驅動的和面向對象的網絡仿真工具，由于 NS2具有免費、開放源代碼、可擴充性好等優點而在各種網絡的仿真測試中獲得了廣泛應用。 鞏艷：無線傳感器網絡 SMAC 協議的研究 20 1． NS2 體系結構。 圖 NS 類結構圖 NS 采用面向對象的方法設計程序，以類的形式對現有的對象進行繼承和擴充，圖 所示為部分 NS2 體系結構圖。 2． NS2 的實現機制。 NS 的設計實現使用了兩種程序設計語言， C++和 OTCL。這兩種語言都是面向對象(Object Oriented)的程序設計語言。 NS 通過 TclCL 把兩種語言中的對象和變量聯系起來。 NS的構件庫是一個層次結構。其中的構件通常都是由相互關聯的兩個類來實現，一個在 C++中，一個在 Otcl 中。因此， NS 中就包含了一個 C++類的層次結構和一個 Otcl 類的層次結構，如圖 所示。構件的主要功能通常在 C++程序中實現， Otcl 中的類則主要提供 C++對象面向用戶配置接口。 圖 分裂對象模型 3． tcl 和 C++之間的對象連接。 TclCl 主要是通過 TclObject 和 TclClass 兩個 C++類來實現的。類 TclObject 是所有編譯類的基類，對應的 SplitObject 是所有解釋類的基類。每個編譯對象都是當用戶從解釋器中創建解釋對象的同時在 C++類結構中產生出的影像對象。而類 TclClass 則包含了執行這種映象的機制。 4．事件調度機制。 通常情況下，模擬器模擬工作的開始，就是通過創建一個 Simulator 類的實例后開始的。2020 屆通信工程專業畢業設計（論文） 21 一個 Simulator 類的實例表示了一個模擬的環境 (拓撲結構，事件的發生順序，需要模擬的功能等 )。這是一個 Otcl 類，沒有對應的 C++類。 Simulator 類中定義了大量的配置網絡模擬環境、創建拓撲結構、安排模擬事件的函數，用于腳本模 擬網絡的環境。同時， Simulator 類中還保存了生成的拓撲結點（ Node)的列表，用戶每生成一個結點就在該列表中添加該結點的一個地址，方便訪問。 最初 NS2 只能仿真有線網絡， CMU(卡內基 梅隆大學 )對 NS2 進行了擴展，在物理層、鏈路層、 MAC 層等方面增加了對于無線網絡的支持，用這些增加的部件可以對無線局域網、Ad Hoc 網、移動 IP 等進行仿真，目前， NS2 已經集成了部分成熟的面向傳感器網絡的協議，如 Directed Diffusion 和 SMAC 等， 其主要不足在于缺乏對感知過程的建模和實現，需要做相應擴展 。本協議 采用網絡仿真工具 進行仿真。 網絡節點的創建和配置 在 NS2 中，主要是通過 Simulator 類的實例來控制模擬的過程。 建立一個節點的基本方法就是調用 Simulator 類的 node 過程： set ns[newSimulator] $ns node 在創建節點之前要定義它的各種屬性，完成節點的配置。下面給出本文中的傳感器節點部分屬性的配置，配置函數為 Simulator::nodeconfig{}。 $ns_nodeconfig–adhocRouting$opt(rp) llType$opt(ll)\ macType$opt(mac)\ ifqType$opt(ifq)\ iqf Len$opt(ifqlen)\ antType$opt(ant)\ propType$opt(prop)\ phyType$opt(if)\ channelType$val(chan)\ topoInstanee$toPo\ agentTraee ON\ routerTrace ON\ macTrace ON 屬性參數 adhocRouting 為節點所使用的路由協議， llType 邏 輯鏈路層， macTPye 用的是SMAC，仿真時其他 mac 協議時相應更改此處 mac 類型， ifqTPye 是隊列類型， ifqLen 是隊列長度， antTtype 是天線類型， propType 是無線信號傳輸模型， phyType 是物理層類型，channelType 是無線信道類型， topoInstanee 是 topo 對象。 agentTrace 是是否打開應用層的軌跡， routerTraee 是是否打開路由的軌跡， macTrace 是是否打開 mac 的軌跡。 網絡節點的能量配置 在 NS2 中可以配置一個節點的能量參數，參數值代表了 節點的能量水平。初始化時節點的有一個能量初始值 initialEnergy_，當節點的能量降低為零，節點就不能再接收或者發送數據包，節點失效。仿真時的節點能量屬性配置如下： 鞏艷：無線傳感器網絡 SMAC 協議的研究 22 $ns_nodeconfigenergyModel EnergyModel\ txPower \ rxPower \ idlePower \ sleepPower \ transitionPower \ transitionTime \ initialEnergy 1000 energyModel 參數是設置節點使用能量模式； txPower 節點的發送功耗； rxPower 為節點的接收功耗； idlePower 為節點的空閑偵聽功耗； sleepPower 為節點的睡眠功耗； initialEnergy為設置節點初始能量； transitionPower， transitionTime 分別是狀態轉換功耗和轉換時間。其中功率參數的單位均為 W，時間參數的單位為 s。 網絡數據流的產生 數據流發包間隔值不同，可以模擬網絡的不同流量負荷情況。間隔值越大，代表流量負荷越輕；間隔值小，代表流 量負荷大或者網絡突發流量情況。 CBR 信號指的是固定比特率的數據流，每個節點的數據具有固定大小。通過調整 CBR 連接的數目、發包的速率和包的大小來調整網絡的負載。其基本方法是： 定義一個 UDP 的代理，并將它添加至源節點；再建立一個空的 （ NULL） 代理，添加到目的節點上，這樣就能產生一個從源節點到目的節點的 UDP 連接，在這個連接上，再添加上一個 CBR 的應用，這樣我們就能從源節點發送 CBR 數據流給目的節點。 SMAC 協議節能的實現 SMAC 協議仿真設計流程圖 2020 屆通信工程專業畢業設計（論文） 23 圖 SMAC 總的流程圖 初始化時間表函數是為了進行節點間同步 (4) 用戶定義占空比（ 10%）函數是為了讓節點盡可能 的處于睡眠時間 (5) 定時器的處理函數就是處理定時器函數的 (7) 鄰居節點列表和時間表的處理函數就是處理節點列表和時間表 函數 (8) 初始化鄰居節點表函數是為了讓節點在更新鄰居節點時變量數增加 (3) 計算包的時間函數是指一個包分為睡眠和偵聽兩部分的時間 (2) 設置定時器函數是為了RTS/CTS/ACK/DATA和自適應偵聽超時 (1) 開始 包的捕獲、碰撞和丟棄函數是對接收到 RTS/CTS 包的處理 (6) RTS/CTS/SYNC/ACK 的處理函數是處理這些包的 (9) 傳送和無線音頻的檢測函數是節點在發送包的時候，要先偵聽音頻接口是不是出于忙的狀態，即信道的空閑 (10) 廣播和單播函數，廣播（沒有 RTS/CTS）的所有節點都是目的節點，而單播（有RTS/CTS）是兩個節點之間，自適應偵聽中即是單播 (11) 鞏艷：無線傳感器網絡 SMAC 協議的研究 24 void