对无线传感器网络MAC层协议探究解析

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1、、引言随着硬件技术的发展 , 低功耗的传感器节点可以仅 由单独的芯片组成 , 在这个 芯片中将会集成内存 、处理 器和收发装置等 。 与其他的移动装置相比 , 低的功率 容 量限制了传感器节点的通信范围和覆盖区域 。 因此 , 在 目标跟踪和实时监测等 应用中 , 传感器网络要有大量的 节点才能覆盖目标区域 。与其他的无线网络相比 , 在无线传感器网络中给其 节点充电或更换电池是比较 困难的 , 也是不太实际的 ,因此最大化地延长节点或网络的生命周期将是我们工 作 的主要目标。 通常情况下 , 节点的通信过程比其计算过程消耗能量更多 , 所以要 保证在网络正常运转的前提 下使通信过程最小化。

2、尽管如此 , 在由多个低工作周 期 的节点所组成的密集网络中 , 考虑到能量的效率 , 媒体 接入的方法仍是一个难以 解决的问题。在本文的第二部分 , 将介绍无线传感器网络的特性 及在媒体接入通信中所隐含 的能量浪费的原因 。第三部 分是本文的主体 ,将给出传感器网络中一些重要的 MAC层协议，并列举它们的优缺点。同时,MAC层和其他层融合的方法和相关 协议也会在此部分进行探讨。 二、与传感器网络相关的 MAC 层协议特性传感 器节点的电量耗完后 , 我们将会丢弃此节点 , 因此传感器网络研究的主要目的就是 使网络的存在时 间最大化。 在这种情况下 , 所提出的 MAC 层协议就需要减少潜 在

3、的能量浪费 。1. 能量浪费的原因当一个接收节点同时接收到多于一个的分组且有部分冲突发生时 , 这些分 组则被称为“有冲突的分组”,发生冲突的所有分组都将会被丢弃或重新发送 , 而 这将导致能量消耗的增加;串扰,即节点接收到发给其他节点的分组;控制 分组的费用 , 我们将尽量满足使最小数量的控制分组用于数据的发送 ; 空闲监 听引起的 , 即监听一个空闲的信道以接收可能的信息量 ; 当目的节点未准备就 绪时 , 信息的发送已经开始而引起的 。 在设计 MAC 协议时应避免以上 5种能量 浪费情况的发生 。2. 通信的方式在无线传感器网络中定义了 3 种类型的通信方式 :广 播 (broadca

4、st , 汇 聚 播 (convergecast 和 本 地 传 播 (local gossip 。 广播类型通常是由基站 (称为 sink 所使 用 , 它用来将一些信息传送给网络中的所有节点 。 广播信息包括有对传感器询问 处理结构的询问 , 节点的程序 更新以及整个系统的控制分组 。 广播类型的通信方 式不要和广播类型分组相混淆 。 对于前者 ,网络中的所有节 点都是接收者 ; 而对 于后者 , 接收者则是那些在发送节 点通信范围内的节点 。在某些情况下 , 检测到网络中进入一个新的节点的 传感器将会在本地互相进行 通信 , 这种通信方式被称作 本地传播 。传感器将在一定范围内发送一条消

5、息给它 的 邻居节点们 , 检测到有新的进入者的传感器需要将其所 感知到的信息传送到信 息中心 , 这种通信方式又被称为 汇聚播 , 一组传感器将和一个特有的传感器进行通 信。 目的节点可以是数据汇聚中心 、 基站等 。3. 优良的 MAC 协议的特征一是能量高效的协议有效地延长网络的生存时间 ; 二是具有对于变化的可预测 性和自适应性 。 网络大小 、 节点的密度和拓扑改变之后 , 对于一个成功的自适应 系收稿日期 2010-02-28中国 管 理 信 息化 C hina Management Informationization2010年 8月 第 13卷第 15期Aug. , 2010

6、Vol . 13, No . 15无线传感器网络 MAC 层协议探究曹自力(青岛 4808 厂 监修室 , 山东 青岛 266001摘 要 无线传感器网络是目前很热门的研究领域 , 有着很广泛的应用前景 ,但 是由于较低的感应范围使得网络节点 十分密集 , 因此采用一种高效的媒体接入协议 显得十分必要。 本文首先列举出在设计 MAC 层协议时所需要考虑的一 些关键特 性 , 然后具体描述各种 MAC 协议 , 并指出它的优缺点 , 得出结论 。关键词MAC层协议;无线传感器网络;探究；融合doi:10. 3969/j.issn. 1673-0194. 2010. 15. 032中图分类号TP2

7、12文献标识码A 文章编号1673-0194(2010 15-0074-0374/CHINA MANAGEMENT INFORMATIONIZATION统应该可以进行快速而有效的处理 。其他要素 , 如等待时间 、 吞吐量和带宽 利用率等 , 对传感器网络都是次要 的 。另外公平性在其他无线网络中会显得比较 重要 ,但在无线传感器网络中则不是设计的目标 。因为所有的传 感器节点都进行 的是同样的工作 。三、常见的 MAC 层协议针对无线传感器网络的特性 ,已经提出了很多种 MAC 层协议 。1. Sensor-MAC (S-MAC该协议将时间分帧 , 帧长度由应用程序确定 ,帧内 分为工作阶段

8、和休眠阶段 。 2002年版本中 ,工作阶段持续时间是固定的。 2004年版本为了更好地支持数据突 发 ,协议将工作阶段改为长度可调 ,在休眠阶段 ,节点关 闭射频模块 ,缓存在此期 间采集到的数据 , 在工作阶段 集中发送 。通过同步消息 , 相邻节点可以采用相同 的工作 /休眠策略 , 新节点也可以加入进来 , 这种机制在协议 中称为虚拟簇 。基 于这些同步的本地化管理同步和周期 性的工作 /休眠策略形成了 S-MAC 协议的基 本思想 。 相 邻节点形成虚拟簇来建立一个共同的休眠策略 。 如果两 个相邻节点 位于两个不同的虚拟簇 , 它们将在两个簇的 工作阶段都处于唤醒状态 ,这会导致更

9、 多的能量消耗。 S-MAC 的一个很重要的特征是采用了消息传递技 术 , 很好地支持 长消息发送。 对于无线信道 , 传输差错与包长度成正比 。 根据这一原理 ,将长消 息分为若干短包,采用一次RTS/CTS握手,集中连续发送全部短包,既可以提高发 送成功率 ,又有效地减少了控制开销。周期性的休眠可能会导致高的等待时间 ,尤其是对于多跳路由算法 ,因为所有 的相邻节点都有它们自己的休眠策略 ,它们可能会互相造成影响。由周期性休眠 所引起的等待时间我们称之为休眠延迟 。 自适应的监听技 术可以改善这种延 迟。该协议的扩展性较好 ,可以适应网络拓扑结构的变化 ,可以有效地改善由于空 闲监听所导致

10、的能量浪费问题 ;缺点是协议实现非常复杂 ,需要占用大量的存储空 间 ,这在资源受限的传感器节点中显得尤为突出。 2. Timeout-MAC (T-MAC该协议工作方式是将时间分帧 ,帧长度固定 ,工作阶段长度可变。协议定义 了 5种事件和一个计时器 TA ,以确定工作阶段的结束时间。 5种事件分别为 : 帧长度超时 ; 节点接收到数据 ; 数据传输发生冲突 ; 节 点数据或确认发送 完成；邻居节点完成数据交换(如果在TA内，射频模块没有侦听到这5种事件 中的任何一种 ,就认为信道进入空闲状态 ,节点关闭射频模块 ,转入休眠阶段。由于T-MAC的实现机制与2004版的S-MAC基本相同,它们

11、的性能也很接 近。3. Traffic-Adaptive MAC (TRAMATRAMA提出了在能量效率方面增加对TDMA的利用。时间被分为随机接 入和预定接入。 随机接入阶段用来建立两跳拓扑信息 ,信道接入是基于竞争策略的。一个基本的假设是通过应用层传递的信息,MAC层能够计算出所需要的传 输时间 。相比于那些基于S-MAC的协议,该协议具有更长的休眠时间和更少的减少冲 突的比例。 因为预定的接收方是利用位图来显示 ,通信方式很少采用多播和广播 的 形式 。4. Data-gathering MAC (D-MACD-MAC 的基本目标是达到较低的等待时间 , 但同时也能够保证能量的效率 。

12、D-MAC分析了 S-MAC和T-MAC协议的自适应工作/休眠策略,发现了数据转发 中断问题 ,并提出了摆动唤醒策略来解决这个问题。 从传感器节点到基站节点形 成一棵数据汇集树 ,树中的数据传输是单向的 ,由子节点到父节点。 节点采用工 作 /休眠状态转换。 摆动唤醒策略调整树中每层节点的工作周期 ,使子节点的发 送时间与父节点的接收时间重合 ,在最理想情况下 ,数据转发会一直进行 ,没有任 何延迟。5. MAC层与其他层的融合在传感器网络中，关于将网络中不同层间融合为一层及在网络层和MAC层之 间进行跨层交互的问题 ,目前所进行的研究还是很有限的。5. Cui , R.Madan等曾经对MA

13、C层与物理层之间的集成和网络/MAC/物理层 之间集成的目标进行了研究,并且提出了一种可变长度的TDMA方案。在这种方 案中 ,时隙的长度是根据最优化的能量耗费标准来进行分配的。 在这些标准中 , 最关键的值是每个节点所产生的 通信量的信息和每个节点对之间的距离 。 根据这 些值 ,提出了一种线性可编程问题并加以解决 ,同时还确定了在每个节点中最优化 的时隙的数量以及相关的路由策略。 然而这种方案需要庞大的计算量并且很难适 应目前存在的系统 。多跳架构的网络结构是将MAC层和网络层集成的另一种方法。J.Ding , K.Sivalingam等人提出了一种分层的多跳网络结构，在这种结构中，到达基

14、站的跳 数相同的网络节点被归类于同一层。信道接入是基于TDMA企业管理信息化75CHINA MANAGEMENT INFORMATIONIZATION /一、引言信贷管理系统是银行对其资产信贷业务进行全面 的信息化管理系统 , 它包括客 户信息管理、 评级授信管 理 、 信贷审批管理、 贷后监管与预警 、 五级风险分 类管理 、 低质押物管理 、 不良资产管理、 业务分析等方面的管 理 。 信贷管理 系统的目的是控制和降低信贷风险 , 降低 管理成本 , 提供方便快捷的信贷服务 , 提 供决策支持 , 其 中控制和降低信贷风险是其根本目的 。信贷管理系统是一个庞大而复杂的管理系统 , 对各 个

15、方面的要求十分严格 ,如 系统性能、 安全性等 。 数据库 是整个信贷管理系统的核心 , 它存放的是银行的所 有客户资料数据和贷款账户数据 , 其安全性十分重要 ;由于 信贷管理系统的在线 用户数量大 , 数据的存取频繁 、 查询统计复杂多样 , 对数据库的存取性能要求很 高。 下面就从业务功能方面谈谈构建信贷管理系统数 据库的几个设计要点 。 本 文所引用的数据库模型是笔者 全程参与设计和修改维护的一个信贷管理系统的后 台 数据库 , 经历了 3 个省级商业银行的成功实施 , 历时 3 年 , 几经修改 。二、 设计原则(1 规范性。 在设计和操作维护数据库时 , 关键的步骤就是要确保数据正

16、确地 分布到数据库的表中 。使用 正确的数据结构 ,不仅便于对数据库进行相应的存取 操作 , 而且可以极大地简化应用程序的其他内容 , 如查询 、 页面 、报表 、 代码 等。(2 正确性。 数据库要能正确地描述信贷业务的信 息 、 过程 、关系 , 错误的 信息描述将会带来不可预知的问 题 , 所以 , 在设计表时 ,要多与银行信贷业务人 员、 管理 人员 、 高层领导沟通 , 从多个角度正确理解业务对象的 信息内容 、用 途和关系 , 宁缺毋滥 。(3 安全性。 信贷管理系统的各个层面都要求有安 全性保障 , 有应用程序层面 的、 操作系统层面的 、 数据库 层面的等。 而对于绕过应用程序

17、和操作系统直接 进入数据库的操作 , 则更具危险性 , 所以 ,数据库在设计和部署 时要求有防篡改的 手段或辅助的设计 。收稿日期 2010-02-28中国 管 理 信 息化 C hina Management Informationization2010年 8月 第 13卷第 15期Aug. , 2010 Vol . 13, No . 15商业银行信贷管理系统的数据库设计要点 黄承明(衡阳财经工业职业技术学院 电子信息系 , 湖南衡阳 421002摘 要 信贷管理系统的数据库设计是信贷管理系统建设的重点之一 , 直接关系 到应用系统的架构 、性能 、 安全等 。本 文将从系统的业务功能 、

18、性能需求方 面结合 3年来信贷管理系统实施中数据库的改进经验 ,对信贷管理系统数据库的 设 计要点做了较详细的分析 , 并提供了相应的解决方案 。关键词银行信贷管理系统 ; 信贷 ; 数据库 ;设计 ;性能 ; 安全doi:10. 3969/j.issn. 1673-0194. 2010. 15. 033中图分类号F830.33; TP315文献标识码A 文章编号1673-0194(2010 15- 0076-04并同时与CDMA或TDMA相关的MAC协议。路由协议是一个简单的多跳 协议,到达基站的每一个节点都会在其相邻层有一个转发节点。J.Ding等人还阐 述了信道分配问题 , 并提出了一个

19、次最佳的解决方案。 而且 , 传感器节点的传输 范围也是一个重要的参数，因为它影响着网络的分层。这个MAC/网络系统的性 能是优良的 。 不过 , 还要注意的是 , 范围参数的调整仍然是一项重要的 任务 , 它需要在系统初始化的时候决定 。此外 , 所有的转发节点的路径需要在启动时定义 好 , 并且定义为固定 的 , 因为节点的信道频率分配需要在启动时完成 。四、结论目前针对传感器网络提出了许多的 MAC 层协议 , 但是没有任何一个协议被作 为标准 ,原因是 MAC 层协议的选择主要是依靠应用的 ,另一个原因是底层 （如物 理层标准和传感器硬件的匮乏 。 仅仅通过链路层的性 能是不能对整个系统性能进 行正确评估的。 因此 , 对于最后的结论产生影响的层数越多 , 系统的性能也就越 好。 另外 ,网络协议的分层也会在每一层上产生额外的 费用 , 造成每个分组上更 多的能量浪费。 因此 , 分层的融合将是今后一个值得深入研究的领域 。! 76/CHINA MANAGEMENT INFORMATIONIZATION