基于竞争MAC协议的无线传感器网络仿真研究(2)
5.4 本章小结39
结论 40
致谢 41
参考文献42
1 绪论
传感器网络是全球未来的三大高科技产业之一[1]。近年来嵌入式计算技术、通信技术以及传感器技术在以惊人的速度快速的发展起来，开始变得日益成熟，在这个良好环境下，那些具有计算能力、感知能力以及通信能力的微型传感器逐渐出现并得到了较为的广泛应用。在下一代的互联网之中，人们可以通过它来迅速获得大量的最有效、最真实、最直接的信息。无线传感器网络技术诞生于上个世纪90年代末，在它出现后，相继有许多的重要机构预测该技术将会成为可以改变世界的重要的新技术，在世界各主要的发达国家中相关研究工作也开始了大量开展。为了在新的领域中获得领先地位，无线传感器网络的发展在我国受到了极大的重视。包括中科院等知名研究机构以及国内的很多知名大学早已开展相关的研究。这将一种是对人类未来的生活产生深远影响的前沿科技，必将极大的推动相关产业与学科的快速发展，提高我国的信息化建设水平，为我国经济的快速增长带来新的动力。
1.1 研究的目的和意义
覆盖在一定范围内的无数个传感器节点组成了无线传感器网络。与此同时，网络中的每一个传感器节点都具有无线通信的能力和一定程度上的信号智能处理和数据通信能力。因此无线传感器网络的应用领域是非常广阔的，例如在军事领域中无线传感网被用于探测敌人活动以及爆破信息，在交通行业中被用来对高速路上的汽车进行监控，许多安全系统利用传感器节点对目标进行探测与跟踪。同时无线传感器网络大量应用于智能家居、城市交通、大型车间、健康护理、环境监测与预报、和仓库管理等领域。将来随着不断深入的研究以及更加广泛的应用，相信传感器网络将会在不远的将来深入到人类生活方方面面。然而由于传感器网络自身所具备的特点，使得现实中传感器节点在组建特定应用系统以及实现各种网络协议时，存在着很多约束。
(1)能量。节点通常会由纽扣电池或干电池来进行供电，因为传感器节点一般会部署在无人到达或环境较为复杂的环境中。由于数量众多的传感器节点通常在工作人员无法到达的区域工作，使得经常通过更换电池来对能量进行补充是不不切实际的。因此传感器网络所面临的首要挑战是如何能高效的使网络的生命周期达到最大化。
(2)通信能力。经过研究，无线通信的能量消耗与通信距离成正比，表达式为E=kdn。并且满足2<n<4。另外，参数n的取值与许多因素有关。因此如何设计出满足当今网络通信需求的网络通信规则是现今传感器网络所面临的挑战之一。
(3)存储和计算能力。由于传感器节点是一种低功耗、低成本的嵌入式设备，导致其存储容量比较小，且信息处理能力相对较弱。因此如何利用有限的存储资源和计算能力来完成传感器网络的协同也是传感器网络设计所面临的一个挑战[1]。
现今传感器网络的研究重点是MAC协议和路由协议，MAC子层主要是解决传感器节点的信道接入问题而路由协议负责采集信息的传输路径。而本文重点对 MAC 子层进行深入研究。MAC 协议定义了数据帧怎样在介质上进行传输,是保证网络通信的重要协议，负责解决当局域网用信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权问题。节省能量和支持扩展性是无线传感器网络的MAC协议考虑的首要问题，其次才是考虑实时性、带宽利用率和公平性问题。能量的有效性，就是将成功收发业务所损耗的能量最小化。但是，除了业务分组本身所产生的收/发损耗，同时也存在着其他的潜在能量消耗因素。首先，MAC协议的基本任务就是对多个节点竞争、避免冲突进行协调，因此冲突是MAC层可能存在的一个潜在因素。其次是空闲节点一直对信道进行侦听开始业务却一直没有到来，这将会导致节点产生大量原本不必要的能量消耗。与此同时，一部分能量会被控制开销所消耗。为了减少不必要的能量损耗，网络性能很大程度上受到其控制无线设备收/发功能的 MAC 协议的影响。目前提出了基于竞争的S-MAC、T-MAC和SIFT等MAC协议。由于传感器网络的存在应用相关性，使得网络协议还要根据自己的应用需求、应用目标和应用场景的情况来具有一些相应的独特特点。