譚 龍，張偉平，王 敏，李宏偉，楊 艷，呂成國，玄 萍

（1.黑龍江大學 計算機科學技術學院 ，哈爾濱 150080；2.哈爾濱體育學院 現代教育中心，哈爾濱 150096；3黑龍江省教育廳，哈爾濱 150001）

0 引 言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者[1]。它綜合了傳感器技術、嵌入式技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端。其低成本、自組織、撒布靈活等特點及強大的數據獲取能力使傳感器網絡在軍事偵察、環(huán)境信息檢測、空間探索、建筑與家居、工業(yè)生產控制、交通控制以及商業(yè)領域有著極其廣闊的應用前景[2]。

MAC（Media Access Control）協議處于網絡協議的底層部分，對網絡的性能有較大的影響，是WSN的研究重點之一。MAC協議的研究對WSN的研究具有重要的理論及實際意義，而在當前的研究工作中對協議進行實際的實驗成本過高、一些大型的模擬仿真工具需要對整個網絡進行完整的配置且操作復雜，針對以上問題本文所實現的MAC協議實驗模擬系統(tǒng)針對MAC層多個經典協議提供了一個完整的模擬分析平臺，從而使研究人員可通過此平臺比較和分析不同算法中的多個參數及其他網絡信息，大幅度提高研究工作的效率。

1 WSN中的MAC協議

目前針對不同的傳感器網絡應用，研究人員從不同方面提出了多個MAC協議，但對WSN中MAC協議還缺乏一個統(tǒng)一的分類方式。本文按其是采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式，將傳感器網絡的MAC協議分為3類：

第一類是采用無線信道的隨機競爭方式，節(jié)點在需要發(fā)送數據時隨機使用無線信道，重點考慮減少節(jié)點間的干擾；該類協議采用按需使用信道的方式，它的基本思想是當節(jié)點需要發(fā)送數據時，通過競爭方式使用無線信道，如果發(fā)送的數據產生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數據，直到數據發(fā)送成功或放棄發(fā)送。無線局域網IEEE802.11MAC協議[3]的分布式協調工作模式采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（CSMA／CA）協議，它可以作為基于競爭 MAC協議的代表。在IEEE802.11MAC協議的基礎上，研究者提出了多個用于WSN的基于競爭的MAC協議，其中具有代表性的有SMAC協議[4]、T－MAC協議[5]及Sift MAC協議[6]等。

第二類是采用無線信道的時分復用方式（Time Division Multiple Access，TDMA），給每個傳感器節(jié)點分配固定的無線信道使用時段，從而避免節(jié)點之間的相互干擾。在傳感器網絡中采用TDMA機制，就是為每個節(jié)點分配獨立的用于數據發(fā)送或接收的時槽，而節(jié)點在其他空閑時槽內轉入睡眠狀態(tài)。其典型代表為 DEANA 協議[7]、TRAMA 協議[8]及 DMAC 協議[9]等。

基于TDMA的MAC協議雖然具有很多優(yōu)點，但網絡擴展性較差，需要節(jié)點之間嚴格的時間同步，對于能量和計算機能力都有限的傳感器節(jié)點而言其實現比較困難。人們考慮通過FDMA或者CDMA與TDMA相結合方法，為每對節(jié)點分配互不干擾的信道實現消停傳輸，從而避免了共享信道的碰撞問題，增強了協議的擴展性，其代表為采用EAR（Eavesdrop-And-Register）算法[10]的SMACS協議[11]。

2 WSN中的MAC協議模擬環(huán)境的設計與實現

2.1 模擬環(huán)境系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境及基本條件

本文采用WINDOWS系統(tǒng)下的Microsoft Visual Studio 2005＋SQL SERVER 2000為開發(fā)平臺，使用C＃作為主要開發(fā)語言，配合使用標準化SQL查詢語言實現。由于無線傳感器網絡采用分層思想實現，各層自底向上透明，本文不討論與MAC相鄰各層具體實現情況，即直接給定相應的MAC協議所需數據，不考慮路由協議及物理層協議的具體執(zhí)行情況，且假設路由表信息已生成。

2.2 模擬環(huán)境系統(tǒng)的整體設計

模擬環(huán)境系統(tǒng)主要由兩大部分組成：①節(jié)點的客戶端程序，主要完成節(jié)點的數據通信、能量消耗計算以及相鄰節(jié)點的狀態(tài)的收集和處理等功能；②MAC協議數據統(tǒng)計分析部分，完成不同算法的相同無線工作環(huán)境下通信過程的比較分析操作功能。主要采用C＃語言實現，顯示為WINDOWS桌面應用程序。兩個程序通過讀取后臺數據庫中的有關信息得知當前網絡的狀態(tài)、狀況，并即時地改變自己的工作模式，從而實現模擬傳感器網絡的MAC層有關協議。

2.3 傳感器節(jié)點模塊的設計與實現

首先，本環(huán)境實現的節(jié)點主要有兩種類型：①匯聚節(jié)點（Sink Node）；②傳感器節(jié)點（Sensor Node）。后者部署在傳感器網絡的監(jiān)測區(qū)域，前者通過與其他網絡的交互獲得當前的任務，并實現向傳感器節(jié)點發(fā)布監(jiān)測任務及收集信息的功能，當Sink節(jié)點發(fā)布信息時，設其傳輸方向為路徑A（采用廣播發(fā)送），該路徑信息保存在一個路由表Route中，從該表中可以查到任意節(jié)點的下一跳位置，還可通過相關函數判斷是否到達了目的節(jié)點。

當數據沿某一路徑進行傳遞時采用IEEE802.11的虛擬載波偵聽沖突避免技術（CSMA／CA）的方式。如圖1所示，C在A的無線通信范圍內，D在B的無線通信范圍內，但不在A的無線通信范圍內。A要向B發(fā)送數據，A首先向B發(fā)送一個請求幀（Request-To-Send，RTS），B返回一個清除幀（Clear-To-Send，CTS）進行應答，在這兩個發(fā)送幀中都有一個字段表示這次數據交換需要的時間長度，稱為網絡分配矢量（Network Allocation Vector，NAV），其他幀的 MAC頭也會捎帶這一信息。C和D在偵聽到這個信息后，就不再發(fā)送任何數據，直到數據交換完成為止。NAV可看作一個計數器，以均速遞減計數到零，當計數器為零時，虛擬載波指示信道為空閑；否則，指示信道為忙，從而實現無線通信IEEE802.11協議的環(huán)境模擬。

傳感器節(jié)點程序實現的基本界面見圖2，輸入某一ID即可登入，登入后程序會自動判斷其節(jié)點類型，并從數據庫中讀出節(jié)點名稱、地理坐標、消息半徑、當前狀態(tài)及收到的任務等相關信息，此時節(jié)點狀態(tài)被鎖定，節(jié)點開始進行自組織的運行，不需其他外界程序進行控制。

圖1 虛擬載波監(jiān)聽方式示意圖（左）及拓撲圖（右）Fig.1 Monitoring by virtual waves and its topology

圖2 傳感器節(jié)點程序運行示意圖Fig.2 Program working of sensor nodes

當輸入的節(jié)點ID為Sink型節(jié)點時，會出現兩個與其他普通節(jié)點登入時間不同的按鈕。Sink運行是指可以手動的進行一次信息的收集，此時Sink節(jié)點將向它的鄰居節(jié)點發(fā)出收集信息的命令，其他節(jié)點會根據協議進行自己的下一步工作。根據運行時間的長短，節(jié)點能量會以時間為單位減少；除此之外探測、發(fā)送、接收信息及進入睡眠和喚醒等操作都會引起能量消耗，這些都可根據不同算法定制。

普通節(jié)點也通過同樣的方式輪詢數據庫查詢新任務，在對任務處理的過程中通過改變數據庫中相應字段的值完成相應的功能，傳感器網絡是自組網，他會自動判斷自己的下一步工作。每當一個普通節(jié)點接收到數據后它會判斷此數據的最終目標是不是自身，是則根據任務通過路由表找到下一跳并將自己信息通過路由反饋給Sink節(jié)點；否則，繼續(xù)傳送直至數據到達其目標節(jié)點。最后當Sink節(jié)點收到了各節(jié)點的有關信息后會寫入數據庫并重新回到網絡初始化后的空閑—休眠模式，即等待下一次的Sink啟動。

2.4 統(tǒng)計分析模塊的設計與實現

本文所實現的模擬系統(tǒng)是以數據庫中數據作為數據源進行的，這樣有利于實驗數據的分析，各節(jié)點在運行時以并行方式進行，統(tǒng)計分析程序除對網絡中發(fā)生的數據及日志信息進行記錄外，也可對整個網絡從全局的角度進行復位控制。如圖3所示，在網絡全局信息瀏覽面板中可以整體地查看當前網絡中各個節(jié)點的有關信息。在節(jié)點運行過程中，節(jié)點每發(fā)生一次狀態(tài)的轉換及進行一次數據的收發(fā)都會將其行為寫入數據庫中的日志文件中，在統(tǒng)計模塊里就可以將這些信息以統(tǒng)計報表的形式展示，其中能量部分還通過柱型圖的形式顯示出來以方便用戶進一步分析，同時系統(tǒng)還具有將節(jié)點及網絡中有關數據以EXCEL表格的格式被導出以供進一步分析和研究的功能，所有的歷史信息可在圖4左中面板查看。

圖3 模擬系統(tǒng)統(tǒng)計分析程序Fig.3 Statistical analysis program of virtual system

最后一個模塊（圖4右）為能量分析模塊，通過對數據庫中有關節(jié)點能量信息的查詢，獲得各個節(jié)點當前所存的能量數據，能量柱型圖給用戶提供當前網絡中能量的一個直觀展示，所有的能量數據會隨著各節(jié)點能量的損耗而變化。

除以上所描述的各面板外本系統(tǒng)還有可查看、修改、更新網絡中各節(jié)點信息的詳細信息查看模塊和進行報表統(tǒng)計打印的報表模塊等。

圖4 模擬系統(tǒng)統(tǒng)計的歷史數據和分析Fig.4 Historical records and analysis in virtual system statistics

2.5 模擬系統(tǒng)數據結果分析

如圖5所示，此圖即為通過本系統(tǒng)收集的不同算法下相同3個節(jié)點Sin、A、B能量變化的統(tǒng)計分析圖，橫坐標表示網絡運行時間，縱坐標為各節(jié)點能量值，可以看出，左側Sink節(jié)點在時間2結束時發(fā)送一次數據；右側節(jié)點在時間2及時間3結束時兩次發(fā)送數據從而出現更多的能量消耗。通過此方式即可直觀比較出不同算法下能量數據的變化情況。

圖5 模擬系統(tǒng)數據分析結果比較Fig.5 Comparison of virtual system data result

3 結 論

本文在無線傳感器網絡MAC協議的研究基礎上，基于現有傳感器網絡普遍的實驗研究方法比較復雜，無線通信環(huán)境比較復雜的情況，通過設計和實現了一個WSN中MAC協議的模擬環(huán)境，仿真實現了經典的具有代表性的IEEE802.11MAC層協議，通過這樣模擬環(huán)境系統(tǒng)的實現，達到了模擬各節(jié)點并行自組成網絡進行工作的目的，并且提供了與實際網絡工作時相近的網絡信息的收集、通信等功能，該模擬環(huán)境還提供了相應的分析統(tǒng)計接口，為有關無線傳感器網絡MAC協議的研究提供了一種更簡單方便的研究方式，為今后的研究工作提供了一種較便捷的工具，可提高相關研究的效率，為MAC協議的深入研究打下了堅實的基礎。

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