无线传感器网络的多信道协议研究

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 746.11KB 62 页 15积分
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摘 要
无线传感器网络(WSN)是由分布在监测区域内的大量传感器节点构成，节点之
间通过短距离无线通信形成一个多跳的自组织网络。利用传感器节点中内置的不
同类型传感器，无线传感器网络可以对周围环境进行监测，包括温度、湿度、光
强度、压力、声音等众多人类所关心的物理现象。
随着越来越多的无线设备共同工作在2.4GHz ISM 频段，干扰问题日益受到全
世界范围的广泛关注。WSN 的干扰主要来自三个方面：第一，网络内部节点间的
相互干扰。第二，外部通信设备环境因素的变化对WSN 造成的干扰。第三，在同
一个地理区域存在交叠的传感器网络应用。MAC 协议直接影响网络的整体性能，
相对于单信道MAC 协议，多信道MAC 协议可以根据信道状态动态地分配信道，
从而具有较强的抗干扰能力。
本文首先研究了现有的多信道协议，分析了各种方案的实现原理和特点，针
对WSN 抗干扰问题，本文结合 CTP 协议提出了基于TinyOS 的多信道协议解决方
案，介绍了其中的信道划分、握手机制和抗干扰策略，并定义了相关组件。通过
实验测试了WLAN 干扰对无线传感器网络传输性能的影响。初步的实验研究验证
了CTP 协议的自适应机制，同时也显示了WLAN 对WSN 的影响，当WSN 的射
频输出功率小于-10dBm 时，基于CTP 的WSN 经常无法成功组网；当 WLAN 的
中心频率与 WSN 的中心频率重叠时，基于CTP 的WSN 的信标比例与跳数显著增
加。最后，本文对多信道协议进行了初步的实验验证，实验表明受到干扰时各分
组的RSSI 会有所下降，但切换信道之后，RSSI 值会集中分布在[-45dBm,-60dBm]
之间，显示多信道协议对WLAN 干扰起到了抵抗作用。
关键字：无线传感器网络 多信道协议 干扰 汇聚树协议 MAC 协议
ABSTRACT
Wireless sensor network (WSN) consists of a large number of sensor nodes
distributed in the monitoring area, and the nodes form a self-organizing multi-hop
network via short-range wireless communication. With different types of sensors, WSN
can monitor the surrounding environment, including temperature, humidity, light
intensity, pressure, sound, and many other physical phenomena interested to human
beings.
As more and more wireless devices work in the 2.4GHz ISM band, the problem of
interference has aroused worldwide attention. The interference on WSN is mainly from
three aspects: first, intra-network interference; second, external interference from the
other wireless devices; third, interference from geographically overlapping WSN
networks. Because MAC protocol will directly affect the network's overall performance,
compared with the single-channel MAC protocol, multi-channel MAC protocol can
dynamically distribute channel according to the link quality, which has a strong
anti-interference ability.
This paper studies the existing multi-channel protocol, and analyses their principles
and the distinction between each other. To mitigate the effect of WLAN interference on
WSN, this paper combines CTP with anti-interference strategy and proposes a
multi-channel protocol based on TinyOS, including channel distribution, the handshake
mechanism, anti-interference strategy and the related components definition. We
experimentally investigate the effects of WLAN interference on packet delivery
performance in WSN. Preliminary experimental study verifies the CTP protocol
adaptive mechanism, but also shows the impact of WLAN on WSN. When RF output
power is less than -10dBm, a wireless sensor network cannot construct successfully;
when the center frequency of a WSN overlap that of a WLAN, the ratio of beacons to
total traffic in the WSN and the average hops increase significantly. We also test the
multi-channel protocol; the result shows that RSSI will drop because of WLAN
interference, but after channel diversity the RSSI will gradually distribute between
-45dBm and -60dBm again, which can show that the multi-channel protocol plays a role
in the resistance of WLAN interference.
Key word: Wireless sensor network, Multi-channel, Interference，
CTP , MAC protocol
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ....................................................... 1
§1.1 无线传感器网络概述及发展 ................................... 1
§1.2 课题背景 ................................................... 3
§1.3 国内外研究现状 ............................................. 4
§1.4 论文的主要内容和章节安排 ................................... 5
第二章 基于多信道的协议研究 ........................................ 7
§2.1 多信道MAC 协议 ............................................. 7
§2.1.1 MMSN ................................................... 7
§2.1.2 McMAC .................................................. 7
§2.1.3 TFMAC .................................................. 8
§2.1.4 TMCP ................................................... 8
§2.2 B-MAC 协议原理 ............................................. 8
§2.2.1 B-MAC 的基本接口 ........................................ 9
§2.2.2 空闲信道评估 CCA 机制 ................................... 9
§2.2.3 时间退避 .............................................. 10
§2.2.4 低功耗侦听 LPL 机制 ..................................... 10
§2.3 本章小结 .................................................. 11
第三章 汇聚树协议 CTP 的分析 ....................................... 12
§3.1 汇聚协议 .................................................. 12
§3.2 链路质量估计 .............................................. 13
§3.2.1 LEEP 帧 ................................................ 13
§3.2.2 链路估计基本原理 ...................................... 14
§3.3 CTP 协议原理 .............................................. 16
§3.3.1 CTP 路由帧 ............................................. 16
§3.3.2 数据验证机制 .......................................... 17
§3.3.3 自适应信标机制 ........................................ 17
§3.3.4 路由维护 .............................................. 18
§3.3.4.1 控制信息的发送周期 ................................ 18
§3.3.5 数据转发 .............................................. 19
§3.3.5.1 CTP 数据帧 ......................................... 20
§3.3.5.2 客户端数据队列 .................................... 21
§3.3.5.3 混合发送队列 ...................................... 22
§3.3.5.4 发送定时器 ........................................ 22
§3.3.5.5 发送缓存 .......................................... 22
§3.4 CTP 的实现 ................................................ 24
§3.4.1 CTP 协议软件架构 ....................................... 24
§3.4.2 链路估计层实现 ........................................ 25
§3.4.2.1 根据LEEP 帧的链路估计（B估计） .................... 25
§3.4.2.2 根据ACK 包的链路估计（D估计） ..................... 26
§3.4.2 路由引擎实现 .......................................... 27
§3.4.3 转发引擎实现 .......................................... 28
§3.5 本章小结 .................................................. 30
第四章 基于TinyOS 的多信道协议实现方案 ............................ 31
§4.1 多信道协议设计的目标 ...................................... 31
§4.2 设计原理 .................................................. 31
§4.2.1 信道划分 ............................................... 32
§4.2.2 握手机制 .............................................. 32
§4.2.3 抗干扰策略 ............................................ 33
§4.2.4 控制流程 .............................................. 34
§4.3 多信道协议框架 ............................................ 35
§4.4 多信道协议主要接口定义 .................................... 36
§4.4.1 CSC 组件 ............................................... 37
§4.4.2 CSW 组件 ............................................... 37
§4.5 本章小结 .................................................. 38
第五章 干扰对WSN 的影响与多信道协议的实验研究 ..................... 40
§5.1 硬件测试平台 .............................................. 40
§5.2 软件测试平台 .............................................. 41
§5.2.1 上位机控制软件 ........................................ 41
§5.2.1 WSN 网络分析器 ......................................... 43
§5.3 WLAN 对WSN 的干扰实验 ..................................... 45
§5.3.1 实验目的 .............................................. 45
§5.3.2 实验设备 .............................................. 46
§5.3.3 实验环境搭建 .......................................... 46
§5.3.4 实验结果分析.......................................... 47
§5.3.5 结论.................................................. 49
§5.4 多信道协议验证实验 ........................................ 49
§5.4.1 实验目的.............................................. 49
§5.4.2 实验设备 .............................................. 50
§5.4.3 实验环境搭建 .......................................... 50
§5.4.4 实验结果分析.......................................... 50
§5.5 本章小结.................................................. 50
第六章 总结和展望................................................. 52
§6.1 本文总结.................................................. 52
§6.2 后续工作 .................................................. 52
参考文献.......................................................... 54
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 无线传感器网络概述及发展
无线通信、嵌入式技术、集成电路、MEMS 传感器等技术的日益成熟，推动
了无线传感器网络（WSN，wireless sensor network）技术的迅猛发展，同时，传感
信息的获取也开始从过去的单一化逐渐向微型化、集成化和网络化的方向发展[1]。
WSN 的产生满足了人们对“无所不在”网络的需求，将 Internet 虚拟网络延伸到
现实物理世界，将 逻辑上的信息世界和客观的物理世界融合在一起[2]。无线传感器
网络可以实现任何物体（如家具、电器）之间的相互通信，从而智能的感测到人
的行为，对人类所下达的指令做出相应的反应，改变了人与自然的交互方式。
WSN 是由分布在监测区域内的大量传感器节点构成，节点之间通过短距离无
线通信形成一个多跳的自组织网络。利用传感器节点中内置的不同类型传感器，
无线传感器网络可以对周围环境进行监测，包括温度、湿度、光强度、压力、声
音等众多人类所关心的物理现象[3]。传感器节点之间相互协作，以 多跳中继的方式
将数据提交给汇聚节点，实现网络的数据采集功能。通过网关，无线传感器网络
还可以连接到外围网络，实现远程用户和无线传感器网络之间的相互通信。无线
传感器网络将采集到数据传给远程用户，远程用户也可以通过汇聚节点对无线传
感器网络进行管理、配置、发布监测任务。图1-1 是一个典型的无线传感器网络示
意图，从图中可以看出，无线传感器网络具备三个基本要素：传感器节点，汇聚
节点，外围网络（包括卫星、互联网和GPRS）。
图1-1 WSN 示意图
作为WSN 的最基本组成单位，传感器节点实际上是一个微型的嵌入式平台。
无线传感器网络的多信道协议研究
2
通常，传感器节点包括以下几个功能模块：传感器模块、处理器模块、射频收发
模块、电 源模块。因为无线传感器网络中节点数目庞大，要求尽量降低节点成本，
所以普通传感器节点的运算、存储和通信能力较低，如果节点要访问通信范围之
外的其他节点，需要通过多跳路由。
而作为汇聚节点，则功能相对强大。有的生产商对汇聚节点做了功能增强型
处理，使它既可以是一个具有较大内存和计算资源的传感器节点，又可以是一个
带有无线通信接口的特殊网关，实现 WSN 协议栈和Internet 协议栈之间的转换。
无线传感器网络与现有的无线网络具有一定的相似性，但由于传感器节点的
一些限制特性和WSN 的应用目标不同，导致了WSN 具有一些区别于其他无线自
组网络的独有特征：
（1）规模大，节点密度高。主要因为：第一，监测区域广，造成了节点数量
大；第二，为了获取精确而又完整的监测信息，通常在监测区域密集地部署传感
器节点，数量可能达到成千上万[4]。
（2）动态性网络。由于节点能量耗尽或环境因素的变化（如外界的电磁干扰
造成通信链路的时断时续）会造成某些节点失效，从而影响网络的拓扑结构，所
WSN 必须能够适时的调整工作状态，以适应这种网络拓扑结构的变化。
（3）以数据为中心。在传感器网络应用中，用户只关心某监测领域的指标数
据，而不关心单个节点的测量数据。它不同于传统网络的寻址过程，能够快速、
有效地聚集各节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户[5]。
（4）应用导向型网络。与Internet 不同，无线传感器网络没有统一的通信协
议平台，针对不同的应用，无线传感器网络的系统设计不同，这也是其不同于传
统网络的显著特征。
（5）可靠性。通常传感网络都是大规模地部署在人迹罕至或自然环境恶劣的
地方，为了确保即使在各种极端的环境中网络依然能正常运行，传感器节点必须
非常坚固、不易损坏。另外，考虑到监测数据的安全性和通信的保密性，传感器
网络必须具有很好的容错性和鲁棒性。
（6）节点能力受限。主要受三个方面的限制：第一，电源能量受限，这是因
为传感器节点体积小，因而所携带的电池能量也必然十分有限；第二，计算能力
和处理能力受限，因为传感器节点必须具备成本低功耗小的特点，这些限制必然
导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小[6]；第三，通信范围有限，主
要由周围环境的影响造成的，并且，随着通信距离增加，能量消耗剧增，一般而
言，传感器节点的通信半径为100m 以内。
作为当今信息领域的研究热点，无线传感器网络今后的发展技术主要包括以
摘要：

摘要无线传感器网络(WSN)是由分布在监测区域内的大量传感器节点构成，节点之间通过短距离无线通信形成一个多跳的自组织网络。利用传感器节点中内置的不同类型传感器，无线传感器网络可以对周围环境进行监测，包括温度、湿度、光强度、压力、声音等众多人类所关心的物理现象。随着越来越多的无线设备共同工作在2.4GHzISM频段，干扰问题日益受到全世界范围的广泛关注。WSN的干扰主要来自三个方面：第一，网络内部节点间的相互干扰。第二，外部通信设备环境因素的变化对WSN造成的干扰。第三，在同一个地理区域存在交叠的传感器网络应用。MAC协议直接影响网络的整体性能，相对于单信道MAC协议，多信道MAC协议可以根据信...

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