无线传感器网络通信协议研究论文
资料包括： 论文(34页29099字)
说明：
摘要：随着无线通信技术、低功耗处理器和芯片集成工艺的飞速发展，无线传感器网络应运而生了。由于其成本低、适应性强，功能强大等特点，无线传感器网络（WSNs）在军事、环保、生产、医药和智能空间等领域都具有广阔的应用前景，其通信协议研究面临许多新的挑战。本文着重分析了路由协议和MAC协议两大网络协议的分类，并提出未来的研究方向。
关键词：无线传感器网络，通信协议，路由协议，MAC
Abstract ：With the rapid development of radio technologies,low energetic consumption processor and chip integrated technology, wireless sensor networks emerge. Due to its low cost, good adaptability, powerful function, wireless sensor networks have wide and will be applied in many fields such as prospect, military,environmental protection, production, medicine, intellectual space, and so on.The communication protocol faces a lot of new challenges.This essay emphatically routing protocol and MAC(medium access control) protocol among the communication protocol,and raises research direction in the future.
Key words：wireless sensor networks，communication protocol，routing protocol，MAC(medium access control) protocol
第一章 前言
1.1 研究目的和意义
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由许多微型传感器构成的无线传感器网络WSNs (wireless sensor networks)引起了人们的极大关注。WSNs综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，最终传送给用户。WSNs可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实可靠的物理世界的信息，并可以被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。WSNs是信息感知和采集的一场革命，在新一代网络中具有关键作用。美国《商业周刊》认为WSNs是全球未来四大高技术产业之一，是21世纪世界最具有影响力的21项技术之一。MIT新技术评论认为，WSNs是改变世界的十大新技术之一。
1.2 国内外研究现状
WSNs作为一种新的计算模式正在推动科技发展和社会进步，关系到国家经济和社会安全，已成为国际竞争的制高点，引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了WSNs研究计划，投资3400万美元支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对WSNs给予高度重视，把WSNs作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事WSNs研究项目。英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也纷纷设立或启动相应的行动计划。世界很多国家都纷纷展开了该领域的研究工作。
我国最近几年也开始重视WSNs技术的研究。国家自然科学基金委员会资助了很多WSNs研究项目，包括重点项目和面上项目。在“中国未来20年技术预见研究”报告中，有7项技术课题直接论述了传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中有两个与WSNs研究直接相关。
摘要I
AbstractII
第一章 前言1
1.1 研究目的和意义1
1.2 国内外研究现状1
1.3 研究内容1
第二章 无线传感器网络2
2.1 无线传感器网络及其特点2
2.2 无线传感器的拓扑结构3
2.3 无线传感器网络的应用4
第三章 无线传感器网络通信协议概述6
第四章 路由协议8
4.1路由协议的分类8
4.2典型路由协议的比较13
4.2路由协议下一步研究方向14
第五章 MAC协议15
5.1 MAC协议研究进展15
5.2 MAC协议的主要问题15
5.3 MAC协议的分类18
5.4 MAC协议的分析和比较18
5.5 MAC协议下一步研究方向27
第六章 总结和展望28
致谢29
参考文献30
参考文献：
徐文龙.王利存.无线传感器网络.工业控制计算机:2005,18(4),24-26.
刘敏钰.吴泳.伍卫国.无线传感器网络（WSN）研究.微电子学与计算机:2005,22(7),58-61.
黄玲.无线传感器网络简述.传感器世界.2005:36-40.
夏俐.陈曦.赵千川等.无线传感器网络及应用简介.自动化博览:2004.1.33-35.
Akyildiz I F, Su W L, Sankarasubramaniam Y,Cayirci E.A survey on sensor networks. IEEE Communications Magazine,2002,40(8):102~114.
KulkarniSS，Arumugam M. Tdma service for sensor net-works. In:Proceedings of the 24th International Conferenee on Distributed Computing Systems Wbrkshops.washington，D.C.，USA:IEEE，2004.604- 609.
Demirkol I，Ersoy C，Alagoz F.MAC protocols for wireless sensor networks: a survey. IEEE Communications Magezine, 2006,44(4):115-121.
Arisha K A, Youssef M A, Younis M F. Energy-aware TDMA-based MAC for sensor networks. in: Proceedings of IEEE Workshop on integrated Management of Power A ware Communications, Computing and Networking. New York, USA: IEEE, 2002.189-201.
Sohrabi K, Gao J, Ailawadhi V, Pottie G J. Protocols for self-organization of a wireless sensor nrt work .IEEE Peraonal Communications, 2000, 7(5):16-27.
任丰原，黄海宁，林闯，无线传感器网络，软件学报，2003
李建中，陈渝，朱红松，无线传感器网络，北京：清华大学出版社，2005
唐勇，周明天，张欣，无线传感器网络路由协议研究进展。软件学报，2006
于海斌，曾鹏，王忠锋，梁英，尚志军，分布式无线传感器网络通信协议研究，通信学报，2004
EI-Hoiydi A. Aloha with preamble sampling for sporadic traffic in ad hoc wireless sensor networks. In: Proceedings of IEEE International Conference on Communications. New York, USA: IEEE,2002. 3418-3423.
[15]Hill J L, Culler D E. Mica: a wireless platform for deeply embedded networks. IEEE Micro,2002, 22(6):12-24.
[16]EI-Hoiydi A, Decotignie J D. WiseMAC: an ultra low power MAC protocol for the downlink of infrastructure wireless sensor networks. In: Proceedings of the 9 th IEEE International Symposium on Computers and Communications. New York, USA: IEEE, 2004.244-251.
[17]Chatterjea S, Van Hoesel L F W, Havinga P J M. AILMAC: an adaptive, information-centric and lightweight MAC protocol for wireless sensor networks. In: Proceedings of the 2004 Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information Processing Conference. New Jersey, USA: IEEE, 2004.381-388.
[18]Rhee I, Warrier A, Aia M, Min J. Z-MAC: a hybrid MAC for wireless sensor networks. In: Proceedings of the 3 rd International Conference on Embedded Networked Sensor Systems. California, USA: ACM, 2005.90-101.
[19]Dhanaraj M, Manoj B S, Siva R M C. A new energy efficient protocol for minimizing multi-hop latency in wireless sensor networks. In: Proceedings of the 3 rd IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications. New Jersey, USA: IEEE, 2005. 117-126.
[20]Schurgers C, Tsiatsis V, Ganeriwal S, Srivastava M. Optimizing sensor networks in the energy-latency-density design space, IEEE Transactions on Mobile Computing, 2002, 1(1):70-80.
[21]Zorzi M, Rao R R. Geographic random forwarding(GeRaF) for ad hoc and sensor networks: multihop performance. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2003, 2(4):337-348.
[22]Zorzi M, Rao R R. Geographic random forwarding(GeRaF) for ad hoc and sensor networks: energy and latency performance. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2003, 2(4):349-365.
[23]Jamieson K, Balakrishnan H, Tay Y C. Sift: an MAC protocol for event-driven wireless sensor networks. In: Proceedings of the 3 rd European Workshop on Wireless Sensor Networks. Heidelberg, Germany: Springer Verlag, 2006. 260-275.
[24]Miller M J, Vaidya N H. An MAC protocol to reduce sensor networks energy consumption using a wakeup radio. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2005, 4(3):228-242.
[25]Rajendran V, Obraczka K, Garcia-Luna-Aceves J J. Energy-efficient, collision-free medium access control for wireless sensor networks. Wireless Networks, 2006, 12(1): 63-78.
[26]Lu G, Krishnamachari B, Raghavendra C S. An adaptive energy-efficient and low-latency MAC for data gathering in sensor networks. In: Proceedings of the 18 th International Conference on Parallel and Distributed Processing Symposium. Palmerston, USA: IEEE, 2004. 224-231.
[27]Lin P, Qiao C M, Wang X. Medium access control with a dynamic duty cycle for sensor networks. In: Proceedings of the 2004 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. New York, USA: IEEE, 2004. 1534-1539.
[28]Tay Y C, Jamieson K, Balakrishnan H. Collision-minimizing csma and its applications to wireless sensor networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2004, 22(6): 1048-1057
[29]Rugin R, Mazzini G. A simple and efficient MAC-routing integrated algorithm for sensor networks. In: Proceedings of 2004 IEEE International Conference on Communication. New Jersey, USA:IEEE, 2004. 3499-3503.
[30]Cui S G, Madan R, Goldsmith A J, Lall S. Joint routing, MAC, and link layer optimization in sensor networks with energy constraints. In: Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Communication. New Jersey, USA: IEEE, 2005. 725-729.
作者点评：
无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协调地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，传送给用户。
到目前为止，对无线传感器网络的研究可大致分为两个主要部分。其一主要侧重于利用微机电系统技术设计小型化的节点设备；另一个就是对传感器网络协议栈设计的研究，目前也是一个热点，从网络分层模型的角度分析，每一层都有需要结合网络自身特点进行细致研究的问题，但就已有的研究而言，主要还是集中在网络层和链路层，即找到适合无线传感器网络的路由协议和MAC协议。
本论文重要研究了无线传感器网络的路由协议和MAC协议。对于路由协议，大致做了一个分类和比较。其中包括直接（单跳）传输协议，多跳传输协议；泛洪法Flooding，定向扩散DD，基于数据收集的路由协议包括LEACH、TEEN、PEGASIS等。对于MAC协议，讨论了其性能指标、节点间通信时造成能量浪费的潜在因素，以及WSNs网络中可能的通信模式等问题。由于MAC协议采用不同的策略或多种策略组合来设计，本文从中选取了几个较为重要的MAC协议(C-TDMA、SMACS/EAR、S-MAC、T-MAC、PMAC、低功耗前导载波周期侦听协议LPL、LMAC、Z-MAC、LEEM、GERAF)，对其核心实现机制、特点以及优缺点等进行了分析、对其特征进行了比较。
要强调的是，无线传感器网络的运行环境恶劣，能源一般无法代替，网络的能源问题无疑是限制网络技术应用的一个瓶颈。如何在给定传感器节点能量的前提下充分发挥电源有效性，延长网络寿命，选择一种最优化的路由通信协议是一个关键问题，有着非常重大的意义。
无线传感器的前景是美好的，随着大家的努力，无线传感器网络将更多、更快、更好地应用在现实生活中。