（信号与信息处理专业论文）无线传感器网络节能机制研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点 组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。无线传感 器网络在科学研究、环境监测、军事应用、灾难救助、家庭生活等领域具 有非常广阔的应用前景。 由于无线传感器网络具有电源容量有限的特点，节能机制就显得尤其 重要，它决定了整个网络的生存时间。 本文首先简要介绍了已有的无线传感器网络节能机制，包括节能 m a c 、功率控制、节能路由、数据融合等。然后研究了一个针对无线传感 器网络而设计的节能m a c 协议d m a c 。d m a c 采用交错的唤醒方式解决 了存在于s m a c 中的睡眠延时，增加了网络的吞吐量。但是由于该协议是 针对树形网络提出的，并不适用于分布式网络结构。对此，本文提出了一 个分布式节能m a c 协议，叫做m h m a c ( m u l t i h o pm a c ) 。仿真结果表明 改进后的协议保留了d m a c 的能量有效性，并适用于分布式网络。本文还 分析了一个最大化网络生存时间的功率控制算法，该方法可以显著延长传 感器网络生存时间。最后本文对单向链路对于网络能耗造成的影响作了分 析，并提出了一个适用于存在单向链路情况的a o d v 协议的改进版本，仿 真结果表明该协议减少了发送的路由请求数目，降低能量消耗，同时该协 议减少了路由建立时间。 关键词：无线传感器网络，低功耗，功率控制，单向链路 v 上海大学硕士学位论文 a b s t i 认c t aw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sc o m p o s e do fal a r g en u m b e ro fl o w c o s tt i n y s e n s o rn o d e s ，w h i c ha r ed e n s e l yd e p l o y e de i t h e ri n s i d et h ep h e n o m e n o no rv e r y c l o s et oi ta n do r g a n i z e di n t oam u l t i h o pa d - h o cn e t w o r kv i aw i r e l e s sl i n k s w i r e l e s ss e r l s o rn e t w o r k sh a v eaw i d er a n p r eo fa p p l i c a t i o n ss u c ha ss c i e n t i f i c r e s e a r c h , e n v i r o n m e n t a ls u p e r v i s i n g , m i l i t a r y , d i s a s t e r r e s c u ea n dh o m e a p p l i c a t i o n f o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v eac h a r a c t e r i s t i co fe n e r g y - c o n s t r a i n e d ， e n e r g ye f f i c i e n tm e c h a n i s m sa r ei m p o r t a n tt ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i t d e c i d e st h el i r e - t i m eo f t h ew h o l en e t w o r k h lt h i sp a p 盯，f i r s ts o m ee x i s t i n ge n e r g ye f f i e i e n tm e c h a n i s m sf o rw i r e l e s s n e t w o r k s ，i n c l u d i n ge n e r g ys a v i n gm a cp r o t o c o l ，p o w e rc o n t r o l l i n g ，e n e r g y c o n s e r v a t i o nr o u t i n g , d a t af u s i o n 。w i l lb ei n t r o d u c e db r i e nv t h e l lw es t u d ya e n e r g ys a v i n gm a cp r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn a m e dd m a c d m a cs t a g g e r sw a k e u ps c h e d u l et os o l v es l e e pd e l a ye x i s t i n gi ns m a c 。a n d i m p r o v et h r o u g h p u t h o w e v e r , d m a ci sp r o p o s e df o rt r e e - b a s e dt o p o l o g y , s oi t i sn os u i t a b l ef o rd i s t r i b u t e dn e t w o r k s s ow ep r o p o s ead i s t r i b u t e de n e r g y s a v i n gm a cp r o t o c o ln a m e dm h m a c ( m u l t i h o pm a c ) s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h em o d i f i e dp r o t o c o lc a nb eu s e di nd i s t r i b u t e dn e t w o r k s a tt h es a m e t i m ei tp o s s e s s e se n e r g ye f f i c i e n c yl i k ed m a c am a x i m u m - l i f e t i m ep o w e r c o n t r o la l g o r i t h mw i l lb ei n t r o d u c e d i tp r o l o n g st h el i f e - t i m eo ft h ew h o l e n e t w o r kd r a m a t i c a l l y h lt h ee n d t h ea f f e c to fu n i d i r e c t i o n a ll i n k so np c i w e r c o n s u m p t i o ni sd i s c u s s e d a n dam o d i f i e dv e r s i o no fa o d vp r o t o c o li s p r o p o s e d w h i c hw o r k sp r o p e r l vi nt h ep r e s e n c eo fu n i d i r e c t i o n a ll i n k s t h e s i m u l a t i o ni m p l i e st h a tu s i n gt h ep r o t o c o l ，l e s sr r e qm e s s a g ei st r a n s m i t t e d ， t h u ss a v em o r ep o w e r , a n dl e s st i m ei sc o s tt oc o n s t r u c tr o u t ei na v e r a g e k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , l o w p o w e r , p o w e rc o n t r o l , u n i d i r e e t i o n a ll i n k v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：金缓整日期：丝! z ：! ! 。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：趁导师签名肚嘞碎型 i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 就是由部署在监测区域 内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组 织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的 信息，并发送给观察者。 传感技术、微电机系统技术、嵌入式计算技术和无线通信等技术进步，推 动了无线传感器网络技术的快速发展【i 】，使传感器本身的传感手段更丰富、处 理能力更强、体积更趋小型化和微型化；器件成本和功耗更低，从而使无线传 感器网络在军事、民用和工业生产等领域具有广阔的应用前景。美国商业周刊 和m r r 技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最具影响力的2 1 项技术和改变世界的1 0 大技术之一。传感器网络、塑料 电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。 无线传感器网络在科学研究、环境监测、武器装备、工农业生产、日常生 活等领域具有非常广阔的应用前景。在科学研究领域，无线传感器网络提供了 一种新型的研究手段，可以揭示以往无法或难以观察的现象，可以应用在地震、 火山活动过程、生态系统微观行为的观察等研究中。传感器网络能够监测温度、 湿度、亮度、压力、噪声、物体移动、速度、方向等多种环境状态，可用于森 林火警监测、城市空气质量监测、洪水监测等应用。在军事领域，传感器网络 可应用在战场监测及武器装备试验中，还可以实现对军用物资的管理，并能够 监视士兵的健康状况。传感器网络与农业结合，对农作物和环境进行监测，相 应调整水分、肥料和杀虫剂的使用量，以达到低耗费、低污染、高产出，可以 实现所谓的精细农业。在城市中每个车辆上附加一个或多个传感器，监测车辆 位置、速度、道路状况和车辆密度等信息，车辆行驶过程中，这些传感器与经 过的其他车辆相互交换信息，驾驶员可以根据交换的信息选择道路，估计到达 时间，而城市交通管理部门在对这些信息收集的情况下，可以对整个城市范围 上海大学硕士学位论文 的交通状况进行监控。 由于无线传感器网络广阔的应用前景，有必要对其进行深入的研究。开发 具有自主知识产权的无线传感器网络解决方案具有重要意义。 本课题来源于上海市科委重大科技攻关项目，项目编号：0 5 d z l 5 0 0 4 。 1 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络具有如下特点3 1 1 4 ： ( 1 ) 硬件资源有限。 无线传感器网络节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序 空间和内存空间都十分有限。通常c p u 时钟频率不大于几十m h z ，程序空间 不大于几百1 0 3 ，内存空间不大于几k b 。这决定了节点只能采用精简的操作系 统，并且协议栈层次不能太复杂。 ( 2 ) 电源容量有限。 网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特殊的应用领域决定 了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点 也就失去了作用( 死亡) 。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使 用都要以节能为前提。 ( 3 ) 无中心。 无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对等 网络。结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运 行，具有很强的抗毁性。 ( 4 ) 自组织。 网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和 分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的 网络。 ( 5 ) 多跳路由。 网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直 接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节 2 上海大学硕士学位论文 点进行路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网 络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节 点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。 ( 6 ) 动态拓扑。 无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会 因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需 要而被添, i l l ! l 网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应 该具有动态拓扑组织功能。 ( 7 ) 节点数量众多，分布密集。 为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。 传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗 毁性。 ( 8 ) 应用相关。 不同的应用场合对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络 协议必然会有很大差别。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题， 但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。针对每一个具体应用 来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。 ( 9 ) 以数据为中心。 用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不 是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这 种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以 通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。 1 3 无线传感器网络的应用 传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境、健康、家 庭、紧急救护、大型设备监控、空间探索和其它商业领域 ”。 ( 1 ) 军事应用。军事应用是无线传感器网络技术的主要应用领域，由于其 特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是军队在敌对区域 上海大学硕士学位论文 中获取情报的重要技术手段。 ( 2 ) 环境科学：随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越 来越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。无线传感器网络为 野外随机性的研究数据获取提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究 环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。类似地，传感器 网络对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。此外，传感器网络也可 以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 ( 3 ) 卫生保健：可以在病人身上安装用于检测身体机能的传感器节点，这 些信息汇总后，传送给医生，进行及时处理，为远程医疗创造条件。 ( 4 ) 智能家居。在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与i n t e m e t 连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。 利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控。 ( 5 ) 紧急和临时场合。在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难 打击后，固定的通信网络设施( 如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等 网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等) 可能被全部摧毁或无法正常工 作，对于抢险救灾来说，这时就需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络 设施、能快速布设的自组织网络技术。边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的 自然保护区，无法采用固定或预设的网络设施进行通信，也可以采用无线传感 器网络来进行信号采集与处理。无线传感器网络的快速展开和自组织特点，是 这些场合通信的最佳选择。 ( 6 ) 大型设备的监控：在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参 数进行监控，以掌握设备的运行情况。在不便于安装有线传感器的情况下，无 线传感器网络就可以作为一个可选的通信手段。 ( 7 ) 空间探索：探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器 布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的 方案。n a s a 的j p l ( j c tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 实验室研制的s e n s o rw e b s 就是 为将来的火星探测进行技术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项 目中进行测试和完善。 4 上海大学硕士学位论文 ( 8 ) 其他商业应用：自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网 络的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。 比如，嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与i n t e r n e t 连接在 一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。此外，在 灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多 领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。 1 4 国内外研究概况 1 4 1 国外研究概况 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 l 世纪开始，传感器网 络引起了学术界、军事界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多无 线传感器网络的研究计划f 2 1 。特别是美国通过国家自然基金会、国防部等多种 渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。 在军事领域，美国国防部和各军事部门较早开始启动传感器网络的研究， 在c 4 i s r 的基础上提出了c 4 k i s r 计划，强调战场情报的获取能力、信息的综 合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系 列军事传感器网络研究项目。美国陆军2 0 0 1 年就提出了“灵巧传感器网络通信” 计划，其基本思想是：在战场上布设大量的传感器以收集和传输信息，并对相 关原始数据进行过滤，然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中心，将大 量的信息集成为一幅战场全景图。当参战人员需要时可分发给他们，使其对战 场态势的感知能力大大提高。美国海军则提出了“传感器组网系统”研究项目。 传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统，利用现有的通信机制对从 战术级别到战略级别的传感器信息进行管理。 在民用领域，美国交通部1 9 9 5 年提出了“国家智能交通系统项目规划”， 预计到2 0 2 5 年全面投入使用。该计划试图有效集成先进的信息技术、数据通信 技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理， 建立一个大范围全方位的实时高效的综合交通运输管理系统。在旧金山，2 0 0 上海大学硕士学位论文 个联网微尘已被部署在金门大桥。这些微尘用于确定大桥从一边到另一边的摆 动距离一可以精确到在强风中为几英尺。当微尘检测出移动距离时，它将把该 信息通过微型计算机网络传递出去。信息最后到达一台更强大的计算机进行数 据分析。任何与当前天气情况不吻合的异常读数都可能预示着大桥存在隐患。 在学术界，美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研究计 划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，联合周边的加州大学 伯克利分校、南加州大学等，展开“嵌入式智能传感器”的研究项目，以求利 用传感器网络对我们的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论 的研究。英特尔与加利福尼亚州大学伯克利分校正领导着微尘技术的研究工作。 他们成功创建了瓶盖大小的全功能传感器，可以执行计算、检测与通信等功能。 2 0 0 2 年，英特尔研究实验室研究人员将处方药瓶大小的3 2 个传感器连进互联 网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，评价一种海燕巢的条件。而2 0 0 3 年第 二季度，他们换用1 5 0 个安有d 型微型电池的第二代传感器，来评估这些鸟巢 的条件。他们的目的是让世界各国研究人员实现无入侵式及无破坏式的、对敏 感野生动物及其栖居地的监测。 美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究， 加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了传感器 网络的研究。日立制作所与y r p 泛在网络化研究所2 0 0 4 年1 1 月2 4 日宣布开 发出了全球体积最小的传感器网络终端。该终端为安装电池的有源无线终端， 可以搭载温度、亮度、红外线、加速度等各种传感器。设想应用于大楼与家庭 的无线传感器以及安全管理方面。三菱电机日前开发成功了一种设想用于传感 器网络的小型低耗电无线模块。能够使用特定小功率无线构筑对等( a d - h o e ) 网络。目标是取代目前利用专线构筑的家用安全网络，计划2 0 0 5 年2 0 0 6 年 达到实用水平。具体而言，与红外线传感器配合，检测是否有人、与加速度传 感器配合，检测窗玻璃和家具的振动、与磁传感器配合，检测门的开关，等等。 1 4 2 国内研究概况 我国现代意义的无线传感网及其应用研究【5 1 几乎与发达国家同步启动， 6 上海大学硕士学位论文 1 9 9 9 年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息 与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创 新工程试点工作的深入，2 0 0 1 年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发 展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署 了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微 电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网 络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、 簇点和应用系统等方面取得很大的进展，2 0 0 4 年9 月相关成果在北京进行了大 规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了 无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技 大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南 交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网 络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网 络研究的行列。 中科院上海微系统研究所承建了宁波北仑区的综合传感网工程，其中市政 监控传感网、环保传感网、水利传感网已建成并投入使用。 中国科学院沈阳自动化所拥有美国c r o s s b o w 公司生产的整套m i c a 系列传 感器网络硬件实验平台。目前，该平台已被世界上许多一流大学用于无线传感 器网络相关研究。针对传感器节点所采用的a t m da v r 系列m c u ，实验室还 配有相关的j t a g 在线仿真器。软件平台沈阳自动化所参加了科学院e d a 中 心，可以租用的方式利用s y n o p s y s 公司大量的电路设计软件平台，包括 c o c c n t r i cs y s t e ms t u d i o ：采用美国u cb e r k d e y 大学开发的t i n yo s 作为无线 传感器网络运行平台，与之相关的软件均为自由软件；大规模网络仿真采用美 国信息科学研究所开发的、用于教学及科研目的，n s 2 网络仿真软件包。 计算所的i p v 6 无线传感器网络节点已取得丰硕研究成果，其中包括面向无 线传感器网络的低功耗专用处理器芯片、面向行业应用的高可靠性无线传感器 网络节点、多种软件及支持平台、无线传感器网络开发芯片及应用开发平台。 目前，由计算所与宁波分部合作开发的口v 6 无线传感器网络节点软硬件平台， 7 上海大学硕士学位论文 已被全国十几所大学采用，并成功应用于宁波招宝山大桥的斜拉索震动监控和 慈溪蔬菜开发公司大棚温湿土壤酸碱度的远程控制检测等。计算所推出了煤矿 安全生产瓦斯监测、环境监测以及面向家庭医疗保健等应用的无线传感器网络 技术成果和系统原型，并正在积极寻求成果的产业化。 中国科学院沈阳自动化所和中国科学院研究生院开展了分布式传感器网络 通信协议的研究，中国科学院合肥智能机械研究所开展了无线传感器网络的设 计，并和中国科技大学一起开展用于环境监测方面的无线传感器网络路由协议 的研究，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研制的无线传感网已经开始 应用在智能交通、港航监控和机场监控工程中。中国科学院沈阳自动化研究和 中国科学院软件所在传感器网络通信协议、实时系统理论、水声传感器重要的 移动载体水下机器人研究、单机器人自主控制以及基于多智能体的多机器 人协调和行为控制等方面具备多年的研究基础，在国内外学术刊物与会议上发 表了一些学术论文。 传感网在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、 智能家居、环境监控等领域。国内从事传感网应用的大企业目前为数不多，小 企业呈现蓬勃发展的势头。北京鼎天软件有限公司，主要从事城市公共安全应 急指挥系统建设，已经承担扬州电子政务和扬州应急指挥系统。上海电器科学 研究院主要从事智能交通方面的工程，已经承担上海市内、外环智能交通工程。 沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也在传感网应用方面有所涉足，目前主 要在电子政务方面，正在向公共安全应急指挥系统进发。 1 5 论文的主要研究内容 在无线传感器网络中，能量消耗是设计者面i 临的一个重大挑战。国内外研 究者已经提出了许多节能机制用于降低无线传感器网络的能量消耗水平。 本文的主要研究内容包括：对已有的针对无线传感器网络的节能d m a c 协 议以及功率控制算法做出改进。通过研究，取得了以下成果： d m a c 是一个针对无线传感器网络而设计的节能m a c 协议，它采用交错 的唤醒方式解决了存在于s m a c 中的睡眠延时，增加了网络的吞吐量。但是由 上海大学硕士学位论文 于该协议是针对树形网络提出的，并不适用于分布式网络结构。对此，本文提 出了一个分布式节能m a c 协议，叫做m h m a c ( m u l t i h o pm a c ) 。仿真结果 表明改进后的协议保留了d m a c 的能量有效性，并适用于分布式网络。 本文还分析了一个最大化网络生存时间的功率控制方法，该方法可以显著 延长传感器网络生存时间。 本文还针对单向链路造成的能量消耗，提出了一个适用于单向链路的 a o d v 协议的改进版本。仿真结果表明改进后的协议减少了路由请求包的发送 数量，并且减少了端到端延时。 1 6 论文的组织 本文的内容安排如下： 第一章中阐述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状，并 总结了本文的主要研究内容。 第二章概括介绍了已有的无线传感器网络节能机制，如：节能m a c 、功率 控制、节能路由、数据融合等。 第三章首先介绍了一个无线传感器网络节能m a c 协议：d m a c ，并讨论 了d m a c 协议中存在的不足。然后提出了一个改进的协议，该协议拓展了 d m a c 协议的适用范围，使其能有效工作于分布式网络，并通过仿真对该协议 的性能作了验证，此外还对其存在的不足进行了讨论。 第四章介绍了无线传感器网络中的功率控制问题，并分析了一个有效的功 率控制算法。 第五章介绍了单向链路问题对于无线传感器网络的能量消耗影响，并提出 了一个适用于单向链路的a o d v 协议的改进版本。仿真结果表明改进后的协议 减少了路由请求包的发送数量，并且减少了路由建立时间。 第六章是总结和展望。 最后列举了作者在攻读硕士学位期间已发表的论文、已受理的专利申请以 及本文的参考文献。 9 上海大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络的节能机制 通常无线传感器网络的协议栈7 】【8 】【明如图2 1 所示： 至圃 图2 1 无线传感器网络协议栈 其中： 物理层负责信号调制解调和无线收发； 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制； 网络层负责路由生成与路由选择； 传输层负责数据流的传输控制； 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件； 时间同步和定位子层既要依赖于数据传输通道进行时间同步协商和协作定 位，又要为各层提供信息支持，如基于时分复用的m _ a c 协议，基于地理位置的 路由协议等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。 拓扑控制利用物理层、数据链路层和路由层完成拓扑生成，反过来又为它们 提供基础信息支持，优化m a c 协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减 少网络能量消耗； q o s 管理在各坍议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对 特定应用的数据给予特别处理； 1 0 上海大学硕士学位论文 能量管理、安全、移动性子层融入到每个协议层次中； 网络管理要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量 信息，协助控制网络中各个协议组件的运行。 每个协议层中都可以添加能量控制代码以降低网络能量消耗。 2 1m a c 协议 2 1 1m c 协议设计的基本思路 在设计无线传感器网络的m a c 协议时，需要同时考虑节省能量、可扩展性 和网络效率。传统的无线网络都是面向数据传输的，因此其m a c 协议关注节点 使用带宽的公平性，提高带宽的利用率以及增加网络的实时性。在面向应用的无 线传感器网络中首要目标则是延长网络生命周期和维持网络拓扑稳定，低能耗是 无线传感器网络m a c 协议设计首要考虑的因素。 射频能耗在节点能耗中比重最大，它可用下式来定义【1 0 】 p c = n ， b ( l + l ) + 只。( l ) 】+ 。 b ( r 。+ r 。) 】 ( 2 1 ) 其中，p c 为无线通信功率，p t 和p r 分别为发送器和接收器功率，p o u t 为发 送器输出功耗，t o n 和r o n 分别为发送和接收时间长度，t s t 和r s t 分别为发送和接 收的启动时间长度，n t 和n r 分别为单位时间内接收和发送的次数，这依赖于具 体任务和使用的m a c 协议。t o n 又可表示为i _ r ，l 是包长度，r 是数据速率。 图2 - 2 所示的是d e b o r a he s t r i n 在m o b i c o m2 0 0 2 会议上的特邀报告( w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，p a r t ：s e n s o rn e t w o r kp r o t o c o l s ) 所述传感器节点各部分能量 消耗的情况，从图中可知传感器节点的绝大多数能量消耗在无线通信模块。传感 器节点传输信息时要比执行计算时更消耗能量，传输1 比特信息1 0 0 m 距离需要的 能量大约相当于执行3 0 0 0 条计算指令消耗的能量。 上海大学硕士学位论文 名 糕 雷 传感器处理器发送接收空闻睡眠 图2 2 传感器节点能量消耗情况 无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲 状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发给自己，而在睡眠状态则 关闭通信模块。从图中可以看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在 空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态 的能量消耗最小。节点在空闲时可能接收不到任何信息，但也在消耗能量。节点 应该在不需要通信时尽快进入睡眠状态。 在传感器网络中，数据具有突发性特点，并且由于每个节点的功能差异很大， 有些节点仅仅负责数据采集，这使得采用周期性休眠的方法来降低能量消耗成为 可能，没有数据发送任务的节点可以在空闲时关闭无线收发模块，这正是所有无 线传感器网络节能m a c 协议所采用的最主要的方法。 无线传输输出功率和通信距离的关系为： e = k d ” 其中，参数n 满足2 n c + r + - t 其中，c 为信道竞争时间，r 为发送r t s 分组的时间，t 为r t s 分组结束 到发出c t s 分组开始的时间。 在t m a c 中也存在睡眠延时，在文中作者将其称为早睡问题( e a r l y - s l e e p p r o b l e m ) 。 t m a c 协议提出两种方法解决早睡问题。第一种方法称为未来请求( f u t u r e r e q u e s t - ts e n d ，f r t s ) 。另一种方法称作满缓冲区优先( f u l l b u f f e r p r i o r i t y ) 。 上海大学硕士学位论文 尽管s m a c 协议比8 0 2 1 1 更加节省能量，但是由于在s m a c 协议中使用固定 的占空比，因而无法很好地适应通信负载的变化。针对低通信负载而设定的占空 比在遇到高通信负载时会造成网络吞吐量不足；而针对高通信负载而设定的占空 比在遇到低通信负载时，会造成能量浪费。节点不论是否有数据要传输，都要周 期性地醒来，这浪费了很多能量。 t m a c ( t i m e o u t m a c ) 协议采用自适应的占空比改善了s m a c 的性能。当t a 内没有激活事件发生时，节点进入休眠状态。t m a c 协议在通信负载变化的情况 下性能要优于s m a c 协议，但是t m a c 协议在每一个帧的开始处即使没有数据要 传输，也至少要保持活跃状态t a 时间长度，这还是会造成能量浪费。此外，t m a c 协议中若过分强调节能会引起早睡问题，这将导致延时增加以及吞吐量降低。 t a oz h e n g 等提出了一个根据通信负载自适应调节占空比的m a c 协议，称为 p m a c ( p a t t e r n - m a c ) 协谢1 4 1 。在p m a c 协议中节点根据本节点和邻居节点的通信 负载来自适应地决定休眠与活跃时间的比例，这可以避免低负载时无效的空闲监 听和高负载时网络的拥堵。在p m a c 协议中，节点根据模式( p a t t e r n ) 来调节休眠 时间。每一个节点得到邻居的活跃信息，并由此产生一个模式。节点在得到了邻 居的模式之后，如果网络中没有通信负载，就可以连续休眠几个帧。如果邻居有 任何活动，节点可以通过模式信息了解到，并在需要时醒来。因此p m a c 协议比 s m a c 协议和t m a c 协议更节能，然而却没有影响吞吐量。 在s m a c 和t m a c 协议中都采用周期性的活跃睡眠策略减少能量消耗，但是 这会造成休眠延时。中间节点要转发数据时，可能下一跳节点正处于休眠状态， 此时必须等到它转换到活跃状态。 由于在传感器网络的实际应用中一个常见的情况是多个传感器节点向一个 汇聚点发送数据。所有的传感器节点转发收到的数据，形成一个以汇聚节点为根 节点的树型网络结构，称为数据采集树( d a t ag a t h e r i n gt r e e ) 。针对这样一种拓扑结 1 6 上海大学硕士学位论文 构，d m a c 1 5 1 协议中提出了采用交错的唤醒时间来减少休眠延时。每一个周期被 分为接收时间、发送时间和睡眠时间。其中接收时间和发送时间相等，均为发送 一个数据分组的时间。每个节点的调度根据深度的不同具有不同的偏移，下层节 点比上层节点早一个时间片醒来，即下层节点的发送时间对应上层节点的接收时 间。 采用这样一种交错的唤醒方式有以下4 个优点： ( 1 ) 减少休眠延时。 ( 2 ) 可以让沿着数据传递路径的节点增加活跃时间。 ( 3 ) 减少竞争。 ( 4 ) 仅仅多跳传递路径上的节点需要增加活跃时间，其它节点仍保持不变。 d m a c 协议中不采用r t s c t s 机制，但采用a c k 。发送节点如果没有收到 a c k 应答，要在下一个发送时间重发。节点正确接收到数据后，立即发送a c k 消息给发送数据的节点。为了减少发送数据产生的冲突，节点在等待固定的退避 时间( b a c k o f f p e r i o d ，b p ) 后，在竞争窗 ：l ( c o n t e n t w i n d o w , c w ) 内随机选择发送等 待时间。接收节点在发送a c k 消息时，采用短时间段( s h o r t p e r i o d s p ) 的固定延 时。一次数据通信过程需要的时间长度肛如下： p = b p + c w + d a t a + s p + a c k d m a c 协议中采用了如下几个主要机制： ( 1 ) 自适应的占空比机制 当一个发送周期内有连续数个数据包需要发送时，则需要增加节点的占空 比，并请求传输路径上的节点增加占空比。这是因为，节点对一跳范围以外的潜 在通信过程无法感知，导致节点在休眠时间到来时进入休眠，发给它的数据不得 不等到下一个周期才能转发，这会造成巨大的睡眠延时。d m a c 协议在数据分组 头中增加一个标志位( m o r e d a t a f l a g ) 告诉下一个节点继续保持活跃。设置为1 表示 发送节点还有数据需要发送。在a c k 分组头中增加同样的标志位，设置为1 表示 接收节点准备好继续接收数据。当发送缓冲不空或收到下一跳节点发来标志设置 为1 的数据分组时，节点设置它的数据分组中的标志位为1 。节点决定增加活跃周 期的条件是；节点发送了标志设置为l 的数据分组，或者收到了标志设置为1 的 1 7 上海大学硕士学位论文 a c k 分组。通过这种机制，在传输路径上逐跳进行预约，能够网络的传输延时。 ( 2 ) 数据预测机制 在数据采集树上，假设多个子节点都有数据发送给父节点。当某个子节点赢 得发送机会并完成发送后，由于父节点收到的分组没有设置还要发送的标志位， 父节点进入睡眠状态，这样将造成其它子节点数据的发送延迟。为了解决父节点 早睡问题，d m a c 协议设计了数据预测机制，父节点收到某个子节点的数据分组后， 预测其它子节点可能也有数据发送，在3 p 时间后醒来处于接收状态，如果预测失 败就直接转到睡眠状态。这里取3 幔因为假设无线通信的干扰范围是发送范围的 两倍，则至少需要3 “的时间才能传输出节点通信的干扰范围。 竞争失败的子节点在退避时间内监听到父节点发送的a c k 消息，知道父节点 在3 w 舌将再次醒来，于是调整自己的调度表，并在3 垢醒来给父节点发送数据。 ( 3 ) m t s 分组机制 上述数据预测考虑了兄弟节点问的竞争，而不同父亲的子节点( 表兄弟) 也存 在干扰问题。为此，d m a c 协议引入了m t s ( m o r et os e n d ) 分组机制。 m t s 分组只携带目的节点的编号和m t s 标志位。m t s 标志设置为l 表示m t s 请求， 而设置为0 表示m t s 清除。节点向它的父节点发送m t s 请求分组有两种情况：一是 节点由于信道忙没有发送分组，而在退避时间结束后，在当前活跃时间又没有足 够的时间发送分组，节点认为由于其它节点的干扰而没有发送成功，需要重新发 送；二是节点收到子节点的m t s 请求分组沿着树向父节点传递m t s 请求分组。节点 向父节点发送m t s 清除分组的三个条件是：缓冲区空；所有从子节点来的请 求m t s 都清除；以前向父节点发送过m t s 请求，但还没有发送m t s 清除。收到或 发送m t s 请求的节点将周期性地每个3 “时间唤醒一次，直到它发送m t s 清除或收到 子节点发来的m t s 请求都被清除。考虑到m t s 分组的丢失，每个节点维持一个定时 器，定时器超时就认为相应的m t s 分组丢失，节点回到正常状态。 d m a c 协议可以减少数据在网络中的传输延迟以及减少网络能量的消耗。 该协议适合边缘源节点数据流量小而中间融合节点数据流量大的传感器网络。 d m a c 协议需要严格的时间同步，因此使用r b s ( r e f e r e n e eb r o a d c a s t s y n c h r o n i z a t i o n ) 【1 6 1 。 上海大学硕士学位论文 2 1 6w i s e m a c 由于唤醒前导会增加控制开销，因此必须把它压缩到最小。w i s e m a c 协议 【1 刀【埔1 通过在数据确认包中携带节点下一次信道监听时间，节点获得所有邻居节 点的信道监听时间。在发送数据时，可以将唤醒前导压缩到最短。考虑到节点 时钟漂移，唤醒前导长度t p = m i n ( 40l t w ) 。其中，0 是节点时钟漂移速度，l 为从上次确认帧到现在的时间，t w 是所有节点监听信道的时间间隔。该协议适 用于低通信负载的情况，其性能要优于i e e e8 0 2 1 5 4z i g a e e 中的节能协议。 i e e e8 0 2 1 5 4 【19 】是i e e e8 0 2 1 5 工作组为低速无线个人区域网络( 1 0 w r a t e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k , l r - w p a n ) 而提出的一个标准。该标准把能量消 耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之 间低速互连提供统一标准。 在8 0 2 1 5 4 中，可以选用超帧为周期来组织网络内设备间的通信。超帧将 通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。在不活跃时间，设备不会相互通信， 从而可以进入休眠状态以节省能量。超帧的活跃时间划分为三个阶段：信标帧 时段、竞争访问时段( c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ，c a p ) 和非竞争访问时段 ( c o n t e n t i o n f r e ep e r i o d 。c f p ) 。超帧的活跃部分被划分为1 6 个等长的时槽，每个 时槽的长度、竞争访问时段包含的时槽数等参数，都由协调器来决定，并通过 超帧开始时发送的信标帧广播到整个网络。 对l r w p a n 网络中很多使用电池供电的设备，可以通过“轮换值班”来 减少能量消耗。这些设备大部分时间都处在休眠状态，只是周期性苏醒过来发 送数据或者检测信道的状态，以确定是否有属于自己的消息。这种机制要求应