（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络节能协议设计.pdf

摘要 摘要 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 ) 是目前的应用热点，它在军 事，民用，商业方面都有着巨大的应用意义。但是它的能量问题一直制约其大 规模使用。由于无线传感器网络中，每个节点的能量只限于电池供电，而且电 池一般都不可能再充电，因此为了降低能量的消耗，学者们提出了很多方法。 有些是从硬件方面节能，例如改进射频模块，使之集成化，能耗更少，选用体 积小、成本低、速度快、支持休眠且能耗低的处理芯片：有些是从软件入手， 开发简单适用的操作系统，开发网络通信的节能协议栈，开发节点覆盖协议。 本文就是从软件方面着手，提出更有效更适合w s n 的协议。 一般的协议设计会从网络的各个层次去设计节能协议，例如。媒体接入 ( m a c ) 层节能协议，网络层节能协议，应用层节能协议。目前大多数学者的节 能协议设计都是单层的，虽然它们各自都有一定的节能效果，但是各个层次的 协议结合起来形成可工作的协议栈之后就不一定能够达到最好的节能效果。因 此本文所设计的协议不是单层的，而是跨层的。 本文所提出的r m a c 协议是跨网络层和m a c 层的跨层协议。r m a c 协议的网络 层协议是基于基站洪泛路由协议( b s f ) 是专门为w s n 所设计的，它利用了传感 器网络的特殊性，即数据的最终目的节点只有基站个，因此b s f 可以做得既简 单有效又很节能。至于m a c 层协议，r m a c 协议使用了经典的s m a c 协议。由b s f 和s m a c 协议结合起来的跨层协议蠲a c 协议克服了大多数协议要以牺牲时延为 代价来节省能量的问题，不仅能降低时延，又能节省能量。本文不仅理论证明 了该协议的节能省时的效果，而且使用n s 2 仿真器编程仿真，仿真结果也证明 了该协议几乎能省近一倍的时延，而且不论链路负荷如何所耗能量都较少，而 且也很稳定。 另外，由于通常w s n 中节点数目巨大，为了让w s n 能够在正常监测目标区 域的同时，又能够工作尽可能长的时阃，覆盖协议也是必不可少的。通常覆盖 协议是做在应用层的。本文提出的p s m a c 协议是将覆盖协议和m a c 协议结合起 来所形成的。根据理论推导，可证明该跨层协议比原来的两层协议简单，而且 节能效果非常好。如果某应用所投放的节点数且是刚好能覆盖整个观察区域所 需最少节点数的4 倍，那么p s m a c 协议能耗大约是原来m a c 协议的三分之一。 关键词：无线传感器网络时延节能跨层 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sah o tt e c h o l o g yt h a th a saw i d er a n g eo f p o t e n c i a l a p p l i c a t i o n si nm i l i t a r ya f f a i r s , c i v i l i a nu s e a n dc o m m e r c e h o v e e v e y , i t sl i m i t e d e n e r g ya l w a y sr e s t r i c t si t sw i d eu s a g e i nw s ne v e r yn o d e sp o w e ri sl i m i t e dt oa b a t t e r yw h i c hi sh a r dt or e c h a r g e ，t h e r e f o r e ，al o to f m e t h o d sa r ep r o p o s e dt os a v e e n e r g y s o m eo f t h e m 仃yt os a v ee n e r g yi nh a r d w a r e , s u c h a si m p r o v er a d i o f r e q u e n c ym o d u l e , m a k e i tm o l ei n t e g r a t e da n dc , o n s u n l el e s sp o w e r , o ru s e m i c r o p r o c e s s o rt h a ta r es m a l l ，c h e a p ，f a s t , e n e r g y - e f f i c i e n ta n ds u p p o r ts l e e p m e c h a n i s m ；o t h e r st r yt ob ee n e r g y - e f f i c i e n ti ns o f t w a r e ，s u c ha sd e v e l o ps i m p l ea n d m a t c h a b l eo p e r a t i n gs y s t e mf o rw s n , o rd e v e l o pe n e r g y - s a v i n gn e t w o r k c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t 扯k , o rd e v e l o pc o v e r a g ep r o t o c o lf o rh u g en u m b e ro f n o d e si nw s n t h i sp a p e rp r o p o s e sab e t t e re n e r g y - r s a v i n gp r o t o c o lf o rw s n i nt h e r e s p e c to f n e t w o r kp r o t o c 0 1 t os a v ee n e r g y , e v e r yl a y e r o f p r o t o c o ls t a c ks h o u l db ee n e r g y - e f f i c i e n t ：m a c 7 ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) l a y e re n e r g y - s a v i n gp r o t o c o l ，n e t w o r kl a y e re n e r g y - s a v i n g p r o t o c o l ，a p p l i c a t i o ne n e r g y - s a v i n gp r o t o c 0 1 c u r r e n t l y , m o s td e s i g n e de n e r g y - s a v i n g p r o t o c o l sa r el i m i t e dt oo n el a y e r , a n dt h e ya r eo n l ye n e r g y - e f i f i c e n tmr e s p e c to f t h a t l a y e r , h o w e v e r , - v h e nt h e s ep r o t o c o l sf r o md i f f e r e n tl a y e r sa r ec o m b i n e dt of o r ma p r o t o c o ls t a c k ，t h ee n e r g y s a v i n ge f f i c i e n c yw i l ln o td e f i n i t e l yb eo l ，t i m i u m t h e r e f o r e , t h i sp a p e rp r o p o s e sc r o s s l a y e rp r o t o c o l sr a t h e rt h a no n el a y e rp r o t o c o l s a sac l - o s sl a y e rp r o t o c o lw h i c hc r o s s e sn e t w o r kl a y e ra n dm a cl a y e r , r m a c p r o t o c o li si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r r m a c sn e t w o r kl a y e rp r o t o c o lc o m e sf r o mb s f w h i c hi ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rw s n b s fm a k eu s eo f w s n ss p e c i a l t y ：w s nh a s o n l yo n e d e s t i n a t i o nn o d e - m eb a s es t a t i o n ，t h u s b s fi ss i m p l e , e f f e c t i v ea n d e n e r g y - s a v i n g a sr m a c sm a cl a y e rp r o t o c o l ，s m a ci sv e l yc l a s s i ca n d f r e q u e n t l yu s e & w i mt h ec o m b i n a t i o no f b s fa n ds m a cp r o t o c 0 1 r m a cp r o t o c o l o v e r c o m e st h es h o r t c o m i n gt h a tm o s tp r o t o c o l sh a v et os a c r i f i c el a t e n c yf o r e n e r g y - s a v i n g r m a cd o e sn o to n l ys h o r t e nl a t e n c y , b u ta l s os a v e se n e r g y t h i s p a p e r f i r s tt h e o r e t i c a l l yp r o v e st h a tr m a ci sl a t e n c y r e d u c i n ga n de n e r g y - s a v i n g , i i a b s t r a c t a n dt h e ns i m u l a t e sr m a c p r o t o c o li nn s 2 门q e t w o r i 【s i m u l a t o rv e r s i o n 2 ) t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tr m a cr e d u c e sa l m o s th a l f o f t h el a t e n c ya sw e l la s c c t sm u c hl e s se n e r g yc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lt w o l a y e rp r o t o c o lw i t hn s 一2 w h a t sm o r e ，r i om a t t e rh o w h e a v yt h et r a f f i co f t h ec h a n n e li s ，t h ee n e r g yr m a c c o n s u m e di sm u c hl e s s ， i na d d i t i o n , t l 卿a r eh u g en u m b e r so f n o d e si nw s n ，t oe l o n g a t et h el i f e t i m eo f w s nw h i l ek e e p i n gt h ew s nf u n c t i o nn o r m a l l y , c o v e r a g ep r o t o c o lw h i c hi sn s u 州l y d e s i g n e di na p p l i c a t i o nl a y e ri sn e e d e d t 1 1 i sp a p e ri n u ：o d u c e sp s m a c t h a ti sf o r m e d f r o mc o v e r a g ep r o t o c o la n dm a c p r o t o c 0 1 w i t ht h e o r e t i c a lp r o o f , p s m a c i sm u c h s i m p l e rt h a nt h eo r i g i n a lt w ol a y e rp r o t o c o l ，a n di ti se n e r g y e f f i c i e n t f o re x a m p l e ，i f t h en o d e st h a ta na p p l i c a t i o nu s e sa r cf o u rt i m e so f t h en o d e st h a ta r en e e d e dt o c o v e r a g et h ew h o l em o n i t o r i n ga r e a , t h e nt h ee n e r g yp s a m c c o n s u m e di s1 3o f t h e o r i g i n a lm a cp r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o fn e t w o 咄l a t e n c y , e n g y s a v i n g c r o s s - l a y e r i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文。是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 舨，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：垒。丝造 1 川年i1 月1 日 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 无线传感器网络概述 第1 章绪论 无线传感器网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) ”是一种由传感器节点构 成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对 象的各种信息( 如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象) ，并对 这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。 无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制 以及商业等领域有着广阔的应用前景。 随着传感器技术，通信技术和计算机技术的发展，无线传感器网络技术开始 出现并迅速发展，同时因为其应用的广泛性而得到越来越多的重视。无线传感 网络的网络结构由三个主要部分组成：观察对象，传感节点和终端节点( s i n k ) 。 传感节点散布在观察区域内采集与观察对象相关的数据，并将协同处理后的数 据传送到终端节点。终端节点可以通过i n t e r n e t ，卫星通信等方式实现传感网 络与用户或者管理通信。为了达到更高的网络性能，通常无线传感器网络的节 点间距离很短，一般采用多跳( m u l t i b o p ) 无线通信方式进行通信。无线传器网 络结构图如图1 1 。 第l 章绪论 图1 1 无线传感器网络结构图 无线传感器网络在环境与军事监控，地震与气候预测、地下、深水以及外层 空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。无线传感器网络借助于节点中内 置的各种各样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地展波 信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体 的大小、速度和方向等众多大家感兴趣的物质现象。在通信方式上，一般认为 短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用。 最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经有为数不 少的无线传感器网络开始投入使用但是它仍然有些技术不成熟。其中的重点 问题是能量问题：节点的电源能量极其有限，网络中的传感器节点由于电源能 量的耗尽会失效或废弃，能量的有限严重阻碍着传感器网络的应用。 2 第1 章绪论 1 1 ：2 无线传感器网络的节点组成 在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能脚：一方面实现数据 的采集和处理；另一方面实现数据的融合。1 和路由，对本身采集的数据和收到的 其他节点发送的数据进行综合，通过路由转发到网关节点。网关节点往往个数 有限，而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式( 如i n t e r n e t 、卫 星或移动通信网络等) 与外界通信。 无线传感器网络节点由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，通信距 离较短，只能与自己通信范围内的邻居交换数据。要访问通信范围以外的节点， 必须使用多跳路由“】。为了保证网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路， 节点的分布要相当的密集。传感器节点一般由电池及电源管理电路、传感器、a d 转换器件、存储器、微处理器和射频模块等组成，如图1 2 。 一一j 圈1 2 无线传感器网络节点组成 节点采用电池供电，一旦电源耗尽，节点就失去了工作能力为了最大限度 的节约电源，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务的时 候，切断射频部分电源：在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心， 必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。除此之外 根据具体应用的需要，可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等其 中电源单元是最重要的模块之一，有的系统可能采用太阳能电池等方式来补充 能量，但是大多数情况下传感器节点的电池是不可补充的。定位系统对传感器 网络的路由是很重要的，有些传感器节点采用全球定位系统( g p s ) 进行定位， 但是g p s 模块价格昂贵且体积难以减少，所以不可能全部节点都使用g p s 来进 第1 章绪论 行定位。通常情况下是在整个网络中会有某些传感器节点配有g p s 系统，其他 节点通过局部定位算法得到它们与配有g p s 的节点之间的相对位置，这样所有 节点都能知道各自的具体位置了。除借助g p s 的定位方式外，还有离散梯度法 等间接定位方式“1 。 1 1 3 无线传感器网络的拓扑结构 无线传感器网络的拓扑结构主要有两种：以基站为中心的分布式拓扑结构， 对等( a dh o c ) 的拓扑结构。传感器网络的典型结构为a dh o c 的拓扑结构，如 图1 1 所示。在这种网络结构中，每个节点的功能都是相同的，节点具有传感、 信号处理和无线通信功能，它们既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。 大量传感器节点被布置在整个被观测区域中，各个传感器节点将自己所探测到 的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程 是通过网络自组织和多跳路由将数据向网关发送。网关可以使用多种方式与外 部网络通信，如i n t e k n e t 、卫星或移动通信网络等等，大规模的应用可能使用 多个网关。 1 1 4 无线传感器网络的体系结构 图1 3 给出了一种无线传感器网络的体系结构啪，由分层的网络通信协议和 传感器网络管理模块组成。分层的网络通信协议由物理层、数据链路层、网络 层、传输层和应用层组成；网络管理模块包括能量管理、拓扑管理、o o s 控制、 移动性管理和网络安全等。 4 第1 章绪论 1 2 研究目的 图1 3 无线传感器网络体系结构 。无线传感器网络是一种a dh o c 网络，和移动a dh o e 网络有相似点，例如： 无中心，多跳路由，动态拓扑，但又有很多不同。传感网络区别于a dh o c 网络 的一个重要特征是，它的目标是检测相关事件的发生，而不仅像a dh o c 那样只 是实现节点间的通信，因此，节点通常需要协作来进行信息的汇聚和处理。传 感节点经常配置在偏远、危险的地区或不方便配置有线传感网络的地方，并且 需要持续工作，其寿命是由电源决定，因此，需要尽量节省能量的耗费。而a d h o c 网络中节点电池一般是可更换的，电源消耗不是它要考虑的主要问题。对于 由大量节点构成的传感网而言，手工配置是不可行的，因此，网络需要具有自 动重新配置能力，而a dh o c 网络一般规模不大，可以手动配置。 无线传感器有很多独特的特点，具体如下： 传感器网络节点数最大、密度高，没有严格的控制中心，所有节点地位平等， 是一个对等式网络：由于传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径 很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于 睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量：传感器网 络的节点数量和密度都要比r dh o c 网络高几个数量级，可能达到每平方米上百 第l 章绪论 个节点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。 传感器网络除了具有a dh o c 网络的移动性、对等性、电源能力局限等共同 特征以外，还具有很多其他鲜明的特点。这些特点导致了一系列挑战性问题： ( 1 ) 通信能力有限。传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信 覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信中断频繁，经常导致通信失败。 由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等 自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能 力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是挑战之一对于这个问题， 目前采用多跳路由解决。节点通过与它的邻居通信来与其射频覆盖范围之外的 节点进行通信，因此需要通过中间节点进行路由。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。 ( 2 ) 电源能量有限。传感器节点大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣 环境中，或者是不方便更换电池的环境中，从物理限制来说，更换电源是不适 当的甚至有时是不可能的：同时，无线传感器发展的趋势表明，传感器节点将会 越来越小，甚至小到无法看清的地步，同时价格也越来越便宜，这样对于电池 耗尽的节点一般都丢弃不用。所以传感器节点的电池能量限制是整个传感器网 络设计最重要最关键的限制之一，它直接决定了网络的工作寿命，这势必要求 网络功耗要小以延长网络的寿命，而且要尽最大可能的节省电源消耗。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。如何在网络工作 过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是第二个挑战。 ( 3 ) 计算能力和存储容量有限。传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器 和存储器。这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，传 感器节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间 比普通的计算机功能要弱很多，也就是说它的计算和存储能力有限，使得其不 能进行复杂的计算，传统网络上成熟的协议和算法对传感器络而言开销太大， 难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。如何使用大量具有有限计算 能力的传感器进行协作分布式信息处理，是第三个挑战。 ( 4 ) 传感器数量大、分布范围广传感器网络中传感器节点密集，数量巨大， 可能达到几百、几千万，甚至更多此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理 6 第1 章绪论 区域。传感器的数量与用户数量比通常也非常大。传感器数量大、分布广的特 点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，传感器网络的软、硬件必须具有高强 壮性和容错性。这是第四个挑战。 ( 5 ) 传感器网络的拓扑结构变化很快。传感器网络是一个动态网络，节点可 以随处移动”。传感器节点随时可能由于电池耗尽或其他各种原因发生故障而失 效，或者有新的传感器节点因为工作的需要而补充进来以提高网络的质量。这 些特点都使得传感器网络的拓扑结构变化随时都会发生变化，这对网络各静算 法的有效性提出了第五个挑战。 ( 6 ) 大规模分布式触发器。很多传感器网络需要对感知对象进行控制，如温 度控制。这样，很多传感器具有回控装置和控制软件。回控装置和控制软件被称 为触发器。成千上万的动态触发器的管理是第六个挑战。 ( 7 ) 感知数据流巨大。传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数 据，并具有实时性。每个传感器仅仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实时 数据流。因此需要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法。 这是第七个挑战。 ( 8 ) 安全性很差。无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线传感器网 络更容易受到攻击“”被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方 式。因此，安全性是网络设计的第八个挑战。 。 在众多挑战中，节能并延长网络寿命是最重要的。假如能量不是问题，每个 节点有无限的能量可以使用，那么传感器节点的很多问题都可以在某种程度上 缓解或解决。由于能量不足，通常传感器节点的射频芯片的发射功率有限，所 以通信能力有限，但是当能量无限的时候，可以尽可能的让射频芯片的功率较 大，也就可以拥有较大的通信范围了同时，能量不足会使得计算能力和存储 容量有限，因为通常计算能力越强能耗也越多，能耗少而计算能力强的处理器 芯片又比较贵，存储容量越大，能耗也越多，因此当能量不是问题的时候，可 以选择便宜计算能力强而能耗高的处理器芯片。由于节点故障或能量耗尽会导 致传感器网络的拓扑结构变化很快，那么能量无限则节点不会因为能量耗尽而 死亡，也就可以降低网络拓扑结构变化的速度；虽然无线传感器网络数据流量 大，但是如果能量足够，也不需要设计太过复杂的数据融合协议能量够用那 就尽量传输，只要信道不拥塞就不需要融合，避免数据丢失和延时，降低处理 芯片的运算量。无线网络的安全性差是公认的，一般来说，为了尽量保证安全 7 第l 章绪论 性，需要验证加密，而这些验证加密需要耗费许多通信报文和处理器的计算时 间，因此对能量有限的无线传感器网络来说这无疑是雪上加霜，倘若无线传感 器网络能量足够，安全性也就更好实现和维护了。因此很多时候为了节能，传 统网络中的公平性、延时、吞吐量等要素都可以被适当的牺牲。例如，为了节 省能量，协议t m a c “”采取了一项措施，在s m a c “”基础上增加了一段定时，就是 每个节点在某一段时问内没有收到分组就提前休眠，这样可以节省更多的能量， 但是也会错过某些后续报文的发送和接收，致使网络时延变长。可见能量是无 线传感器网络中最重要的问题。 本文针对无线传感器网络节能问题，研究并提出节省能量的方法一节能协 议。当然，为了更好的节能，需要在每个层次设计节能协议。但是即使每个层 次都有节能协议，那些协议结合起来运行时，未必能够达到很好的效果。也许 网络层采取了节能协议，但是下层媒体接入层的节能协议机制并不支持网络层 的节能协议，或者物理层的节能传送机制不支持媒体接入层的节能协议，那么 节能效果会很差。所以为了设计出有效的节能协议，本文所提出的节能协议不 同于一般的单层节能协议，本文着眼于跨层协议的设计，通过这种设计可以降 低层次问的交互，增加层次间的相关性和融合性，从根本上降低整个网络的通 信消耗，自然的就能大大节省时延和能量。 1 3 论文研究工作和特色 j 针对无线传感器网络的能量有限问题，本文研究了许多节能协议，并提出了 跟传统单层节能协议不同的协议，跨层节能协议。 首先，本文为无线传感器网络设计了其特有的路由协议b s f ( 基站洪泛路由 协议) ，该协议利用了传感器网络节点都只有一个目的节点的特性，因此设计得 既简单又健壮。 其次，本文提出了跨网络层和链路层的跨层协议r m a c ，该协议将路由层的 功能实现在了链路层，将路由信息携带在媒体接入层的同步报文帧中，既节省 了路由信息传输，又省去了周期性在网络地址和物理地址之间做地址解析的工 作。本文理论证明了，相对于传统两层协议，r i i a c 协议不仅可以大大节能，还 能够省一倍的时延。同时本文还使用仿真工具n s 2 仿真证明了r m a c 协议的优越 性 8 第l 章绪论 最后，本文提出了跨层协议p s m a c ，该协议将覆盖协议实现在了链路层，相 对于原来协议让所有节点周期性工作，p s i a c 协议可以只让部分节点周期性工 作，其它节点以更长的周期来检测是否有节点死亡需要候补。本文理论证明了p s m a c 协议的节能特性。 1 4 论文内容和结构 本文内容安排如下： 第一章分析了本文的研究背景和研究目的。 第二章对无线传感器网络现有各个层次的节能协议做出了分析。 第三章中，首先分析了s i i i a c 协议，然后设计了路由协议b s p ，接下来提出 了跨网络层和m a c 层的跨层协议r 姒c 协议，并理论推导证明了r i i a c 协议节能 省时的特性。接下来详细说明了r m a c 协议的仿真方法，并做出仿真，最后详细 的分析了仿真结果证明了r t d a c 协议的优越性 第四章首先详细研究了p e a s 覆盖协议，然后提出了跨层协议p s i a c 协议， 该协议将覆盖协议和m a c 协议结合起来，实现了节能。最后理论推导了该协议 的节能效率 第五章是结束语，总结了本文的成果，并提出了进一步工作。 9 第2 章无线传感器网络节能缛议分析 第2 章无线传感器网络节能协议分析 由于无线传感器网络的能量的有限性，降低系统功耗是非常重要的。硬件方 面的节能一般通过电源设计，射频芯片设计，处理器芯片设计等来实现。无线 传感器网络的一个重要优势是摆脱了传统网络的连线限制和成本问题。但是， 如果没有合适的无线电源，这一优势就无法体现出来，因此电源效率是设计考 虑的关键因素，因为如果必须时常更换电池( 例如每周或每月) ，那么相关的劳 动力成本便会远远超过它相对有线网络节省的成本。因此，电池必须具有较长 的寿命( 通常3 1 0 年) 。 在完全工作状态下，射频r f 元件通常占7 0 的总功耗，接收比发送的功耗 更大。r f 元件在开关或从睡眠状态转为工作状态时也会产生大量功耗。因此， 进行功率预算设计时必须全面考虑到这些情况。r f 电路的功耗与调制方式有极 大关系。蓝牙等宽带r f 芯片比窄带无线芯片的基带处理更为复杂，因此功耗更 大。目前多家公司提供r f 芯片解决方案可实现高达1 m b p s 的数据率，接收模式 ( r x ) 的灵敏度低于8 5 d b m ，电压为3 v d c 时电流不到l o m b 。当前一些新开发的r f 芯片的工作频率为2 4 g h z ，电流为1 5 m r 。考虑到2 4 g h z 频段在全球管制及覆 盖率方面的优势，这些r f 芯片非常适用于无线传感器网络系统 另外，业界在微控制器的功耗控制方面也取得极大的进展。此前8 位微控制 器的典型功耗为4 m a m i p s ，而现在采用先进的芯片制造工艺和新型微控制器结 构后，一些新器件的功耗己降低到0 5 m a m i p s ，这样有助于降低无线节点的整 体功耗。 通常“”射频部分的能量消耗远大于其它部分，而要降低射频模块所消耗的能 量不仅需要能耗低的射频芯片，更需要合理的网络协议来控制并优化射频模块 的工作。因此本文从协议设计的角度来实现节能。如图1 3 ，要实现协议节能， 应该尽量在每一网络协议层都做节能设计。一般说来，如果参考模型中的各层 接口一致定义后，每一层可独立设计。但是，为了建立一个可靠并具有严格功 耗预算的自组传感器网络，协议堆栈中的所有层都应满足同样的系统级要求， 例如功耗约束、带宽效率、适应性及鲁棒性要求。为使解决方案切实可行，所 有层都必须进行设计折衷，同时要考虑信道传输能力和设备处理速度等自身的 局限性以及r f 链路质量的变化。 i o 第2 章无线传感器网络节能协议分析 2 1 无线传感器网络物理层节能协议 物理层包括物理介质、物理介质连接设备、连接单元和物理收发信号格式。 它的主要功能是提供编码、解码、时钟提取与同步、发送、接收和载波检澳0 等。 为数据链路层提供服务。改进编解码方式，调制方式都可以节省无线传感器网 络物理层能耗。由无线信号路径损耗模型可知“”，输出功率随着无线覆盖范围 增加呈指数级增长。在自由空间中这一指数为2 ，在各种阻挡的杂乱环境中为4 。 在相同端对端距离情况下，如果每个链路采用有限的传输功率，采用多链路传 输所产生的功耗比直接在一个长链路中传输信息的功耗更低。为了延长电池的 寿命，传感器网络应该采用收发功耗极低的无线设备，同时在需要长距离传输 时使用多跳方式。 文献”中证明了扩频技术比窄频技术更适合w s n ，超宽带技术最适合w s n 。 文献“”中提出的物理层协议通过最优化物理层符号错误率s e r 来降低w s n 煦能 量消耗。虽然增加s e r 可以降低物理层的发射功率。但是同时增加了重传帧的 数量。为了达到最终节能，文献为不同损耗值的路径选取了不同的最佳s e r 。 文献“”为不同的路径损耗值选取不同的多个天线，同样也达到了节能效果。 2 2 无线传感器网络链路层节能协议 链路层是为网络层提供数据传送服务的，它的功能是：1 链路连接的建立，拆 除，分离。2 帧定界和帧同步。链路层的数据传输单元是帧，协议不同，帧的长短 和界面也有差别，但无论如何必须对帧进行定界。3 顺序控制，指对帧的收发顺 序的控制。4 差错检测和恢复。还有链路标识，流量控制等等差错检测多用方阵 码校验和循环码校验来检测信道上数据的误码，而帧丢失等用序号检测各种错 误的恢复则常靠反馈重发技术来完成。无线传感器网络链路层包括媒体接入层 ( m a c ) 和逻辑链路层( l l c ) ，由于m a c 层是联系物理层和网络层的关键层，因 此在m a c 层节能是关键。在节点的硬件结构中，无线收发装置消耗的能量占节 点消耗能量的绝大部分，m a c 协议可直接控制无线收发装置的行为，比如，在节 点处于空闲或完成阶段把无线收发信装置设置为低功耗睡眠模式，可直接控制 其消耗的能量大小。因此m a c 层的能耗直接影响网络节点的生存时间。 m a c 层上的能量损耗主要来自以下几个方面“”： 第2 章无线传感器网络节能协议分析 空闲监听问题：大部分的能量损耗主要是由于空闲监听所引起的。当网络中 节点小知其何时会从其一个或多个相邻节点接收数据时，它必须长时间的保持 其接收器处于活动状态。例如：需要传感器节点平均每秒钟和其相邻的节点交换 一次信息。其中所交换信息是非常短的，发送交换信息给其他节点需要5 m s 时 间，从其他节点接收信息需要5 m s 时间，因此收发器有9 9 0 m s 的时间用于空闲 的监听，即在9 9 $ 的时间什么都没有做。能量损耗几乎都是在这个时候产生的。 碰撞冲突问题：如果网络中的两个节点在相同时间利用相同信道传送数据 时，它们将会互相干扰导致数据包被破坏。因此，发送和接收这些错误数据的 能量将被损耗掉。r t s c t s 握手机制能够有效解决单播消息的竞争冲突问题，但 它是以协议控制消息能量损耗为代价的。 控制信息消耗：大多数m a c 协议需要节点相互交换控制信息。如r t s ，c r s ，a c k ，而这些控制信息并非应用型数据，因此这些信息的交换也将损耗一定的能 量。应该设计交换控制信息交换尽量少的i i a c 层协议。 窃听：无线信道是一个共享媒体，一个节点可能会接收到发送到其它节点的 消息，这时消耗在接收数据上的能源被浪费掉了，这时节点应该将其无线收发 装置关闭。 为了在m a c 节能i 文献“”中提出的姒c 协议s m a c 协议采用周期性侦听睡眠 的工作方式： ( 1 ) s m a c 协议考虑到节点大部分时间处于空闲监听的状态，因此改进了节 点的工作方式，让节点周期性侦听和休眠。一般来说取侦听( 工作) 和休眠的 时间比t ：t 。为1 ：9 ，这样就可以大大降低空闲监听所消耗的能量，如图2 1 。 其中工作时间t - 被分为两部分，第一部分t 。是专门用来发送同步报文s y n c ，第 二部分t 。是专门用来发送数据的。 1 2 图2 1s 姒c 协议的工作周期 ( 2 ) 为了让网络功能正常，节点们必须同时工作和休眠，否则工作着的节点 第2 章无线传感器网络廿能协议分析 a 发送给休眠着的节点b 的数据不会被接收。因此s m a c 协议设计了一个实现网 络时间同步的机制。 ( 3 ) s m a c 协议在接入技术上使用了i e e e 8 0 2 1 1 “”使用的c s h a e a 技术。但 是为了避免窃听到其它节点的数据导致能量浪费，s m a c 协议对c s m a c a 做了改 进。那就是当干扰节点接收到不是自己的r t s 或c t s 报文后体眠。这样干扰节 点就不用接收跟自己无关的d a t a 和a c k 报文了。以上所提到的c s m a c a 技术的 工作过程是：站a 向站b 发送数据前，先向b 发送一个请求发送帧r t s ，r t s 中含 有整个通信过程需要持续的时间( d u r a t i o n ) ，立即发送站地址，立即接收站地址， 非立即接收站的节点收到该帧就依据该帧中的d u r a t i o n 域的值设置自己的n a v ( 网络分配向量，用于判断信道是否被其它节点占用) ，等待该通信过程结束再去 竞争信道b 收到r t s 后就立即给a 发送一个允许发送帧c t s ，c t s 中含有剩下通 信过程所需时间及a 站地址其它节点收到该c t s 帧同样也要设置自己的n a v 这样的两次握手可以很大程度上保证整个通信过程不受其它节点干扰a 收到c t s 后就发送数据，b 收到数据后就发送a c k ，于是一次通信过程结束 ( 4 ) s m a c 协议所采取的长报文传输策略可以大大的降低控制信息的交换 该策略的设计基于i e e e 8 0 2 1 l 协议中的长报文传输策略，但是它考虑了能耗节 省，因此适用于s m a c 协议。 采取以上措施后的s m a c 协议，相比没有采取节能措施的i e e e 8 0 2 1 l 协议 节能效果好得多。 文献o ”中提出的m a c 协议p m a c 采用自适应的工作睡眠时间表来节省更多能 量，但它忽略了一个问题：更灵活工作睡眠时问表会带来频繁的工作状态和睡 眠状态间的转换，而这些转换要消耗不少时间和能量。 文献例中提出的m a c 协议b m a c 是一种基于c s m a c a 的无线协议，它提供灵 活的接口来降低功耗、有效的避免冲突、提高信道利用率。它使用如下技术： ( 1 ) 为了降低功耗，使用自适应的p r e a m b l es a m p li n g 策略来降低工作周期 和最小化空闲监听时间。 ( 2 ) 将各个高层功能从中分离，所以很简单，配有灵活的接口，为各种系统 服务提供双向接口来最优化各种性能，因为可通过接口重配置b - m a c 。 文献”中提出的m a c 协议s i f t 认为w s n 是一种事件驱动的系统，当一个事 件发生时，多个邻近的活动节点会同时监测到该事件，因此这些邻近节点形成 了事件检测的空间相关性事实上，并不需要所有检测到该事件发生的节点都 第2 章j 三线传感器网络节能悱议分析 需要发送消息，只要其中一部分发送消息就足够了。s i f t 的目的就是让一部分 节点不需要竞争就可以发送事件检测消息。由于使用了跟传统算法不一样的退 避窗口算法，该协议能够满足保证部分节点无竞争发送消息。 2 3 无线传感器网络网络层节能协议 目前无线传感器网络网络层的节能协议主要研究能量有效的路由协议。最传 统的路由协议是泛洪式路由池1 ，它不进行维护网络拓扑和相关路由计算，只负责 以广播形式转发数据包。虽然它有些优点：实现简单；不需要为保持网络拓扑 信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源：适用于健壮性要求高的场合。 但是它的缺点对传感器网络来说是致命的：存在信息爆炸问题；出现部分重叠 现象；盲目使用资源，导致能量极大的浪费。 为了节能，文献提出了l e a c h 协议。l e a c h 是一种分层网络协议，它以循 环的方式随机选择簇首节点，将全网络的能量负载平均分配到每令传感器节点， 从而达到降低网络能源消耗的目的。在这里，簇是分层路由协议的概念，根据 分层路由协议，网络被划分成不同簇，每一个簇由一个簇首和簇成员组成，多 个簇首形成高级的瞬络，簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融合处理， 还负责簇之间数据的转发。 文献。”提出了g e a r ，它可以被认为是有向路由扩散方法的一种改进。利用位 置信息向某一个特定的区域广播查询请求，根据位置信息和节点能量剩余情况， 将数据发回到汇聚节点。它的优点是：避免了扩散传播，节省能源，网络寿命 延长缺点是：由于缺乏足够的拓扑信息，路由过程中可能遇到路由空洞，反 而降低了路由效率 文献中提出了中则选取电池容量函数作为路由选择的标准，使用最短路径 算法找寻最小能量路径。文献哺1 中提出的最小总传输能量路由算法耵p r 则将链 路费用设为传输能耗，以此为路由选择的标准，然后找寻最小能量路径。文献”“蚓 则采用了类洪泛的方法路由，这种方法简单，比较适用于无线传感器网络的节 点。 4 第2 章无线传感器网络节能协议分析 2 4 无线传感器网络传输层节能协议 传输层负责将无线传感器嘲络采集的数据提供给外部嘲络。对于传感器嘲络 传