（计算机系统结构专业论文）无线传感器网络跨层设计.pdf

山东大学硕士学位论文 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 s ，w s n ) 综合了传感器、 嵌入式计算、分布式处理和无线通信等技术，是一种全新的信息获取 和处理技术。无线传感器网络由随机分布的集成传感器、数据处理单 元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成。它借助于节点中内 置的形式多样的传感器，协作地实时监测、感知和采集各种环境或监 测对象的信息，对其进行处理，并通过无线和自组多跳的网络方式， 将获取到的信息送到终端用户，实现了物理世界、计算机世界和人类 社会的有效连通。无线传感器网络以其自组织性、微型性、低成本、 灵活性等特点，在军事、环境科学、医疗健康、空间探索、商业应用 等领域有着非常广泛的应用前景。 本文针对无线传感器网络协议栈进行分析，并给出了改进方案， 主要包括如下两个方面： 1 提出了一种根据无线传感网络流量自动调节节点睡眠- 活动时 间比例的m a c 协议a t m a c ，在无线传感器网络t m a c 协议的基础上， 以低能耗、低延迟为目标，主要采用自适应、多级别的占空比及自适 应竞争窗口，数据优先级队列使节点在流量较小时能更多的处于睡眠 状态以节省能量，而在流量较大时，传输所涉及的节点可相对长时间 的进入活动状态，且大流量和小流量节点所采取的占空比可以不同， 从而节省低流量节点用于空闲侦听的能耗，降低数据传输的延迟，增 大网络的吞吐量。仿真结果显示新协议在能量消耗、数据延迟等方面 要超过t m a c 。 2 传统的无线网络协议不能适用于无线传感器网络，于是大量的 研究工作者提出了针对无线传感器网络的协议栈。大多数学者采用类 似于t c p i p 协议栈的分层结构，各层之间有较为严格的任务划分，使 得这种结构在应用于无线传感器网络中具有一定的局限性。在能量成 为主要问题的无线传感器网络中，如何使网络更长时间的保证通信质 量是网络通信的最高目标。本文以如何延长网络生命周期为目标，提 出了一个针对无线传感器网络的跨层协议设计方法c l e e d ( c r o s s 山东大学硕士学位论文 l a y e re n e r g ye f f i c i e n td e s i g n ) 。c l e e d 采用应用层、网络层、m a c 层共享数据的方法，以延长网络生命周期为主要目标，较为精确地控 制节点的睡眠周期和睡眠时间。同时m a c 层结合路由信息减少节点之 间传送数据时由于睡眠导致的数据包延迟。通过仿真验证，c l e e d 在 网络性能上，特别是在能量和网络生命周期方面，要明显好于传统的 分层网络协议栈。 关键字：无线传感器网络；m a c 协议；t m a c ；能耗；网络生命周期； 跨层设计 i i 山东大学硕士学位论文 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 k s ( w s ，i san o v e lt e c h n o l o g yw h i c hi n t e g r a t e st h e t e c h n o l o g i e so fs e n s o le m b e d d e dc o m p u t i n g ，d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o nt r a n s a c t i o na n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i ti sm a d eu po fl o t so fs e n s o rn o d e so fw h i c ht h ec h a r a c t e r i ss e l f - o r g a n i z i n g ，m i n i s i z e ，l o wc o s ta n df l e x i b i l i t y d i f f e r e n tk i n d so fn o d e su t i l i z e d i n t h i sn e t w o r kc a l lc o o p e r a t et om o n i t o rs e n s ea n dg a t h e ri n f o r m a t i o no fa r e at h 盯 m o n i t o r e d t h ed a t am 呵g a t h e r e dw i l lb ef o r w a r d e dt h o u g hm u l t i h o pt ot h e t e r m i n a l sa n dt ob ed e e p l yd e a l tw i 1 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si m p l e m e n tt h e e f f e c t i v ec o n n e c t i v i t yo ft h ep h y s i c a lw o r l d , t h ec o m p u t e rw o r l da n dh u m a ns o c i e t y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e l f - o r g a n i z i n g ；m i n i s i z e ，l o wc o s ta n df l e x i b i l i t yg i v ei tav e r y b r o a dp e r s p e c t i v ei nm a n yf i e l d ss u c h 嬲m i l i t a r y , e n v i r o n m e n ts c i e n c e ，m e d i c a l t r e a t m e n t ，s p a c ee x p l o r a t i o na n db u s i n e s se t c i nt h i sp a p e r , t h r o u g ha n a l y s i so ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kp r o t o c o ls t a c k ，a n i m p r o v e dp r o g r a mi sg i v e n ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ： o ) am a cp r o t o c o lc a l l e da t m a ci nw h i c ht h ed u t yc y c l eo fn o d e sc a nb e a d j u s t e di na c c o r d a n c e 谢t ht r a f f i c i nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，b a s e do nf a m o u s t m a cp r o t o c o l ，l o wp o w e re n e r g yc o n s u m p t i o n ，l o wl a t e n c yf o rt a r g e t ，a t m a c m a i n l ya d o p t st h r e eo p t i o n s f i r s t ，a d a p t i v ea n dm u l t i l e v e ld u t yc y c l ei sc o n s i d e r e d t h es e c o n di sa d a p t i v ec o n t e n t i o nw i n d o w t h et h i r d , p r i o r i t yq u e u e a l lo ft h e s e o p t i o n sc a l lb eu t i l i z e dt os a v ee n e r g y , m i n i m i z el a t e n c y , i n c r e a s eo u t p u te t c n o d e s c a ns l e e pm o r ew h e nt r a f f i ci sl o w , w h i l eo t h e r sr e f e r r e di nh i g hf l o wc a nb ei n v o l v e d i nar e l a t i v e l yl o n gt i m et ob ea c t i v et os e n do rr e c e i v ed a t a , m e a n w h i l e ，t h ed u t y c y c l en o d e sa d o p t e dm a yv a r yi ns i z e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tn e wp r o t o c o l e x c e e dt m a ca tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，d a t ad e l a ya n ds oo n ( 2 ) t r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r kp r o t o c o lc a l l n o ta p p l yt os e n s o rn e t w o r k s d i r e c t l y s om a n yr e s e a r c h e r sp r o p o s e dn e wp r o t o c o ls t a c kf o rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s t h ed e s i g nm o s ts c h o l a r sp r o p o s e di ss i m i l a rt ot c p i pp r o t o c o ls t a c k h i e r a r c h yt h e r ei sam o r es t r i c ts e p a r a t i o no ft a s k sb e t w e e nl a y e r s ，m a k i n gs u c ha s t r u c t u r eu s e di nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v es o m el i m i t a t i o n s e n e r g yi st h em a j o r i i i 山东大学硕士学位论文 p r o b l e mi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，a n dh o w t om a k et h en e t w o r kl i v em o r et i m et o e n s u r et h a tt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yi st h eu l t i m a t eg o a l i nt h i sp a p e r , a i m e dt oe x t e n dt h en e t w o r kl i f e - c y c l e ，aw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kf o rc r o s s l a y e r p r o t o c o ld e s i g nm e t h o dc l e e dw a sp u tf o r w a r d c l e e dm a k eu s eo ft h ed a t a s h a r i n go fa p p l i c a t i o nl a y e r , n e t w o r kl a y e ra n dm a cl a y e rt oc o n t r o lt h es l e e pt i m eo f n o d e sm o r ep r e c i s e l y a tt h es a m et i m e ，澌t ht h ed a t as h a r e db yr o u t i n gp r o t o c o l ，t h e p a c k e tl a t e n c yc a u s e db ys l e e po fn o d e sc a l lb er e d u c e d i nm a c p r o t o c 0 1 s i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h a t ，c l e e de x c e e dt r a d i t i o n a lp r o t o c o ls t a c ki nn e t w o r kp e r f o r m a n c e ， e s p e c i a l l yt h ee n e r g ya n dn e t w o r kl i f ec y c l 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 s ；m a c ；t m a c ；e n e r g yc o n s u m p t i o n ； n e t w o r kl i f e t i m e ；c r o s sl a y e rd e s i g n i v 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：域导师签名：美丝日 期：塑墨至：9 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 微电子、计算机和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能 传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理 和无线通信等多种功能。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 s ， 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，其目的是协作的 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 【1 】 o 作为信息领域的一个全新的方向，无线传感器网络已经引起了学 术界和工业界的广泛关注。国外的许多大学和研究机构纷纷投入大量 的研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作，最具代表性 的是美国加州大学伯克利分校( u c b e r k e l e y ) 和英特尔公司( i n t e l ) 联合 成立的“智能尘埃( s m a r td u s t ) 【2 】实验室，它的目标是为美国军方提 供能够在一立方毫米的体积内自治地完成感知和通信功能的无线传感 器网络节点。此外，美国其它大学也在无线传感器网络方面开展了大 量工作。如加州大学洛杉矶分校( u c l a ) 的c e n s ( c e n t e rf o re m b e d d e d n e t w o r k e ds e n s i n g ) 实验室、w i n s ( w i r e le s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s ) 【3 】实验室、n e s l ( n e t w o r k e da n de m b e d d e ds y s t e m sl a b o r a t o r y ) 实验室、 l e c s ( l a b o r a t o r yf o re m b e d d e dc o l l a b o r a t i v es y s t e m s ) 实验室等。另外， 麻省理工学院( m i t ) 获得了a r p a 的支持，从事着极低功耗的无线传感 器网络方面的研究， s p i n ( s e n s o r p r o t o c o l sf o ri n f o r m a t i o nv i a n e g o t i a t i o n ) 协议就是出自m i t ；奥本大学( a u b u r nu n i v e r s i t y ) 也获得 d a r p a 支持，从事了大量关于自组织传感器网络方面的研究，并完成 了一些实验系统的研制：宾汉顿大学( b i n g h a m t o nu n i v e r s i t y ) 计算机系 统研究实验室在移动自组织网络协议、传感器网络系统的应用层设计 等方面做了很多研究工作；斯坦福( s t a n f o r d ) 大学的无线传感器网络实 验室、新泽西( n e wj e r s e y ) 州立大学的无线传感器网络实验室、南加州 大学的r e s l ( t h er o b o t i ce m b e d d e ds y s t e m sl a b o r a t o r y ) 实验室、佛蒙 山东大学硕士学位论文 特大学( u n i v e r s i t yo fv e r m o n t ) 的无线自组织网络实验室等。国内很多 研究所和高校在无线传感器网络领域也展开了研究。中科院计算技术 研究所信息网络室承担的国家8 6 3 项目“软硬件协同的低功耗系统设 计，已经取得了许多创新性成果，在嵌入式系统芯片设计、低功耗 系统设计等方面具有较深厚的积累。在无线传感器网络所涉及部分关 键技术，如支持i p v 6 协议的无线传感器网络协议、嵌入式操作系统及 编译技术，高频混合信号系统级集成、大规模集成电路设计及片上系 统设计，低功耗系统设计等方面都有专门的团队在进行较深入的工作。 中科院上海微系统所凭借其在微系统和微型机电系统( m e m s ) 技术方 面良好的基础，对无线传感器网络进行了跟踪和研究，已经通过系统 集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发。中科院电子所和沈阳 自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专 注于传感或控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉 及较少；浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制 实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关 键技术及协调控制理论方面的研究；山东省科学院于2 0 0 4 年l0 月正式 启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究；另外中科院软件所、 中科院自动化所、国防科技大学、清华大学、中国科学技术大学、哈 尔滨工业大学、北京邮电大学等单位在无线传感器网络方面也都有一 定的工作。 1 2 研究意义 无线传感器网络已经在许多领域被预见具有巨大的应用价值，它 已经引起了世界许多国家军事部门、商业界和学术界的极大关注。美 国自然科学基金委员会在2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研究计划，投 资3 千4 0 0 万美元，支持相关基础理论和项目的研究；美国国防部和 各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重视，把无线传感器网络 作为一个重要研究领域，提出了c 4 i s r t ( c o m m a n d ，c o n t r 0 1 ， c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ， s u r v e i l l a n c e ， r e c o n n a is s a n c ea n dt a r g e ti n g ) 计划，强调战场情报的感知能力、 信息的综合能力和信息的利用能力。英特尔、微软等信息工业界巨头 2 山东大学硕士学位论文 也开始了无线传感器网络方面的研究，纷纷设立了相应的研究计划和 项目。日本、英国、意大利、巴西等国家也对无线传感器网络表现出 了极大的兴趣，纷纷展开了对该领域的研究工作。 无线传感器网络处于新技术的最前沿，i e e e ( i n s t i t u t eo f e 1 e e t r i c a l a n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s 电气和电子工程学会) 还没 有成立无线传感器网络的标准制定小组【4 5 】。国外从2 0 0 0 年以前就开 始对无线传感器网络展开研究，但这些研究还与实际应用相差甚远。 国内近几年才出现一些相关报道。总体而言，我国在无线传感器网络 方面的研究工作还很少，但国内与国际水平的差距并不大，及时开展 这项对人类未来生活影响深远的前沿技术的研究，对整个国家的政治、 经济和国防战略将有重大的意义。 传统无线网络的主要目标是在移动环境下提供高服务质量( 即高 吞吐量低延时) 和高带宽效率，能量消耗往往不是设计的主要考虑内 容。与之不同，无线传感器网络的首要设计目标是有限能源的高效使 用，这是由无线传感器网络的特点决定的。首先，无线传感器网络是 一种能量受限的网络 5 1 。传感器节点是一种微型嵌入式设备，通常只能 携带能量十分有限的电池，大量节点密集部署在较大范围环境复杂的 监测区域内，有些区域甚至人员不能到达。因此，更换电池几乎是不 可能的，这就需要通过低功耗设计尽量减少节点能耗。再者，无线传 感器网络是一种面向应用的网络，网络的随机布设、自组织、环境适 应等特点使其在军事、环境、医疗、家庭和其他的商用领域都有着广 泛应用。虽然不同的应用场景对网络的其他性能要求不同，但是尽可 能地延长网络生命周期，从而保证目标任务的可靠执行是所有应用的 共同需求。从目前的研究来看，能量问题是影响其技术发展和市场应 用的关键问题。能量高效的算法设计是一个基本的设计原则，贯穿了 上述所有热点的研究过程，也是无线传感器网络算法设计面临的首要 挑战。目前在无线传感器网络的m a c ( m e d i aa e c e s sc o n t r 0 1 ) 协议、 路由协议、拓扑控制和q o s 管理等方面都进行了大量高能效算法研究， 包括采用节点自适应休眠、功率控制、数据融合和能量感知路由等机 制【6 1 。但目前研究的热点主要在各层的性能优化，其整体效果不太能让 3 山东大学硕士学位论文 人满意。如在m a c 层采用睡眠机制，在路由层采用最小能量消耗路由， 能量多路径路由等。这些从单层考虑设计的结果会一定程度上影响其 他层次协议的效果，如m a c 层的睡眠机制会一定程度的影响路由的选 择，同样路由的选择会导致节点能量消耗的速度不同，从而影响节点 睡眠，最终使网络的整体性能不能够达到预期的效果。 1 3 论文组织 论文的其余章节安排如下： 本文第二章主要对无线传感器网络进行总体描述。首先介绍常见 的无线传感器网络体系结构，简单描述无线传感器网络的构建过程； 然后对无线传感器节点硬件结构进行综述，较为详细的描述无线传感 器网络协议栈，给出协议栈各层的设计依据和目标：最后介绍了无线 传感器网络在军事、医疗、环境观测等方面的应用。 本文第三章综述了无线传感器网络各层能量消耗源头和能量高效 设计。首先介绍无线传感器网络中能量消耗源和能量消耗分布情况； 然后对协议栈中各层特点进行描述并对各层中能量消耗的原因进行分 析；最后详细介绍各层中能量高效设计的方法和技术设计方案，包括 传感器节点硬件设计、m a c 层睡眠机制、高效路由算法、数据融合机 制等。 本文第四章介绍了一种能量高效的自适应的无线传感器网络 m a c 协议设计。首先对无线传感器网络m a c 协议进行综述，包括无 线传感器网络的分类和经典的m a c 协议设计方案；然后针对无线传感 器网络应用相关的特点，在t - m a c 协议的基础上，提出能够随流量变 化而动态改变节点占空比的算法；最后对所提出的协议算法进行仿真 分析。 本文第五章介绍了一种无线传感器网络中能量高效的跨层协议设 计方案。首先介绍了跨层设计的原因和几种方法；然后介绍了几种能 量高效的无线传感器网络跨层协议和跨层设计中几种主要相关设计方 法：然后提出了新的能量高效的跨m a c 和路由层的设计；最后对所提 出的跨层协议进行仿真分析。 本文第六章对所做工作进行了总结，并指出下一步的工作方向。 4 山东大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络综述 2 1 引言 无线传感器网络系统包括节点和网络两部分。无线传感器节点通 常是一个微型的嵌入式系统，它具有感知能力、处理能力、存储能力 和通信能力。无线传感器网络是由大量的传感器节点组成，通过节点 间的相互协作完成数据采集和传输任务。 2 2 无线传感器网络结构 在无线传感器网络中，由于一些动态节点的存在，以及节点的删 除和增加，网络拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。节 点间以a d h o c 方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并 且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。但由于无线传 感器节点的通信距离有限，无线传感器节点通常会按照应用规模的大 小同通信节点构成分级的多级传感器网络，传感器网络体系结构一般 形式如图2 1 所示1 7 1 。 传感器节点 图2 1 无线传感器网络体系结构 图2 2 中的四张图描述了传感器网络的生成过程引。首先，传感器 节点进行随机地播撒，通过飞行器撒播、人工埋置和火箭射弹等方式 完成的t 第二步是撤放后的传感器节点进入到自检启动的唤醒状态， 每个传感器节点会发出信号监控并记录周围传感器节点的工作情况； 山东大学硕士学位论文 第三步是这些传感器节点会根据监控的周围传感器节点的情况，采用 一定的组网算法，形成按一定规律结合成的网络；第四步是组成网络 的传感器节点根据一定的路由算法选择合适的路径进行数据通讯。节 点以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传到s i n k 节 点，最终借助长距离或临时建立的s i n k 链路将整个区域内的数据传送 到远程中心进行集中处理。卫星链路可用作s i n k 链路，借助游弋在监 测区上空的无人飞机回收s i n k 节点上的数据也是一种方式。u c b e r k e l e y 在进行u a v ( u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e ) 项目的外场测试时便采 用了这种方式1 9 1 。 冒 放鬣传感器唤醒并柑：玎侦测 自动连接成网络选择路幽进行通信 图2 - 2 传感器网络的生成过程 2 3 无线传感器网络节点硬件设计 传感器网络中，传感器节点主要由传感器模块、处理器模块、无 线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图2 3 所示 传感嚣援块缝鄹嚣模块 缝熙器 l 。佟戆貉h 肭c l 1 露德器 瓷线避信梭块 雏留供艟援块 图2 3 传感器节点硬件结构 6 山东大学硕士学位论文 无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的网络系统，主 要用于采集数据信息。网络中的每个传感器节点由数据采集模块( 各 种类型的传感器) 、处理控制模块( 微控制器和存储器) 、通信模块( 无 线收发电路) 和电源模块( 电池) 组成。如图( 2 3 ) 所示。传感器模 块主要负责采集外部监测环境的信息，并进行信号转换；处理器模块 主要负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理数据；无线通信模 块主要进行通讯，交换控制消息和收发数据信息；能量模块主要负责 为节点内的各用电模块提供能量，一般来说能量模块就是一块电池。 2 4 无线传感器网络协议栈 图2 - 4 传感器网络协议栈 随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上 的协议栈。图2 4 所示是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物 理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五 层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和 任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方 式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和 资源共享。各层协议和平台的功能如下： 1 ) 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术； 2 ) 数据链路层负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制； 3 ) 网络层主要负责路由生成与路由选择； 7 山东大学硕士学位论文 4 ) 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分； 5 ) 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件； 6 ) 能量管理平台管理节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑 节省能量； 7 1 移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的 路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置； 8 ) 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务； 匦口 图2 5 改进后传感器网络协议栈 图2 5 所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层 在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作 定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基 于竞争的i e e e 8 0 2 11 m a c 协议b o 基于时分复用的m a c 协议如分布式 能量感知节点活动( d is t r i b u t e de n e r g y a w a r en o d ea c t i v a t i o n ，d e a n a ) 协议【1 1 1 、流量自适应介质访问( t r a f f i ca d a p t i v em e d i u ma c c e s s ， t r a m a ) 协议 1 2 1 ，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，所以在图2 5 中用倒l 型描述这两个功能子层。 图2 5 右边的诸多机制一部分融入到图2 4 所示的各层协议中，用以优 化和管理协议流程；另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置 接口对相应机制进行配置和监控。如能量管理，在图2 4 中的每个协 议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配决 山东大学硕士学位论文 策；q o s 管理在各协议层设计队列管理、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：拓扑控制利用物理层、链 路层或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；网络管理则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，协调控制网络中各个协议组件的运行。 2 5 无线传感器网络在各领域的应用 2 5 1 军事领域 在军事领域，无线传感器网络将会逐渐成为c 4 ls r t 系统不可缺少 的一部分。c 4 ls r t 系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现 代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和 定位于一体的战场指挥系统，因此，受到了军事发达国家的高度重视。 因为无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的， 自组织性和容错能力使其不会因为局部节点的损坏而导致整个系统的 崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使 无线传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我方兵 力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标， 评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。在战场上，指挥员往往 需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况，铺设的 传感器网络将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据送至指挥中心， 最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。在战争中， 对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺设传感器网络， 以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的兵力部署；当然，也可以直接将 传感器节点撤向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集有利于 作战的信息。无线传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目 标定位信息。在生物和化学战中，利用无线传感器网络及时、准确地 探测爆炸中心，将会为军方提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减 小伤亡。无线传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环 境中。在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达系统相比，无线传感 器网络的潜在优势表现在以下几个方面： 9 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比， 这一直是卫星和雷达系统难以克服的技术问题之一。 ( 2 ) 无线传感器网络低成本、节点数量多为整个系统提供了较强的 容错能力。 ( 3 ) 传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系 统性能的影响。 ( 4 ) 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。 ( 5 ) 多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探侧区域。 ( 6 ) 借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力， 可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。 2 5 2 环境观测和预报系统 随着人们对周围环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越 广泛。无线传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉、土壤 酸碱度，跟踪候鸟和昆虫的迁移，监测海洋、大气和土壤的成分等。 基于传感器网络的a l e r t t ”1 统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水 位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。无线传感器网络在森 林环境监测和火灾预报等方面也有重要帮助。 无线传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够 进行动物栖息地生态监测。美国加州大学伯克利分校i n t e l 实验室和大 西洋学院联合在大鸭岛上部署了一个多层次的无线传感器网络系统， 用来监测岛上海燕的生活习性。 2 5 3 医疗健康 传感器网络在医疗系统和护理方面的应用，包括监测人体的各种 生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行为。如果在住院病人身 上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用无线传 感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理， 还可以利用无线传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在 研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型 传感器也不会给人的正常生活带来不便。 人工视网膜是一项生物医学的应用项目。在s s i m t l 4 1 ( s m a r t 1 0 山东大学硕士学位论文 s e n s o r sa n di n t e g r a t e dm i c r o s y t e m s ) 项目中，替代视网膜的芯片由1 0 0 个微型的传感器节点组成，并置入人眼，目的是使得失明者或者视力 极差者，就能够使他们的视力恢复到一个可以接受的视力水平。 2 5 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 r n e 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，例如可以在回家 之前半小时打开空调，这样在到家的时候就可以直接享受合适的温度， 也可以遥控电冰箱、电视机、电脑、电话、微波炉等家电，按照自己 的意愿完成煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录制电视节目，以及从 网上下载资料等工作，也可以通过无线传感器随时监控家居安全。 2 5 5 建筑物状态监控 建筑物状态监控s h m ( s t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n g ) 是利用无 线传感器网络来监控建筑物的安全状态。由于建筑物不断受到自然界 和人为因素的影响，可能存在一些裂缝、下沉等不安全的隐患，用传 统的方法检查，往往费时、费力，并影响到建筑物的正常运营。在建 筑物内安装上无线传感器网络，通过传感器就能不间断、实时采集本 文需要的数据信息，并将数据传输到监控中心，告诉管理部门建筑物 的使用状况。未来的各种大楼就会使用无线传感器网络来监控地震对 大楼的影响，告诉人们大楼当前是否安全稳固。 2 5 6 在其他方面的应用 传感器网络还可以应用于空间探索。借助于航天器在外星体撒播 一些传感器节点，可以对星球表面进行监测。这种方式成本低，节点 体积小，便于携带、部署，它们相互之间可以通信，再通过卫星就可 将数据传输到地球。 2 0 0 3 年计算机世界第8 期题为“智能微尘( s m a r td u s t 1 4 1 是 英特尔公司提出并将要开发的体积微小的传感器节点) ：魔鬼还是天 使? ”的文章指出：智能微尘带来的用途是显而易见的。就以我国西 气东输及输油管道的建设为例，由于这些管道在很多地主都要穿越大 山东大学硕士学位论文 片荒无人烟的地区，这些地方的管理监控一直都是难题，传统的人力 巡查难题较多，而现有的监控产品，往往复杂且昂贵。智能微尘的成 熟产品布置在管道上将可以实时地监控管道的情况，一旦出现破损或 者恶意破坏都能及时在监控中心实时显示。文献 16 中描述的城市车 辆监测和跟踪系统也成功地应用了无线传感器网络。无线传感器网络 也非常适合用于移动目标的定位跟踪【l7 1 。例如在战场上跟踪敌车辆的 位置、行进路线和兵力部署情况。 山东大学硕士学位论文 第三章无线传感器网络能量高效设计 3 1 引言 与普通网络结构不同，在无线传感器网络中，能量问题一直难以 克服，并成为网络生存的一个重要问题。传感器节点体积微小，通常 只能携带能量十分有限的电池；同时传感器网络中节点个数多，分布 区域广，而且部署区域环境复杂，很多区域无人值守，有些区域甚至 人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不 现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临 的首要挑战。 本章重点介绍了无线传感器网络在协议设计方面采取的各种能量 高效的方法和技术。 3 2 无线传感器网络中能量消耗的源头和分布 节点所消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信 模块。从无线传感器网络通信的角度看，可以分为通信能量的消耗和 非通信能量的消耗。其中，非通信能量的消耗主要集中在处理器模块 的操作、数据存储和数据处理，以及传感器模块的数据采集和数据转 换。这部分所消耗的能量相比通信模块消耗的能量要小的多。 通信能量的消耗主要集中在无线通信模块，节点进行数据的收发。 传感器节点传输信息所消耗的能量要比执行计算时消耗的能量大得 多，1 b i t 信息传输lo o m 距离需要的能量大约相当于3 0 0 0 条计算指令 消耗的能量。在通信过程中，传输消耗的能量又可以分为发送能量的 消耗、中继节点转发能量的消耗和接收节点接收能量的消耗。节点在 实际的运行过程中，还会进入睡眠状态节省能量。所以，节点在运行 中，可能处于发送、接收、空闲、睡眠等几种状态。在不同状态下， 节点能量消耗的速度是不同的。典型的能量消耗如图3 1 所示o s 。 山东大学硕士学位论文 2 。 1 5 童加 墓 5 。 图3 1 节点能量消耗 从图3 1 中可以看出，节点处于四种不同运行状态下能量消耗的 差异。发送方式能量消耗最高；接收状态次之：空闲状态节点一直侦 听信道的使用情况，是否有节点发送数据，是否有数据发送给自己； 睡眠状态节点关闭通信模块，消耗的能量最少。因此，如何让节点在 无数据发送或接收的时候尽可能的进入睡眠状态，以减少能量的消耗， 从而延长网络的生存周期。 3 3 能量高效协议栈设计 能量一直是无线传感器网络发展面临的首要挑战，本文从无线传 感器网络设计的各个角度，首先分析各层中能量消耗的原因，然后分 析如何降低能量的浪费，尽量延长网络生存周期的方法和技术。 3 3 1 物理层 物理层主要负责数据的调制、发送与接收，它是决定无线传感器 网络的节点体积、成本以及能耗的关键环节，也是无线传感器网络的 研究重点之一。传感器节点一般工作在i s m ( 工业、科学和医疗) 开 放频段的4 3 3 m h z ( 欧洲) 和917 m h z ( 美国) 。在这个u h f 频段上 天线效率和能量效率匹配得比较好，采用亚微米或深亚微米技术实现 片上系统( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) ，避免采用能耗较大的电路设计，如： d c c d 变换器、过多的滤波器等。因此一般不用超外差或超再生的接 收方式，没有中频，而是直接解调。传感器节点的感知部件一直处于 工作状态，除此之外的部件一般有三种状态：发射、接收和空闲( 监 测信令信道，c p u 空闲) ，平时处在空闲状态。传感器节点的硬件节 能性对于整个网络至关重要，是传感器网络能量策略中的重要一环。 1 4 山东大学硕士学位论文 3 3 2 m a 0 层 3 3 2 1 网络能量消耗原因 在无线传感器网络中，m a c 协议决定无线信道的使用方式，在传 输节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底 层基础结构。 在m a c 层，可能造成网络能量浪费的主要体现在以下几个方面： 1 ) 碰撞 在采用基于竞争的m a c 协议中，节点通信使用共享的无线信道， 节点发送数据的过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰 撞，如图3 - 2 所示。 图3 2 碰撞 当碰撞发生时，两个节点需要分别重新选择发送时间，并重新发 送数据，直到数据发送成功。 2 1 偷听 偷听，指节点接收到自己不应该收到的信息或数据。当某节点发送 给另一节点数据时，发送节点的所有邻居节点都会收到数据，但这些 数据并不是发送给他们的，所以他们用于侦听、接收和处理数据的能 量都被浪费了，如图3 3 所示。 、o 、l ( 了。 图3 3 偷听 山东大学硕士学位论文 3 ) 空闲侦听 节点在无数据