《无线传感器网络的优化分析》8800字

无线传感器网络的优化分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u10388无线传感器网络的优化分析综述 1313681.1无线传感器网络的MAC协议 144351.1.1同步MAC协议 1221301.1.2异步MAC协议 272351.1.3多信道MAC协议 4138791.2无线传感器的时间同步协议问题 6259441.3低功耗数据分发 6254501.4跨层优化机制 7326421.1.1跨层优化机制的路由发现 8323221.1.2跨层优化机制的自适应网络编码 818141.5跨层优化下路由发现机制的优化 989141延迟选择机制 973332唤醒选择机制 9145983.响应更新优化 10131894动态退避优化 10198541.6路径发现优化结果 10本章将通过对无线感测通信技术中MAC协议的前文的研究和多信道通信中无线传感器的优化学习。进而，研究无线传感器网络中的低耗电数据分配方法和各自的层间优化机构，尝试减少数据分发中的数据流量，网络中的节点在数据传送中利用相应的机制，使得编码方案可以根据网络拓扑结构和节点分布密度的动态变化而自适应地改变。1.1无线传感器网络的MAC协议1.1.1同步MAC协议节点射频收发器在休眠之中或是启动时，控制由无线传感器网络MAC协议完成，因此有效MAC协议可大大延长无线传感器网络的使用寿命。同时，MAC协议可能同时控制接入多个节点的进程，所以有效MAC协议可以减少冲突并增加网络吞吐量。这些协议主要分为MAC协议、异步MAC协议和多通道MAC协议，都是近年学术界提出的MAC协议。典型的同步MAC协议是S-MAC协议。在S-MAC协议中，节点在初始网络建立阶段被划分成不同的虚拟集群，并且相同虚拟集群中的节点具有相同的调度。每个集群具有独立的调度时段，并且该周期由三个阶段组成。时间同步阶段、数据传输阶段、睡眠阶段。在时间同步阶段，通信节点的相邻节点均保持一个网络分配向量，这表明通信过程需要连续时间。当睡眠阶段到来时，没有数据传输的节点立即进入睡眠状态，通信节点在数据传输完成后再次进入睡眠状态。在S-MAC协议中，每个时间表周期只能传送跳数据包。因此，在一个调度时段中，数据分组可以传输两跳以减少延迟。为了避免串扰，通信节点的相邻节点维持网络分配向量，该网络分配向量指示通信过程需要长期持续。睡眠的阶段来的时候没有。数据传输的节点马上进入休眠状态，通信节点在数据传输完成后再次睡眠。注意，在S-MAC协议中，每一调度时段只能传送一跳数据分组。为了减少S-MAC协议中分组传输的延迟，W.YE等人改进了S-MAC协议并增加了自适应截取机制。在通信过程中，通信节点的相邻节点保持临时自适应监听，而不是在通信结束之后立即休眠。当他们在该期间内接收到发往自己的RTS时，可以在不等待下一调度的等待期间的情况下立即进行通信。因此，可以在调度期间内转发分组。1.1.2异步MAC协议在异步MAC协议中，每个节点根据其睡眠开始周期来确定用于收听和使用信道的时间。由于节点的大部分时间处于休眠状态，所以与常规同步通信相比，异步MAC协议可以获得极低的占空比，并且可以大大延长网络的生存时间以提高网络吞吐量。然而，由于节点之间不需要同步，因此在相邻节点之间不能正确地知道对方的启动时间，所以异步MAC协议必须建立保证相邻节点双方的数据传输的可靠通信机制。当前的异步MAC协议主要以以下几种方式建立相邻节点之间的可靠通信。在异步MAC协议中，每个节点根据其休眠周期来确定用于收听和使用信道的时间。由于节点的大部分时间处于休眠状态，所以与传统同步通信相比，异步MAC协议可以大大延长网络的生存周期，并且可以提高网络吞吐量。因为在相邻节点之间不能正确地知道对方的启动时间，所以异步MAC协议必须建立保证相邻节点双方的数据传输的可靠通信机制。1.前导码启动在无线传感器网络中，如果同时在网络上传输的数据量较少，则节点的主要能量消耗来自空闲侦听。为了减少偶像听力的次数，节点采用周期性的睡眠听力方式，减少能量消耗。前导信号侦听机制首先在麦克风无线传感器网络中提出，然后将该机制集成到Aloha协议和CSMA机制中。在前导码侦听方案中，每次调用节点时，检测信道是否为空闲的时间被短时间地侦听。如果信道处于空闲状态，则立即进入休眠状态。如果在检测到的信道中存在前导码传输，则维持唤醒状态，以确保后续传输的分组可以成功接收。前导码检测机制的基本想法是，如果某个传输节点需要发送数据，则在发送第一分组之前必须发送足够长的比特流，其中在传输真正分组之前，前导码的长度必须大于目标接收节点的启动周期。2.低功耗听力在前导码侦听方案中，需要进行CCA（ClearChannelAsessment）黄金测试以激活节点并确认信道中是否有前导码传输。然而，无线信道具有恒定的噪声干扰，CCA通过单个阈值确定信道状态，这种检测方案常常引起误判，导致节点误认为信道中传输了分组。因此，在B-MAC协议中提出了低功率侦听技术LPL（LowPowerListening）。在LPL方法中，节点在评估信道时，使用指数加权滑动平均算法向接收信号强度RSSI确定信道的平均噪声，并将检测到的最小RSSI值与平均噪声进行比较，以确定信道状态。采用更准确的CCA信道检测方案，B-MAC可以有效地降低空闲侦听并实现低功率通信。数据包与前导码分离传输由于存在隐藏终端问题，节点在发送前导码的过程中很可能干扰某个相邻节点正在进行的分组传输。为了解决这个问题，STEM协议使用两个独立的射频分别传输分组和前导码。同时，STEM协议采用连续Beacon分组来代替前导码。然后，每个Beacon分组中嵌入了发送节点的源地址和目标接收节点的目的地址。因此，与传统的前导码侦听方案相比，该协议可以确保前导码侦听阶段的非目标接收节点快速进入休眠状态。从文献[6]中提出的观点可以看出。图1.1受前导码干扰的正在传输的数据包从先前的分析中可以知道，将长比特流前导码分解成一系列连续的字节流前导码，这些前导码传输一定的后续传输分组信息节点可以在某种程度上减少前导码传输和听力之间消耗的能量。图1.2前道唤醒MAC协议的发展过程另一种前导码分组方案将前导码分解成一系列离散前导码，其中相邻的两个前导码分组在传输期间预留一定的时间间隔，并且在目标接收节点成功接收到前导码分组之后向发送节点返回ACK确认帧，表示准备了接收数据。在接收到确认帧之后，发送节点停止发送前导码并开始数据传输。PW-MMAC协议与WiseMAC协议基本原理相同，可以把相邻节点之间的启动时间通过双方相互协商，减少空闲检测时间。与WiseMAC协议不同，在PWMAC协议中，双方会协议计算对方的下一个启动时间。由于每个节点的协商算法产生的启动时间间隔不同，为使调度周期匹配，就要避免节点间的冲突问题。因此如何匹配邻居节点之间的协商算法，在此类协议是很重要的问题。当通过所有相邻节点的下一个启动时，计算也产生了新的能量消耗和延迟。1.1.3多信道MAC协议随着传感器网络应用对数据传输带宽和网络吞吐量的要求增加，产生多信道MAC协议，并且要求网络支持多任务同时处理和多数据并行传输。多信道MAC协议主要需要解决两个问题。多通道分配和交叉信道协商。常规无线网络中使用的多信道MAC协议不适合无线传感器网络。这些协议需要具有足够功能的RF芯片，可以同时感测多个信道的活动，而不考虑低功耗的要求。另一方面，多信道分配和信道之间的协商所导致的控制开销可以被允许，因为这些协议所发送的数据量足够大。在无线传感器网络中，节点能量有限，所以1次发送的数据量小。多信道MAC协议需要考虑在多信道分配、信道间协商、时隙分配、信道接入等方面的能量消耗和控制开销，以满足不同网络应用的需求。1.跨信道协商在无线传感器网络中，由于单个分组的长度通常是128字节，所以在多信道通信中，每个分组在传输之前必须进行信道交叉协商，这导致节点不接受的开销。因此，MMSN协议采用静态信道分配。在静态信道分配模式中，MMSN协议向每个节点分配唯一信道，并且节点可以在两跳内获得相邻节点的信道分配信息。为了确保两个节点的通信成功，MMSN协议采用交替截取和交替传输的机制。节点需要监听其信道以接收相邻节点的数据，并且应使用CSMA接入目标接收节点的信道。数据需要发送到目标接收节点时，会暂时切换到对方办公室。在无线传感器网络中，由于单个分组的长度通常是128字节，所以在多信道通信中，每个分组在传输之前必须进行信道交叉协商，这导致节点不接受的开销。因此，MMSN（无线传感器网络多媒体接入控制）协议采用静态信道分配。在静态信道分配下，MMSN协议为每个节点分配唯一信道，并且节点可以在两跳内获得相邻节点的信道分配信息。为了保证两个节点之间的成功通信，MMSN协议采用交替侦听和交替传输机制。节点需要监听其信道以接收相邻节点的数据，并使用CSMA来竞争目标接收节点的信道接入。如果需要向目标接收节点发送数据，则它们暂时切换到对方的信道以完成数据传输。如果节点暂时没有检测到两个信道的信号，则节点交替开启两个信道并发送固定长度的前导码。考虑到信道切换也消耗一定的能量，频繁的信道切换也会加快节点的能量消耗。数据传输在本地信道上进行。如果节点暂时没有检测到两个信道的信号，则节点交替开启两个信道并发送固定长度的前导码。考虑到信道切换也消耗一定的能量，频繁的信道切换可能导致节点的能量消耗过快REF_Ref17458\n\h[6]。2.信道与传输时隙相结合的分配方式图1.3多信道并行传输为了避免节点发送或接收数据时的频繁信道切换，一些协议将信道分配与传输时隙分配相结合。MC-MMAC协议采用固定信道分配和静态时隙分配。当某个节点加入网络时，需要在控制信道上监听2跳的相邻节点的信道和时隙分配信息，选择适当的时隙和信道作为自己的固定传输时隙。为了确保多信道的并行传输，MC-MMAC协议将每个时隙分成CF级、CM级和数据传输阶段。在网络中，CF阶段将一些信道的数量细分为相同的时间间隙，并且所有节点都需要在CF阶段协商控制信道。每个节点根据所分配的信道在相应的CF时隙中广播其目标接收节点信息。在CM阶段，节点可确认发射节点或其信道和时隙点。1.2无线传感器的时间同步协议问题时间同步对于每个分布式系统都是重要的基础问题。在分布式无线传感器网络中广泛使用的同步时间在范围、寿命、精度同步实现等方面有特别的要求，有实现同步所需的时间和所需的能量。对于现有的时间同步方法，为了满足一些新的需求，有必要在当地进行改进。异性在传感器网络应用中的需求需要常规色散系统中没有的约束条件，例如能量效率，并且需要多个硬件，并且传感器网络的布置使得当前同步计划不充分。现有的传感器网络计划需要以尽可能低的能量消耗来扩展和整合现有的传感器网络计划，以提供服务。现在有几个研究小组提出了无线电波的后同步方法，支持同一瞬间制作。即使长时间没有无线信号，也能建立短而非常准确的同步定时。一些正在进行的研究正在从实验室向实际传感器网络节点的转移方向发展，在实际应用的背景下计划进一步的实验和实现。1.3低功耗数据分发无线传感器网络内的传感器节点可存在于难以维持及管理的区域。但是，传感器节点在配置完成后，需要经常更新网络中的节点或所有网络节点的程序，无论是特定的监视任务还是修改程序中发生的故障，都需要修改单个节点修正所有网络的监视参数。因此，为了适应环境，即使随着监视任务的变化，为了实现这些功能，需要经由基站逐跳向目标区域的节点发送命令或更新程序。图1.4无线传感器网络数据分发过程在该过程中，如图1.4中示出了整个数据传输过程。对于非低功耗MAC协议，每个节点在低功耗MAC协议中根据自己的调度策略来调整唤醒时间，并且当开始数据分发时，可靠的数据分发路径变得特别重要在发送更新命令时，可以确认路径上的所有节点处于启动状态，并且可以顺利地进行数据分发。不是低功率MAC协议，节点总是不在线暂停，并且立即执行数据分发。1.4跨层优化机制在传统无线网络的分层设计中，每个层独立地设计和操作，每个层之间的接口是静态的，并且网络约束与应用需求无关。该设计方法简化了网络设计并且具有更好的通用性。然而，各层的独立设计没有层与层之间的信息交流，并且不能充分利用网络资源来实现最佳性能。无线传感器网络具有分级体系结构，各层的设计都是独立的，这会导致不能将整个网络设计进行优化，有很大的局限性。对于这个问题，一些研究人员提出了层间设计的概念。跨层设计的目标是实现逻辑上不相邻协议级别之间的设计交互和性能平衡。无线传感器网络、能量管理机构、低功率设计等在各层的设计中体现。但是，为了优化网络整体的节能效果，应该采用交叉层设计的思想。可以在所有层之间交互信息，协议栈允许整体适应特定应用所需的QoS和网络状况的变化，并根据系统约束条件和网络特征综合优化可以实现网络资源的有效分配，并提高网络的综合性能。在传统的无线网络的分层设计中，每个层独立地设计和操作，每个层之间的接口是静态的，并且网络约束与应用需求无关。没有充分利用网络资源来实现最佳性能。无线传感器网络有分层结构。因此，设计的时候也多是分层的。各阶层的设计都是独立的，有一定的界限。因此，各层的优化设计不能保证网络整体设计的优化。对于这个问题，一些研究人员提出了层间设计的概念。图1.5跨层优化机制如图1.5所示，分层设计的目标是实现逻辑上不相邻协议层之间的设计交互和性能平衡。无线传感器网络、能源管理机构、低耗电设计等在各层的设计中体现，但为了优化网络整体的节能效果，应该采用交叉层设计的思想。可以在所有层之间交互信息，协议栈允许整体适应特定应用所需的QoS和网络状况的变化，并根据系统约束条件和网络特征综合优化可以实现网络资源的有效分配，并提高网络的综合性能。1.1.1跨层优化机制的路由发现在传统的有源供电网络中，节点可以随时向其相邻节点发送路由发现请求，因为其相邻节点总是在线的并且没有睡眠。因此，源节点与目标节点之间的最佳路由由对应于它们之间的最短路径、通信负载和路径上的节点的无线信道来确定。图1.6路由发现过程图1.6是路由发现过程的示意图。由于无线信道的不稳定性，需要在数据分发之前完成路由，并且通过找到能够进行数据分发的最佳路径并在较短的时间内完成整个过程当减少数据递送的能量消耗时，可以保证数据递送过程的可靠性。避免路径上的节点处不需要的数据传输，从而可能导致的更高的能量损失。1.1.2跨层优化机制的自适应网络编码跨层优化机制减少数据递送过程的目标区域内的节点所消耗的能量。传统的数据分发方案不对原始分组执行任何处理，并且不仅执行接收传输，而且基于网络编码的交叉层优化机制不仅减少了在数据分发网络中发送的分组的数量加速数据传送的过程。首先，如图1.7所示，将简要描述网络编码的基本原理。在图中，基站节点a需要向网络内的其他四个节点分发两个分组a和b。在采用简单的接收转发机制的情况下，节点A需要向节点B和节点C广播两个数据包，节点B和节点C分别向节点D和节点E广播两个数据包。在整体分发过程中，一共发送了6个分组。采用网络编码的思想后，节点B和节点C接收到节点A广播的数据包a和b后，节点B和节点C使用线性网络编码的思想对2个数据包进行编码并转发。这些仅在线性编码后转发分组a+b和a+2b，当节点C和节点D分别从节点B和节点C接收到这两个分组时，可以通过求解简单的线性方程组来获得原始分组a和b。以此方式，当使用网络编码方法完成整个数据分发过程时，仅广播四个分组，减少两个分组在网络中的通信量。在无线传感器网络中，由于节点在数据通信中消耗的能量最大，因此需要添加额外的计算开销（编码和解码过程）以减少网络中的数据流量REF_Ref17458\n\h[6]。图1.7简单线性编码因此，通过简单的线性编码来推断，线性网络编码的思想是通过简单的线性运算将n个原始分组编码成一个分组来发送。显然，n的值越大，在网络上发送的分组越少。然而，随着n的值逐渐增加，在原始分组的解码成功之前需要接收的编码分组变多，至少n是线性不相关的，并且需要求解n个未知数。因为一个节点只能从其相邻节点接收编码数据包，所以能够接收的编码数据包的数量与相邻节点的数量有关，即解码的成功率，即数据分配的成功率与相邻节点的数量有关。相邻节点的发现、相邻列表的建立以及拓扑控制信息均位于网络层。因此，为了保证传输层数据分发服务的可靠性，需要传输层优化。传输层数据分发服务也基于网络层提供的相邻节点的信息来确定，由此，为了实现最小的数据包传输和最短的数据分配完成时间为了节约数据分发过程中消耗的能量，自适应地调整编码方案。1.5跨层优化下路由发现机制的优化通过对文献[6]的研究学习，学习掌握该文章作者提出的四种优化方案，后文将对这四种优化机制分别做简要说明。1延迟选择机制在延迟选择机制中，工作顺序为先缓冲所有接收到的命令包，然后从其中向相邻节点发送。同一源节点和目标节点的命令包接到后，缓冲区中的将于原节点进行比较。如果新接收的信息路径更好，就可以对相邻节点发送消息，缓冲区信息会被拒绝，并用新的命令包替换。路径中的ETX值增加。当R节点从s邻居节点接收到路由命令包时，R节点在提交路由请求信息之前，将其路径的ETX值加到与s节点连接的节点的ETX值上，当路由命令包到达目的节点时，目的节点将路由响应包发送给源节点，它包含从源节点到目标节点的路径发现信息和ETX值。2唤醒选择机制因此，本文提出了一种优化机制，即从某个咽喉周期的向量节点中提取消息，在接收到来自附近其他节点的所有消息路由消息之前，他不会立即转发消息。该方法不仅能保证节点在决定谁来路由消息之前附加大量关于子路径可能性的信息，而且能保护由即时释放触发的干预机制进行优化。防止意识觉醒的机制只需要反馈，将诗歌在词汇量中的接受延迟到其恶习节点的所有接受者REF_Ref17458\n\h[6]。3.响应更新优化在将路由请求消息转发到目的地节点并将相应的路由响应消息返回到源节点的过程中，该节点可以通过接收或收听路由信息来获得从源节点到目的地节点的更好路径。基于此，本文提出了一种响应更新优化机制，即当路由响应消息通过反向路径发送到源节点时，中间节点可以通过接收或监听每个响应消息中的路径信息来更新和优化路径。4动态退避优化这种方法是在一个节点的唤醒周期中，它的许多邻居可能已经收到了相同的路由请求消息。因此，当节点唤醒时，它的许多邻居会同时向它发送路由请求消息。通常，在这种情况下，节点会发生冲突，导致需要重新传输数据包。为了快速解决冲突，首先转发具有较好子路径的路由请求消息，提出了一种动态退避优化机制。该机制允许节点在发送路由请求消息时，根据路由请求消息中包含的路径信息动态选择一个随机退避时间。在一个节点的唤醒周期中，它的许多邻居可能已经收到了相同的路由请求消息，因此当该节点唤醒时，它的许多邻居会同时向它发送路由请求消息，以便快速解决冲突，并首先转发那些具有更好子路径的路由请求消息，提出了一种动态退避优化机制。该机制允许节点发送具有更好子路径的路由请求消息，根据路由请求消息中包含的路径信息动态选择随机退避时间。1.6路径发现优化结果由前文的跨层优化机制，根据上一节中提出的四种优化方案，包括时延选择优化机制、唤醒选择优化机制、应答更新优化机制以及动态退避优化机制。在图5.8中可以看出，最早路径发现的时间最短，在没有任何优化机制的情况下，找到最优路径的时间比最早路径发现的时间几乎翻了一番；这是因为源节点需要接收足够的路由响应消息才能找到最佳路径。在唤醒选择优化机制下，节点可以在唤醒周期内转发具有更好子路径的路由请求消息，从而保证更好的性能REF_Ref17458\n\h[6]。图1.8自适应编码方案通过对文献[6]的学习,如图1.8所示，采用自适应的编码方案，一定程度上也能均匀网络负载，因为从图中可以看到在数据分发过程中每一个节点发送的数据包数量比较均匀，避免了某些节点因为承担过多的数据分发任务而导致能量很快耗尽而失效，不利于整个网络的连通性和覆盖性PAGEREF_Ref17458\hREF_Ref17458\n\h[6]。该路径的消息在目的节点发现，并迅速返回到中间节点和源节点，消耗了最短的路由发现时间。当采用其他优化机制和四种机制进行联合优化时，最短发现路径和最优发现路径所耗费的时间基本相同。这是因为在这些优化机制下，最优路径会在第一时间反馈给源节点，加快了最优路径发现的过程。根据图1.9和图1.10所示结果，可以得知本文所提出的四种跨层的路由优化机制，十分适用于采用异步周期性睡眠侦听MAC协议的无线传