无线网络中基于睡眠调度的嵌入式传感器节点传输策略研究.doc

项目类别重点优秀青年 所属学科： 计算机科学一般湖南省教育厅科学研究项目申 请 书项 目名 称：无线网络中基于睡眠调度的嵌入式传感器节点传输策略研究申 请 者：杨 波所 在 学 校：湖南财政经济学院电 话 真：电子信箱 (Email):申 请 日 期：2013-04-09湖南省教育厅2013年制9填 报 说 明一、申请书各项内容，要实事求是，逐条认真填写。表达要明确、严谨。外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现的缩写词，须注出全称。除签名外，项目申请书必须是打印件。二、申请书一律用A4纸，于左侧装订成册。第二页起各栏空格不够时，请自行加页。如有查新报告及其它附件材料，请连同申请书一起装订成册。附件不超过20页。 三、“所属学科”按湖南高校科技网政策法规栏公布的二级学科名称填写，“项目类别”在“重点”、“优秀青年”、“一般”三类中选择。（封2，此页不装订）一、简表项目名称无线网络中基于睡眠调度的嵌入式传感器节点传输策略研究研究类型基础研究（） 应用研究（ ） 试验发展（ ）研究年限2013 年 至 2015 年申请经费（1.0万元）项目负责人姓名杨 波学位硕士职称讲师身份证号要学习和工作经历(自大学开始)1994年9月至1997年7月：湖南工程学院学习1997年7月至2002年8月：浙江省宁波市亚洲纸业工作2002年9月至2005年7月：湖南大学学习2005年7月至今：湖南财政经济学院工作联合申请单位其它主要研究人员姓 名职 称已获学位专业本人签名所在单位身份号码刘文彬讲师硕士计算机应用湖南财政经济学春红副教授硕士计算机应用湖南财政经济学沙讲师硕士计算机应用湖南财政经济学瑞峰讲师硕士计算机应用湖南财政经济学、立论依据 （包括项目的研究意义、国内外研究现状分析） 项目的研究意义：近年来，由具有感知能力、计算能力和通信能力的大量微型的嵌入式传感器节点组成的自组织分布式网络，在医疗、农业、环境监测、智能仪表、军事技术等领域发挥着越来越重要的作用。其主要功能是对周边环境信息进行采集和管理，并将感知到的数据通过无线通信方式传输到基站作进一步的分析和处理。嵌入式传感器节点往往都布署在人无法接近的或者高危险区域，节点的能量仅由容量有限的电池提供，且能量难以补充，因此尽可能地节约传感器节点有限的能量，以及延长网络使用寿命是研究应用无线传感器网络不可回避的问题。大部分传感器网络都以高密度配置, 如果节点同时处于工作状态, 会导致搜集到的数据高度相关和冗余, 同时也会给同一区域中节点竞争信道带来过多的数据包冲突。目前一种广泛使用的减少能源消耗、信道竞争、数据冗余的办法就是调度节点使其轮流工作, 即在一个工作周期T时间段里，传感器节点只在需要的小段时间t内醒来实现数据的传输功能，然后在其余的时间内处于休眠模式。在大多数基于嵌入式传感器节点的无线网络应用可以分为两类：一类是延时容忍网络，另一类是有实时要求的网络。延时容忍网络意味着大多数感知数据是非紧急的，嵌入式传感器节点在感知数据后可以不立即发送，只需要一段时间收集一次就可以。在实时性要求较强的一些应用中，如医疗监护、灾难报警、建筑物健康监测等，感知数据需要在限定的时间内送达基站，以便进一步进行处理，否则可能会导致灾难性的后果。为了降低嵌入式传感器节点平均功耗，减少信道竞争等缺陷，往往在这种网络也会采用睡眠调度机制，但是这会带来不可估算的通讯延时，由于睡眠调度状态下节点的感知和通信能力时断时续，网络中没有持续稳定的可用资源，使得无线传感器网络中的端到端时延用传统方法不易获得保障。所以为此类网络进行应用研究及设计时，有必要对能量和时延进行综合考虑。为了更好地兼顾长期监测与实时性能的需求，迫切需要研究睡眠调度模式下无线传感器网络的传输时延保障方法，以解决网络监测、传输能力时断时续与高要求时延指标之间的矛盾。能耗与数据传输时延在无线传感器网络中是相互对立的，无论是给定时延要求最优化的网络能耗，还是给定分簇结构，最少化时延需求，在计算几何和随机图论等数学理论上依然是一个NP难问题，如何针对具体的应用，设计出有效的算法与协议，将会是一个具有重要理论意义和应用价值的研究课题。国内外研究现状：小体积、低成本的传感器节点以随机的方式或者一定的策略部署在各种各样的应用环境中，就形成了一个传感器网络。为了延长网络的生存时间、降低节点的能耗以及端到端的通信时延，网络中的节点会根据相关的协议组成符合要求的网路拓扑，比如分簇或者是树状拓扑1。然后依据相关的路由算法进行数据的传输，以满足应用需求23。无线传感器网络中，根据网路结构的不同，数据传输的路由协议可以分为：平面路由、分层路由、基于本地信息的路由4。其中平面路由协议大多用于早期的研究中，利用分层的路由协议将网络分级能够有效的减小网络中的能耗和数据时延45。对于能耗问题，设计一个完善的能量管理协议使节点的能耗最小化、网络的生命周期最大化，是无线传感器网络的核心问题，也是目前文献中研究最多、相对比较成熟的一个方面6789。但在能耗节约的前提下，如何控制传感器网络的通信传输时延，还是一个亟待解决的问题。根据不同的应用要求，在网络通信过程中，数据包从Sink节点发出，网络中的特定节点必须在一定的时间界限内接收到这些数据包；网络中节点采集到的数据信息经融合处理后也必须在一定的时间界限内传送给Sink节点，这就是网络中的时延保障方案(Delay Guarantee Schemes)，是近来传感器领域中的一个热点研究问题101112。无线传感器网络中的时延包括数据的发送时延(ms)、传播时延(ms)、排队时延(ms)和睡眠等待时延(等待其他节点醒来接收数据的时间，s)，通常在低占空比无线传感器网络中，前三种时延属于毫秒(ms)级别，睡眠等待时延属于秒(s)级别，远远大于其他时延，所以对于睡眠调度低占空比无线传感器网络，主要时延控制对象是睡眠等待时延。较之数据的平面路由，分层路由协议的应用在提高无线传感器网络的整体性能特别是降低网络能耗及硬件成本方面起着革命性的作用。现有的时延保障策略大多是在基于分级的路由协议的基础上发展而来。第一个基于分簇的路由协议是LEACH，LEACH首先将传感器网络中的节点分成若干个组，每组称为一簇(Cluster)，然后以循环的方式随机选择簇首节点(Cluster Heads)，这样就将整个网络的能量负载平均分配到了每个传感器节点上，从而达到降低网络能量消耗、延长网络整体生存时间的目的13。LEACH协议是第一个基于分簇的路由协议，所以针对其很多不完善的地方，人们做了大量的研究，文献1415论述了基于LEACH协议的改进路由算法。在文献16中，作者研究了基于睡眠调度在低占空比无线网络中的消息广播问题，将消息的广播扩散过程重新建模为消息的前向传输调度问题，这个方案减少了消息在传输过程中的冗余耗费，间接提高了网络中的数据在端到端传输的实时性。文献17中作者提出了在低占空比无线传感器网络中的机会洪泛思想，在数据的发送端(Sender)，根据发送端节点和其下一跳节点间时延大小的概率，决定前向传输的数据包，只有概率(机会)最大的数据包会被传向下一跳节点，从而减小因消息洪泛而产生的数据时延和冗余。改进的平面数据洪泛机制，拓宽了平面传感器网络的应用限制，提高了网络中节点的通信效率，但在大规模的无线传感器网络应用中，分级的网络拓扑能够更好的满足用户的要求。在这样的大规模无线传感器网络中，采用移动Sink节点或者最佳定位Sink节点的方案能够有效的减小通信中的端到端时延。目前基于移动Sink节点的时延保障方案得到了大量的研究。文献17中，在一个事件驱动的无线传感器网络中，作者提出了一个启发式算法来决定Sink节点的移动方向和移动距离，Sink节点只移向产生数据包最多的节点。文献18中，网络中的动态事件跟随一个随机移动模型移动，作者提出了两种策略让Sink节点适应性的对这些移动的事件做出反应。这两种方法在小规模的网络中对减小数据的通信时延有一定的效果，因为Sink节点总是在网络的中心位置移动，但在大规模的传感器网络中效果并不好。文献19的作者针对大规模的传感器网络，利用分簇协议将网络分簇，然后Sink节点动态的采集网络中的簇首节点信息，继而根据这些信息预先制定一条遍历各簇首节点通信范围的最优路线，Sink节点周期性的沿这条路线移动以收集各簇首节点的数据信息。这种方案虽然在一定范围内减少了网络能耗，但对通信时延却没有明显的效果。在文献20中，作者提出了Sink节点的最佳定位方案，即在当前轮根据网络中的节点信息，确定下一轮通信时Sink节点的最佳位置，这样各个簇首节点就可以同时和Sink节点进行通信，从而有效的减小网络中的通信时延。在网络中适当的增加Sink节点的数量，也能有效的减小网络中的通信时延。Yu Gu等提出了一个动态的增加网络中Sink节点的时延保障方案。在满足时延限定的条件下，将最小数量的感知节点变为Sink节点，以及时的收集网络中的数据21。但在这种方案中，后面转化为Sink节点的感知节点往往只能覆盖很少数量的其他感知节点，不但增加了网络的硬件成本，效率还很低。此外，一些节点唤醒机制的应用也能够有效减小网络中的通信时延。在一些早期的节点唤醒机制研究中,如文献2223，很多研究成果都是侧重于网络的能耗节约，导致了在能耗和时延两个指标之间缺乏一个良好的权衡。文献24的作者，提出了PTW( Pipelined Tone Wakeup)节点唤醒机制，通过建立一个唤醒时钟信道，当节点有数据包要发送时，就向唤醒信道发送一个持续的唤醒信号，最先监听到这个信号的节点醒来传送数据。这样，节点要传送的数据就能够得到及时的发送和传输，有效的减少了通信时延。参考文献：1 Huang K C, Yen Y S and Chao H C. Tree-Clustered Data Gathering Protocol (TCDGP) for Wireless Sensor NetworksJ. FGCN2007, 2007, 1(1): 31-36.2高能量有效的基于分簇的无线传感器网络路由协议.计算机应用研究J,2010,27(6):2201-22033张希伟，戴海鹏，徐力杰等.无线传感器网络中移动协助的数据收集策略研究.软件学报J，2013,2:198-2144 Zheng J, Qu Y, Zhao B. Data Aware Clustering for Data Gathering in Wireless Sensor NetworksA. Networks Security, Wireless Communications and Trusted Computing, 2009. C. Wuhan: NSWCTC09,192-195.5 Slama I, Jouaber B, Zeghlache D. Energy Efficient Scheme for Large Scale Wireless Sensor Networks with Multiple SinksA. Wireless Communications and Networking Conference, 2008C. Las Vegas:WCNC 2008, 2367-2372.6 Oh H-R, Song H. An Energy-aware Wireless Sensor MAC Protocol for Delay-Sensitive DataTransmissionA. Wireless Pervasive Computing (ISWPC), 2010C. Modena: ISWPC, 2010, 69-73.7 Kumar A.K, Sivalingam K.M. Energy-Efficient Mobile Data Collection in Wireless Sensor Networks with Delay Reduction using Wireless CommunicationA. Communication Systems and Networks C.Bangalore: COMSNETS,2010.8王辛果,张信明,陈国良.时延受限且能量高效的无线传感网络跨层路由.软件学报J,2011,22(7):162616409杨银堂, 高翔, 柴常春等. 一种 WSN 中的能耗优化动态路由算法. 西安电子科技大学学报J, 2010, 37(5): 777-782.10 Felemban E, Lee E, Ekici E, Boder R, Vural S. Probabilistic qos guarantee in reliablility and timeliness domains in wireless sensor networksA. INFOCOM 2005C. Columbus: INFOCOM05, 2005.11 Yang X, Vaidya N.H. A wakeup scheme for sensor networks: Achieving balance between energy saving and end-to-end delayA. 10th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications SymposiumC. Toronto: RTAS04, 2004.12 Heinzelman W, Chandrakasan A and Balakrishnan H. An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor NetworksJ. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2002, 1(4):660-670.13 李建中，高宏.无线传感器网络的研究进展.计算机研究与发展J2008,45(1):1-1514 Lindsey S, Raghavendra C.S. PEGASIS: Power-Efficient gathering in sensor information systemsA. Aerospace Conference Proceedings, 2002 C. Los Angeles: Aerospace Conference Proceedings, 2002.15 Wang F, Liu J.C. RBS: A Reliable Broadcast Service for Large-Scale Low Duty-Cycled Wireless Sensor Networks A. Communications, 2008 C. Beijing: ICC, 2008.16 Guo S, Gu Y, Jiang B, He T. Opportunistic Flooding in Low-Duty-Cycle Wireless Sensor Networks with Unreliable Links A. Proceedings of the 15th annual international conference on Mobile computing and networking C. New York: ACM, 2009, 133-144.17 Akkaya K and Younis M. Sink repositioning for enhanced performance in Wireless sensor networks J.Computer Networks, 2005, 49(4): 512-534.18 Vincze Z, Vass D, Vida R, Vidacs A, Telcs A. Adaptive sink mobility in eventdriven multi-hop wirelesssensor networks A. InterSense 06 Proceedings of the first international conference on Integrated internet ad hoc and sensor networks C. New York: ACM, 2006.19 Wang Y.H, Yu C.Y, Chen W.T, Wang C.X. An Average Energy based Routing Protocol for mobile sink in Wireless Sensor Networks A. Ubi-Media Computing 2008 C. Lanzhou: U-Media, 2008.20 Khodashahi M.H, Tashtarian F, Moghaddam M, Honary M. Optimal Location for Mobile Sink in Wireless Sensor Networks A. Wireless Communications and Networking Conference, 2010C.Sydney: WCNC, 2010.21 Gu Y, Kim J, Kang H.J. Bounding Communication Delay in Extremely Low-Power Sensor Networks using Mobile Sinks. /viewdoc/summary?doi=8.1385.22 Tseng Y.C, Hsu C.S, Hsieh T.Y. Power-saving Protocols for IEEE 802.11-based Multi-hop Ad HocNetworks A. 21st Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communication Societies C.New York: INFOCOM, 2002.23 Zheng R, Hou J.C, Sha L. Asynchronous Wakeup for Ad Hoc Networks: Theory and Protocol Design A. Proceedings of the 4th ACM international symposium on Mobile ad hoc networking & computingC. New York: ACM, 2003.24 Yang X, Vaidya N.H. A Wakeup Scheme for Sensor Networks: Achieving Balance between Energy Saving and End-to-end Delay A. 10th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS04) C. Toronto: RTAS04, 2004. 三、研究方案1、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题（1）研究目标针对实际应用中无线传感器节点通常部署在恶劣环境中且节点电源受限等特点，在深入分析睡眠调度模式无线传感器网络连通性能的基础上，完成对网络资源(如活跃时隙)的最优配置，使得监测信息的端到端传输能够在容许的时延内完成，同时满足网络对能耗与实时性能的要求。（2）研究内容基于嵌入式传感器节点的网络连通性能分析分别从MAC层、网络层协议以及移动或增加Sink节点的方案来分析研究目前所采用的数据传输时延解决方案，研究影响采用睡眠调度模式的无线网络连通性能的主要因素，并量化影响因素(如节点密度、占空因数等)与连通性能之间的关系；通过理论分析与仿真验证，总结它们相互关系的一般规律，为下一步网络性能的联合优化提供依据。传输时延保障策略控制传输时延是保障系统实时性能的关键。分析睡眠调度模式下的消息转发机制和单跳传输时延的类型和特点，并针对时延的主要来源，研究影响传输时延的主要因素；分析基于增加节点活跃时隙和多基站规划的端到端传输时延的保障策略机制，研究如何优化额外资源配置的问题；分析保障端到端传输时延对网络寿命和网络资源配置代价的影响，进一步研究网络规模、数据流类型及链路质量变化对实时传输性能的影响。（3）拟解决的关键问题能量是嵌入式传感器节点工作的基础，但是应用的特殊性却使得能量处于受限状态，采用睡眠调度模式可以最大化节约节点能耗，提高网络的寿命期限，然而在一些时间敏感的应用中，如：森林火警监视、矿道瓦斯监测、战场监控等，要求网络在收集到数据后能尽快地将数据传送给用户进行处理，睡眠调度有可能使得时延不能接受。如何在满足用户时延的需求下有效的延长网络生命周期是本课题所要解决的关键问题。2、拟采取的研究方法及可行性分析本课题采用的研究方法为：理论基础理论模型算法设计实验验证算法优化。首先，通过检索和分析该领域的现有研究成果，在对现有的各种数据收集协议和算法进行分析比较的基础上，建立一个通用的系统模型。然后针对本课题的研究内容，在所建立的系统模型上进行算法设计和分析。最后，对所设计的算法进行实验验证，并根据实验结果进行改进和优化，使之具有真正的实用价值。 本课题的研究成员都是多年从事计算机教学与科研的老师，具有丰富的科研经验和充足的时间从事研究。课题负责人为计算机硕士，多年来一直从事嵌入式系统设计及传感器网络的科研工作，参与并主持省厅级课题多项，同时在专业期刊上发表论文多篇，积累了较丰富的课题主持和研究经验。项目的其他成员在各自的领域内已有多年研究经历，并获得了丰富的研究成果。这些表明我们具备了完成该项目所必须的研究基础。3、本项目的创新之处(1) 基于睡眠调度机制，研究网络节点最小数据传输延迟问题: 每个节点拥有不同的占空比, 唤醒时间相互独立, 根据节点的等待延迟和发送延迟, 决定是否发送数据, 分析计算出转发概率, 拟通过协调发送策略和唤醒模式减少发送端的传输延时，提高数据传输的实时性。(2)研究睡眠调度机制网络节点的最大化生存周期问题: 应用最小化延迟问题的转发概率, 动态调节节点的唤醒周期, 拟优化控制节点的占空比, 使网络上每个节点的能量消耗是均衡的，即：能量多的节点消耗的能量多些，而能量少的节点消耗的能量少些，通过提高能量的使用效率达到延长网络寿命。4、预期研究进展2013年5月至2013年12月：检索现有的基于睡眠调度模式嵌入式传感器节点时延传输与能耗相关的研究成果，并对现有相关研究领域的模型和算法进行分析比较，找出它们存在的问题。2014年1月至2014年4月：根据现有研究成果，建立一个通用的系统模型，使之能应用于实际的环境中。2014年5月至2014年12月：建立一个仿真实验环境，并对设计算法并进行验证，同时根据实验结果对设计的算法进行改进和优化。2015年1月至2015年3月：撰写论文2015年4月至2015年5月：撰写结题报告。5预期成果（1）论文（3篇）（2）结题报告（1份）四、研究基础与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩及目前承担项目的情况（项目负责人和其它成员情况分开填写并且项目、成果及奖励等须注明承担或完成人姓名等相关信息）1. 项目负责人发表的论文(1) 嵌入式CAN-Ethernet网关的设计与实现，计算机应用，2005，2(2) 嵌入式Linux下/proc设备驱动程序的开发，软件导刊，2007，5(3) 项目驱动模式在单片机课程教学中的应用，湖南第一师范学院学报，2012，8(4) 利用数据挖掘技术提升企业核心竞争力,中国集体经济，2009，9(5) 计算机操作系统课程教学改革的研究与探讨，计算机时代，2010，32. 项目负责人承担的科研项目（1）中小企业信息化问题研究，湖南省科技厅，参与，2011-2013年（2）基于单片机的多功能数控收音机研制，湖南省大学生创新实验项目，主持，20112012年（3）项目驱动模式在单片机课程教学中的研究及实践，湖南财政经济