（通信与信息系统专业论文）信息物理系统中wsn的拓扑控制和mac协议研究.pdf

卜 、 原创性声明 汨洲删 y 17 19 5 9 4 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另q d l ：i 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：丞。氢日期：鱼丛生年月三日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：色丝年么凡王日 摘要 信息物理系统是计算，网络和物理世界的统一体。而无线传感器 网络是信息物理系统重要的组成部分。在信息物理系统中如何能够减 少不必要的能量消耗，保证较小的传输延时，提高网络的整体性能， 是目前所面临的首要挑战。网络的拓扑控制和m a c 协议对传感器节 点的能量消耗和延时会产生重大影响。本文以降低能量消耗，减少传 输延时，优化网络性能为目标对无线传感器网络拓扑控制和m a c 协 议两方面关键技术进行研究。 为了提高网络拓扑控制算法的能量效率和拓扑的健壮性。提出了 一种基于几何图形切割的能量平衡拓扑控制算法。该算法首先进行功 率控制，提出任意相邻两邻居节点之间的夹角都需小于等于2 n 3 作 为保证网络连通性的约束条件，节点在保证上述约束条件的前提下， 使用较低发送功率发送数据，简化网络的拓扑连接；其次，根据传感 器节点能耗与传输距离的平方成正比的特性和三角形的平面几何特 点，通过绘制辅助线将节点分布区域切割成三个部分，不同的区域采 用不同的方法建立拓扑，对较近区域直接进行连接，对较远区域采用 多跳方式进行连接，形成优化的拓扑连接；最后根据邻居节点剩余能 量和发送数据的功率建立适应度函数，并通过适应度函数选择不同的 邻居节点进行数据传输，使各个节点分担能量的消耗，优化能量效率。 为了减少信息物理系统中数据传输的延时，增强协议适应动态变 化环境的能力，提出了一种基于并行机制的多跳信道预约m a c 协议。 在节点周期性休眠的基础上提出多跳信道预约机制，节点利用预约帧 进行信道的预约，并根据预约信息进行数据的传输；利用并行机制， 使预约信息和数据的传输同时进行。在一定程度上降低了信息物理系 统中节点的能量消耗，减少了多跳传输中的延时。 最后，利用o p n e t 网络仿真工具建立无线传感器网络模型，对 节点能量的消耗、数据传输延时、协议对传输数据量变化的适应性等 方面进行仿真，验证所提出的拓扑控制算法和m a c 协议的有效性。 关键词无线传感器网络，几何图形，拓扑控制，预约机制，m a c 协议 a b s t r a c t c y b e r - p h y s i c a ls y s t e m sa r ei n t e g r a t i o n so fc o m p u t a t i o n ，n e t w o r k i n g ， a n dp h y s i c a lw o r l d s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sa ni m p o r t a n tp a r to f c y b e v p h y s i c a ls y s t e m s t h ep r i m a r yc h a l l e n g ea tp r e s e n ti sh o wt oc u t d o w nu n n e c e s s a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n ，g u a r a n t e el e s st i m e l a p s ei n t r a n s m i s s i o n ，a n di m p r o v et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k t h e n e t w o r k t o p o l o g yc o n t r o la n d t h em a c p r o t o c o lw i l le x e r tg r e a ti n f l u e n c e o nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h es e n s o r sn o d e a i m i n ga tc u t t i n gd o w n e n e r g yc o n s u m p t i o n ，l e s s e n i n gt i m el a p s ei nt r a n s m i s s i o n ，a n do p t i m i z i n g t h en e t w o r kp e r f o r m a n c e ，t h i st h e s i ss t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g i e so n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t o p o l o g yc o n t r o la n dt h em a cp r o t o c 0 1 i no r d e rt oi m p r o v et h ee n e r g ye f f i c i e n c ya n dt h er o b u s t n e s so ft h e t o p o l o g y , at o p o l o g yc o n t r o la l g o r i t h mo fe n e r g yb a l a n c eb a s e do n g e o m e t r i cs t r u c t u r ec u t t i n gi sb r o u g h tf o r w a r d f i r s to fa l l ，t h ec o n s t r a i n t c o n d i t i o nt h a tt h ea n g l eb e t w e e na n yt w oa d j a c e n tn o d e ss h o u l db ee q u a l o rl e s s e rt h a n2 n 3i sp r o p o s e dt oe n s u r en e t w o r kc o n n e c t i v i t y o nt h e p r e m i s eo ft h ec o n n e c t i v i t yo ft h ew h o l en e t w o r k ，i ts i m p l i f i e sn e t w o r k t o p o l o g i c a lc o n n e c t i o nb ys e n d i n gd a t at h r o u g hac o m p a r a t i v e l yl o w p o w e r t h e n ，s i n c et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f s e n s o rn o d e sa n dt h es q u a r eo ft h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei si nad i r e c t p r o p o r t i o n ，a c c o r d i n gt ot r i a n g u l a rp l a n eg e o m e t r yc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e n o d ed i s t r i b u t i o na r ec u ti n t ot h r e es e c t i o n sb yd r a w i n ga u x i l i a r yl i n e s d i f f e r e n tr e g i o n se s t a b l i s h t o p o l o g yb yd i f f e r e n tm e t h o d s i nr e s e n t r e g i o n s n o d ec o n n e c t se a c ho t h e r d i r e c t l y i nr e m o t er e g i o n s n o d e c o n n e c t se a c ho t h e rb y m u l t i h o p o p t i m i z i n gt h ef o r m a t i o no ft o p o l o g i c a l c o n n e c t i o n f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h en e i g h b o rn o d e sr e s i d u a le n e r g ya n d t h ep o w e rt os e n dd a t a ，af i t n e s sf u n c t i o ni se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h i s f u n c t i o nt h et o p o l o g yc o n t r o la l g o r i t h ms e l e c t sd if f e r e n tn o d e st ot r a n s m i t d a t a t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni s p a r t a k e nb ye a c hn o d e o p t i m i z i n gt h e e n e r g ye f f i c i e n c y i no r d e rt or e d u c et h ei n f o r m a t i o nd a t at r a n s m i s s i o nd e l a y , a n d e n h a n c et h em a cp r o t o c o l sa b i l i t yt oa d a p tt od y n a m i ce n v i r o n m e n ti n c y b e r - p h y s i c a ls y s t e m s am u l t i h o pc h a n n e lr e s e r v a t i o nm a cp r o t o c o l b a s e do nap a r a l l e lm e c h a n i s mi sb r o u g h tf o r w a r d t h i sp r o t o c o lp r o p o s e s t h em u l t i h o pc h a n n e lr e s e r v a t i o nm e c h a n i s mo nt h eb a s i so ft h ec y c l i c a l s l e e p i n gm e c h a n i s m n o d e sr e s e r v et h ec h a n n e l sb yt r a n s m i t t i n gr e s e r v e d f r a m e s t h e nd a t ai st r a n s m i t t e da c c o r d i n gt or e s e r v e di n f o r m a t i o n b y m a k i n gu s eo fp a r a l l e lm e c h a n i s m ，as i m u l t a n e o u s l yt r a n s m i t t i n go ft h e r e s e r v e di n f o r m a t i o na n dd a t ai sa c h i e v e d o ns o m ed e g r e e ，i tr e d u c e s e n e r g yc o n s u m p t i o ni nc y b e r - p h y s i c a l m u l t i - h o pt r a n s m i s s i o n s y s t e m s ，a n dl e s s e n st i m el a p s ei n f i n a l l y , b yu s i n go p n e tn e t w o r ks i m u l a t i o nt o o l s t oc r e a t ea w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r km o d e l ，i te m u l a t e so na s p e c t sl i k et h ee n e r g y c o n s u m p t i o no fn o d e s ，t i m el a p s eo f d a t at r a n s m i s s i o n ，a n dt h ep r o t o c o l s a d j u s t a b i l i t yt ot h ec h a n g i n gq u a n t i t yo ft r a n s f e r r i n gd a t a ，a n di tv a l i d a t e s t h es u g g e s t e dt o p o l o g yc o n t r o la r i t h m e t i ca n dt h em a cp r o t o c 0 1 k e yw o r d sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，g e o m e t r i cs t r u c t u r e ，t o p o l o g y c o n t r o l ，o r d e r i n gm e c h a n i s m ，m a cp r o t o c o l 1 1 1 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状4 1 3 研究内容7 1 4 论文组织结构一8 第二章信息物理系统拓扑控制和m a c 协议分析9 2 1 信息物理系统体系结构和耗能分析9 2 1 1 信息物理系统体系结构9 2 1 2 网络耗能特点分析1 0 2 2w s n 中的拓扑控制研究1 2 2 2 1w s n 拓扑控制算法的研究。1 2 2 2 2 典型的拓扑控制算法分析1 3 2 2 3 拓扑控制存在的问题1 4 2 3w s n 中m a c 协议的研究15 2 3 1 w s n 中m a c 协议的研究1 5 2 3 2m a c 层协议影响网络性能的因素1 5 2 3 3m a c 协议存在的问题1 6 2 4 解决方案的设计思想。1 7 2 5 本章小结18 第三章基于几何图形切割的能量平衡拓扑控制算法1 9 3 1 拓扑控制算法问题描述1 9 3 1 1 网络能量消耗分析1 9 3 1 2 问题描述2 0 3 2 基于几何图形切割的能量平衡拓扑控制算法实现2 1 3 2 1 节点功率控制2 l 3 2 2 几何图形切割2 4 3 2 3 节点能量平衡2 7 3 2 4g e t c 算法总结2 8 3 3g e t c 对网络动态变化的适应2 9 3 4 仿真比较3 0 3 4 1 拓扑结构仿真3 0 3 4 2o p n e t 网络仿真软件的介绍一3 l 3 4 3 能量消耗仿真实现31 3 4 4 仿真结果比较3 3 3 5 本章小结3 5 第四章基于并行机制的多跳信道预约m a c 协议3 6 4 1m a c 层协议问题描述3 6 4 1 1m a c 层协议研究基础3 6 4 1 2p c r - m a c 协议方案描述3 8 4 2p c r m a c 协议实现3 8 4 2 1p c r m a c 协议实现3 9 4 2 2 信道预约帧4 0 4 2 3 信道预约中的并行机制4 0 4 2 4 无固定预约周期4 l 4 2 5 预约时间表4 2 4 3p c r m a c 协议性能分析4 3 4 3 1 数据传输延时分析4 3 4 3 2 数据传输能量消耗分析4 5 4 3 3 引入预约机制存在的问题和解决方法4 8 4 3 4 协议时间复杂性4 9 4 4 仿真比较4 9 4 4 1 仿真的实现5 0 4 4 2 仿真结果比较5 2 4 5 本章小结5 7 第五章结论与展望5 8 5 1 总结5 8 5 2 展望5 9 参考文献6 0 附录1图索引6 6 附录2 表索引6 8 至殳谢6 9 攻读学位期间主要的论文情况和科研情况7 0 v c p s w s n m a c t d m a i 盯s c t s 符号说明 c y b e rp h y s i c a ls y s t e m s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s m e d i aa c c e s sc o n t r o l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s r e q u e s tt os e n d c ! l e a rt os e n d 信息物理系统 无线传感器网络 介质访问控制 时分多址 发送询问帧 发送清除帧 硕七学位论文 第章绪论 第一章绪论 信息物理系统【1 1 ( c y b e rp h y s i c a ls y s t e m s ，c p s ) 是计算进程和物理进程的统 一体。它是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。信息物理系统利用 人机交互接口实现和物理世界的交互；通过各种现存的网络通信方式进行数据的 传输；使用协作的方式操控物理实体i 引。无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) t 3 j 正是c p s 的重要组成部分，也是c p s 实现其强大功能的基础。 本论文以提高c p s 的能量利用效率，减少网络传输延时为主要目标，研究 网络拓扑控制算法和m a c 协议，提出一种基于几何图形切割的能量平衡拓扑控 制算法和基于并行机制的多跳信道预约m a c 协议，优化c p s 中能量消耗和延时 两方面主要的网络性能。 1 1 研究背景及意义 c p s 是一个功能强大的智能系统，它综合了计算、通信和物理环境感知等多 方面因素，c p s 通过3 c ( c o m p u t a t i o n 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n t r 0 1 ) 技术的深度 协作和有机融合，实现大型系统的实时感知、信息融合和动态控制，具有广泛而 重要的应用前景。 图1 - 1c p s 示意图 硕士学位论文第一章绪论 如图1 1 所示c p s 分为感知层、网络层和应用层，在感知层当中，通过分 布在物理设备上的传感、执行器与物理世界进行交互，多个传感器组成无线传感 器网络形成和物理世界的接口；c p s 网络层利用现有的各种网络进行数据的交互 和传输：应用层是这种交互的主体，它不仅仅包括用户自身也包括在人的意图指 导下的系统。 近年来，c p s 不仅已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向，也将 成为企业界优先发展的产业领域。开展c p s 的研究和应用，对加快推进我国工 业化与信息化融合具有重要意义。c p s 系统把计算与通信嵌入物理实体中，使其 与物理世界密切联系，从而给物理实物系统添加了新的能力。c p s 包括了4 , n 智 能家庭网络大到工业控制系统乃至国家级、世界级的应用。更为重要的是，c p s 不仅仅是将物与物简单地连在一起，而是要催生出众多具有计算、通信、控制、 协同和自治性能的设备。正是由于以上特点c p s 在许多方面都有运用，如智能 家居、智能交通控制、环境控制、关键基础设施控制、分布式机器人、军事应用、 防灾领域等1 4 8 1 。 c p s 的感知层是通过w s n 来感知物理世界的，w s n 做为c p s 和物理世界 的一个接口对c p s 的性能有较大的影响。w s n 从本质上讲就是一个通过无线通 信方式形成的多跳自组织的网络系统1 9 】【l o 】。该网络是将大量的无线传感器节点密 集撒布在感知区域，由传感器节点自主的完成环境的感知和信息的采集，并将采 集到的数据发送给观测节点川。c p s 在此基础上，进一步扩展，使得传感器节点 不仅仅具有感知的能力还具有较强的计算能力，可以进行数据的计算和信息的融 合。 因为w s n 是c p s 的重要组成部分是c p s 和物理世界之间的接口，所以c p s 在进行物理世界感知的时候和w s n 面临着类似的问题，主要是网络节点能量损 耗大和网络数据传输延时长等问题。由于无线节点是通过电池来供电，比起有线 的网络来说，传感器节点的能量是有限的，所以整个网络的生命周期也是非常有 限的。同时由于传感器有可能分布在任何物理设备上，有些节点所处的环境往往 是人很难达到的，使更换电池非常不方便，因此很容易由于电池能量的耗尽造成 网络的瘫痪。另外由于c p s 的应用环境对数据的传输延时要求很高，过长的传 输延时有可能会造成服务质量的下降。同时c p s 网络特点也要求系统要有较强 的及时性。因此采用什么样的方法能够减少c p s 感知层w s n 中不必要的能量损 失，降低传输延时，从而提高整个网络性能成为了我们研究的重点。 为了节约能量的消耗，减少网络传输延时，提高c p s 的网络性能，需要对 w s n 进行进一步研究。国内外学者提出了许多可行的解决办法，例如设计具有 休眠机制的m a c 协议【1 l 】f 1 2 1 及各种路由协议1 1 3 】、采用数据融合【、拓扑控制【1 5 】 2 硕士学位论文 第一章绪论 等技术来减少节点能量消耗降级传输延时。本文将从网络拓扑控制算法和m a c 协议两方面入手进行研究，寻找解决办法。 1 网络拓扑控制的研究意义 设计合理、优化的网络拓扑结构有着十分重要的意义。在保证整个网络连通 性前提下，尽量减少链路的复杂性是拓扑控制的主要目的。w s n 中传感器节点 由于应用的需要往往分布的非常密集。当每个传感器节点都采用最大发送功率进 行通信的时候，就会在网络中增加一些不必要的链路连接，节点之间的干扰也会 增强，造成能量浪费【1 6 】。相反，如果节点选择很小的发射功率发送数据，则有 可能影响网络的连通性，使网络变得非常脆弱。所以，采用合适的拓扑控制算法， 合理的控制节点的发送功率具有非常重要的意义。 2 w s n 中m a c 协议的研究意义 在w s n 中，介质访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议是整个网 络协议的第二层。w s n 中的m a c 子层主要用来协调和管理多个传感器节点如 何共享可用的无线信道资源，协议要解决的主要问题是如何将信道资源分配给不 同的网络用户【1 7 】。w s n 的m a c 协议与传统网络的m a c 协议所注重的主要问 题并不相同。传统网络的m a c 协议主要是解决网络使用效率的问题，即合理的 分配信道，使信道的利用率达到最大。而w s n 所关心的问题更多集中在节省能 量和较少的传输延时。因此由于目标不同，传统的m a c 协议不再适用，研究和 改进新的m a c 协议迫在眉睫。 m a c 协议是保证高效数据传输和能量高效利用的关键网络协议。经过理论 的分析和一些仿真实验的结果可知，当m a c 协议设计不合理时，会造成很多不 必要的能量消耗，如采用基于竞争的m a c 协议竞争通信信道时，因为有冲突的 发生，会引起多个节点在竞争同一个信道的时候发生碰撞，从而引起数据的重传， 消耗更多的能量。另外，如果节点在没有数据需要发送的时候，却需要始终保持 对信道的侦听，也会由于空闲侦听造成不必要的能量损失。还有，如果节点在侦 听的同时收到一些不是发给自己的消息，节点一样会进行接收和处理，从而增加 了能耗【1 7 】。为了解决以上问题很多学者提出了不少改进措施，例如采用休眠机 制的m a c 协议，但该协议虽然在一定程度上减少了能量消耗，但却增加了网络 延时，然而在w s n 在实际应用中对延时的要求非常高，所以这些改进并没有从 根本上提高网络性能。 因此研究m a c 层协议，在进行信道的分配时，采用合理的机制减少上面提 到的能量浪费，同时尽量避免增加网络延时，对提高网络的整体性能有着重大的 意义。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 无线网络拓扑控制的发展现状 在无线网络中网络的节点大多是运动的，网络的信道也是多变的，因此在无 线网中拓扑控制对网络性能的影响很大，所以国内外很多学者在这方面做了深入 的研究。研究的主要问题集中在如何满足网络连通性的前提下，通过功率控制等 算法降低节点的数据发送功率，从而去除节点间不必要的通信连路，使得网络连 接变得简单，优化整个网络的结构。具体来i 兑无线网络的拓扑控制算法可以分为 两类：节点功率控制算法【1 8 1 和层次型拓扑结构算法【1 9 】。 ( 1 ) 节点功率控制算法 节点功率控制算法中较为典型的代表是c o m p o w ( c o m m o np o w e r ) 1 2 0 】 协议，该协议提出了一种将功率控制和路由协议相结合的解决方案。其基本思想 是，所有的传感器节点都采用相同大小的发送功率进行数据的发送，在保证网络 连通的前提下，尽量的最小化发送功率。c o m p o w 在实现时为每个功率级都建 立一个路由表，当发送功率处在户f 级时，形成一个路由表尺昂，。该算法的目的 就是，不断的减小发送功率，选择一个最小的发射功率厶加，当节点以最小的发 送功率发送数据的时候，形成的路由表与最大发射功率发送数据所形成的路由表 相同，这样保证的数据可以j 下常的进行路由，又降低了发送功率。但该算法仅仅 是从每个节点自身出发确定发送功率，考虑不够全面。 柏林工业大学的k u b i s c h 等人提出了另一种节点功率控制算法，即基于节点 度的l m a l 2 u 和l m n1 2 2 1 算法。这两种算法基本思想是：定义传感器节点度的概 念，通过给定节点度的上限和下限，动态调整节点的发射功率，使得节点的度数 落在上限和下限之间。这种拓扑控制算法也具有一定的不足，主要表现在节点度 上下限的确定很难做到准确，影响的算法的性能。 另外一种节点功率控制算法是基于邻近图的功率控制算法。伊利诺斯大学的 l i 和h o u 提出的d r n g l 2 3 1 和d l s s1 2 4 1 是两个典型的基于邻近图理论的算法。基 于邻近图的功率控制算法的基本思想是：设所有节点都使用最大发射功率发射时 形成的拓扑图是g ，然后按照一定的约束条件减小发送功率求出该图的一个邻近 图g ，使得在拓扑图g 中能够相互连接的节点，在邻近图g 中仍然可以进行连 接。每个节点以邻近图g7 中较低的发送功率进行数据的发送。从而降低节点的 发送功率。但该算法形成的网络拓扑往往是保证连通的临界状况，网络拓扑较脆 弱。 ( 2 ) 层次型拓扑结构算法 l e a c h1 2 5 】算法是典型的层次型拓扑结构，该算法是一种具有自适应性的分 簇拓扑算法。l e a c h 算法的执行具有周期性，每个周期都可以分为簇建立和数 4 硕士学位论文 第一章绪论 据传输两个阶段。在簇的建立阶段，相邻的传感器节点根据一定方式动态地形成 簇结构，并根据相应的算法选举产生簇头；而在数据通信阶段，簇内节点在采集 到信息后将数据发送给簇头节点，由簇头对数据进行融合并把结果发送给汇聚节 点。由于簇头需要完成与簇内节点和目的节点的通信，还要进行数据融合所以消 耗的能量大。所以l e a c h 算法应该选择剩余能量较大的节点担任簇头，并且应 该动态的变换簇头，而l e a c h 算法簇头选择并不均匀是该协议存在的不足。 t e e n 协议【2 6 】采用类似l e a c h 的分簇算法，通过减少不必要的通信来减少 能量消耗。t e e n 协议在数据传输阶段时首先通过各簇头向簇内节点发送软硬两 个阂值。在数据开始传输的时候，每个节点只有在所传输的数据量超过硬阈值时 才向簇头传输该数据；在数据传输进行的时候，每个节点只有在数据量与变量之 差超过软阈值时才向簇头传送数据。 文献【2 7 提出了p e g a s i s 协议，该协议是针对l e a c h 协议的不足提出的， 在p e g a s i s 协议中，把网络中所有传感器节点都看做是一个簇，每个传感器节 点把数据传送到簇头，簇头采用轮转的方式产生，簇头收到数据以后进行数据融 合并把结果传输到目的节点。通过仿真实验，使用p e g a s i s 的传感器网络比使 用l e a c h 的传感器网络寿命提高了1 3 倍。 综上所述，无线传感器网络中的拓扑控制算法往往只是针对网络拓扑的某 一方面进行了优化设计，考虑的比较片面，虽然对于每个节点来说优化了能量效 率，但对于整个网络来说并没有达到最佳的优化；另外多数拓扑算法在保证联通 性的前提下，使用尽量少的连接，使得网络结构较为脆弱，很容易因为个别节点 的死亡导致网络的瘫痪。因此可见，目前w s n 的拓扑控制算法还不够完善，还 有很多可以进一步改进的余地。 2 m a c 层协议发展现状 传统意义上，设计m a c 层的主要任务是提高网络的利用率。对于w s n ， 节能和减少延时是传感器网络m a c 层设计的首要指标【2 9 】，目前针对不同的传感 器网络应用，研究人员从不同的方面提出了多个m a c 协议，一般将无线传感器 网络m a c 协议分为基于随机竞争方式和时分复 羽p 5 1 1 3 6 】方式两种。 ( 1 ) 基于竞争的m a c 协议 s - m a c 3 0 j 协议是典型的基于竞争的m a c 协议，是对i e e e8 0 2 1 1 协议的改 进，采用了“侦听休眠”信道侦听机制，节点周期性的进入休眠状态，从而节 省能耗。在休眠阶段，节点关闭射频模块，缓存这期问采集到的数据，在工作阶 段的开始，节点发送同步消息，之后通过r t s c t s d a t m 气c k 机制发送数据， 避免冲突造成的能量浪劐引儿姐j 。 文献3 3 】提出的t m a c 协议与s - m a c 协议工作方式大体相同，也将时间分 硕士学位论文第一章绪论 帧，帧长度固定，工作阶段长度可变。协议定义了激活事件和计时器t a ，并根 据t a 确定工作阶段的结束时间。如果在t a 内，节点没有侦听到激活时间，就 认为信道进入空闲状态，节点转入休眠阶段。节点周期性地短时间侦听信道，以 确定信道状态。如果信道空闲，节点再次休眠，如果信道忙，节点继续侦听信道， 直到再次空闲或数据接收完毕。 s m a c 和t m a c 虽然随机竞争方式通过休眠机制有效地降低了能量的消 耗，但是却增加了网络的延时，传输效率并不高。 s i f t 协谢弘j 在s - m a c 和t m a c 协议的基础上进一步研究，在降低数据发 送冲突的方面进行了优化，该协议依然采取了s m a c 和t m a c 协议中都具有 的周期性的“侦听休眠 机制，在不同时隙采用不同的概率发送数据，在一定 的时间内使一些节点能够无冲突的发送数据。当n 个传感器节点同时需要发送 数据，并且竞争信道的时候，使一部分节点在最小时间内无冲突地成功地发送数 据，而抑制另外一部分节点的发送，从而使得不同时隙的数据发送概率不同，从 而节省了能量。 ( 2 ) 时分复用( t d m a ) m a c 协议 时分复用是一种常见m a c 协议，在w s n 中时分复用协议能够非常适合传 感器节点节能的需求，因为基于竞争m a c 协议中很多的能量消耗都是由于碰撞 引起的数据重传造成的，采用时分复用的协议没有竞争机制，从而不会产生碰撞 和重传的问题。时分复用协议是将整个周期分成不同的时间槽，每个节点都有自 己的时间槽，节点在自己的时间槽中进行数据的发送和接收，不是自己的时间槽 进行休眠，不需要过多的控制信息也没有冲突发送。但时分复用协议在网络扩展 性方面存在着明显的不足，不能灵活的调整时间槽，对于动态变化的w s n 适应 性较差。 流量自适应介质访问( t r a m a ) 3 7 】协议是将时间划分为连续的时槽，该协 议将分布式选举机制运用到时槽的分配中来，利用局部两跳内的邻居节点信息作 为依据确定每个时槽的无冲突发送节点，同时避免将时槽分配给不需要发送数据 的节点，从而减少了能量的消耗。 分布式能量感知节点活动( d e a n a ) 3 8 1 协议是典型的时分复用协议。该协 议将整个时间周期分为两部分，一是周期性的调度访问阶段，二是随即访问阶段。 第一个阶段分成多个连续数据传输时槽，其中每一个时槽都分配给特定节点，这 些节点在此时槽到来的时候，进行数据的发送。在不属于自己的时槽进行休眠。 第二个阶段则分为多个连续的信令交换时槽，对节点进行处理，主要包括节点的 添加、删除和时间同步等。 文献【3 9 提出的d m a c 协议也是典型的基于时分复用的m a c 协议，该协 6 硕士学位论文 第一章绪论 议采用了交错调度的机制，给多跳传输中的每个节点分配固定的时隙，节点都在 规定好的时隙中发送和接收数据。每个节点的时间槽有不同的偏移，上层节点的 发送时间对应下层节点的接收时间。这样数据可以连续不断从上层发送到到下层 减少了传输延时。 综上所述，通过对m a c 协议的分析可知，在基于竞争的m a c 协议中为了 减少能耗，大多数改进方法都是引入了休眠机制，使节点周期性的进入休眠，减 少不必要的空闲侦听，但与此同时正是由于休眠机制的引入，导致了节点在需要 传输数据的时候不能够及时的激活，产生数据传输的延时，降低了整个网络的工 作效率。而在基于时分复用的m a c 协议中，整个网络将固定的时间槽分配给网 络中的各个节点，每个节点在固定时间槽接收和发送数据，而时分复用机制很难 调整时间帧的长度也很难进行时槽的动态分配，因此，当网络发生变化，或者发 送数据量动态变化的时候，其适应性较差。由此可见，针对目前的m a c 协议， 仍然可以进行进一步的改进，以提高网络性能。 1 3 研究内容 本文以降低能量消耗，减少传输延时，优化网络性能为目标对信息物理系统 中w s n 的拓扑控制和m a c 层协议两方面主要的关键技术进行研究。分析现有 的网络拓扑控制算法，总结不足和存在的问题，提出自己的基于几何图形切割的 能量平衡拓扑控制算法。分析w s n 中m a c 协议的关键技术，提出基于并行机 制的多跳信道预约m a c 协议。 、 论文主要研究内容包括以下几个方面： 1 信息物理系统网络体系结构和网络耗能特点分析 分析信息物理系统的网络结构和特点，重点分析能量消耗特点，了解无线节 点能量消耗过快的原因，研究节约能耗的各种解决办法的优点和不足之处，最后 总结出问题和难点，并给出解决思路。 2 基于几何图形切割的能量平衡拓扑控制算法 在信息物理系统的拓扑控制中拟采用基于几何图形切割的能量平衡拓扑控 制算法，首先在保证整个网络连通性的前提下，通过较低发送频率发送数据，降 低能耗，简化网络结构；其次，在第步的基础上，利用平面几何的相关知识， 将节点的分布区域进行切割，进行拓扑链路的确定，增加一些必要的链接，以增 强网络的可靠性；然后运用节点能量平衡机制，均衡各个节点的能量消耗，防止 个别节点能量消耗过快导致死亡，从而提高整个网络的性能。 3 基于并行机制的多跳信道预约m a c 协议 通过对信息物理系统m a c 协议的分析，针对现有的一些m a c 协议传输延 硕士学位论文 第一章绪论 时大，灵活性差的不足，提出一种基于并行机制的多跳信道预约m a c 协议，节 点首先进行信道的预约，合理的安排数据的传输，减少不必要的空闲侦听和串音 干扰；采用基于并行机制进行信道预约，使得预约信息和数据信息同时传输；完 成预约后各节点按照预约好的时间片进行激活传输数据。协议能够有效的减少节 点的空闲侦听，降低能量消耗和传输延时，提高灵活性。 4 性能评估 对提出的协议和算法进行性能分析和仿真，验证算法的有效性。 1 4 论文组织结构 论文分五章，后续章节的组织结构如下： 第二章对信息物理系统的网络结构、节点的能量模型进行分析。研究了w s n 拓扑控制和m a c 协议的特点，以及在解决能量消耗和延时等问题方面存在的不 足。最后给出基于几何图形切割的能量平衡拓扑控制算法和基于并行机制的多跳 信道预约m a c 协议的设计思路。 第三章基于几何图形切割的能量平衡拓扑控制算法，通过分析其他网络拓 扑控制存在的不足，提出一种基于几何图形切割的能量平衡拓扑控制算法。算法 的实现主要分为节点功率控制、几何切割和节点能量平衡三个部分，在一定程度 上优化了w s n 的能量效率。并进行仿真，验证了算法的有效性。 第四章基于并行机制的多跳信道预约m a c 协议，对基于竞争和时分复用的 m a c 协议进行分析，总结其不足。提出一种基于并行机制的多跳信道预约m a c 协议，并对提出的m a c 协议进行了性能的分析。最后进行仿真，验证了协议的 有效性。 第五章结论与展望，对本文所作研究进行总结，同时提出对后继工作的展 望。 8 硕士学位论文 第二章信息物理系统拓扑控制和m a c 协议分析 第二章信息物理系统拓扑控制和m a c 协议分析 分析信息物理系统的网络体系结构，着重分析传感器节点能量消耗的特点， 了解传感器节点能量消耗的原因，研究节约能耗的各种解决办法的优点和不足之 处，最后从网络拓扑控制和m a c 层协议出发，总结出问题和难点，并给出解决 思路。 2 1 信息物理系统体系结构和耗能分析 2 1 1 信息物理系统体系结构 如图2 1 所示，是c p s 的网络体系结构，大量具有计算能力和运动能力的 嵌入式传感器节点，通过w s n 相互连接在一起。构成各种独立的子系统，这些 子系统为用户提供相应的服务。一个c p s 由许多这样的子系统组成。w s n 通过 接入到现有各种网络实现全球信息的共享。从图中可以看出w s n 是c p s 和物理 世界之间的接口。c p s 通过w s n 感知物理世界的各种信息，并且利用具有执行 器的w s n 对物理世界进行改变。因此c p s 性能的好坏很大一部分取决于w s n 的结构。 图2 1