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(通信与信息系统专业论文)一种改进的smac协议休眠机制.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
南京邮l u 人学硕i :研究生学位论文 摘要 摘要 论文从无线传感器网络特点出发,分析了无线传感器网络的应用潜力、国内外发展现 状及其关键技术,讨论了几种常见的无线传感器网络m a c 层协议,在分析了现有的s - m a c 协议存在的问题的基础上对其进行改进。 对s - m a c 协议存在的固定占空比问题、延时累加问题和早睡问题,论文提出了一种 全新的低时延动态休眠机制,包括动态占空比机制、短时侦听机制和快速分组转发机制。 该方案可以自适应地延长节点的侦听时间,使邻居节点在当前数据传输完毕后,立即接收 传输给它的数据而不用等到下一个周期,并且,使发送节点收到c t s 后,不必等到侦听周 期结束便可立即传输数据。 理论分析和仿真结果表明,改进后的s - m a c 协议,在具有良好的节能性的同时,能 够适应网络流量的变化,比原协议具有更小的时延和更大的吞吐量。 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业:工学通信与信息系统 研究方向: 网络技术与应用 作者:2 0 0 5 级研究生叶茂指导教师包志华 题目:一种改进的s m a c 协议休眠机制 英文题目:a ni m p r o v e ds l e e pm e c h a n i s mo fs m a cp r o t o c o l 主题词:无线传感器网络媒体接人控制协议 低时延动态休眠快速分组转发机制 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 km a cp r o t o c o l l o w l a t e n c yd y n a m i cs l e e p f a s tp a c k e tf o r w a r d i n g a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ,t h ed e v e l o p m e n to f t h es t a t u s q u oa th o m ea n da b r o a da n di t sk e yt e c h n o l o g i e sf r o mt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ,a n dt h e nd i s c u s ss o m eg e n e r a lm a c p r o t o c o l so fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s a f t e rs t u d y i n gt h ep r o b l e m so fs - m a c ,t h ep a p e rm a k e ss o m ei m p r o v e m e n to ni t s - m a cp r o t o c o lh a ss o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sf i x e dd u t yc y c l e ,c u m u l a t i v ed e l a ya n dt h e e a r l y s l e e pd e l a y i no r d e rt oo v e r c o m et h e s ed i s a d v a n t a g e s ,t h ep a p e rp u t so u tan e wm e c h a n i s m : l o w l a t e n c yd y n a m i cs l e e p ,i n c l u d i n gt h em e c h a n i s mo fd y n a m i cd u t yc y c l e ,s h o r t t e r ml i s t e n m e c h a n i s ma n dt h ef a s tp a c k e tf o r w a r d i n gm e c h a n i s m t h en e wm e c h a n i s mc a ne x t e n d a d a p t i v e l yn o d e sl i s t e n i n gt i m e ,a n dc a l la l l o wn e i g h b o rn o d e st or e c e i v ed a t ai m m e d i a t e l y r a t h e rt h a nw a i t i n gf o rt h en e x tc y c l ew h e nt h ec u r r e n td a t at r a n s m i s s i o nh a sb e e nc o m p l e t e d ,i t a l s oc a nm a k en o d et ot r a n s m i td a t ai m m e d i a t e l yw h e ni tr e c e i v e dc t s ,w i t h o u tw a i t i n gf o r l i s t e n i n gt ot h ee n do fc y c l e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e ds - m a c p r o t o c o li sa b l et o a d a p tt ot h ec h a n g e si nn e t w o r kt r a f f i c ,a n dh a sas m a l l e rl a t e n c yb u tg r e a t e rt h r o u g h p u tw h i l e h a st h es a m eg o o de n e r g ys a v i n gc o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lp r o t o c o l 。 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业:工学通信与信息系统 研究方向: 网络技术与应用 作者:2 0 0 5 级研究生叶茂指导教师包志华 题目:一种改进的s m a c 协议休眠机制 英文题目:a ni m p r o v e ds l e e pm e c h a n i s mo fs m a cp r o t o c o l 主题词:无线传感器网络媒体接人控制协议 低时延动态休眠快速分组转发机制 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 km a cp r o t o c o l l o w l a t e n c yd y n a m i cs l e e p f a s tp a c k e tf o r w a r d i n g - 州4 - - 尿 - | l | f j l u 人学f 坝i j 圳究生学位论文 缩略词 a p c a p c 觚 c c c a c c e s sp o i n t 缩略词 c h a n n e la l l o c a t i o np a c k e t c h a n n e la l l o c a t i o nt a b l e c o r n m o nc o n t r o lc h a n n e l c d m a c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c r c s m a c o m m u n i c a t i o nr e q u e s t c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c s m a c dc s m aw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e c t s d c f c l e a rt os e n d d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n 访问接入点 信道分配包 信道分配表 公共控制信道 码分多址 通信请求 载波侦听多路访问 带冲突避免的载波 侦听多路访问 准许发送 分布式协调 d e m a cd i s t r i b u t e de n e r g y - a w a r em a c p r o t o c 0 1 分析i 式能量感知媒体 d i v d y n a m i ci n t e r v a lv e c t o r e m a c s e n e r g ye f f i c i e n tm a c p r o t o c o lf o r s e n s o rn e t w o r k s f d m a f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s g p s g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m l d - s l e e pl o w l a t e n c yd y n a m i cs l e e p m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l m e m sm i c r oe l e c t r o n i cm a c h i n es y s t e m m a n e t m o b i l ea dh o cn e t w o r k s m t s n 斟。 m o r e t o s e n d n e t w o r ka l l o c a t i o nv e :c t o r 6 3 接入控制协议 动态占空比标识位 高效传感器协议 频分多址 全球定位系统 低时延动态休眠机制 媒体接入控制 微机电系统 无线自组织网络 请求继续发送 网络分配矢量 南京【1 人学坝i 研究生学位论义缩略词 p c f q o s r t s p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e r e q u e s t t os e n d s m a c s s e l f o r g a n i z i n gm e d i u ma c c e s sc o n t r o l f o rs e n s o rn e t w o r k s s m a cs e n s o r - m a c s s i m t c 点协调 服务质量 请求发送 自组织媒体接入控制 传感器协议 s m a r ts e n s o r sa n di n t e g r a t e dm i c r os y s t e m s微传感器与集成微系统 t r a f f i cc o n t r o i t d m at i m ed i v is i o nm u l t i p l ea c c e s s w s nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 业务控制 时分多址 无线传感器网络 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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,除了文中特别加以标注和致谢的 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 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名:堕筮 日期:2 垒垒翌:生:d 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名:目- 扯导师签名:蝉日期:上业浏。 南京邮l 乜人学硕i :研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展,2 0 世纪9 0 年代 术在美国发端了现代意义的无线传感网络技术,并首先在军方应用和推广,其后,该技术 被一些重要机构预测为将改变世界的重要新技术【1 】,相关研究工作在世界各主要发达国家 轰轰烈烈地丌展起来。 我国现代意义的无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动,首次正式出现 于1 9 9 9 年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告” 中,作为该领域提出的五个重大项目之一:重点地区灾害实时监测、预警和决策支持示范 系统。随着知识创新工程试点工作的深入,2 0 0 1 年中国科学院依托上海微系统所成立微系 统研究与发展中心,旨在引领中国科学院内部的相关的工作。微系统研究与发展中心在无 线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目,参加单位包括上海微系 统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所以及中国科技大学等l o 余个研究 所和高校。经过几年的努力,初步建立了传感器网络系统的研究平台,在无线智能传感器 网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动基站和应用系统等方面取得了很大进展1 2 j 。 2 0 0 4 年9 月相关成果在北京进行了大规模外场演示,部分成果已在实际工程系统中使用。 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 ,w s n ) 技术涉及计算机、半导体、网络、 通信、光学、微机械、化学、生物、航天、医学、农业等众多领域,成为目前i t 领域中的 研究热点之一。对该技术的深入研究将推动我国的信息化建设,并极大地带动相关产业和 学科的发展,从而为国民经济带来新的增长点。现在互联网为人们提供了快捷的通信平台, 极大地方便了人们的信息交流。无线传感器网络拓展了人们的信息获取能力,将客观世界 的物理信息同传感网络连接在一起,在下一代互联网中将为人们提供最直接、最有效、最 真实的信息。 无线传感网络能够获取客观物理信息,具有十分广阔的应用前景,能够应用于军事国 防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程 控制等诸多领域。未来,传感器网络还将向天、空、海、陆、地下一体化综合传感器网络 的方向发展,最终将成为现实世界和数字世界的接口,深入到人们生活的各个方面,像互 联网一样改变人们的生活。 1 南京邮f u 人学坝l | i p 究生学位论文第一章绪论 本论文的研究工作来源于江苏省高技术计划( 工业) 重大项目:基于自动抄表系统 关键技术研究,项目编号:b g 2 0 0 7 0 2 2 。 1 2 无线传感器网络的应用 传感器网络有着巨大的应用前景,被认为是将对2 1 世纪产生巨大影响力的技术之一。 已有和潜在的传感器应用领域包括:军事侦察、环境监测【3 1 、医疗、建筑物监测等等。随 着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善,各种传感器网络将遍布我们 的生活环境,从而真正实现“无处不在的计算”。 1 2 1 军事应用 传感器网络研究最早起源于军事领域,实验系统有海洋声纳监测的大规模传感器网 络,也有监测地面物体的小型传感器网络【4 1 。现代传感器网络应用中,通过飞机撒播、特 种炮弹发射等手段,可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如 敌方阵地内,收集到有用的微观数据;在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时,传感器 网络作为整传感器网络体仍能完成观察任务。传感器网络的上述特点使得它具有重大军事 价值,可以应用于如下一些场景中: 1 监测人员、装备等情况以及单兵系统。通过在人员、装备上附带各种传感器,可 以让各级指挥员比较准确、及时地掌握己方的保存状态。通过在敌方阵地部署各种传感器, 可以了解敌方武器部署情况,为己方确定进攻目标和进攻路线提供依据。 2 监测敌军进攻。在敌军驻地和可能的进攻路线上部署大量传感器,从而及时发现 敌军的进攻行动、争取宝贵的应对时间。并可根据战况快速调整和部署新的传感器网络。 3 评估战果。在进攻前后,在攻击目标附近部署传感器网络,从而收集目标被破坏 程度的数据。 4 核能、生物、化学攻击的侦察。借助于传感器网络可以及早发现己方阵地上的生、 化污染,提供快速反应时f 刚从而减少损失。不派人员就可以获取一些核、生、化爆炸现场 的详细数据。 南京邮i u 人学颂i j 研究生学位论文第一章绪论 1 2 2 环境应用 应用于环境监测的传感器网络,一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电池、无需 派人现场维护的优点。通过密集的节点布置,可以观察到微观的环境因素,为环境研究和 环境监测提供了崭新的途径【5 1 。 传感器网络研究在环境监测领域已经有很多的实例。这些应用实例包括:对海岛鸟类 生活规律的观测;气象现象的观测和天气预报;森林火警;生物群落的微观观测掣刨。 1 洪灾的预警。通过在水坝、山区中关键地点合理地布置一些水压、土壤湿度等传 感器,可以在洪灾到来之前发布预警信息,从而及时排除险情或者减少损失。 2 农阳管理。通过在农田部署一定密度的空气温度、土壤湿度、土壤肥料含量、光 照强度、风速等传感器,可以更好地对农f 日管理微观调控,促进农作物生长。 1 2 3 医疗应用 传感器网络在医疗领域也有一些成功实例。s s i m ( s m a r ts e n s o r sa n di n t e g r a t e dm i c r o s y s t e m s ) 项目中,1 0 0 个微型传感器被植入病人眼中【7 1 ,从而帮助盲人获得了一定程度的 视觉。借助于各种医疗传感器网络,人们可以享受到更方便更舒适的医疗服务,比如: 1 远程健康监测。通过在老年人身上佩戴一些血压、脉搏、体温等微型无线传感器, 并通过住宅内的传感器网关,医生可以从医院里远程了解这些老年人的健康状况。通过这 种方法,还可以对一些冠心病、脑溢血等高危病人进行2 4 小时健康检测,而不妨碍病人 的r 常起居和生活质量。 2 病变器官观察。通过在人体器官中植入一些微型传感器【8 】,随时观测器官的生理状 态,可以发现器官的功能恶化,及时采取治疗措施从而挽救病人生命。但是推广这种想法 自订,还需要突破许多技术瓶颈,这些医疗传感器必须非常安全;工作能源要从人体自动获 取;系统稳定、基本不需维修。 1 2 4 建筑及城市管理 各种无线传感器可以灵活方便地布置于建筑物内,获取室内环境参数,从而为居室环 境控制和危险报警提供依据9 1 。 1 智能家居。通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器,感 知居室不同部分的微观状况,从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制,提供给人们 3 南京邮u 人学侦i j 研究生学位论文第一章绪论 智能、舒适的居住环境【10 1 。 2 建筑安全。通过布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力、辐射等 传感器,发现异常事件及时报警,自动启动应急措施。 3 智能交通。通过布置于道路上的速度识别传感器,监测交通流量等信息,为出行 者提供信启、服务,发现违章能及时报警和记录。 1 3 无线传感器网络的国内外发展现状 无线传感器网络的挑战性也为研究人员提供了广阔的研究空间,在短短几年的时间内 在国内外已经取得了很大的进展,特别是在国外的很多大学和科研机构。 1 3 1 国外现状 2 0 0 2 年1 0 月2 4 同,美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规 划”。今后,英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板 块调查、行星探查等领域的应用。实现该计划需要3 个阶段,即物理阶段、实现阶段和应 用阶段。物理阶段主要丌发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器】( 也被称作尘粒 ( m o t e ) 或智能微尘( s m a r td u s t ) ) 。实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网络的感 知数据。应用阶段将应用传感器网络于预防医学、环境监测及灾害对策等领域。英特尔研 究中心伯克利实验室和大西洋学院的研究人员计划部署和使用无线传感器网络来研究岛 上环境。这些传感器由温度、湿度、气压等芯片和红外线传感器组成。科学家们使用这些 设备可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环境【l 2 l 。 在美国自然科学基余委员会的推动下,美国的加州大学伯克力分校、麻省理工学院、 康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研 究。英国、同本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷丌展了该领域的研究工作。 加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法、基于相关性的 s e n s o r 数据编码模式、用稀疏传感器网络重构跟踪移动对象路线的方法、传感器网络上随 时间变化的连续流可视化方法、允许系统级优化时有效通信机制的一般化解、传感器网络 上的数据分布式存储的地理h a s h 表方法、确定传感器网络中结点位置的分布式算法等, 并研制了一个传感器操作系统t i n y o s 【”j 。 加州大学洛杉矶分校丌发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境,用 于考察传感器网络各方面的问题。他们提出了低级通信不依赖于网络拓扑结构的分布式系 4 南京i t $ i u 人学倾i :t i jr y z 生学位论文第一章绪论 统技术、支持多应用传感器网络中命名数据和网内数据处理的软件结构、变换初始感知为 高级数据流的层次系统结构、传感器网络的时间同步的解决方法、白组织传感器网络的设 计问题和解决方法、新的多路径模式等。 1 3 2 国内现状 我国也开展了这一领域的研究工作,具体内容包括无线传感器结点的硬件设计、操作 系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。目前正处于研究和丌发阶段,这是一 个很有意义的课题,是从理论到实践都需要大量研究的课题。 到目前为止,w s n 在国内的研究大致经过了两个阶段。第l 阶段主要偏重利用 m e m s ( 微机电系统) 技术设计小型化的节点设备。第2 阶段则注重对于网络本身问题的关 注和研究。目前第2 阶段的研究己经成为无线传感器网络研究领域的热点。从目前国内 w s n 已有研究成果统计来看,包括以下儿个方面的研究:对通信协议方面的研究主要包括 物理层协议,数据链路层协议,网络层协议( 主要指路由协议) ;在传感器网络管理方面 的研究主要是能量管理训,数据传送所带来的能耗最大,研究休眠、唤醒,以及采用发送 功率低的r f 等;控制节点对能量的使用,在各层上都可使用,如操作系统、物理层、链 路层、路由协议等。另外,还有安全管理,应用支撑服务,时间同步,节点定位等。总之, 对网络协议、能量、定位、可靠性、网络架构以及数据处理这些方面的研究仍是w s n 研 究的热点问题。 无线传感器网络在国内的研究已取得了一定的成果,国内的一些科研单位和大学,如 清华大学、中国科学院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学等己经丌展了初步的研究工作。其 中哈尔滨工业大学和黑龙江大学在传感器数据管理系统方面提出了以数据为中心的传感 器网络的数据模型、一系列的能源有效的感知数据操作算法和感知数据查询处理技术,并 研制了一个传感器网络数据管理系统1 1 5 l 。 1 4 无线传感器网络关键技术 1 网络拓扑控制 传感器节点被放置在被测环境中后,需要高效的自行邻居发现和路由发现,构成网络 拓扑。传感器网络的自组织可以通过两种方式实现:或者以层次结构的方式进行管理,或 者采用对等管理方案。层次结构管理【1 6 1 方案涉及簇的自动生成,可以按照固定大小生成簇, 或者按照环境和应用的相关属性生成簇。在对等方式管理中,每个传感器节点地位相同, 需要研究如何通过局部对等的交互完成全局目标。 气 堕蔓! ! ! ! ! ! ! 盔兰堡竺! 堕! 兰兰篁堡苎翌二里堑堡 2 数据融合 在自组织无线传感器网络中由于传感器节点非常多,感知信息具有很大的冗余度,传 感器节点的冗余性保证了在个别节点失效或个别通信链路失效的情况下,不至于引起网络 分立或监测数据不完整。但如果直接把这些原始数据传输给用户节点集中计算,会造成网 络通信量巨大,消耗过多的网络能量。因此在自组织无线传感器网络中嵌入“在网计算” ( c o m p u t i n gi n n e t ) ,实现传感器数据融合( d a t af u s i o n ) 【1 7 1 ,降低数据冗余,减少网 络的通信量,提高带宽效率和能量效率。 3 网络安全问题 传感器网络处于真实的物理世界,缺乏专门的服务与维护,因此传感器网络的安全受 到严峻的挑战1 8 】。传感器网络可能会遇到窃听、消息修改、消息注入、路由欺骗、拒绝服 务、恶意代码等安全威胁。另外,在传感器网络中,安全的概念也发生了变化,通信安全 是其中重要的一部分,隐私保护同渐重要,而授权重要性则降低。目自仃传感器网络的安全 研究仅处于起步阶段,需依据传感器网络的特点,针对传感器网络的安全威胁,研究新型 的安全协议和安全策略。 4 路由技术 传统的a dh o c 路由技术通常不符合无线传感器网络的需求,传感器网络的路由必须 考虑能源有效性需求,以数据为中心,或者利用位置信息进行路由【侈j 。在路由过程中同时 需要考虑数掘融合等操作。因此,传感器网络的路由协议既要有效维持数据传输通路,又 要减少网络中的通信量,讲究能量效率,还要具有一定的鲁棒性2 0 1 。 5 m a c 协议 无线传感器网络的媒体接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ,m a c ) 协议必须达到两个 目标:创建网络基础设施,即为数据传输建立通信链路;在传感器节点i 、日j 公平有效地共享 通信资源。传统的无线m a c 协议要么或者没有考虑能源有效性,或者需要全局协调【2 2 1 , 因此,需要根掘传感器网络的特点设计简单高效的m a c 层协议。w s n 的m a c 协议着重 考虑:节省能量、可扩展性和网络效率( 包括公平性、实时性、网络吞吐量和带宽利用率) , 其中节约能量是首要考虑的因素2 3 1 。 6 定位技术 节点定位2 4 1 是指确定每个传感器节点在传感器网络中的相对位置或绝对地理坐标。通 过节点定位,w s n 可以智能地选择一些特定的节点来完成任务,这种工作模式可以大大降 低整个系统的能量消耗,提高系统的生存时间。目前,g p s 定位【2 5 1 是一种普遍使用的定位 6 南京邮l u 人学顾i j 研究生学位论义第一章绪论 方法。但是在w s n 中,由于体积、成本和功耗等方面的原因,不能为每个节点安装g p s 。 因此,需要在大部分节点不具备g p s 定位功能、d m d s m a c 2 6 1 的自,j 提下设计新型的节点 定位机制。一般来说,节点定位需要借助被定位节点与位置己知的参考节点间某种形式的 通信。参考节点在接收到被定位节点的信息后,通过几何测量算法来计算节点位置信息。 目自仃的算法可以划分为集中定位方式和分柿定位方式。 7 同步技术 时问同步【2 7 】是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。i n t e m e t 上广泛使用的 n t p 协议和g p s 系统都不适合无线传感器网络。j e r e m ye l s o n 和k a yr o m e r 在2 0 0 2 年8 月的h o t n e t s i 国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络的时间同步机制的研究课题, 在传感器网络研究领域引起了关注。目自订已提出了多个时间同步机制,其中r b s 、 t i n y s y n c l 2 8 】和t p s n 2 9 1 被认为是三个基本的同步机制。r b s 机制是基于接受者接受者 的时钟同步;t i n y s y n c 是简单的轻量级的同步机制;t p s n 采用层次结构实现整个网络 节点的时间同步。 8 嵌入式操作系统 传统的操作系统w i n d o w s 和u n i x 不能满足无线传感器网络的需要。人们需要丌发新 的操作系统,它既要能满足无线传感器网络特殊的需要,又要能高效地利用无线传感器网 络节点的有限硬件资源来为应用软件提供服务。美国加州大学伯克力分校计算机科学系“智 能尘埃”课题组基于多线程技术,开发了一种微型操作系统t i n y o s ,就是为了适应这种 需要。另一种无线传感器网络微型操作系统是由美国科罗拉多大学丌发的m a n t i s 0 5 1 3 0 1 , 它支持快速、灵活地构架无线传感器网络。操作系统如何自动配置、如何自适应地支持无 线传感器网络的需要,这依旧是一个有待研究的问题。 9 能源感知计算 能源感知( e n e r g ya w a r e ) 计算的目的是使系统具有最长的生命期。传感器网络的某 些应用要求系统生命期必须达到数月甚至数年,而传感器节点一般由电池驱动,能源有限 ( 再生能源技术又不成熟,成本高,目前还无法应用于微型传感器节点) ,并且对于大规 模与物理环境紧密藕合的系统而言,以更换电池补充能源的方式是不现实的,这使得能源 消耗成为确定系统生命期的最重要的因素。因此,需要将能源感知加入到传感器网络设计 和操作的每一个阶段,充分挖掘系统在能源使用方面的潜力,使系统能够在能源消耗、系 统性能和操作精度之间做出动态权衡,最大化整个网络的生命期。 7 南京邮f u 人学顾i j 研究生学位论文第一章绪论 1 0 跨层设计 当自订很多无线传感器网络协议是基于传统的分层结构设计的,这种分层结构实际上是 一种局部的最优方案。由于无线传感器网络的资源,如能量、带宽和节点的资源等是十分 有限的,这种分层的次优结构很难适应无线传感器网络的发展需要。而跨层设计通过层与 层之i 日j 的信息交换来满足全局性的需要,是一个全局性的优化问题,有望使整个网络性能 得到很好的提高。但是,层与层之间的联合优化将会带来高复杂度的算法,这对无线传感 器网络节点的运算能力是一个极大的挑战。目前已经有一些关于跨层设计的例子,如:能量 有效的m a c 协议、基于能量的路由协议、对资源警觉的数据压缩等。 1 1 其他 低天线情况下的无线电电波传播模型的研究。在大多数应用中传感器节点被任意放置 在野外环境中的地面上,通信天线几乎没有高度,电波传播特性与有天线高度的电波传播 特性不同。传感器软硬件技术的研究,主要包括新型传感器材料和m e m s 技术的研究、恶 劣环境下可操作的传感器技术的研究、适应于传感器节点的嵌入式操作系统的研究等等。 应用模型的研究。不同的应用目的对自组织无线传感器网络提出了不同的要求,将影 响到网络拓扑、路由算法、组网算法等方面。 1 5 本文的主要工作 1 5 1 本文的研究内容与主要贡献 本文主要研究无线传感器网络中一种经典的m a c 层协议:s - m a c 协议,对其优缺点 及休眠机制进行研究,旨在提出一种改进的休眠机制,使协议具有良好的节能性的同时, 提高协议的实时性和吞吐量。具体来说本文所做工作包括以下几个方面: 1 研究无线传感器网络的特点。从节点资源、与现有网络的区别以及网络自身的组 织和数掘传输特性等角度进行分析。 2 根据无线传感器网络的特点确定传感器网络m a c 层协议设计准则,主要包括协议 的节能性、可扩展性、实时性以及网络的可靠稳定性等,并对现有m a c 协议进行分类。 3 详细分析了s - m a c 协议的实现机制,并对其优缺点进行研究,进而提出一种改进 的休眠机制:低时延动态休眠机制,这也是本文的主要创新点。 4 通过理论分析和实验仿真两种方法对采用该机制的s - m a c 协议进行分析论证,并 和原有协议进行比较。 南京邮l u 人学硕j p f 究生学位论文 第一幸绪论 1 5 2 论文安排 全文共分五章,第一章为绪论,主要介绍无线传感器网络的研究背景、应用、国内外 研究现状及其关键技术等。 第二章涉及整个无线传感器网络m a c 层,从研究无线传感器网络的自身特点出发, 进而得出m a c 层协议设计要点,并在此基础上进一步对现有m a c 层协议进行分类,为 以后的研究做好一个准备。 第三章详细分析了s - m a c 协议的实现机制,研究了其存在的问题固定占空比问 题、延时累加问题和早睡问题,提出了一种改进的休眠机制低时延动念休眠机制,并 详细介绍了该机制的实现原理。 第四章主要运用理论分析和仿真实验两种方法,从协议的节能性、实时性和吞吐量三 个角度对上述机制进行验证对比。使用该机制的s - m a c 协议和原有s - m a c 协议相比,在 具有良好的节能性的同时,实时性和吞吐量获得明显的提高。 第五章对全文进行了总结并指出了今后进一步研究的方向。 9 南京邮i 【1 人学倾i j 研究生学位论文 第二章无线传感器嘲络m a c 层协议 第二章无线传感器网络m a c 层协议 无线传感器网络是由大量的集成了传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点构成 的全分布式的自组织网络。由于数量众多,传感器节点经常随机投放在监测区域内,并且 很难更换电源。经常相邻节点间距离很短,适于采用低功率的多跳通信模式,节省功耗的 同时增强了通信的隐蔽性和抗干扰性。由于w s n s 具有易扩展、自组织、分布式结构、健 壮性和实时性等特点,使其在军事、建筑、农业、环境监测、医疗等领域有着传统网络所 无法比拟的独特优势,必将丌发出很多有价值的应用,同时这些独特要求和制约因素也为 w s n s 的研究提出了新的技术问题,其中如何有效地延长网络地生命周期成为研究w s n s 的核心问题。 信道接入技术是用于建立可靠的点到点,点到多点或多点共享的通信链路技术。如何 控制共享信道的接入,是数据链路层的媒体接入控制子层的主要任务。无线传感器网络使 用电池操作的计算和传感设备。这些设备相互协作进行特定应用,如环境监测、目标追踪 等。如同在所有共享媒介网络里那样,m a c 对保证网络f 确的操作是一项很重要的技术。 就实现机制而言,m a c 协议分三类:确定性分配、竞争占用和随机访问。己经有许 多为无线声音和数据传输网络设计的m a c 协议。典型的例子包括时分多址( t d m a ) ,码 分多址( c d m a ) ,和基于竞争的协议如i e e e8 0 2 1 1 、p s m 等。传感器网络的节点一般是 随机布置的,且节点的资源( 能量、计算、储存能力等) 受到严重的限制,传感器网络及 其应用的这些特性使m a c 协议基本上每个方面都和传统的无线m a c 协议不同,如i e e e 8 0 2 1 1 ,能量保存和自配置是首要目标,而每个节点的公j 下性和反应时间是次重要的,蜂 窝网络提供的是高服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ,q o s ) 和带宽利用率,无线自组织网络 ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ,m a n e t ) 则不考虑或尽量少考虑功率消耗的条件下保证高 q o s 。 基于以上的分析,本章对无线传感器网络从总体上进行了研究,包括其特点、设计准 则和分类等,为后继的研究提供一定的基础。 l o 南京邮i u 人学顺i j 口f 究生学位论文 第二幸无线传感器网络m a c 层协议 2 2 无线传感器网络的特点 2 2 1 与现有网络的区别 无线自组织网络是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态的多 跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有质量要求的多媒体 信息流。通常节点具有持续的能力供给。 无线传感器网络虽然与无线白组织网络有相似之处,但同时也存在很大的差别。无线 传感器网络是集成了检测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大( 上千甚至 上万) ,节点分布更为密集;由于环境影响和能力耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰 和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;通常情况下,大多数传感器节点是固定不动的。 另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线 网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能量;而无线传 感器网络的首要设计目标是能源的高效利用,这也是无线传感器网络和传统网络最重要的 区别之一。 2 2 2 传感器节点资源的限制 1 电源能量有限。传感器节点体积很小,通常携带能量十分有限的电池,因此传感 器常常由于电池的耗尽而失效或废弃。而在大多数应用中,无法给电池充电或更换电池, 一旦电池能量用完,这个节点也就失去了作用( 死亡) 。因此在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日,j 提。 2 通信能力有限。传感器节点的通信带宽有限而且经常变化,通信覆盖范围只有几 十到几百米。传感器节点能量的变化受到地势地貌以及自然环境的影响,无线通信的性能 变化频繁,传感器之i 白j 经常出现通信中断。在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况 下,如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。 3 计算存储能力有限。传感器节点都具有嵌入式处理器和存储器,要求它的价格低 功耗小,这些限制导致处理器的能力较弱,存储器容量较小。 南京邮l u 人学坝i j 研究生学位论文第二章无线传感器i 叫络m a c 层协 义 2 2 3 传感器网络特点 1 自组织,无中心,多跳路由。网络的命设和展丌无需依赖于任何预设的网络设施, 节点协调各自的行为,丌机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。传感器网络中没 有严格的控制中心,所有节点地位平等,是一个对等式网络。网络中节点只能与它的邻居 直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信,则需通过中间节点进行路由。 传感器网络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。 2 网络动态性强。网络中的传感器、感知对象和观察者都可能具有移动性,并且经 常有新节点加入或己有节点失效,因此,网络的拓扑结构动态变化。而且网络一旦形成, 人们很少干预其运行,加之物理环境不确定性的影响,使整个系统呈现高度的动念性。传 感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性,相应的通信协议必须具有可重构和自适应 性。 3 大规模网络。传感器网络的传感器节点密集,数量巨大。传感器网络可以分布在 很广的地理区域,维护十分困难甚至不可维护,其软、硬件必须具有高健壮性和容错性。 传感器各部分集成度很高,具有体积小的优点,从应用的角度出发,要求传感器网络具有 低成本。 4 节点没有统一的标识。传感器网络节点没有一个全局性的标识,如f 地址等。每 个节点仅仅知道自己邻近节点的位置和标识,传感器网络通过相邻节点之f 日j 的相互协作来 进行信号处理和通信,具有很强的协作性。 5 以数据为中心的网络。传感器网络的核心是感知数据,而不是网络硬件。观察者 感兴趣的是传感器产生的数据,而不是传感器本身。在传感器网络中,传感器节点不需要 地址之类的标识。所以,传感器网络是一种以数据为中,t 3 的网络【3 1 1 ,其基本思想是,把传 感器视为感知数据流或感知数据源,把传感器网络视为感知数据空间或感知数据库,把数 据管理和处理作为网络的应用目标。 此外,由于传感器节点分布很密集,相邻节点之间的感知数据具有很强的相似度。对 于一些具体的传感器网络,工作环境非常恶劣,再加上节点分布密集,环境噪声干扰和节 点之间的相互干扰更强。 1 2 南京i i l l 5 1 u 人学帧i j 研究生学位论艾 第- 二幸无线传感t 器州络m a c 层协议 2 3 无线传感器网络m a c 协议设计准则 w s n 提供了一个不同于传统无线网络的计算和通信基础构架。这些区别不仅仅来源于 它们的物理特性,而且来源于它们的典型应用。例如,物理特性包括大范围的铺设节点, 有限的计算能力和功率消耗的限制。典型的应用包括追踪物体或监测事件,而这些都很少 在主流的传统无线网络中强调。 因此,无线传感器网络m a c 层的设计准则显著不同于传统网络。主要的设计准则和 要点如下: 2 3 1 节能性 w s n 的基本特征就是能量受限。在无线传感器网络中,媒体接入是传感器能量消耗的 主要方面,当发送节点进行长时间、长距离的传输时更是如此。发送节点的输出功率和距 离的平方成证比并且会随着坏境中噪音的增大而增大。为了最优化传输能量,能量感知路 由一般会执行多跳路径。 m a c 层协议要尽可能的节约能源,如减少冲突和串听、最小化控制丌销、降低占空 l l , 矛l l 尽量避免长距离通信。协议中还应包括折中机制,使用户可以在节能和提高吞吐量、 降低延时之间做出选择。另外,利用大部分可以利用的频率段来减少传输时i 白j ,在节点处 于空闲或完成阶段把无线电转为低功耗休眠模式,避免在活跃和休眠状态的额外转变来节 省传输和接收能量。 2 3 2 适应性 w s n 是基于应用的网络,特定的应用对网络提出特定的要求。在许多传感器网络的应 用中,流量密度随着时间的变化而变化,这是因为事件的产生具有突发性,此外,数扼融 合技术也可改变网络中的流量。数据融合一般采用平均数据形式,选择最大值,丢弃冗余 数据。 m a c 协议应该适应流量的高起伏性变化,并允许媒体接入调度来高效地处理突发的 高优先级信息流。 l3 南京l i l l 5 i u 人学坝i :f o f s ;生学位论文 第二章尤线传感器网络m a c 层队议 2 3 3 可扩展性 无线传感器网络覆盖的范n l t l e 常大且单个节点具有不稳定性,此外,在大多数的应用 中传感器节点都处于无人照看的模式下,在一次数据传输过程中,新节点的加入
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