（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络性能的研究.pdf

北京邮 乜大学硕士学位论文 无线传感器网络性能的研究 摘要 无线传感器网络是一种新型的网络技术，它具有组网灵活，覆盖 面广，成本低等优点，在医疗、环保、军事、家庭中有着很多应用。 但传感器节点能量有限，容易损坏等缺点也为网络设计带来了很多挑 战。本文在路由算法，拓扑控制和传感器数据可靠性算法三个方面进 行了研究。 路由算法是影响无线传感器网络性能的一个重要因素。本文提出 了一种新的路由算法：中心矢量路由( c e n t r a lv e c t o rr o u t i n g ：c v r ) 算法。这种路由算法由a o d v 协议改进而来。在c v r 算法中，中心 矢量引导路由请求包r r e q 沿着最短路径达到汇聚节点，减少了对 无关节点的影响。中心矢量利用了环境监测类传感器网络中节点位置 不变的特性，采用静态区域划分，达到了网络节能的目的。 在无线传感器网络监测场景中，传感器节点采用冗余密集型部 署，共同协作监测同一区域。当发现环境异常时，多个节点会同时向 汇聚节点发送数据包。冗余数据充斥在网络中，浪费了网络资源。而 且，传感器节点容易损坏，从而报告错误数据。为了减少冗余数据， 提高数据可靠性，本文提出了一种基于簇的拓扑控制算法。当簇内节 点发现环境异常时，它们会先向簇头节点发送数据，簇头节点对数据 进行分析后，再代表全簇节点向汇聚节点发送数据。这种机制提高了 路由效率，减少了冗余数据，并且使数据可靠性算法的实现成为可能。 在研究了多篇关于数据可靠性的文献后，本文提出了一种数据可 靠性算法，该算法借鉴了已有成果的思想，使用邻居节点的数据来验 证节点本身的数据，提高了无线传感器网络数据的可靠性。 为了验证这些算法，本文提出了一个水污染监测系统实例。该系 统使用无线传感器网络对河水进行实时监测。算法和监测场景在 n s 2 与n r l s e n s o r s i m 软件平台上实现，并做了多个网络模拟实验。 模拟实验结果表明，这些算法能使传感器网络节能、准确、高效地工 作，提高网络的整体性能。 关键词： 无线传感器网络路由算法数据可靠性算法水污染 北京邮电人学硕士学位论文无线传感器网络性能的研究 r e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c e o fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 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 si san e wd e v e l o p i n gt e c h n o l o g ya n di t i n t e r e s t sm a n yp e o p l e i th a sm a n yg o o df e a t u r e s ：f l e x i b i l i t y 、w i d e c o v e r a g ea n dl o wc o s t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc a nb ea p p l i e di n m a n ya p p l i c a t i o nf i e l d s ：m e d i c a l ，e n v i r o n m e n ts u r v e y , b a t t l ef i e l d a n ds m a r th o m e b u tt h e r ea r es t i l ls o m ec h a l l e n g e si nt h en e t w o r k d e s i g n ：l i m i t e de n e r g y , f r a g i l ee t c i nt h i sp a p e r , t h r e ef a c e t sa r e s t u d i e df o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ：r o u t i n ga l g o r i t h m ，t o p o l o g y c o n t r o la n dd a t ar e l i a b i l i t ya l g o r i t h m r o u t i n gp r o t o c o li sv e r yi m p o r t a n tt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h e w s n i nt h i sp a p e r , an e wr o u t i n gs c h e m e ：c e n t r a lv e c t o rr o u t i n g ( c v r ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h i sr o u t i n ga l g o r i t h mi n h e r i t sf o r m a d h o co n d e m a n dd i s t a n c e v e c t o r ( a o d v ) p r o t o c 0 1 i n t h i s a l g o r i t h m ，t h ec e n t r a lv e c t o rc a nd i r e c tt h er r e qp a c k e tt of i n dt h e s i n kn o d ei nt h es h o r t e s tw a yw i t h o u ta f f e c t i n gt o om u c hn o d e s s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tc v ri sm o r ee f f i c i e n tt h a na o d v i t c a ns a v em o r ee n e r g ya n dp r o l o n gt h en e t w o r kl i f et i m e i nw a t e rm o n i t o r i n gs c e n a r i o ，s e n s o rn o d e sa r ed e n s e l yd e p l o y e d t ow o r kt o g e t h e r w h e na ne n v i r o n m e n te v e n ti sd e t e c t e d ，s e v e r a l s e n s o rn o d e sw i l ls e n dr e p o r tp a c k e t st ot h es i n kn o d ea tt h es a m e t i m e d u p l i c a t ed a t ar e p o r t sw i l ib es e n tt ot h es i n kn o d e m o r e o v e r , s o m es e n s o rn o d e sm a yb ef a u l t ya n dg i v ei n c o r r e c td a t a i no r d e rt o r e d u c en e t w o r ko v e r l o a da n dc h e c kt h ed a t ar e l i a b i l i t yb e f o r e s e n d i n gr e p o r tm e s s a g et ot h es i n kn o d e ，as t a t i cc l u s t e rb a s e d t o p o l o g yc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e df o rw s n t h e r ea r ef o u rn o d e s i no n ec l u s t e rt om o n i t o rt h es a m ew a t e rr e g i o n w h e nt h e yd e t e c t e n v i r o n m e n te v e n t s t h e i rr e a d i n gd a t aw i l lb es e n tt ot h eh e a dn o d e 北京邮电大学硕1 二学位论文 无线传感器网络性能的研究 i nt h ec l u s t e r t h eh e a dn o d ew i l la n a l y z et h e s ed a t au s i n gd a t a r e l i a b i l i t ya l g o r i t h m ，a n dt h e ni ts e n d st h er e s u l tt ot h es i n kn o d e t h i st o p o l o g yc o n t r o lm e t h o dc a nr e d u c er o u t i n go v e r h e a da n dt h e d a t ar e l i a b i l i t ya l g o r i t h mc a nb ei m p l e m e n t e di nt h ec l u s t e rh e a d n o d e s e v e r a ld a t a r e l i a b i l i t ya l g o r i t h m s a r es t u d i e di nt h e p a p e r b a s e do nt h e s ea l g o r i t h m s ，o n ea l g o r i t h mi s p r o p o s e dt oc h e c ko u t t h ef a u l t ys e n s o r t h es e n s o rn o d e sd a t ai s c o m p a r e dw i t hi t s n e i g h b o r s d a t at oc h e c ki t sr e l i a b i l i t y t h ea l g o r i t h mi sc o m b i n e d w i t hc l u s t e rt o p o l o g yc o n t r o la n dc v r a l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v et h a tt h i sa l g o r i t h mc a ni m p r o v et h ed a t ar e l i a b i l i t yo fw s n w i t hc v ra l g o r i t h m ，c l u s t e rt o p o l o g yc o n t r o la n dt h ed a t a r e l i a b i l i t ya l g o r i t h m ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc a nw o r km o r e e f f i c i e n t l ya n da c c u r a t e l y k e y 、r d s ： w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，r o u t i n ga l g o r i t h m ，d a t ar e l i a b i l i t y a l g o r i t h m ，w a t e rp o l l u t i o n 北京邮电大学硕十学位论文无线传感器嘲络性能的研究 缩略语 英文缩写 w s n c v r a o d v r r e q r r e p r e r r n s 2 v o c b o d c o d t o c t s s m o s c p g s m w l a n p d a i s m m a c d l l t d m a f d m a c d m a c s m a t c p u d p k s o m l q e r t t l z r r 英文全称 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s c e n t r a lv e c t o rr o u t i n g a d h o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r r o u t er e q u e s t r o u t er e p l y r o u t ee r r o r n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 v o l a t i l eo r g a n i cc h e m i c a l s b i o l o g i c a lo x y g e nd e m a n d c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d t o t a lo r g a n i cc a r b o n t o t a ls u s p e n d e ds o l i d m e t a lo x i d es e n s o r s c o n d u c t i n gp o l y m e r g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t i n d u s t r i a ls c i e n c em e d i c a l m e d i u ma c c e s sc o n t r o l d a t al i n kl a y e r t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 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 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a r r i e rs e n s i n gm u l t i p l ea c c e s s t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l k o h o n e ns e l fo r g a n i z i n gm a p s l i n kq u a l i t ye s t i m a t i o nb a s e d r o u t i n g p r o t o c o l t i m e t ol i v e z o n a lr u m o rr o u t i n g 5 5 中文 无线传感器网络 中心欠量路由算法 a d h o c 按需距离矢量协议 路由请求 路由同复 路由错误 网络模拟器( 第二版) 可挥发性有机化学制品 生物需氧量 化学需氧量 有机碳含量 悬浮i 古i 体物含量 金属氧化物传感器 导电性聚合体 全球移动通信系统 无线局域网 个人数字助理 t 业科学医疗 媒体接入控制 数据链路层 时分多址访问 频分多址访问 码分多址访问 载波侦听多路访问 传输控制协议 用户数据报协议 k o h o n e n 臼组织图 链路质量预估协议 生存时间 域谣传路由协议 j e 京邮电人学硕上学位论文无线传感器网络件能的研究 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 国内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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：亟1 弛日期：丝矍鲤至目墨堡璺 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，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，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 本人签名： 函1 盈乙盔 导师签名：i 幽r 卜 适用本授权书。 日期： 日期： 北京邮电人学硕+ 学位论文无线传感器网络件能的研究 第一章论文简介 1 1 无线传感器网络概述 无线传感器网络是一种新型的网络技术，它将现代无线通信技术，网络技术 和微传感器技术有机地融为一体，在智能家居、环境监测、大型建筑和设备维护 等诸多领域中有很高的应用价值和广阔的发展前景。 现有的很多计算机网络( 如i n t e m e t 等) 目的是传递逻辑世界中抽象出来的 数据信息，如字符，图片，数字化语音等。网络核心是系统用户，目标是实现人 与人之间的信息交流。与传统网络不同，以微型传感器节点为主角的无线传感器 网络，其目的是获取并处理现实物理世界的信息，它与物理环境直接相关。传感 器被大量地用于嵌入式系统，用于测量温度，气压，电流等物理量。这些嵌入式 系统在工业控制，家用电器中被广泛应用。对于这些系统，除了必要的计算处理 能力和控制能力以外，另一个不可缺少的重要技术便是通信。在许多系统实现中， 这种通信一般用有线网络技术来实现。然而连接这些设备的缆线价格高昂，每个 传感器所需配线的价格高达2 0 0 美元n 1 。设备数量很大时，配线成本很高，而且 配线组网灵活性差，网络移植复杂。 由于有线连接的高成本和低灵活性，设备间的无线通信就非常必要了。近年 来，无线传感器网络：w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 出现了。这种网络由许多 单节点构成，这些节点集成有传感器，并且具有运算和无线通信功能。每个节点 同时具有信息处理和转发功能，网内消息传递采用无线多跳通信方式。一般情况 下，这些节点可称为信源节点( s o u r c en o d e ) ，它们能感知物理信息并将数据传递 给信宿节点( s i n kn o d e ) 。信宿节点一般有较强的信息处理能力，如p c 机。 传 图1 - 1 无线传感器网络架构图 北京邮电人学硕j j 学位论文无线传感器m 络性能的研究 图卜1 描述了一般化的无线传感器网络框架。传感器节点分布在监测区域 ( s e n s o rf i e l d s ) o ? ，它们通过无线连接并将信息送到信宿节点。它们既是主机，又 充当路由器。经过处理的信息被发布到互联网上，用户可利用任务管理平台访问 这些信息或给传感器节点发布命令。当传感器节点接收命令时，它们就成了信宿 节点。本文仅研究传感器节点为信源节点的情况。 由于无线传感器网络成本低，灵活性高，它有着广泛的应用。 1 环境监测 无线传感器网络可分布在海洋，河流中，对水污染情况进行监测，也可监测 水域中的生物种类和环境。 2 设备与建筑物的监测 传感器节点可配置在设备或建筑物中，对设备的运行状态，建筑物体表应力 等进行监测。这样便能够及时发现问题，采取相应的措施。 3 医疗保健 可对患者进行实时健康状态监控。 4 战场监测与跟踪 大量的传感器节点可分布在战场中，监测敌军分布和动向。 5 交通和运输 城市主干道上可分布传感器网络，监测路面实时交通状况。也可在运输物品 上配置传感器节点进行跟踪。 无线传感器网络的应用范围还在扩大，以后会有更多的发展空问。 尽管无线传感器网络有很多优势，但设计一个性能良好的网络仍有许多挑 战。 1 首先，无线传感器网络中最重要的就是节能问题。由于传感器节点自身 携带电池的电量有限，为大量的传感器节点充电很不现实。所以网络应该最大限 度地节约能量，使网络能工作更长的时间。 2 由于传感器节点造价低廉，而且工作在条件恶劣的自然环境中，所以传 感器节点容易损坏。网络应该有足够的健壮性来应对这些问题，保证网络的正常 运行。 3 存在不能f 常工作的传感器节点，它们可能会报告错误的数据。网络应 该能进行数据有效性检测，发现错误数据并隔离失效的传感器节点。 在不同的应用中，对于这些问题的侧重点也有所不同。现在没有一套统一的 标准来设计传感器网络。只能具体问题具体分析，以应用为核心，来进行相应的 设计。 1 2 研究目的和意义 在无线传感器网络的应用实例中，可以看出用于环境、设备、地域监测的应 用占了大多数。这样的网络可以检测水污染状况，建筑物应力参数，以及跟踪目 标等多种用途。而这些应用是与人们的生产生活密切相关的。 以水污染状况为例，我国是世界上1 3 个缺水国家之一，全国大约有3 0 0 多 个城市缺水。在水资源不足的情况下，我国却有9 0 的城市水域污染严重。在一 份对我国1 1 8 个大中城市的地下水调查中显示，有1 1 5 个城市地下水受到污染。 全国湖泊中有7 5 出现了不同程度的富营养化，长江，黄河，淮河等重要水域也 北京邮电大学硕士学位论文无线传感器网络性能的研究 不同程度的受到污染。我国水污染物主要源自两个方面：工业中超标的废水和未 经妥善处理的城市生活污水。水污染的大范围检测和治理迫在眉睫。如果在大范 围关键水域中部署无线传感器网络，污水源头将会在第一时间被发现并采取相应 措施，水污染将会很快得到控制。 在2 0 0 7 年发生的多起桥梁建筑物坍塌事故中，很多都是由于建筑物的质量 存在隐患。如果在大型的桥梁，以及年久失修的大楼中部署无线传感器网络来测 量建筑物表面应力等参数，监测建筑物状态的话，相信这样的事故的损失都将减 至最小。 所以，研究这样的无线传感器网络是非常有意义的。在这些应用实例中，传 感器节点是静态的，有用信息与节点的绝对位置有关。这是这些网络的共性。如 何设计节能，高效的无线传感器网络来实现这样的目标是本文的研究目的。传感 器网络的技术要求包括三部分：传感器硬件设备，节点通信和信息处理。本文将 主要研究通信技术，特别是路由算法部分。同时在信息处理部分，在数据可靠性 算法方面也进行了一些研究。最后，以一个水污染监测场景为实例，对这些算法 进行了网络模拟和分析。 1 3 全文结构 这一章是全文简介。第二章是课题背景知识综述，包括传感器网络的架构和 各层协议，重点讨论路由协议；论文给出了几种可用于环境监测类传感器网络的 协议成果，将其作为进一步研究的基础；同时研究了几种数据有效性算法。第三 章是重点章节，提出了中心矢量算法，作为a o d v 路由协议的合理改进；并提 出了一种基于簇的网络拓扑控制算法，进一步提高了路由算法的效率。在第四章 中本文提出了一种适用于传感器网络的数据有效性算法，提高了网络数据的准确 性。在第五章中，对传统的水污染监测方法作了综述：提出了一个水污染监测场 景，并在n s 2 软件平台下搭建了此场景；在n s 中实现了中心矢量算法，拓扑 控制算法和数据可靠性算法，进行了一系列的网络模拟实验并对实验结果进行了 分析。第六章是全文的总结和展望。 北京邮电大学硕士学位论文无线传感器刚络性能的研究 第二章课题综述 2 1 无线传感器网络的体系结构 第一章中的图1 1 描述了一个一般的无线传感器网络架构。传感器节点是网 络中的核心部分，完成物理参数的传感、计算、存储和通信的诸多功能。本节先 介绍单节点的各个部件和功能，然后以此为基础，介绍无线传感器的网络结构和 各层通信协议。 2 1 1 单节点架构 图2 1 传感器节点硬件结构图 图2 - 1 n 1 描述了传感器节点的五个重要组成部分： 1 控制器( c o n t r o l l e r ) ：相当于p c 的c p u ，它处理所有的相关数据和程序，包 括传感数据，通信协议程序等。 2 存储器( m e m o r y ) 相当于p c 的内存，存储所有数据和程序的代码等。程序 和数据通常使用不同类型的存储器。 3 传感器和执行器( s e n s o r s a c t u a t o r s ) ：这些设备是与外围设备的接口，用于观 测物理环境的参数。 4 通信设备( c o m m u n i c a t ed e v i c e ) ：此设备用于在无线信道上收发信息，将传感 器节点无线互联。能同时收发信号的设备称为收发机：t r a n s c e i v e r 。 5 电源( p o w e rs u p p l y ) ：给上述设备提供电力保持节点的正常运行，通常为电池。 由于一般传感器节点工作在野外环境，为其充电很困难。有些传感器 节点使用太阳能电池从环境中获取电能，但这并不常见。 由于电池能量有限，所以传感器节点的能量使用方式对节点的寿命，乃至整 个网络的生命期至关重要。在上述的部件中，控制器和通信设备消耗的能量是最 多的，存储器小耗能量较少，传感器消耗的能量与具体的产品有关，但一般来说 4 北京邮电大学硕士学位论文 无线传感器网络性能的研究 很小，可以忽略不计。所以，对于传感器节点来说，运算和通信是最耗能量的。 根据文献 1 ，有关实验表明，控制器运行一条指令消耗大约l n j 的能量。 对蓝牙收发信机来说，发送或接收l b i t 的信息大概要消耗l o o n j 的能量。一般来 说，通信和计算两种操作的能量消耗比为1 9 0 比l 。这说明通信比计算在能耗方 面要昂贵许多。所以，传感器节点应尽可能少的传播数据包以节省能量，这就对 通信协议的有效性提出了较高的要求。 2 1 2 网络架构 图2 - 2 传感器网络协议栈2 图2 2 晗1 是无线传感器网络的协议栈结构图。协议栈中的五层协议与t c p i p 协议簇相对应，其功能也大致相同。但由于无线传感器网络的独特性，网络协议 的实现与传统网络有很大的不同。纵向来看，有三个管理平台贯穿于这五层协议： 能量管理，移动性管理和任务管理。这些管理平台是无线传感器网络的独特部分。 这些管理平台协调传感器节点观测任务，位置跟踪记录和能量供给，提高整体能 量利用效率。 能量管理平台实现了能量使用策略，这对于延长网络生命期有着重要作用； 移动管理平台检测传感器节点的位置移动纪录，并且可以维护一条到传感器节点 的反向路径，这对网络层路由协议尤为重要；任务管理平台协调传感器节点各个 组件的工作方式，以及资源共享方式，从而使得能量和资源能够得到充分的利用。 下面的几个小节将介绍各层协议的作用和典型实例。 5 北京邮电人学硕： 学位论文无线传感器网络性能的研究 2 1 2 1 物理层 物理层实现了以下功能：频率选择，载频生成，信号检测，调制以及数据的 加密，解密等。建议传感器网络节点工作在工业，科学和医疗频段( i s m ：i n d u s t r i a l 、 s c i e n c e 、m e d i c i n e ) 。文献 1 中列举了影响无线传感器网络物理层设计的一些重 要问题。 1 大部分能量在无线通信过程中被消耗掉，所以无线传输的功率应尽可能低。 2 如果降低无线传输的功率，那么单个节点的无线通信范围将会缩小。无线通 信范围将决定网络拓扑关系，从而影响通信协议的复杂度。所以，在能量消耗与 通信范围问要做出权衡。 3 一般来说，无线收发机有四个工作模式： ( 1 ) 发射( t r a n s m i t ) ：收发机的天线消耗能量以发射无线射频信号。 ( 2 ) 接收( r e c e i v e ) ：收发机的天线接收部分被激活。在这个模式下，消耗的能 量和发射模式时相当。 ( 3 ) 空闲( i d l e ) ：收发机己准备好接收射频信号但无线信号还未到来。在此状态 下，收发机的某些模块处于工作状态，其它模块则被关闭以节省能量。在此模式 下，收发机消耗能量几乎与接收状态下相同。 ( 4 ) 休眠( s l e e p ) ：在此模式下，收发机的关键器件断电关闭。在此状态下收发 机工作在最省电的状态下。 所以，当没有通信任务时，收发机应尽量不工作在空闲状态，而应该工作在 休眠状态下以节省能量。但是，当收发机从休眠状态恢复至其他工作状态时，仍 然需要消耗启动能量。少量转换消耗的能量并不多，但如果转换过于频繁，能量 消耗也是很可观的，所以应该权衡休眠状态转换的次数和时机。 4 收发机应尽可能结构简单，以减少成本。因为它是传感器节点的主要部件， 这样能减少整个节点的成本，使得部署大量节点的传感器网络成为可能。 其它问题包括调制方式和策略，硬件设计等仍在进一步研究中。 2 1 2 2 媒体接入层( m a cl a y e r ) 数据链路层中的差错控制，成桢和链路管理基本与一般计算机网络相同。也 主要包括差错控制和流控制。前者主要目的是减少信号在无线信道中传播时导致 的比特数据错误，后者用来规范数据传输速率，平衡发送方和接受方之间的数据 流速度。但媒体接入控制子层则与传统网络有差异，现主要讨论这个子层。 m a c 层是数据链路层的一个子层，它在物理层之上，在数据链路层的下方。 它主要负责对传输媒体的共享访问，提高媒体的使用效率。由于传感器网络使用 无线通信，这里的媒体就是无线媒体。在无线网络中，在同一无线覆盖区域中的 节点共享介质，如果有两个或多个节点同时接受和发送信息，则在信道中信息包 会发生冲突，从而导致数据包的重发，降低传输效率。传统m a c 层的性能要求 是：高效，稳定，公正，高吞吐量和低延迟。一般来说m a c 层协议有三大类。 1 固定分配式( f i x e da s s i g n m e n t ) 在这种协议中，每个节点分配有固定的时隙，频隙或码隙来进行通信。在这 些自由的通信空间里，节点能够自由的传输，接收信息而不用担心会发生冲突。 t d m a ，f d m a ，c d m a 是这种通信模式的例子。这种协议简单，效果好，缺点是 6 北京邮电大学硕士学位论文无线传感器网络性能的研究 分配时间长，资源得不到充分利用。如果大部分节点不在通信状态中，则他们的 时隙，频隙或码隙就被浪费了。 2 按需分配式( d e m a n da s s i g n m e n t ) 按需分配式协议又可分为两类：中心式和分布式协议。在前者中，一个节点 在通信前需要先发送数据包到一个中心节点去申请资源。如果请求允许，则一个 确认包被发回，包内有关于资源描述的详细信息。否则，请求被驳回，发送方需 要过一段时间再次申请。在这种资源申请过程中，请求本身是基于竞争的，因为 多个节点会同时申请资源。在分布式协议中，没有节点的资源请求，而是中心节 点采用某种规则来选择节点并给以资源。 一种典型的按需分配式协议是i e e e8 0 2 4t o k e nb u s 。按照这种协议，中心节 点要一直处于工作状态，所以它的能量消耗是很大的。这种模式适合于有固定能 量供给的节点，这对于携带能量有限的传感器节点来说并不合适。 3 随机接入式( r a n d o ma c c e s sp r o t o c 0 1 ) 在这种协议中没有中心节点，通信节点使用一个随机算法来获得资源。载波 侦听多路访问c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s ) 是典型的例子。在c s m a 中， 节点在通信前先侦听无线信道，如果信道空闲，它便开始传播信号。否则它便等 待，然后进行下一次侦听。c s m a 被分成两类：非持久式( n o n p e r s i s t e n t ) 季n 持久 式( p e r s i s t e n t ) 。在前者中，如果节点侦听到信道忙，则等待一段随机的时间后再 次侦听。在后者中，节点一直侦听信道，直到信道空闲，然后还要执行二进制退 避算法以避免冲突。 i e e e 8 0 2 1 1 使用c s m a ，但c s m a 存在着隐藏节点问题，于是在8 0 2 1 l 协议中引入了r t s c t s 机制。i e e e 8 0 2 1 1 综合考虑到了节能和效率，广泛用于 w l a n 和a d h o c 网络中。 在无线传感器网络中，由于传感器节点数量大，所带电量有限，所以节约能 量是m a c 层协议的主要任务。文献 1 中列出了传感器网络m a c 层协议涉及需 要考虑的问题。 1 冲突( c o l l i s i o n ) 如果一个以上的传感器节点共享无线介质，那么在他们同时发射或接收信息 时将会产生冲突。冲突会使得传感器节点重发次数增多，从而浪费能量。 2 窃听( o v e r h e a r i n g ) 在无线传感器网络中，节点通常采取冗余部署来协作检测环境。所以，同一 电波范围内有很多邻居节点。一个节点发送数据包，很多邻居节点都将接收到， 如果仅有一个目的节点，那么其它节点将对丢弃掉此包，但在接受过程中能量以 消耗。所以窃听问题会导致能量的浪费。 3 协议开销( p r o t o c o lo v e r h e a d l 在发送数据包之前，信源节点和信宿节点要交换很多控制分组来确定和建立 路由。太多的控制分组的传播会消耗大量能量。 4 空闲监听( i d l el i s t e n i n g ) 在物理层的讨论中曾提到空闲状态下的传感器节点仍消耗相当的能量，所以 在没有通信任务时，节点应工作在休h 民状态以节省能量。但是频繁的状态转换也 会消耗可观的能量，所以状态转换和空闲监听间的平衡需要仔细考虑。 文献 4 对m a c 层协议的问题作了深入地论述。 2 3 4 中也提出了一些 适用于无线传感器网络的m a c 协议和解决方案，如s m a c ，s m a c s e a r ，g r o u p t d m a a l g o r i t h m 等。但这些算法有的过于复杂，有的其效率依赖于特定环境。 7 北京邮f 乜大学硕一卜学位论文无线传感器网络性能的研究 在本文第五章中，将使用i e e e 8 0 2 1 1 作为模拟的m a c 层协议，它相对成熟， 高效，它也是很多n s 模拟研究者所使用的协议。 2 1 2 3 网络层 网络层负责将数据包由信源节点路由到信宿节点，这中间可能会经历多个节 点。并且可能会有多条路径。如何发现并选择合理的路径使网络层协议需要完成 的任务。与m a c 层协议负责点到点的通信不同，网络层协议负责网络中节点端 到端的通信。 首先，传感器节点的能量有限，网络层协议同样要考虑到节能。其次，由于 传感器节点覆盖较大范围，所以网络层协议要有好的可测性，能管理到每一个节 点而不遗漏。最后，传感器节点容易损坏，从而影响网络的拓扑结构，所以，网 络层协议应该有足够的健壮性避免由少量的传感器节点造成网络通信中断。 考虑到上述原因，无线传感器网络的路由协议设计存在很多挑战。文献 5 中作者综述了用于传感器网络的路由协议。基于网络结构，路由协议可分为三大 类： 1 平面路由( f l a tr o u t i n g ) 在平面型( f l a t ) 网络中，所有的传感器节点的作用是相同的，他们互相协作完 成检测任务。 2 分级路f l j ( h i e r a r c h i c a lr o u t i n g ) 在分级架构网络中，有不同种类的节点做不同的工作。各种节点各司其职， 共同完成检测任务。举例来说，在基于簇( c l u s t e rb a s e d ) 的路由协议中，传感器 节点被分成两类：簇头( c l u s t e r h e a d ) 节点和成员( c l u s t e r m e m b e r ) 节点。簇头节点 负责管理本簇内的多个成员节点，收集成员节点的监测数据，进行分析后，再发 送到汇聚节点( s i n kn o d e ) 。簇头节点进行数据融合工作，减轻了网络负担，提高 了工作效率。 3 基于位置的路由( l o c a t i o n b a s e dr o u t i n g ) 在这种协议中，传感器节点假设知道自己的位置，可能是静态配置，或者使 用控制数据包动态生成。协议根据节点的位置关系工作。 下面举例介绍这几类协议。 1 平面路由 直接扩散路由( d i r e c td i f f u s i o n ) 机制是平面路由中很有代表性的一种。它是一 种非常健壮的路由。此路由机制包含三个阶段：请求广播( i n t e r e s tb r o a d c a s t i n g ) ， 路径建立( g r a d i e n t ss e tu p ) ，加强路径( p a t hr e i n f o r c e m e n t ) 。在第一阶段中，汇 聚节点周期性的广播信息请求包，此包包含了对所要求数据的描述。各个传感器 节点内存中存有关于数据的信息，当它收到数据包时，将在内存中开辟一个新的 关于内容的需求描述，建立到汇聚节点或发给它此包的上一跳节点的反向路径， 然后广播此包。在此包中，重复的信息包将被丢弃。 如果某些节点监测到了信息包中所描述的数据，便发送信息报告给汇聚节 点，这便是路径建立阶段。此信息包沿着在第一阶段中建立的反向路径最终到达 汇聚节点。由于在第一阶段中采用广播传播，所以反向路径也不只有一条。同一 信息包将沿着多条路径最终到达汇聚节点。在第三阶段加强路径中，汇聚节点将 在多条反向路径中选择质量最好的一条。从而保证了以后信息传送的可靠性。 直接扩散路由的优点是它有很高的健壮性，最终路径的可靠性有保证，路径 北京邮电火学硕士学位论文 无线传感器网络性能的研究 建立速度快。但是，它的缺点是信息包在全网广播太耗能量，不适合能量有限的 传感器网络。图2 3 描述了直接扩散路由的工作过程。 信 ( t ) 广播信息请求 信 宿信 “) 路径建立 0o囝 c e ) 加盔路径 图2 3 直接扩散路由的三个阶段哺1 宿 宿 m ，：tp 而肚g l 糊， 【o ，印d 砌已坶)j 9 北京邮电人学硕一卜学位论文无线传感器嘲络性能的研究 节点进行数据融合工作，所以总的数据减少，从而减小了网络负载。但是这种算 法对于能量消耗和网络拓扑作了太多假设，变得不通用。实验模拟证明，在节点 较多的情况下，该算法会导致某些传感器节点没有对应的头节点，所以需要作进 一步的改进。 3 基于位置的路由 在基于位置的路由协议中，可设定每个节点知道自己在网络中的相对位置， 节点可通过自己的位置信息来发现路由。g e o g r a p h i ca n de n e r g ya w a r er o u t i n g ( g e a r ) 是一种有代表性的协议。在此不做详述。 2 1 2 4 传输层 传输层为信源节点和信宿节点提供可靠的端到端连接，为应用层提供可靠和 高效的服务。在传统的计算机网络中，传输层协议的主要功能有：拥塞控制，流 量控制，可靠的，顺序的递交服务等。在因特网中广泛使用的传输层协议是传输 控制协议：t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( t c p ) 。它有着良好的性能，但是对于能 量有限，处理能力有限的传感器节点来说，t c p 并不合适。 用户数据报协议：u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ( u d p ) 是另一种广泛应用的传输层协 议，它是面向无连接的。信宿节点不需要向信源节点发送确认消息，所以它适合 于对数据精确度不高的实时数据传输。这种协议需要较少的控制包，所以能量消 耗不高，而且相对简单，适合能量和处理能力都有限的传感器节点。在第5 章中 的实验模拟中将使用u d p 协议作为传感器网络的传输层协议。 2 1 2 5 应用层 用户最终的需求和现实的业务都在应用层实现，以上介绍的各层协议都是为 应用层服务，保证可靠的网络连接的。应用层中主要实现对用户数据的处理。以 后介绍的数据有效性算法就在应用层中实现。 2 1 3 路由协议 在2 1 2 3 小节中介绍了无线传感器网络的网络层，并介绍了几种路由协议。 目前，物理层，m a c 层协议已经相对成熟，大部分的研究都集中在路由协议的 研究上。路由协议的种类很多，而且由于协议设计依赖于具体应用，所以我们以 环境监测类场景为实例来研究路由协议的性能。在这样的场景中，需要部署大量 的传感器节点，而且节点是静态的，容易损坏的，所以对协议的节能，高效和健 壮性提出了较高的要求。本小节将研究几种现有的协议成果，对比其优缺点，作 为进一步研究的基础。在下一章中，将提出一个新的算法对这些协议进行改进。 2 1 3 1 基于链路质量的协议( l q e r ) 文献 7 中提出了一种基于无线传感器网络的路由协议，此网络是用于水质 监测的。这种协议综合考虑了最短路径和链路的质量，称为基于链路质量的协议： l i n kq u a l i t ye s t i m a t i o nb a s e dr o u t i n gp r o t o c o l ( l q e r ) 。图2 4 【7 】是此协议的流程 l o 北京邮电人学硕士学位论文无线传感器网络性能的研究 图。 | 接收路由叛据 | 毒 列举出砸寓信宿节点比 当前节点近一鞋的邻居 节点 毒 选出在链路质量历史纪录中 最隹的节点 毒 l 发出路由数据包 喜 f 结束 ) 图2 4l q e r 协议流程图7 1 此协议工作过程分为两个阶段。 在第一阶段中，要发送数据包的源节点列出距离