（电路与系统专业论文）无线传感器网络跨层优化技术研究与应用.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 无线传感器网络跨层优化技术研究与应用 摘要 随着无线传感器网络在现实生活中的大量应用，对无线传感器网络的 跨层技术的研究也渐渐地成为了研究人员研究的热点。无线传感器网络跨 层设计将系统作为一个整体来设计，解决了传统的分层设计的局限性。无 线传感器网络大多数网络节点用电池进行供电，能量十分有限。因而能量 有限的问题是无线传感器网络跨层设计首先要考虑的问题。而在无线传感 器网络降低能量消耗的研究中，功率控制技术和时钟同步技术是无线传感 器网络中非常重要的两种技术。 功率控制技术在提升无线传感器网络的数据流量方面有着很大的潜 力。基于功率控制技术的研究目前研究方法较多，目前的功率控制技术主 要是通过增加收发器或者设计复杂的m a c 层协议，来达到防止碰撞，增 大网络流量的目的。本文在粗糙集理论的基础上，提出了一种简单的基于 粗糙集理论的功率控制机制，可以有效的降低数据碰撞，达到提升无线传 感器网络流量的目的。 同步算法也是无线传感器网络研究的关键技术之一，如何找出一种能 基于应用的，简单有效的同步机制是目前传感器网络研究的重点。本文提 出了一种应用于无线粮情监测系统的基于后同步思想的同步机制。通过实 际的应用，网络表现良好。数据传输不会出现碰撞重传等问题。文中还在 此硬件的基础上提出了一种基于时钟自校正的时钟算法，经过实验对比， 可以实现层次节点间的时钟同步，有很大的应用价值。 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 本文主要内容如下： ( 1 )介绍了无线传感器网络跨层优化技术的背景、应用和研究现状， 系统地论述了跨层优化技术的原理、解决方法和优势，重点分析了无线传 感器网络跨层优化的关键技术。 ( 2 )对跨层优化技术中的功率控制技术进行了介绍，分析了功率控 制技术的原理，用粗糙集理论对功率控制技术进行了研究，并用n s 2 软 件对无线传感器网络功率控制技术进行了仿真分析。 ( 3 )提出基于后同步思想的一种同步机制，并对同步算法进行了详 细的介绍，在此硬件基础上研究了基于时钟自校正的同步算法。 ( 4 )时钟同步机制大都是基于应用的，设计实现了基于后同步思想 的无线粮情监测系统，给出了详细的节点的软硬件设计。并给出了系统实 现的环境与结果。 仿真结果与系统实现表明，本文提出的功率控制算法和时钟同步算法 能够很好地应用于实际的无线传感器网络环境中。在很大程度上满足了无 线传感器网络的要求，具有一定的实用价值。 关键词：无线传感器网络，跨层优化，功率控制，时钟同步，粮情监测系 统 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h er e s e a r c han da p p l i c a t l 0 no f c r os sl a y e r0 p t i m i z a t l 0 no n w i r e l e sss e s0 rn e t w o r k a b s t r a c t w i t hal o to fa p p l i c a t i o n sf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nr e a ll i f e ，r e s e a r c h o fc r o s sl a y e rd e s i g no nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka l s og r a d u a l l yb e c o m e st h e h o tr e s e a r c hi s s u e sf o rt h er e s e a r c h e r s t h ec r o s sl a y e rd e s i g no nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kt a k e st h ew h o l es y s t e ma sa ni n t e g r a ls t r u c t u r ea n ds o l v e st h e l i m i t a t i o n so ft h et r a d i t i o n a ls e p a r a t el a y e rd e s i g n t h em o s to fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kn o d e st a k eb a t t e r ya sp o w e rs u p p l y ，s ot h ee n e r g yi sv e r yl i m i t e d s o f i n i t e e n e r g yi s t h ef i r s tc o n s i d e r a t i o ni nt h ec r o s sl a y e rd e s i g no fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r ka b o v ea l lp r o b l e m s i nt h er e s e a r c ho fh o wt or e d u c ee n e r g y c o n s u m p t i o n ，p o w e r c o n t r o l t e c h n o l o g y a n dt h et i m e s y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n tt w ok i n d so ft e c h n o l o g i e si nw i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sg r e a tp o t e n t i a li nt h ea s c e n s i o no fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kd a t af l o w t h e r ea r em a n yr e s e a r c h e s o n p o w e rc o n t r o l t e c h n o l o g y ，t h ec u r r e n tp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yi sm a i n l yb yi n c r e a s i n gt h e t r a n s c e i v e ro rd e s i g no fc o m p l e xm a cl a y e rp r o t o c o l ，t oa c h i e v et h eg o a lo f i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 p r e v e n t i n gc o l l i s i o n s a n d i n c r e a s i n gt h e n e t w o r kt r a f f i c t h i s p a p e rp u t s f o r w a r dap o w e rc o n t r o lm e c h a n i s mb a s e do nt h es i m p l er o u g hs e tt h e o r y ；t h e m e t h o dc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ed a t ac o l l i s i o na n di m p r o v et h ed a t af l o wi n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi sa l s oi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s r e s e a r c hi nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n dh o wt of i n do u tat i m e s y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s mt h a ti sa p p l i c a t i o n b a s e d ，s i m p l ea n de f f e c t i v ei s t h e k e yr e s e a r c h i nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i nt h i s p a p e r ，a t i m e s y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s ma p p l y i n gt ow i r e l e s sg r a i nm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do np o s t f a c t oi sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ， n e t w o r kr u nw e l la n dd a t at r a n s m i s s i o nd on o th a v et h ep r o b l e mo fc o l l i s i o n r e t r a n s m i s s i o n i nt h i sp a p e rat i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h e c l o c ks e l f - c o r r e c t i o ni sp r o p o s e d t h ec o n t r a s te x p e r i m e n tr e s u l t sv a l i d a t et h a t t h em e t h o dc a np r o l o n gt h et i m es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nt h en o d e sa n dh a v e al a r g ea p p l i c a t i o nv a l u e t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a ni n t r o d u c t i o n i sm a d ew h i c hi n c l u d e st h e b a c k g r o u n d ， i m p l e m e n t a t i o n a n dr e s e a r c hs t a t u s o fc r o s s l a y e rd e s i g n t h e p a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l e 、s o l u t i o na n dt h ea d v a n t a g eo fc r o s s l a y e r o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g ya n da n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kc r o s sl a y e ro p t i m i z a t i o n ( 2 ) t h ep o w e rc o n t r o lm e t h o d so fc r o s sl a y e ro p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e i v 太原理工大学硕二l 研究生学位论文 a r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e la n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yi s s t u d i e db yu s i n gr o u g hs e tt h e o r y , a n dd ot h e s i m u l a t i o na n a l y s i st ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yb y t h en s 2s o f t w a r e ( 3 ) a t i m es y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s mb a s e do np o s t f a c t oi sp u tf o r w a r d a n dt h ei n t r o d u c t i o n so fs y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s mm a k e si nd e t a i l ，t h e p a p e ra l s od oar e s e a r c ho fa t i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h e c l o c ks e l f - c o r r e c t i o nb yt h eh a r d w a r e ( 4 ) t i m es y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s ma r em o s t l yb a s e do nu s e ，t h ep a p e r d e s i g nag r a i nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do np o s t f a c t o ，a n di ta l s op r e s e n t st h e d e t a i l e dd e s i g no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h en o d ea n dg i v e t h e e n v i r o n m e n ta n dr e s u l t so fs y s t e ma p p l i c a t i o n f i n a l l y , t h ep o w e r c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt i m es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e i st h ek e yw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yb a s e do nt h ea p p l i c a t i o n t h e s i m u l a t i o na n da p p l i c a t i o no ns y s t e ms h o wt h a tt h ep r o p o s e dp o w e rc o n t r o l a l g o r i t h ma n dt h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mc a nb eu s e dw e l li n t h e a c t u a lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n dh a sc e r t a i np r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，c r o s sl a y e ro p t i m i z a t i o n ，p o w e r c o n t r o l ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，g r a i nm o n i t o r i n gs y s t e m v 太原理工大学硕士研究生学位论文 i 1 课题研究背景 第一章绪论 随着通信技术、集成电路技术、嵌入式技术以及传感器技术的不断发展，低功耗、 低成本多功能的微型传感器得到了非常广泛的应用。大量移动或静止的微型传感器以多 跳和自组织的形式构成了无线传感器网络。作为一门新兴的前沿技术，传感器网络在各 个方面有着广泛的应用领域：军事国防、医疗卫生、城市系统管理、工业控制、环境监 测等1 1 】。由于在无线传感器网络中每个节点的能量、通信范围和c p u 计算能力都是有限 的，在整个网络的设计中，为了提高无线传感器网络的可靠性和生存能力，就需要采取 节约能量的控制方式、鲁棒的通信策略和有效的数据处理方式。 传统的通信系统往往采用分层模型，将现有的无线通信协议栈划分为5 层，从上到 下排列依次是应用层、传输层、网络层、链路层和物理层。在传统的分层结构里，每 个层面独立的进行设计与操作，层与层之间的通信只在相邻的两个层之间，不会与有间 隔的层面进行数据交换，这种优化设计实际上不是最优的而且还不够灵活。 在无线传感器网络不断发展的过程中，传统的网络分层结构优化设计由于不能兼顾 各层性能，它的弊端慢慢地在人们面前显露出来。为了改善无线传感网络的性能、m a c 协议和路由协议，跨层设计逐渐为人们所认识，并成为无线传感器网络进行优化的一项 关键技术。 在传统的分层设计思想慢慢跟不上时代的脚步的时候，跨层优化设计应运而生。它 网络中每一层都看做优化的一部分，将无线传感器看做一个统一的整体而进行设计，这 样，跨层设计同时兼顾地利用了网络各层之间的有效信息，从而实现了无线传感器网络 的全网优化。 1 2 跨层优化技术研究的目的和意义 在o s i 七层模型中，由低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话 层、表示层和应用层【2 1 。网络通信可以自上而下或者自下而上双向进行。在通信过程中， 太原理工大学硕士研究生学位论文 大多数通信过程不需要经过全部的七层才完成，甚至只在两层之间就可顺利的完成通 信。在现有的无线传感器网络层次中，最重要的是下三层，核心问题主要在这三层中产 生。 传统的分层网络协议应用在有线网络已经非常成熟。然而在现实中的无线通信中， 电磁波在传输过程中会遇到各种意向不到的环境问题，有些无线通信环境远比有线网络 残酷，于是在这种情况下，传统的网络协议的分层结构存在着两大问题。 1 、非最优性3 1 。分层网络协议每一层的信息不是能单独成一体的，它们往往存在 着某种联系。而传统分层设计的方法使得各层之间不能够分享各自的信息。因此，网络 协议的分层设计不能提升整个传感器网络的性能，使其达到最优。 2 、不灵活性。在传统的分层方法中，网络协议设计单单作用于某一层，尽管有些 技术能有效地改善网络性能，但是没有适应环境变换的能力。 跨层优化设计是在有限的资源环境下，联合设计网络协议栈的几层或者全部七层来 克服传统分层设计的缺点，它通过同时优化不同层来改善通信系统的性能。跨层设计包 括每一层对所接收到的信息的适应程度；不同层之间信息的相互交流，不是相邻的层之 间的信息的交流；网络中的有些层之间可以通过合并而整合无线网络的通信功能。 传感器网络跨层设计通过在协议栈各层之间传递特定的信息来协调协议栈各层之 间的工作过程，使之与无线通信环境相适应。跨层设计的和核心思想是网络中各层都不 是单独设计，而是把所有层作为一个整体来设计【2 1 。 功率控制技术与时钟同步技术是无线传感器网络跨层优化的两种关键技术，它们通 过在网络中层与层之间进行信息的交流共享有效地优化这无线传感器网络的性能，在无 线传感器网络能量管理、数据处理等方面起着非常重要的作用。 1 2 1 功率控制技术的研究现状 无线通信网络中，介质访问控制( m a c ) 协议决定网络干扰的数量，影响着物理 层的性能。如果接收端在收发信息时遭受到很强的干扰，那么物理层就要降低传输速率 来与之匹配；反之，物理层就会相应地增大传输速率。这就需要物理层和m a c 层的联 合设计。在无线通信网络中，如果增大发送端的发送功率，节点之间的相互干扰也会增 强，这样功率控制技术就将物理层和m a c 层紧密联系在一起【7 1 。 p u r s l e ym b 提出了一种由发送节点与邻居节点进行数据交换以得到最优发送功率 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 的b a s i c 协议，节点之间以后通过最优发射功率发送数据以降低节点的通信能耗，这是 早期的独立节点级功率控制协议。后来g o m e z 等人在此基础上提出了p a r o 协议，它以 传输路由中每一单跳的发射功率作为标准，最后选择节点间总能量消耗最小的路径进行 发送数据分组。m u q a t t a s ha 等人将多信道机制融入功率控制技术，提出了基于网络层和 m a c 层交互作用的双信道功率控制协议p c d c ( p o w e rc o n t r o l l e dd u a lc h a n n e l ) ，多信道技 术可以能够有效的削弱因功率调整而出现的碰撞冲突。后来m u q a t t a s ha 等人为了提高网 络吞吐量，扩大信道的复用率又提出了一种针对单收发机，单信道系统架构的功率控制 协议p o w m a c 。n a rp c 等人将功率控制技术与传统的s m a c 协议进行融合，形成了 p c s m a c 协议，该协议降低了网络的能量消耗，不会对通信产生大的冲突。 目前，实用的无线传感器网络功率控制技术正处于萌芽期，基于功率控制技术的跨 层优化问题必将成为未来无线传感器网络领域研究的重点。 1 2 2 时钟同步技术的研究现状 时钟同步技术是无线传感器网络能够大规模运用的前提。它的应用贯穿在无线网络 中的物理层、数据链路层和网络层中。一种好的同步算法能够很大限度的降低无线传感 器网络的能量消耗以及数据传输时延，保证数据传输的可靠性。 随着无线传感器网络在2 1 世纪初开始引起人们的极大关注后，基于传感器网络的时 钟同步技术的研究也开始研究起来。 2 0 0 2 年8 月，j e r e m ye l s o n 等人在h o r n e t s i 国际会议上首次提出无线传感器网络中时 钟同步技术的研究课题【1 1 。并且提出了一种参考广播同步机制即l m s 同步机制。 g a n e r i w a l 等人后来提出了传感器网络时间同步协议t p s n ，目的是提供无线传感器 网络中全网节点的时钟同步。 s p i n g 等提出了d m t s 算法，该同步算法是基于估计同步消息在传输路径上所消耗的 时间延迟，然后实现节点间的时间同步的。 v a ng r e u n e nj 提出了适用于低成本和复杂度的传感器节点的时钟同步算法l t s ，降 低了节点的通信和计算开销，减少了节点能量的消耗。 无线传感器网络是与应用相关的，在不同的应用场合对时钟同步的要求也是不一样 的，在无线传感器网络时钟同步技术的研究中，应在基本同步算法的基础上，研究出适 合特定领域的时钟同步机制。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 论文主要内容及结构安排 本文主要工作是设计了基于跨层优化技术的传感器网络协议；并将协议成功应用于 无线粮情测控系统中，检验了协议的可靠性与易用性：将粗糙集理论运用在功率控制技 术中，并进行了仿真与性能分析。提出了一种基于跨层优化技术设计的传感器网络时间 同步算法及其实现； 论文的组织架构如下 第一章介绍了传统分层设计思想的不足，跨层优化技术的研究背景、研究目的、意 义和在无线传感器网络领域的现状。 第二章介绍了跨层优化技术的基本思想，以及无线传感器网络跨层技术的分类，并 介绍了目前无线传感器网络面临的问题，在此基础上介绍了功率控制技术和时钟同步机 制在无线传感器网络中的应用现状。 第三章介绍了无线传感器网络跨层设计关键技术研究，其中研究了目前无线传感 器网络中功率控制机制和一种基于粗糙集理论的功率控制机制的研究。 第四章介绍了基于后同步思想的同步机制和一种基于时钟自校正的时钟同步算法 的研究。 第五章介绍了基于跨层优化技术的无线粮情测控系统的软硬件设计 第六章是总结和展望。 4 太原理工火学硕：研究生学位论文 第二章基于无线传感器网络的跨层优化设计 作为无线传感器网络优化的有效途径，跨层优化技术已经成为了一个研究重点。 本章研究了跨层优化技术的思想、解决方法与优势，为后面的跨层设计的研究与设计 打下必要的理论基础。 2 1 跨层设计的思想 2 1 1 跨层设计的理论提出 不同于传统的有线传感器可以实时供电的状况，无线传感器网络节点大都通过电 池进行供电，因而它的资源是十分有限的。在这种情况下，传统的分层结构层与层之 间的设计不能够从全局出发对网络进行优化，因而分层的优化设计并不能保证整个网 络的设计能最大化的发挥网络的效能1 2 j 。例如在无线传感器网络中，功率控制技术、 时钟同步机制设计等会涉及到无线传感器网络的每一层，但是整个网络的节能效果由 于采用分层优化就不能使网络的性能达到最优。同时，由于无线传感器网络是基于实 际应用的，相对于传统的有线传感器网络节点来说，它的大多数节点结构相近而且功 能简单，如果单独在每一层进行优化设计会造成节点资源的大量浪费造成整个无线传 感器网络节点过早的死亡从而降低它的性能。为了改变这种分层设计的缺点，人们开 始通过对网络进行跨层设计来改善其性能，跨层优化设计是从网络整体的角度，通过 对网络层与层之间的信息交换进行系统优化来满足系统性能优化的需要。跨层优化设 计主要是为了保持网络各层次之间信息的互动和整体性能的平衡，通过对无线传感器 网络中能效管理的整体优化，使得无线传感器网络在现实生活中能够真正的具有实用 价值。 在跨层设计的过程中，要最大限度的发挥网络中层与层之间信息交互的优势，最 大化的发挥无线传感器网络的性能。跨层优化设计下的各层协议栈要能够通过获取相 互交换的数据信息进行全局的自适应调整；例如，在获取了当前的无线传感器网络信息 后，m a c 层能够自适应的改变传感器节点的侦听与睡眠之间的时间比等来降低能量 消耗2 】【3 】：在获取了相邻层的状态信息后，物理层能够改变节点数据包的发送速率、功 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 率以及数据结构来适应系统实际环境下的应用。在无线传感器网络中，为了更好的节 省传感器网络节点的能量，延缓节点的死亡时间，网络最好采用跨层的优化协议。 2 1 2 跨层设计的解决方法和优势 在设计一个无线传感器网络时，由于无线通信信道的局限性，网络中各层的功能 必须从整体上进行考虑。针对实际环境中不同的应用要求采取不同的优化方法，所以 渐渐地人们在对网络进行优化设计时，会模糊层次之间的界限，即采取跨层的方法功 进行网络的优化设计。 跨层设计降低了网络协议的信息的冗余度，优化无线网络系统整体性能。在优化 网络设计时，首先要考虑到不仅要能够对网络进行跨层优化，还要能够在此基础上系 统能自适应的进行动态调整。有些传统的传感器网络设计方案中也具有一些能够自适 应调整的能力，但是那些些自适应的调整在网络各层次上是孤立进行的的。而跨层自 适应调整允许无线传感器网络在既满足功能不减弱的同时，通过自适应调整进行数据 信息的交换，来满足网络指标可变以优化无线网络系统的全局【3 】。 跨层优化设计相对于分层设计来说，主要具有以下几个优点3 8 1 ： ( 1 ) 在开始进行跨层设计研究时，跨层优化设计的目标只是为了减少节点的能量消 耗，延长无线传感器网络的生存周期。后来发现采取这种跨层设计还可以同时改善无 线传感器网络的其他性能，如数据包传输时延、吞吐量和数据丢包率等。 ( 2 ) 跨层优化设计能够在整个传感器网络的高度上对网络各层进行优化，而不是在 某一单一层上一点一点地进行改进。跨层优化设计在优化本层的时候可以利用其他层 的信息，最终改善系统性能。 ( 3 ) 跨层优化设计中，无线传感器网络的各层能够了解网络的状态，它们会根据网 络的变化信息，得知目前状态并及时作出反应。 ( 4 ) 跨层优化设计使数据发送时数据包的正确率大大增加，这样就会减少了数据包 的控制开销，降低了计算所需的能量。跨层优化设计可以使网络各层之间有机地统一 起来，相互之间进行协调，如因为采取了睡眠机制，数据链路层就会影响网络层路由 路径的选择；同时，采用跨层优化设计会降低网络各层中数据信息的冗余度；此外在实 际应用中还能针对所要应用的环境在无线传感器网络整体的高度上去优化某一项指 标，在使系统整体性能不会减小的同时，能够获得最好的无线传感器网络性能指标。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 无线传感器网络跨层优化技术与分类 2 2 1 基于能量效率的跨层优化【2 】【6 】 基于能量有效的跨层优化设计思想是在保证能量消耗最小的同时，实现有效地数 据传输。将在网络层、物理层等基础上建立的能量模型与数据链路层联合设计，保证 能量消耗最小化，优化网络性能。 不管是什么类型的传感器网络，系统中节点的能效管理和低功耗的设计都要结合 实际应用的环境跨层进行，这里要同时考虑协议的优化和节点的低功耗技术。为了达 到跨层设计的目标，减少传感器节点的能量消耗，延长整个无线传感器网络系统的生 存时间，就需要设计超低功耗进行数据采集的传感器和能够进行低功耗设计的微处理 器，特别是无线通信中的射频芯片能够以极低的功耗运行，在此基础上而且还要同时 进行芯片和协议的软硬件设计。 2 2 2 基于q o s 保障的跨层优化设计2 4 1 1 7 】 未来的无线传感器网络中会提供音视频等多媒体服务，提供有效地q o s 支持是非 常重要的。 c a i w e n y u 等人提出了一种基于q o s 的跨层协作体系【8 】，如图2 1 所示。该体系 结构涉及物理层、m a c 层、网络层以及应用层四个层。包括三个功能实体：c f a ( 贡 献因子抽象) 、r p f ( 约束参数反馈) 以及c f c ( 跨层反馈控制) 1 6 。这种跨层设计很 容易的实现与现有协议栈的兼容，并且易于扩展，适用于各种不同的系统。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 一 a p s 1 j 贡献因子 1 n l 1 约束参数 抽象模块 反馈模块 ( c f a ) 刀 m a c 刀 ( r p f ) ， p h y 一 上彳f 跨层反馈控制模块( c f c ) 彳 | l 弋夕 之弓 q o s 本体 图2 - 1 基于跨层协作的q o s 体系结构 f i g u r e2 1q o ss y s t e ms t r u c n l r eb a s e do nc r o s sl a y e r 2 2 3 基于新层次框架的跨层优化设计 有些优化设计在优化设计模型中加入了新的模块，通过模块与其他层次间的信息 交互来实现跨层优化设计的目的【3 】【2 6 1 。比如下面图中的一个个动态多属性跨层设计框 架。在该框架中，多个层次的数据信息进行跨越交互。该设计以网络层为中心，在网 络层上新增了一个d m a c l d 模块( d y n a m i cm u l t i a t t f i b u t ec r o s s l a y e rd e s i g n ，动态多 属性跨层设计) 1 9 。该模块负责收集来自上层( 应用层) 和下层( m a c 层和物理层) 的各种信息，并以以下四个方面为目标： ( 1 ) 路径上所有传感器节点都具有足够的能量； ( 2 ) 路径是能量有效的； ( 3 ) 该路径的数据传输是稳定可靠的； ( 4 ) 路径是稳定且可靠的； 该模型框架如图2 2 所示【8 】【9 】： 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 2 网络跨层结构 f i g u r e 2 2t h es t r u c t u r eo fn e t w o r kc r o s s - l a y e rd e s i g n 2 3 无线传感器网络跨层设计面临的相关因素 无线传感器网络的跨层设计中，肯定会面临和无线传感器网络相同的制约因素，首 先是节点的能量的问题，传感器节点的能量、通信带宽以及存储空间等都非常有限，同 时传感器网络各层之间相互影响。因此在跨层设计中，必须充分考虑到节点本身的限制， 以节能有效的处理方式来维持较长的网络生存时间。 传统无线网络是大都通过基站进行中心控制的，而无线传感器网络是一个分布式系 统，每个节点拥有本地状态信息。通过跨层设计的方法可以获得分布式系统网络节点分 布和本地的数据信息，以进行全网层次的性能优化。 无线传感器网络中，经常有节点因为能量或其他原因退出或加入网络，导致传感器 网络出现新的拓扑结构1 2 7 】。拓扑结构的这种变化直接对无线传感器网络物理层( 干扰水 平) 、数据链路层( 链路调度) 、网络层( 新邻居节点) 传输层( 连接超时) 等产生非常 大的影响【1 1 】。因此，通过跨层设计可以增强传感器节点在网络拓扑变化过程中对于自身 资源管理的能力。 另外，传感器网络中大多数节点都是无人看守的，跨层设计可以为节点提供关于目 前资源及处理状态的空间等信息，有利于节点的自适应控制【1 3 】。 一个优良的无线传感器网络设计要能够兼容不同硬件平台上对上层应用造成的差 异。跨层设计以全局的高度对整体网络进行优化，能够为上层应用要求与下层物理平 台之间提供更多的物理交互。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 无线传感器网络跨层设计关键技术 2 4 1 无线传感器网络功率控制技术 在无线传感器网络中，功率控制技术是指系统中的节点之间在进行无线通信时会 根据当前网络的实际情况选择最合适的功率级数进行发送数据等信息的过程，以达到 降低网络能量消耗，优化无线传感器网络性能的目的【1 0 】1 1 2 1 4 1 。 无线传感器网络中，由于节点的体积和重量的限制，节点一般采用有限的能量供 给，因此采用功率控制技术可以有效控制能量的消耗，减少不必要的能量浪费，从而 达到延长无线传感器网络生存时间的目的。 无线传感器网络中功率控制技术近几年来开始成为热点，许多研究人员提出了一 些基于能量考虑的路由协议。s s i n g h 等针对传感器路由协议提出了五种基本的能耗度 量，并且提出了m b c r ( m i n i m u mb a t t e r yc o s tr o u t i n g ) 协议。c h i a n g 等人提出了通 过平衡物理层的功率控制和传输层的网络拥塞控制来提升无线传感器网络的吞吐量和 节能性能【10 1 。 功率控制技术在无线传感器网络应用过程中对改善网络性能的影响是非常大的。 在网络能量有效性方面，降低节点的发射功率会减少整个无线传感器网络的能量消耗， 从而延长网络的生存时剐1 2 】。在节点发送数据分组过程中，功率控制可以通过对当前 信道估计或者反馈的数据中的控制信息，能够在保证信道畅通的前提下降低节点的发 射功率，从而减少节点发送数据所消耗的能量，提高能量利用率。在功率控制技术应 用的过程中，随着节点发送数据所使用功率的降低，它能控制的范围也会变小，影响 到的节点的数量也随之减少，从而节省了网络中的能量消耗。在网络连通性和拓扑结 构方面，节点的发送功率如果过低，会使部分传感器节点达不到有效的通信范围，也 就无法建立通信，这样会造成网络中数据通信的断裂；而如果节点的发送功率过大， 虽然会使网络能够有效地进行通信，但会导致了网络中节点发送的信号之间竞争强度 过大，从而使网络在节点发送数据上丢包率增加，重传的过程也会消耗了一部分能量。 传感器网络还会因为节点传送数据的过程中有丢包现象从而导致网络整体性能的降 低。传感器网络中的节点通过功率控制技术可以选择自己有效地数据链路，形成优化 的数据传输的结构，或者在满足网络有效连通率的前提下，选择传感器节点最优的单 跳路由到达目的节点【14 1 。 10 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 2 时钟同步机制 无线传感器网络是分布式系统，系统中节点间的协同工作需要时钟同步机制，因 此时钟同步机制是分布式系统框架里的一个关键机制。分布式系统涉及两种时间：一 种是物理时间；一种是逻辑时间。物理时间是我们平时所使用的绝对时间；逻辑时间 是一个相对时间，用来表达事件发生的先后顺序。无线传感器网络通常需要一个能够 表示整个系统时间的全局时间，它既可以是物理时间也可以是逻辑时间。 时钟同步机制在传统的网络中已经得到了广泛的应用，如网络时间协议n t p 是 i n t e m e t 采用的时间同步协议，g p s 、无线测距技术也用来提供网络的全局时钟同步。 同样，在无线传感器网络中也需要时钟同步机制，例如时钟同步构成t d m a 调度机制 和传感器节点的数据融合。 j e l s o n 等自从提出了传感器网络中的时钟同步机制的研究课题，传感器网络研究 领域的许多学者和研究机构表示出很大关注，纷纷开始对这个领域进行研究，提出了 多种时钟同步机制，其中r b s ( r e f e r e n c eb r o a d c a s ts y n c h r o n i z a t i o n ) 、 t i n y m i n i s y n c 和t p s n ( t i m i n g s y n cp r o t o c o lf o rs e n s o rn e t w o r k s ) 是现有的同步 机制中最基本的三种。r b s 时钟同步机制是基于同一级的接收者接收者之间的时钟同 步，一个节点广播发送一个数据分组，广播范围内的两个节点分别采用本地时钟考察 数据分组到达的时间，然后交换彼此的记录时间来确定节点之间的时间偏移量，实现 节点间的时钟同步。t i n y m i n i s y n c 是一种轻量同步机制，假设节点的时钟漂移遵 循的是线性变化，那么他们之间的时钟漂移也将是线性的，通过交换时标分组来估计 两个节点间的最优匹配偏移量。t p s n 采用层次结构实现整个网络节点的时间同步， 所有节点按照层次性的结构进行分级，通过发送者一接收者的方式，每个节点都要与 上一级节点进行时钟同步，从而实现所有节点的时钟同步j 。 太原理：r 大学硕十研究生学位论文 第三章基于粗糙集理论的无线传感器网络功率控制技术研究 3 1 功率控制技术 3 1 1 数据融合机制 无线传感器网络在进行数据采集的过程中需要使用数据融合技术，数据融合是将 接收到的多个数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合实际需求的数据的全过程 【5 1 。数据融合在日常生活中得n - ；广泛的应用，比如在辨别一个事物特性的时候往往 会综合多种感官信息，包括视觉、触觉、嗅觉和听觉等【1 1 。单独依靠其中的一种信息 往往不能够准确反应出事物的特性，而综合多种信息可以很好地解决这个问题，可以 对事物做出全面而准确的描述。 数据融合技术应用在无线传感器网络系统中主要是处理同一层次的传感器的数 据。例如在粮库监测系统的应用中，需要对多个传感器收集到的信息进行分析融合； 在目标识别定位的应用中，需要对传感器采集的图像分辨率等数据进行后期的分析处 理1 5 1 。 数据融合技术应用于无线传感器网络中有着非常好的应用前剽1 4 】【1 9 】，主要表现 在： ( 1 ) 节省网络中消耗的能量 ( 2 ) 获得比较准确的信息 ( 3 ) 提高数据收集效率 无线传感器网络的网络层、应用层等协议层可以运用数据融合机制。在传感器网 络的应用层中可以对传感器采集到的数据信息进行分析处理，选出有用的数据达到信 息融合的结果。在网络层的应用中可以通过数据融合降低数据的传输量，防止网络堵 塞。在物理层可以对节点的数据进行分析处理作出决策，控制节点功率。 3 1 2 功率控制机制 无线传感器网络中节点发射功率的控制问题也就是在数据发送的过程中怎样调整 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 自己的功率的问题。节点通过设置或调整自身的发射功率，在保持网络正常运行的前 提下，使得网络节点的能量消耗尽可能的降低，以延长整个传感器网络的生存时间【l o 】。 目前的功率控制算法有c o m p o w 等统一功率分配算法，l m n l m a 等基于节点 度数的算法，c b t c 、r n g n d l s s 等基于邻近图的算法【2 4 1 【2 5 】。但是这些算法目前不 是全面的对网络进行优化，只是在网络拓扑结构中一些方面进行了优化设计。 功率控制技术应用在无线传感器网络中，是基于传感器网络中每个节点具有不同 的能量来实现的。在一个传感器网络中，在不影响网络正常通信和连通的前提下，节 点应该尽可能的使用小的发射功率进行数据通信，减少网络整体能量消耗。 无线传感器网络可以在最开始的同步过程中加入最优发射功率的计算和存储，在 广播同步信息时，加入节点发送的功率值。相互通信的节点之间一定可以相互取得到 各自所需的的最优发射功率。根据节点收到邻居节点的同步帧，提取里面功率值，根 据下面的公式就可以得出最优发射功率值，将该节点到邻居节点的功率值改为刚计算 出的功率值【1 2 】【2 0 1 1 2 。 发射功率的计算可以通过公式可以计算 根据电磁波在自由空间传播损耗的f f i i s 公式【2 2 】，可得到接收端功率 最= 篙籍 d 其中，