（计算机应用技术专业论文）多频道技术在无线传感器网络中的应用.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机应用技术 研究方向：计算机网络与分布计算系统 作者：2 0 0 7 级研究生朱海燕 指导教师：宗平教授 i i i l l llllrlflji i ii f l l l l l f l f l l l l l11il lllll y 17 5 5 0 9 7 题目：多频道技术在无线传感器网络中的应用 英文题目：t h em u l t i - c h a n n e lt e c h n o l o g ya p p l i e di nw s n s 主题词：无线传感器网络，多频道技术，网络拥塞，中间件 k e y w o r d s ：w s n s ，m u l t i c h a n n e l ，n e t w o r kc o n g e s t i o n ， m i d d l e w a r e 南京邮电大学硕十研究生学位论文 摘要 摘要 近年来，随着计算机及相关技术的发展，使得将计算、通信、网络与传感等功能都集 成在一个设备成为可能，无线传感器网络正是这些技术紧密结合的一种典型实例。人们希 望随时随地享用计算资源和信息服务。集成有传感部件、微处理器和通信模块的微型传感 器节点通过自组织的方式构成无线传感器网络，完成对环境的数据采集和监测任务。无线 传感器网络己成为工业界及学术界的一个研究热点，在军事和民用领域有着非常广阔的应 用前景。 同时，随着无线技术的成熟和标准的广泛使用，无线网络设备已经或者将要遍布我们 的生活空间，人类世界将布满各种小型无线装置，当这些装置分布在重叠或者临近的区域 时， 通信频段的使用必将会产生冲突与拥塞。 因此，本文在深入研究无线传感网络特征和其现有数据链路层的各种m a c 协议的基 础上，提出了一种基于现有单频m a c 协议基础上的通用多频道技术方法，使得现有w s n 单频谱m a c 协议可以实现多频道并行通信的功能，并利用t o s s i m 仿真对其进行评估， 仿真结果表明在丢包率、时延、吞估量等网络性能方面有较大的提高。 关键字：无线传感器网络，多频道技术，网络服务质量，网络拥塞 i n t e g r a t et h ec o m p u t i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k i n ga n ds e n s i n gi n t oo n et i n ye m b e d d e dd e v i c e ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki san e wr e s e a r c ha r e ae m b e d d e do ft h o s et e c h n o l o g y p e o p l ew a n tt o s h a r et h ec o m p u t i n gr e s o u r c ea n di n f o r m a t i o ns e r v i c ea n y w h e r ea n da n y t i m e i n t e g r a t e dw i t h s e n s o ru n i t ，d a t ap r o c e s s o ru n i ta n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t i n ys e n s o rn o d e sc a nf o r ma s e l f - o r g a n i z a t i o nn e t w o r k t os a m p l et h ee n v i r o n m e n td a t ao rm o n i t o rt h ee n v i r o n m e n t r e s e a r c h o ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kg r a d u a l l yg e t st h ef o c u sf r o mt h ei n d u s t r i a la n da c a d e m e i th a sa g r e a tf u t u r ei nt h em i l i t a r ya n dc i v i la r e a h o w e v e r , f o l l o w e db yt h em a t u r ea n dw i d e l yu s e do fw i r e l e s st e c h n o l o g y , w i r e l e s sn e t w o r k d e v i c e sh a v ea n dw i l ls p r e a da l lo v e ro u rl i v i n gs p a c e ，l i k ew i r e l e s sm o u s e ，k e y b o a r da n do t h e r k i n d so fb l u e t o o t hd e v i c e s t h eh u m a nw o r l di se n v i s i o n e dt ob er e p l e t ew i t hs m a r tw i r e l e s s d e v i c e si nt h en e a rf u t u r e w h e nt h e s ed e v i c e sa r ed e p l o y e di n o v e r l a p p i n go ra d j a c e n t g e o g r a p h i ca r e a s ，s o m ec o m m u n i c a t i o nb a n d sw i l lb ec r o w d e d b a s e do nt h et w op r e m i s em e n t i o n e d ，b yr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r so fw s na n dv a r i o u s k i n d so fm a c p r o t o c o lo fi t so v q n t od e a lw i t ht h ec r o w d e ds p e c t r u m ，w ep r o p o s eam e t h o d - - a m u l t i p l ec h a n n e lm a n a g e m e n tm i d d l e w a r ef o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h i si sd e s i g n e dt o e n a b l es i n g l e f r e q u e n c ym a cp r o t o c o l sw i t hm u l t i - f r e q u e n c yc a p a b i l i t y , s ot h a ta ne x i s t i n g m a c p r o t o c o ll i k eb e r k e l e yb - m a cc a na u t o m a t i c a l l ya d a p tt ot h el e a s tc o n g e s t e dp h y s i c a l f r e q u e n c yi nad y n a m i cr u n t i m es y s t e m w ea l s oi m p l e m e n t e ds u c ham e t h o di nt i n y o s2 1w i t h t o s s i ma n de v a l u a t e di t sp e r f o r m a n c e o u rp e r f o r m a n c er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i ss o f t w a r e g r e a t l yi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fe x i s t i n gs i n g l e - f r e q u e n c ym a c l i k eb m a c ，a n dr e s u l t si n h i g h e rp a c k e tr e c e p t i o nr a t i oa sw e l la ss y s t e mt h r o u g h p u tw h i l el o w e r i n gt h ep a c k e td e l a y k e y w o r d s ：w s n s ，m u l t i p l yf r e q u e n c y , n e t w o r kc o n g e s t i o n ，n e t w o r kc r o w d ，q o s 2 1 3 传感器网络协议栈8 2 2 传感器网络的特征1 0 2 2 1 传感器节点的限制10 2 2 2 传感器网络的特点1 2 2 3 应用现状1 4 2 4 本章小结15 第三章无线传感器网络m a c 协议的研究1 6 3 1 无线传感网络m a c 层分析1 6 3 1 1 无线信道特性1 6 3 1 2m a c 设计特性l6 3 2 典型m a c 协议。1 7 3 2 1s m a c 1 7 3 2 2t - m a c 2 0 3 2 3b m a c 。2 3 3 3 本章小结。2 7 第四章多频道技术在b m a c 协议上的设计2 8 4 1 多频道传输技术2 8 4 1 1 设计背景及思想2 8 4 1 2 前提与假设2 9 4 2 多频道技术在m a c 协议上的设计2 9 4 2 1 中间件接口设计。2 9 4 2 2 信道选择和相邻节点之间表的建立3 l i i i 5 2 测试环境3 8 5 2 1 软件环境3 8 5 2 2 网络环境3 9 5 3 测试结果与说明。3 9 5 3 1 数据接收率3 9 5 3 2 网络吞吐量4 0 5 3 3 平均时延4 1 5 4 本章小结4 l 第六章总结与展望4 2 6 1 总结4 2 6 2 展望。4 2 致谢z 1 4 参考文献4 5 发表论文4 8 i v 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 传感器网络由大量具有通信和计算能力的传感器节点构成，是可根据环境自主完成任 务的“智能”自组织分布式网络系统。其研究起步于2 0 世纪8 0 年代，集合了传感测量、 微电机系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 、嵌入式计算以及网络通信等多种学 科的最新成就，是一门新兴综合性科学技术，是现代高新技术领域的重要组成部分。2 0 0 0 年以来，随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，制造廉价、微型、低功耗、 多功能的传感器节点成为可能。由大量集成信息采集、数据处理和无线通信等功能的传感 节点组成的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n s ) 具有高可靠、容易部署和可 扩展等特点，正逐渐受到人们的重视，并获得迅速发展。 无线传感器网络由部署在监测区域内的大量传感节点组成，节点可通过测量目标的 热、红外、声纳、雷达或震动等信号获取温度、光强度、噪声、压力、运动物体大小、速 度和方向等目标属性，网络通过多节点协作，完成对感兴趣目标属性或事件的感知、采集 和处理，并及时告知用户。它具有如下优势：网络部署灵活，覆盖面广；节点密布，靠近 目标，可进行多角度、多方位和高精度的信息获取和综合，实现“以数量换质量 ：低成 本，高冗余的网络设计提供了高可靠性保证；分布式自组网，支持多用户多模式的并发访 问和任务实现等。传感器网络也可有效地用于事件检测、目标定位、跟踪和识别，在国防 军事、安全反恐、环境监测、交通管理、医疗卫生和工业生产制造等领域应用前景广阔。 如果说i n t e r n e t 改变了人与人之间的沟通方式，构成了逻辑上的信息世界，那么，传感器 网络将改变人与自然界的交互方式，可更加直接地感知客观世界，把逻辑上的信息世界和 客观上的物理世界融为一体，将大大扩展现有网络的功能和人类认识与改造世界的能力。 传感器网络巨大的科学意义和应用价值，已引起了世界各国学术界、军事部门和工业界的 极大关注。1 9 9 9 年的美国商业周刊和2 0 0 3 年的m i t 技术评论分别将其列为2 1 世纪最有 影响的技术和1 0 个即将改变世界的技术之一【1 1 。我国的无线传感器网络应用研究几乎与发 达国家同步启动，正逐渐成为热点，开展我国在该领域的相关研究，具有重要的社会、经 济意义和长远的战略意义和广阔的应用前景【2 1 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 1 2 研究现状 在传感器网络的研究中，节点能量的有限性【3 】制约了传感器网络的寿命，同时传感器 节点之间的无线链路也具有传输带宽低和容易出错的缺点，安全性也很难得到保证。为此， 设计易部署、功耗低、容错能力强、安全的传感器网络是当前研究的一个重要内容。 一些国家的政府机构非常重视这一领域的研究。如美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 和美国国家科学基金( n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ， q s f ) 投入了资金支持高校和科研机构 研究无线传感器网络。有关w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 的代表性的研究项目有： 1 u a m p s u a m p s 4 】它是m t i 的关于无线传感器网络的一个研究项目。该项目的目标是为实现自 适应的能量感知的分布式微传感器而开发的一种框架。研究的重点在信号和能量调节，通 信以及协作等，并不关注某个具体的应用，而是希望提供一个能量高效和可扩展的传感器 网络应用的解决方案。研究者们发现，相比于传统的无线多媒体网络，分布的微型传感器 网络的特点主要有：低传输距离( 1 0 m ) ，低传输速率( 通常 k b ) 、需要相互协作( 传感数 据融合) 、有限的电池容量( 电压限制) 和随时间变化的资源( 如能量) 和质量要求。 因此，研究者们的重点是在网络系统各层提供新的基于能量优化的解决方法，如物理 层( 收发器设计) ，数据链路层( 打包和封装) ，媒体访问层( 多用户通信) ，网络传输层( 路由 和聚合方法) ，会话表示层( 实时的分布式0 5 ) ，以及应用层( 新的应用) 等。 2 b i o m e d i c a ls e n s o r s 项目 b i o m e d i c a ls e n s o r s i s 是在由美国n s f 赞助的n w s ( n e t w o r k i n gw i t l e s ss e n s o r s ) 实验 室开展的研究工作。该实验室在无线传感器网络的协议方面开展了广泛的研究，其具有代 表性的传感器网络研究项目有b i o m e d i c a ls e n s o r s 项目和e n v i r o n m e n t a ls e n s o r s 项目。 b i o m e d i c a ls e n s o r s 项目的研究内容是开发一种网络协议，以支持在人造视网膜或表皮 移植体与外部的眼镜之间的数据和控制信息的无线传输，在外部的眼镜上有一个内置的摄 像机用于一记录和处理图像。该项目的目标是希望能够恢复视弱者和盲人的视觉。 e n v i r o n m e n t a ls e n s o r s 项目将利用传感器来检测如水中的大肠感菌的含量指标。这些 传感器的测量值通过分布的无线传感器网络聚集，并需要传送到基站以供进一步的分析和 保存等。研究者们的重点是考虑到传感器节点在有限的处理和存储能力的情况下，如何确 保这些信息能被鉴别并被安全地传输。该研究在公共海岸线的污染即时检测方面有着很广 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 的应用前景。 3 i s i s ：s e n s o rf u s i o n 项目 i s i s ( i n f o r m a t i o ns y s t e m sf o ri n d u s t r i a lc o n t r o la n ds u p e r v i s i o n ) 的s e n s o rf u s i o n 项目【6 】 是关于传感器网络在传感数据融合方面的一个研究项目，该项目研究的重点在目标跟踪， 导航和定位等应用。在此类的应用中，状态向量包括位置、速度和其他动态状态，而测量 值来自回转仪、加速计、g p s 和雷达等传感器，所要解决的问题就是通过这些给定的测量 值估算出状态值。研究者为此开发了一种微小过滤算法( p a r t i c l ef i l t e ra l g o r i t h m s ) ，非常适 用与传感器融合( s e n s o rf u s i o n ) ，其中不同类型的传感器信息将实现与来自数字地图的信 息融合。该项目已有很多应用： ( 1 ) 地形导航( t e r r a i n n a v i g a t i o n ) 。在该应用中，一架飞机的位置自动由来自惯性导 航系统、数字地图和雷达高度的测量值的融合来决定。通过测量沿着飞行路径的地形高度 变化，再与数字地图相比较，就可以获得飞机的位置。 ( 2 ) 水下航行( u n d e r w a t e rn a v i g a t i o n ) 。使用声纳深度测量器，上述的地形导航可以 扩展到水下导航中，只要将地形地图替换成水下地形地图并使用类似的惯性传感器即可。 ( 3 ) 地图辅助的汽车定位( m a pa i d e dp o s i t i o n i n gf o rv e h i c l e s ) 。地形导航系统也可以 应用在汽车上，只要有一副街道地图即可。汽车的速度将与街道地图相比较，经过几个转 弯后，通常可以找到正确的位置。另外结合无线传感器网络技术，该项目还可以应用在诸 如目标跟踪( t a r g e tt r a c k i n g ) ，移动终端定位( m o b i l et e r m i n a lp o s i t i o n i n g ) 等领域。 4 l e a c h 项目 由m i t 人工智能实验室发起的l e a c h ( l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) 项目 【刀是关于传感器网络路由协议研究的项目。l e a c h 是为传感器网络所设计的，在其中终端 用户可以远程监控环境。在这种情况下，来自单个节点的数据必须被发送到中心基站，通 常是与传感器网络隔得较远，通过基站终端用户可以访问到数据。l e a c h 的网络协议研 究希望可以满足下列的要求：使用1 0 0 1 0 0 0 节点、最大化系统使用寿命( 1 i f e t i m e ) 、最 大化网络的覆盖范围和使用统一的电池供电的节点。l e a c h 协议包括了分布式的簇形成， 减少全局通信的局部化处理，对簇头的随机旋转等。模拟实验表明l e a c h 是一种能量高 效的协议，可以延长系统的使用寿命。 5 s e n s o n e t 项目 由b w n ( b o r l a n d & w i r e l e s sn e t w o r kl a b ) 实验室开展的s e n s o n e tp r o j e c t ，也是针对传 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 感器网络协议的研究项引引。随着可以集成到单个芯片的通信组件数目的增多，低功耗但 数量多的传感器将成为可能。这些微型的传感器可以被部署到很多行业中，如运输、卫生 保健、灾难救助、战场、安全，甚至是空间探索等。通过利用无线链路将这些微型传感器 节点互联起来，他们可以执行传统的单个传感器节点所完成的任务，如在灾区检测危险点。 开发将这些传感器节点的集合连接到固定网的联网机制，以提供可靠的服务，以及相 互协作的环境在很多应用中都非常重要。传感器网络一般具有下列独特的性质，如传感器 网络的拓扑结构变动频繁；传感器节点使用广播的通信模式，而很多其他网络使用点到点 的通信；传感器节点在能量、计算性能和存储上都非常有限；传感器节点非常容易失效； 传感器节点可能不含有一个全局的标识号( i d ) ；传感器节点通常是以很多数量密集地布置 的。针对这些传感器网络的特有性质，b w n 实验室在无传感器网络的通信协议、可靠的 传输协议、路由协议、数据链路层的协议( m a c 及错误控制) 、电源管理、时钟同步、定位 以及物理层设计等方面开展了深入的研究。 6 s m a r t d u s t 项目 由加州大学伯克利分校开展的s m a r td u s t 项引9 1 ，其目标是为展示一个完整的传感通 信系统可以集成到一个立方体状的毫米级的包中。这包括了在小型化、集成和能量管理方 面的改进式和革命式的提高。研究者并不专注于某种特定的传感器。由于受d a r p a 的赞 助，研究者演示了s m a r td u s t 在军事相关方面的应用，另外研究者也在商业领域开展了一 些示范应用。 除此之外，s m a r td u s t 还可以在以下很多领域中获得应用，如国防相关的传感器网络： 战场监视、谈判监控、运输监控等；产品质量监控：对肉类食品、商品和日用商品的温度、 湿度等的监控，以及对消费类电子产品的碰撞、振动的监控和临时监控；智能办公空间， 也许我们可以穿着温度、湿度和环境舒适的传感器，它们缝制在我们的衣服中，这些传感 器会持续地跟我们的工作空间交互，以使工作空间释放按我们的需求裁剪的条件。 7 w i n s 项目 w i n s ( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s ) 项引1 0 1 由u c l a 电子工程系开展的研究工 作。w i n s 提供了分布式的网络，以及到传感器节点的i n t e m e t 连接，控制和处理器嵌入的 装置、设备和环境中。w i n s 在一个紧凑的系统中组合了微传感器技术、低功耗信号处理、 低功耗计算、低功耗的无线网络通信计算等。w i n s 网络将在建筑、原料和环境方面提集 传感和局部控制的嵌入式智能系统。w i n s 网络将是一种新的监控和控制方式，在运输业、 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 制造业、卫生保健、环境监控和安全保险等领域都有广泛的应用前景。 w i n s 信息技术依赖于m e m s ( m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) ，m e m s 是一种将机 械装置，如液体传感器、反射镜、激励器、振动传感器等嵌入到半导体芯片中的传感器系 统。在w i n s 网络中，分布式的m e n s 提供在物理世界和以指数增长的信息设备之间的一 个桥梁。该技术将传感和智能体嵌入到已有和新的产品中。该研究工作将会使u s e r - t o u s e r 的网络服务转换成u s e r - t o p h y s i c a lw o r l d 的网络。从而可以使用户有能力进行全局范围的 远程观察和控制。 8 r e t i n a lp r o s t h e s i s 项目 r e t i n a lp r o s t h e s i s 项目【1 1 】是有美国北卡罗来纳州立大学( n c s u ) 确立的一个将无线传 感器技术应用于人造视网膜，以帮组视力缺陷者恢复视力的一个研究项目。 9 s e n s o r w e b s 项目 由美国国家航空和宇宙航行局( n a s a ) 发起的s e n s o r w e b s 项目1 1 2 】，也是关于无线传 感器网络的一个重要的研究项目。s e n s o rw e b s 将是一种新型的监控和探测环境的手段。 s e n s o rw e b 是一种独立的网络，有无线的内部通信的传感器节点组成，这些传感器节点被 部署以监控和探测无限范围的环境。这些传感器设备可以被裁减以符合所要探测的环境条 件约束。 研究者对s e n s o rw e b 的设计，使得其可以应用在任何环境之下，如行星的寒冷干燥的 表层、潮湿的热带雨林、农作物养料的浓度、地下水中有毒物质的流动情况、监控高速公 路的堵车情况，或者一个办公楼的环境状况等。 我国在传感器网络方面的研究工作已有不少成果。国内一些高等院校与研究机构已积 极开展无线传感器网络的相关研究工作，主要有清华大学、中科院软件所、浙江大学、哈 尔滨工业大学、中科院自动化所、中国人民大学、国防科技大学等。但在支持无线传感器 网络的无线通信技术研究尚不多见。随着无线传感器网络应用的日益发展和不断深入，支 持无线传感器网络的操微型操作系统的研究以及无线传感器通信技术的研究，将成为未来 无线传感器网络应用的发展趋势和热点 1 3 】。 集成了传感器、微机电系统和网络三大关键技术的无线传感器网络是一种全新的信息 获取和处理技术。无线传感器网络的理论模型研究和具体应用研究都对研究者们提出了新 的挑战。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 1 3 本文主要工作与组织结构 本文的主要研究工作有： ( 1 ) 基于对传感器网络和m a c 协议的研究，针对无线网络的拥塞问题，提出了一种 多频道技术的应用方法。 ( 2 ) 论述了基于多频道技术的实现方法，说明了如何在物理层和m a c 层之间设计中 间件结构及相关接口，实现了相邻节点间的通信机制，达到了节点间能正确选择空闲信道 并有效通信的目的。 ( 3 ) 通过仿真实验验证了该方法的合理性和可行性。仿真实验的结果表明，多频道 技术用于当前单频谱m a c 协议时，可使单频道的m a c 协议有了多频道的并行通信功能， 有效地缓解了网络拥塞的状况，减少了延时，增加了带宽的利用率以及提高了网络吞吐量 等。 ( 4 ) 本文的研究工作有助于提高现有无线传感网络单频谱m a c 协议的拥塞控制性 能，使得该m a c 协议具有多频道功能，有利于实施无线传感器网络的q o s 保证。 本文共分六章，其组织结构如下： 第一章论述了本文研究工作的背景与研究现状，说明了主要研究工作和论文组织结 构。 第二章介绍了w s n s 的概念，描述了w s n s 网络体系结构、特征以及应用现状。 第三章研究了m a c 相关技术，着重分析了w s n s 的典型m a c 协议。 第四章基于b m a c 协议，提出了一种基于现有单频b m a c 协议基础上的多频道技 术应用方法，使得现有w s n 单频谱m a c 协议可以实现多频道并行通信的功能。 第五章给出了多频道技术在无线传感网络中的仿真实验，验证了多频道技术在解决无 线传感器网络拥塞控制方面的合理性和有效性，说明了使用该中间件的无线传感网络在传 输和系统性能方面都有较大的提高。 第六章总结了本文的主要研究工作，展望了下一步工作方向。 6 随着计算机及相关技术的发展，使得将计算、通信、网络与传感等功能都集成在一个 设备成为可能，无线传感器网络正是这些技术紧密结合的一种典型实例。集成有传感部件、 微处理器和通信模块的微型传感器节点通过自组织的方式构成无线传感器网络，完成对环 境的数据采集和监测任务。无线传感器网络己成为研究热点并有着广阔的应用前景。 2 1 无线传感器网络体系结构 2 1 1 传感器网络结构 传感器网络系统通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节 点。大量传感器节点随机部署在检测区域( s e n s o rf i e l d ) 内部或附近，能够通过自组织方 式构成网络。传感器节点监视的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中 监视数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达 管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务以及收集检测 数据。传感器网络结构如图2 1 所示。 检弼区域 传盛暑节点 图2 1 传感器网络体系结构 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对 较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节 点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发 来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。目前传 感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。 7 南京邮电大学硕士研究牛学位论文 第二章无线传感器网络 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络和i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议之间的通信协议转换，同时发布管理节点的检测任务，并把收 集的数据转发到外部网络上。汇聚节点即可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够 的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有检测功能仅带有无线通信接口的特殊 网关设备。 2 1 2 传感器节点结构 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，构成无线传感器网络的基础支持平台【1 4 】。 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块【1 5 】四部分组成，如 图2 - 2 所示。传感器模块负责检测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整 个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模 块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据，能量供应模块为 传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。 传感嚣模块处理嚣模块无线通信模块 网。 区m 蚰叵拒 倒、 tt丁 能量供应模块 2 1 3 传感器网络协议栈 图2 2 传感器节点体系结构 随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。图2 3 ( a ) 所示的是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层 和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动 管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工 作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享1 1 6 】。各层协议和平台 的功能如下： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线传感器网络 ( 1 ) 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术； ( 2 ) 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制； ( 3 ) 网络层主要负责路由生成和路由选择； ( 4 ) 传输层负责数据流的传输控制，似乎保证通信服务质量的重要部分； ( 5 ) 应用层包括一系列基于检测任务的应用软件； ( 6 ) 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能 量： ( 7 ) 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传 感器节点能够动态跟踪其邻居的位置； ( 8 ) 任务管理平台在一个给定的区域平衡和调度检测任务。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物哩层 琵 里 管 理 正 台 移 动 管 理 平 台 任 务 管 理 平 台 图2 3 传感器网络协议栈 图2 3 ( b ) 所示的协议栈细化并改进了原始模型【1 刀【1 8 1 。定位和时间同步子层在协议栈 中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协同定位和时间同步协商，同时又 要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的m a c 协议，基于地理位置的路由协 议等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。将图2 3 ( b ) 右边的诸多机制一部分融 入到图2 3 ( a ) 所示的各层协议中，可用以优化和管理协议流程；另一部分独立在协议外 层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如能量管理，在2 3 ( a ) 中的 每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统能量分配决策；q o s 管理在各 协议层设计队列管理、优先级机制或者宽带预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处 理：拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息 支持，优化m a c 协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗；网络 管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制 9 南京邮电大学硕十研究生学位论文第二章无线传感器网络 网络中各个协议组件的运行。 2 2 传感器网络的特征 2 2 1 传感器节点的限制 传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。 1 电源能量有限 传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本 要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感 器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命 周期是传感器网络面临的重要挑战。 通 信 图2 4 传感器节点能量消耗情况 传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成 电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模 块上。图2 4 所示是d e b o r a he s t r i n 在m o b i c o m2 0 0 2 会议上的特邀报告( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，p a r ti v s e n s o rn e t w o r kp r o t o c o l s ) 中所述传感器节点各部分能量消耗的情况，从 图2 - 4 中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息时要 比执行计算时更消耗电能，传输l 比特信息1 0 0 m 距离需要的能量大约相当于执行3 0 0 0 条 计算指令消耗的能量。 无线通信模块存在发送、接受、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直 1 0 南京邮电大学硕七研究生学位论文第二章无线传感器网络 监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。 从图2 - 4 中可以看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态 的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最小。如何让网络 通信更有效率，减少不必要的转发和接手，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是传感器网 络协议设计需要重点考虑的问题。 2 通信能力有限 无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：e - - j 燎。其中，参数n 满足关系2 n c + r + t 其中，c 为竞争信道时间，r 为发送r t s 分组的时间，t 为r t s 分组结束到发出c t s 分 组开始的时间，如图3 5 所示。 c l l ；f ( 1 ) s - m a ct t , i ：= c 的基本机制 i filf l l 江门【lt 直t at a 舱c 厂 l 厂f f a 哆t - m a c t 燃基本机制 图3 4s m a c 和t - m a c 的基本棚告i | 2 1 南京邮电大学硕士研究牛学位论文 第三章无线传感器网络m a c 协议的研究 图3 5t m a c 协议的基本数据交换 2 早睡问题 通常传感器网络存在多个传感器节点向一个或少数几个汇聚节点传输数据的单向通 信方式。例如数据传输方向是a _ b _ c d 。如果节点a 通过竞争首先获得发送数据到节 点b 的通信机会，节点a 发送r t s 消息给节点b ，节点b 应答c t s 消息。节点c 收到节 点b 发出的c t s 消息而转入睡眠状态，在节点b 接受完数据后醒来，以便接收数据b 发 送给它的数据。d 可能不知道节点a 和b 的通信存在，在节点a b 的通信结束后已经处 于睡眠状态，这样c 只能等到下一个周期才能传输数据到节点d 。这种通信延迟成为早睡 问题( e a r l y s l e e pp r o b l e m ) 。 t - m a c 协议提出两种方法解决早睡问题。第一种方法称为未来请求发送( f u t u r e r e q u e s t t o s e n d ，f r t s ) 。当节点c 收到b 发送给a 的c t s 分组后，立刻向下一跳的接收 者d 发送f r t s 分组。f r t s 分组包含节点d 接收数据前需要等待的时间长度，节点d 要 在睡眠相应长度的时间后醒来接受数据。由于节点c 发送的f r t s 分组可能干扰节点a 发 送的数据，所以节点a 需要推迟发送数据的时间。节点a 通过在接收到c t s 分组后发送 一个与f r t s 分组长度相同的d s ( d a t a s e n d ) 分组实现对信道的占用。d s 分组不包含有 用信息。节点a 在d s 分组之后开始发送正常的数据信息。f r t s 方法可以提高吞吐率， 但是d s 分组和f r t s 分组带来了额外的通信开销。 另一种方法称作满缓冲区优先( f u l lb u f f e rp r i o r i t y ) 。当节点的缓冲区接近占满时，对 收到的r t s 不作应答，而是立即向目标接收者发送r t s 消息，并传输数据给目标节点， 如节点b 向节点c 发送r t s 分组，节点c 因其缓冲区快满不发送c t s ，而是向节点d 发 送r t s ，将它的数据发送给节点d 。这个方法的优点是减少了早睡问题发生的可能性，并 起到一定的网络流量的控制作用，带来的问题是增加了冲突的可能性。 t - m a c 协议根据当前的网络通信情况，通过提前结束活动周期来减少空闲侦听，但带 来了早睡问题。t - m a c 为解决早睡问题提出了未来请求发送和满缓冲区优先两种方案，但 2 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章无线传感器网络m a c 协议的研究 都不是很理想。t - m a c 协议的使用场合还需要进一步研究；对网络动态拓扑结构变换的适 应性也需要进一步研究。 3 2 3b m a c 加州大学伯克利分校( u c b ) 开发的伯克利媒介访问控制( b e r k e l e ym e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 ) 协议用于低功率w s n 。b m a c 有一个小内核，分解高层功能，其设计和实现比 较简单。通过分解一些高层功能和接受高层服务控制使得b m a c x 协议能够支持多w s n 流量。b m a c 协议设计模式不同于标准的b m a c 协议。b m a c 协议不追求完整，是一 种为通用流量而优化的m a c 协议。 1 b m a c 设计目标 尽管现有的s m a c 以及t - m a c 在一定的条件下很好地满足了无线传感器m a c 层需 求，但是由于网络条件的恶劣以及不可预计的网络拓扑结构变化，网络无法避免出现灰色 区域【2 2 】的状况，灰色区域是指在某区域内，一些节点的能够成功接收大于9 0 以上的数据 包，但是其邻居节点接收数据包的成功率却不超过5 0 ，此外，面对与m a c 层之上的不 同应用，现有的s - m a c 和t -