（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络中smac协议的分析与改进.pdf

四川i 大学硕士学位论史 无线传感器网络中s - m a c 协议的分析与改进 摘要 计算机应用技术 研究生：樊龙指导老师：吕光宏 无线传感器网络用于收集和传输环境数据，由大量无线的低功耗小传感器 组成。这些微小的传感器节点具有数据处理、通信和感应部件。通常，传感器 节点的价格都很便宜，以便于能够被大规模地部署到目标地域。 无线传感器网络在多个领域都具有广泛的应用，例如，环境监控、军事目 的和在无人区收集传感信息r 1 。它们促进了远程自然环境监视与控制，而且 相对于传统方式具有更好的准确性。 无论哪一种实际应用，无线传感器网络都面i 临着许多独特的技术挑战。这 主要是因为在这种网络中节点能量非常有限，a dh o c 方式的节点部署，节点一 旦部署就处于无人看守状态，网络拓朴动态变化，等等原因。由于节点能量直 接决定了网络的寿命。因此，能量效率闻题在所有问题中始终处于主导地位。 正因如此，无线传感器网络将极大地受限于能量和计算。 无线传感器网络研究中，m a c ( m e d i aa c c e s sc o n l ，0 1 ) 协议是一个研究热 点。本文主要是在研究著名的自适直s - m a c ( s e n s o r - m a c ) 协议的基础之上，对 s - m a c 在延迟方面进行了改进。根据载波侦听范围大约是传输范围的两倍这一 原理，位于传输路径上的节点虽然不在传输范围内，但是可以监听到有传输在 进行。我们的主要改进是让这类传输路径上的节点提前醒来，而不必等到下一 个休眠监听周期，以便于分组可以在此路径上连续地传输到目的节点，从而提 高了网络传输速度，降低了系统端到端延迟。为了降低系统能耗，我们还做些 其它的改进，例如，减少无效的自适应监听节点数量。缩短节点自适应监听的 时间。 四川大学硕士学位论文 我们通过自己编写的网络模拟软件验证了该方案能改善了无线传感器网 络的延迟和能效，而无需额外的篚量耗费，特别适用于对延迟要求严格的无线 传感器网络应用。 关键词：无线传感器网络、s - m a c 、自适应 四川大学硕士学位论文 a n a l y s i sa n di m p r o v e m e n t o fs - m a cf o r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s m a j o r ：c o m p u t e r a p p l i c a t i o n p o s t g r a d u a t e ：l o n gf a ns u p e r v i s o r ：o u a a g h o n gl v 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 sc o n s i s to fd e n s e ，w i r e l e s s , l o w - c o s ta n ds i n a i l s e n s o r s w h i c hc o l l e c ta n dd i s s e m i n a t ee n v i r o n m e n t a ld a t a t h e s et i n y s e n s o rn o d e sh a v es e n s i n g ，d a t ep r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i n gc o m p o n e n t s t h e ya r eu s u a l i ys oc h e a p 也教t h e y c 3 nb ed e p t o y e dt ot h ed e s t i n a t i o na r e a o nal a r g es c a l e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v ea p p l i c a t i o n si nav a r i e t yo ff i e l d ss u c ha s e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ，m i l i t a r yp u r p o s e s a n d g a t h e r i n gs e n s i n g i n f o r m a t i o ni ni n h o s p i t a b l ei o c a u o n s 【1 】。1 1 1 e yf a d l i t a t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n go fp h y s i c a le n v i r o n m e n t sf r o mr e m o t el o c a t i o n sw i t h b e t t e r a c c u r a c yc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a if a s h i o n i ns p i t eo ft h ed i v e r s ea p p l i c a t i o n s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sp o s ea n u m b e ro fu n i q u et e c h n i c a ic h a l l e n g e sd u et ot h e s ef a c t o r s ：as m a l ja n d f i n i t es o u r c eo fe n e r g y ，a dh o cd e p l o y m e n t , u n a t t e n d e do p e r a t i o nn o d e s ， d y n a m i cc h a n g e dn e t w o r k se n v i r o n m e n t , a n ds oo n b e c a u s eo ft h el i f eo f t h en e t w o r k sl i e so nt h ee n e r g ya m o u r l to ft h es e n s o rn o d e s , e n e r g y e f f i c i e n c yi sad o m i n a n tc o n s i d e r a t i o nn om a t t e rw h a tt h ep r o b l e mj s t h e r e f o r e , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v ev a r i o u se n e r g ya n dc o m p u t a t i o n a l c o n s t r a i n t s 1 1 1 er e s e a r c ho fm a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) p r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k si saf o c u s a f t e rs t u d y i n go ft h ef a m o u sa d a p t i v e 孓m a c m 四川大学硕士学位论文 ( s e n s o r - l v l a c ) p r o t o c o l ，t h i sp a p e rm a i n l yp r o p o s e st h em o d i f i e ds c h e m eo n d e l a y a c c o r d i n gt h e 角c t 埔a tt h ec a r r i e rs e n s i n gr a n g ei sa l m o s tt w i c et h e a c t u a lt r a n s m i s s i o nr a n g e , t h en o d e s l o c a t i n gi nt h ec a r d e rs e n s i n gr a n g eb u t n o tw i t h i nt h et r a n s m i s s i o nr a n g eo fas e n d e rc a ns e n s et h ef a c tm a tt h e s e n d e rh a st r a n s m i t t e ds o m e t h i n g , b u tc a n n o tc o r r e c t l yd e c o d ew h a ti tr e a l l y i s 0 u rm o d i f i e ds c h e m em a k et h ek i n do fs l e e pn o d e so nt h er o u u n gp a t h w a k eu p e a r l yw i t h o u tw a i t i n gf o rt h en e x tl i s t e n s l e e po d e , s ot h ep a c k e t c a nb ec o n s e c u t i v e l yt r a n s m i t t e dt ot h ed e s t i n a t i o n n o d e t h e r e f o r e , t t a n s m i s s i o ns p e e do ft h en e t w o r k sc a nb ei n c r e a s e d ，a n dt h es y s t e md e l a y o fe n dt oe n dc a nb er e d u c e d t op l a yd o w nt h ee n e r g ya m o u n to fs y s t e m c o n s u m e d ，w eh a v ed o n et h eo t h e rc h a n g e , s u c ha sr e d u d n gt h en u m b e r o f u s e l e s sa d a p t i v en o d e s ，s h o r t e nt h ei n t e r v a io fa d a p t j v ei i s t e n u s i n gt h en e t w o r k ss i m u l a t o rs o f t w a r et t l a tw ew m t es p e c i a l j y ，w es h o w o u rm o d i f i e ds c h e m ec a ni m p r o v et h es y s t e md e l a yw i t h o u ta d d i u o n a l e n e r g yc o n s u m e d i ti se s p e c i a l l ya p p l i c a b t et ot h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a p p l i c a u o n st h a tr e q u i r ed e l a ys t r i c t l y k e y w o r d s ：w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s , s - m a c ，a d a p t i v e i v 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景介绍 无线传感器网络融合了现代通信、微电子机械系统( m e m s ) 和微电子等领 域的最新技术，它是由大量具有无线通信和计算能力的低功耗微小传感器通过 无线方式连接组织在一起的，相互协作与物理世界进行交互，共同完成特定应 用任务的网络。 无线传感器网络具有多种应用例如环境监测、地震监测、军事监视、智 能空间等等。事实上，依赖于遍布在自然界中的微传感器，传感器网络有潜力 变革目前我们使用的传统方法，并构造出复杂的物理系统，从而能够更加深刻 地提高我们对世界的控制和认知能力 无线传感器网络面临许多独特的技术挑战： 1 自组网式部署( a dh o cd e p l o y m e n t ) ：大量的传感器节点将被部署到一 个没有任何基础设施的区域。一种在森林中的典型部署方式是用飞机抛撤传感 器节点。在这样的条件下，网络连通性和分布状态都全靠节点自己来确定。 2 自动配置：在多数情况下，传感器网络一旦部署，将处于无人直接控制 的状态。对于网络及环境的任何变化，节点自身将负责重新配置 3 能量有限：传感器节点一股使用电池作为能源，而且一般不便于更换电 池，因此，有限的能源必须在处理和通信中进行优化利用。一个很有趣的情况 是通信耗能大于处理耗能这样，为了更好地利用能量，透信量应该尽可能地 减少，这跟传统网络相比是一个重要区别。 4 动态变化：传感器网络系统应该能够适应网络连通性的变化( 例如，增 加节点，节点失效等等) 和环境的变化。 由于上述问题，无线传感器网络技术与传统网络技术有很大区别。不同于 传统网络主要把目光放在最大化通信信道和最小化节点配置上，无线传感器网 络主要关注最大化系统生存时间和增强系统鲁棒性。 美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，将无线传感器网络 列为第一项未来新兴技术，商业周刊预测的未来四大新技术中，无线传感 器网络也位列其中。据b & be l e c t r o n i c s 和s e n s i c a s ts y s t e m s 2 0 0 6 年1 月进行的 一项在线调查显示，在2 0 0 家工业终端用户及系统集成商中，有超过s o 的公 l 璺型奎兰曼圭兰堡望兰 司正考虑在2 0 0 6 年配置无线传感器网络因此，可以预计，无线传感器网络 的广泛应用是种必然趋势，它将会给人类社会带来极大的变革。 1 2 媒体访问技术现状 与传统无线网络一样，m a c 层协议也是无线传感器网络研究中的一个热点 问题m a c 层主要负责实现网络的自组织和节能节点被随机部署后，h a c 层协议实现节点间链路的建立，保证所有的节点可以公平、有效地利用有限的 带宽。因此，在节点密集的无线传感器网络中，m a c 设计是一个难题，它必须 在高能效工作方式中进行解决目前主流的h a c 控制基本上都使用了定期休眠 技术，即节点在确认不需要通信时，则关闭费电的无线电收发器，进入休眠状 态( 这种状态下节点能耗一般只有正常工作状态下能耗的几十分之一，是一种 比较节能的状态) 。休眠一段时问后节点定时醒来进入清醒状态，必要的通信 则在此状态进行，如此周而复始。目前研究者已经提出了很多h a c 层设计的建 议方案，大致可以划分为两大类【9 1 ： 1 2 1 固定分配类 固定分配类m a c 层协议主要有频分多址接入( f d m a ) 、时分多址接入 ( t d m a ) ，码分多址接入( c d m a ) 三种；现在的m a c 协议主要有s h a c s 、e a r 、 t r a h a 等。 l 、s h a c s 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 lf o rs e n s o rn e t w o r k s ) 协 议 1 1 是分布式的协议，无需任何全局或局部主节点就能发现邻节点并 建立传输，接收调度表。s m a 6 采用多信道，且用中心调度方式来对信道进行 分配。节点的射频模块可在不同的信道采用不同的频率，从而降低了冲突发生 的概率。虽然各子网内邻节点通信需要时间同步，但全网并不需要同步。在链 接阶段使用一个随机唤醒机制，在空闲时关掉无线收发装置，来达到节能的目 的e a r 协议用于固定节点和移动节点问的通信，它是s m a c s 协议的补充。采 用e a r 协议的无线传感器网络中，连接的建立和断开完全由移动节点来负责， 并且以信噪比的值来决定是否要断开连接。 2 堕盟奎兰堡主兰堡堡苎 s m a c s 的缺点是从属于不同子网的节点可能永远得不到通信的机会。 e a r 算法只适用于那些整体上保持静止，且个别移动节点周围有多个静止节点 的网络。 2 、t r a m a t r a h a ( t r a f f i c - a d a p t i v eh e d i u ma c c e s s ) 【i i 是基于能量的协议，它用 两种技术来节能：用基于流量的传输调度表来避免可能在接收者发生的数据包 冲突；使节点在无接收要求时进入低能耗模式。1 柬 h a 将时间分成时隙，按 照一定的规则选出能量最低的节点。为其分配时隙。在此时隙内，节点可以工 作或睡眠。当某一节点携带的能量比选举出的节点具有的能量低时，它进入选 举阶段。如此反复，各节点间的能量将会得到有效平衡，从而延长了网络的生 存期。 1 2 2 基于竞争类 竞争”的含义是，连接到信道上的节点遵循某种规则竞争信道，得到使用 权的节点可以进行通信。基于竞争类的m a c 层协议有s - h a c 、1 1 m e o u t - m a c ( m a c ) 和w i s e h a c 等。 l 、孓m a c 孓h a c 及其改进的自适应s - h a c 是著名的无线传感器网络h a c 协议。 s - h a c 协议沿用了i e e e8 0 2 1 1 协议的冲突避免方式，除此之外还采用了工作， 休眠策略，将时间分为帧，每一帧内分为工作阶段和休眠阶段。孓m a c 的基本 思想是局部管理同步和基于同步的周期性休眠一工作。邻接的节点形成虚拟簇 来i 殳置一个共同的休眠计划。如果两个相邻节点分属两个不同的虚拟簇，则他 们在两个簇的监听周期都会被唤醒。没有通信任务时，节点转入休眠状态，并 缓存采集到的数据；进入工作阶段集中发送数据。因此，争m a c 具有很好的节 能特性，它满足了m a c 层协议对各性能闻平衡的要求，能量和延迟之间可以根 据流量来进行折中。 节点通过周期性的将s y n c 分组广播给直接相邻的节点，来完成时间表的 交流。这种节点发送s y n c 分组的周期被称为同步周期。图1 - 1 描述了一个发送 者与接收者通信的侧子冲突避免是通过载波侦听来实现的，后者在图中被描 述成c s 。此外，r s t c l s 分组交换是使用的单播数据分组。 3 四川大学硕士学位论文 叵五珥二 8 _ w w , r h 舯叱h 寞ha d c t s 图i - i 发送者与接收者通信 孓h a c 一个重要特征是长的信息被分成帧并以突发方式发送使用这种技 术可以在花费并不公平的媒体访问中通过最小化通信费用达到能量节约的目 的 由于每个邻按节点都有自己的休眠时间表，所以周期性体眠在多跳路由算 法中很可能导致较高的延迟由于周期性休眠导致的延迟被称为休眠延迟。改 进后的s - m a c ( 也被称为自适应的s - m a c ) 技术用来改进休眠延迟，这样对整个 延迟也有所改进。在这种技术中，节点监听相邻节点的发送，并在发送的末尾 短时醒来。因此，如果节点正好是下一跳的节点，它的邻居就可以立刻传送数 据。发送期末可以从r t s c t s q - 组中的d u r a u i o n 域中得知 优点：通过休眠时间表空闲监听的能量浪费减少了另外，它的实现简单， 时间同步费用可以通过休眠时间表公告来减少。 缺点：如果分组不是传送给监听节点的，那么适应监听技术可能招致串音 或空闲监听。为形成虚拟簇而在每个循环周期进行的同步将耗费一定的能量 休眠和监听周期是被预定义的常量。这样在通信负载变化的情况下会降低能量 效率。 2 、下h a c 下m a c 协议与s - m a c 协议实现机制基本相同，也采用了帧的概念。它通过 设置细微的超时问隔( f i n e - g r a i n e dt j m e o u t s ) 来动态选择占空比，从而可以 减少闲时侦听信道所消耗的能量，延长了网络的生命期。 3 、w i s e m a c w i s e m a c 协议的特别之处在于，发送节点在收到数据确认包的同时可以 4 些业丕兰堡主兰堡堡苎 获得接收节点下一次的信道侦听时间，由此发送节点可获得其所有邻居节点的 信道侦听时间，简化了唤醒机制的实现。 1 3 其它关健技术 l 、 能量效率：能量效率问题是无线传感器网络中最主要的问题。这主 要是因为传感器节点只有少量有限的能源无论硬件还是软件，大多数设计方 案都提出了能量利用的优化。 2 、 路由：通信费用在路由技术的选择使用上扮演着重要的角色因为 能量方面的考虑要求只进行少量最基本的路由，因此传统的路由方案在此已不 再适用。 3 、 媒体访问控制：传感器节点的无线通信范围很小，这导致了网络节 点相对密集。m a c 协议还必须面对能量约束问题。媒体访问控制技术是无线传 感器网络中的一个重要问题，也是一个难点问题，是目前研究的一个热点，也 是本文关注的方向。 4 、 定位：在多数情况下，传感器节点都是以自组网方式进行部署。节 点自身确定自己所处的空间坐标系统也是一个较为棘手的问题。 1 4 本文的主要工作 正如前面所述，能量效率问题是无线传感器网络中最主要的问题。为解 决能量效率问题，无线传感器网络在设计的每个环节都需要考虑能量消耗的 问题。在m a c 协议的设计上也不例外目前，主流的m a c 协议基本上都使 用了定期休眠技术，即节点在确认不需要通信时，则关闭费电的无线电收发 器，从而达到节能的目的。休眠技术的使用所必须付出的代价是系统的端到 端延迟非常的严重。对于实时性要求较高的应用领域，延迟问题将成为无线 传感器网络技术中的一个瓶颈。 针对这种情况，我们在研究s - m a c 协议的基础上，进一步深化了自适应 监听技术在s - m a c 中的应用。当节点没有数据处理时，它们绝大多数时间处 于休眠状态，而当数据来临时，它们很快变得活跃，并积极投身数据传输。 那些感觉到了数据传输就在身边的节点将尽可能地参与自适应传输，而且在 堕! ! ! 查兰曼圭兰垒丝塞 一个休眠周期内，这些节点进行连续多次的自适应监听为降低系统能耗， 我们还将进行了其它一些改进，如减少无效的自适应监听节点数量，从而， 在基本不增加系统额外能耗的基础之上，实现了较大幅度降低端到端延迟的 目的。 在本文中，我们做下述定义。没有采用自适应监听技术的s m a c 称为基本 s - m a c ，采用了自适应监听技术的s m a c 称为自适应& m a c ，经过我们修改 后的s - m a c 称为改进的s m a c 。未具体指明的s m a c 通常是指基本s - m a c 和 自适应s m a c 的统称 1 5 本文的内容安排 第一章主要对课题背景作了一个简单介绍，然后介绍无线传感器网络特点 和m a c 协议的分类及几种典型的m a c 协议。最后对无线传感器网络中其它关键 技术的做了一个简要的描述。 第二章较为全面而详细地介绍无线传感器网络的体系结构和特点，以及路 由技术、m a c 技术、定位等关健技术 第三章着重分析无线传感器网络f i b m a c 协议能量浪费的主要原因，然后介 绍孓h a c 的原理。 第四章介绍对s - m a c 中休眠延迟进行的主要改进，结合基本的5 - m 屺和自 适应孓m a c 进行端到端的延迟理论推导，并且比较三者之间延迟关系。 第五章对基本的s - m a c 、自适应争h a ( ：和改进后的孓m a c 进行模拟验证。 先对模拟程序进行相关的说明，然后对模拟过程进行描述，最后对模拟结果进 行性能分析，验证我们改进的方案。 第六章对全文进行总结并对将来可能进行的工作做出展望。 6 四川大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络 由大量具有通信、计算能力的传感器通过无线方式连接组织在一起，相互 协作与物理世界进行交互，共同完成特定应用任务的网络，我们称之为无线传 感器网络 无线传感器网络融合了现代网络通信、微电子机械系统( m e m s ) 和微电子 等领域的最新技术。这些领域的不断进步为无线传感器网络的研究产生了强大 的推动力。 无线传感器网络具有多种应用。例如环境监测、地震监测、军事监视、智 能空间等等事实上，依赖于遍布在自然界中的微传感器，传感器网络有潜力 变革目前我们使用的传统方法，并构造出复杂的物理系统【1 】。不同于传统网 络主要将目光集中在最大化通信信道和最小化节点配置，无线传感器网络主要 扩展系统生存时间和增强系统鲁棒性【2 】。 2 1 网络体系结构 由于无线传感器网络是一种比较新的，而且迅速发展的网络系统，所以它 的体系结构目前没有一个完全统一的标准，而且当无线传感器网络针对不同的 应用环境时，其结构、协议、定位等也是有所区别的 2 1 1 节点结构 无线传感器网络节点通常由四个子系统组成 3 】，如图2 1 所示。 图2 - i 传感器节点结构 四川大学硕士学位论文 计算子系统：它由一个主要负责控制传感器和执行通信协议的微处理 器( m c u ) 组成。为了达到电源管理的目的，m c u 常在涉及电能消耗的各 种操作模式之间切换。 通信子系统：它由一个窄带无线电收发器组成，用于与邻近节点或网 络外部联系无线电收发器有输送、接收、空闲和休眠状态当无线电收 发器既不发送也不接收时，应该将其彻底关闭，而不是处于空闲状态，因 为后者仍然消耗能量，这对于节约能量非常重要 传感子系统：它由一组传感器组成( 有些还具有传动装置) ，用于感 知传感器周围的信息。对于此子系统，可以通过使用低能耗的传感部件和 尽量减少不必要的性能来达到节约能量的目的。 能量支持子系统：它通常由电池组成，为节点提供能量支持，它通常 决定了网络的寿命电池的寿命可以通过减少电流或经常将其关闭来提 高 2 1 2 拓扑结构 2 1 2 1 平面结构 如图2 2 ，在平面结构中，所有的网络节点处于相同的平等地位，不存在 任何的等级和层次差异，所以也被称为对等式结构。平面结构比较简单，无 需进行任何结构维护工作：网络节点的地位平等，不易产生瓶颈效应，因此 具有较好的健壮性平面结构网络的最大缺点在于：网络中无管理节点，自 组织协同工作算法复杂，对网络动态变化的反应速度较慢。这种结构较适用 于网络中节点数据量不是特别大的情况下 1 5 互联网：e 墨 下一 】i ：一 任务管理节点 o0 0 f j o 矿0 弦。 用户 传感嚣网域圭节点 图2 - 2 平面拓朴结构 8 四川大学硕士学位论文 2 1 2 2 分级结构 分级网络一股以簇的形式存在，如图2 - 3 。所谓簇，就是具有某种关联 ( 如位置、电力级别等) 的网络节点组成的集合。选出的节点叫簇首，它能 够执行各种功能，包括重新启动簇内的其他节点被称为成员节点这种结 构具有可扩展性好、便于管理等特点 图2 - 3 分级拓朴结构 无论是平面结构还是分级结构中，一些经常为周围节点转发数据的节点， 特别是基站节点( 在某种意义上，图2 - 3 中的簇头节点也可以算作是一种基 站节点) 附近的节点，它们耗费电池速度远比其它节点快，因此，它们寿命 的提高直接影响到整个网络的寿命现有的能量保持协议不能直接在整个网 络中达到负载的均衡，从而导致网络寿命的大幅下降。基于这种考虑，j u nl u o 等人提出了一种移动基站和路由的网络系统结构r 4 。 他们提出的解决办法是让基站动起来，也就是在基站上应用了一些机器 人技术。这样，节点的定位和移动经常发生通过将基站的移动性和多跳路 由纳入考虑的范围，节点间能量消耗达到比较均衡的状态。通过他们提出的 分析模型和模拟结果相对于静态网络结构，这种结构的网络寿命可以获得 惊人的5 0 0 的提高。 这种网络结构方案对于延长网络生存时间效果十分理想，但我们认为它 也存在如下问题： 由于传感器网络节点部署地点的地理环境可能非常的复杂，所以基站的 部署比较难以控制即使部署按理想状况部署成功了，基站的移动也可能受 9 婴型查兰堡主兰垒丝苎 到各种地理环境因素的限制，比如陡峭的山坡、密集的灌木等因此这种 网络结构应用的范围会受到一定的限制。 基站的移动均衡了网络的负载，达到了延长网络寿命的目的，但是基站 的移动性对能量的消耗也不可忽视。 2 2 、路由技术 传统的路由协议大多使用了洪泛技术，一个节点存储它收到的数据，然 后发送数据拷贝到所有的邻近节点由于无线传感器网络能量制约的原因， 当采用传统路由协议时，会有如下不足之处。 内爆( i m p l o s i o n ) ：如果一个普通节点已有邻居一样的数据项，那么它 就会有相同数据的多个拷贝。因此，这种协议在发送和接收此数据项时浪费 了宝贵的资源。 资源管理：在传统的洪泛技术中，节点没有资源意识。无论他们在指定 时间内可获得的能量有多少，他们都继续他们的活动由此，传统网络中的路 由算法不适合传感器网络，必须针对后者特性来研究新的路由算法a d - h o c 网 络与传感器网络有很多相似之处，但是即使如此，多数a d - h o c 路由协议也不 能很好的适合传感器网络，因为当网络中有移动频率高的节点时，他们总是 试图清除高耗费的表格更新。 传感器网络路由协议应该能够克服上述不足，或者考虑新的节约能量的 方法，以便在路由过程中，降低能耗，提高网络的寿命 目前提出的传感器网络路由协议主要有两类：平面路由协议和层次路由 协议。典型的平面路由协议以s p i n ( s e n s o r p r o t o c o l f o r i n f o r m a t i o n n e g o t i a t i o n ) 和d d ( d i f e c 自e dd i f f u s i o n ) 为代表。 2 2 1 通过协商的传感器协议( s p i n ) s p i n 协议是以数据为中心的自适应路由协议簇，其主要思想是尽量减少 因采用洪泛广播而产生的通信和存储上的开销。s p i n 主要包含如下一些协议： 1 0 粤型查兰堡圭兰竺堡茎 l 、s p i n - p p ：此协议用于最佳地执行点对点通信在这类通信中，两个 节点能够单独进行相互通信，而不受其它节点的干扰在这种网络中，一个 节点与n 个节点通信的费用比单独与一个节点通信高n 倍。这种协议是没有 考虑能量制约的简单的三次握手协议。这种协议一个重要的优点是简单，每 个节点只要知道距它只有一跳的邻居节点，而不需任何其它的拓朴信息 2 、s p i n - e c ：在这种协议中，传感器节点通信使用像s p i n - p p 一样的三 次握手协议，但是其中加入了能量节约因素只有当一个节点能量高于能量 阀值，且相信能够完成协议的其它步骤时，它才会积极参加协议的活动，否 则不进行响应 3 、s p i n _ b c ：这种协议用于广播网络，其节点使用简单共享信道进行 通信，并且加入了一些节量的考虑 4 、s p i 卜i l l ：这种协议在s p i n - b c 协议的基础上做了两个改动。每个节 点跟踪它监听到的所有通知和发通知的节点。如果在一段时间内，它没有收 到任何请求的数据，它将再次发送请求。然后，这个节点有一个关于重发数 据消息频率的限制。发完数据消息后，节点会等待一段时同才能响应其它关 于同样数据的请求。 2 2 2 定向扩散( d d ) 定向扩散是e s t r i n 等人为无线传感器网络专门设计的一种路由算法。这 是一个目的端发起的路由技术，有请求时才建立路由。其主要特点是传感器 节点使用特定的属性值来标志，数据的传播路径由节点同其相邻节点交互决 定 查询节点周期性地广播它的兴趣( i n t e r e s t ) 消息给所有的邻居，而这 些邻居节点可能再发送它接收到的兴趣给它的邻居。这样，这个兴趣最后传 遍整个网络，最终符合这个兴趣要求的数据再被发回到这个节点 为了得到质量更好的事件，查询节点会加强一个特定的邻居。这样可能 导致不只一个路径被加强，通过周期性的加强选定的路径来保留更好的路径， 而对于其它的路径则通过超时所有网络中的高数据率梯度来消极加强。 节能路由协议与定向传播一样，是目的端发起协议，区别在于它不再维 l l 粤型奎兰堡主差竺丝茎 护一条最优路径，而是维护一系列好的路径，而且依靠每条路径耗多低的能 量的概率来进行选择。由于所有节点的能量消耗是非常平等的，所以确保了 在低能量网络中良好的衰减特性。 2 2 3 层次路由 平面路由协议要求所有传感器节点均具有路由功能。导致节点因能量消耗 过快而失效，因此使得网络拓扑结构经常发生变化。路由性能较低 为了延长节点的生存期限。提高网络的稳定性与路由性能研究人员提出 了层次路由的思想。在层次路由中只有一部分节点负责路由信息的转发，因此 可以达到延长大部分节点生存期限的目的。典型的层次路由协议以 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 ) 为代表。l e a c h 是一种 基于簇的路由协议，即本簇内所辖的节点以t d m a 的方式分时向本簇的簇头 传输数据。数据经簇头汇聚和压缩后。再向目的节点发送，通过这种方式减少 大多数节点的能量消耗。延长节点的生存期限。与一般的平面多跳路由协议相 比, l e a c h 可以将网络生命周期延长1 5 。 2 3 安全与加密技术 传感器网络在安全方面的一项重要挑战是：它们固有的自组织、分散管 理的特性将导致传感器网络安全面临非常困难的境地。传感器网络也属于无 线网络，因此，无线网络中存在的安全问题传感器网络也同样存在 在传感器网络路由选择上的攻击对传感器网络的大多数网络层攻击分 成下列几种：欺骗、更改或者回放路由选择信息；选择性向前转发( s e h ：c t i v e f o r w a r d i n g ) ；落水洞攻击( s i n k h o l ea t t a c l s ) ；西比尔攻击( s y b f la t t a c k s ) ； 蠕虫漏洞( w o r m h o l e s ) ；h e l l o 泛洪攻击( h e i j o f l o o d a t t a c k s ) ；承认 欺骗( a c k n o w l e d g e m e n ts p o o f i n g ) 针对目前传感器网络中存在的一些安全隐患，a d r i a n p e r r i g 等人提出了一 种用于传感器网络的安全协议s p i n s 。s p i n s 描述了一整套构建在资源限制 环境和无线通信条件下优化的安全模块。s p i n s 有两个安全构建模块： s n e p ( s e c u r en e t w o r ke n c r y p t i o np r o t o c 0 1 ) 和- 1 日上a s n e p ，提供了以下重要 1 2 塑型查兰堡主兰垡堡兰 的安全元语特性；数据机密性，二分的数据验证和数据新鲜度( d a t af r e s h n e s s ) 。 _ t e s l a 是一种提供了严格资源受限环境下的认证广播的新协议。a d r i a n p e r r i g 等人实现了以上协议并且说明了它们即使在最小的硬件上也是实用的： 此协议组易于建立符合传感器网络的数据率另外，此协议组还可用于构建 更高层的协议 2 4 定位技术 在传感器丽络中，节点通常被部署到一个既没有基础设施也缺少相关情 况的地点。因此定位是传感器节点必须要解决的问题。一个最容易想到的解 决方案就是g p s 2 3 1 或称全球定位系统但是直接使用g p s 存在一些问题 1 、g p s 只能在户外工作； 2 、g p s 接收器价格昂贵； 3 、它不能在有障碍物的地域工作，如密集的树叶 虽然我们不便直接使用g p s ，但是我们可以使用它的原理。当前多数研 究者提出的定位技术均依赖于三边或多边迭代技术e 5 i 6 一种考虑传 感器网络的方法是把网络当作一个上层节点不但复杂而且已经通过某些技术 ( 如g p s ) 知道自己的位置的分层组织。而这些节点将担当灯塔的作用，周期性 地传播他们的位置信息。不知道自己位置的节点侦听来自灯塔的广播信息， 并利用这些信息计算自己的位置 伊 x 距离 点1 0 1 1 1x 距离b 点1 6 疆x 点距离b 点1 2 髓 图2 - 4 三边测量原理 图2 _ 4 是一个三边测奄技术示意图。在一个二维空间中。假设一个位于x 点的人， 知道自己距离a 点1 0 公里这样他可以确定他的位置在以a 点为圆心，半径为l o 公里 的圆( 即a 圆，下同) 周上而且他也知道自己距离b 点1 6 公里他就可以推断他位 于a 圆和b 圆的两个交叉点之一如果他还知道他距离c 点1 2 公里。那么他就可以确 1 3 一婴! ! 查兰堕主兰垡堡奎 定他是在两交叉点中的哪一个点上了，因为只有一个交点会在cwi - 三边测量是一种几何原理，利用自己与其它已知位置点的距离就可以推 断自己的位置同样的原理可以扩展到三维空间在这种情况下，3 个圆被4 个球体所替代，这就是g p s 的原理，如图2 - s 图2 - 5g p $ 原理图 1 4 四川大学硕士学位论文 第三章s - m a c 原理 受限于计算能力、存储空间和能量，无线传感器网络中的媒体访问控制 比起在传统网络中有较大的差异媒体访问控制应该是节能的在无线传感 器网络中，基本的目标是从传感器所在环境取样，处理后送往更高一层的处 理组织( 基于站点的) 在较短的时间周期之间，数据通信量应该是低的通常 情况下，网络中的这些节点共同执行同一个任务，因此，与节能相比，公平 分配带宽给网络中所有的节点显得就相对次要t 1 8 。 3 1 媒体访问控制概述 作为一种确保网络正常运转的重要技术，m a c 协议的一个主要任务就是 避免节点间冲突。在无线网络和数据通信网络中已有很多m a c 协议典型 的有时分多路( t d m a ) 、码分多路( c d m a ) 和基于竞争的i e e e s 0 2 1 1 协 议 1 0 为了设计一种好的无线传感器网络的m a c 协议，需要考虑了以下一些因 素 1 8 1 。首先是高能效。正如前面所讲，传感器节点通常是电池驱动，对于这 些节点更换电池和冲电都非常困难。实事上，我们期望有一天节点可以便宜 到丢掉节点比冲电更划算。对于这些节点来说，延长网络寿命是一种苛求 另外一个重要的因素是对网络大小、节点密度和拓朴的可测量性和适应性。 一些节点可能死掉，一些节点可能加入得迟些，而一些节点可能移动到其它 地点一个好的m a c 协议应该能够从容的适应这些网络变化。在传感器网 络中，其它典型的重要因素，包括公平、延迟、吞吐量和带宽优化，可能就 要处于次要的位置 w e iy e l l 9 等人提出的传感器媒体访问控制( s m a c ) 。是一种专门为无 线传感器网络而设计的m a c 协议虽然他们的设计目标是减少能量消耗， 但是通过利用时间表和竞争方案的结合，s - m a c 也能达到良好的可测量性和 冲突避免。为了能达到高能效的基本目标，设计者需要确定导致低能效的主 要原因，从而才能知道如何来减少能量消耗。 婴堕查兰曼主兰垫堡兰 无传感器网络中m a c 协议造成能量浪费的主要原因有以下几种【1 8 】 1 、冲突当正在输送的分组被破坏，就不得不将其它丢弃再重传，从而 导致能量消耗的增加。 2 、串音串音也就是节点接收到传送给其它节点的分组。 3 、控制分组费用发送和接收的控制分组本身也是对能量的浪费。 4 、空闲监听节点为接收可能而又没有发出的的分组而进行的监听。这 在很多传感器网络应用中尤其如此如果什么也没有发送，节点会很长时间 处于空闲模式。然而，在很多的m a c 协议中，例如i e e e 8 0 2 1 1a dh o c 模式 或者c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c 嬲s ) ，节点不得不监听信道来接收可能 的通信测试证明空闲监听消耗了接收所需能量的5 0 - - 1 0 0 。例如。研究 者s t e m m 和k a t z 测量到空闲、接收和发送之比为1 ：1 0 5 ：1 4 2 0 ，而 d i g i t a n 的无线局域网模型( i e e e s 0 2 1 l 2 m b s ) 详述中证明空闲、接收和发 送之比为l ：2 ：2 5e 2 1 。多数传感器网络的目标是长期运转，节点将长时 间处于空闲状态。这样，在这些浪费能量的因素中空闲监听处于主导地位。 3 2s - m a c 原理 w e iy e 1 9 1 等人在2 0 0 2 年提出的s m a c 避免了前面介绍的几种能量浪 费，空闲监听、冲突、串音等，是一种减少节点能量消耗的较好方案s - m a c 应用了三种新技术来减少能耗并支持自组织首先，节点定期睡眠以减少空 闲监听造成的能耗；其次，邻近的节点组成虚拟簇，使睡眠调度时间自动同 步；还有，利用消息传递的方法来减少延迟。 对于空闲监听，s m a c 利用来周期性休眠来解决此问题。休眠时关闭耗 能的无线电收发器，使节点的耗能水平比正常工作状态( 监听状态) 降低至少一 个数量级。同时结合低工作周期，使节点的的监听时间只占到整个休眠监听 周期的1 0 左右，从而大大降低了空闲监听的能量浪费。 对于冲突，利用r t s 和c