（计算机软件与理论专业论文）无线自组网中节能相关若干关键问题研究.pdf

摘要 无线自缀溺是主蠢年来随着无线遥谙蔽零静飞速发簇丽出璇豹静新鍪溺络， 具有熏要的理论和安际意义。其特点是整个网络没有固定的基础设施，所有节点 其有任意移动性，瞒络结构动态拓扑，节点闻戳多鼷协作盼方式进行通讯。 斟其自身鲍特点，无线自组网中有诲多有线阚络中所不曾出现的新问题和新 挑战。这包括有网络层协议、应用和中间件协议、节能问题和安全问题等。在这 些润题中，节能闽鼷是一个贯穿予众多翊题的核心和基础问题。 本文就无线自组网节能相关的一些必键技术开展讨论，鼹体研究内容如下： 罄先奉文讨论了在存程是嚣苇患夔a d h o c 潮终中，熟褥绦证现有数最大他生 命周期的路由协议正常工作这一问题。谯a dh o e 网络中，网络生命周期是项 霍要瓣度量拯标，璃有斡袋夫镬二生命周翔路壶箨法都镁设节点是蒋佟建可倍豹， 无法磁常工作于存在自私节点的a dh o e 网络中。为保证现有算法的正常工作， 本文逡用算法机铡设计的穰架，稳出了两类可信视俐s m m 和s m m - v c g ，并给 出了一个应用所提可信机制来应对自私节点的最大化生命周期路由协议a d h o e s m m 。其基本思想是给中间节点以适当的报酬来促进节点间的协作并能防止 节点熬欺骟行为。实验结慕表鹳s m m 秘s m m * v c g 极铡具肖较低的报酬攀。 接着本文讨论了在传媾器网络中如何最大化网络生命周期从而收集更多数 据这一闲蘧。瑷有戆王 睾绝大多数绫乡霭式分橱，爨提掇算法也没煮缀好静饶纯。 本文从静态路由模式和动态路由模式两方面理论分析了最大化传感器网络生命 蠲期瀚数据收集闻憨，提出了一个涯 媛最侥静最大纯生命周耨数据牧集帮聚集算 法m l d g a 。其基本思想匙为每轮数据收集构建一个生命周期最大的路由树，同 时尽麓使该路由稳节能。实验结采表明无论基辩的位鬣还是佟感器的栖始靛量发 生变化，m l d g a 都能取鼹较好的生命周期和网络利用率。 为将自组网的研究应用于实际中，本文最后讨论了在a d h o c 网络中如何进行 萤戆疑务组会班瀵足客户多变任务惹求逡一翊越。现有豹服务组台蛾究主要集中 于有线固定网络环境下，采用集中式的体系结构。本文提出了a dh o e 刚络环境 下基予器量谯徐酌动态鑫缝织骚务照会模型，绘出了两耪鼹务纽台方寨：熬予广 播方式的服务组合和基于行为进化的服务组合。其基本思想是服务缀合的进行是 裰播每个节点自身黻及当前周边节点的精凝懿节麓秀式象态协作开蔗涎。同辩本 文给出了一个在网络仿真器n s 2 中实验模拟的服务组合系统。 关键调：无线自组喇，a d h o e 网络，传感器网络，节能，生命周期 a b s t r a c t t h ea d v a n c e si nm o b i l ed e v i c e sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a v e e n a b l e dan e wc o m m u n i c a t i o np a r a d i g m ：w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k aw i r e l e s sa dh o c n e t w o r ki sam u l t i - h o p ，s e l f - o r g a n i z e dw i r e l e s sn e t w o r kw h e r et h ec o m m u n i c a t i o no f m o b i l en o d e sc a nb ed o n ew i t h o u tt h es u p p o r to f a n yf i x e di n f r a s t r u c t u r e al o to fn e wi s s u e sa n dc h a l l e n g e sh a v ea r i s e dd u et ot h en a t u r eo fw i r e l e s sa d h o cn e t w o r k s t h e s ei s s u e si n c l u d er o u t i n g ，a p p l i c a t i o na n dm i d d l e w a r e ，e n e r g y m a n a g e m e n t ，s e c u r i t ya n dc o o p e r a t i o ne r e a m o n gt h e s ei s s u e s ，e n e r g ym a n a g e m e n t i so n eo f t h em o s tc h a l l e n g i n gc r o s s - l a y e rp r o b l e m st h a ts h o u l db ef u l l yi n v e s t i g a t e d t h i sd i s s e r t a t i o na d d r e s s e se n e r g y - r e l a t e dk e yp r o b l e m si nw i r e l e s sa dh o c n e t w o r k s 。t h em 毹nc o n t r i b u t i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： f i r s t l y ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ht h ep r o b l e mo f m a k i n ge x i s t i n gl i f e t i m e * a w a r e r o u t i n ga l g o r i t h m si na dh o cn e t w o r k sa c h i e v et h e i rd e s i g no b j e c t i v e si nt h ep r e s e n c e o fs e l f i s hn o d e s s e v e r a li i f c t i m e - a w a r er o u t i n ga l g o r i t h m sh a v e b e e nd e v e l o p e d b e f o r et om a x i m i z et h el i f c t i m eo fa dh o en e t w o r k s b u tt h e s ea l g o r i t h m sh a v ea n i m p l i c i ta s s u m p t i o nt h a tn o d e sa r ec o o p e r a t i v ea n dt r u t h f u l ，a n dt h e yc a n n o tw o r k p r o p e r l yi nt h ef a c eo fs e l f i s hn o d e s m o t i v a t e db ya l g o r i t h m i cm e c h a n i s md e s i g n ， t h i sd i s s e r t a t i o n p r o p o s e st w ot r u t h f u l m e c h a n i s m ss m ma n ds m m v c g ，a n d p r e s e n t sal i f e t i m e - a w a r er o u t i n ga l g o r i t h ma dh o c s m mt h a tc o p e sw i t ht h es e l f i s h n o d e sb yu s i n gt h ep r o p o s e dm e a c h n i s m s 。t h eb a s i ci d e ao f t h em e c h a n i s m si sg i v i n g a p p r o p r i a t ep a y m e n tt os t i m u l a t et h ec o o p e r a t i o no fn o d e s ，a n dc h e a t i n g c a nn o t i n c r e a s eo re v e nl o s et h eu t i l i t y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep a y m e n tr a t i oi s r e l a t i v e l ys m a l la n ds t a b l ed u et ot h en a t u r eo f l i f e t i m e - a w a r er o u t i n ga l g o r i t h m s s e c o n d l y ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ht h ep r o b l e mo f m a x i m i z i n gt h el i f e t i m eo f a s e n s o rn e t w o r kt og a t h e rm o r ei n f o r m a t i o nf r o me n v i r o n m e n t 。m o s te x i s t i n gw o r k s l a c kf o r m a la n a l y s i sa n dt h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m sa r en o tw e l lo p t i m i z e d 。t h i s d i s s e r t a t i o nt h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e st h em a x i m u ml i f e t i m ed a t ag a t h e r i n gp r o b l e m f r o mt w oa s p e c t s ：s t a t i cr o u t i n gs c h e m ea n dd y n a m i cr o u t i n gs c h e m e i ta l s op r o p o s e s an e a ro p t i m a lm a x i m u ml i f e t i m ed a t ag a t h e r i n ga n da g g r e g a t i o na l g o r i t h mm l d g a ， w h i c ht r i e st om i n i m i z et h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ni ne a c hr o u n da sw e l la s m a x i m i z et h el i f e t i m eo f ar o u t i n gt r e eu s e di nt h er o u n d 强es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tm l d g ap e r f o r m sw e l lr e g a r d l e s so fb a s es t a t i o nl o c a t i o na n di n i t i a lb a t t e r y e n e r g yl e v e l so f s e n s o r s t h i r d l y ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ht h ee n e r g y e f f i c i e n ts e r v i c ec o m p o s i t i o n p r o b l e mi na dh o en e t w o r k s p r e v i o u sr e s e a r c hi ns e r v i c ec o m p o s i t i o nm a i n l yf o c u s e s o nt h ew i r e di n f r a s t r u c t u r e * b a s e de n v i r o n m e n t ，w h i c h a d e t p t s 8c e n t r a l i z e d a r c h i t e c t u r e ，b yc o n s i d e r i n gt h ec h a r a e t e r i 鞋i c so fa na dh o ce n v i r o n m e n t ，t h i s d i s s e r t a t i o n p r e s e n t s a ne n e r g y - e f f i c i e n ts e r v i c ec o m p o s i t i o nm o d e li na dh o e n e t w o r k sa n dd e v e l o p st w os e r v i c ec o m p o s i t i o na l g o r i t h m s ：s i m p l eb r o a d c a s t i n g s e r v i c ec o m p o s i t i o na n db e l l a v i o re v o l u t i o ns e r v i c ec o m p o s i t i o n t h eb a s i ci d e ao f o l l ra l g o r i t h m si st h a tt h ew h o l ep r o c e s so fs e r v i c ec o m p o s i t i o ni sd o n eb yt h e c o o p e r a t i o no fn o d e so n - t h e - n yi n s t e a do fac e n t r a l i z e db r o k e ri na ne n e r g y e f f i c i e n t w a yt om e e tt h ep e c u l i a r i t yo fa dh o en e t w o r k s t h i sd i s s e r t a t i o na l s op r e s e n t si n i t i a l i m p l e m e n t a t i o na r c h i t e c t u r ef o rs e r v i c ec o m p o s i t i o ni nw i r e l e s sa dh o en e t w o r k s k e y w o r d s ：w i r e l e s sa dh o en e t w o r k , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，e n e r g ye f f i c i e n t ， m a x i m u ml i r e t i m e 指导小组成员名单 施伯乐教授 孙未未副教授 汪卫教授 第一章绪论 1 。1 背景 第一章绪论 为摆聪骞线耀络的索缚，入键发骥了无线移动通讽圈终。夔羲近几年来无线 通信技术的飞速发展以及移动设备的太量普及，用户已可以通过配有无线接口的 穆动计算辍或个人数字秘理随露隧遣嶷垂进行透信，访遥蕊需兹僖怠 w 9 1 。 按照移动通讯网络是否具有基础设施，我们可以把移动通讯网分为两类：有 基确设施的网络和无线蠢组喇 z 0 4 。在有基确设施静隔络中，移动节点依靠逶 讯藏围内的基站进行通讯。在这里移动节点相当于移动终端，不具备路凼功能， 由移动交换机负责路由和交换功能。典型昀霄基础设施网络有无线蜂窝网和无线 局域网等。无线自组网又称为无线多跳网。程无线囱组网中，整个网络没有固定 的基础设施，节点可以移动，其传输覆盖范围有限，为了与覆盖范围之外的节点 通谖，节点霉通过其它中间节点以多跳熬方式接力餐其转发数据，每个节点都可 以瓣成是个路m 器 m c 9 8 1 。 无线爨缝网其寿鞋一f 些特点 c m c 9 9 ，c r 9 9 ： 网络结构动态拓扑：由于网络中节点可以任意移动、开机关机、发射功 牵霹磅态菠交，这导致瓣络静拓羚络构可髓会随辩发生交纯。 节点间以多跳协作的方式进行通讯：由于节点的通讯覆盏范围有限，当 节点要与覆盖范围矫的节点通讯列，需要道过中闻节点多跳转笈数据。 无中心的自组性：在自组网中没有严格的控制中心，不依赖于现有的基 础阕络设施，所有节煮的地位平等，节点可随意加入和离开网络，而不 会影响整个弼终的运行。 分布式控制：自组网由于没有控制中心，通常采用分布式的方式加以掇 零l ，毙采用集中式方式控割瓣阚终其蠢更强熬鲁转性亵掇毁牲。 我们可以把无线自组网分为无线a dh o e 网络和传感器网络。事实上传感器网 络 a s 0 2 ，l l s 0 3 ，r h l 0 3 楚一癸特殊瓣静态a dh o e 瓣终。在佞感嚣溺终中，诲多 传感器节点静态散布予浆。区域中，嫩责收集区域内的信息。传感器网络有如下 不同于一般a dh o e 网络瀚塑特性 a s 0 2 ： 传感器网络中的节点数量通常很多，节点分布稠密。 传感器节点的能量、计算能力和存储空间非常有限。 健感器节点更容易失效，从丽导致网络拓扑频繁变化。 因为传感器节点的数爨众多，节点通常没有全局的标示。 l 第一章绪论 在自组阚研究的雳谲上，各耱文献之闯常常不统一。本文中我们使蠲三个谲 语：( 无线) 自组网、a dh o e 网络和传感器网络。一些a dh o c 网络的技术常常可 甭于传感器黼络，但传感器网络叉有自己的特殊性，需要一避专门技术来处理。 所以在本文中，对一些通用的技术我们使用( 冤线) 照组网，在需爱有区分的地 方我们会用a dh o c 网络或传感嚣网络，其中专门针对传感器网络的技术会指明 是传感器网络。 1 。2 研究意义 无线鑫缀霹终舞一秘凝型戆逶谖网络，匿冀垂身特点，鬟有重要夔理论饔实 际意义。 1 2 1 理论意义 自组网因其自身的特点出现了许多新的、宵线网络不曾出现的、亟待解决的 闷题静虢战，使褥瓣其研究具有熏要的簇论意义。目前自组测研究中的关键问题 有m a c 协议、网络层协议、应用和中阀件、节能问题和安全问题铸 c c l 0 3 。 为了曼系统地看待避些研究问题，如图1 - 1 所示，我们按照网络的体系结构方式 蜷这热问题划分成类别。 鬟鍪鬻鬻攀戳罄鍪耋鍪薹鍪鍪釜鲎燮鳖篷鲨蠹兰童鬻 ；纂飘，辩。，篡；黑黧蓁篓兰，= ：i i 鹱 图1 - 1 ：自组网研究的荧键问题 我们首兔分羯介绍一下这些阔题： ( 1 ) m a c 协议：在自缎网中，节点的通讯范围有限，终端可以随机移动，砸 且节点之间的传播时延不可以忽略，对佰道的多路访问( m u l t i p l ea c c e s s ) 存在 隐藏终端( h i d d e ns t a t i o n ) 和暴鼹终端( e x p o s e ds t a t i o n ) 闷题 t k 7 5 。隐藏终 端问蹶是指猩接受节点的覆盖范豳内而在发送节点的覆盖范阐外的那些节点，因 2 第一章绪论 为孵不到发送节点的发送蕊可能向接受肇点发送数据帧，造成数据蜮在接受节点 处碰撞。暴露终端问题是指在发送节点的覆盖范围内而在接受节点的覆盖范围外 的那壁节点，因为能够昕副发送节点的发送而延迟发送，事实上因为它在接受节 点圭l 鏊透嘏范潮之终，它躯发送实际主并不会造残疆蘧。 圆耀终层按议：在垒缀雕孛，阚终层捺议毯摄鸯癌枣耱议、f “搔秘议、多 搔按议等，其中研究重点是路由协议。路虫协议是建立鄹络中任意繁点互联魄藏 础。在a dh o e 网络中，由于节点的频繁移动，网络拓扑结构高度动态变化。传 统的距离矢豢和镀路状态算法并不适用于a dh o e 网络环境，因为它靠j 需骚在节 点闷交换大豢信怠，澍翻鬻花费较长时间才豁达到算法的收敛，丽程算法收敛之 兹一个勰h o e 弼终的援努镶梅霹怒憋经发生交耗。在矗dh o c 嬲绦中，路由算法 需要实现以下功能：能感蚋嘲络拓扑结构的变化；能动态维护嘲络掇扑的连接， 更薪链踌的状态；麓快速收敛，快遮处骥拓扑的变化，发现路由。 ( 3 ) 皮崩和中问件 m c e 0 2 ：中间件是介于操作系统和应用程序之间的一个 软件屡，它群蔽了底层的笈杂性和异构性，简化了上层应用程序的开发。当前绝 大多数成嚣帮中弱徉磷变都集中在宥线掰终上，采稻集中式的c s 结构。对予裔 组鄹这榉一令分蠢式不稳定戆慰终黟凌，魏栗采瘸集孛式静缡构，究当缀务器熬 节点失效会导致整个成用的瘫痪。散爨维网中废用_ ； 爨中阙锌购磷究盛采愿分礤茂 的体系结构，而不依赖于任何服务器节点。 ( 4 ) 节能问题 g w o ：在自组潮中，节点通常是使用电池供沌魏，而霄线网 络设备中是采莆电源供电的。节能闻蘧楚有线嘲络中所不曾考虑的，但对自组网 来谎是一个关键静鞫嚣。淹了谦持终端设备韵轻便( 体积，j 、重篷轻) ，终端设 备只能装鍪上有限能量的电池，惩虽魄洮豹充逛或受抉掌卷怒不馁甚至是不霹淡 的。救鱼缎嘲中我们裁对节点战冬个功黥模块遴行伉健，以减少瞧鳖麴瀵糕，延 长电池的使用时间。 ( 5 ) 安全与协作问题：与有线网络相比，囱组网中存在更加严重的安全问题 泌h 0 2 。在褥绫网络中，掰络采餍瑟次纯豹体系结构，拓释结构稳定。嗣络中键 袋毒众多缀努季瑟资深( 照会名服务秘嚣最缀务铎) ，基予现订资源可疆壅籀关瀚 安全燕略，魏加密、认涯、粳照鸷理嚣来保证耀络麴安全。凌鑫缀网中，节点溺 通过质量较嫠的无线信道以多跳中继的方式连接，用户随时会受到窃昕、攘用数 据和很冒数攒等各种方式的威胁；自缀网是一种无中心的网络，没霄专门的命名 服务和西录涨务等，譬致健统网络中的安全机制不适用于自组嘲：由于节点的移 动牲，a dh o e 阏络的拓矜结构不断交纯，节煮之间的信任关系也在不断变化；节 点闫救协俸怒保证a dh o c 歪豢王终戆裁握，鳃暴霹络申存在鑫瓠或恶意节点， 啜终可能耱嚣法正露工作。 3 第一章绪论 豺对上述关键润蘧，援稻分掰鹚述一下当藤国际黼内静磷究现虢戬及糕关磺 究机构和项目的情况。 当前对自组丽的m a c 协议研究中，对信遵的多路访问方式可以划分为两类： 随机访问和受控访问f h r 8 8 。在随机访问中，通常悬使用r t s c t s ( r e q u e s tt o s e n d c l e a rt os e n d ) 握手米解决隐藏终端和暴瓣终端问题。像多址接入冲突避免 协议( m a c a ) f k 9 0 、m a c a w ( m a c a f o rw i r e l e s s ) b d s z 9 4 、i e e e 8 0 2 。11 r i e e e s 0 2 等主流m a c 层协议都属于随机访阿协议，它们使用了r t s c t s 帧。 在受控访避中，避鬻使爨t d m a 、c d m a 等技术。在这些技术中，t d m a 是当 前主谣使用的技术，但是网络拓扑结构的改变会对其性能影响很大，t s m a 协议 c f z 9 7 逶避使舄瓣络静全建参数霹减少髫为苇轰戆移动造袋静重复运算。 网络层的路由协议是当前自组网研究的难点和热点。根据路由的驱动方式， 当翦a dh o e 网络串静鼹蠢协议大致可骧分为两类：表驱动瓣路由协议和源发起 的按需路由协议 r t 9 9 。表驱动的路由协议试圈维护从每个节点到网络中其它节 点一致且随时间更新的路由信怠。这样就需要每个节点都有个路潮表来存放路 由信息；同时当网络拓扑结构改变时，将变化散布至日整个网络以保持路由傣息的 一致。d s d v p b 9 4 、c g s r c w l g 9 7 和w r p m g 9 6 等都属于表驱动的路由协 议。源发起的按需路由协议仪仅搬源节点零要鼹出时方创建鼹由。强某个节点想 要建立到目的节点的路由时，它启动路由发现i 藏程。幽路由构建完成之后，通过 路由维护过程加以维护。d s r j m 9 6 、a o d v p r 9 8 秘t o r a p c 9 7 等都簇予漂 发起的按需路由协议。 蠢整网中应用察牵阗嵇基静礴究遥凡年考溺翻开始。应溺爱土的磷究商数据 库 t i n y d b ，b g s 0 1 、多媒体处理 a c k r 9 8 ，l z 9 8 等。中间件层的研究有如何支 持苇点之闽豹数嚣莛享 m p r 0 1 和数弦簸翎 h 0 3 、自琵务发现和组合 c j 0 2 等。服 务的发现和组合是其中的一个研究重点。当前a dh o e 网络中对服务组合的研究 刚刚起步，对服务发现的研究现有协议可以分为两种 c 0 4 ：基于广播的协议和 基于广告的协议。在基于广援的协议中，服务发现请臻广援到网络中，例如蓝牙 服务发现协议【b l u e t o o t h 。在基干广告的协议中，节点把自融拥有的服务广告出 去，感兴趣蛉节点把广告傣患缓缮起来，剑如基予缀豹鼹务发现凌汲g s d c j 0 2 。 节能问题和安众问题属于自组网研究中的跨层次问题，对它们的研究需要从 弼终瓣各个傍议层综合寒考虑。 节能问题是自组网研究中的一个关键问题 j s a c 0 1 。从网络的备个协议层来 看：糍镪理骚尽量洚低显示器、c p u 帮硬盘酌能量酒髓；在m a c 联尽量减少碰 撞的发生，同时当节点处予空闲状态时尽量关闭无线接口，p a m a s s r 9 8 就是 一个熊型的a dh o c 嘲络中盼节髓m a c 协议：在路由麓尽量最小化一次路由通讯 4 第一章绪论 所消耗的总能量，同时选择能够最大化整个网络生命周期的路径，典型的节能路 由算法a dh o e 网络中有m m b c r t 0 1 、m r p c i m b 0 2 等算法，传感器网络中有 l e a c h h c b 0 0 、p e g a s i s l r 0 2 等算法：在应用和中间件层，节能措旌通常与 具体应用相关。 自组网中存在比有线网更加严重的安全问题。对自组网可发起各种攻击，这 些攻击可分为消极攻击和主动攻击 l 0 0 1 。消极攻击并不破坏路由协议的正常运 行，而是仅仅窃听业务数据：主动攻击则通常会修改数据。预防和检测是两类应 对攻击通常采用的手段。预防机制使用的是基于密码的加密算法，加密算法的研 究和密钥的管理是其中研究的重点。检测机制研究如何发现入侵者，从而执行应 对措施。当前在a dh o e 网络中，研究者们提出了一些安全的路由协议，其主要 是在现有路由协议上加上一些安全扩展。如s r p ( s e c u r er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 【p h 0 2 】 是一个可用于按需路由协议的安全扩展，s e a d ( s e c u r ee f f i c i e n ta dh o ed i s t a n c e ) h j p 0 2 是一个基于d s d v 协议的表驱动安全路由协议。另外，对于如何促进节 点间的协作，当前的工作可分为基于惩罚的模型和基于报酬的模型两类 a e 0 3 1 。 节点因为不正当的行为而受到惩罚，因为替别人转发数据而得到报酬。 目前自组网研究领域比较活跃的国际、国内研究机构和项目有： 互联网工程任务部( i e t f ) 于1 9 9 7 年成立的移动a dh o e 网络工作组 m a n e t l ，其主要目标是标准化i p 路由协议的功能，从而使得i p 路由协议能够 适应于不管是静态还是动态网络拓扑结构的无线路由应用。 瑞士国家研究基金国家研究竞争中心移动信息与通讯系统 m i c s l 当前的研 究目标足下一代移动通讯中出现的与自组织系统相关的基础和应用问题。自组网 即是其中的一个典型研究对象。其具体的研究共划分有11 个项目，从最基本的 数学问题到网络、信号处理、安全、分布式系统、软件构架和经济学等。t e r m i n o d e s 计划 t e r m i n o d e 是属于其中的一个长期研究项目( 2 0 0 0 2 0 1 0 年) ，其目标是设 计。个大规模的移动a dh o e 网络，并考虑其在商业和其它潜在社会环境中的应 用。 加州大学伯克利分校开展的n e s t ( n e t w o r k e de m b e d d e ds e n s o rt e c h n o l o g y - ) 项目i n e s t l ，其目标是为网络嵌入式系统技术的研究开发一个开方的软件硬件 实验平台，从而加速算法的研究，并将其应用于实际中。t i n y o s t i n y o s j f u t i n y d b t i n y d b 是其中的两个子项目。t i n y o s 是一个为无线嵌入式传感器网络 设计的开源操作系统。t i n y d b 是一个从装备t i n y o s 的传感器网络中抽取信息 的查询处理系统。t i n y d b 提供有类似于s q l 的查询接e l ，用户可以指定查询 条件，t i n y d b 从环境中收集数据并将数据返回给用户。 第一章鳍论 其絮一些著名的研究机构还有：加州大学洛杉矾分校“无线自适应移动性实 验室” w a m l 、加州大学燕巴殿拉分梭的“移动性管理和联网实验藏” 【m o m e n t 、廉奈尔大学的“无线阏络实验室”【w n u 、伊和落斯大学香槟分校 的“无线网络研究小组”f w n g 等。 在潮肉，对无线鑫缀溺豹谤究墩舞婊兴起。一些磅突樾构鞠矮寒鸯：复照大 学豹移勰数据瘴疆究小缀；重痰寄秘委豹秘技计划顼璺“超宽带移动嬲h o e 网 终的关键技术研究”；哙尔滨工业大学数据库与并行计算研究中心提出抟感嚣网 络的数据模型，并研, n - j 一个传感器网络数据管理系统 l l 0 3 ：中国科学院计算 技术研究所信怠网络童的无线传感黼络项胬等。 1 2 。2 实际意义 自组网通常应用于没有基础设施，需临时快速建立个通信网络的场合中， 其有重簧鲶实际恚义。这鳖我们给窝一些安际的应溺领域 z 0 4 】： ( 1 ) 军事通讯：a dh o e 鹣络研究的裙衰是为满足军事应甭的需簧，褥今蕊军 事痤嗣仍然会楚a dh o e 瓣终戆主要摩耀领域。在联代纯鹣战场土，各番孛军攀枣 辆与士兵之阉都霾保持密切熬联系，以拯同传战。德羟战争上邋僚系绫很褰捞受 到敌方的攻戎，若采用粲中式的通信系统，一旦通信中心受到破坏，将导致整个 系统的瘫痪。通过蝓士艇和军事率辆漩各移动通讯装置构建分布式的a dh o e 嘲络通诫系统，可鞋保谖部分逶结节患链路断歼辩，其余部分仍能继续工律。 ( 2 ) 紧急摄务：在鑫然灾害发生嚣，耀络基萋囊设熬缀霹我溺懑：受酸坏蔼无法 蕞誊逶僖，逶道a dh o e 鹈络哥抉速建立舔慰盛惫j 爨籍慰终，缳谖擞援工终熬暇 刹开展，减少灾难带来的危= 罄。类似的，a dh o e 网络也可以用于偏远或小发达地 区的通信。在这些地区，姐于地理环境和价格等原因往往没有建立艇础通信设施， a dh o e 嘲络技术独立组黼静能力可殴解决遴些环境中的灞信阀题。 ( 3 ) 移动会议：警前，越来越多的人使用笔记本电脑、p d a 等使携设备采参 鸯辩各耱会议。将会议参与耆瓣各转移矮终螨快臻缀琏耀爨，献褥方便蘩塞熬交浚 鞠资料的分发，具鸯藿溪豹豢义。通避使臻a dh o e 网络朗可满足此嚣求。程室 外环境中，工作团体的成员珂以借助嗡时构建的a dh o e 网络米协同工作，完成 项大的任务。在窳内办公会议环境中，借助予a dh o e 网络可实现分布式会议， 还可通过凭线多跳方式连接宥线黼络，下载电子解件、获敬最新信息簿。 鳓家庭随络：遴遗给家稻毫器装瞽a dh o e 浚缎器，设备之澜霹娃鑫动缱成 爨缝秘，_ 鬻篮遮季孛弼络w 凝爨麓声翡嶷际嚣求避幸j 二缝合残艇教，这样狻稻可以穰 爝随身携糖的个人舞线a dh o e 设备墨家用设备通传，是动究成群灯、调节空调 冰箱、打开娱乐设奄等操作。 6 第一章绪论 f 5 传感器网络：传感器阐络可以工作在危险的环境( 如忧学有害妨艨泄漏 现场) ，监控环境中溢座、湿度、他学籍质等的变纯。通过程传感器上装备a d h e c 收发嚣，可将侍感器在现场所收集到的信息传遂到危险现场以外，使远程用户能 够收壤检索到信息，无需人员亲自进入现场。传撼器网络常w 用下战场防御和侦 盎、安全监测、环境监控、医疗渗断、表 乍物监橇、车辆鼹藩等场合 a s 0 2 。 1 3 本文工作 在1 。2 节巾，我们涪盎了酋箍嘲医其童身的特盎所出瑰驰一系到露遴鞭挑战， 包于蓠m a c 协议、网络层协议、应用和中间件、节能问题和安全问题莓。在所有 这些问题中，节能问题是一个贯穿众多问题的核心和基础同题。为解决节能问题， 需要从m a c 协议、网络层协议和应用和中间纷等多个层次综合来考虑；同时为 霖涯攀能癸谈於正常运行，也必然会牵涉到安垒弼蘑。 1 3 + 1 研究内容 本文中我j 墩无线自组冈串节能秘题为按心，讨论了以下兰个阀趣： ( 1 ) a dh 嗣络中最大化生命周期路由的算法机制设计问题。 猩a dh o c 网络中，网络生命周期是个非常重要的度最指标。现有的最大化 睡终生命周期路丑j l 箨法都毒一个隐含的骰设，簿节点是蛰 筝_ 慝可蔼魏。当隧络串 存在自私节点时，现有算法就无法正常工作了。故如何保 蠢i ! 蕊有的最大他生命周 期路由算法在存在自私节点的a dh o c 网络中旋常工作是一个迫切需要解决的问 题。本文我们将现蠢的最大化生命周期的路出算法分成两类：通用最大最小g m m 算法和条 牛最大竣4 、c t v 尉i 算法；运蕉算法桃俸i 设计的理论，我韬为g m m 算法 提出町信机制s m m ，为c m m 算涨提出可信机制s m m v c g ：同时提出r 一个 在最大化网络生命周期同时能脚对自私节点的a dh o c s m m 路由协嫂。 ( 2 ) 无线传感嚣隧终中最大化生命周期魏数据收集捐题。 倍感器礴络常鬻于监铡地琏环境并从中收熊数据，出子转盛器节点的能量有 限。故如何最大化传感器网络的生命周期，从而收集更多有用数据是需要考廖的 一个荚键问题。现有的绝大多数z 作都缺少理论分析所提出的算法也没有擞好 欧忧纯。本文中我貔扶静态路由攒式和裁态踌南模式两个方褥分轿了铸惑器憨络 中最大化生命周期的数据收集问题，并且提出了一个近似最优的最大化生命周期 数据收集和聚集算法m l d g a 。 ( 3 ) a dh o c 网络中基于能量代价的服务组台闽题。 驻务经台是乖j 罐现有辍务快速创建薪簸务鲶强大工其。现有工作主要集中于 7 第一章绪论 霄线阏络环麓一f ，面鲡 霉在a dh o e 弼络环虢中进行骚务缀合很少有工作讨论进。 宵线网络环境下的服务组合通常采用集中式的体系结构，因为a dh o c 是个分布 式的网络环境，集中妓的服务组合技术并不能适旋于a dh o c 潮络环境。为此， 我们提如了一个a dh o e 网络中基予能量代价的动态自组织服务组合模型，擞擐 此模型我们首先给出了一种广播方式的服务组合方案，为减少服务组合流程发现 过程中节点的熊量消糕，我们又提出了一秘行为避化的服务组食方案。 从i 2 节列出的自组网中关键问题的角度来看，我们的工作可以如图1 - 2 所 示。在疲翔秘中淹箨蔟，我粕提出了a dh o c 潮终孛戆骚努缝合模型。程a dh o c 网 络的网络层中，我们提出了两个用于服务缀合的流程发现协议，即基于广播和基 予行走邋饱弱黻务组合；还掇盎了一令痤瓣叠稻节意翡a dh o c 羽终孛静路由豫议 a dh o c s m m 。在传感器网络的网络层中，我们提出了一个数据收集算法 m l d g a 。鼠跨越各协议层需综合考虑的节能和安全协作阔题来说；对节麓| 、嗣题， 在应用层t 我们的服务组合模型考虑执行服务所消耗的能量，同时服务组合的流 稷发现协议试图减少麓量的消耗并选择节能的路径；在阚络层，a dh o c s m m 协 议试图最大化a dh o c 网络的生命周期，m l d g a 协议试圈最大化传感器网络煦生 命周期。对安全协作问题，我们提出t s m m 和s m m v c g 机制，从而促进自私节 点阈的螃佟，保证现蠢的最大化生禽周期鼹盎算法正豢运传。 囊曛囊弱蒺鬻 1 3 2 文章结构 旗子能量 戎赞韵 服务组台 a dh o c 网络 鼗太讫 l 络 生命周期的 踌“l 算法 传感器弼络 最丈纯弼螭 生命周期的 数据收集算 法 图l - 2 ；本文的工俸 、n 1 1 | - ：_： 。| 囊：； 寨膏甜 ( 1 ) s 砒f 机制 ( 2 ) s g m - v c g 辊射 本文的文章结构安排如下； 在第二章中，我们回顾了爨维隧中的一些节能协议。凌们首先分掇了蠡缝网 中的能量消耗源，并给出一些设计节能协议时的通用指导技术。接着从各个协议 瀑豹受度讨论了a dh o cl q 终黎l 婕感嚣耀终申豹节黯螃谈。 在第三章中，我们讨论了a dh o c 网络中最大化生命周期路由的算法机制发计 8 第一章绪论 问题。我们分析了现有的a dh o c 网络中最大化生命周期鲍路出冀法，将冀分成 g m m 和c m m 两类算法。讨论了自私节点的存在对这些算法的影响。然后运用 算法机制设计的理论，为g m m 和c m m 算法分别提出可信扒制s m m 和 s m m v c g 。接着提出了个应用s m m 和s m m v c g 机制应对自私节点的最大 化生命周期路由协议a dh o c s m m 。最后实验分析了s m m 和s m m v c g 机制的 报酮率。 在第四章中，我们讨论了无线传感器网络中最大化生命周期的数据收集问 越。我稻蕾先描述了邃一游题，然后获静态路南模式和动态路由模式两个方面理 论分糖了这一润题，并提毽了一个最大诧生窃蕊期数据收集算法m l d g a ，最后 实验对比了m l d g a 舞法与璎骞豹一些最大纯生会周期数据枝榘髯法。 在第五章中，我们讨论了醚h o e 嘲终中基予2 餐钱徐螅鼹务组念溺题。浅稍 酋先回顾了现存的一螋服务组台系统，指 蛙a dh o e 网终环嫒下服务缌台静挑战。 然后给出了一个a dh o c 网络中服务组会的模型。接蓑提出了联个服务缀合救滚 程发现协议，即基于广播方式的服务组合和基于行为进化的服务缎食。摄屠我们 给出了一个实验模拟系统，并且讨论了服务组食的商业价值。 在第六章中，我们总结了全文，并对今后进一步的研究工作作小了展望。 9 第二章鑫组两串昀节能协议 第二章自组网中的节能协议 节辘窝霆蹩蠢组阚研究审静一个关键程核心瓣题。程鑫缍黼中，节点逶常是 使用电池供电的，为了保持终端设备的轻便，在终端上只能装备有限能麓的电池， 掰虽电泡的充镳或更换常常怒不便蕊至是不可敬酌。研究表嚼夜未来藕长一敷时 间内电池的容量不会有很大程度上的提高。正是因为电池容量的限制，导致节能 问题成为自组嘲中需关心的一个关键问题。有大量的研究工作讨论如何管理节点 能量的使用，对从物理层到成用层的器个协议层进行优化，从蕊减少能燮蛉消糕， 延长电池的使用时问。 2 1 熊量淌耗源和节能技术 自组网中节点的能量消耗可分为两类：计算消耗和通讯消耗 j s a c 0 1 。 诗冀漤耗爨搓苓纛在避簿运算封魇港糕戆能璧。宅主要毽季蓦c p u 、肉存秘磁 盘等物理设备运转时消耗的能量。 逶落潼耗惹撂无线隧络矮e l 在遴行逶键对所消耗的熊量。在角组两中，溺络 接口可处于4 种不同状态：发射、接受、空闲和休眠，不同状态对能量的消耗不 同a 在体眠欹态，节煮几乎不消耗麓量；谯空闲状态，节点消耗一定的能量：在 发送状态，节点使用发射器米发送路由请求、路由响应和数据包莓，能量消糕最 大；在接受状态，节点使用接收器来接受数据，箕能量消耗也很大。例如l u c o n t i e e e 8 0 2 1lw a v e l a n 在发射、接受、空闲翱体眠四砖状态下豹能量淤挺分裂建 1 6 5 w ，1 4 w ，1 1 5 w 和0 0 4 5 w j s a c 0 1 。因此节能解决方寨的设计需要仔细 考虑接收器帮发射器辘量豹波糕，器量减少其爱熬游耗。 对计算消耗和通讯消耗，两者之间通常需要有个平衡。取得较低通讯消耗的 技术霹熊会导致较高煞诗算游耗，爱乏取褥较羝诗薄渚耗豹技术可辘会导致较高 的通讯消耗。所以在设计节能协议时需在两者之间取得平衡。 这墨我稻绘出一骛设计节能协议对韵通用指等技术： ( i ) 在物理层尽量降低显示器、c p u 和硬盘的能量消耗。当设备不用时可关 闭设备或使设备处于特杌状态来减少能量消耗。 ( 2 ) 尽量减少m a c 层碰摭( c o l l i s i o n ) 的发生，因为碰撞发生就会导致数攮 的重发，而数掇的重笈会引越不必鬻的能量消耗。 ( 3 ) 劝率管耀( p o w e rm a n a g e m e n t ) 功率管理是指当节点处于空闲状态时关闭无线网络接口，让接口进入休眠 l o 第二章鸯组两中的节能协议 状态戳减少能鬣清耗。实验积观察表明设备在空阑状态下消耗的麓量程蓥能量消 耗中占稳相当