（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络高能效的层次型路由协议研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技 术和无线通信技术，能够协作地完成实时监测、感知和采集监测对象的信息， 并对其进行处理，传送到需要信息的用户。无线传感器网络由部署在监测区域 内的大量的传感器节点组成。网络节点数量庞大、单个节点资源极其有限，因 此，有效节约能量，延长网络的生存时间是无线传感器网络路由协议设计的首 要目标。 本文对无线传感器网络的体系结构及相关概念进行了描述，分析了无线传 感器网络体系和路由协议的特点及其设计要求，对现有的一些典型无线传感器 网络路由协议进行了重点研究与分析，并对它们进行了综合评价。在此基础上， 针对大规模连续性数据流无线传感器网络特点，提出了一种能量有效的层次型 路由协议e e h r p ( a ne n e r g ye f f i c i e n th i e r a r c h i c a lr o u t i n gp r o t o c o li nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ) 。 e e h r p 采用一种智能延迟策略选取簇头，尽可能使得剩余能量越高的节点 时延越小，它们能够先于周围剩余能量较低的节点发送簇头通告，而其通信半 径内的其它节点将不再申请成为簇头。节点不需广播大量消息，形成的簇头分 布也较为均匀：在簇问路由算法中引入了网关节点，簇头通过网关转发数据能 够有效避免簇头远距离传送数据造成的能耗过多，从而有效延长网络生存时间。 使用m a t l a b 建立数学模型进行了仿真实验，仿真结果显示，该协议可改善 l e a c h 协议中由于节点能耗不均而造成的部分节点负载过重而过早失效的情 况，有效地延长了网络生存时间。 关键词：无线传感器网络；分簇；层次型路由协议；能量有效 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 - l _ _ _ _ - _ - _ _ _ i - _ - l - i - i i l - _ i l i i _ - l _ _ i _ l l - _ _ i - _ i l l _ _ i _ - _ l - - _ - _ _ _ _ l l _ - l _ i l i i _ _ _ l l - i _ i _ _ _ l l _ i i _ l _ 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 s ( w s n ) a r ei n t e g r a t i o no fs e n s o rt e c h n i q u e s ，e m b e d d e d c o m p u t a t i o nt e c h n i q u e s ，d i s t r i b u t e dc o m p u t a t i o nt e c h n i q u e s a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s s e n s o rn e t w o r k sa r ec o m p o s e do fal a r g en u m b e ro f s e n s o rn o d e st h a ta red e n s e l yd e p l o y e di n s i d et h ep h e n o m e n o n s i n c et h en u m b e ro f s e n s o rn o d e si nw s ni sn u m e r o u sa n ds i n g l en o d ei se x t r a o r d i n a r i l yl i m i t e di n r e s o u r c e t h ei m p o r t a n ta i mo fd e s i g n i n gm u t i n gp r o t o c o li nw s ni st or e d u c et h e o v e r a l le n e r g yd i s s i p a t e di nt h en e t w o r ka n dt om a x i m i z et h en e t w o r kl i f e t i m e i nt h et h e s i s ，t h ec o n c 印t s ，t h es y s t e r ns t r u c t u r ea n df e a t u r e so fw s na r e i n t r o d u c e df i r s t l y i na d d i t i o n w es t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o u t i n gp r o t o c o l si n w s na n dr e q u i r e m e n t sf o rd e s i g n m e a n w h i l e ，s e v e r a lt y p i c a lr o u t i n gp r o t o c o l sa r e a n a l y z e da n de v a l u a t e do v e r a l l b a s e do nt h es t u d ya b o v e ，w ep r e s e n ta ne n e r g y e f f i c i e n th i e r a r c h i c a lr o u t i n gp r o t o c o l ( e e h r p ) u s e di nt h el a r g es c a l ew s nw i t h t h ec o n t i n u o u sd a t as t r e a m e e h i 冲u s e sa l li n t e l l i g e n td e l a ym e c h a n i s mt oc h o o s et h ec l u s t e rh e a d t h e n o d e sw h i c hh a v eh i g h e rr e s i d u a le n e r g ya r ee a r l i e rt od e c l a r ec l u s t e rh e a dt h a nt h e i o w e ro n e sa r o u n d o t h e rn o d e sw h i c hi n s i d et h ed e c l a r a n t sc o m m u n i c a t i o nr a d i u s n o1 0 n g e ra p p l yf o rc l u s t e rh e a dt h i sr o u n d a nn o d e sd on o tn e e dt ob r o a d c a s tv a s t m e s s a g e st ob u i l dc l u s t e r sa n dt h ec l u s t e r sd i s t r i b u t i o ni sf a i r l yu n i f o r m ；g a t e w a y n o d e sa r ei n t r o d u c e di nr o u t i n ga l g o r i t h m c l u s t e rh e a d sc a ne f f i c i e n t l ya v o i d o v e r f u l le n e r g yc o n s u m p t i o nt h r o u g ht r a n s m i t i n gd a t ab yg a t e w a ys oa st om a x i m i z e t h en e t w o r kl i f e t i m e w eb u i l dt h es i m u l a t i o nm o d ew i t hm a t l a b s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a te e h r pc a nm e l i o r a t et h es i t u a t i o nt h a ts o m en o d e sw h i c ha r e o v e r l o a d e dd i et o oe a r l yo w i n gt ot h eu n e v e nn o d ee n e r g yc o n s u m p t i o ni nl e a c h a n dp r o l o n gn e t w o r kl i f e t i m ee f f e c t i v e l y 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 s ；c l u s t e r i n g ；h i e r a r c h i c a lr o u t i n gp r o t o c o l ； e n e r g ye f f i c i e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囱，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：孤傍王 日期：叫年6 日q ，日 指导老师签名： 日期： 帅训 6 如 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 本文提出了一种能量有效的无线传感器网络层次型路由协议 e e h r p ，在前几轮组簇过程中使用随机时延选取簇头，既能减少报 文控制数量，又能较合理的选出簇头。通过几轮组簇算法后，节点 需根据自己当前的剩余能量重新确定延时竞争簇头，尽可能使得剩 余能量越高的节点时延越小，它们能够先于周围剩余能量较低的节 点发送簇头通告，而其通信半径内的其它节点将不再申请成为簇头， 算法不需广播大量消息，形成的簇头分布也较为均匀。 2 本文使用m a t l a b 建立数学模型进行了仿真实验，仿真对比了 l e a c h 与e e h r p 的簇头分布情况、两种协议的生存时间、每轮消 耗的能量以及能耗与发送的数据量之间的关系，证实了e e h r p 比 l e a c h 协议更有效。 学位论文作者签名：弓砍倚王 日期：川年占日牛日 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 目前无线传感器网络路由协议还有很多需要改进的地方，研究新的、能更 进一步减少能量消耗、延长网络生命周期的路由协议，具有重要的意义。本章 首先介绍了论文研究背景和研究意义，最后说明了本文的研究内容和主要工作。 1 1 论文研究背景 无线通信网络按照其组网控制方式一般分为两类：一类是集中式控制的， 即有中心的。这一类无线网络的运行要依赖预先布置的网络基础设施。典型的 例子有依靠基站和移动交换中心等基础设施的支持的蜂窝移动通信系统，以及 基于接入点( a c c e s sp o i n t ) $ 1 有线骨干网模式工作的无线局域网等。但对于某些 特殊场合，不可能有这种预先布置的固定的设施可以利用。比如，战场上部队 快速展开和推进、发生地震或火灾后的营救、野外科学考察、偏远山区临时会 议等。在这种情况下，就需要一种能够临时快速自动组网的移动通信技术。这 也形成了另一类无线通信网络技术，即无线a dh o c 网络j 。 移动a dh o c 网络中，各个无线节点都可以自由移动，事实上，人们常把无 线a dh o c 网络等同于移动a dh o c 网络( am o b i l ea dh o cn e t w o r k ) ，即m a n e t 网络。m a n e t 网络是对等网络，它通常包含成千上万个通信节点，这些节点 能覆盖到几百米的范围。每个节点可视为一个个人信息器具，例如，配备有无 线收发机的个人数字助t 哩( d p a ) 。这些节点可以是完全移动的。m a n e t 的目的 是形成并维持一个有联系关系的多跳网络，这种网络能在节点间传输多媒体业 务。为了在移动性情况下能保证某种服务质量，m a n e t 网络必须采取如下措 施：( 1 ) 节点的组织采用使节点都能够有效地访问共享通信媒体的方式。在某些 情况下，我们将这种方式称之为“形成了一个基础设施”，同样地，这里的基础 设施能为节点提供一种信道接入策略；( 2 ) 网络中能执行路由寻址算法：( 3 ) 在移 动情况下仍能保持这种网络结构同时还能进行路由寻址。在m a n e t 网络中， 为了使服务质量最优，需要做好三方面的工作，即网络的组织结构、路由寻址 算法和移动性管理。这就是说，网络应被设计为，当节点在高速移动情形下， 网络仍能提供好的吞吐时延特性。尽管节点都是便携式的、由电池供电的设备， 西南交通大学硕士学位论文第2 页 但能量的消耗并不是我们主要考虑的因素。因为每个设备总是隶属于人的，当 我们猜测到电池的能量可能快耗尽时，就将它替换掉。 无线传感器网络则是一种无基础设施的无线网络，它由部署在监测区域内 的大量的廉价微型传感器节点组成，传感器节点由电池提供能量，通过无线通 信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。它综合了传感器技术、嵌入式计 算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和 采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理， 获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。如果说i n t e m e t 构成了 逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就是 将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交 互方式。人们可以通过无线传感网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有 网络的功能和人类认识世界的能力【2 j 。 无线传感器网络与传统网络有着明显不同的技术要求。前者以数据为中心， 后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端 到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上， 中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于无线传感器网络，这未必是一种合理 的选择【3 1 。一些为自组织的a dh o c 网络设计的协议和算法未必适合无线传感器 网络的特点和应用的要求。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外， 大部分节点都是静止的，因此没有必要花费很大的代价频繁地更新路由表信息， 中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集 分布的无线传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式 节省功耗，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响，这些独特的 要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。 通过以上分析可以看出，无线传感器网络与现有的传统无线通信网络、无 线自组织网络( a dh o c ) p g 及计算机网络等之间均存在着差异。其特殊性在于：( 1 ) 传感器节点数量大、随机分布，密度较大；( 2 ) 网络拓扑结构随时间动态变化； ( 3 ) 节点设备供电电源能量有限，生命周期短。因此，在现有无线通信网络中研 究和使用的追求高速率，高服务质量保证( q o s ) 的技术不能直接应用于无线传感 器网络中，需要研究新的技术，以保证实现传感器网络能量消耗最小化、网络 节点生命周期最大化、网络能量负载均衡化以及网络通信能力最优化的目标。 西南交通大学硕士学位论文第3 页 1 2 论文研究意义 无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应 用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防 恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域。国际上许多著名的大学和公司纷纷从 不同的层次、不同的角度对无线传感器网络协议进行了研究和开发。国际上从 2 0 0 0 年开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，近年来反映无线传感器 网络研究各个层面成果的论文逐步增多。但是，这些研究成果仍处于起步和原 型试验阶段，距离实际应用需求还有相当的距离。我国在无线传感器网络方面 的研究工作才刚刚起步，成果较少。由于无线传感器网络是一门新兴技术，国 内与国际水平的差距不是很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿 科技的研究，对整个国家和社会的经济发展有着重大的战略意义。 网络数据传输离不开路由协议，无线传感器网络路由协议的研究一直是一 个热点问题。由于无线传感器网络中节点的能量资源、计算能力和通传感器节 点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十分有限，每个节点又 只能获取局部网络的拓扑信息，这就要求其上运行的网络协议不能太复杂而且 必须考虑能量优先。而无线传感器网络和无线a dh o c 网络具有一定的区别， a dh o c 网络的路由协议不适用于传感器网络，需要研究新的、适用于无线传感 器网络的路由协议。 目前，人们从不同角度提出了多种专门针对无线传感器网络的路由协议， 比如洪泛路由、以数据为中心的路由协议、以位置为中心的路由协议、平面型 路由协议、层次型路由协议、谣言路由等。对于这些路由协议，到底哪一种最 合适还没有一个定论，它们都有各自适用的网络环境。对于具有大量节点的无 线传感器网络来说，一些以数据为中心的路由协议和平面型路由协议会造成很 大的延迟甚至网络瘫痪，分层是较好的解决办法，它能满足传感器网络的可扩 展性，有效的维持传感节点的能量消耗，从而延长网络的生命周期【4 j 。 层次型路由协议的基本思想是将传感器节点划分为不同的集群p j ，或者称 为簇，簇内部的通信由簇头节点来协调和完成，簇头节点进行数据聚集和融合， 然后簇头节点把处理后的数据传送给汇聚节点。这种分簇结构具有很大的优势， 它把网络中的通信局部化在一个个簇内，减少了长距离无线通信，同时可以采 西南交通大学硕士学位论文第4 页 用一定的数据融合机制减少传输的信息量，因此它能有效地减少能量消耗、延 长网络的生命周期，而且簇型结构具有较好的可扩展性。国内外学者先后提出 了多种层次型路由协议，包括l e a c h 6 1 、t e e n 7 1 、h e e d 引、p e g a s i s 9 】协议 等，它们都有各自的优点和不足之处，还有需要改进的地方。因此，分析它们 的典型思想，针对其不足进行探讨和改进，研究新的、能更进一步减少能量消 耗、延长网络生命周期的路由协议，具有重要的意义。 1 3 本文工作及内容安排 本文的研究内容主要集中在如何延长无线传感器网络的生存期的问题。将 传感器节点组织成簇的形式可以有效地减少网络的能量消耗从而延长网络生存 期，基于簇的路由协议是层次型路由协议的典型代表，本文对传感器网络的层 次型路由协议进行了入探讨，针对其特点与应用要求，提出了一种能量有效的 层次型路由协议e e h r p ( a ne n e r g ye f f i c i e n th i e r a r c h i c a lr o u t i n gp r o t o c o li n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 。 本文工作主要包括以下几点： ( 1 ) 分析应用于无线传感器网络中的几种典型层次型路由协议，主要是以 基于分簇为代表的协议。重点分析了l e a c h 协议在节约能源方面的可行性及 其优点，并对l e a c h 协议能耗进行了有效建模，给出了其能耗的具体参数， 找出了其不足之处。 ( 2 ) 提出了一种新的分簇路由协议e e h r p ，它采用一种智能延迟策略选取 簇头，尽可能使得剩余能量越高的节点时延越小，它们能够先于周围剩余能量 较低的节点发送簇头通告，而其通信半径内的其它节点将不再申请成为簇头， 协议不需广播大量消息，形成的簇头分布也较为均匀。在簇间路由算法中引入 了网关节点，簇头通过网关转发数据能够有效避免簇头远距离传送数据造成的 能耗过多而成为网络瓶颈，从而有效延长网络生存时间。 ( 3 ) 用m a t l a b 搭建仿真平台，仿真结果显示，该协议可改善l e a c h 协 议中由于节点能耗不均而造成的部分节点负载过重而过早失效的情况，有效地 延长了网络的稳定周期和生存时间，进而提高了网络稳健性和系统吞吐量。 本文内容安排如下： 第l 章，绪论。主要介绍本课题的研究背景和研究意义及本文的工作内容 西南交通大学硕士学位论文第5 页 与篇章结构。 第2 章，无线传感器网络协议层次和节能性研究。首先介绍了无线传感器 网络的体系结构，通信协议栈，然后分析总结了无线传感器网络的能量问题， 其中主要包括传感器节点的能耗分析和网络通信协议的能耗分析。 第3 章，无线传感器网络路由协议综述。首先说明了路由协议的特点和设 计需考虑的因素以及设计目标，接着给出了路由协议的组织结构和分类，重点 介绍了平面路由协议和层次路由这两大类协议，对主要的一些路由协议进行了 说明和分析比较。 第4 章，新协议的提出和仿真实验。首先分析了传感器网络的无线通信模 型，然后详细分析了l e a c h 协议和最优簇数的计算并指出其存在的问题，在 此基础上提出了一种能量有效的无线传感器网络层次型路由协议e e h r p ，并通 过仿真实验证明了新协议的有效性。 第5 章，总结研究工作成果，并对进一步的研究工作提出展望。 西南交通大学硕士学位论文第6 页 第2 章无线传感器网络概述 无线传感器网络是由传感器节点以自组织方式构成的无线网络，其目的是 协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发送给观 察者。无线传感器网络可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的 区域和一些临时场合等。本章从无线传感器网络的体系结构、通信协议栈、能 量问题等几方面对其进行综合阐述。 2 1 无线传感器网络体系结构 2 1 1 无线传感器网络结构 无线传感器网络结构 10 】如图2 1 所示，大量传感器节点随机部署在监测区 域内部或附近，这可以通过无人飞行器、火箭等撒播，也可以通过人工布置的 方式完成。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 ) s 1 任务 管理节点( t a s km a n a g e rn o d e ) 。这些节点能够通过自组织的方式构成网络。传感 器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数 据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到达汇聚节点，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，发布监测 任务以及收集监测数据。 柃测区域传感器节点 图2 1 无线传感器网络体系结构 西南交通大学硕士学位论文第7 页 2 1 2 无线传感器网络节点结构 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四 部分组成【1 1 1 ，如图2 2 所示。传感器模块负责监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， 交换控制信息和收发采集数据；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。 图2 - 2 无线传感器网络节点结构 节点在网络中可以充当数据采集节点、数据中转节点或簇头三种不同的角 色。数据采集节点收集周围环境的数据，通过通信路由协议直接或间接将数据 发送到汇聚节点：数据中转节点或称网关除了完成数据采集任务以外，还要接 收邻居节点的数据，将其转发给离汇聚节点更近的邻居节点或者直接发送到汇 聚节点；簇头负责收集该簇内所有节点采集的数据，并进行数据融合处理，转 发给离汇聚节点更近的簇头或中转节点或者直接发送到汇聚节点。汇聚节点的 处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与i n t e m e t 等 外部网络，实现两种协议的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并 把收集的数据转发到外部网络上。 2 1 3 无线传感器网络协议栈 无线传感器网络是和具体应用相关的，其协议栈除具有与传统网络类似的 物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层结构外( w s n 中统称为网络服 务接口) ，还具有拓扑控制、移动性控制、能量管理、安全管理、远程管理和配 西南交通大学硕士学位论文第8 页 置管理等结构( w s n 中统称为网络管理接口) 。在现有无线传感器网络研究成果 的基础上，无线传感器网络协议栈结构【1 2 】【1 3 】可归纳为图2 - 3 所示。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 圈回 巫田 口 】口 r 。1 i 卢、光、电、磁i 图2 - 3 无线传感器网络协议栈 无线传感器网络协议栈分为网络服务接口和网络管理接口两部分。网络服 务接口部分的功能与传统网络基本类似，物理层可以采用无线电、红外线或光 纤传输，决定了节点的比特速率、信号频率、编码格式、调制解调方式和待机 的能耗等：数据链路层的介质访问控制方法决定了信道接入方式和网络拓扑构 成，线路的差错控制和数据的成帧也是数据链路层必须处理的；网络层主要负 责分组的路由转发，其算法执行效率的高低将直接影响到网络传输延时和节点 能耗；传输层的主要功能是保证节点间端到端数据传输的可靠性，差错控制方 法是否可靠和高效是其重点研究方向；应用层除了要负责节点的网内时间同步 和节点定位外，与具体应用相关的接口设计是其重点内容。 网络管理接口部分中，拓扑控制工作在网络层，在数据链路层生成的已有 拓扑基础上，负责由于节点休眠、死亡和暂时性失效等因素造成的拓扑变化维 护：服务质量( q o s ) 管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等 机制，并对特定应用的数据给予特别处理；节点的移动性虽然也会造成拓扑结 构变化，但对于这类节点除了维护整个网络的有效工作外，还要使其在移动中 仍能够持续工作，这就要由移动性控制来完成；节点的能量管理、配置管理、 安全管理和远程管理要在每一层都应有所考虑，这样才能保证网络管理的全面 性和合理性。 鉴于传感器节点的能力十分有限，节能问题成为无线传感器网络中最受人 关注的问题。在物理层特性确定后；数据链路层、网络层和传输层是决定能耗 西南交通大学硕士学位论文第9 页 水平的关键层次。但是由于传输层保持线路可靠的代价较大，而节点的能力又 十分有限，所以对传输层的研究就相对较少。人们希望数据链路层和网络层的 高效性能够弥补传输层的缺失，因此对数据链路层m a c 子层和网络层的路由 算法的研究就成为当今无线传感器网络的两个热点问题。 2 2 无线传感器网络的节能性研究 2 2 1 传感器节点能耗分析 传感器节点的主要功能是按具体应用的需求检测其周围发生的事件，对采 集的数据进行预处理，然后将其发送出去。因此，传感器节点的能耗由三部分 构成：采集、通信和数据处理。 数据采集消耗的能量随着具体应用特性变化，间断性数据采集消耗的能量 比持续性监控要少。事件监测复杂度对数据采集能耗指标也起着重要影响。采 集区域周围的噪声程度也可能增加检测难度，增加数据采集的能量消耗。 相对于数据采集和数据处理而言，节点在数据传输方面消耗能量最多。数 据传输能耗包括数据发送和接收两方面。在无线收发器集成电路中，混频器、 频率合成器、电压控制振荡器、相同步逻辑和功率放大器都要消耗能量。 数据处理能耗远小于数据通信的开销。例如，假定瑞利衰减( r a y l e i g hf a d i n g ) 的能量与距离的4 次方成正比损耗，文献 1 4 】表明，l b i t 大小的数据包传输1 0 0 米的能耗相当于计算能力为1 0 0 m i p s w 的处理器执行3 0 0 万条指令所消耗的 能量。所以，在无线传感器网络中，为实现能耗最小化，将采集的数据本地化 处理方法是非常重要的。 图2 - 4 是d e b o r a c he s t r i n 在m o b i c o m2 0 0 2 会议上的特邀报告中所述传感器 节点各部分能量消耗的情况【1 5 】，从图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。无线通信 模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监 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。从图中可以看到传感器节点在睡眠状态的能量消耗最少。如何让网络 通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时能够尽快进入睡眠状 态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 通信 图2 _ 4 传感器节点能量消耗情况 目前在传感器节点的能耗问题上，主要的解决方法就是节能计算。除了在 节点设计中采用低功耗硬件之外，通过动态电源管理( d p m ，d y n a m i cp o w e r m a n a g e m e n t ) 1 6 】等技术使系统各个部分都运行在节能模式下也可以节约大量的 能量。最常用的电源管理策略是关闭空闲模块，在这种状态下，无线传感器节 点的一部分将被关闭或者处于低功耗状态，直到有感兴趣的事件发生。d p m 技 术的核心问题是状态调度策略，因为不同的状态有不同的功耗特征，而且状态 切换也有能量和时间开销。 在活跃状态下，则可以采取动态电压调节( d v s ，d y n a m i cv o l t a g e s c h e d u l i n g ) t 1 。7 】技术来节约能量。在大多数无线传感器节点上，计算负载是随时 间变化的，因此并不需要微处理器所有时刻都保持峰值性能。d v s 技术就是利 用了这一点，动态改变微处理器的工作电压和频率使其刚好满足当时的运行需 求，从而在性能和能耗之间取得平衡。 2 2 2 网络通信协议的能量问题 根据前面分析，在传感器网络中，无线通信是传感器网络的最大能量消耗 源，因此在各层通信协议中的能耗问题是非常重要的。 1 物理层 物理层负责频率选择、载波生成、信号检测、调制解调、编码、定时和同 步等问题，物理层设计直接影响到电路的复杂度和传输能耗等问题。 加 坫 m 5 o e一楼督 西南交通大学硕士学位论文第”页 在调制机制选择方面，传统的无线通信系统需要考虑的重要指标包括频谱 效率、误码率、环境适应性、实现难度和成本等。在无线传感器网络中，由于 节点能量受限，需要设计以节能和成本为主要指标的调制机制。为了同时满足 传感器网络最小化符号率和最大化数据传输率的指标，m a r y 调制被应用于无 线传感器网络【l8 1 ，m - a 眄调制通过单个符号发送多位数据的方法减少了发射的 时间，降低了发射功耗，但是所采用的电路复杂，无线收发器功耗较大。如果 以无线收发器的启动时间为标准，则b i n a r y 调制机制在启动时间较长的系统中 更加节能和有效，而m a r y 调制机制适用于启动时间较短的系统。另外，一种 基于直序扩频码分多址访问方法( d s c d m a ) 1 9 】的数据编码与调制，通过使用最 小能量编码算法来降低多路访问冲突，减少能量消耗。 2 数据链路层 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制，主要侧重于研 究媒体访问控制子层( m a c ) 。无线传感器网络的m a c 层主要目标是使节点公 平有效地共享无线信道，最大可能的降低冲突。人们经过大量实验和理论分析， 总结出可能造成网络能量浪费的主要原因包括如下几方面： ( 1 ) 如果m a c 协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的 过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞。这就需要重传发送的 数据，从而消耗节点更多的能量。 ( 2 ) 节点接收并处理不必要的数据。这种串音( o v e r h e a r i n g ) 现象造成节点的 无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量【2 0 1 。 ( 3 ) 节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听( i d l e l i s t e n i n g ) ，以便接收可能传输给自己的数据。这种过度的空闲侦听或者没必要 的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费。 ( 4 ) 在控制节点之间的信道分配，如果控制消息过多，也会消耗较多的网 络能量。 传感器节点无线通信模块的状态包括发送状态、接收状态、侦听状态和睡 眠状态等。单位时间内消耗的能量按照上述顺序依次减少。无线通信模块在发 送状态消耗能量最多，在睡眠状态消耗能量最少，接收状态和侦听状态下的能 量消耗稍小于发送状态。因此，传感器网络的m a c 协议为了减少能量的消耗， 通常采用“侦听睡眠交替的无线信道使用策略【2 。当有数据收发时，节点就 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 控制无线通信模块进入睡眠状态，从而减少空闲侦听造成的能量消耗。为了使 节点在无线模块睡眠时不错过发送给它的数据，或减少节点的过度侦听，邻居 节点间需要协调侦听和睡眠的周期，同时睡眠或唤醒。如果采用基于竞争方式 的m a c 协议，就要考虑尽量减少发送数据碰撞的概率，根据信道使用的信息 调整发送的时机。当然，m a c 协议应该简单高效，避免协议本身开销大，消 耗过多的能量。 3 网络层 w s n 网络层协议的主要特性在于：由于节点的能量有限，路由协议要求能 量有效和节点之间的能量均衡，并牺牲q o s 等要求来实现最大化网络生存时间。 考虑到w s n 的特性，应将能量问题与实时性等其他无线传感器网络的特性折 中考虑。 ( 1 ) 流量分发 对整个无线传感器网络而言，需要从全局上考虑如何将流量从数据源传递 到目的地，这里的重要问题是如何在源和目的地之间找到一条节能的多跳路由。 节能路由是在普通的路由协议基础上，考虑相关的能耗因素，引入新的与电源 消耗有关的衡量指标，实现能耗的节约，这方面已经有很多研究成果。比如， 最简单的节能路由协议是最少能量路由，即寻找一条能耗最低的路由，通过它 传送数据。但这样未必能延长网络的生存时间，因为某些处于关键位置的节点 可能被过度使用而导致电源过早耗尽。为避免这种情况，最大最小路由使得节 点的剩余电量尽可能多，即最大化节点的最小剩余电量。最大最小路由更多的 考虑了电池的剩余电量，而最少能量路由考虑的是某次通信需要消耗的电量， 一个很自然的改进思路是可以将两种方法结合起来，定义一个电源开销函数， 综合考虑两种策略。 ( 2 ) 拓扑管理 在典型的无线传感器网络部署中，节点密度都比较高，因为提高节点密度 可以提高结果的精确度，但如果系统生存时间更重要的话，就可以对网络拓扑 进行管理，利用相对较少的节点进行跟踪。这样，除了减少计算复杂度之外， 也降低了通信开销，因为没有参与跟踪的节点不会发送数据。如果硬件支持可 变发射功率的话，采用低的发射功率也能够降低网络电源开销，同时缓解共享 空间信道的竞争，提高网络容量。 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 ( 3 ) 计算和通信的折中 除了智能的路由和拓扑管理协议，缩减数据流长度也是有效的节能手段。 在无线传感器网络中，由于节点的高密度，使得同一时间被多个微传感节点同 时感知并捕获处理，导致了数据采集的冗余性。在选定节点将一定区域内节点 的数据进行汇聚或者融和，然后再将结果传送出去，不但可以提高事件数据监 测的可靠性，也可有效降低通信流量，从而节约能耗。 ( 4 ) 节能报文转发 除了发送自身感知的数据之外，每个传感器节点又都是路由器，需要为其 它节点转发报文。在典型的无线传感器网络环境下，传感器节点接收的大部分 报文需要转发给其它节点。通常情况下，传感器节点将绝大部分协议处理功能 交由微控制单元m c u ( m i c r o c o n t r o l e r u n i t ) 执行。这样，不管其最终目的地是哪 里，每个接收到的报文都会经过相同的处理步骤到达计算子系统并得到处理， 导致不必要的能耗开销。利用智能无线收发系统，需要转发的报文可以直接在 通信子系统标识和转发，甚至在计算子系统处于睡眠状态时也能正常工做。 4 传输层 传输层的作用和数据链路层在某些方面比较类似，如两者都有保证数据可 靠传输的责任。w s n 对数据链路层协议的要求主要体现在m a c 层介质访问控 制的可靠性和高效性，而由于传输层是建立在数据链路层和网络层提供的服务 之上的，如果数据链路层和网络层提供的服务确实是高效可靠的，那么传输层 就不是必须的。在p i c or a d i o 项目【2 2 】中，就提出如果无线传感器网络不接入 i n t e r n e t ，则传输层不是必须的；如果需要接入i n t e r n e t ，也不一定需要专门开发 一个w s n 的传输层协议，只需将w s n 中的路由分组封装成t c p 或u d p 报文 即可。如果封装成t c p 报文，则节点必须维护滑动窗口和3 次握手等t c p 机 制，势必对能量十分有限的传感器节点造成很大负荷，因此封装成u d p 报文更 现实些。如果u d p 是建立在无线传感器网络网络层的容错机制和数据链路层的 差错控制机制上的，则其可靠性是有保证的。另一方面，现有无线传感器网络 都是和应用相关的，在其有了自己的传输层协议之后，这种情况也将大大改善。 5 应用层 如图2 3 的协议栈结构所示，应用层要负责时间同步、节点定位、移动性 控制、能量管理、配置管理、安全管理和远程管理。虽然q o s 、移动性控制、 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 能量管理、配置管理、安全管理和远程管理可以由多个层次共同完成，每个层 次都可以针对相应的功能加入自己的实现机制，但由于数据链路层和网络层对 网络的q o s 属性、节点移动性和能耗比较敏感，更加适合实现这方面的特性。 而应用层作为无线传感器网络的最高层次，处于一种统观全局的位置，更适合 于网络的配置管理、安全管理和远程管理。 2 3 本章小节 本章首先介绍了无线传感器网络的体系结构，包括网络结构和节点结构， 接着介绍了无线传感器网络的通信协议栈，然后对无线传感器网络的节能问题 进行了分析，其中主要包括传感器节点的能耗分析和网络通信协议的能耗分析。 从通信协议的五大层分别阐述其能耗问题，其中对网络层的能量策略进行了详 细分析，为下面的工作打下理论基础。 西南交通大学硕士学位论文第1 5 页 第3 章无线传感器网络路由协议分析 由于传感器网络的一些固有特征，其它无线网络的路由协议不适用于传感 器网络，必须根据无线传感器网络自身特点设计合适的路由协议。本章首先分 析了无线传感器网络路由协议的特点和设计时需要考虑的因素，然后对现有的 路由协议进行了简要的列举和分类，对一些典型的路由协议进行了分析，总结 了它们的优势与不足。 3 1 无线传感器网络路由协议的特点 在无线传感器网络中，路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到 目的节点，它主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径； 将数据分组沿着优化路径正确转发。 a dh o c 与无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公 平高效地利用网络带宽，这类网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节 点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均 衡网络流量等，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。 在无线传感器网络中，节点能量有限并且一般没有能量补充，因此路由协 议需要高效利用能量。同时无线传感器网络中节点数量往往很多，节点只能获 取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。 无线传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可能差别很大， 没有一个通用的路由协议。此外，传感器网络的路由机制还经常与数据融合技 术联系在一起，通过减少通信量而节省能量。因此，传统无线网络的路由协议 并不适用于无线传感器网络。与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络路 由协议具有以下特点： 1 能量优先 传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。而无线 传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生命周期成为无线传感器网络 路由协议设计的首要目标，需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的 问题。 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 2 基于局部拓扑信息 无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有 限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复 杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现 简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。 3 以数据为中心 传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而无线传感器 网络中大量节点随机部署，所关注的是检测区域的感知数据，而不是具体哪个 节点获取的信息，不依赖于全网唯一的标识。无线传感器网络通常包含多个传 感器节点到汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向 等，以数据为中心形成消息的转发路径。 4 应用相关 无线传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个路由 机制适合所有的应用，这是无线传感器网络应用相关性的一个体现。需要针对 每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。 3 2 无线传感器网络路由协议设计的考虑因素 从无线传感器网络的特征来看，仍然存在一些制约因素限制其投入实际应 用领域，比如节点能量供应有限、计算能力弱、无线带宽窄、通信距离短和通 信干扰等。而设计传感器网络主要目标之一是执行数据采集、传输，同时通过 运用高效的能量管理策略延长网络寿命和防止网络互