（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络中基于粒度控制的节能调度算法研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 无线传感器网络是由大量传感器节点组成的一种无基础设施、自组织的新型网 络，作为微电子技术、传感器技术和无线通信技术相结合的产物，在农业、军事、 环境、工业控制等领域具有广泛的应用前景。无线传感器网络无中心、动态拓扑、 信道带宽窄且节点能力有限。为了适应这种独特的组网方式，必须为无线自组网设 计相应的协议。传感器节点通常采用电池供电，能量受限是最突出的问题。因此能 量问题的研究是当前无线传感器网络研究的一大热点。 介质访问控制协议( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 规定了传感器网络无线信道的 使用方式并为各节点分配信道资源，是无线传感器网络研究的重要方向。m a c 协 议能耗水平直接影响到节点数据采集能力和网络生存时间，对传感器网络的性能有 很大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。因此，有效节约 能量，延长网络生命周期是无线传感器网络m a c 协议设计的首要目标。 当前无线传感器网络中主要从减少节点空闲侦听、节点串音、数据碰撞等几个 角度来控制m a c 协议层的能耗。为了提高无线传感器网络m a c 协议层的能量有 效性，本文提出了一种基于粒度控制的节能调度算法e s a a c 。算法分为两个功能 模块：数据优化模块e a c a 与调度模块，分别从优化m a c 层数据和优化m a c 信 道调度两个方面来控制m a c 协议的能耗，e a c a 模块作为调度模块的一个输入单 元影响整个算法的性能。e s a a c 采用独立于应用的数据融合( n d a ) 技术，通过 在撇c 层中对数据进行再优化，以此来降低m a c 协议通信负载：引入了基于簇 结构的加权负载时隙调度机制，根据各节点的实时情况动态划分无线信道，优化信 道调度，控制网络中的串音与空闲侦听。 理论分析与实验仿真表明，e s a a c 算法有效的提高了无线传感器网络m a c 协 议层的能量效率，并且在数据包延迟、包投递率等性能上得到了有效保证。 关键词：m a c 协议、无线传感器网络、节能、融合粒度、时隙调度、串音 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn 的w o r k s ( w s n ) i sc o m p o s e do fal a r g en 岫b e ro fm i c r os e n s o r n o c i e sw h i c ha r el o w - p o w e ra i l dl o 、v - c o s t ，i t hm el l a l p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o - e l e c t r o ， s e n s i n gt e c l l i l o l o 贸锄d 丽r e l e s sc o n u n u i l i c a t i o i l ，e n s u r ea 谢d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sf o r w s ni i lt h ef i e l d ss u c ha sa g r i c u l t u r e s ，m i l i t a | 嘎e n v i r 0 啪e n t ，i n d u s 臼嗲c o i l t r o la i l ds oo n c o m p a r e d 、i mt m i a i t i o n a l 谢r e l e s sn e 觚o r l 唱，w s ni san o v e lm o d e ln e 觚o r ka n d 咖i c a l l yc h 越a u c t e r i z e db yi 1 1 f 蕊t r u c t l l r el e s s ，s e l f o 玛a 1 1 i z i i l g ，d y m u n i ct o p o l o g y ，、械r e l e s s c h 锄e l sw 岫l h i t e db a n 撕d ma 1 1 dn o d e s l i l t l i t e dc a p a b i l i 够t 0b ea d 印t e dt o l e s e s p e c i a ln 舐r kc h 醐鱼c t e r s ，t 1 1 ec o n e s p o n d i n gp r o t o c o l sm u s tb ed e s i 印e d t h es e n s o r n o d e sh a v ev e r yl h i t e de n e f j 甄s om ee n e r g yc o n s u m 证gi sah o t p r o b l e mi nt l l er e s e a r c h 0 f w s n m 队cp r o t o c o lt r i e st 0e m m r et l l a tn ot 、) i ，on o d e sa r ei i l t e r f 色r 洫g 、i me a c ho 1 e r s 仃a n s m i s s i o n s ，a n dd e a l s 谢mt l l es i t u a t i o nw h e nt h e yd o ；e v e 巧s h 锄e d 慨l e s s c o l l l 】m l l i c a t i o nc 1 1 a 】【1 1 1 e 1 m a cp f o t o c o le n e r g y e 角c i e n c yd i r e c t l ya 疏c t st h el i f e t i l i l eo f w s n 7 1 1 1 em o s th p o 衄l ta 洫o f d e s i g r l i n gm a cp r o t o c o l i st 0r e d u c e 吐圮e n e 略y d i s s i p a t e di i ln 坨i l e 弧砸r ka n dt om a x i i n u m l cn e t w o r kl i f e t i m e t 【1 ea r es o n l eo ff a c t o 璐 试a 饪i e c t 也ee n e r g yc o n s 啪p t i o no fm a c p r o t o c o lo fw s ns u c h 硒i d l e l i s t e 血g 、 o v e r h e a i i n g 、w 心e l e s sc k m e lc o 州1 i c ta n d s oo n t o i m p r o v e l ee n 够g y e 历c i e n c yo fm a cp r o t o c o i ，w ep r o p o s e d觚 e n e r j g y - e 伍c i e n ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mb 嬲e d0 na g g r e g a t i o n 黜砌a r i t yc o n 缸0 lf o fw s n m a c p r o t o c o l ( e s a a c ) 1 1 1 ea l g o r i t l l i i lh a st w r o 硒c t i o nm o d u l e s ：t h ed a t ao p t i i i l i z i i l g u i l i o ne a c aa i l dt l l es c h e d u l i n gu l l i o n e a c aa d o p ta p p l i c a t i o n - i n d e p e n d e n td a ：t a a g g r e g a t i o n d a )s c h e m e s ，u s i l l g a ne 伍c i e ma g g r e g a t i o n g 群m u l a r i 锣c o n t l m e c l l a r l i s mt 0 蹦lo 行m a cl a y e rd a ：t aa n dt 1 1 e i lr e d u c e de n e f g yc o n s 啪e i i ls c h e d u l i n g u 芏l i o n 咖r ki sc l u s t e l - b 嬲e d ，d u s t e rh e a d sa 由u s tt h et 蛔e s 1 0 to fm e m b e l r - n o d e s a c c o r d i n gt o 也e i r 、e i 曲【t e dc o m m 砌c a t i o nl o a di nap r o p e ro r d e r 砒l df b q u e n c y u 也i ss 仃u c t u r e 、ec a nc 0 n t r o lm eo v e r h e 痂g 、w i r e l e s sc h 锄e lc o 州 1 i c ti 1 1n e t w o r i 【s 锄d r e d u c em ei d l el i s t c 疵略 s i 】 i l u l a t i o nr e s u h ss h o wt h a tt h ea l g o r i t l l me s a a c i m p r o v e sm ee n e r g ye 伍c i e n c y o fm a c p r o t o c o l ，a i l dp r o l o n g st h el i f e t 曲eo f t l l ew s n a tm es 锄et 砀e ，a l g o r i t h j nh 嬲 l o 、j l 恰r ( i a t el a t e n c ya n dal o 、e rp a c k e td r o pr a t e 1 ( e yw o r d s ：l 讧a cp r o t o c o l 、w i r e l e s ss e r l s o rn e “v o r k 、e n e 理黟一e 伍c i e n t 、a g g r e g a t i o n 伊a n u l a r i 够、 t h e s l o ts c h e d u l e 、o v e r h e a r i n g 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，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，均已在文中以明确方式标明。本声明的法 律结果由本人承担。 作者张彳艺亳年 吼础嘲9 了日 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，即：学校有权保留并向国 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。本人授权华中师范大 学可以将本学位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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：纽嗄葬 日期：沙钞年。石月岁f 日 导师签名易纠卟 日期眇爿年弘月口，；日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童途塞握变后溢后；旦坐玺i 匹生i 旦三笙筮查! 作者签名：7 a 荡辛 日期：年。6 月c 扣 1 1 研究背景及现状 第1 章绪论 近年来微电子技术和无线通信技术的发展，推动了低成本、低功耗、微体积传 感器节点的出现。这种微传感节点由传感单元、数据处理单元、通信单元和便携式 电源组成，能完成数据采集、信号监测和传送信息的任务。随着传感器技术、现代 网络和通信技术的进步，无线传感器网络技术也得到长足的发展。无线传感器网络 ( w i r e l e s ss e n s o r n e 研o r k s ，w s n ) 是由大量具有无线通信功能的微传感器节点以自 组织方式组织起来的网络。它采用a dh o c 方式配黄大量微传感器节点，通过节点 的协同工作来采集、处理和传递网络覆盖区域中的被监测目标的相关信息。无线传 感器网络不需要任何固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，它的出现 为随机性的数据获取提供了便利，而且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的 侵入式破坏。无线传感器网络无论在军用还是民用方面都具有非常广泛的应用前 景。在军事侦察、智能家居、工业控制、建筑物结构监控、森林火灾监控、医疗监 护、农业养殖和空间环境探索等领域的巨大的应用价值得到了各国政府、军方、跨 国公司和科研机构的关注与重视，成为当今世界工业界与学术界的研究热点，被认 为是信息感知和采集的一场革命。随着传感器网络技术的发展，其最终将成为现实 世界与数字世界的接口，深入到人们生活的各个层面，像i n t 啪e t 一样改变人们的 生活方式【1 1 。 无线传感器网络引起了国内外越来越多研究机构和团体的关注。美国自然科学 基金委员会2 0 0 3 年制定了传感器网络研究计划，支持相关基础理论的研究。美国 国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，把传感器网络作为一个重要 研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。英特尔公司、微软公司等信 息业巨头也开始了传感器网络方面的研究工作。日本、德国、英国等科技发达国家 也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。国内一 些高等院校与研究机构如清华大学、中科院软件所、浙江大学、哈尔滨工业大学等 也开展无线传感器网络的相关研究工作。无线传感器网络研究方向众多，而对网络 协议有效性的研究特别是m a c 协议的研究是其中的重点。在m a c 协议的研究上， 很多种不同类型的m a c 协议被提出，如基于竞争的m a c 协议，基于调度的m a c 协议，基于混合接入的m a c 协议等。目前m a c 协议的研究多集中于能量有效性 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 问题，侧重于能耗因素及相应节能策略，而其它方面如q o s 性能并没有突破传统 自组网m a c 协议的设计策略。 1 2 研究目的与意义 无线传感器网络是一种全新的信息获取与处理技术。由于具有巨大的应用价 值，各国的科研机构、大学以及战略部门都予以了高度重视。我国国家中长期科 学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中将传感器网络列为重点领域及其优先 主题进行研究，可见其对整个国家和社会都具有重大的经济及战略意义。 无线传感器网络是由低能量、低能耗的微传感器节点以组织起来的网络，能量 受限是其推广和应用中的一大瓶颈。m a c 协议处于传感器网络底层部分，是构建 无线传感器网络应用系统的底层基础结构之一，无线传感器网络在电池容量问题没 有得到根本的解决之前，降低m a c 协议的能量消耗是保证无线传感器网络高效通 信的关键。 在当前无线传感器网络m a c 协议节能算法的研究中，广泛采用的方式是优化 信道调度，包括增加节点的休眠时间，减少节点对信道的侦听控制节点串音，减少 冲突重传现象和降低控制开销等方法。但在这些方法中，往往只是在一个方面降低 了节点能耗，而又增加了在另一个方面控制节点能量开销的难度，信道调度没有形 成最佳能耗性能。 无线传感器网络的性能如生命周期、吞吐量、延迟性能等很大程度上取决于所 采用的m a c 协议。因此加强对m a c 协议节能算法的研究，提高m a c 层的能量使 用效率，是具有现实意义的。 1 3 本文的研究工作 减少m a c 协议能量消耗，提高传感器网络能量效率是本文工作的出发点。主 要目标是通过对m a c 层能量浪费原因的分析，设计m a c 协议层节能算法，从多 个方面降低这些能耗因素的影响。本文主要对以下几个方面的问题进行了分析和研 究： ( 1 ) m a c 协议能量消耗原因及相互间的关系 影响无线传感器网络m a c 协议能耗的相关因素是多方面的。不仅有网络串 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 音、节点空闲侦听、协议开销、无线信道冲突等可以通过协议本身性能的优化来控 制的因素，也有网络数据流量等外部因素影响其能耗。本文对数据量与m a c 协议 能耗之间的关系进行了探讨，并将数据量对网络串音、节点空闲侦听等的影响作了 详细分析。 ( 2 ) 址d a 数据融合模型 数据融合通过对多传感器信息的综合处理，能够扩展节点处理信息的准确度， 提高网络可靠性并降低节点的能量开销。独立于应用的数据融合模型触d a 不用考 虑应用层的要求，融合过程简单。本文介绍了朋d a 融合模型并在m a c 层中引入 触d a 机制对数据进行优化。 ( 3 ) 串音控制问题 无线传感器网络中通信信道是开放性的，在网络中特别是在稠密网络中容易产 生串音问题。采用层次型网络模型，通过合理的簇结构划分降低网络的通信复杂度 以及管理难度，从而降低节点串音可能性。并采用内带信令的方式迸一步避免节点 之间可能的串音。 ( 4 ) 空闲侦听问题 空闲侦听问题是传感器节点能量消耗的重要原因之一。众多传感器网络m a c 协议采用尽量控制节点通信模块处于侦听状态时间的方法来降低能耗。本文提出了 一种基于加权通信负载的时隙调度机制，将节点的加权通信量、当前剩余能量等因 素作为划分节点时隙长短的参考依据，通过动态的时隙划分来减少节点侦听时间。 1 4 论文的组织结构及安排 本文结构安排如下： 第一章介绍了无线传感器网络m a c 协议的研究意义和国内外研究现状：对整 篇文章的结构进行了安排。 第二章对无线传感器网络m a c 协议能量耗散的原因如网络串音、数据有效性 低、节点以及无线信道间的串音、控制过程复杂等进行了详细分析；给出了数据融 合的定义及分类，对数据融合与m a c 协议能量有效性之问的关系进行了分析；对 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 常见的m a c 协议如c s m c a 、t - m a c 、s m a c 等的能量有效性进行了探讨和比 较。 第三章提出了一种基于粒度控制的传感器网络m a c 协议节能调度算法 e s a a c 。算法中采用簇结构组织网络，从提高数据有效性、控制串音与空闲侦听等 多个角度来提高凇c 协议的能量有效性。首先分析了融合粒度、信道噪声、节点 与信道串音、空闲侦听对m a c 层数据传输的能量有效性的影响；提出了相应的网 络模型和假设。通过对融合缓冲空间的粒度进行控制来提高网络中的数据有效性； 通过合理的时隙划分、时隙更新频率、时隙更新顺序来优化m a c 调度。对算法给 出了详细的描述。 第四章对算法进行了理论分析，并在给定的环境中对算法进行了性能仿真。 第五章对全文进行了总结，并对以后的研究作了展望。 4 第2 章无线传感器网络卧c 层节能算法 2 1 无线传感器网络卧c 协议 介质访问控制( m e d i 啪a c c e s sc o n 缸0 l ，m a c ) 协议是用于建立可靠的点到点、 点到多点或多点共享的通信链路技术。作为数据链路层的一个子层，其基本任务是 节点共享网络媒体的接入问题，通常要保证某些特定性能或与应用相关的性能得到 满足，这包括一些传统的性能准则，例如网络延迟、数据吞吐量和公平性等。在所 有的广播网络中，当信道产生竞争时，如何分配信道的使用权是一个关键问题。在 实际应用中，如果为每个节点分配一个独立信道，往往要消耗很多的通信带宽资源， 尤其是对于通信带宽有限的无线传感器网络就显得不太可取。因此，如何控制共享 信道的接入，是m a c 子层的主要任务。相对于有线网络，无线环境下的m a c 技 术将要面对更多的问题。例如，有线网络中很容易实现冲突检测，而无线网络中却 只有冲突避免；无线信道的数据传输也不如有线方式可靠，误码率将大大高于有线 网络；有线环境不存在隐藏终端( h i d d e ns 协t i o n s ) 嵋3 j 和暴露终端( e x p o s e ds 协t i o n s ) h 的问题，而在无线网络中它却是导致网络性能恶化的重要因素。无线网络尤其是在 分布式方式下，节点的新增、死亡、移动等会导致网络拓扑结构、规模的变化，这 也会给m a c 的设计带来困难。除此之外，无线传感器网络的m a c 协议设计还必 须要考虑电池能量的限制，传感器节点采用微型电池供电，由于节点数量大及放置 环境等因素难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个传感器网 络设计的关键问题之一，它直接决定了网络的工作寿命。可见，传统的m a c 协议 不能直接应用于无线传感器网络。 传感器接点的能量、存储、计算和通信带宽等性能有限，单个节点的功能较弱， 而传感器网络的整体性能是有众多节点协作而实现的。多点通信在局部范围需要 m a c 协议协调之间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路 径。在设计无线传感器网络的m a c 协议时，需要着重考虑以下几个方面： ( 1 ) 节省能量。传感器网络的节点一般是以干电池提供能量，而且电池能量 通常难以补充和更换，为了长时间保证传感器网络有效的工作，m a c 协议在满足 应用要求的前提下，应尽量节省使用节点的能量。 ( 2 ) 可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过 程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 器网络的拓扑结构具有动态性。m a c 协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变 化的拓扑结构。 ( 3 ) 最小延迟。网络中部分数据报具有时效性；传感器节点之间为了节省能 量，部分协议要求节点之间保持工作频率的一致，而数据延迟问题会影响到这种一 致性。因此，m a c 协议需要保证数据在最迟截止时间之前发送给接收节点。 ( 4 ) 网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽 利用率等。 在以上几个方面中，重要性依次递减，节约能量成为传感器网络m a c 协议设 计首要考虑的因素。针对能量受限、网络拓扑结构动态变化等特点以及特殊的通信 要求，在无线传感器网络m a c 协议的研究上，国内外学者提出了很多富有建设性 的方案。根据网络信道的划分方式，可将现有的无线传感器网络m a c 协议分为以 下几类：基于码分复用的m a c 协议、基于时分复用的m a c 协议、基于信道竞争 的m a c 协议、基于频分复用的m a c 协议等。 ( 1 ) 基于码分复用( c d m a ) 的m a c 协议。c d m a 协议为相邻节点分配特 定的具有正交性的地址码，因此在通信频率、通信时间和空间上都可以重叠。在无 线传感器网络中为节点分配和其它节点正交的地址码，节点间可以实现同时传递信 息而不会导致无线信道的串扰，从而解决信道冲突问题。但传感器节点需要进行复 杂的c d m a 编解码运算，要求传感器处理单元有比较强的计算能力，同时也会增 加节点的能量消耗。 ( 2 ) 基于时分复用( t d m a ) 的m a c 协议。将时间划分为连续的时隙，为每 一个节点分配独立的用于数据发送或接收的时隙，节点只能在分配的时隙之中发送 消息，在其它时间内则转入睡眠状态。基于周期性调度的m a c 协议、分簇结构的 m a c 协议都属于此类协议。t d m a 机制的特点非常适合无线传感器网络节能能量 的要求：t d m a 机制中没有竞争机制中的碰撞重传问题，数据在传输的过程中控制 机制比较简单，控制信息很少，节点在空闲时隙能够及时进入睡眠状态。 ( 3 ) 基于信道竞争的m a c 协议。它的基本思想是传感器节点间通过某种竞争 机制抢占公共无线信道通信，发送过程中如果产生碰撞则采取某种策略重发数据。 此类协议中，有代表性的协议有i e e e8 0 2 1 1m a c 协议【5 】、s m a c 协议【6 ，r ，j 、t - m a c 协议【8 】等。这类协议是在传统网络m a c 协议的基础之上，针对传感器网络的特点 而提出的改进协议。 m e e8 0 2 1 1 m a c 协议是i e e e8 0 2 1 1 无线局域网( w i ，a n ) 标准的一部分。其 主要功能是信道分配、协议数据单元寻址、组帧、纠检错、分组分片和重组等。i e e e 6 8 0 2 1 1 m a c 协议有两种工作方式：一种是分布式协调功能( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n ， d c f ) 【9 - 1 0 】；另一种是中心点协调功能( p o 打nc o o r d i n a t i o n ，p c f ) 【l o 】。目前在无线传 感器网络研究领域，很多的测试和仿真分析都基于d c f 方式。在d c f 方式下，节 点采用c s m a c a 机制和随机退避等待时间算法实现无线信道共享，采用随机退 避机制来减小数据冲突的概率。而p c f 方式是基于优先级的无竞争访问，通过访问 接入点协调节点的数据收发，通过轮询方式查询当前哪些节点有发送数据请求，并 在适当时候给予节点数据发送权。 n 。r i n a l t上t上t上t丁1lrt t ：一：厂 厂 s 一c f t3 1 ”叫uj rt付tt 图2 1s m a c 协议工作方式 s m a c 协议是在8 0 2 11 m a c 协议基础上，针对传感器网络的节能需求而提出 的传感器网络m a c 协议。其工作原理图如图2 1 所示。s m a c 协议主要设计目标 是提供良好的扩展性能，减少节点能量的消耗。s m a c 协议采用周期性侦听睡眠 的工作方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能量消耗，邻近节点采取统 一睡眠调度机制形成虚拟簇结构来减少侦听时间；通过流量自适应的侦听机制，减 少消息在网络中的传输延迟；并采用内带信令的方式来提高数据传送效率。s - m a c 协议中为减少能量的消耗，节点要尽量处于低功耗的睡眠状态。每个节点周期性的 转入睡眠状态，在转为侦听状态后监听信道状态，判断是否需要收发数据。为了相 互间的通信方便，相邻节点间最大程度的维持侦听睡眠周期一致。具有相同调度节 奏的节点形成一个虚拟簇，如图2 2 所示。网络中众多的虚拟簇可以使得s m a c 协议具有良好的扩展性能。协议采用流量自适应的侦听机制，节点在通信结束后， 其邻居节点不是立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间，在此时间内如果接收 到i 玎s 分组，则可以立即接收数据，没有则转入睡眠状态直到下轮侦听周期的到来。 s m a c 协议采用与8 0 2 1 1 m a c 协议类似的载波监听机制，采用i 盯s c t s d a t a a c k 的通信过程。s m a c 协议周期长度是固定不变的，周期长度受限， 活动时间主要依赖于消息速率。同时，s m a c 协议存在一个很大的缺点：即这种 方法不适合唤醒时间长度的变化，一般情况下它的时间长度基本上是固定的。 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s ，。 o 虚拟簇二 。i 、 图2 2 虚拟簇 t - m a c 协议基于s m a c 协议，引入了可调节占空比机制，根据节点流量，动 态调节节点侦听睡眠的时间，采用突发方式发送数据，减少侦听时间。其工作原理 如图2 3 所示。t - m a c 协议中，发送数据时仍然采用r t s c t s d a l r a a c k 的通信 过程，节点在给定的时间t a ( t i i n ea c t i v e ) 内没有发生周期性时间溢出、收到新的 数据、接收到数据交换结束信号等激活事件，则活动结束，但同时会引起早睡问题。 所谓早睡问题，就是当两个或多个子结点都要向父结点传送数据时，在一个结点获 得信道并完成发送，由于它再没有数据发送，所以不会设置发送标志位，父结点看 到没有设置标志位，就会转入睡眠，而不去监测接下来的数据包。 n 。n 1 1 a 1 t上t上t上t t上t t c 母一 图2 3t m a c 协议工作方式 ( 4 ) 基于频分复用的m a c 协议。为相邻传感器节点对分配频率互不重叠的固 定信道，在整个通信过程中节点对始终占用这个频带，各个节点对在同一时刻占用 不同的带宽资源，各节点对利用这个固定信道实现无串扰通信。频分复用m a c 协 议中无信道串音、数据碰撞等问题；但无线信道带宽利用率低，频道划分对传感器 处理单元要求较高。 传感器网络节点处理能力和电池容量都有限，但基于码分复用、频分复用的 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s m a c 协议对节点的处理能力和电量都有较高的要求。因此基于信道竞争的m a c 协 议和基于时分复用的m a c 协议是目前传感器网络m a c 协议的研究重点。无论何 种m a c 协议，如何提高能量有效性都是目前m a c 协议设计的优先考虑目标。 2 2 几种典型卧c 协议 在本章的2 1 节介绍了几种不同类型的无线传感器网络m a c 协议，本节将对 各类协议中一种或几种比较常见的协议性能特别是能耗性能进行简单的分析。 2 2 1 基于码分复用的m a c 协议 文献【l l 】中介绍了一种使用c d m a 技术的m a c 协议。为了实现正交的地址编码， 通过一种伪随机码分配算法，使得各传感器节点与其两跳范围内邻居节点的伪随机 码都保持正交，从而实现了信道共享，确保了通讯过程中不会产生碰撞冲突。为了 保持局部范围内的同步和降低能量消耗，该协议要求每个节点使用两个独立的无线 电装置，即数据收发射频和低功率唤醒射频。在不收发数据时让大功率的收发电 路进入休眠状态，低功率唤醒射频一直处于侦听状态，如果发现需要与其它节点需 要向本节点发送数据，则打开数据收发射频来接收数据；如果节点自身需要发送数 据到邻居节点，则通过唤醒射频唤醒休眠的接收节点，然后双方打开数据收发射频 传输数据，如图2 - 4 所示。基于c d m a 技术的m a c 协议，不需要严格的时钟同步， 只要求局部范围内的节点之间保持同步，网络的可扩展性较好，能量有效性较高。 接收节 点信道 发送节 点信道 唤醒信 道 图2 4 接收、发送和唤醒信道 2 2 2 基于时分复用的m a c 协议 常见的基于时分复用信道分配形式的m c 协议有d e a n a 【1 2 】协议、t r a m a 【1 3 】 协议、类l e a c h 协议【1 钔、d m a c 协议、认c e 【1 5 1 协议等。 ( 1 ) d e a n a 协议 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 分布式能量感知节点活动( d e a n a ) 协议将时间帧分为周期性的调度访问阶 段和随机访问阶段。调度访问阶段由多个连续的数据传输时隙组成的，某个时隙分 配给特定的节点用来发送数据，除目的节点外，其它节点在此时隙处于睡眠状态。 随机访问阶段由多个连续的信令交换时隙组成，用于处理节点的添加删除和时间同 步等。为了进一步节约能量，在调度访问部分中，每个时隙又分为控制时隙和数据 传输时隙，控制时隙与数据传输相比很短。与传统的t d m a 协议相比，协议在数据 传输时隙前加入了一个控制时隙，发送节点通告谁是消息的接收者；所有非发送节 点都处于接收状态并判断自己是否为消息的接收者，使节点在得知不需要接收数据 时进入睡眠状态，从而能够解决部分串音问题，但是，此协议对节点的时间同步精 度要求较高。 ( 2 ) t r a m a 协议 流量自适应媒质访问( t r a m a ) 协议，将时间划分为连续的时隙，根据局部两跳 内的邻居节点信息，采用分布式选举机制确定每个时隙的无冲突发送者。它通过利 用预约技术来避免接收者间的碰撞的，采用两种技术来节能：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；避免把时隙分配给无流量的节点，让 非发送和接收节点处于睡眠状态达到节省能量的目的。将时间分成时隙，用基于各 节点流量信息的分布式选举算法来决定哪个节点可以在某个特定的时隙传输，以此 来达到一定的吞吐量和公平性，并能有效地避免了隐藏终端引起的竞争。 表2 1 基于时分复用的 i a c 协议 协议 纯t d m a同步要求信垣十扰 d e a n a不是严格无 t r a m a 不是严格 可能 s m a c s不是不严格可能 t r a c e不是不严格可能 d m a c 不是严格可能 t d 【a w 是无无 p a c t 不是严格 无 e m a c s是严格可能 文献【1 6 1 对基于时分复用的无线传感器网络m a c 协议进行了系统的总结，如表 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 1 所示。由表可见，基于时分复用的m a c 协议很多都需要严格的时间同步，在 传感器节点处理能力不强的情况下将很难实现。 2 2 3 基于竞争信道的m a c 协议 基于竞争信道的m a c 协议是目前采用最多的一种协议。这种类型的m a c 协 议有8 0 2 1 1m a c 协议、s m a c 、t - m a c 等，各种协议的能量耗散情况如下。 ( 1 ) 8 0 2 1 1 m a c 协议 8 0 2 1 1 m a c 协议【1 7 ，1 8 1 不管是采用分布式协调还是点协调方式，网络中节点的 通信模块一直处于侦听状态。在通信负载较低时，数据传输效率高，但节点很大部 分时间处于空闲侦听状态，耗费了大量能量，致使单位数据发送能量耗费大。随着 网络负载的增加，信道冲突增多，部分数据需要等待发送或因为碰撞而重发，这些 时间里的能耗不是必须的，因此相对于低负载时节点能量有效性急剧下降。 ( 2 ) p a 嗄a s 协议 功率感知多址( p a m a s ) 协议【1 9 】是m a c 层上以节能为目的协议。鼢龇s 协 议中，通过让无法接收或发送数据的节点关闭无线通信模块转为休眠模式来节能。 只要节点了解到其邻居节点正在进行数据传输，而其不能进行分组的发送和接收， 则将其通信模块转为休眠模式。节点可以在如下情况下关闭无线通信模块：它暂时 没有数据要发送；至少有一个邻居节点在发送数据，且至少有一个邻居节点正在接 受此数据；其邻居中有节点要发送或正在发送数据，而它不是目的节点。 文献【1 9 】表明l m a s 协议在较低负载、较高节点密度时能节省6 0 的能量，而 在较低负载、较低节点密度的时候能够节省2 0 3 0 的能量。在高负载的情况下， 可以获得1 0 0 0 的能量节省，节点密度越高，能量节省幅度越大。 ，、 ( 3 ) s m a c 协议 s m a c 协议从可能浪费能量的资源入手来减少能量消耗。即通过周期性的睡 眠侦听状态转换来减少信道侦听时间；通过i 盯s c t s 通信机制来避免碰撞冲突重 传数据；通过虚拟和物理载波监听机智以及i 汀s c t s 机制来避免信道串音；通过 简化控制机制，优化控制语句结构来减少控制消息的额外开销。文献【2 1 】和2 2 】对 s m a c 协议的能耗情况进行了详细分析。表明在相同情况下，s m a c 协议的能耗 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 远低于8 0 2 1 l 协议，对与源节点而言，8 0 2 1 l 中的能耗量要比s m a c 协议中的高 2 6 倍瞄】。 ( 4 ) t - m a c 协议 t - m a c 协议也采用了与s m a c 协议样的能量节省机制。由图2 1 和图2 3 可知，t - m a c 协议相比s m a c 协议中多了一个活动时间t a ( t i i i l ea u c t i v e ) ，在t a 时间中，如果没有发生以下任何一个事件，节点射频模块则进入睡眠状态：周期时 间定时器溢出；在无线信道上接收到其它节点发送过来的数据；通过侦听到 i 汀s c t s 报文确认邻居节点的数据交换已经结束；通过接收信号强度指示r s s i 感 知存在无线通信过程。t a 决定每个周期最小的空闲侦听时间，节点无线通信模块 在保证数据正常传输的前提下能更早的进入到睡眠状态，使t - m a c 协议具备根据 通信流量动态调整占空比的能力，减少了闲时监听浪费的能量，但仍保持合理的吞 吐量。t - m a c 通过仿真，与典型无占空比的m a c 协议c s 凇和占空比固定的 s m a c 比较，表明不变负载时t - m a c 和s m a c 节能相仿( 最多节约c s m a 的9 8 ) 【2 3 1 ；但在简单的可变负载的场景，t - m a c 在能量有效性、最大化吞吐量、最 小化时延并且提供公平性上胜过s m a c 。 2 2 4 其它类型的m a c 协议 除了前述几种协议外，还有基于频分复用( f d m a ) 的协议，或者采用c d m a 与t d m a 相结合的方法而形成的协议。这类协议主要有：s m a c s e a r 协议、i e e e 8 0 2 15 4 m a c 协议l z j l 等。 s m a c s e a r 协议【2 6 1 是结合t d m a 和f d m a 的基于固定信道分配的m a c 协 议，其基本思想是为每一对邻居节点分配一个特有频率进行数据传输，不同节点对 之间的频率互不干扰，从而避免同时传输的数据之间产生碰撞。s m a c s e a r 协议 有较好的能量有效性【2 6 】，但通信网络带宽利用率不高。 i e e e8 0 2 1 5 4 m a c 协议是一种基于时间表和基于连接的混合协议。在文献【2 7 j 中对8 0 2 1 5 4 在不同模式下的能耗情况进行了详细的分析；文献【2 州中指出，8 0 2 1 5 4 协议能够有效控制数据包传输不同阶段的能量开销，迸一步降低传感器节点收发模 块无线通信的功率；并通过实验证实，在特定场合下，使用8 0 2 1 5 4 协议可以使传 感器节点的功率控制到2 1 1 1 0 。1 2 w 以下。可见，8 0 2 1 5 4 标准是一种低成本、低能 耗的无线传感器网络m c 协议。 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 表2 2 常见协议能耗表 协议名称所采用主要技术能耗情况 8 0 2 11m a cc s m a c a侦听时间长，能量消耗大 s m a cc s m a c a侦听时问短，能耗较低 t m a cc s m a c a侦听时间短，能耗低 p a m a s c s m a c a 能耗低 a l l m a ct d m a 能耗低 c d m a 技术 c d m a 计算量较大 t d m a f d m a 技术 t d m ac d m a 侦听时间短 8 0 2 1 5 4m a c 其它能耗低 s 队c s e a r t d m af d m a 带宽利用率低，能耗低 在这里本文对无线传感器网络中各种常见的m a c 协议，对其采用的技术及其 能耗情况进行了总结，详细情况如表2 2 所示。 2 3 卧c 层节能算法 2 3 1 能量浪费原因 能量是无线传感器网络最为重要的资源，节能是目前无线传感器网络m a c 协 议研究的最主要目标。经过2 2 节对各种常见无线传感器网络m a c 协议的分析， 以及其它学者的大量研究和实验表明，无线传感器网络节点无效功耗主要来源于以 下几个因素：无效数据、信道碰撞、网络串音、空闲侦听、控制开销等。 ( 1 ) 数据有效性 传感器节点是由传感器感应模块、处理器模块、无线通信模块、和能量供应模 块四个主要部分组成。其结构如图2 5 所示。传感器模块负责采集监视区域的信息 并完成数据转换，采集的信息可以包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等。 数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理 以及任务管理等；数据传输模块负责与其它节点或s i n k 节点进行无线通信，交换控 制消息和收发采集数据；电源管理模块选通所用到的传感器，节点电源采用微型纽 1 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 扣电池，以减小节点的体积。 s e n s o rm o d u l e c p um o d u l e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e 一一 ! 一 i ! 一一一一一一。 il l l c p ui s e n s o r +a c d c ii l j iln e “v o r k n l 忙t r a n s c e i v e r ii 1 i i r m e m o r v i l ii l i j lj ljl 一一一一 e n e r g y m o d u l e 图2 5 传感器节点模块图 其中传感器感应模块、处理器模块、无线通信模块三个模块有能量消耗。随着 电子技术和集成电路设计技术的进步，传感器感应模块、处理器模块的功耗已经很 低。无线通信模块又存在发送数据、接收数据、空闲和睡眠四种状态。各种模块和 状态的能量消耗水平如图2 6 【2 9 】所示。由此可知绝大部分能量消耗是由无线通信模