（检测技术与自动化装置专业论文）无线传感器网络能量效率和容错度问题的研究.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络集成了传感器，嵌入式计算，网络和无线通信四 大技术，它是一种全新的信息获取和处理技术，具有非常广阔的应用 前景。 在大多数的应用场合，无线传感器网络会被布置在比较偏远，恶 劣的环境中，因此一旦网络部署以后，就很难再对其进行维护，网络 节点的电池也无法更换。这就要求在设计无线传感器网络时，首先要 考虑网络能量的利用效率。 无线传感器网络在媒介链路层( m a c 层) 的操作要占用网络很多 的能量，据研究人员统计发现节点对信道的监听就会占用整个节点耗 能的5 0 至1 0 0 。因此本文首先提出了一个m a c 层的新协议 c b p c e e p ( c l u s t e r b a s e dp o w e rc o n t r o l e n e r g y e f f i c i e n t p r o t o c 0 1 ) ，它的特点是基于分簇式协议思想，同时利用功率控制来 来减少网络节点之间的信号冲突，其最终目的是为了提高无线传感器 网络的能量效率。在传统的分簇式协议中，网络在正常工作的后半阶 段能量下降特别快，其主要原因是簇头节点的个数与网络普通节点个 数的比例不对称。因此我们考虑将网络的工作阶段分为两个部分，即 正常工作阶段和衰减阶段。在网络的正常运行阶段，我们采用分簇的 方式，将网络节点划分为普通节点和簇头节点，前者负责采集监测区 域的数据，并将其传送给自己的簇头节点，后者将本簇的数据收集处 摘要 理之后再传送给s i n k 节点；当网络的现有能量降低到初始能量的4 0 时，网络就进入衰减阶段。在这个阶段中，网络就不再由簇头节点决 定本簇普通节点的时隙分配，而是采用餐具分配算法来实现t d m a 时 隙的分配。同时针对无线传感器网络中影响能量效率的信号包冲突问 题，我们考虑用功率控制来解决，并给出了功率半径的具体求解方法。 由于无线传感器网络的能量有限，节点容易由于能量或外界环境 的攻击而导致停工，因此c b p c e e p 协议在网络层也需要满足一定的容 错度要求。针对这一问题我们在第四章中考虑利用功率控制来实现网 络的容错度要求，并给出了功率半径的具体求解方法和推导过程。 在第五章中，我们还具体阐述了c b p c e e p 协议在n s 2 仿真平台上 的实现方法，同时为了验证c b p c e e p 协议能否达到最初的设计要求， 我们还给出并分析了最终的仿真结果，结果表明我们的协议达到了初 始的设计要求。 虽然c b p c e e p 协议基本满足了我们的设计要求，但是它在很多方 面还是需要改进的，例如在网络衰减阶段如果需要重新布置一部分新 的节点，如何确认这些新的节点，如何调整网络的工作方式来适应这 种新的应用需求，这些问题还涉及到了网络的可升级性，需要我们作 进一步的研究和探讨。总而言之，无线传感器网络还是一个崭新的课 题，在这个领域中还有很多问题亟待我们的深入研究。 关键词：无线传感器网络，能量效率，分簇，m a c 层，功率控制，容 错度 a b s t r a c t w i t ht h ec o m b i n a t i o no fs e n s o r , e m b e d d e dc o m p u t i n g ，n e t w o r ka n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a se m e r g e da sa b r a n d n e wi n f o r m a t i o na c c e s sa n dp r o c e s s i o nt e c h n o l o g y , w h i c hs u r e l y w i l lb eb r o a d l ya p p l i e di nt h ef u t u r e i nm o s tc i r c u m s t a n c e s ，aw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sd e p l o y e du n d e ra d i s t a n ta n ds e v e r ee n v i r o n m e n t o n c ei ti sd o n e ，i ti sd i f f i c u l tt om a i n t a i n t h en e t w o r k ，a n dt oc h a n g et h en o d e s b a r e r ya sw e l l c o n s e q u e n t l y , t h e n e t w o r k se n e r g ye f f i c i e n c yh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti s s u e s w h e nt h er e s e a r c h e r sa t t e m p tt od e s i g naw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h eo p e r a t i o no nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sm a c l a y e rc o n s u m e sa l o to fe n e r g y b a s e do nt h er e s e a r c h e r s w o r k ，an o d ew o u l du s ef r o m 50 u pt o 10 0 o fi t sw h o l ee n e r g yt ok e e pl i s t e n i n gt h ec h a n n e l ，s ow e f i r s t l y p r e s e n t a p r o t o c o l o fm a c l a y e r , w h i c h i sn a m e d c b p c e e p ( c l u s t e rb a s e dp o w e rc o n t r o le n e r g ye f f i c i e n tp r o t o c 0 1 ) o u r p r o t o c o ld i v i d e dt h en e t w o r kn o d e si n t oc l u s t e r s ，a n dw ea l s ou s et h e p o w e rc o n t r o lt or e d u c et h ec o l l i s i o nb e t w e e nn o d e s o u ru l t i m a t eg o a li s t oi m p r o v et h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a m o n g t r a d i t i o n a lc l u s t e rp r o t o c o l s ，t h en e t w o r k sp e r f o r m a n c ew o u l dd e t e r i o r a t e v e r yf a s td u r i n gt h es e c o n dh a l fo fi t sw h o l el i f e c y c l e ，a n di ti sm a i n l y c a u s e db yt h ei n a p p r o p r i a t ep r o p o r t i o nb e t w e e nt h ec l u s t e rh e a dn o d e s i a n dn o n c l u s t e rh e a do n e s c o n s e q u e n t l y , w ed i v i d et h ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sw o r k i n gp e r i o di n t ot w op a r t s ，a n dt h e ya r en a m e dn o r m a l w o r k i n gp e r i o da n dd e t e r i o r a t i n gp e r i o ds e p a r a t e l y d u r i n gt h en o r m a l w o r k i n gp e r i o d ，t h en o d e sa r ec l a s s i f i e di n t oc l u s t e rh e a dn o d e sa n d n o n c l u s t e rh e a do n e s t h ef o r m e ro n e sa r ei nc h a r g eo fs a m p l i n gd a t a f r o mt h es u p e r v i s i n ga r e a ，a n dt r a n s f e rt h e mt ot h es i n kn o d e w h i l et h e t o t a ln e t w o r k se n e r g yr e d u c e dt ot h e4 0 o fi t si n i t i a le n e r g yl e v e l ，i t t h e nb e g i n si t s d e t e r i o r a t i n gp e r i o d d u r i n gt h i sp e d o d ，t h en o d e s c o m m u n i c a t i o ns l o t sa r en ol o n g e rd e c i d e db yt h ec l u s t e rh e a dn o d e ， i n s t e a d ，t h e ya r ea r r a n g e db a s e do nt h ef i o r kd i s t r i b u t i o na l g o r i t h m t h e c o l l i s i o np r o b l e mi sa l s oh i g h l yi n f l u e n t i a lt ot h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h e n e t w o r k ，a n dw es o l v e dt h ep r o b l e mt h r o u g hp o w e rc o n t r 0 1 t h em e t h o d t oc o m p u t et h ec o m m u n i c a t i o nr a d i u si sa l s op r e s e n t e d s i n c et h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki se n e r g yc o n s t r a i n e d ，n o d e sc o u l d b er u no u to ft h e i re n e r g yo rd e s t r o y e db yt h ee n v i r o n m e n t a la t t a c k s ，t h e c b p c e e ps h o u l df u l f i l lt h ef a u l tt o l e r a n c ed e m a n do nt h en e t w o r kl a y e r a sw e l l t h i sp r o b l e mi sa l s os o l v e db yt h ep o w e rc o n t r o l ，a n dad e t a i l e d d e m o n s t r a t i o ni sa l s op r o p o s e d i nt h el a s tc h a p t e r , w ed i s c u s sh o wt or e a l i z eo u rc b p c e e po nt h e n s 2s i m u l a t i o np l a t f o r m ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e st h a tt h e p r o t o c o ls a t i s f i e do u ro r i g i n a ld e m a n d a l t h o u g ht h ec b p c e e ph a dr e a c h e do u ri n i t i a ld e m a n d ，t h e r ea r es t i l l i v al o to fa s p e c t sn e e dt ob ei m p r o v e d ，s u c ha sd u r i n gt h ed e t e r i o r a t i n g p e r i o d ，s o m en e w n o d e sw o u l db ed e p l o y e d h o wt or e c o g n i z et h e s en e w n o d e sa n dh o wt or e g u l a t et h en e t w o r kt of u l f i l lt h en e wa p p l i c a t i o n d e m a n d ，t h e s ei s s u e sa r ea l s or e l e v a n tt ot h es c a l a b i l i t yo ft h en e t w o r k f u r t h e rr e s e a r c hu p o nt h ea b o v ep r o b l e m si sa l s on e c e s s a r y i naw o r d ， t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki ss t i l lab r a n d n e wr e s e a r c ha r e a ，a n dt h e r e a r es t i l lal o to f p r o b l e m sn e e d t ob ee x p l o r e d 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 , e n e r g ye f f i c i e n c y , c l u s t e r , m a c l a y e r , p o w e rc o n t r o l ，f a u l tt o l e r a n c e v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：毒黎 日期： z p 刁年月j 日 东华大学学位论文版权使用授权书 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 许论文被查阅或借阅。本人授权东华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。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：幸靛 日期：萨弓月1 日 指导教师签名 日期：幽7 年乡月e l 第一章引言 1 1 课题背景 第一章引言 随着传感器、计算机和无线通信的发展，出现了种新兴的计算机网络 一无线传感器网络w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) 。由于其广泛的应用前景， 无线传感器网络受到越来越多研究人员的重视。无线传感器网络是由一组传感器 以a dh o c 方式组成的无线网络，其目的是协作地感知、收集和处理传感器网络所 覆盖的地理区域中感知对象的信息，并传递给观察者u 1 。这种传感器网络集中了 传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术，能协作地感知、监测和收集各种 环境下所感知对象的信息，然后通过对这些信息的协作式信息处理，获得感知对 象的准确信息，然后通过a dh o c 方式传送到需要这些信息的用户。无线传感器网 络现今已经在很多领域得到了应用，如军事，医疗和家居等。麻省理工学院的技 术评论杂志( t e c h n o l o g yr e v i e w ) 2 0 0 3 年评出了对人类未来生活产生深远影 响的十大新兴技术，无线传感器网络即位于这十种新技术之首。 由于无线传感器网络的硬件资源是十分有限的，并且它一般工作在一些资源 受限的环境中，这给理论研究人员和工程技术人员提出了大量具有挑战性的研究 课题，其中如何设计一个能量效率高的，容错能力强的协议是无线传感器网络研 究中最热门的课题之一。本文首先介绍了无线传感器网络的体系结构，m a c 层和 网络层的研究现状，并着重从设计无线传感器网络的基本原则出发，分析了无线 传感器网络研究中影响能量效率的一些关键问题，如信号冲突和容错度问题，在 m a c 层我们提出了c b p c e e p 协议，它是基于为网络分簇的思想，将网络的工作阶段 分为正常工作阶段和衰减阶段两个部分，在前一阶段采用分簇的工作方式，节点 的通信时隙以协商的方式来安排，而在后一阶段网络节点不再划分为簇头节点和 普通节点，节点通过竞争的方式来获取自己的通信时隙。最后我们还探讨了无线 传感器网络的应用前景以及发展方向。 第一章引言 1 2 研究意义及目的 由于无线传感器网络的特殊性，其应用领域与普通通信网络有着显著的区 别，主要包括以下几类。 ( 1 ) 军事应用：军事应用是无线传感器网络技术的主要应用领域，由于其特有的 无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是数字人战场无线数据通信 的首选技术，是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。 ( 2 ) 应急救灾：在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定 的通信网络设施( 如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星 通信地球站以及微波接力站等) 可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾 来说，这时就需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的 无线网络技术。在边远或偏僻的野外地区，以及一些植被不能破坏的自然保护区， 无法采用固定或预设的网络设施进行通信，也可以采用无线传感器网络来进行信 号采集与处理。无线传感器网络的快速展开和自组织特点，是这些场合通信的最 佳选择。 ( 3 ) 大型设备的监控：在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参数进行 监控，以掌握设备的运行情况。在不便于安装有线传感器的情况下，无线传感器 网络就可以作为一个可选的通信手段。 ( 4 ) 卫生保健：可以在病人身上安装用于检测身体机能的传感器节点，这些信息 汇总后，传送给医生，进行及时处理，为远程医疗创造条件。 以上所提及的只是无线传感器网络大致的应用领域，相信随着科技的发展， 它的应用领域将会越来越广泛。开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的 研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。 我们及时把握无线传感器网络发展的新动态，在国家自然科学基金项目“移 动决策理论与移动关系支持系统研究 ( 7 0 2 7 1 0 0 1 ) 的资助下，对无线传感器网 络的相关方面进行了深入的研究。本论文作者负责提高无线传感器网络的能量效 率的工作，经过一年多的深入研究，借鉴了国外学者提出的路由协议的优秀思想， 针对无线传感器网络中的能量效率和容错度问题，设计了一种基于将网络分簇的 思想，同时利用功率控制的新协议c b p c e e p ( c l u s t e rb a s e da n dp o w e r c o n t r o l l e de n e r g ye f f i c i e n tp r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) ， 第一章引言 经过在n s 2 平台上的仿真测试，证明c b p c e e p 基本达到了协议的设计目标。 1 3 本文的工作及文章组织 在第一章中，我们介绍了本文研究的课题背景及意义，以及本文所做的工作。 第二章分析和总结了m a c 层较为通用的媒介访问控制协议，以及现有应用于无线 传感器网络的路由协议。第三章则是在前两章的基础上，提出了一种新的协议 c b p c e e p ( c l u s t e rb a s e da n dp o w e rc o n t r o l l e de n e r g ye f f i c i e n tp r o t o c o lf o r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) ，该协议主要针对无线传感器网络中的能量效率和 容错度问题，基于分簇式协议的思想，采用功率控制并利用餐具分配算法来分配 节点的时隙，同时我们还给出了具体的操作步骤和实现细节。虽然研究人员一直 在努力提高无线传感器网络的能量效率，但是容错度也是无线传感器网络中一个 非常重要的课题，容错度高的网络相对于其它不具备这种能力的网络有更长的网 络寿命。c b p c e e p 协议同样也需要满足一定的容错度要求，因此在第四章中，我 们还讨论了如何利用功率控制来提高网络的容错度，即在部分节点停工的情况 下，如何维持网络的继续运行，并给出了相应的解决方案。在第五章，我们首先 介绍了实验仿真平台n s 2 软件，以及实验平台的搭建步骤，同时给出了仿真验证 结果。在最后一章中我们对工作进行了总结，并展望了下一步的工作。 3 第二章无线传感器网络的m a c 层与网络层的研究现状 第二章无线传感器网络的m a c 层与网络层的研究现状 无线传感器网络与传统固定网络有很大的不同，与无线传感器网络最为相似 的是移动自组织网络( m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ，简称m a n e t ) ，但二者还是有很 多不同点。因此众多传统固定网络与m a n e t 的路由协议不能直接应用于无线传感 器网络，研究人员也正在努力研究适合无线传感器网络的路由协议。 本章首先介绍和分析了m a c 层协议中基于竞争和基于协商的两个大类，及其 各自的优点和缺点，随后还分析与总结了当前较重要的网络层路由协议的分类方 法、核心路由机制与特点，指出了将来的研究策略与发展趋势。作者分别分析了 m a c 层和网络层的原因是在对m a c 层进行改进和完善时，会牵涉到很多网络层的操 作。如果要提高无线传感器网络的能量效率，必须对这两个层面的操作原理有很 深入的了解，同时这也有助于为下一步的研究提供参考。 2 1 无线传感器网络m a c 层的研究现状 m a c 层在通信系统中扮演着非常重要的角色，这一点在要求低功耗的无线传感 器网络研究中也不例外。无线传感器网络m a c 层的设计大致可以分为两类： 2 1 1 基于协商的m a c 层设计方案 节点对通信时隙的使用是通过预先的设计和安排来实现的，这是基于协商的 m a c 层协议的最大特点，其中比较典型的就是t d m a 协议。t d m a 协议有一个最大的 优势就是它能够有效地避免节点之间的信号干扰或是重听，因为节点传输数据的 时隙都是事先安排好的。但是如果要应用t d m a 协议就需要将节点分为不同的簇， 因为只有这样才方便簇头安排本簇中普通节点的通信时隙，例如蓝牙( b l u e t e e t h ) 技术，l e a c h 路由。但是这一设计思想的缺点是如果每个簇的规模确定之后，就 4 第二章无线传感器网络的m a c 层与网络层的研究现状 很难再有很大的变化，因为如果有新的节点要加入本簇，就需要重新再安排簇内 的t d m a 时隙顺序。同时节点的通讯一般也只限于本簇内，如何有效地进行簇间的 通信也是现今无线传感器网络研究中的一个热点和难点。 2 1 2 基于竞争的g a o 层设计方案 与基于协商的m a c 层协议相对应的则是基于竞争的方式，标准的i e e e 8 0 2 1 1 d c f 瞳1 协议就是属于这一类。它的设计思想是基于m a c a w 方案嘲。m a c a w 是针 对a dh o c 网络设计的，它较好地解决了无线网络通信中的隐藏终端的问题。但是 如果将m a c a w 协议直接应用在无线传感器网络中，就不符合网络节能的要求，因 为节点的闲置监听又会造成能量的不必要消耗。 i e e e 8 0 2 1 5 4 4 3 标准是由国际电信联盟( i t u ) 制定的。这个标准是为了满足 类似传感器的小型、低成本设备无线联网的要求。标准的m a c 子层提供两个服务 与高层联系，即通过两个服务访问点( s a p - s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 访问高层。通 过m a c 通用部分子层s a p ( m c p s - s a p ) 访问m a c 层数据服务，用m a c 层管理实体 s a p ( m l m e s a p ) 访问m a c 管理服务。m a c 层协议主要采用基于竞争的信道接入机 制，即带有冲突避免的载波监听多路访问机制( c s m a c a ) 。节点在发送数据之前 会使用空闲评估( c c a ) 算法对信道进行评估，看是否有其他节点正在发送数据。 若发送正在进行，节点将会等待一个时间段后再去对信道进行监听评估( 时间段 的长度则是随机决定的) ，若没有其他节点占用信道，则开始进行数据发送。虽 然这种协议可以避免冲突，但仍然存在空闲监听，增加网络额外的通信量，对于 节点的能量有一定的消耗。 p a m a s 3 在这方面作了一些改进，避免了邻居节点之间的重听。但是p a m a s 避 免重听的方法是利用两个信道来传输数据，但是并没有解决节点的闲置监听问 题。 要延长无线传感器网络的寿命，就必须尽量减少节点由于不必要的信号监听 所造成的能量消耗。在这一方面现有协议中最值得借鉴的就是8 0 2 1 1d c f 中的节 能模式( p o w e rs a v e ，p sm o d e ) ，如图2 - i 所示： 5 第二章无线传感器网络的姒c 层与网络层的研究现状 l i s t e n s l e e p l i s t e n s l e e p 图2 - 1 间断式监昕和睡眠模式 它是通过在节点的监听状态中又加入了睡眠状态，这样就能有效地节省能量。 8 0 2 1 1d c f 的设计对象是单跳通信，因此通信节点之间的通讯时间同步就很 简单，每个节点都能联系到同一网络中的其他节点。然而无线传感器网络的通讯 则要求能实现多跳通信，因此如果能在节点之间实现状态同步，即节点能实现大 致同步地处于监听状态或睡眠状态，就能为网络通信节省很多控制包的传输，否 a 节点要求与 c 节点通信 睡眠状态无 法应答 abc 图2 2 节点a 与节点c 通信失败 a 节点要求与 c 节点通信 监听状态 abc 图2 - 3 节点a 与节点c 通信成功 则每个节点在传输前都要事先预约好自己数据传输的目的节点是否处于监听状 态，只有得到确认信号才能传输数据包。如图2 - 2 和图2 - 3 所示， 6 第二章无线传感器网络的m a c 层与网络层的研究现状 p i o n e t 在这一方面作出了尝试，它在无线a dh o c 网络中，将节点的状态分 为监听，通信和睡眠三种，但是它并没有涉及到节点之间的协作和同步，一旦节 点需要与多跳之外的节点通信，还是事先需要控制包的确认，如果源节点一直没 有收到确认信号，则它就要一直保持监听状态。 2 1 3s - m a c ( s e n s o rm a c ) s m a c 口1 是分布式的m a c 层协议，无须任何局部或全局主节点的调度便能让传 感器节点发现相邻节点，并安排合理信道占用时间。它是一种基于竞争的控制协 议，但加入了同步的功能。s 撇c 将时间划分为多个帧，每个帧由两部分构成： 活动状态( a c t i v ep a r t ) 和休眠状态( s l e e p i n gp a r t ) 。在休眠状态，节点将关闭 其发射接收器来节省能量。在活动状态，节点可以和它的相邻节点进行通信并且 发送在休眠期间的消息队列。将所有的数据放在活动部分进行发送，减少了在整 个时间内进行监听所造成的空闲监听能量损耗。s 撇c 需要时间同步，但它不同 于t d m a 需要建立庞大的时间表，每秒钟只需要2 0 0 m s 处于活动状态。s _ _ m a c 有两 个重要的限定性因素：一个是总的帧时间受限于时延需求和缓存空间；另一个是 由于处于活动状态的时间长度固定，所以必须在活动状态结束前将所有数据的发 送，要求待发送信息也都很短。s m a c 达到了能量节省的目的，但是相应地减小 了吞吐量和增大了时延。因为只有在帧的活动状态才进行通信，并且有很多信息 是在帧的休眠状态产生的，这样只能排队等到下一次活动状态的开始。 碟常f 匕动状 l l l l ，l f 厂 一厂1 ，。厂 s - h a c 睡眠状态 睡眠状卷 2 1 4t m c ( t l m e o u ta a c ) 图2 - 4 s - m a c 该协议是在s m a c 的基础上提出的。在s - m a c 中，任务周期由延迟要求和缓 存大小决定，而侦听间隔依赖于消息速率。因此为了保证可靠的消息传输，节点 7 第二章无线传感器网络的m a c 层与网络层的研究现状 的活动时间必须适应最高的通信负载。这就造成负载较小时空闲侦听时间相对增 加，针对这一点才提出了t m a c 协议脚。该协议在保持周期长度不变的基础上， 根据通信流量动态调整活动时间，用突发方式发送信息，减少空闲侦听时间。、 t - 吲a c 是将能量损耗、时延和吞吐量综合考虑的协议。它将帧划分为可交长 度的活动状态和休眠状态，所有的数据在可变的活动状态持续期间内发送出去。 通过动态改变活动状态的持续时间来维持网络负载的平衡。即使节点处于活动状 态，但经过t a ( t i m ea c t i v e ) 时间后仍无数据发送，节点将立即进入休眠状态。 如图2 - 5 所示。 正常f ll 活动状态 t 嘈a c 珏睡眠状态丛弘 图2 5t - m a cj 每个节点在活动状态期间，必须保持信道监听以发现潜在的传输数据。当在 t a 时间段内仍没有激活事件发生时，活动状态结束。激活事件包括： ( 1 ) 周期的帧定时器打开； ( 2 ) 利用收发器接收其他节点的数据： ( 3 ) 感知网络上的通信状况，如发生冲突； ( 4 ) 传送数据结束，等待对方发送确认信息； ( 5 ) 监听网络上的r t s 和c t s 数据包，与相邻节点进行数据交换。 t a 的长度决定了每个帧的最小空闲监听的时间，如何设定t a 的值是非常关键 的。当某节点要向目的节点发送数据时，会首先向目的节点发送一个r t s 请求， 表示自己有数据要向目的节点发送。目的节点会以广播的形式发送一个c t s 数据 包，表示已经有节点要向自己发送数据，其他的相邻节点将不会再与该节点通信。 如果没有在规定的时间内收到目的节点的c t s 回复，源将重新发送r t s 包，如果仍 没有收至u c t s ，则放弃数据发送。当某个节点的相邻节点之间正在相互通信时， 8 第二章无线传感器网络的姒c 层与网络层的研究现状 该节点将不能休眠，必须等待一个时间段以接收可能从其他节点收到的r t s 或 c t s ，t a 时间间隔必须满足这个条件，臣p t a c + r + t 。其中，c 是竞争时间间隔的长 度，r 是r t s 数据包的长度，t 是回转时间( 介于r t s 发送结束至u c t s 接收到所需要 的一个时间段) 。 t m a c 协议中，会出现早睡眠问题( 若a 向b 发出r t s ，b 点发出c t s 同时给a 和c ， 而d 点并不知道a 和b 正在通信，d 就进入睡眠状态，若c 和d 之间要进行通信的话， 一定要等到d 点下一个a c t i v e 时隙) ，从而引起数据的吞吐量降低。但是t m a c 也 采用了两种方法来提高早睡眠引起的数据吞吐量减少的问题：， ( 1 ) 未来请求发送机制( f u t u r er e q u e s t t o s e n d ) ，如图2 - 6 所示； ( 2 ) 缓存储优先机制( t a k i n gp r i o r i t yo nf u l lb u f f e r ) ，如图2 - 7 所示。 c o n t e n d l l t s c t s l d s | a t ll a a 【 i 心 。帅d l a c t i v e ia c t i v e 、。人 -_- i 一 1 f i n s iie r s l ：二二一。 t a c + r + t + c t s l e n g t h t 一 图2 - 6 未来请求发送机制 c 叩t e n d f ， 一 。雾；7 兰著k ， 。 l 琊心心。 1 i “li b t st 5 绷髓 c k 2 1 5d - m a c ( d e i a ym a c ) 图2 7 缓存满优先机制 在无线传感器网络的很多应用中，通信方式包括数据从多个源节点通过一条 单向的“数据收集树”传送给一个或几个汇聚节点的情况。而s - m a c 中，当从源 节点到目的节点所经过的节点由于睡眠而不一定能及时传送时，会有一定的延 迟，从而会引起“转发中断 问题。使传输时延增大。基于以上两点。文献 9 提 出了一种自适应的能源有效的低时延m a c 协议即d m a c 。该协议从根本上仍采用 9 里芸舌里型苫 第二章无线传感器网络的m a c 层与网络层的研究现状 了s - m a c 的基本机制。同时任务周期可以适应性的随着网络负载的变化而变化。 它的独特之处在于利用节点在“数据收集树 的位置。给节点的睡眠调度设置一 个偏移量以保证分组的连续转发。机制中将节点的任务周期分为发送阶段，接收 阶段及睡眠阶段，其中发送阶段和接收阶段时长均为u ，u 值可满足一个分组的 发送和接收。然后节点根据它在“数据收集树中的“深度”d ，也就是距离目 的节点的跳数。将自身的唤醒时间调度调至比目的节点的超前，从而可以使从此 节点到目的节点的路上所有节点象连锁反应一样交替进入活动状态，完成对数据 的无中断转发。从协议的机制我们可以看出，在d m a c 中已经无需使用r t s c t s 交互。从而也省去了没有必要的控制开销。虽然结果显示在时延和耗能方面， d - m a c 都优于s m a c 。但是从它的设计前提我们可以看出，对于网络中数据双向交 互的情况，d m a c 就不再适用，所以该协议的应用场合很有限。 2 1 6z - m a c ( z e b r ah a c ) z - m a c n 们则是了结合c s m a 和t d m a 两者的优点，当网络节点对通信时隙竞争 激烈时，它能采用t d m a 的方式来对节点的通信时隙进行安排；而当网络节点对 通信时隙的竞争不是很激烈时，它的运行方式又倾向于c s m a 。与t d m a 不同的是 网络节点可以在任何时隙尝试数据传输，但同时每个节点又都有属于自己的时 隙。每个网络节点是自己所属时隙的拥有者，而其他节点则是这个时隙的竞争者， 只有当拥有者不使用该时隙时，其他节点才有可能竞争并使用该节点。节点在某 个时隙需要通信时，首先要检测通信链路是否处于空闲状态，如果是就通信，当 然在时隙开始阶段就没有检测的必要。如果网络节点对通信信道使用的竞争不激 烈时，节点就按照原先安排的时隙表来通讯，如果有事件发生，而导致网络中某 一区域的通讯量上升时，就会有节点要求在属于其他节点的时隙内发送数据，这 时候该时隙非拥有节点就要先判断时隙拥有节点是否在使用通讯链路，如果是则 不能使用，只有在否的状态下才能在属于其他节点的时隙内通讯。因为时隙拥有 节点在本时隙内拥有对通信信道最高优先级的使用权，具体优先级的判定则是靠 调整网络节点的竞争窗口函数来实现的。 通过对c s m a 和t d m a 二者的结合，z - m a c 协议降低了无线传感器网络对时 间同步的要求，它只要求节点与两跳之内的其他节点保持同步，同时由于网络是 1 0 第二章无线传感器网络的m a c 层与网络层的研究现状 基于c s m a 的，因此可扩展性也很好，对无线传感器网络由于环境变化而引起的 拓扑结构的变化有较强的适应能力。 s o h r a b i 和p o t t i e 叭1 提出了一种应用于无线传感器网络的自组织协议，它主 要的设计思想是构建一个类似t d m a 的超级帧来应用于数据的传输，一个节点只能 在事先安排好的时隙内与它的一个邻居节点通信。虽然这种超级帧类似于t d m a 帧，但它还是无法避免两个相邻的节点同时占用同一个信道。为解决这一问题， s o h r a b i 和p o t t i e 采用了多信道通信的方法，如f d m a 和c d m a ，但是这种设计思路 的缺点是对信道的利用率太低，一个节点如果要与邻居节点通信的话，只能在属 于它的时隙内才能传输数据。 以上主要介绍了m a c 层的研究现状，以及一些比较有代表性的协议，然而在 无线传感器网络的研究中，m a c 层与网络层又是密不可分的，因此以下就再介绍 网络层的特点和几个在网络层中比较典型的协议。 2 2 无线传感器网络层协议的分类方法 无线传感器网络路由协议负责在s i n k 点和其余节点间可靠地传输数据。由于 无线传感器网络的应用场合很多，单一的路由协议不能满足各种应用需求，因而 人们研究了众多的路由协议。为揭示协议特点，作者根据文献 1 2 - 2 0 中路由协 议采用的通信模式、路由结构、路由建立时机、状态维护、节点标识和投递方式 等策略，运用多种分类方法对其进行了分类。由于研究人员组合多种策略来实现 路由机制，故同一路由协议可分属不同类别。 ( 1 ) 根据传输过程中采用路径的多少，可分为单路径路由协议和多路径路由协议。 单路径路由节约存储空间，数据通信量少；多路径路由容错性强，健壮性好，且 可从众多路由中选择一条最优路由。 ( 2 ) 根据节点在路由过程中是否有层次结构、作用是否有差异，可分为平面路由 协议和层次路由协议。平面路由简单，健壮性好，但建立、维护路由的开销大， 数据传输跳数多，适合小规模网络；层次路由扩展性好，适合大规模网络，但簇 的维护开销大，且簇头是路由的关键节点，其失效将导致路由失败。 ( 3 ) 根据路由建立时机与数据发送的关系，可分为主动路由协议、按需路由协议 和混合路由协议。主动路由建立、维护路由的开销大，资源要求高；按需路由在 第二章无线传感器网络的姒c 层与网络层的研究现状 传输前需计算路由，时延大；混合路由则综合利用这两种方式。 ( 4 ) 根据是否以地理位置来标识目的地、路由计算中是否利用地理位置信息，可 分为基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议。有大量无线传感器网络应用 需要知道突发事件的地理位置。这是基于位置的路由协议的应用基础，但需要g p s 定位系统或者其他定位方法协助节点计算位置信息。 ( 5 ) 根据是否以数据来标识目的地，可分为基于数据的路由协议和非基于数据的 路由协议。有大量无线传感器网络应用要求查询或上报具有某种类型的数据，这 是基于数据的路由协议的应用基础，但需要分类机制对数据类型进行命名。 ( 6 ) 根据节点是否编址、是否以地址标识目的地，可分为基于地址的路由协议和 非基于地址的路由协议。基于地址的路由在传统路由协议中较常见，而在无线传 感器网络中一般不单独使用，而是与其他策略结合使用。 ( 7 ) 根据路由选择是否考虑q o s 约束，可分为保证q o s 的路由协议和不保证q o s 的路 由协议。保证q o s 的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等o o s 参数， 从众多可行路由中选择一条最适合q o s 应用要求的路由。 ( 8 ) 根据数据在传输过程中是否进行聚合处理，可分为数据聚合的路由协议和非 数据聚合的路由协议。数据聚合能减少通信量，但需要时间同步技术的支持，并 使传输时延增加。 ( 9 ) 根据路由是否由源节点指定，可分为源站路由协议和非源站路由协议。源站 路由协议节点无须建立、维护路由信息，从而节约存储空间，减少通信开销。但 如果网络规模较大，数据包头的路由信息开销也大，而且如果网络拓扑变化频繁， 将导致路由失败。 ( 1 0 ) 根据路由建立时机是否与查询有关，可分为查询驱动的路由协议和非查询驱 动的路由协议。查询驱动的路由协议能够节约节点存储空间，但数据时延较大， 且不适合环境监测等需紧急上报的应用。 2 3 无线传感器网络典型路由协议分析 通过对当前无线传感器网络路由协议的研究，作者选取了以下较为重要的路 由协议，对其核心路由机制、特点和优缺点等进行了分析。 1 2 第二章无线传感器网络的m a