（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络中边界节点性能的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 无线通信技术、微电子技术和分布式计算技术的高速发展，推动了无线传感器网络 ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n s ) 的发展。近几年来w s n s 引起人们的极大关注，在该网络 中节点的能量主要消耗在射频器上，能量的快速消耗使网络寿命变短。媒体访问控制 ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议在能量效率方面起着重要的作用，它决定了无线信道的 使用方式，构建w s n s 系统的底层通信结构，影响着网络性能。人们在i e e e8 0 2 1 1m a c 协 议的基础上提出了若干m a c 协议，例如s m a c ( s e n s o rm a c ) 、t m a c ( t i m e o u tm a c ) 等。 s m a c 协议中形成了多个在局部范围内同步的簇，簇的边界节点相对内部节点而言能 量消耗较快；而s s m a c ( s y n c h r o n i z e ds m a c ) 协议中达到全局同步所需时间很长，甚至在 节点生命周期内不能实现全局同步，影响数据传输。针对这些问题，本文首先提出一种基 于局部同步的调度算法p s m a c ，即设置一个阈值来限制簇内节点总数，防止簇的无限扩大 而造成时间的大量消耗。当节点收到同步包后，它通过同步包中所含信息、节点所在簇的 节点总数、设定的阈值来决定其自身调度的选择和簇的合并。这样不仅能减少边界节点数 目，而且提高网络同步的效率。 其次，在p s m a c 的基础上加入了基于单调度的改进方案。当w s n s 采用p s m a c 后，网 络内形成了很少的边界节点，这些节点不再需要采用双调度工作机制，而是仍采取单调度 机制，与它们所在簇的调度一致。当有数据包需发送到其它簇的节点时，边界节点发送一 连串的r t s c t s ( r e q u e s tt os e n d ，c l e a rt os e n d ) 请求包，如果在c t s 状态内收到目标节点的 c t s 包，两节点成功链接，实现不同簇间的数据包传输。这样能够进一步节省边界节点能 量，提高网络的能效。 最后运用o m n e t h 软件仿真改进方案，并和s m a c 、s s m a c 协议作性能比较。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw 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 y , m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n i q u e a n dd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gt e c h n o l o g yp r o m o t e st h ed e v e l o p m e f i to fw s n s t h em a j o re n e r g y o fn o d e si nw s n sw h i c ha r o u s e sp e o p l e sg r e a ta t t e n t i o n si nr e c e n ty e a r si sc o n s u m e db yt h e r a d i o - f r e q u e n c yd e v i c e s a n dl i f e t i m eo ft h ee n t i r en e t w o r kb e c o m e ss h o r t e rb e c a u s eo fr a p i d e n e r g y - c o n s u m p t i o n m a cp r o t o c o l sp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h ee n e r g ye f f i c i e n c y , d e t e r m i n e t h eu s a g em o d eo fw i r e l e s sc h a n n e l ，c o n s t r u c tc o m m u n i c a t i o ni n f r a s l r u c t u r eo fs e n s o rn e t w o r k s y s t e m sa n dh a v eag r e a ti n f l u e n c eo nw s n s m a n ym a cp r o t o c o l sa r ep r o p o s e do nt h e f o u n d a t i o no fi e e e8 0 2 11m a c p r o t o c o l ，s u c ha ss m a c ，t m a c e t c i ns m a c ，n o d e sf o r mm a n yc l u s t e r sw h e r et h en o d e ss y n c h r o n i z el o c a l l y t h ee n e r g yo f b o u n d a r yn o d e sb e t w e e nc l u s t e r si sd e p l e t e df a s t e rt h a nt h a to ft h ei n n e rn o d e s m o r e o v e ri n s s m a c ，g l o b a ls y n c h r o n i z a t i o ni st i m e - c o n s u m i n g ，e v e nc a n tb ea c h i e v e dw i t h i no v e r a l l l i f e t i m eo ft h en o d e s ，w h i c hi n f l u e n c e sd a t at r a n s m i s s i o n t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，a ni m p r o v e d s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ( p s m a c ) b a s e do nl o c a ls y n c h r o n i z a t i o ni sf i r s t l ys u g g e s t e di nt h et h e s i s ， s e t t i n gat h r e s h o l dt ol i m i tt h en u m b e ro fn o d e si nc l u s t e ra n dt op r e v e n ti n f i n i t ee x p a n s i o no f t h ec l u s t e rf r o mt i m e - c o n s u m i n g w h e nr e c e i v i n gas y n cp a c k e t , t h en o d ed e t e r m i n e sb o wt o c h o o s es c h e d u l e sa n dt om e r g ed i f f e r e n tc l u s t e r st h r o u g hi n f o r m a t i o nf r o mt h es y n cp a c k e t , t h r e s h o l da n dt o t a ln u m b e ro fn o d e si nt h ec l u s t e r i tn o to n l yr e d u c e st h en u m b e ro ft h e b o u n d a r yn o d e s ，b u ta l s oe n h a n c e ss y n c h r o n i z a t i o ne f f i c i e n c yo fl o c a ln e t w o r k s s e c o n d l y , a n o t h e ri m p r o v e dp r o g r a mb a s e do ns i n g l e s c h e d u l ei sp r o p o s e d a 舭ra d o p t i n g p s m a ca n df o r m i n gf e w e rb o r d e rn o d e si nw s n s ，t h e s en o d e sa r en ol o n g e rr e q u i r e dt ou s e d o u b l e - s c h e d u l i n gm e c h a n i s m ，b u ts t i l ls i n g l es c h e d u l i n gm e c h a n i s m w h e nt r a n s m i t t i n gd a t a p a c k e t st oan o d eo fa n o t h e rc l u s t e r , t h eb o r d e rn o d es e n d sas e r i e so fr t s c t sr e q u e s tp a c k e t s i fi tr e c e i v e sac t sp a c k e tf r o mt h et a r g e tn o d ei nt h es t a t eo fc t s ，n e t w o r kc o n n e c t i o n b e t w e e nt h e mi ss u c c e s s f u l t h e yc a nf i n i s hd a t at r a n s m i s s i o n sb e t w e e nd i f f e r e n tc l u s t e r sa n d s a v em o r ee n e r g y f i n a l l y , s i m u l a t i o ns h o w st h ee f f i c i e n c ya n ds c a l a b i l i t yo ft h ei m p r o v e da l g o r i t h mw i t h o 【n e l + + s o f t w a r e n 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得南京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 培。 研究生签名：i 岛亟! 竺日期：壶! ：! 二墨 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保 留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊 登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：f 蒉1 5 吧导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究背景 无线传感器网络被认为是2 l 世纪最重要的技术之一，在军事、医疗、智能家居和环境 监测等领域的应用更加广泛，将对人们的生活产生深远的影响。麻省理工学院l ：技术评论 杂志【1 】评出了对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，把无线传感器网络放在首位。 文献【2 】中，无线传感器网络是由若干个随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通 信模块的微小节点组成，经过一系列无线通信形成的自组织网络，通过节点中内置传感器 采集所处特殊环境的一些信息，以短距离、低功耗、多跳的无线通信方式将采集到的数据 传输到汇聚节点。在汇聚节点处通过对采集到的数据进行分析研究，人们可以制定出有效 的方案并及时实施，一般称这样的网络为无线传感器网络。但也有特例，b e r k e l e y 的s m a r t d u s t 3 1 f l 了于可以像尘埃一样悬浮于空中，有效地避免了障碍物的遮挡，因此可以采用光作 为通信介质。 无线传感器网络不同于传统的无线网络( 如a d - h o c ) ，有着不同的设计目标，那些适合 于a d h o c 网络设计的协议及算法不能直接用于无线传感器网络。在无线传感网络中，节点 的供电来源是电池，而更换电池或给电池充电是不可行的，也是不现实的，因为这样的代 价比丢弃这个节点而用新的节点替换的代价大节点能量的快速消耗使整个网络的寿命变 短，因此提高节点能效是延长网络寿命的关键因素。而m a c 协议的设计在能量节省方面显 得尤其重要，必须要考虑减少传感器节点中射频器的能量消耗。 在m a c 协议中，能耗成了现今主要研究的内容。人们在i e e e8 0 2 1 lm a c 协议的基础 上提出了许多基于竞争、调度、跨层等m a c 协议，如s m a c 4 1 、t m a c 5 】等等，提高节点 的性能。但这些协议仍需要进一步改进，通过实际应用来验证其优越性，让无线传感网络 应用跟日常生活紧密相连。 在无线传感网络中，一些处于簇边界的节点比其他节点消耗更多的能量，对整个网络 性能有着深远的影响。如果边界节点能量消耗过快，可导致网络的分割、缩短网络寿命、 降低网络性能。本文将从研究边界节点出发，分析它对网络性能的影响。当前无线传感器 网络涉及众多科技领域，处于新技术的最前沿，具有独特的要求和制约因素，目前尚存在 着许多值得人们去探讨的热点课题，国内外学者正在对无线传感器网络各领域展开深入研 究。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 2 研究目的和意义 近几年来无线传感器网络的研究引起了世界许多国家军事部门、商业界和学术界的极 大关注，有着巨大的应用前景。无线传感器网络是一种独立出现的计算机网络，能够进行 实时监测、感知和采集各种环境或监测对象 6 1 的相关信息，通过嵌入式系统对信息进行处 理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所采集信息传送到用户终端。m a c 协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感 器网络高效通信的关键网络协议之一。 现有的无线网络m a c 协议主要是针对高速率传输的网络，相应功耗也很大，而传感器 网络要求低功耗的协议设计。设计开发无线传感器网络的m a c 协议关键有两点：一是节能， 通过改进m a c 协议中的网络通信机制算法减少节点的能量损耗，延长节点生存时间、整个 网络的工作生命期；二是扩展，当网络中有部分节点由于能量耗尽而不能正常工作时，要 将它们从网络中移除，并及时补进新的节点，来代替枯竭节点的工作。好的m a c 协议可以 使网络能够快速高效地自适应环境因素、拓扑结构的变化，节约网络构建、维护的成本。 m a c 协议在研究方面一直占有举足轻重的地位，成为研究的热点之一。当前有大量关 于m a c 协议方面的文章和资料，提出的各种m a c 协议都有优势，但跟实际应用还是有差 距，能量始终限制着网络的应用，仍需要更多的人力物力投入到这方面的研究。借助这些 研究成果我们可以分析解决无线传感器网络中边界节点的能量问题，寻求方法使能量消耗 在无线传感器网络的应用中对节点能量的影响作用越来越小，从而实现网络的广泛应用， 这具有重要的科研价值和实用价值。 本论文课题主要是围绕传感器的能效性和网络的同步问题展开分析，对网络中存在的 边界节点进行能效性方面的研究，提出自己的一些想法并用仿真软件来分析，同时与其他 全局调度算法作性能方面的比较，最终目的是达到为无线传感器网络低功耗应用解决方案 提供m a c 协议支持。通过对本课题的研究，熟悉能效性和时延性在无线传感器网络和m a c 协议中的重要性，了解调度同步以及单调度工作机制对网络中边界节点的性能的影响。 1 3 国内外研究现状 无线传感器网络的研究开始于上世纪9 0 年代末。2 0 0 2 年美 虱i n t e l 公司进行了基于微型 传感器网络的新型计算发展规划。2 0 0 3 年美国自然科学基金委员会制定了无线传感器网络 研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，联合周边大学，展开“嵌 入式智能传感器网络 的研究项目。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章弓l 言 2 0 0 7 年在芝加哥郊外举行的传感器博览会上，d u s tn e t w o r k s 公司展出新产品，开拓从 过程控制到冷藏的工业应用领域，在无线传感器网络领域继续高歌猛进，超低功率“智能 尘埃 创新无限。“智能尘埃 是网络中独立的节点，可以自我组织，执行感应或启动功 能的终端。 我国的中科院、清华大学、国防科大、电子科技大学等院校也较早地开展了传感器网 络的研究工作，包括无线传感器节点的硬件设计、操作系统、路由技术、链路层设计技术、 节能技术等，这些都处于研究或开发阶段，都是需从理论到实践论证的研究课题。现在， 有更多的科研机构和院校加入到该领域的研究工作中来。 文献吲从w s n s 的网络通信、基础设施、数据管理技术、节点技术及嵌入式软件系统。 等各方面综述了当前研究进展。无线传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和 工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性研究课题。国际上针对w s n s 提出了一 系列协议，有基于固定分配类的协议、时分复用和频分复用相结合的协议，基于竞争的协 议。无线传感器网络是与应用相关的网络，应用需求不同时，网络协议需要根据应用类型 或目标环境定制。 研究者针对w s n s 的应用需求和新特性进行了大量有成效的研究，新的m a c 协议【8 1 1 9 1 不断提出。但由于各种m a c 协议关注的网络特性、优化的性能指标、采取的技术手段和面 向的具体应用各不相同，同时协议栈各层交互、处理的范围和程度也不尽相同，因而实际 效果相差较大。事实上，m a c 协议的发展趋势并没有呈现收敛性【埘，不存在通用的m a c 协议，也无法形成标准，究其原因：首先，m a c 协议的设计不可避免地受物理硬件平台和 物理层协议的影响，而目前作为协议栈底层基础架构的物理层仍缺乏统一的标准：其次， w s n s 与应用高度相关，应用差异性使m a c 协议无法兼顾所有网络特性，只能在多个性能 指标之间做出折衷的选择。 混合协议包含竞争协议和调度协议的设计要素，既能保持所组合协议的优点，又能避 免各自的缺点。当网络环境改变时，混合协议仍表现为以某类协议为主，其他协议为辅的 特性，有利于网络全局优化。近年来，很多学者又从跨层设计【l l 】【1 2 】的角度研究m a c 层与 网络协议栈其他层之间的优化问题，如物理层和m a c 层的交互、m a c 协议和路由的结合 等，以期待进一步提高m a c 协议效率，实现协议轻量化。跨层优化问题是目前无线传感器 网络m a c 协议的研究热点。 通过对m a c 协议进行分析和比较，现有m a c 协议在扩展性、健壮性和安全性等方面 还存在着诸多问题，m a c 协议要具有实用性，还有许多基础问题和关键技术需要解决： ( 1 ) 提高能量效率是现有m a c 协谢1 3 】的首要设计目标，但不应是唯一目标。在未来的 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹引言 应用中( 如多媒体w s n s ) ，其它性能指标，如延迟、数据传输可靠性和实时性会越来越重要。 ( 2 ) w s n s 的应用特点使得流量类型具有特殊性。现有m a c 协议【1 4 l 力求流量类型普适 性的设计方法，牺牲了能量效率。未来的工作是在流量类型特殊性的基础上，设计更具针 对性的协议。 0 ) m a c 协议的安全性【1 5 1 仍然十分脆弱，安全问题不容忽视。尽管在w s n s 中杜绝d o s 攻击难以实现，但防止窃听和恶意攻击是可行的、必要的。 ( 4 ) m a c 协议对节点动态加入、退出网络和失效的考虑以及对节点移动性的支持明显 不足，、限制了m a c 协议的扩展性和可用性。随着要求硬件节点具有自主移动能力的应用需 求【1 6 】的出现，研究移动m a c 协议的紧迫性与日俱增。 ( 5 ) 现有无线通信模型和假设( 如平面拓扑、对称链路、无环境噪音等) 过于简化和理想， 极大地限制了m a c 协议研究成果的实际应用，因此需要研究更接近现实的通信模型。理论 研究应当尽可能地向原型系统甚至实际应用系统过渡，将理论成果转化为网络标准或产 品。 1 4 本文工作及组织结构 1 4 1 本文工作 本文具体工作如下： ( 1 ) 了解无线传感器网络的基本体系结构、能量消耗的因素，分析无线传感器网络中 的几种主要的m a c 协议，以及对节点、网络性能所起的作用。 ( 2 ) 分析无线传感器网络中边界节点存在的能耗问题，对边界节点能效性的两种主要 全局算法进行深入研究，提出改进算法，从能效性、时延性、扩张性等方面比较算法的可 行性。 ( 3 ) 确定m a c 协议改进方案，以基于竞争类的s m a c 协议作为研究再开发的基础协议， 如何尽量减少整个网络中存在的边界节点数目，即起到节省能量的作用，同时提高网络的 整体性能。进行深入的研究，再次对p s m a c 协议下边界节点进行性能的优化和提高，考虑 边界节点调度的选择问题，尽可能不采用双重调度机制，而是采用单调度机制，以提高节 点能效性和扩展性。 ( 4 ) 设计针对m a c 性能测试的仿真试验，建立网络模型，配置试验场景，对无线传感 器网络进行模拟仿真。 ( 5 ) 通过对改进算法的仿真试验，得到初步的数据。通过分析这些数据，比较s m a c 、 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 s s m a c 、p s m a c 协议三者之间的性能；研究阈值大小、网络中数据流量对节点和网络性 能的影响，并用图型来说明性能。 1 4 2 本文的组织结构 本文主要是分析和研究无线传感器网络中m a c 协议，并针对边界节点的能量消耗快的 问题，提出了基于s m a c 的m a c 协议改进的方案，降低边界节点的能量消耗，延长网络的 寿命。论文分为以下部分： 第一章主要介绍了论文的研究背景、目的意义、国内外研究现状及本文工作、组织结 构。 第二章介绍无线传感器网路的体系结构、m a c 协议，以及网络能量消耗分析和网络性 能指标，表明m a c 协议设计的重要性。 第三章阐述无线传感器网络中存在的边界节点耗能比较快的问题，指出其对网络性能 的影响；介绍处理该问题的两种调度算法：全局调度算法和生成树算法，并说明它们的原 理以及性能评价。 第四章对上章两种调度算法存在的问题提出一些改进方案：基于局部同步的改进和基 于单调度的改进，介绍改进算法的思路以及实现方法。 第五章对提出的改进方案进行软件仿真，并对所得数据进行分析研究，和其他m a c 协 议进行性能比较，验证其有效性。 第六章对全文工作进行总结，提出未来在该领域进一步研究的方向和内容。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章相关技术概论 第二章相关技术概论 无线传感器网络是由分布在检测区域内的大量微小传感器节点组成，通过一系列的无 线通信形成的自组织网络体系，其作用是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知 对象的信息，并经过多跳转发传输到观察者。通过对采集到的数据进行分析研究，可制定 出有效的方案并实施。 本章首先介绍w s n s 的体系结构、m a c 协议分类特点等；然后再分析传感器的主要能 量消耗方面以及网络性能的评价指标。 2 1 无线传感器网络的体系结构 在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的i n t e r n e t 技术加上a d - h o c 路由机制 对传感器网络的设计是十分充分的，然而随着深入的研究表明【1 7 1 ：无线传感器网络与传统 网络相比有着明显不同的技术要求。前者是以数据为中心，而后者则是以传输数据为目的。 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，对于传感 器网络而言，这未必是一种合理的选择。一些为自组织的a d - h o c 网络设计的协议和算法未 必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识( 如地址等) 的作用在传感器网络中就显 得不是十分重要，中间节点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 密集型的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式能够降低功耗， 同时增加了通信的隐蔽性，也避免长距离的无线通信易受外界噪声的干扰。这些独特的要 求和制约因素为传感器网络的研究设计提出了新的技术问题。下面介绍其传感器节点的结 构和网络的体系结构。 2 1 1 传感器节点结构 一般而言，无线传感器网络中的节点是由传感器模块、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 8 】，如图2 1 所示。它们有各自的任务：传感器模块负责监测区域 内信息的采集和数据转换，传送给处理器模块进行处理；处理器模块负责处理节点的控制 和数据存储的工作，被监测物理信号的形式决定了传感器的处理器通常选用嵌入式c p u ， 数据信号经过简单处理后就准备发送给其它节点，于是数据进入无线通信模块；无线通信 模块负责与其周边的传感器节点进行通信，交换控制消息和收发采集数据：能量供应模块 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章相关技塑塑论 为传感器节点提供运行所需的能量，一般采用电池供电。 在无线通信模块中，数据经过网络层传到数据链路层，因为一般研究较多的是其中的 m a c 层，所以图2 1 中用m a c 层代替了数据链路层。数据经由m a c 层再传到物理层的收发 器，数据被转换成二进制物理信号在介质中传送。而对于接收数据的节点，数据则是通过 收发器收到物理信号，将其向上发给m a c 层再到网络层，最终送到处理器模块进行处理 图2 - 1 无线传感器网络中节点结构 无线传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束： 1 电源能量有限，传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。 2 通信容量有限。 3 计算和存储能力有限。 近几年来许多无线传感器节点的原型系统已经研究开发出来，如u c bm o t e s 【嘲、 u a m p s 2 0 等。由于在无线传感器网络中需要大规模配置传感器，为了降低成本，传感器节 点一般都是资源十分有限的典型的传感器节点，通常只有几兆或十几兆赫兹的处理能力以 及十几k 的存储空间，带宽十分有限。 2 1 2 传感器网络体系结构 无线传感器网络的体系结构根据不同的应用会有所不同，而且与网络的部署方式有密 切的联系。根据传感器节点在使用中是否移动，可将无线传感器网络分为静态网络和动态 网络，一般情况下是静态网络。在静态网络中，比较常用的部署方式是用飞机撒播传感器 节点或人工布置，大量传感器节点随机部署在被感知对象内部或附近、能够通过自组织方 式构成网络，可对温度、湿度、噪声等环境参数进行测量，或者感知物体的运动速度和方 向等。在动态网络中，传感器结点一般被安置在可移动的物体上，如车辆或被监测的动物， 它将随物体的移动而移动。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章相关技术概论 无线传感器网络的体系结构如图2 2 所示，通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理 节点。大量的传感器节点随机分布在监测区域，它们能自组织成网络。传感器节点监测到 的数据沿着其它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或者不 处理直接转发，经多跳方式传输到汇聚节点，而汇聚节点可以直接连接到互联网上。最后 数据通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点能够对传感器网络进行配置管 理，发布监测任务以及收集监测数据1 2 。 传感器节点j 图2 2 无线传感器网络体系结构 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，处理能力、存储能力和通信能力相对较弱， 通过携带能量也是有限的，电池能量耗尽的时候节点也就无法正常工作而被网络抛弃。从 网络功能来看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本 地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理， 同时与其它节点协作完成特定任务。 汇聚节点和任务管理节点是不需要感应数据的，它们的结构与普通的传感器节点略有 不同。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力都较强，它连接传感器网络与i n t e m e t 等 外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，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。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够 的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊 网关设备，一般采用电源供电，以保证它的持续工作。 2 1 3 传感器网络协议结构 网络协议结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功 能的定义和描述。虽然无线传感器网络与传统网络相比有很多不同的地方，但是其网络协 议可以划分成t c m p 的五层模型f 2 2 j 网，如图2 3 所示。其中，物理层提供简单但健壮的信 号调制和无线收发技术；数据链路层又分成两个子层：逻辑链接控制层和介质访问控制层， 主要负责数据成帧、帧检测、媒介访问控制和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章相关技术概论 图2 - 3 无线传感器网络的协议结构 选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；应用层包括一系 列基于检测任务的应用层软件：能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议 层都需要考虑节省能量；移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的 路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台在一个给定的区域内均 衡和调度监测任务。 在本论文中，我们主要研究的是m a c 层，它决定无线信道的使用方式，在传感器节点 之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。 2 1 4 传感器网络特征 无线传感器网络与传统的无线网络有相似之处，但也有着很大的差别。无线传感器网 络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，节点分布更为密集； 由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结 构的变化；大多数传感器节点一般是固定不动的。另外，无线传感器网络中传感器节点具 有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都是十分有限。传统无线网络的首要设计目 标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源，而传感器网络的首要设计目 标是能量的高效利用。这也是无线传感器网络和传统无线网络最重要的区别之一。因此与 传统的无线网络相比，无线传感器网络有以下特点瞰】： 1 节点功能的局限性 传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，为了节约成本，本身都是资源十分有 限的系统。同时，由于大多数应用环境中，传感器节点无法重新充电，且其本身所能携带 的电量也十分有限，因此存在以下一些现实约束：计算和存储能力有限，通信能力有限， 电源能量有限。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章相关技木概论 2 网络的自组织性 无线传感器网络可以在任何时刻任何地点不需要现有基础网络设施，包括有线和无线 设施支持的条件下，快速构建起一个移动通信网络。网络的运行维护管理等完全在网络内 部实现，无线传感器网络还需要一些基站节点来建立传感器网络与外界的联系，但各传感 器节点构成的网络依然是一个自组织的无中心的无线网络。 3 拓扑易变化性 除了节点移动带来的网络拓扑变化外，传感器节点的功率控制和剩余电量下降等因素 也会导致网络拓扑变化。另外根据应用需要，网络中有些节点可能进入休眠状态，从而引 起工作节点在数目和分布上的变化，导致拓扑改变。这里的拓扑结构是指从网络层角度来 看具体体现在两方面：首先网络拓扑结构图中代表移动主机的节点和代表无线信道的有向 边可以增加或消失：其次网络拓扑图可能随时出现分割或合并等情况。 4 分布式控制 一般情况下，基站节点与传感器节点使用集中式的控制结构，但是各个传感器节点之 间是一种无中心的分布式控制网络。网络中的终端一般均具有路由器和主机双重功能，主 机之间地位平等，网络控制协议以分布式的方式实现，因而具有很强的鲁棒性和抗毁性。 5 以数据为中心的网络 传感器网络是任务型的网络，其中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网 唯一取决于网络通信协议的设计。由于节点随机部署，构成的网络与节点编号之间的关系 是完全动态的，表现为节点编号与节点位置之间没有任何必然联系。用户直接将所关心的 事件报告给网络，网络在获得指定时间的信息后汇报给用户。所以通常说传感器网络是一 个以数据为中心的网络。 6 数量多规模大 一般情况下，特别是军事上使用时，传感器网络都要大量部署节点。传感器的个数是 数以千计或者数以万计，而且节点分布非常稠密。 7 数据冗余与汇聚 由于传感器节点部署稠密，因此相邻传感器节点感知的信息很多是相同、冗余的。为 了节省网络带宽，提高效率，一般情况下，在传感器网络节点与基站路径上的中间节点会 对转发的数据进行汇聚，减少数据冗余。 8 多g g ( m u l t i - h o p ) 无线网络 无线传感器网络中的通信主机之间一般是多跳的无线路径。 9 安全性差的网络 1 0 壹室坚皇奎堂堡主堕壅竺兰堡垒壅 蔓三皇塑羞垫查堡垒 _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l - _ _ 。- l - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - i _ _ l _ _ - _ l _ i _ _ - _ - _ - i _ _ _ - _ - _ _ _ 。_ _ - i _ _ _ - _ - 。- 。1 。一 由于采用无线信道有限电源分布式控制等技术，网络主机更加容易受到被动窃听、主 动入侵、拒绝服务、剥夺睡眠、终端无法进入睡眠模式、伪造数据等各种形式的网络攻击， 而且传感器节点往往直接暴露在外部，安全性差。 1 0 容错性 由于传感器节点数目多，而且安全性比较差，因此整个网络应该具有容错性，不应由 于部分节点出现问题而导致整个网络的瘫痪。 1 1 流量不均衡 传感器网络中流向处理中心的数据量往往远大于反方向的流量。数据流向处理中心并 且在处理中心集中，会出现距处理中心越近，节点负载越重的现象。 2 2m a c 协议简单介绍 在传感器节点中射频器消耗了大部分的能量，所以一种可行的办法就是尽可能的关闭 射频器来减少能量的消耗。侦听一个空闲的射频信道很耗能的，而且在无线网络探测过程 中，许多节点是不参与传输的，这样就消耗能量。这需要一种协议来控制射频器的工作状 态，这就是m a c 协议的主要作用。 在文献【2 5 】中对m a c 协议进行了详细的介绍。m a c 协议处于传感器网络协议的底层部 分，对无线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。现在传感器节点的能量供应问题仍没有得到妥善解决，节点本身不能自动补充能 量或能量补充不足，节约能量依然是无线传感器网络m a c 协议设计首要考虑的因素，也成 为人们普遍关心的课题。 目前针对传感器网络的不同应用已经出现了各种m a c 协议 2 6 1 ，一般按采用固定分配信 道方式还是随机访问信道方式来分类：第一类是基于预分配的m a c 协议，预分配给不同节 点不同的信道来避免干扰，比如通过时间、频率或正交码来分割信道。由于这些信道是不 会和其他信道产生冲突的，所以传感器节点间在这种情况下是无碰撞的，有着良好的能效 性，但网络的扩展性却成为一个严重的问题。因为信道是已预分配好的，如果有新的节点 加入，那么信道的分配将会发生很大的变化，带来更大的复杂性，而且时间同步要具有高 精确度，实现难度大；第二类是基于随机竞争的m a c 协议，节点之间是共享同一信道，需 要协调工作，一般冲突发生在竞争过程中；第三类是基于预分配和基于竞争的混合协议。 最近几年跨层的m a c 协议也成为研究设计的重点，它已经突破传统网络协议中m a c 协议 的实际内涵，不少协议已经兼备了链路层信道访问控制和网络层路由功能。 2 2 1 基于预分配的m a c 协议 i l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二苹相关技术概论 原有的预分配类m a c 协议主要有f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s i n g ) 和 t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s i l l g ) 【2 7 】两种形式。 f d m a 是将频带分成多个信道，不同节点可以同时使用不同的信道。t d m a 是将一个 时间段内的整个频带分给一个节点使用。相对于f d m a ，t d m a 通信时间较短，但网络时 间同步的开销增加。针对无线传感器网络的特点，现在又有了一些新的预分配的m a c 算法 出现，下面将介绍其他几种基于预分配类的m a c 方案【2 引。 ( 1 ) s m a c s 协议 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 ) 协议是分布式的 协议，无需任何全局或局部主节点，就能发现邻居节点并建立传输接收调度表。虽然各 子网内相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。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。 ( 2 ) d e m a c 冽 、 d e - m a c ( d i s t r i b u t e de n e r g y - a w a r em a c ) 的中心内容是让节点交换能级信息。它执行 - 个本地选举程序来选择能量最低的节点为“赢者 ，使得这个“赢者一比其邻节点具有 更多的睡眠时间，以此在节点间平衡能量，延长网络的生命周期。协议的缺点是传感器节 点只在自己占有时隙且无传输时，才能进入睡眠。而在其邻节点占有的时隙里，就算没有 数据传输，它也必须醒着。 ( 3 ) 1 1 r a m a 刚 t r a m a ( t r a f f i c - a d a p t i v em e d i u ma c c e s s ) 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以及节点在无发送接收要求时进入低能耗模式。 t r a m a 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分配给节点某 个特定的时隙进行传输，以此来达到一定的吞吐量和公平性。但t r a m a 的延迟较长，比 较适合对延迟要求不高的应用。 ( 4 ) d m a c 3 l 】 d m a c 协议是一种交错的唤醒调度机制，减少睡眠时延，增加占空比，减少冲突：当 一个节点有多个分组要发送时，采用时隙到时隙的更新机制保证在多跳的路径上自适应增 加它的占空比；采用数据预测机制解决父节点早睡问题；采m m t s ( m o r et os e n d ) 分组机制， 解决表兄弟节点间的干扰问题。 2 2 2 基于竞争的m a c 协议 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章相关技术概论 基于竞争的协议并不把信道分成子信道或者预先为每个节点分配信道，而是所有的节 点共享一个信道，按需分配。通过一个竞争机制来决定哪个节点获得访问信道的权力。一 般使用广播式信道，连接到这条信道上的节点都可以向信道发送广播信息。想要通信的节 点遵循某种规则竞争信道，得到使用权的节点可以发送信息。传统的基于竞争类的m a c 协 议包括带有冲突检测的载波侦听多路访问( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ，c s m a ) 等。无线局 域网i e e e8 0 2 1 lm a c 协议的分布式协调( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n , d c f ) 工作模式 就是采用带冲突避免的载波侦听多路访问( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ，c s m 刖c a ) 协议，这是基于竞争的m a c 协议的典型。 ( 1 ) i e e e8 0 2 1 1m a c 协议 该协议【3 2 】通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定信道何时空闲，采用r t s c t s 交换 机制进行数据传输。当节点检测到信道忙后，采用c s m a c a 机制和随机退避机制，实现 无线信道的共享。另外，所有定向通信采用立即的主动确认机制( a c l 【i l o w l e d g 锄e 咄a c k ) ， 如果节点没有收到a c k 帧，就会重传数据。i e e e8 0 2 1 1 协议耗能比较严重，节点一直处于 侦听状态。 ( 2 ) s m a c 协议 w e iy e 等在2