（检测技术与自动化装置专业论文）无线传感器网络动态节能接入协议研究.pdf

无线传感器网络动态节能接入协议研究 摘要 传感器 微机电系统 m e m s 嵌入式计算 现代网络和无线 通信等技术的进步 推动了无线传感器网络的产生和发展 由于其广 泛的应用前景 无线传感器网络被认为是2 l 世纪最重要的技术之一 成为当今研究的热点 信道接入控制 m a c 协议是无线传感器网络的重要支撑之一 为了使移动节点与无线传感器网络及时建立 维持或释放连接 并且 消耗较少能量 提出一种动态 节能的信道接入控制协议d e e m a c 该协议以一种新颖的方式在t d m a 的基础上叠加了动态分簇和优先 级竞争簇头机制 基于时分多址 t d m a 机制使节点在空闲时隙能 够及时进入睡眠 大大减少了由空闲侦听引起的能耗 采用分簇算法 使所有传感器节点动态集群 形成众多簇 节点可以自由地加入或退 出该簇 适应了网络拓扑结构的变化并降低了网络延迟 引入簇头竞 争机制均衡了每个传感器节点的能耗 延长了网络的生命周期 该协议适用于移动和静止场景 有较高的信道利用率 在节省能 量的同时也提供合理的服务质量 a l i t y o f s e r v i c e q o s 利用 o p n e t 网络仿真工具将d e e m a c 协议与s m a c 协议作比较 结果表 明 在有移动节点加入时 新的算法d e e m a c 在数据吞吐量 延时 以及丢包率方面比s m a c 协议都有明显改善 关键字 无线传感器网络 m a c 协议 t d m a 协议 d e e m a c 协议 北京邮电大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nd y n a m i c e n e r 扩e m c i e n tm a cp r o t o c o lf b r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e 脚o r k s w s n c 锄b ed e s i g l l e da n dd c v e l o p c d b e c a u s eo fd e v e l o p m e mi ns e i l s o rt e c l l n o l o g mm i c r o e l e c 仃o m e c l l a i l i s m s y s t e m m e m s m o d c mn e t w o r ka n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c l l l l o l o g y i th a sb e e nc o n s i d e 尊c da so n eo fm em o s t i m p o n a n t t e c h n o l o g i e si n2 1 s tc e n t l l 巧d u et oi 招b r i g h tf i l t i l r ci n 印p l i c a t i o n m o r c a n dm o r er e s e a r c h e r sf o c u so nw i r e l e s ss e n s o rn e 栅o f k m e d i aa c c e s sc o n t r o l m a c p d o t o c o li sa ni m p o 渤n ts u p p o r t t e c h n o l o g yi nw s n h o wt od e s i 班ad y n a m i c e n e 哟 e m c i e n tm a c p r o t o c o lf o rw i r c l e s ss e n s o rn e 撕o f k sb c c o m e sak e yp m b l e mi nm i s p a p 优i no r d e r t oc o n s u m el e s se i l e 玛y 彻ds e tu pc o i l n e c t i o nw i t hm o b i l e n o d e st i m e l mad y n 锄i c e l l e r g y e m c i e mm a c p r o t o c o l d e e m a c f i r m o b i l es e n s o rn e t 柏r k si sp r e s e n t c d t h ed e e m a cp r o t o c o li sa 硼d m a b a s e dp r o t o c o lw i t l lf o m l i n gc l u s t e ra n dc s m am e c h a n i s m e a c h c l u s t e fi sd y n a l i l i c a l l yf o m e d a l ln o d e sc o n t e n df o rt h ep o s i t i o no f c l u s t e r h e a db a s e do nm e i rr e m a i n i n gp o w e r 锄dt h e yc a i li o i na n dl e a v e 觚e l v t h ec l u s t h e a db u i l d sat d m as c h e d u l ea 1 1 db r o a d c a s t si tt oa l l n o d e sw i t h i nt h ec l u s t e r m en o d e sc a nt i l mt 0s l e e pi nt h e i ri d l e1 i s t e n i n g t i m ea n dm e r e b yc o n s e r v i n g e 玛y t h ep r o p o s e dm a cp r o t o c o lc 柚p r c i v i d er e a s o n a b l eq o si nb o m s t a t i o n a r ya n dd y n a m i c a ls c e n 撕o s 锄di m p r o v ec h 籼e lu t i l i t yr a t e t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ed e e m a cp r o t o c o lp e 晌衄sb 甜c r t h a i lt 1 1 ee x i s t i n gs m a cp r o t o c o l i nt e n l l so ft h r o u 曲p u t e n d t o 一即d d e l a ya n dd r o pd a t ap a c k c t si ns c e l l 撕o si n v o l v i n gm o b i l es e n s o r s k e y w o r d s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s m a cp r o t o c o l t d m ap r o t o c o l d e e m a cp r o t o c 0 1 独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果 也不包含为获得北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 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 i i l望日期 巡二三二堑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学 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磁盘 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部 或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位 论文在解密后遵守此规定 非保密论文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 本人签名 垒日期 2 壁 三 导师签名 乏主坌益日期 三垫生z 2 生 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 集成了传感器技术 微机电系统 m e m s 技术 嵌入式计算技术 并行信 息处理技术及无线通信技术的w s n w i r e l e s s s e n r n e 咐o r k 是一种由多功能 传感器 传感器节点 以a d h o c 方式构成的无线网络 其目的在于协作感知 采集和处理网络覆盖区域内对象的信息 并传递给观察者 l 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 如受到污染 环境不 能被破坏或敌对区域 和一些临时场合 如发生自然灾害时 固定通信网络被破 坏 等 它具有快速展开 抗毁性强等特点 可广泛应用在军事 工业 交通 环保等领域 引起了人们广泛关注 传感器网络是一种新的信息获取和处理技术 这种无线网络和数据网络的结 合将导致一种新的计算范例 即和以前的计算机网络相比 它更多以通信为中心 无线传感器网络是快速发展的信息技术的产物 它正从传统有线网络结构中脱 离 朝着更普遍更广泛的信息连接模式发展 在特殊领域 它有着传统技术不可 比拟的优势 同时也必将开展不少新颖而有价值的商业应用 1 2 课题来源及背景 本课题来源于教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目 编号 n c e t 0 4 0 1 1 3 作为全球未来十大技术之一的传感器网络技术已开始受到人们的重视 最早 的代表性论述出现在1 9 9 9 年 题为 传感器走向无线时代 随后在美国的移动 计算和网络国际会议上 提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇 2 0 0 3 年 美国 技术评论 杂志论述未来新兴十大技术时 无线传感器网络被 列为第一 美国 今日防务 杂志更认为无线传感器网络的应用和发展将引起一 场划时代的军事技术革命和未来战争的变革 2 0 0 4 年 i e e es p c c t n l m 杂志发 表一期专集 传感器的国度 论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用 由于传感器网络的巨大应用价值 它已经引起来世界许多国家的极大关注 美国 英特尔公司 美国微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作 设立或启动了相应的行动计划 日本 英国 意大利 巴西等国家也对传感器网 络表现出了极大的兴趣 纷纷展开了该领域的研究工作 在国内 众多科研机构和学术团体也对传感器网络进行了跟踪研究 2 0 0 6 年2 月发布的 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 中在突出 位置体现了对传感器网络的密切关注 传感器网络长期以来一直受到军事部门 工业界和学术界等社会各个层面的关注 可以预计 无线传感器网络的发展和广 泛应用 将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动 国内外对传感器网络的研究越来越多 主要集中在节省能源 小型化的节点 设备 路由和网络的建立 超微型嵌入式实时操作系统等若干关键技术 很少涉 及到移动节点接入网络问题 随着传感器技术 信号处理技术和网络技术的发展 像传统网络发展一样 固定的网络已不再满足需要 很多情况下 需要节点移动 或者网络外面的节点进入该网络 移动节点的引入可以拓宽网络空间采样能力 例如 用于监控病人健康状况的可佩戴生物传感器辅助系统 灾难救助人员在援 助中随身配置的传感器设备以及在战场上为士兵提供适当保护的多功能传感器 系统等 这种网络区别于一般的无线传感器网络或移动a dh o c 网络 因其既含 有静止节点又有移动节点 当一个或多个移动节点在网络中移动 其需要与网络 中邻近的静态节点建立 保持连接 到最后离开网络 这一系列过程需要设定一 个新的协议来完成 1 3 研究目的和意义 本课题研究无线传感器网络的目的 是探讨无线传感器网络在网络体系结 构 组网方式 通信协议 网络性能 移动节点管理等若干关键技术和实现方法 针对特定的动态无线传感器网络环境 对道接入协议进行选取 分析和改进 在 该领域闯出一条新的思路 无线链路接入和通信是实现上层通信的基础 也是能否实现自组织网络的关 键技术之一 因此对于无线传感器网络来说 频谱资源是固定的 它能容纳的信 息量也是基本不变的 加之安全性要求 链路的信息冗余度要求高 因此频率资 源变得越来越宝贵 节点的无线链路接入和通信对于实现高效的共享信道非常重 要 因此也成为研究无线传感器网络中的重要课题 1 4 研究内容和主要工作 本课题研究内容包括当移动节点进入静态网络 怎样与已形成的网络建立 维持和断开连接等情况 以及如何减少静止节点的能量消耗 提高网络的服务质 量 q o s 文中提到的无线传感器网络是由无线静态网络和一些移动节点组成 无线静 态网络中节点是密集的 任意分布的 对于这种网络 节点能量不可能随意更换 特别是当移动节点引入该网络保持连接时将增加静态节点的能量损耗 因此延长 传感器网络的寿命十分关键 同时由于整个网络要完成其传感任务和网络操作 第一章绪论 移动节点所采用的协议必须对静止网络的协议是透明的 因此文中提出一种新的 协议来控制移动节点和静态网络在m a c 层的相互作用 本文主要工作如下 1 提高能源效率 由于无线传感器网络的工作环境所限 要求信道接入协议具备非常高的能源 有效性 同时不应使能量消耗集中在个别传感器节点上 以避免出现个别节点易 于失效所带来的网络分区等问题 因此 无线传感器网络数据链路层算法应能够 降低和均衡网络中节点能耗 延长网络的生存时间 2 移动性处理 文中的无线传感器网络有包含大量静止节点和少量移动节点 不同于当前主 流的无线网络技术 处理移动性的中心问题是如何在保持能量低耗的同时能快速 的与移动节点建立新的连接 3 如何满足o o s 要求 网络提供服务质量 q 1 1 a l 时o f s e i c e q o s 支持是商业应用的必然要求 而引入某些节能机制 如 动态关闭无线接口机制 后将导致报文发送时延增加 吞吐率下降 这会对一些实时性要求较高的业务产生不利影响 如何满足q o s 要求是一个必须解决的问题 4 仿真和分析 利用o p n e t 网络仿真工具搭建仿真平台 建立仿真模型 对改进协议与原 协议进行比较分析 验证其有效性 第二章无线传感器网络简介 第二章无线传感器网络简介 2 1 无线传感器网络体系结构 2 1 1 传感器网络结构 在传感器网络中 节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式 大量部署在被 感知对象内部或者附近 这些节点通过自组织方式构成无线网络 以协作的方式 实时感知 采集和处理网络覆盖区域中的信息 并通过 多跳 路由方式将监测数 据传到接收点处理 最后借助长距离或临时建立的接收点链路将整个区域内的数 据传送到远程中心 卫星链路可用作接收点链路 借助游弋在监测上空的无人飞 机回收接收点上的数据也是一种方式 u c b e r k e l e y 在进行u a u 彻删m e d a 甜a l v t 炯c l e 项目的外场监测时便采用了这种方式 一个典型的无线传感器网络的体 系结构包含分布式传感器节点 接收发送器 传输介质 i l l t e m e t 网或通讯卫星 网络用户 任务管理节点 图2 1 形象表示了一个传感器网络体系结构和节点 组成 图2 1 传感器网络体系结构及节点构成 2 1 2 传感器节点 无线传感器网络中的节点构成和具体的应用要求密切相关 针对不同的实际 应用 节点的设计也各不相同 但其基本单位可归纳为四个部分 传感器及模 数转化器 a d c 数据处理器及存储单元 收发传输单元 电池及电源管理单 元 如图2 1 所示 此外根据应用需要 可能还会有定位系统 电源再生单元和 移动单元等 所有这些子设备可能需要装入一个火柴盒大小的模块 需要的尺 寸可能比一立方厘米都小 而且足够轻可以悬浮在空中 除了尺寸 还有一些另 外的严格限制 这些节点必须消耗极低的能量 有很低的产品费用和自治的 无 北京邮电大学工学硕士学位论文 人值守的并且能适应各种环境 根据不同的应用 有些传感器是暂时不用的 为 了达到节能的目的 系统硬件采用了多路数字开关阵列控制各个传感器的电源 这样在应用软件中可以灵活控制不同传感器的开关 处理器可以采用通用嵌入式 c p u 比如删公司的a r m 7 等 但是随着单片机运算速度的提高和功能的扩 充 以及出于降低功耗和节约成本的考虑 现有节点的硬件一般都采用一些高性 能的单片机 比如a t m e l 公司的a 佩单片机 数据传输单元主要有低功耗 短 距离的无线通信模块组成 比如c h i p c o n 公司的c c l o o o 等 3 l o 2 1 3 通信协议栈 与互联网协议框架类似 无线传感器网络的协议框架也包括五层 4 如图2 2 所示 网络协议各层功能如下 臣磊而赢圃团 应用层 j l 苎2 2 1 l o f 时间同步1 l 节点定位li 能量 传输层 i 堡塑堡型 网 一安一 络 两络层 s厂 订 全 圆 1 警 札 理 数据链 箧 圜 制 路层 l 管理 物理层 j 困 至堕习 二至口 图2 2 传感器网络协议栈 物理层协议 物理层负责数据的调制 发送与接收 该层的设计将直接影响 到电路的复杂度和能耗 研究的目标是设计低成本 低功耗 小体积的传感器节 点 数据链路层协议 数据链路层负责数据成帧 帧检测 差错控制以及无线信 道的使用控制 减少邻居节点广播引起的冲突 网络层协议 网络层负责路由发现和维护 是无线传感器网络的重要因素 一个网络设计的成功与否 路由协议非常关键 传输控制层协议 传输控制层负责数据流的传输控制 协作维护数据流 是 保障通信质量的重要部分 t c p 协议是h l t e m e t 上通用的传输层协议 但无线传 感器网络的资源受限 高错误率 拓扑结构动态变化的特点将严重影响t c p 协 议的性能 应用层协议 基于检测任务 在应用层上开发和使用不同的应用层软件 无线传感器网络的应用支撑服务包括 时间同步和节点定位 其中 时间同 步服务为协同工作的节点同步本地时钟 节点定位服务依靠有限的位置已知节点 信标 确定其他节点的位置 在系统中建立起一定的空间关系 第二章无线传感器网络简介 图中 副右侧部分不是独立的模块 它们的功能渗透到各层中 如能量 安全 移动 在各层设计实现中都要考虑 而拓扑管理主要是为了节约能量 制定节点 的休眠策略 保持网络畅通 网络管理主要是实现在传感器网络环境下对各种资 源的管理 为上层应用服务的执行提供一个集成的网络环境 q o s 支持是指为用 户提供高质量的服务 通信协议中的各层都需要提供q o s 支持 2 2 无线传感器网络应用 m e m s 支持下的微小传感器技术和节点间的无线通信能力为传感器网络赋 予了广阔的应用前景 主要表现砸军事 环境 健康 家庭和其他商业领域 当 然 在空间探索和灾难拯救等特殊的领域 传感器网络也有得天独厚的技术优势 2 2 1 军事领域 在军事领域 美国国防部和军事部门较早开始启动传感器网络的研究 强调 战场情报的获取能力 信息的综合能力和信息的利用能力 把传感器网络作为一 个重要研究领域 设立了一系列军事传感器网络研究项目 传感器网络将会成为 c 4 i s r t 唧m 锄d n 乜 o l c 0 眦m i c a t i o n c o m p u t i n 吕i 1 1 t e l l i g c c 如r v e i l l 锄c e a n dt a i 删n g 系统不可或缺的一部分 c 4 i s r t 系统的目标是利用先进的高科技 技术 为未来的现代化战争设计一个集命令 控制 通信 计算 智能 监视 侦察和定位为一体的战场指挥系统 受到了军事发达国家的普遍重视 美国国防 部远景计划研究局已投资几千万美元 帮助大学进行 智能尘埃 传感器技术的研 发 哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测 智能尘埃式传感器及有关的技术销售将 从2 0 0 4 年的1 0 0 0 万美元增加到2 0 1 0 年的几十亿美元 2 2 2 环境科学 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高 需要采集的环境数据也越来越 多 无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利 并且还可以避 免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏 比如 英特尔研究实验室研究人 员曾经将3 2 个小型传感器连进互联网 以读出缅因州 大鸭岛 上的气候 用来 评价一种海燕巢的条件 无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移 研究环 境变化对农作物的影响 监测海洋 大气和土壤的成分等 此外 它也可以应用 在精细农业中 来监测农作物中的害虫 土壤的酸碱度和施肥状况等 2 2 3 医疗护理 无线传感器网络在医疗研究 护理领域也可以大展身手 罗彻斯特大学的科 学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间 使用微尘来测量居住者的重要征 北京邮电大学工学硕士学位论文 兆 血压 脉搏和呼吸 睡觉姿势以及每天2 4 小时的活动状况 医生可以随时 了解被监护病人的病情 进行及时处理 还可以利用传感器网络长时间地收集人 的生理数据 这些数据在研制新药品的过程中非常有用 英特尔公司也推出了无 线传感器网络的家庭护理技术 该技术是应对老龄化社会技术项目c e m e r6 a 百n gs e r v i c 髓1 e c l l i l o l o 舀e s c a s t 的一个开发环节 该系统通过在鞋 家具 以家用电器等道具和设备中嵌入半导体传感器 帮助老龄人士 阿尔茨海默氏病 患者以及残障人士的家庭生活 利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的 信息从而方便接受护理 而且还可以减轻护理人员的负担 人工视网膜是一项生物医学的应用项目 在s s i m s m a ns e i l s o r sa i l d i n t e g r a t c dm i c r o s y s t 锄s 计划中 替代视网膜的芯片由l o o 个微型传感器组成 并置入人眼 目的是使得失明者或者视力极差者能够恢复到一个可以接收的实力 水平 传感器的无线通信满足反馈控制的需要 有利于图像的识别和确认 2 2 4 空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想 借助于航天器布撒的传感器网络 节点实现对星球表面长时间的监测 这种方式成本很低 节点体积小 相互之间 可以通信 也可以和地面站进行通信 是一种经济可行的方法 n a s a 的j p l 实 验室研制的s c n s o fw 曲s 6 就是为将来的火星探测进行技术准备的 已在弗罗里 达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善 2 2 5 其他商业应用 无线传感器网络还被应用于其他一些领域 比如 些危险的工业环境如井 矿 核电厂等 工作人员可以通过它来实施安全监测 也可以用在交通领域作为 车辆监控的有力工则1 此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域 英特尔 正在对工厂中的一个无线网络进行测试 该网络由4 0 台机器上的2 l o 个传感器 组成 这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件 大幅降低检查设备 的成本 同时由于可以提前发现问题 因此将能够缩短停机时间 提高效率 并 延长设备的使用时间 德国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制 一套辅助系统 以减少足球比赛中越位和进球的误判断 尽管无线传感器技术目 前仍处于初步应用阶段 但已经展示出了非凡的应用价值 相信随着相关技术的 发展和推进 一定会得到更大的应用 2 3 无线传感器网络的特点和挑战 无线传感器网络除了具有a dh o c 网络的移动性 自组织性 电源能力有限 第二章无线传感器网络简介 等共同特征外 还具有节点数量庞大 单个节点资源极其有限 可监视范围广等 鲜明的特点嘲 这些特点向我们提出了一系列挑战性问题 1 通信能力有限 无线传感器网络的通信带宽窄而且经常变化 通信覆 盖范围只有几十到几百米 传感器之间的通信断接频繁 经常导致通信失败 由 于无线传感器网络更多地受到高山 建筑物 障碍物等地势地貌以及风雨雷电等 自然环境的影响 传感器可能会长时间脱离网络 离线工作 如何在有限通信能 力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输 是我们面临的挑战之一 2 电源能量有限 传感器的电源能量极其有限 网络中的传感器由于电 源能量的原因经常失效或废弃 电源能量约束是阻碍无线传感器网络应用的严重 问题 商品化的无线发送接收器电源远远不能满足无线传感器网络的需要 传感 器传输信息要比执行计算更消耗电能 传感器传输l 位信息所需要的电能足以执 行3 0 0 0 条计算指令 如何在网络工作过程中节省能源 最大化网络的生命周期 使我们面临的第二个挑战 3 计算能力有限 无线传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存 储器 这些传感器都具有计算能力 可以完成一些信息处理工作 但是 由于嵌 入式处理器和存储器的能力和容量有限 传感器的计算能力十分有限 如何使用 大量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息处理 是我们面临的第三个 挑战 4 传感器数量大 分布范围广 无线传感器网络中传感器节点密集 数 量巨大 可能达到几万 几十万 甚至更多 此外 无线传感器网络可以分布在 很广泛的地理区域 传感器数量大 分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至 不可维护 人们希望无线传感器网络的软 硬件必须具有高强壮性和容错性 这 是我们面l 临的第四个挑战 5 网络动态性 无线传感器网络具有一定的动态性 网络中的传感器 感知对象和观察者这三个要素都具有移动性 并且经常有新节点加入或已有节点 失效 因此 网络的拓扑结构会动态变化 传感器 感知对象和观察者三者之间 的路径也随之变化 无线传感器网络必须具有可重构和自调整性 这是我们面临 的第五个挑战 也是本文的研究重点 6 大规模分布式触发器 很多无线传感器网络需要对感知对象进行控制 如温度 气压控制 因此 很多传感器具有回控装置和控制软件 也称为触发器 成千上万的动态触发器的管理是我们面临的第六个挑战 7 感知数据流巨大 无线传感器网络中每个传感器通常都面l 临较大的流 式数据 并具有实时性 每个传感器仅具有有限的计算资源 难以处理巨大的实 时数据流 我们需要研究强有力的分布式数据流管理 查询 分析和挖掘法 这 北京邮电大学工学硕士学位论文 是我们面临的第七个挑战 本文主要是针对网络动态性挑战 对无线传感器网络的通信协议进行研究 主要涉及m a c 层信道接入协议 即如何合理有效的利用有限的信道资源 实现 传感器网络的巨大功能是我们本文的研究重点 第三章无线传感器网络m a c 协议 第三章无线传感器网络m a c 协议 在无线传感器网络中 介质访问控制 m e d i u ma c c c s sc o n 昀l m a c 协议 决定无线信道的使用方式 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 无线传感器网络的信道接入技术是为了保证网络低功耗 自适应和自 组织等特性 并兼顾特定应用需求 如实时性和公平性 m a c 协议负责在相互 竞争的节点之间分配信道资源 它位于传感器网络协议的底层部分 对网络的性 能有较大影响 是保证无线传感器网络高效通信的关键技术 本章主要讨论m a c 协议的性能指标 以及如何权衡各种性能指标 去满足 无线传感器网络和其它应用的需要 因为无线传感器网络中节点的能源有限 所 以放在首要考虑地位 3 1 无线传感器网络m a c 协议的设计 3 1 1m a c 协议设计的主要性能指标 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 节省 能量 可扩展性和网络效率 如图3 1 所示 三者的重要性依次递减 由于传感 器节点自身不能自动补充能量或者能量补充不足 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 图3 1 协议设计要点 能源有效性 能源有效性是无线传感器网络m a c 协议性能指标中最重要的 一项 如果节点1 的时间处在传输模式 其余时间处在侦听模式 那么9 7 的 能耗都是在空闲侦听时产生的f9 1 正如上面所述 网络中节点的能源非常有限 北京邮电大学工学硕士学位论文 而且在实际设计一些无线传感器网络时 会减少节点的成本 以达到节点的一次 性使用作为设计目科1 0 l 因此 尽量延长网络节点的生存时间是在设计无线传 感器网络时需要考虑的一个重要问题 在节点的硬件结构中 无线收发装置消耗 的能源占节点消耗能量的绝大部分 m a c 协议直接控制无线收发信道装置的行 为 可直接控制其消耗的能源大小 因此m a c 层的能源有效性直接影响网络节 点的生存时间 可扩展性 可扩展性是指一个m a c 协议应该适应网络大小 网络拓扑结构 网络节点密度的变化 无线传感器网络是一个动态的网络 节点可以随处移动 一个节点可能因为电池能源耗尽或其它原因退出网络运行 一个节点也可能由于 需要而加入到网络中 一个好的m a c 协议应很好的适应这些变化 冲突避免 冲突避免是m a c 协议的一项基本任务 它决定网络中的节点何 时 如何访问共享的传输媒体和发送数据 信道利用率 信道利用率反映了网络通信中信道带宽如何被使用 在蜂窝移 动通信系统和无线局域网中信道利用率是一项非常重要的性能指标 因为在这样 的系统中带宽是非常重要的资源 系统需要尽可能地容纳更多的用户通信 相比 之下 无线传感器网络中处于通信中的节点的数量是有一定的应用任务所决定 的 信道利用率性能指标在无线传感器网络中是处于第二位的 延迟 延迟是指发送端向接收端发送一个数据包 到接收端成功接收这一数 据包这一时间间隔 在传感器网络中 延迟的重要性取决于网络的应用 吞吐量 吞吐量代表在一给的时间内 发送端成功发送给接收端的数据量 许多因素影响网络的吞吐量 冲突避免机制的有效性 信道利用率 延迟 控制 开销 和延迟一样吞吐量的重要性也取决于网络的应用 无线传感器网络的许多 应用为了获得更长的节点生存时间 可以适当牺牲延迟和吞吐量性能指标 公平性 公平性反映出网络中各节点 用户 应用 平等的共享信道的能力 是传统的语音 数据通信网络中一项很重要的性能指标 但在传感器网络中 在 某个特定的时刻 存在一个节点相比其它节点拥有大量的数据需要传送 因此 公平性往往用网络中某一应用是否成功实现来评价 而不是以每个节点 用户平 等的发送 接收数据的能力来评价 以上性能反映了一个m a c 协议的特性 对于无线传感器网络而言 能源有 效性 可扩展性是最重要的 3 1 2m a c 协议中的能源有效性分析 能源有效性是无线传感器网络中一个重要问题 设计一个能源有效的m a c 协议 我们必须分析哪些因素导致了能源损耗 经过大量的实验和理论分析 总 第三章无线传感器网络m a c 协议 结一下几个方面 空闲侦听 网络中的节点由于不能预知它的邻节点什么时候会向它发送数 据 所以将其无线收发装置始终保持在接收模式 这是节点能源损耗的主要来源 因为典型的无线收发装置处于接收模式时消耗的能源比其处于待命模式多两个 数量级 竞争冲突 当两个节点传送的数据包发生冲突时 两个数据包被损坏 这时 节点消耗在发送和接收数据上的能源被浪费掉了 r t s c t s 握手机制能够有效 解决单播消息的竞争冲突问题 但是以协议控制能源损耗为代价的 窃听 无线信道是一个共享媒体 一个节点可能会接收到发送到其它节点的 消息 这时消耗在接收数据上的能源被浪费掉了 这时节点应将其无线发送装置 关闭 协议控制损耗 m a c 层协议头和控制消息包 a c k 瓜t s c t s 中没有包含有 效的数据 因此可认为是一种损耗 业务量的波动性 突发的峰值业务量能大大增加网络中发生竞争和冲突的可 能性 这样许多时间和能源被损耗在随机退避过程中 3 2m a c 协议的分类和描述 根据协议中为减少数据碰撞和串听现象而采用的不同方法 将m a c 协议分 为两类 固定分配类m a c 层协议 通过时分复用 t d m a 的方式和频分复用 f d m a 或者码分复用 c d m a 的方式 实现无冲突的强制信道分配 以竞争为 基础的m a c 协议 通过竞争机制 保证节点随机使用信道并且不受其他节点的干 扰 3 2 1 固定分配类m a c 层协议 基于时分多址 t d m a 或时分多址和频分多址 f d m a 相结合的方式是实现 信道分配的简单成熟机制 为传感器网络中每个节点分配独立的用于数据发送或 接收的时隙 而节点在其他空闲时隙内转入睡眠状态 这些特点很适合w s n 的 节能需求 t d m a 没有竞争机制的碰撞和重传问题 数据传输时不需要过多的 控制信息 节点在空闲时隙能够及时进入睡眠状态 但t d m a 机制在网络扩展 性方面存在不足 很难调整时间帧的长度和时隙的分配 并且通信中的串音现象 导致的能量消耗很大 下面具体介绍几种基于固定分配类的m a c 协议 1 s m a c s e a r 协议 s m a c s e a r s d 硒r g a i l i z i n g m e d i 啪a c c e s sc o n t r o lf o rs e n s o r n e t l o r k s e a v e s d r o pa n dr e 百s t e r 具有监听 注册功能的传感器网络自组织m a c 北京邮电大学1 学硕士学位论文 协议 协议是结合t d m a 和f d m a 的分布式m a c 协谢 l 用来建立一个对等的 网络结构 每对节点之间通信使用不同的频段进行数据传输 以避免相互问的干 扰 e a r 协议用于少量运动节点与静止节点之间进行通信 运动节点侦听固定 节点发出的 邀请 消息 根据消息的信号强度 节点i d 号等信息决定是否建立 连接 如果运动节点认为需要建立连接 则通过与对方交换信息分配一对时隙 s m a c s e a r 不需要所有节点的帧同步 可以避免复杂的高耗能同步操作 但不 能完全避免碰撞 多个节点在协商过程中可能同时发出 邀请 消息或应答消息 而且不适用于拓扑结构变化较快的传感器网络 图3 2 显示了a d b c 节 点之间的链路建立过程 先启动的节点a 向相邻节点发送 邀请 消息 收到d 的 应答后 与之协商分配一对专用的通信时隙 并以频率相互通信 节点b 和c 之 间也通过协商建立专用的通信时隙和通讯频率f 2 a d 之间的通信时隙与b c 之间的虽然重叠 但是由于双方使用频率不同 因此不会相互干扰 同样相邻 节点a b c d 之间也会通过协商建立相应的连接 f 麓溺黼嘲 阂翻 节点d 誊i 譬f雹 焰 衅 绍 图缫翻 翻翻 节点a 麟溯翻豳 节点b 耋f 譬j埘扭 鬣鬣翻翻围 节点c 图3 2s m a c s 队r 协议的链路建立过程 s m a c s 协议主要用于静止的节点之间连接的建立 而对于静止节点与运动 节点之间的通讯 则需要通过e a r 协议进行管理 其基本思想是运动节点侦听 固定节点发出的 邀请 消息 根据消息的信号强度 节点id 号等信息决定是否 建立连接 如果运动节点认为需要建立连接 则通过与对方交换信息分配一对通 信时隙 2 t d m f d m 协议 这是一个时分复用t d m a 和频分复用f d m a 的混合方案 1 2 j 在节点上维护 着一个特殊的结构帧 类似于t d m a 中的时隙分配表 节点据此调度它与相邻 节点间的通信 f d m a 技术提供的多信道 使多个节点之 白j 可以同时通信 有 效地避免了冲突 由于预先定义的信道和时隙分配方案限制了对空闲时隙的有效 利用 使得在业务量较小时信道利用率较低 3 t r a m a 协议 第三章无线传感器网络m a c 协议 1 1 r a m a t r a m c a d a p t i v em e d i 啪a c c 岱s 1 3 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 使节点在无接收要求时 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 仿真显示 由于节点最多可以睡眠8 7 所以t r a m a 节能效果明显 在与基于竞争类的协议比较时 t r a m a 也达到了更高的吞吐量 比s m a c 和 c s m a 高4 0 左右 比8 0 2 1 1 高2 0 左右 因为它有效地避免了隐藏终端引起 的竞争 但t ra m a 的延迟较长 更适用于对延迟要求不高的应用 4 u 江a c 协议 在 g h t w e i g h t m a c l m a c 中 时隙是由流量控制段和长度固定的数据段 组成的 时隙再组成长度固定的帧 调度规则是 每个主动节点控制一个时隙 当节点有数据包要发送时 等它自己的时隙来到时先广播一控制报头信息 说明 接收节点和包长度 然后传输数据 收到此控制报头信息的节点如果不是接收节 点 则关闭射频模块 与其他m a c 协议不同的是 接收节点正确接收后不发送 a c k 信息 l m a c 通过使节点选择一个两跳邻居节点都不使用的时隙来避免冲突 在 控制段广播信息中包含一跳邻居节点占用哪个时隙的信息 要加入网络的新节点 侦听流量控制段 它们知道哪个时隙是空闲的 并随机在一个时隙内发送一控制 信息来声明占用了此时隙 如果在时隙内发生冲突 侦听到冲突的节点在控制段 广播涉及到的时隙 如果要加入网络的新节点侦听到时隙被占用 就退回重新开 始选择 由于其他节点在任意时刻可能随机的要加入网络 从而在一帧的所有时 隙内节点都要侦听控制段 这是l m a c 的缺点 3 2 2 以竞争为基础的m a c 协议 以竞争为基础的m a c 协议是一种按需使用信道的方式 当节点需要发送数 据时 通过竞争方式使用无线信道 产生碰撞后就按照某种策略重发数据 直到 数据发送成功或放弃发送 与1 1 m a 方式的m a c 协议相比 竞争类的m a c 协 议具有更好的可扩展性 而且不需要考虑时钟同步的问题 但是 现有的竞争机 制m a c 协议都假设节点产生的网络流量是完全随机的 而传感器网络的流量具 有很大的间歇性和突发性 这使得多个相邻节点会同时竞争信道 从而产生较多 的碰撞重传 这样将浪费较多的能量因此它们不能直接使用在传感器网络中 而 且随着负载增加 冲突增多 吞吐量可能降低至零 导致网络不稳定 下面介绍 几种已有的典型方案 1 s m a c 协议 北京邮电大学工学硕上学位论文 s m a c 协谢 j 是在8 0 2 1 1 m a c 协议基础上 针对传感器网络的节省能量需 求而提出的 s m a c 假设通常情况下传感器网络的数据传输量少 节点协作完 成共同的任务 网络能够容忍一定程度的通信延迟 它的主要设计目标是提供良 好的扩展性 减少节点能量的消耗 主要工作机制 周期性侦听 睡眠 控制 节点尽可能处于睡眠状态来降低能耗 邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制 形成虚拟簇 减少节点的空闲侦听时间 流量自适应的侦听机制 采用带内 信令来减少重传和避免监听不必要的数据 为减少碰撞和避免串音 通过消息 分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传递延迟 s m a c 协议将 一个长消息分割成几个短消息在预约的时间内突发传送 2 t m a c 协议 t i m c o mm a c t m a c 协谢 1 实际上是s m a c 的一种改进 其主要特点是 引入了一个1 a 时隙 如图3 3 所示 若1 a 之间没有任何事情发生 则节点进 入睡眠状态已达到节能 与s m a c 相比不同是 t m a c 同样引入了串听避免机 制 但t m a c 协议中可以作为一个选择项 可以设置也可以不设置 通过仿真 结果 t m a c 与传统无占空比的c s m a 和占空比的s m a c 比较 在负载不变 的情况下 t m a c 和s m a c 节能相仿 最多节约c s m a 的9 8 在可变负载 的场景 t m a c 要优于s m a c 但会出现早睡眠问题 从而引起数据的吞吐量 降低 a s m a c 协议的摹本机制 b t m a c 协议的基奉机制 图3 3s m a c 和t m a c 的基本机制 3 b m a c 协议 b e r k c l e y m a c 协议使用信道评估和退避算法分配信道 通过链路层确认保 证传输可靠性 利用低功率侦听技术减少空闲侦听 实现低功率通信 信道评估 通过对接收信号强度r s s i 采用指数加权滑动平均算法 求出信道的平均噪声 第三章无线传感器网络m a c 协议 再将一小段时间内的最小r s s i 值与平均噪声比较 以确定信道状态 退避算法 包括初始退避和拥塞退避两种 可由应用程序设置 该协议最主要的贡献在于它向上层协议提供了一系列双向接口 通过设置这 些接口 m a c 协议可应用于多种不同流量类型的网络 b m a c 和s m a c 相比 较 在高速率时 b m a c 节能效果好 但节能效果不如s m a c 4 i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 协议 1 6 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准是由国际电信联盟 i t u 制定的 为廉价设备提供了一 种极低复杂度 低成本 低功耗 低数据率的无线互联标准 传感器网络是它的 主要应用领域之一 标准定义了协议栈中的m a c 层和物理层 m a c 层采用 c s m c a 接入 物理层有3 种频率选择 8 6 8 m h z 9 1 5 m h z 和2 4 g h z 为降 低功耗 标准采用了缓存机制 具体过程如下 节点定期侦听信道 接收b e a c o n 帧 在没有数据发送和接入时进入休眠状态 网络协调者 c o o r d i n a t o r 缓存发 往休眠节点的数据 定期发送p o n 帧 帧携带这些数据的目的节点地址 节点发 现网络协调者缓存了发往自己的数据之后 向其发送a c k 帧 表示自己可以接 收数据 网络协调者在接收到p 0 1 l 帧之后 首先向节点发送a c k 帧 随后发送 缓存的数据 在收到数据之后 节点向网络协调者发送a c k 帧 i e e e 8 0 2 1 5 4 初步定义了短距离低速率的无线通信应用中的物理层和m a c 层 但其通信协议并不是专门为无线传感器网络发展的 在网络负荷较高时能量 消耗过大 3 3 节能m a c 协议