（通信与信息系统专业论文）容迟移动传感器网络mac与路由协议研究.pdf

揍要 摘要 随蕃数据采集的普遍深入 传统的固定式传感器网络已经不能满足某些应 用需求 对移动对象的数据采集要求传感器设备与对象搦绑 以获得更精确地 数据 容迟移动传感器网络应运而生 容迟移动传感器网络菇l 处于移动状态的传感器节点构成 在节点状态 溪 络拓扑 数据传输以及数据汇聚各个方面都具有明显的容迟特性 具体表现在 节点地理位置始终变化 网络拓扑高度动态 网络无端到端链路 数据汇聚由 中间节点的搿存储 转发 来完成 对这种特殊的传感器网络和传统的传感器网络进彳子了比较分析 总结了在 容迟环境下应震无线传感器网络技术所带来的新的特点和新的技术难点 着重 介绍了异步的基于前导短报文序列的m a c 协议 m a c 4 7 x m a c 的协议体 制是现有鹾众c 协议体制中最接近予容迟移动传感器网络对鹾a c 协议要求豹 协议之一 但通过分析可以看出 x m a c 所依赖的某些网络假设容迟移动传感 器网络仍然无法满足 由此 在借鉴了x m a c 的节能思路的基础上 提出了针 对容迟环境设计的接收端发起传输的异步m a c 协议0 m a c 通过分析0 m a c 的能量效率 发现l j a c 在网络流量不重的情况下 达到了很好的性能 由 就 设计了超低功耗传感器霹络节点 l m o e 并搭建了容迟移动传感器霹终 实验床 在实验床上实现了l m a c 并通过 系列的实验证明 l m a c 能够 满足容迟移动无线传感器网络对m a c 层协议的要求 使用很少的能量完成了 移动邻居的捕获和邻居表的更新 并及对建立起通信链路 对实际网络中的节点间接触进行了仔细的观察研究 针对实际应用中节点 运动的规律性 提密了基予接触预测酶路毒协议c p 币 c o n 幻c lp 治蕊c o n b a s e dr o u t n g p r o t o c o i 并编写了容迟移动网络仿真器 扩展了传统的路 径点模型 完成了c p 的性麓仿真 c p p 有效控制了躁终中的冗余擐文 降 低了节点缓冲区的负担 通过预测的接触时间优化报温传输延时 从而降低了 报文在网络中的传输时间 节省了网络的整体能耗 提高了网络生命期 关键字 容迟阏络 无线传感嚣网络 媒体接入控制协议 路由协议 接 触 预测 a b s t r a c t a b s t r a c t a sl o n g 嬲r e a lw o r l dd a 诅s e n s i n g ga t h e r i n gb e c o m e sd e e p e r t l i a d i t i o n a lf i x e d s e n s o rn e t w o r kc 卸r l o ts o l v ea l l0 f t h ep r o b l e m s a c c u r a t e 出妇r e q u i r e df 而mm o v i n g o b j e c t sn e e dt 0p l 锄t n s 0 r s0 nt h eo b j e c t s 锄dm o v ew i t ht h e m t h u s d e l a yt b l e 豫n t m o b i l es 髓s o rn e 帆o r k d t m s n c o m e si n t 00 u rs i g h t d t m s ni sc o n s t l l j c t e db ym o b i l e 辩n s o rn o d e s t h en o d e s m o b i l i 劬d y n 锄i c t o p o l o g y h i g hp a r t i t i o n 豫t e 硼d 1 e 鼹v e f o r w a r d d a t an a n s 危rs n 麓i t e g ym a k e si t d i n e r e n tf b mn i i d i t i o n a ln e l w d r k s t h i sd i s 献i o nc r o s s 一如a l y s i st h i sp a n i c u l 盯锣p eo f n s o rn e t l o d w i n l m l d i t i o n a lw i r e l e 豁 n s o rn e 锕o f k s w cs u m m a r i z et h em a i nd i 侬r e n c cb e t w e 朗 d t m s n 锄dw s ni i lw a y so fn e 咐o d t o p o l o 鼢n o d em o v e m c 吣 p r o l d c o l 淞s u m p t i o n sa n dt o l e m b i l i t y 内r 亿u l t 锄dd e l a y a f k rt 1 1 a w ei n 仃0 d u c ea s 甜鼯o f 妙p i c a lw s n m a c p r o 白0 c o l sa n dr d u t i n gp r 0 妣o l s 锄da n a l y s i st h e i ra d v a n t a g e s 粕dd i s a d v a n t a g e sw h i l eb e i n g 印p l i c di nd i t m s n a n 嬲y n c h r 0 1 1 0 u ss h o m p 豫蚰b l e b a s e dm a c p r o t o c o lc a l l e dx m a c 4 7 i sc o n s i d e r st 0b eo 舱o f n l ee x i s t i n gp r o 妣o l s 也a t 佻t h cd e l a yt o l e r 习m ts c e n a r i ob e s t a f t e rac 撤如ls t i i d y0 n 似c w ef o 啪d n l a ts 0 m eo f m e 锻s 姗p t i o n st 量l a tx 虻d e p e n d s 册c o u i ds t i l ln o tb cs a t i s f i e di n d t m s n s o b 嬲e d0 nx m a c w ep r o p 0 an e wm a cp r i t o c 0 i l m a c l j 从c 髑e sam c e i v e ri n i t i a t e dd a 峪打j m s 佬rp r 0 s st 0l o c a l i g h b o r sf o r 咖s m i 仰e r 锄d a l s 0 l m a ch 硒如嬲 c h r o n o 璐b 舔i cs c h 咖e w h i c hu sr e d u c c dm i n i m u m a c t i v ee x p l o r ep a c k e m a e p t 0a c c o m p l i s hb o t l ln e i 曲b o rs h a t i o na w a r e n e s s 锄d c h 砌e la c c e s s t h u s m o s te n e 唱yc o n s u m p t i o nf 0 rr o u t i n gt a s l s 鲫c h 硒n e i 曲b o r t a b l em a i n t c n 觚c ew i l lb e 鲋v c d a f t e rc a r e f h le x p i 玎i i i l 伽临o no u rt e s tb e d w ef 0 帅d 吐斌l m a co u t p e r f 0 锄so n l e rm a cp f 蝴l s 加am o b i l es c 翰a r i o 豳w i l i 雒矗x e d n e 铆o r k sw i t hr e s t r i c t c d 臼l a f e ci o a d t h i sd i s 删i o na l s 0p r o p 0 a wr o u t i n gp r o t o c o lc a e dc o n t a c tp r e d i c t i o n h 澍r 0 u t i n g 胁t o c o l c p r p f o rd t m s n t h e 撇i ni d e ao fc p r pi sb 删0 nt l l e o b r v a t i o nt h a tn o d e si nm o s tr 1 w o r l dd t m s n s y s t e ma r cn o tm 0 v m g 啪d o m l y 砸s 钯a d t h e i rm o v e m 翱t sa r er e l a t e d 锄do b e ys 0 m el i n do f r u l e s w r ea b s 臼 t e dm e 辩 i i a b s t 豫c r ul e si nt h ew a yo fm o d e l i n gt h ec o n t a c t sb e t w e e nn o d e s a n db a s e do nt h a tc o n t a c t m o d e l w ep r o p o s eas c h e m e 幻p r 挺i c tn o d c s 如t u r e n 乇a c 括o u to fn o d 鹅 h i s o 巧 e o n t a c t s w r ed e v e l o pan e ws t a n d a l o n es i m u l a t o rf o r 阱m s n t h es i m u l 贰i o nr e s u l t s s h o wt h a tc p r pc o n t r o l st h ew h o l en e t w o r kp a c k a g er c d u n d a n c yw e l l a n da c h i e v ea l o w 糖n 潮i s s i o 鞋d e l a y 馘龉i l l g 雕滋 c 毛e d 棘专a c tl i 撵e 谂c b s e 娥eap 诧凳聪d 跫l 鑫y t h u s e a c hp a c k e te x i s t ss h o r t e ri nt h en 咖r o r i a n d1 l l em i c r 0e f l 亳c tt u r n st ob ea l o w c rp 愆s s 珏怼o nn o d e s 妇n s 纽b u f 熬db e 黻p a c k 稽es u c c e s s 糟 i o l e y w o r d s d e l a yt o l e m tn 鳓v o 叱晰r e l e s ss c n s o rn e 娴o r k m e d i aa c c e s s c o 致t 移l r o u l i n g c o n t l c p r e d i e o n m 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文 是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果 除已特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果 与我一同工作的同志对 t 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权 即 学校有权按有关规定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 可以将学位论文编入有关数据库进 行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论 文 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 作者签名 二纽 例年岁月多日 第l 章绪论 第一章绪论 本章对无线传感器网络的发展过程 研究领域以及应用成果作简要的介绍 之后介绍本论文的主要贡献及结构安排 1 1 引言 无线传感器网络 w i r e l e s ss e n s o rn e w t o r k 是一种新型的网络和计算技 术 它可以将客观世界中不断变化的信息持续高效地传递给人们 为人们提供 各种形式的服务 随着无线传感器网络的日益成熟和普及 人们的生产 生活 方式和工作效率也会随之得到不断的改善和提高 从节点的布置方式和移动性来看 无线传感器网络可以分为三种类型 一 种是固定的无线传感器网络 该类网络由固定的传感器节点和数据收集节点组 成 传感器节点和数据收集节点可能被随机撒布也可能被人为摆放在一定的区 域内 一旦初始摆放完成 节点的位置即不会再发生变化 第二种是部分固定 的传感器网络 该类网络的传感器节点通常是固定在一定的位置上 但是为了 达到一定的覆盖率 或者受传输距离的限制 数据收集通常使用可以移动的节 点来完成 一个典型的例子是卫星中继传感器网络 在该网络中 传感器节点 处于固定位置收集传感器数据 而数据收集节点 近地卫星 处于不断移动 之中 只有当卫星飞临传感器节点上空时 传感器节点才将数据通过卫星链路 上传 在第三种传感器网络中 传感节点和数据收集节点都是移动的 传感器 节点由于应用需求 需要随数据采集对象 车 船 人等 一起移动 与此 同时 为了不干预数据采集对象的正常行为 数据收集节点必须和传感节点一 样处于移动的状态才能够收集到传感数据 第三种传感器网络也是本文要讨论的主要对象 容迟移动传感器网络 d t m s n d e l a yt o i e r a n tm o b i i es e n s o rn e t w o r i 容迟移动传感器网络从功 能和应用上来看 是无线传感器网络的一种 从网络构成来看 属于移动a d h o c 网络m a n e t m o b i l ea dh o cn e t w o r k 中移动性在网络行为中占主导地 位的一种 在这种网络中 没有通常的基站等设备 所有的网络节点都可以处 第l 章绪论 于移动状态 目前这种网络结构应用越米越广泛 如在军事 商业和激育环境 孛的应焉 茏其在战争 野外活动中有着其它备静园定霹络无法毙拟的优势 由于它具有自组性 临时性 无基础设施要求及易于架设等特点 被j 泛应用 丁 战场信息系统建设 紧急救援救灾指挥 会议交流 野生动物追踪 海底及 空阀探索等领域 容迟移动传感器网络有以下几个显著的特征 节点的移动挂 两络中的每个节点并菲静止不动 每 个节点都可敬独 立地做随机的运动 2 j 动态的网络拓扑结构 由于网络中的每一个节点都可以自由地 相对对 立地运动 使得容迟移动传感器网络没有网定的拓扑 更糟糕的是 网 络拓扑的改变是随机的 频繁的 而且是不可预测的 3 传输带宽受限且链路的容量是时交的 遥常情况下 无线链路的容量眈 相应的有线链路的容量低很多 如果再考虑多址接入 信道衰落 噪声 和干扰等不利因素的影响 实际可获得约链路容量毖理想兹无线传输速 率还甏低很多 4 传感器节点能量受限 一般来说 容迟移动传感器网络的节点都是一些 具有有限的逶讯能力的小型便携式无限设备 它们都簧靠随身携带的电 池或者其它消耗性的手段提供能源 为了能够延长节点的运行时间 一 个最重要的系统设计准嬲就是要尽量节约熊量 采用较小缒发射功率 同时使用针对其特点设计的节能协议栈 容迟这个概念是相对于使用t c p l p 协议簇的i n t e f n e t 网络来说的 实践 证明 使用t c p l p 协议簇的i n t e r n e l 是相当成功的 但t c p l p 协议族的平稳 运行是依赖如下物理链路特性假定的 1 在数据源和目的地之间存在端到端的 路径 2 在网络孛任俺节点对之闯的最大往返时闻f 跫啊不能太长 3 端掰端静 分组丢失率较小 不幸的是 容迟传感器网络通常违反了上述假定中的一个或 者多个 这使得当前的了c p l p 模型不能很好的为其提供服务 蔼传统的无线传 感器网络路由协议并不能满足拓扑结构剧烈变化的网络中的数据传输 因此 研究新型的针对容迟移动环境的路由协议显得十分必要 l e e e 8 0 2 委员会制定的w a 渊标准中 虽然物理层有8 2 11 a b 和g 三 个标准 最高速率分别为5 4 n 和2 2 m b p s 但m a c 子层采用的机制是相同 的 鼯分布式锛调功瑟d c f f d 转弼b u e dc o 一 n a 嚣 稳幻n c o 爨 和点协调功 2 第l 章绪论 熊p c f f p o i n tc o o r d i n a t o nf u n c o n 这种机制解决了业务接入和信遴共 享 坦没有充分考虑业务的q o s 需求 数据 声音 图像业务不加区分 视 间仁 同时缺乏对网络拓扑频繁变动 网络接入频繁切换的支持 目前 工 e e e 8 0 2 委员会设瘦的8 0 2 1le 工作组正在讨论制定具有q o s 特征戆鹾a c 子 层标准 草案中提出了增强的分布式协调功能e d c f f e n h a n c e dd i s t r b u t o d c o o r d i n a t o nf u n c t i o n 和混合协调功能h c f h y b r dc o o r d i n a t i o n f u n c 幸i o n j 僵标准通过时阕一推再推 在国内 浙江大学 重庆郎电学院等少 数几所院校开展了这方面的研究 取得了一些成绩 但是其研究的成果还没有 参与到8 0 2 1 工谗维中论 国际上美国拥姆大学 康奈尔大学取褥了很大静成 绩 l 匪e 8 0 2 1 1m a c 协议对于如何在无线网络m a c 层提供q o s 保障的问题 做出了有益的尝试菇推动了标准化工作和相关产业的迅速发展 在容迟移动传感器网络中 由予无线链路容量的时变性 甚至无线链路连 通与断开的时变性 以及资源的有限 从而使无线网络不能精确知道链路的状 态和阙络据羚结构 无线传输多径 瑞利衰落 毫波散莉 反射秘吸收 阏频 和邻道 背景噪声的干扰等都会使传输质量下降 误码率增加 甚至达到l o 量 级 此外无线通信中存在的隐终端和暴露终端闻题也会导致传输效率降低 同 时网络拓乎卜长期或者频繁处于不连通的状态 会导致丢包率的剧烈抖动以及传 输延时的几何量级增长 因此 除了采用扩频调制和差错控制机制之外 有必 要针对容迟移动传感器露络特性的媒体接入控制层鹾a cf m e 蠖aa c c e s s c o n t r o i 协议 1 2 研究背景 1 2 1 无线传感器网络 2 3 年2 胃 美国 技术评论 杂志评选出对人类未来生活产生深远影响 的十大新兴技术 无线传感器网络被列为之一 2 0 0 3 年8 月 美国 商业周刊 在技术评论中 无线传感器网终在2 l 世纪高技术领域的躅大支柱燮产业中短屠 次席 自上世纪9 0 年代末国外就有大量的企业和大学开始了无线传感器网络的 研发 企业研发方丽 i n t e i i b m m i c r o s o f h o n e y w e h 等大量高技术企业 研究机构都投入了力量 大学研发方瑟 u c b e r k e l e y m t u l u c c 饼n 刚 3 第l 章绪论 h a r v a r d 等多个小组率先进行了相关研究 目前比较发展得比较成熟的是u c b e r k e l e y 的m o t e 1 2 系列器件 操作系统t i n y o s 3 在近几年 传感器网 络的发展更为迅速 不论是在理论研究方面 4 5 还是在商业应用领域 6 从 环境监控到飞行器的自主控制 是这些具有巨大价值的应用背景促成了无线传 感器网络的快速发展 同时这些应用环境也导致了传感器网络概念通常伴随 大 规模 能量受限 存储空间 运算能力有限 等不利于网络设计者完成网络 功能的因素出现 在一些大规模的环境监控系统中 并不要求也很难保证无线 网络的每个部分都是连通的 宏观构成一个整体的分布式网络 同时这些应用 也不以实时数据采集为目标 甚至对数据采集的时限要求非常宽松 大部分数 据的后期统计分析只需要在一个很长时间范围内的部分数据即可完成 典型的 例子有 监控斑马群落的迁徙习性 监控面积达2 00 0 0 0 平方公里的整个澳大 利亚卡卡杜国家公园的斑条蟾蜍的繁殖情况 长期海岸线水位检测等 1 2 2 容迟网络 为了满足上述这些应用的需要 容迟传感器网络的概念首次由k a v i nf a i l 7 提出 在 7 l 中 作者基于 受限网络 的概念提出了容迟网络模型 容迟网络 模型是由于主机和路由器的移动而出现的 具体的例子有 陆地移动网络 t e 丌 e s t r a im o b i i en e t v v o r i s 在许多情况下 由于节点的 移动性或射频 r f 冲突 这些网络可能变得不可想象的割裂开 在一些情况下 网络可能难以形成一条端到端 e 2 e l 的路径 并且网络的割裂方式可以预测 例如 一辆经常往返的公共汽车可以被用作消息存储和转发的工具 因为它只有 有限的r f 通信能力 也就是有限的通信范围 当这类公共汽车从一个地方行进 到另一个地方时 它可以在附近的客户机 c i i e n t s 和它将去往地点的远程机 r e m o t ec i i e n t s 之间提供消息交换服务 外来媒体网络fe o t cm e d i an e t o r k s 外来通信媒体包括近地卫星通 信 长距离无线链路 例如秒级或分钟级传播延迟的太空通信 在空气或水中 采用声波调制的通信等 这些系统可能有可预言的高延迟 例如由于行星的动 态性j 也可能因环境因素引起的损耗 或者提供一种可预期的偶尔可用的存 储转发网络服务 例如每天一次或多次通过的低地轨道通信卫星 4 第1 章绪论 军事无线自组织网络f m i i i t a r ya d 2 h o cn e t v v o r k s 这类网络可能部署在 敌对环境中 节点的移动性 不可预测的环境因素或者故意的人为干扰都可能 引起网络割裂 除此之外 当有高优先级的业务时 低优先级业务需要和高优先 级业务去竞争带宽 这将使得消息转发经历更大的排队延迟 同时 出于可靠与 安全考虑 这类系统需要有严格保护措施的下层基础结构 传感器和传感器 执行器网络 s e n s o ra n ds e n s o r a c t u a t o rn e m o r k s 这类网络中的节点存在着严重的能量 存储空间和计算能力的不足 此外 这类 网络可能规模很大 包含数千乃至数百万量级的节点 为了保存能量 这类网络 中的通信常常是预订的 可能在一段时间内不存在及时的通信路径 传感器和传 感器 执行器网络通常通过具有协议转换能力的代理节点与其他网络互联 在k a v i nf a 的研究基础上 w a n g y u 等在 8 中重点研究了最后一个例 子 即容迟移动传感器网络中的信息收集问题 在该篇论文中 普适计算的概 念首次被引入到容迟体系机构中 并对容迟移动传感器网络的构成进行了定义 将网络节点分为两类 一类为便携传感器节点 一类为高端收集器 在分析了 两个简单的容迟网络数据传输机制后 提出了针对d t m s n 设计的高效传输机 制 w a n g 丫u 等人的工作重点集中在路由层 其他在d t m s n 框架内类似的研 究工作也大多集中在路由层 如d a t am u i e 9 z e b r a n e t 1 0 h a b 计a t m o n 计o r n g 1 1 等 这些容迟传感器网络的路由机制的实现对媒体访问控制层 提出了很高的要求 因为在移动的网络环境中 要提供有效的拓扑信息和可靠 的传输链路显得格外困难 同时这些特定的路由机制需要m a c 层提供更高的 服务才能满足自身的功能实现 比如实时的邻居更新 以及对移动环境下的无 缝连接等 这使得d t m s n 的m a c 层研究显得十分必要 1 2 3 移动无线系统 移动无线无线系统的研究从18 9 7 年在英吉利海峡航行的船上装上第一台 无线对讲机开始就没有停止过 19 4 6 年 美国的a t t 公司首次在美国的2 5 个主要城市提供了移动电话服务 1 2 1 3 最初的移动电话系统由一个半双工的 大功率发射机来提供服务 发射机安装在一个高塔上以达到5 0 公里以上的覆盖 范围 1 4 虽然这种做法满足了覆盖范围的要求 同时由于临近发射机的互相 干扰也给频率利用率造成了瓶颈 在这种情况下 无线信道不得不因为广大的 第1 章绪论 范围内的少数几个用户而固定在同一个频率上无法改变 随着时问的推移 这 些矧定频率的无线信道越来越无法满足嚣蕴增多的瘸户群的需求 移动电话系 统的结构必须蕈新进行设计阻使用有限的带宽同时满足容量和覆盖范围的双重 要求 1 9 5 0 刮1 9 6 0 年闻 a t t 和be l l 实验室以及 些其他通信公司联合提 出7 蜂窝无线通信系统理论帮蜂窝无线通信技术 在这个蜂窝系统中 原来的 高功率基站被很多小的低功率基站所替代 而这些小的基站只为有限的区域内 的用户提供服务 遥过入秀的布置 基站阕可以共享某些频带恧不互籀干扰 蜂窝系统的巨大成功使得大量新型无线网络系统被开发出来 移动l p 系统被用 来在便携设备从一个嬲络接入点移动到另一个网络接入点时提供不问断的网络 服务f 1 2 1 5 l 3 相关工作 熏t 3 熏传统无线传感器网络凇e 协议 传感器网络通常以多路复用倍道作为通信的基础 与采用点到点连接的网 络相比 存在 个关键的技术闻题 当信道的使用发生竞争时 如何分配信道的 使用权拿在传感器网络中 完成该功能的是数据链路控制层d l c f d a t a n k c o 秘 蛰的介囊访阔控制f m 众c 子层 霹潋说 无线局域鼹的性麓f 如吞睦量 时延等 完全取决于m a c 子层的接入协议 因而 制定适当的m a c 予层规则 根据网络业务特性有效地配置信道资源 提高无线资源的使用效率 提高系统 的容量和传输质量一鸯是研究的重要课题 现有的传感器网络m a c 技术的研究主要分为两大类 一类是基于c s m a 的接入技术 类是突破传统的分层概念 与物理层相结合麓跨层m a c 技术 传统意义上 设计m a c 层的主要任务是避免冲突 节能是传感器网络m a c 层设计的一个首要指标 在不同的网络结构 物理层性麓和数据采集方式中有 着不同的实现方法 针对传统的网络结构 考虑较为简单的物理层结构 采用 减少侦听时间 降低碰撞率以减少重发能耗等方法f 1 6 1 7 1 其次是对于网络大 小和拓抒结构泼及节点密度的变化有宣适应豹麓力 一个好翡m a c 协议应该 能轻松适应网络的变化 6 第l 鬻绪论 除了麓耗和彝适废能力考虑之外 无线传感器网络姒a c 协议有如下设计 重点 1 公平性 在传统的传感器网络m a c 层的设计中 公平性也怒很荤要的 公平性直接关系捌吞吐量 对延等重要的网络性熊指标 是敞a c 层研究中的 一个重点阅题 但同时也应考虑到 无线传感器网络中所有的节点常常都为某 一项任务服务 节点采集数据有突发性 此时应体现应用层的公平性 根据应 用层的优先级来调节m a c 接入是更合理的 节煮闻接入戆公平性赠退屠其次 来考虑了 2 反馈和组网时间 反馈和组网时间也是传统传感器网络m a c 协议值得 研究的闻题 恰当的反馈策略对于增进阙络可靠性 提高吞吐量会有帮勘 这 方面可以考虑利用无线传输的广播特性及借鉴传统网络的反馈策略等 组网时 间关系到网络规模以及更新时间等问题 对网络性能亦会有 定影响 1 8 2 0 1 3 2 容迟网络的数据传输 容迟网络d 俐f d e l a y 孙 e 阳n n 蛔 墩 是一种闻断连通的网络 容迟网 络中的协议需要能够容忍频繁的网络断开 并且在整个宏观网络中可能存在多 种不同类型的协议族 2 1 p t n 最初旨在为行星际网络 i n t e r p a n e t a l n e m e q 提供逶谖服务 该行星际网络研究项基主要集中解决深空长延迟环境 的无线通讯以及布置在极端环境下的不同类型的网络问的互通 2 1 7 7 对容 迟网络体系结构做了全面的阐述 并指出 容迟网络协议可以作为 个位于网 络协议传输层的 盖予 层 戳囊应焉层提供诸如瘸内数据存储 重传 溺阕 互联 授权转发等内容丰富的服务 在f 2 2 巾 b u e i g h 确立了容迟网络结构 的基本特征和基础原则 并提出了一种新型的 盖子 协议网络 b u n d i n g 容迟技术在近几年被弓l 入到无线传感器隧络之中 容迟的无线传感器网络 根据网络节点的移动性可以分为如下三类 1 传感器节点静止的网络 第一种具有容迟特点的传感器网络是静止的 由于传输距离和电源容量的 限制 传感器节点无法每时每刻都和其他节点保持连遥 甚至节点与整个网络 断开连接也是常有的事情 比如说 在嵌入式网络化传感中心f c e n t e rf o r e m b e d d dn e 中w o n e ds e n s n g 研制的无线姥震传感阵列 a d h o cs e l s m c 7 第l 章绪论 a r r a y 中 每个节点都有海量的存储空间 并且具有通过中问节点进行可靠的 报文交换的能力 2 3 1 在 2 4 中 一种可以通过因特网下载数据的无线传感器网 络被用于生活习性监测 容迟的传感器网路s e n d t 项目f s e n s o rn e t w o r k i n g w t hd e i a yt o i e r a n c e 2 5 旨在验证传感器网络应用于水质监控系统的可行 性 在水质监控系统中 出于节省能量的考虑 传感器节点的射频部分大部分 时间处于关闭状态 这些长期休眠的传感器节点构成了一个容迟网络系统 容 迟网络 传感器网络d t n s n 致力于传感器网络协议栈与因特网协议栈的融合 互联 2 6 2 7 提出了利用容迟网络架构降低异构的易于崩溃的网络的传输中断 以及提供可靠数据传输的新方法 2 j 具有可控制的移动节点的传感器网络 移动性的引入是第二类网络区别于第一类的本质因素 在第二类网络中 网络中的极少数节点被赋予了移动能力以提供网络的连通性 比如说 在 2 8 中 一类特殊的称作d a t am u i e 的移动节点被引入到网络中以在传感器布置非 常稀疏的区域内收集传感数据 每当这些d a t am u l e 移动到一个传感器节点附 近 一它接收传感器节点的数据 暂时把这些数据存储在自身的非易失存储设备 中 当d a 6m u l e 移动到网络接入点时 则将从不同传感器收集到的数据上传 给用户 并清空自身内存 这种利用特殊的移动节点来进行数据收集的机制只 需要传感器节点进行有限距离内的数据传输即可 充分节省了传感器节点自身 的能量 3 l 具有移动的传感器节点的传感器网络 上述两类容迟的传感器网络中 主要的网络设备 传感器节点都处于静 止状态 在第三类容迟传感器网络中 传感器节点本身即处于移动状态 z e b r a n e t 首次使用了移动的传感器节点实现野生动物追踪 获得了可供生物 学研究的野生动物迁徙数据 2 9 z e b r a n e t 项目旨在建立一个位置透明和能量 透明的无线通讯系统 一种基于历史信息的路由机制被用来完成数据交换 传 感器节点被安装在斑马的背上 随斑马群落一起移动 这些传感器节点在特定 的时间段内打开射频模块 搜寻周围的邻居节点 当一个节点发现了其邻居节 点 如果该邻居节点成功上传数据的可能性更大 该节点就将自身存储的传感 数据发送给该节点的邻居 这种简单的机制不能保证节点发现其地理位置上相 邻的节点的成功率 也不能保证任何程度的报文传输成功率 在 3 0 f 3 1 中提出 的被用来收集鲸鱼的生理信息的s w l m f s h a r e dw r e i e s si n f i 争s t a f o n 系统假 3 黧l 耄绪谂 设系统审所有豹节点的移动郝是随机的 麸褥每个传感器节点与数据接入点耱 遥熬概会都是耦淹麓 出于这种考虑 一个节点将鸯赛豹报文复露l 若干份 势 分发给陆续与他相遇的其他节点 以达到期望的传输成功率 在很多实际应用 中 节患菸不是隧枫移动的 歇丽s w 融并不能奄效造工作 最差情形下 某 些节点根本不可麓与数据接入点相遇 导致特定报文的传输失败 z e b 删n e t 和s w i m 模型在我研究容迟传感器嘲络时给了我很大的启发 也是我研究的嫩 发点秘基硝 与她同时 基子霹终编码的容迟网络传输枧黼也襁继被研究入员 提出 种基于攘除码f e 的s u 陀c o c l i n g 的概率网络传输机毒4 在 3 2 中被提出 仿真的结栗显示这种机制在隧络负荷一定的藏提下达裂 最差情况下的最优露 络延迟f b e s tw o r s t c a s ed e l a yp e r f r m a n e e l 然而 这些研究仍然集中在 鼹络的路虫层 并假设m a c 层缝够随时发现邻羼节点 两虽一虽嚣个繁点成 为邻屠 所有需要的报文传输都可以有保障的完成 容迟网络技术也被引入移动a d h o c 网络当中 v a h d a t 和b e c k e r f 3 3 提塞了一种嚣传染病捧式煞路蠡赛议f e p c l e m l e 铂o o 粪n g 用于解决鲻断连通鹣 网络中的数据交换问题 当一个报文到达一个中间节点 这个节点向其所有邻 居广播这令报文 每当两个节点移动到互相的运讯范围逡 这对节点即互裰发 送对方瓣存中没祷的摄文 童到两个节点用于王全糨鬻的最大掇文拷贝 在这 釉机制下 报文以很快的速度从源节点扩散出去 并在这个过程中被潜在的蜃 的节点攘收 在f 3 4 中 律卷提出了一种两跳传输协议 并假设每个节点都由 无限的存储空闻 邸每个报文在与髫的节点耩迢之前都可以经历一个中闻节点 换句话说 只有源节煮可以广播盘身的报文 f 3 5 提出了一静上下文透翳的路 由协议c a r c o n t e x t a w a r er o u t n g 以在部分连通的移动a d h o c 网络中 实现舞步的数据通信 在1 3 6 l 中 作者重点研究了如俺在高速的移动设备闻实 现无线遥镶戆簿题 赉这些离速设备构成豹瓣终可以露药连接多个在 睦理位置 上被隔离的网络的桥梁 3 7 提出了基于m e s s a g ef e 州 m f 的路由机制 m f 在处于长期断开筋a 小h c 隧络碎片之潞移动并搬移数据 从霭提供有限 豹传输豢宽 鹾 桃制的基本思想是使用可以确定的节煮行为来帮勃数据传输 在p r o p h 盯f 3 8 中 每个移动的节点维护一个发送成功攀向量 该向量保存了 节点与所有其谴节点相遇的历史信息 从而使得消息能够从一个与圈的节点相 遘概攀小的节点彝相遇概率大鑫搴节点发送 最终餮达露的节点 3 9 研究了人 类豹移动特征 该论文揭示了铡终孛豹确存在某些繁点其骞毙其他节点雯离豹 9 第l 章绪论 活跃度 即更有可能遇到多处其他的节点 从而网络可以使用 社会模型 c o m m u n i t ym o d e 的理论来描述 f 4 0 提出了移动中继协议m r p f m o b i i e r e f a yp r o t o c o f j m r p 将消息存储转发与传统的路由协议相融合 如果源节 点无法找到一条通往目的节点的路径则将报文广播至其所有的邻居 由这些邻 居来发送该报文 如果邻居找不到路径通往目的节点 则将报文存储在节点上 4 1 的作者通过实验方法研究了使用用户的移动性来建立一个概率网络的可行 性与性能 结果显示用户的移动性具有形成概率网络的潜力 4 2 提出了四种 丢包交换的策略用以决定哪些数据包需要在节点间建立起可用的链路时进行交 换 4 3 研究了具有社会性特点的移动用户移动模式并根据社会性的移动路径 提出了一系列的针对路由算法 1 4 论文主要工作内容 本文首先分析了d t m s n 的体系结构 详细对比了d 丁m s n 和传统w s n 从部署环境和协议设计两个方面总结了他们的区别和联系 然后分析和比较了 传统w s n 中的 m a c 等几种典型的m a c 协议 m a c 是一种异步的基于短 报文前导码的媒体访问控制算法 通过改进b m a c 的低功耗侦听策略中的前 导码发送方式来避免b m a c 中的盲侦听问题 x m a c 不需要节点间建立时间 同步 对节点可能的邻居变化具有较好的容忍性 但是 m a c 由发送方发起 传输 需要额外的邻居更新和维护协议的支持 在拓扑高度动态的d t m s n 中 x m a c 的邻居维护负荷将变得非常巨大 导致能量效率低下 本文分析了传统 w s n 中的m a c 协议应用在d t m s n 中将面临的一系列问题 针对d t m s n 的 特点设计了由发送方发起的基于最短探测短报文的m a c 协议l m a c 同时本 文从d t m s n 的时变但时间相关的特点着手 对d t m s n 中的路由协议进行了 研究 建立了d t m s n 网络中节点的接触 c o n t a c t 模型 并基于该模型提出 了d t m s n 的接触预测算法 通过预测结果来指导报文传输是本文提出的基于 预测的路由协议c p r p 的主要思想 本文的主要工作内容总结如下 针对移动对象的数据采集应用 分析了容迟移动传感器网络结构 总结了 该型网络与传统传感器网络的相同点和不同点 深入研究了容迟移动传感器网 络对媒体访问控制协议所带来新的挑战 在调研现有传感器网络m a c 协议的 基础上 着重分析了这些协议应用到容迟移动环境中所存在的问题 继而提出 l o 第l 章绪论 了一种出接收方发起传输的基于最短主动探测报文的异步媒体访闯控制协议 0 m a c 它通过定时广播兼具 心跳 功能和信道协商功能的最短探溯报文 m a e p 及时对移动环境中的脱离和切换产生响应 并通知路由层 使用很少 豹栽量帮可有效对节点的邻屠状态进行维护 由予脱离了对稳定拓扑和链路装 态的依赖 l m a c 应用在容迟移动传感器网络中时 在节点能耗 接入延时和 丢包摩上都有明显的优势 针对目前大多数载体的移动性都有一定的规律性的特点 对接触的进行了 建模 提出了节点接触模式的概念 并提出了接触序列间的距离计算公式 在 此基磷上提出了基于序列遥配的接触预测算法 提出 种高效的基于接触预测 的路由协议c p r p fc p r p 的与目的节点的接触延时 选择最短延时的节点作为 报文中继节点 从瑟保证了报文在传输过程中与曩的节点的预测接触时延越来 越小 有效控制了报文的实际传输时延 同时 c p r p 提供了一种低开销的路由 方案 郎在任意时刻 任意报文在网络中只存在一份 这种方案并未降低报文 的传输成功率 反而有效控制了e l l 予节点缓冲区满丽造成的丢包 仿真结果显 示 在节点缓冲区有限的情况下 c p r p 同时达到了较高的报文传输成功率和较 低的传输时延 同时网络生命鬻也眈基于报文冗余的路由协议明显增大 l 5 论文组织结构 文章的具体组织结构安排如下 第一章绪论部分 介绍了论文研究的背景 国蠹井研究现状 研究嚣的 和论文的组织结构 第二章首先概述容迟移动转感器薅络的体系结构 协议 性能评价及数 据传输面临的挑战 然后详细分析了四种传统的传感器网络m a c 协议和一种 衙单的路由协议的性能以及应用在容迟环境中所面临的各种困难 进而提出容 迟移动传感器网络觚a c 协议和路瞻协议的设计难点与设计鑫标 第三章在第2 章总结现有m a c 不足的基础上 提出了自己的容迟移动 黄感器网络m 焱c 协议 0 鹣a c 分析了0 m a c 的协议能耗耩传输延时 并 提出了卜m a c 协议的参数优化方法 最后在多种拓扑结构下对l m a c 进行了 实验评估 分析了实验结果 第l 章绥论 第四章首先概述了容迟移动传感器网络中路由协议的工作方式 总结了 其特点 并提出了有关实际容巡移动传感器网络动态变化是有 定规律的观察 结采 然后提出了容迟移动传感器网络中的节点接触模型 并基于该模型提出 了接触预测算法 接着提出了基予预测的路由协议c p r p 最后使用独立设计的 容迟传感器网络仿真软件对c p 噼进行了对比仿真 分析了仿真结果 第五章全面总结所做的工作 展望未来的研究工作 1 2 第2 章容迟移动传感器嘲络中的数据传输 第二章容迟移动传感器网络中的数据传输 本章集中阐述容迟移动传感器网络中高效的数据传输机制的研究 首先描 述了容迟移动传感器网络中数据传输的难点 接着研究了一种传统传感器网络 的m a c 机制和两种简单的容迟网络路由协议 基于对上述机制的分析结果 提出了针对容迟传感器网络设计的新型m a c 协议 2 1 影响容迟传感器网络数据传输性能的因素 传感嚣阿络 图2 1 容迟移动传感器网络结构图 容迟传感器网络具有两层网络结构 上层的网络由一个骨干网构成 该骨 干网可能是一个无线局域网或者具有无线接入点的有线网络 传感器数据经由 1 3 兹二 蛾乎 嚣 一 一一 套焉一一 禾庭 寸埔一 幔 一 一 一 哦 鼠 一 k一 一 晚 趣 h 岁 第2 章无线传感器网络分簇路由协议 骨干网到达最终用户 底层的网络由移动的传感器节点和数据汇聚节点构成 前者被安装在传感数据的采集对象上 收集目标的各项信息 构成一个结构松 散的移动传感器网络 如图2 1 所示 其中s s 为传感器节点 舷s 尼氍为 数据收集节点 彳只 彳只为骨干网接入点 在当前时刻 移动节点s 和s 在 网络中孤立 周围没有任何邻居节点 其它节点也并非构成一个全连通的网络 只有 和s 蜀和墨 以及 和觚叉可以互相通信 本论文所讨论的数据传 输问题集中在第二层网络 即重点解决传感数据向数据汇聚节点汇聚的问题 由于传感器节点的通信距离通常相当有限 它无法直接将数据发送给数据汇聚 节点 为了完成数据汇聚 不得不将一定数量的汇聚节点 既可能是移动的 由 载体携带 也可能是固定的 布置在活跃程度较高的载体身上 或者放置在传感 器节点经常出没的区域内 收集传感器节点的传感数据 如图2 1 中的h 醚 月 哦 月 呱 这些数据汇聚节点拥有足够的能量和计算能力 从而能够对传 感器数据进行进一步处理 如数据融合 加密 滤波等 同时这些节点也具有 传输距离更远的无线设备 从而将处理后的数据通过骨干网提供给用户 容迟 移动传感器网络具有自组织的特性 无需事