开题报告--无线传感器网络中报头压缩算法与研究与实现

1、湖南大学硕士研究生毕业（学位）论文开题报告姓名学号已修学分所属学院计算机与通信学院一级学科计算机科学与技术一级学科计算机应用技术指导教师开题时间研究方向无线传感器网络论文题目无线传感器网络中报头压缩算法的研究与实现、文献综述传感器网络是由一组传感器以Ad Hoc方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者3。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽、准确的信息，传送到需要这些信息的用户。这种网络

2、系统可 以广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐 抗灾等领域2 。2003年，MIT的技术评论将无线传感器网络技术列为未来改变世 界的十大科技之一 6。传感器网络由密集布置在监测区域内的传感器结点组成7，节点能够通过自组织方式构成网络。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点 个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能 到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量 来最大化网络生命周期是传感网络面临的首先要任务1。传感器网络的主要任务是收集监测到的原始数据，数量众多的传感

3、器节点在网络中产生了大量的数据，而传感器网络只有有限的能量和传输带宽，难以适应大量数据的传 送23。另外，对观察者而言，感兴趣的可能不是所有的原始数据，他们更关心的是监 测区域内的一些自然现象，如物体的运动轨道8，对象识别（如识别鸟类品种10），或 者数据统计11。为减少数据的传输量一般，需要在网络内部（in-network ）对原始监 测数据进行压缩处理。如何有效减少网络内部的数据量，从而延长网络生命周期并减少 数据的传输延迟，是传感器网络中研究人员面临的一个重要课题。文献12,14,16对各种针对原始数据的压缩算法进行了研究，文献9,15,17,18也为我们描述了去除时间相关性产生的冗余度

4、的编码方法。总之，数据压缩技术在传感器网络中起到非常重要的作 用19。与其它无线网络一样，传感器网络中传输的数据包含报头数据。文献20,21指出，传感器节点无效功耗主要有以下 4 个来源：（1）空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自 己发送数据，身频模块必须一直处于接收状态，消耗大量的能源。这是无效功耗的最主 要来源；（2）冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确 接收，重发造成能量浪费；（3）串扰（overhearing）:接收和处理发往其他节点的数据 属于无效功耗；（4）控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无 效的。可见报头数据的传输消耗了可贵的无

5、线带宽资源，有必要对报头数据进行压缩以 减少无效功耗。但目前在无线传感器网络中对报头压缩的研究还不多。文献28提出并分析了一种自适应的健壮 TCP/IP报头压缩算法，该算法通过使用 对无线信道状态的精确估计调节报头压缩器中W-LSB编码的可变滑动窗口大小，能够实现压缩率和抗差错健壮性之间较好的平衡,这种算法适用于无线IP网络中对TCP/IP报 头的压缩。RFC250810提出了 CRTP（compressed RTP报头压缩方案，在使用 UDP校验 和时,CRTP能够将40字节的RTP/UDP/IP报头压缩到4个字节；在不使用UDP校验和时, 能够压缩到 2 个字节。RFC309522提出了

6、ROHC（robust header compression）机制，它 被设计为能在具有较长来回响应时间且差错率较高的链路上健壮、有效地进行报头压 缩。IETF ROHCT作组在此基础上进一步提出了针对其他协议的压缩类,包括IP协议、TCP/IP协议和UDP Lite协议等24。文献13研究了无线多媒体传感器网络的数据传 输问题,提出了一种自适应报头压缩机制，基于对信道状态的准确估计，动态调整压缩算 法的参数,并使用UDP Lite协议作为传输层协议，提高了多媒体数据传输的效率和鲁棒 性。文献26对IPv6传感器网络中的报头压缩技术进行了研究，结合IPv6 overIEEE802.15.4 自

7、身的情况，提出了适合 6LoWPAN27的 IPv6 , UDPv6, ICMPv6 的报头 压缩思路。13二、选题背景及意义随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算 技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区 域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽、准确的信息，传 送到需要这些信息的用户传感器网络可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条 件下获取大量详实、

8、可靠的信息，真正实现“无处不在的计算”理念这种网络系统可以 广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗 灾等领域2.被誉为全球未来三大高科技产业之一 1. 2003 年，MIT的技术评论 将无线传感器网络技术列为未来改变世界的十大科技之一6 o无线传感器网络与传统无线网络有相似之处，传统的无线通信网络技术中已经成熟的解决方案可以借鉴到无线传感器网络中来。但由于无线传感器网络自身的新特点，与 传统无线网络相比，在实现各种网络协议和应用系统时有较大不同。无线传感器网络存 在以下一些现实约束：电源能量有限，通信能力有限以及计算和存储能力有限。如何高 效使用能量来最大

9、化网络生命周期是传感器网络面临的首先要挑战1 o传感器节点消耗能量的模块包括通信、计算和数据采集三个模块，而绝大部分能量消耗在无线通信模 块上。因此，如何让网络通信更有效率是传感器网络需要重点考虑的问题。根据文献5，针对目前的传感器节点硬件制造技术，节点在进行无线通信时发送一个比特数据所耗费的能量相当于节点上的 CPU进行3000次微指令运算，文献25的实验结果也显示通信 耗能远比运算耗大。综上所述，如何减少节点发送的数据量，或者增加传输数据中的有 效负荷，对传感器网络的节能显得尤为重要。目前采用的主要方法是对结点数据进行压 缩，研究传感器网络中的数据压缩算法对于传感器节点的节能是十分有现实意

10、义的。压缩算法主要是通过分析信源的一些特性，了解产生数据冗余的原因。然后根据产 生冗余的原因提出能够去除冗余的信源编码方法。目前无线传感器网络中的数据压缩研究主要针对的是原始数据，这类压缩算法通过去除传感器节点采集到的原始数据本身具有的冗余性，达到减少传输能耗的目的。比如，去除数据之间的时空相关性就是一种有效的压缩途径，文献9,15,17,18均为我们描述了去除时间相关性产生的冗余度的编码方法，文献23也提出了一种基于环模型的时空 数据压缩算法，这些研究可以很好去除原始数据的冗余；文献 12,14,16也针对原始数 据的压缩算法进行了研究。然而，在节点的通信过程中，实际传输的数据中除了原始数

11、据还包含了报头消息，报头数据在整个传输数据中所占比重相当可观，且这部分数据也 存在不同程序的冗余。去除报头消息中的冗余信息、减少报头长度也是无线传感器网络 中数据压缩的有效途径，但有关无线传感器网络中的报头压缩研究并不多。传感器网络中结点间的通信基于一系列协议栈，研究人员早期提出的一个协议栈由底自上包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层1。分层协议使节点在互相的通信时，实际传输的数据中包含大量的控制信息（即报头数据），这些不是用户感兴趣的数据，却占用了可贵的无线信道带宽。以我们目前在 micaz节点上开发应用程 序为例，应用程序使用 3层协议，即MACg、网络层和应用层，MA（层和网

12、络层分别使 用Tinyos提供802.11协议和LEPS路由协议，这两部分报头数据长度为17字节，而micaz 节点每次最多可发送39字节的数据，报头占整个数据报长度的44%这对信道带宽是极 大的浪费，而对于一些有效载荷相对较小的应用来说，这种浪费将更大。因此对报头数 据进行压缩，减小控制信息，增大每次传输的有效载荷，也是传感器网络节能的重要方 法。报头压缩方法的设计与通信协议相关，由于不同协议的报头数据具有不同的结构和 长度，针对不同的协议报头可采用不同压缩方法。在TinyOS中实现了 MAC层和网络层的多种协议，如 MAC层实现了 802.11，S-MAC及B-MAC三种协议，网络层实现了

13、 HopCountRoute, MintRoute，LQIRoute和LEPS四种协议。本文拟在其它无线网络中报 头压缩算法的基础上，结合这些协议的结构特征，提出一种在实际传感器网络中的新的 报头压缩算法。制约传感器网络压缩的一个瓶颈就是传感器节点本身的存储能力有限，各种压缩编码算法占用的存储空间并不相同。传感器网络节点并不能只是单纯的采集数据发送数 据，如果压缩算法所占用的存储空间过大，留给传感器节点处理其他业务的空间就会缩 小。根据文献4的压缩编码综述，我们设计算法时应该通过研究各种编码方法，在所 占用的存储空间来与压缩编码的性能做一个很好的折中选择。三、研究的主要内容1 无线传感器网络中

14、MAC层、网络层的通信协议的研究重点研究在TinyOS中已经实现的各层的通信协议，这些协议已经在实际 传感器网络中广泛应用，如MAC层的802.11协议、s-mac协议和b-mac协议， 以及网络层的LEPS协议；分析这些协议的报头特征。2 报头压缩算法的研究分析学习其它无线网络中报头压缩技术，然后结合传感器网络中协议报 头的特征设计适合于无线传感器网络的报头压缩方法。分析传感器网络中MAC层和网络层通信协议头各字段意义，确定各字段 的可压缩性，如判断它是否属于恒定字段、可测字段、增量字段或者是随机 字段。恒定字段在生存期内一般不变，如结点自身ID;可测字段可推测出来， 如帧大小，这部分可以不

15、传输；增量字段可以使用增量编码只传输不同的部 分；而随机字段则不能压缩。对于增量字段拟利用W-LSB编码方法。3 对实现原型系统所需的软硬件平台的研究本文最终会实现一个原型系统，系统由 micaz结点组成。micaz结点是 目前国际上应用与研究广泛使用的传感器结点，其中运行的是嵌入式操作系统Tiny OS,在结点上开发应用程序的时使用的开发工具为crossbow公司开发的 MoteWorks要实现原型系统，需要学习和研究这些软硬件平台，熟悉应用程序开发 的流程。尤其应研究TinyOS,因为本文所做的报头压缩工作将修改的 TinyOS 提供的系统函数，如TinyOS实现的MAC层和网络层协议的函

16、数，这要求对 Tin yOS的运行机制有较深入的了解。4.性能评估模型的研究对压缩方法的性能进行综合评估，通过一种合理的性能评估模型分析算 法的综合性能，比如算法的节能情况、丢包情况及有效负载的长度等。四、工作的重点与难点，拟采取的解决方案工作重点：针对Mac层的802.11协议、s-mac及b-mac和网络层的LEPS协议设计一种 有效的报头压缩方法，通过适当的编码方法（如W-LSB编码），减少这两层协议的 17个字节的报头长度；并能将此压缩方法在真实网络中实现。工作难点：1 节点存储有限，如何提出一种新的或改进的算法，不占用太多的额外存储。2 在压缩报头时，会给通信双方带来额外的计算负担（

17、压缩和解压），这可能导致原型系统性能的下降。3本文所做的报头压缩工作将修改的 TinyOS提供的系统接口，如TinyOS实现 的MACg和网络层协议的函数，这在具体编码时是个难点。解决措施：查找和阅读相关文献，比较无线传感器网络中现有报头压缩技术的优劣，同时学习其它无线网络中报头压缩算法技术。在设计压缩方法时，应以micaz节点的实 际特点相结合，使算法尽可能简单度高效。对Ti nyOS进行深入研究，熟悉内部机制。五、论文工作量及进度论文工作:1. 提出一种适合无线传感器网络的报头压缩方法，能有效提高传输过程中有效负载的长度2. 根据提出的报头压缩算法实现一个由 micaz结点组成的原型系统3

18、. 通过对比实验验证，有报头压缩的传感器网络能在节能、减小丢包率和有效负载长 度等方面优于无报头压缩的传感器网络进度安排2007.9-2007.122007.12-2008.3收集资料、阅读文献、建立模型；算法研究和仿真实验：比较现有报头压缩算法的性能；提出新 的或改进算法；仿真实验，评价算法的性能；2008.3-2008.7在tinyOS上编程实现具有改进后的压缩算法的传感器网络原 型系统；2008.7-2008.11撰写、整理论文。六、论文预期成果及创新点创新点:(1) 报头压缩的对象是无线传感器网络中实际应用的协议报头，而目前报头压缩的 研究很少涉及无线传感器网络领域。(2) 用mica

19、z结点实现原型系统，并用真实的传感器网络评估算法性能。目前在传感器网络中，对算法的性能评估几乎都采用模拟软件实现，如OMNET很少在真实网络中进行检测预期成果：1 发表1篇较高质量的论文；2.实现一个原型系统。七、完成论文拟阅读的主要文献1 孙利民，李建中，陈渝，朱红松无线传感器网络北京：清华大学出版社，2005.2 李建中.无线传感器网络专刊前言.软件学报，Vol.18, No.5, May 2007, pp.1077- 10793 李建中，李金宝，石胜飞传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展软件学 报,2003,14(10):1717-1727.4 Naoto Kimura,Sharah

20、m Latifi. A Survey on Data Compression in Wireless Sensor Networks. Proceedi ngs of the Intern ati onal Conference on In formatio n Tech no logy:Codi ng andComputing, Vol. 2April 4-6, 2005 Page(s):8 - 135 Mo Chen,Mark L.Fowler. Data Compression trade-offs insensor networks. In: Conferenceon In forma

21、ti on Sciences and Systems, Princeton Uni versity, March 2004, 17-96 IEEE Std 802.15.1 IEEE Stan dard for In formation tech no logy- Telecommu ni catio ns and in formatio n excha nge betwee n systems-Local and metro polita narea n etworks-Specificrequireme ntsPart15.1:Wireless Medium AccessCon trol(

22、MAC)and PhysicalLayer(PHY)Specif icatio ns for Wireless Perso nal A real Networks(WPANs)7 I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam,andE. Cayirci, A survey on sensornetworks,IEEE Communications Magazine, , August 2002, Volume: 40Issue: 8, pp. 102-1148 F.Zhao, J.Shin,and J.Reich.Information-Driven

23、Dynamic Sensor Collaboration forTrack ing Applicati ons. In IEEE Signal Process ing Magaz ine, March 2002.9 唐朝京，雷菁.信息论与编码基础.国防科技大学出版社，长沙，pp1-108,200210 Cas ner S, Jacobson V. Compressi ng IP/UDP/RTP headers for low-speed serial li nks.Request for Comme nts RFC2508, IETF, 1999.11 Suman Nath, PhillipG

24、ibbons, Zachary Anderson, and Srinivasan Seshan. In:Proceedingsof the 2nd intern atio nal conference on Embedded n etworked sen sor systems. Baltimore,MD, USA Nov 2004, 250-26212 Animesh Kumar, Prakash Ishwar, and Kannan Ramchandran. In:Proceedings of the thirdinternationalsymposium on Informationpr

25、ocessingin sensor networks.Berkeley,California, USA, 2004, 89-9813 周新运，孙利民，皇甫伟，牛建伟.无线多媒体传感器网络中一种自适应的报头压缩机制.软件学报，May 2007, Vol.18, No.5, pp.1122- 112914 Daniel Marco and David Neuhof. Reliability vs. Efficiency in Disstributed Source Codingfor Field-Gathering.In: Proceedings of the third internationa

26、lsymposium on Informationprocessing in sensor networks. Berkeley, California, USA . 2004. 161-16815 S.S.Pradham,J.Kusuma. Distributed compressi on in a dense compressi on in multi-hopsen sor n etworks. IEEE Signal Process ing Magaz in e, ,March 2002.pp.51-6016 Rebecca Willett, Ali ne Marti n, and Ro

27、bert Nowak. Backcasti ng: An Adaptive Approach to Energy Conservation in Sensor Networks. In: Proceedings of the third international symposium on In formatio n process ing in sen sor n etworks. Berkeley, California, USA, 2004.124-13317 DeepakGanesan,DeborahEstrin. DIMENSIONS:Why do we need a new Dat

28、a Handingarchitecture for Sen sor Networks? Proceedi ngs of the ACM Workshop on Hot Topics inNetworks, Princeton, NJ, USA, ACM. October, 2002. pp. 143-148.18 R.Cristescu, B.Beferull-Loza no. On n etwork correlated data gatheri ng. In: Proc.IEEEIn forcom,Ho ngko ng. Volume 4,7-11 March 2004 Page(s):2

29、571 - 258219 Yan Yu. Scalable,Synthetic,Sensor Network Data Generation:Dissertation.LosAngeles:Univ. of California, 2005, 2-320 W.Ye, J. Heidema nn, D.Estri n. An en ergy-efficie nt MAC protocol for wireless sen sorn etworks. The 21st IntA nnual Joint Conf, on the IEEE Computer and Commun icatio nsS

30、ocieties (INFOCOM 2002). New York, USA, 200221 W. Ye, J. Heidema nn, D. Estri n. Medium access con trol with coord in ated adaptive sleepi ng for wireless sen sor networks. IEEE Trans. On Networki ng, 2004, 12(3) :49350622 Borma nn C, Burmeister C, Degermark M, Fukushima H, Hannu H, Jonsson LE, Hake nberg R,Kore n T, Le K, Liu 乙 Marte nsson A, Mi