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无线传感器网络的研究

时间:2007-10-26   来源:   作者:孙利民 方贵明 刘燕   点击:……  字体大小:【

1.引言
    随着微电子技术、通信技术和传感器技术的发展,使得能够在微小传感器内集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。传感器网络就是由大量的微型低功耗的传感器节点组成的网络系统,每个传感器节点具有数据采集、简单的数据处理、短距离无线通信和自动组网的能力。
    与无线自组网、蜂窝等无线网络相比,无线传感器网络有如下主要要求:第一,能量高效:传感器节点通常由能量十分有限的微小电池通电,由于传感器节点个数多、价格低廉、分布广且环境较复杂,传感器节点更换电池或充电非常困难,或者没有必要,因此传感器网络存在着严重的节点能量约束问题:第二,自组织:大量传感器节点随机放置,甚至通过飞机撤播,如战场、地震或火灾现场等,传感器节点要能够自动形成网络系统,在有些应用中还要支持传感器节点的移动;第三,可扩展性:传感器网络的节点数目可能上千甚至上万:节点能量耗尽或环境因素容易造成节点失效,节点失效或环境干扰使得传感器网络拓扑结构动态变化,因此,传感器网络应该具有可扩展性。

2.传感器网络的结构和特点
2.1传感器网络的结构
    传感器网络包括汇聚点(sink)和传感器(sensor)节点。传感器节点数目往往巨大,分布在监测区域(sensor field)内,每个节点除了进行环境信息的收集,还具有数据处理和转发路由的功能,是传感器网络研究的重点。汇聚点的个数通常很少,具有发布监测命令和收集数据的功能,还可以实现与Internet的通信。
 
图1 传感器网络的体系结构

2.2 传感器节点
    传感器节点由传感器、处理、无线通信和能量供应四个模块部分(图2)。传感器模块负责环境信息的采集和数据转换;处理模块控制整个传感器节点的操作,处理本身采集的数据和其它节点发来的数据,运行网络协议使传感器节点互联为网络以便协作工作;通信模块负责与其它传感器节点进行通信,交换控制消息和数据消息:能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量,通常是微型蓄电池。
 
图2 传感器节点的体系结构
2.3 传感器网络的特点
    传感器网络是以数据为中心的网络:相当于分布式的网络数据库,要查询的数据分布在所有或部分节点中。传感器网络中每个传感器节点具有端节点和路由器两者的作用。由于传感器网络关注的是具有某种特性的数据,传感器节点数目巨大和节点放置的随机性,传感器节点没有必要采用IP地址,可以使用局部能够区分的标号标识 。
    传感器网络是应用相关的网络:传感器网络是针对某个或某些应用而专门设计的。相邻节点因监测的可能是同一个事件而存在信息的冗余性,在数据传输路径上的中间传感器节点需要针对应用情况,对收到其它节点转发来的数据以及本身采集的数据进行数据融合,以便有效地节省网络资源。

3.传感器网络的关键技术
3.1路由机制
    路由机制选择采集信息和控制消息的传输路径,就是决定哪些节点形成转发路径,路径上的所有节点都要消耗一定的能量来转发数据。如何动态地形成基于能量高效的优化路由一直是传感器网络的核心问题之一。提出的路由机制有早期的能量路由、基于协商的SPIN路由、定向扩散DD路由,以及层次式的LEACH路由、TEEN路由、多路径路由和能量感知路由等。下面介绍几个代表性的路由机制。

3.1.1 SPIN路由(Sensor Protocol for Information via Negoitation)
    SPIN 路由假设所有传感器节点都可能是希望获得数据的汇聚节点,每个传感器节点知道自己是否需要数据或在数据源到汇聚节点的路径上。它是对传统洪泛(flooding)路由的改进,传感器节点在发送数据前先进行协商,仅把数据发送到需要的相邻节点。
    SPIN 协议使用ADV,REQ和DATA 种类型消息,采用三次握手方式。当节点有新数据时,广播ADV消息通告给它的所有邻居,其中包括DATA的描述信息:当邻居节点收到这个广播消息时,如果对这个数据感兴趣,先检查其是否已经有该数据,没有就发送REQ消息请求新数据:源节点在收到REQ消息后,发送数据给请求节点。这些邻居节点重复以上过程,从而可以使使网络中所有对这条数据感兴趣的传感器节点都能获得该数据。该协议的优点在于简单性,节点仅需要知道邻居节点,无需其它拓扑信息。

3.1.2定向扩散DD (Directed Diffusion)
    定向扩散是基十查询的按需路由,汇聚点发出查询消息,形成反向的从数据源到汇聚点的数据扩散梯度,数据沿着梯度传送到汇聚点。定向扩散包括周期性的以下基本操作过程(参见图3):
 
图3  定向扩散的基本操作

  • 路径建立 :汇聚点向网络中所有节点通过网络广播任务,任务用含有任务类型、数据发送速率、时间戳等参数的兴趣来描述。这些兴趣是探测性质的,要求节点发送数据速率比较低。每个节点缓存接收的兴趣,通过记录相应的发来兴趣的邻居节点等信息建立梯度。随着兴趣在整个网络的传播,就建立了从数据源节点到汇聚点的梯度。
  • 数据发送 :当节点采集到匹配查询的数据时,通过梯度路径发向汇聚点。由于可能从多个邻居节点收到兴趣,(中间)节点向多个邻居节点发送数据,汇聚点(或中间节点)可能收到经过多个邻居节点的相同数据,中间节点需要实现数据的融合。
  • 增强路径 :汇聚点在收到这些低速率数据后,向数据到达最快的邻居节点发送增强消息,增强消息表示汇聚点要求高速率发送数据。相应邻居节点按照同样的方式,依次传递增强信息给其邻居节点,直到到达数据源,这样将构建数据发送的主路径。

3.1.3 LEACH路由(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
    LEACH 是基于分簇的路由,它包括周期性的循环过程,每轮循环分为簇建立阶段和时间较长的稳定的数据通信阶段。在簇建立阶段,相邻节点动态地自动形成簇,随机地产生簇首。在数据通信阶段,簇内节点把数据发给簇首,簇首进行数据融合并把结果发送给汇聚点。由于簇首需要完成数据融合、与基站通信等工作,簇首的能量消耗非常高,各节点需要等概率地担任簇首,这样才能使网络中所有节点比较均衡地消耗能量,有利于延长整个网络的生存期。LEACH协议的特点是分簇和数据融合,分层利于网络的扩展性,数据融合能够减少通信量。

3.1.4 TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)
    TEEN 路由把监测突发事件的传感器网络称为反应网络,人们只对传感属性值高于给定阈值的数据感兴趣。TEEN协议是对LEACH协议的改进如下:在簇首选举以后,簇首会把绝对阈值和相对阈值两个参数广播给其它成员。传感器节点持续的采集数据,当采集的数据第一次大于绝对阈值,节点把数据记录下来,同时发送给簇首:在这个簇首周期的以后时间内,这个节点只有满足采集的数据大于绝对阈值,而且与前一次记录结果之差大于相对阈值时,才对数据进行记录并发送给簇首。TEEN协议有两个好处:第一,对于突发事件能够及时响应;第二,对于持续的突发事件,相邻两次数据之差在不大于阈值时,无需不断地发送数据,有效地减少通信流量。

3.2数据融合
    数据融合的作用是减少通信量,减轻网络拥塞,提高信息的精确度。

3.2.1数据融合的分类
    根据数据融合与传感器网络协议各层间的关系,可以分为三类。

  • 依赖于应用的数据融合(Appilcation Dependent Data Aggergation,ADDA);
  • 独立于应用的数据融合(Application Independent Data Aggregation,AIDA) ;
  • 结合以上来两种技术的数据融合。

    ADDA 的操作需要跨协议层理解数据含义,并且经常会导致数据中丢失的信息过多;AIDA则保持了各网络协议层的独立性,处于网络层与数据链路层之间,可以和其它协议层内的融合技术共存,并且本身不会导致信息丢失,也不会引入端到端传输延迟。

3.2.2数据融合的方法
    数据融合通常是应用相关的,影响缩减数据总量的因素包括探测数据的特性与表达形式、网络连接拓扑以及应用。在传感器网络的协议栈中,低层协议(包括数据链路层与物理层)是面向传输的,是保障网络中各节点之间通信的基础。而在上面的三个协议层中,并不是所有的传感器网络都需要传输层,因而研究者把目光投向了应用层与网络层:在应用层开发了面向应用的数据融合接口:在网络层开发了与路由相结合的数据融合技术;在现有的协议层之外,又有独立于应用的数据融合技术被提出,形成了在网络层与数据链路层之间的数据融合层。

3.3 介质访问控制协议
    介质访问控制协议要满足:第一,节省能源;第二,对于节点数目、节点分布的密集和网络拓扑结构具有可扩展性;第三,公平和高效地利用链路带宽等。目前普遍认为这三个方面的重要性依次递减。目前提出了SMACS/EAR, DEANA, S-MAC和结合CSMA/CA和CDMA的协议等MAC协议,这些提出的MAC协议主要是对已有无线通信MAC协议的改进。

3.3.1 SMACS/EAR
    SMACS/EAR协议是结合TDMA和PDMA的分布式MAC协议,用来建立一个对等的网络结构。节点在启动时广播一个“邀请”消息,通知附近节点与本节点建立连接。接收到“邀请”消息的节点与发出“邀请”消息的节点交换信息,在二者之间分配一对时隙供二者以后通信。每对节点之间通信使用不同的频段,以避免相互间的干扰。EAR协议用于少量运动节点与静止节点之间进行通信。SMACS/EAR不需要所有节点的帧同步,可以避免复杂的耗能的同步操作。

3.3.2 DEANA (Distributed Energy-Aware Node Activation)协议
    帧分为调度访问部分和随机访问部分,调度访问部分由多个时隙组成,某个时隙协商为特定节点发送数据的时间,其他节点在该时隙内处于接收状态或者睡眠状态。为了进一步节省能量,每个时隙又细分为前部的控制部分和后部的数据部分,如果节点在其发送时隙内有数据需要发送,则在时隙的控制部分发出控制消息,指出接收数据的节点,然后在时隙的数据部分发送出数据。在控制部分,所有节点都处于接收状态,如果节点不是数据接收者,则可以在随后的数据发送部分进入睡眠状态。DEANA协议能够部分解决接收不必要数据的过度监听问题。但是需要所有节点的帧同步,不能很好支持节点移动,可扩展性差。

3.3.3 S-MAC (Sensor-MAC)协议
    S-MAC(Sensor-MAC)协议针对节点耗能的主要环节,采用三方面措施:第一,周期性监听和睡眠,每个节点独立的周期性地转入睡眠状态,苏醒后侦听判断是否需要通信;邻居节点之间尽量周期性同步:每个节点广播自己的调度信息,通过接收邻居节点的调度信息来维持邻居节点的调度表,用于非同步节点之间的通信。第二,避免碰撞和接收不必要的消息,采用802.11的虚彻物理载波监听机制,以及RTS/CTS通告机制,但是,与802.11协议不同的是节点在不收发数据时进入睡眠状态。第三,消息传递,考虑到传感器网络的数据融合和无线信道的容易出错的特点,将一个长消息分割成几个短消息,利用RTS/CTS机制一次预约发送整个长消息的时间。

3.4节能策略
    在应用低能耗组件的同时,在操作系统中使用能量感知方式管理系统资源能够进一步减少能耗,其中动态能量管理(DPM,Dynamic Power Management)和动态电压调节(DVS,D ynamicV oltageS cailng)是两种主要的策略。DPM的原理是当传感器节点周围没有感兴趣的事件发生时,部分模块处于空闲状态,把这些组件进入休眠状态。传感器节点大部分时间处理负载都很低,DVS的原理是当处理负载较低时,通过降低微处理器的工作电压和频率,节约微处理器的能耗。很多处理器如StrongARM和Crusoe都支持电压频率调节。
    在传感器节点上,无线通信模块消耗能量的比例是最大的,其节能的主要策略有:减少通信流量,包括本地计算、数据融合和减少碰撞等:增加通信模块的休眠时间:使用多跳的短距离的无线通信方式;选择适当的调制机制。

4.结束语
    传感器网络是一种新的信息获取和处理技术,在军事、环境和生态监测、地震和火灾等突发灾难现场的监控,以及医疗系统、城市交通和安全监控等方面具有非常广泛的应用前景。本文归纳和总结了己有的研究,重点讨论了当前传感器网络的路由、MAC.数据融合等和网络密切相关的研究热点技术,期望能借此推动国内对该新兴无线网络技术的关注和研究。


Tags:无线   传感器   网络    
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