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技術(shù)頻道

移動性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究

摘 要:隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的深入,其應(yīng)用愈加廣泛,固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已無法滿足新增的需要,移動節(jié)點的引入擴(kuò)展了無線傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,也帶來了技術(shù)上的挑戰(zhàn)。本文介紹了一些移動性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型協(xié)議,主要關(guān)注MAC層的節(jié)能算法,以便于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的進(jìn)一步研究和改進(jìn)。
關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);移動;MAC;節(jié)能
中圖分類號:TN919.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

一、引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為微機(jī)電、通信和傳感器三種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,已成為計算機(jī)與通信領(lǐng)域的一個研究熱點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景廣闊,能夠廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護(hù)理、智能家居等領(lǐng)域,隨著對無線傳感器研究的深入和成熟,傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸深入到人類生活的各個領(lǐng)域。目前,國內(nèi)外對無線傳感器的研究主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限的特點,提出了很多節(jié)能的MAC協(xié)議和路由協(xié)議等。然而多數(shù)的研究局限于所有傳感器節(jié)點都是靜止的情況,不滿足某些需要移動節(jié)點的應(yīng)用,比如監(jiān)測野生動物的生活,追蹤病人的心跳情況等等,節(jié)點總是處于不斷的運動中,同時引進(jìn)移動節(jié)點還可以拓寬網(wǎng)絡(luò)空間的采樣能力,例如在應(yīng)用移動節(jié)點收集其他靜止節(jié)點的數(shù)據(jù),作為一種信息收集槽。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,可能造成網(wǎng)絡(luò)能量浪費的主要原因有:傳輸信息發(fā)生沖突、節(jié)點接收并處理不必要的數(shù)據(jù)(串音現(xiàn)象)、過度空閑偵聽、控制消息過多等。MAC子層的主要任務(wù)就是可靠地控制信道的接入,盡量降低或減少以上的能量浪費。因此,MAC層協(xié)議的設(shè)計對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效利用有重要的意義。

本文介紹了兩種移動性無線傳感器網(wǎng)絡(luò),一種是普通節(jié)點移動型,一種是代理節(jié)點(或中繼節(jié)點)移動型,同時闡述了兩者的研究現(xiàn)狀,以便對移動性無線傳感器進(jìn)行進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。



二、移動性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型
根據(jù)移動的節(jié)點的功能不同,把移動性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為兩類:一種是普通節(jié)點移動型,一種是代理節(jié)點(或中繼節(jié)點)移動型。下面分別對這兩種節(jié)點進(jìn)行介紹和分析。

1、普通節(jié)點移動型
這種網(wǎng)絡(luò)模型具有分布式結(jié)構(gòu),各個節(jié)點的功能一樣,沒有主協(xié)調(diào)點和次要節(jié)點之分,類似于Flat Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,如圖1(a)。節(jié)點由于某種原因隨時可能離開當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò),或進(jìn)入新的網(wǎng)絡(luò),就會帶來一系列的接入問題:如何判斷節(jié)點離開/進(jìn)入一個網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)如何適應(yīng)節(jié)點的變化;節(jié)點間如何交互等等。對其它的移動網(wǎng)絡(luò),例如移動電話或移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),已經(jīng)有很多很好地解決其移動性的方案,但這些方案并不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是能量受限型網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計必須考慮能量損耗的問題。

目前有兩種針對這種網(wǎng)絡(luò)模型的能量高效的MAC接入?yún)f(xié)議:MS-MAC [1]和 MOBMAC [2],這兩個協(xié)議都是建立在SMAC[3]協(xié)議的基礎(chǔ)之上,考慮了節(jié)點移動性帶來的接入和能耗問題。

MS-MAC提出了一種快速建立連接的機(jī)制,即根據(jù)接收到的信號變化來判斷移動性,在需要時啟動移動處理機(jī)制。在沒有節(jié)點移動或者移動節(jié)點只在一個虛擬簇中移動的情況下,按SMAC機(jī)制工作;當(dāng)移動節(jié)點要穿越虛擬簇邊界時,移動節(jié)點和其周圍的節(jié)點(一般兩跳內(nèi)的節(jié)點)形成一個“動態(tài)域”,如圖2,動態(tài)域中的節(jié)點一直保持工作模式,直到移動節(jié)點與新簇的節(jié)點建立。這種方式可以避免了移動節(jié)點來不及與新網(wǎng)絡(luò)建立連接而造成通信的中斷。

MOBMAC為移動傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了能量高效和低延遲的MAC層接入機(jī)制,考慮到節(jié)點移動帶來的多普勒效應(yīng),采用自適應(yīng)調(diào)整幀長度的方法,降低由多普勒效應(yīng)引起的丟包率。當(dāng)信道特性好的時候,增加每次傳送的幀長度,以加快信息的傳輸;當(dāng)信道特性差的時候,減小幀的長度。減小幀長度有兩個優(yōu)點:短幀與長幀相比,需要的傳輸能量要低;短幀發(fā)生突發(fā)性錯誤的幾率相對要小。MOBMAC采用可擴(kuò)展的卡爾馬濾波器預(yù)測算法根據(jù)現(xiàn)在及之前的信道特性,之前的幀長度和協(xié)議開銷來預(yù)測下一次要傳輸?shù)膸L度,從而減少能耗,降低延遲。通過實驗比較發(fā)現(xiàn),MOBMAC與SMAC相比,能夠減少60%的能量損耗,降低25%的延遲。

2、代理節(jié)點移動型
Lang Tong提出一種SENMA(Sensor Network with Mobile Agents)[4]網(wǎng)絡(luò)模型,如圖1(b),SENMA有兩種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點:傳感器節(jié)點和移動代理節(jié)點。低功耗和低成本的傳感器節(jié)點的處理能力和通信能力有限,而移動代理節(jié)點是功能強(qiáng)大的硬件單元,而且能夠在整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動。在SENMA網(wǎng)絡(luò)中,移動節(jié)點不需要時刻與傳感器節(jié)點通信,只有當(dāng)需要收集數(shù)據(jù)或進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)時才工作。這種網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點就是把復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、接入處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸、路由維護(hù)等工作由代理節(jié)點來完成,減輕傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)擔(dān),傳感器節(jié)點是能量受限的,移動節(jié)點能量可以補充。


圖2可以看出代理節(jié)點移動型網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能方面的優(yōu)勢:

(1)SENMA中,傳感器節(jié)點與移動代理通信,信號在自由空間中傳播,根據(jù)信號衰落與傳輸距離的關(guān)系可知,自由空間中信號的衰落與距離的二次方成正比。而右圖的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的信息沿地表傳播,信號衰落與距離的四次方成正比,從而信號傳播相同的距離所需的發(fā)射功率大。

(2)SENMA中不需要傳感器節(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),消耗在接收信息上的能量很少。

(3)信息處理和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)由代理節(jié)點進(jìn)行,且SENMA是單跳網(wǎng)絡(luò),不需要維護(hù)路由信息和鄰節(jié)點信息,因而花費在控制上的能量開銷要少。

SENMA在物理層利用直接序列擴(kuò)頻技術(shù),MAC層采用機(jī)會型ALOHA隨機(jī)接入機(jī)制[5]。機(jī)會型ALOHA中每個需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點根據(jù)自己的發(fā)送概率判斷是否能發(fā)送,這個概率與移動代理接收到的信號能量成正比。如果某節(jié)點在當(dāng)前時隙不發(fā)送數(shù)據(jù),則進(jìn)入睡眠狀態(tài),等待下一時隙到來。

SENMA的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有先天的節(jié)能優(yōu)勢,但其機(jī)會型ALOHA接入機(jī)制能否進(jìn)一步降低能耗還有待實驗的檢驗。

美國Nice大學(xué)提出了“基于可預(yù)測移動中繼節(jié)點的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方法”[6]。利用可移動的中繼節(jié)點來收集靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),有效地節(jié)約各傳感器的能源,通過預(yù)測中繼節(jié)點的運動,縮短傳感器監(jiān)聽通訊信道的時間,從而減少能源消耗,達(dá)到延長傳感器網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。但是在傳感器節(jié)點部署過密的情況下,對如何解決信道爭用的問題沒有提出很好的解決方案。

UCLA大學(xué)提出的EAR(竊聽登記, Eavesdrop-And- Register)算法[7]可用于為靜止節(jié)點和移動節(jié)點提供不間斷的服務(wù),但這種算法只適用于體上保持靜止,且個別移動節(jié)點周圍有多個靜止節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。但這個接入算法可以做適當(dāng)?shù)男薷模苑洗砉?jié)點移動型網(wǎng)絡(luò)。比如,把移動的節(jié)點當(dāng)作是能量不受限的代理節(jié)點。EAR算法能夠解決移動節(jié)點的接入時信息交互的問題,但在能量的有效性上還有待改進(jìn)的地方,例如,可以讓能量不受限的移動節(jié)點控制整個的接入過程,從而減少靜止節(jié)點周期性廣播消息的能耗等。

三、結(jié)束語
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點及其各種應(yīng)用的需求,使得傳統(tǒng)的無線協(xié)議很難適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,同時,移動節(jié)點的引入,又對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體接入?yún)f(xié)議提出了新的挑戰(zhàn)。本文闡述了近年來國外對移動性傳感器網(wǎng)絡(luò)所提出的一些設(shè)想和協(xié)議,為其進(jìn)一步的研究與改善奠定了基礎(chǔ)。目前,國內(nèi)對移動性傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究比較滯后,存在很多亟待解決的問題,需要更進(jìn)一步深入研究。



參考文獻(xiàn)
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[2]Raviraj, P., Sharif, H., Hempel, M., Song Ci; MOBMAC - an energy efficient and low latency MAC for mobile wireless sensor networks; Systems Communications, 2005. Proceedings 14-17 Aug. 2005 Page(s):370 - 375
[3]Wei Ye, Heidemann, J., Estrin, D.; An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks; INFOCOM 2002. Twenty-First Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings. IEEE Volume 3, 23-27 June 2002 Page(s):1567 - 1576 vol.3
[4]Lang Tong, Qing Zhao, Adireddy S.; Sensor networks with mobile agents Military Communications Conference, 2003. MILCOM 2003. IEEE Volume 1, 13-16 Oct. 2003 Page(s):688 - 693 Vol.1
[5]Qin, X., Berry, R.; Exploiting multiuser diversity for medium access control in wireless networks; INFOCOM 2003. Twenty-Second Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. IEEE Volume 2, 30 March-3 April 2003 Page(s):1084 - 1094 vol.2
[6]Arnab Chakrabarti,Ashutosh Sabharwal,Behnaam Aazhang.Using Predictable Observer Mobility for Power—Efficient Design of Sensor Network
[7]K.Sohrabi, J.Gao,V.Ailawadhi; Protocols for self-organization of a wireless sensor network; IEEE Personal Communications, October 2000,16-27



Research On The Wireless Sensor Network With Mobility

Abstract: The application of the WSN technology is being more extensive as the research on the WSN getting deep, and the stationary network architecture can’t server the newly demand any more. Then, the mobile node is introduced in order to expand the application of WSN, but bring the technology challenges as well. In the paper, some typical protocols of mobile WSN is introduced, and the protocols mainly focus on the energy efficient in the MAC layer, which make much sense in the future research.

Keywords: WSN;mobility;MAC;energy efficient



作者簡介:

鄭杰比,北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院研究生,主要研究方向為無線通信。
聯(lián)系地址:北京郵電大學(xué)171信箱 郵編:100876
E-mail: jiebizheng@gmail.com 電話:13810811441
唐碧華,北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為移動通信
劉元安,北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為移動通信與電磁兼容
高錦春,北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為無線通信

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