移動性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究

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(jì)算機(jī)與通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。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(bào)、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(gè)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(diǎn)，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(diǎn)都是靜止的情況，不滿足某些需要移動節(jié)點(diǎn)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(diǎn)總是處于不斷的運(yùn)動中，同時(shí)引進(jìn)移動節(jié)點(diǎn)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(diǎn)收集其他靜止節(jié)點(diǎn)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(fèi)的主要原因有：傳輸信息發(fā)生沖突、節(jié)點(diǎn)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(fèi)。因此，MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)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(diǎn)移動型，一種是代理節(jié)點(diǎn)（或中繼節(jié)點(diǎn)）移動型，同時(shí)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(diǎn)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(diǎn)移動型，一種是代理節(jié)點(diǎn)（或中繼節(jié)點(diǎn)）移動型。下面分別對這兩種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行介紹和分析。

1、普通節(jié)點(diǎn)移動型 
     這種網(wǎng)絡(luò)模型具有分布式結(jié)構(gòu)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能一樣，沒有主協(xié)調(diào)點(diǎn)和次要節(jié)點(diǎn)之分，類似于Flat Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如圖1（a）。節(jié)點(diǎn)由于某種原因隨時(shí)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(diǎn)離開/進(jìn)入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)如何適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的變化；節(jié)點(diǎn)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(jì)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(gè)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(diǎn)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(shí)啟動移動處理機(jī)制。在沒有節(jié)點(diǎn)移動或者移動節(jié)點(diǎn)只在一個(gè)虛擬簇中移動的情況下，按SMAC機(jī)制工作；當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)要穿越虛擬簇邊界時(shí)，移動節(jié)點(diǎn)和其周圍的節(jié)點(diǎn)（一般兩跳內(nèi)的節(jié)點(diǎn)）形成一個(gè)“動態(tài)域”，如圖2，動態(tài)域中的節(jié)點(diǎn)一直保持工作模式，直到移動節(jié)點(diǎn)與新簇的節(jié)點(diǎn)建立。這種方式可以避免了移動節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(shí)候，減小幀的長度。減小幀長度有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)：傳感器節(jié)點(diǎn)和移動代理節(jié)點(diǎn)。低功耗和低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)的處理能力和通信能力有限，而移動代理節(jié)點(diǎn)是功能強(qiáng)大的硬件單元，而且能夠在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動。在SENMA網(wǎng)絡(luò)中，移動節(jié)點(diǎn)不需要時(shí)刻與傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)才工作。這種網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是能量受限的，移動節(jié)點(diǎn)能量可以補(bǔ)充。 

圖2可以看出代理節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)信息，因而花費(fèi)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(gè)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的發(fā)送概率判斷是否能發(fā)送，這個(gè)概率與移動代理接收到的信號能量成正比。如果某節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙不發(fā)送數(shù)據(jù)，則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待下一時(shí)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(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。 

    美國Nice大學(xué)提出了“基于可預(yù)測移動中繼節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法”[6]。利用可移動的中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的運(yùn)動，縮短傳感器監(jiān)聽通訊信道的時(shí)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(diǎn)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(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)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(gè)別移動節(jié)點(diǎn)周圍有多個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。但這個(gè)接入算法可以做適當(dāng)?shù)男薷模苑洗砉?jié)點(diǎn)移動型網(wǎng)絡(luò)。比如，把移動的節(jié)點(diǎn)當(dāng)作是能量不受限的代理節(jié)點(diǎn)。EAR算法能夠解決移動節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)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(diǎn)控制整個(gè)的接入過程，從而減少靜止節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，移動節(jié)點(diǎn)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。