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          移動性無線傳感器網(wǎng)絡的研究

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          作者: 時間:2007-07-06 來源: 收藏

          一、引言 

              網(wǎng)絡作為微機電、通信和三種技術相結合的產(chǎn)物,已成為計算機與通信領域的一個研究熱點。網(wǎng)絡的應用前景廣闊,能夠廣泛應用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居等領域,隨著對傳感器研究的深入和成熟,傳感器網(wǎng)絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。目前,國內外對無線傳感器的研究主要針對無線傳感器網(wǎng)絡能量受限的特點,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,同時引進移動節(jié)點還可以拓寬網(wǎng)絡空間的采樣能力,例如在應用移動節(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)絡中,可能造成網(wǎng)絡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)議的設計對無線傳感器網(wǎng)絡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,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行進一步的研究和改進。 


          二、移動性無線傳感器網(wǎng)絡模型 
              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)點進行介紹和分析。

          1、普通節(jié)點移動型 
               這種網(wǎng)絡模型具有分布式結構,各個節(jié)點的功能一樣,沒有主協(xié)調點和次要節(jié)點之分,類似于Flat Ad Hoc網(wǎng)絡節(jié)點,如圖1(a)。節(jié)點由于某種原因隨時可能離開當前的網(wǎng)絡,或進入新的網(wǎng)絡,就會帶來一系列的接入問題:如何判斷節(jié)點離開/進入一個網(wǎng)絡;網(wǎng)絡如何適應節(jié)點的變化;節(jié)點間如何交互等等。對其它的移動網(wǎng)絡,例如移動電話或移動Ad Hoc網(wǎng)絡,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,由于無線傳感器網(wǎng)絡是能量受限型網(wǎng)絡,網(wǎng)絡協(xié)議的設計必須考慮能量損耗的問題。 

              目前有兩種針對這種網(wǎng)絡模型的能量高效的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機制工作;當移動節(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)絡建立連接而造成通信的中斷。 
              MOBMAC為移動傳感器網(wǎng)絡提供了能量高效和低延遲的MAC層接入機制,考慮到節(jié)點移動帶來的多普勒效應,采用自適應調整幀長度的方法,降低由多普勒效應引起的丟包率。當信道特性好的時候,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采用可擴展的卡爾馬濾波器預測算法根據(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)絡模型,如圖1(b),SENMA有兩種網(wǎng)絡節(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)點是功能強大的硬件單元,而且能夠在整個傳感器網(wǎng)絡中移動。在SENMA網(wǎng)絡中,移動節(jié)點不需要時刻與傳感器節(jié)點通信,只有當需要收集數(shù)據(jù)或進行網(wǎng)絡維護時才工作。這種網(wǎng)絡的最大優(yōu)點就是把復雜的數(shù)據(jù)處理、接入處理、數(shù)據(jù)轉發(fā)傳輸、路由維護等工作由代理節(jié)點來完成,減輕傳感器網(wǎng)絡的能量負擔,傳感器節(jié)點是能量受限的,移動節(jié)點能量可以補充。 

          1

          圖2可以看出代理節(jié)點移動型網(wǎng)絡在節(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)絡維護由代理節(jié)點進行,且SENMA是單跳網(wǎng)絡,不需要維護路由信息和鄰節(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頻技術,MAC層采用機會型ALOHA隨機接入機制[5]。機會型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)點在當前時隙不發(fā)送數(shù)據(jù),則進入睡眠狀態(tài),等待下一時隙到來。 

              SENMA的網(wǎng)絡結構有先天的節(jié)能優(yōu)勢,但其機會型ALOHA接入機制能否進一步降低能耗還有待實驗的檢驗。 

              美國Nice大學提出了“基于可預測移動中繼節(jié)點的靜態(tài)網(wǎng)絡實現(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)絡的數(shù)據(jù),有效地節(jié)約各傳感器的能源,通過預測中繼節(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,達到延長傳感器網(wǎng)絡生存周期的目的。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,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。但這個接入算法可以做適當?shù)男薷?,以符合代理?jié)點移動型網(wǎng)絡。比如,把移動的節(jié)點當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、結束語     
              無線傳感器網(wǎng)絡自身的特點及其各種應用的需求,使得傳統(tǒng)的無線協(xié)議很難適用于無線傳感器網(wǎng)絡中,同時,移動節(jié)點的引入,又對無線傳感器網(wǎng)絡媒體接入?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)絡所提出的一些設想和協(xié)議,為其進一步的研究與改善奠定了基礎。目前,國內對移動性傳感器網(wǎng)絡的研究比較滯后,存在很多亟待解決的問題,需要更進一步深入研究。 

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