廣 東 工 業(yè) 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 ( 工 學(xué) 碩 士 ) 能量高效的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 跨層 議研究 陳偉 二 一零 年 五 月 分類(lèi)號(hào)： 學(xué)校代號(hào)： 11845 密級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 2110704298 廣 東 工 業(yè) 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 （ 工 學(xué) 碩 士 ） 能量高效的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 跨層 議研究 陳偉 指導(dǎo)教師 姓名、職稱(chēng) ： 程良倫 教授 企業(yè) 導(dǎo)師 姓名、職稱(chēng) ： 無(wú) 專(zhuān)業(yè) 或 領(lǐng)域 名 稱(chēng) ： 控制理論與控制工程 學(xué) 生 所 屬 學(xué) 院 ： 自動(dòng)化學(xué)院 論 文 答 辯 日 期 ： 2010 年 5 月 11845 o.:2110704298 A s AC 010 510006摘 要 I 摘要 目前， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（ 稱(chēng) 研究主要集中于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、能量 有效 、定位、可靠性、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究是其中的熱點(diǎn)之一。而作為 絡(luò)協(xié)議棧重要基礎(chǔ)架構(gòu)的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制 協(xié)議 (稱(chēng) 決定著無(wú)線(xiàn)信道的使用方式，負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)分配無(wú)線(xiàn)通信資源。因此 議 直接影響 著 網(wǎng)絡(luò) 的 整體性能，成為 絡(luò)協(xié)議研究的重中之重 。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 面向任務(wù) ， 網(wǎng)絡(luò)中 節(jié)點(diǎn)的 資源 相當(dāng)有限， 尤其是能量資源，節(jié) 能效率成 為 要的性能指標(biāo) 。 本文 研究 跨層設(shè)計(jì)的 議 ， 主要工作 有 ： （ 1） 分析了經(jīng)典的競(jìng)爭(zhēng)型和 議， 同時(shí) 分析了典型的 跨層設(shè)計(jì) 議 ； （ 2） 在深入研究 各種 議 的基礎(chǔ)上， 針對(duì) 中高速 型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用，通過(guò) 跨層融合 路由功能 ， 提出 一種基于輕量地址 跨層融合 路由的協(xié)議 AC 。該 協(xié)議 重新 跨層融合 設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的 數(shù)據(jù) 幀 ， 解決了由于多節(jié)點(diǎn)檢測(cè)和報(bào)告而造成的能量浪費(fèi)問(wèn)題，同時(shí)擴(kuò)展了單節(jié)點(diǎn)檢測(cè) 類(lèi)型應(yīng)用的 拓?fù)淠Ｐ?。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 該協(xié)議 有效 地延長(zhǎng)了 網(wǎng)絡(luò) 的 生命 。 （ 3） 為了解決 固定的競(jìng)爭(zhēng)接入方式和同時(shí)強(qiáng)制喚醒 機(jī)制 問(wèn)題， 本文為議 設(shè)計(jì)了一種 高效的能量節(jié)省模型，使其在事件增加或節(jié)點(diǎn)增加的情況下，能量消耗維持在一個(gè)常數(shù) 。 仿真結(jié)果表明該模型能夠取得良好的節(jié)能效率 。 本 文 詳細(xì)地 設(shè)計(jì) 了 議 ，并 闡述 了該協(xié)議的運(yùn)行 機(jī)制，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析 該 協(xié)議的 各個(gè) 性能 指標(biāo) 。 研究所 取 得的 成果 為 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 的中高速應(yīng)用 提供了 參考， 具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞 ： 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) ； 議； 跨層設(shè)計(jì) ； 東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 s on is of As an SN to of so it on of SN is to so to be o f on AC (1) AC AC (2) on AC AC AC to by of 3)in in in is is of In to we a it as of II 東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 錄 摘要 . 錄 . . 一章 緒論 . 1 題的研究背景及意義 . 1 究背景 . 研究意義 .內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 3 題來(lái)源及本文主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu) . 6 題來(lái)源 . 本文研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn) . 論文結(jié)構(gòu) .二章 傳統(tǒng)分層 議的分析及跨層 提出 . 9 線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧 . 9 線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 關(guān)鍵問(wèn)題 . 10 線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 能耗分析 . 10 線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 議的設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)目標(biāo) . 11 于競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 議 . 13 于 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 議 . 15 合型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 議分析 . 16 層設(shè)計(jì)思想 提出 . 17 線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)跨層的需求 . 18 層設(shè)計(jì)原理 . 19 章小結(jié) . 20 第三章 參考路由信息跨層設(shè)計(jì) 議 . 21 應(yīng)用模型及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) . 21 目錄 V 前提假設(shè)和設(shè)計(jì)特點(diǎn) . 21 件檢測(cè)與快速報(bào)告型應(yīng)用 . 22 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) . 22 幀格式和主要運(yùn)行機(jī) 制 . 23 幀格式 . 23 只要運(yùn)行機(jī)制 . 24 性能評(píng)價(jià) . 25 提出 . 25 議的設(shè)計(jì)及主要運(yùn)行機(jī)制 . 26 格式的設(shè)計(jì)和拓?fù)溥m應(yīng)性的設(shè) 計(jì) . 26 計(jì)隨機(jī) 空閑偵聽(tīng)和協(xié)議死鎖避免策略 . 27 主要運(yùn)行機(jī)制 . 28 能定性分析 . 30 章小結(jié) . 31 第四章 節(jié)能模型設(shè)計(jì) . 32 節(jié)能模型 . 32 置 退讓時(shí)間和各個(gè) 間 . 35 網(wǎng)絡(luò)參數(shù) . 36 連接參數(shù) . 36 睡眠參數(shù) . 37 平均能量消耗估算 . 39 章小結(jié) . 41 第五章 仿真與實(shí)驗(yàn)研究 . 42 的數(shù)據(jù)收發(fā) . 42 能評(píng)價(jià)指標(biāo)及分析方法 . 43 仿真實(shí)驗(yàn)分析 . 44 真參數(shù)設(shè)定及節(jié)能效率數(shù)值分析 . 44 能效率實(shí)驗(yàn)分析及時(shí)延性能實(shí)驗(yàn)分析 . 45 章小結(jié) . 49 結(jié)語(yǔ)與展望 . 51 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 考文獻(xiàn) . 52 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 . 57 攻讀學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目 . 58 獨(dú)創(chuàng)性聲 明 . 59 致 謝 . 60 . . . . . 1 . 1 . . 3 of . 6 . of . of . . 9 . 9 . 10 SNs . 10 . 11 . 13 . 15 . 16 . 17 . 18 he . 19 . 20 AC . 21 . 21 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 . 21 . 22 . 22 . 23 . 23 ey . 24 . 25 . 25 . 26 of . 26 . 27 . 28 . 30 . 31 . of . 32 . 32 . 35 . 36 . 36 . 37 of . 39 . 41 . 42 AC . 42 . 43 . 44 . 44 of . 45 . 49 . 51 X . 52 . 57 . 58 . 59 . 60 第一章 緒論 1 第一章 緒論 題的研究背景及意義 究背景 當(dāng)前 ， 信息技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)信息的海量存儲(chǔ) 、 高速傳輸和快速處理 ,但信息獲取卻仍未達(dá)到自動(dòng)化水平 。 微傳感器技術(shù) 、 微 電子技術(shù) 、 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步 ， 極大地推動(dòng)了集信息采集、處理、無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)裙δ苡谝惑w的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) (簡(jiǎn)稱(chēng) 發(fā)展。 在給人類(lèi)生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響 。 在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市交通以及空間探索等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景 1,2。 目前 ， 研究主要集中于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 、 能量 、 定位 、 可靠性 、 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題 ， 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究是其中的熱點(diǎn)之一。而作為 絡(luò)協(xié)議棧重要基礎(chǔ)架構(gòu)的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制 (簡(jiǎn)稱(chēng) 議 ， 決定著無(wú)線(xiàn)信道的使用方式 ， 負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)分配無(wú)線(xiàn)通信資源 ， 直接影響網(wǎng)絡(luò)整體性能 ，成為 絡(luò)協(xié)議研究的重中之重 。 目前 ， 已有大量針對(duì) 同特點(diǎn)和具體應(yīng)用的 議相繼提出 。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能比較弱， 其 強(qiáng)大功能是 由 眾多節(jié)點(diǎn)互相協(xié)作實(shí)現(xiàn)的。 相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)， 它 有 明顯的特殊性 1,2： （ 1） 電源能量有限； （ 2） 通信能力有限； （ 3） 計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力有限； （ 4） 傳感器數(shù)量大、分布范圍廣； （ 5） 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性強(qiáng)； （ 6） 大規(guī)模分布式觸發(fā)。 傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供高服務(wù)質(zhì)量和高效的帶寬利用 率 ，其次才考慮節(jié)約能源， 而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于一般的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大（上千甚至上萬(wàn)個(gè)），節(jié)點(diǎn)分布更為密集，并且由于復(fù)雜環(huán)境的影響和資源的限制，節(jié)點(diǎn)故障率 極 高，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極易變化，因此能源的高效使用 成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo) 。 現(xiàn)有協(xié)議在能量有效方面取得了很好的效果 ，但 隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求的提高 ， 如何在有限資源的動(dòng)態(tài)條件下高質(zhì)量地完成 目標(biāo) 信息的 感知、 處理 和廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2 傳輸，是面臨的 重大 挑戰(zhàn) 。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 的這些特殊性對(duì)其通信協(xié)議提出了特別的要求 ，同時(shí) 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中 通信 協(xié)議的采用也通常 密切 依賴(lài)于上層應(yīng)用 ，因此，針對(duì)具體的應(yīng)用 對(duì)象 ，研究更適 用 于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的 跨層 通信 協(xié)議，是非常具有挑戰(zhàn)性和實(shí)際意義的。 究意義 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的特殊的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)， 是基于應(yīng)用的特殊的大規(guī)模分布式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)， 被認(rèn)為 21 世紀(jì)最有影響力的、改變世界的 10 大技術(shù)之一 ， 有著十分廣泛的應(yīng)用前景，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域有具有巨大的應(yīng)用價(jià)值 2 多點(diǎn)通信 網(wǎng)絡(luò) 局部范圍 內(nèi) 需要 介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（ 議 分配 共享 的無(wú)線(xiàn)信道 ，分解發(fā)送沖突 ， 議決定網(wǎng)絡(luò) 中 無(wú)線(xiàn)信道的使用方式，在節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線(xiàn)通信資源，用來(lái)構(gòu)建 無(wú)線(xiàn) 傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。 議處于 無(wú)線(xiàn) 傳感器網(wǎng)絡(luò) 通信 協(xié)議 底層的數(shù)據(jù)鏈路層部分， 它直接控制著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中 的通信模塊，而結(jié)點(diǎn)的通信模塊又是 最大的耗能部件， 因此 議對(duì) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的 能量 性能有 著 非常大的影響，是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。 無(wú)線(xiàn)傳感器 網(wǎng)絡(luò) 對(duì)其 議 提出了 特殊的需求， 著重考慮以下 幾 方面 2：（ 1） 節(jié)能 效率 ； （ 2） 可擴(kuò)展性； （ 3） 網(wǎng)絡(luò)效率。上述三個(gè)方面中，重要 性 依 次遞減。節(jié)能成為傳感器網(wǎng)絡(luò) 議設(shè)計(jì)首要考慮的因素，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的 議所注重的因素正好反序，傳統(tǒng) 無(wú)線(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)的 議不適用于 無(wú)線(xiàn) 傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要研究和 設(shè)計(jì) 適用于 無(wú)線(xiàn) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的 議。 關(guān)于可擴(kuò)展性，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)分布密度等在 網(wǎng)絡(luò) 生存過(guò)程中不斷變化，節(jié)點(diǎn)位置也可能移動(dòng)，還有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，所以 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有 明顯的 動(dòng)態(tài)性，要求 其 議具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性 以適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)變化 。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)效率 ，包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時(shí)性、安全性、網(wǎng)絡(luò)吞吐率以及帶寬利用率等 ，一般其優(yōu)先 級(jí)不高 ，這在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中需要根據(jù) 實(shí)際 應(yīng)用 來(lái)取決 和平衡 。 以上表明， 隨著 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 服務(wù)要求的日益提高 ， 為 滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)的 節(jié)能和擴(kuò)展 需求 。 因此 對(duì)低能耗和可擴(kuò)展的 高效率 議的研究是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)第一章 緒論 3 研究中的一個(gè)重要課題，意義深遠(yuǎn)。 現(xiàn)有的大部分 議普遍采用單純的基于競(jìng)爭(zhēng) 接入方式 或基于度 接入方式，且使用傳統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)辦法 ， 雖然這些協(xié)議在能量有效方面取得了很好的效果，但 很少針對(duì)應(yīng)用的具體特性來(lái)設(shè)計(jì)協(xié)議，所以 很難在各個(gè)性能指標(biāo)中取得較好平衡， 且 容易 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能惡化 ?？鐚釉O(shè)計(jì) 機(jī)制是 實(shí)現(xiàn) 高效一種 可行 解決方案， 同時(shí)也是一種 全局優(yōu)化的 方案 。 因此 能量高效的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層 議優(yōu)化研究 尤其具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 本文的研究對(duì)象為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的 議，下面闡述一下當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì) 究的現(xiàn)狀 ，并給出 目前的 跨層 計(jì) 方案 。 目前針對(duì)不同的 無(wú)線(xiàn) 傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 ， 研究人員從不同方面提出了多 種 據(jù)采用 隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)信道方式 還是 固定分配信道方式 ， 根據(jù)文獻(xiàn) 3， 可 將 議分為 以下幾 類(lèi)： （ 1） 基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn) 方式， 主要 基于 A 機(jī)制。 節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)競(jìng)爭(zhēng) 使用 無(wú)線(xiàn)信道 ，如果發(fā)生了發(fā)送碰撞，就按某種策略重發(fā)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。 這類(lèi)協(xié)議 重點(diǎn)考慮盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾，分解沖突 。 經(jīng)典的競(jìng)爭(zhēng)型 議有 、 、 、 、等。 （ 2）基于預(yù)約 或 調(diào)度的 議，普遍采用 基于時(shí)分復(fù)用的時(shí)間調(diào)度策略 ， 給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無(wú)線(xiàn)信道使用時(shí)段 或時(shí)隙 ，從而避免節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾 。 典型的 度型 議包括 基于分簇網(wǎng)絡(luò)的 度型 議 9、 0、 1、 2等。 （ 3） 其他 議，如通過(guò)采用 分 多址 、 分多址 技術(shù)等 ，但往往實(shí)現(xiàn)過(guò)于復(fù)雜 且硬件成本相對(duì) 較 高 ，因此沒(méi)有受到研究者的很大關(guān)注 。 （ 4） 各種機(jī)制的混合 型 方案， 如 合設(shè)計(jì)， 合機(jī)制 。 基于 議往往在協(xié)議啟動(dòng)過(guò)程中引入隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)期（競(jìng)爭(zhēng)訪(fǎng)問(wèn)期）來(lái)建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、分配時(shí)隙 /時(shí)槽等。而根據(jù)目前的 究進(jìn)展，已經(jīng)有不少 度型的 議實(shí) 質(zhì)上在整個(gè)協(xié)議運(yùn)行期間引入了廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 4 交替的競(jìng)爭(zhēng)訪(fǎng)問(wèn)期來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)隙分配、拓?fù)鋽?shù)據(jù)表等，已經(jīng)具備混合型 典型的混合型 議有 3、 4、 5 6。 （ 5）各種 跨層設(shè)計(jì) 方案 A 基于能效管理的跨層設(shè)計(jì)技術(shù)：基于能效的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧設(shè)計(jì)是結(jié)合對(duì)節(jié)能、容錯(cuò)性、抗干擾性等關(guān)鍵指標(biāo)的具體要求，借鑒現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線(xiàn)通信、信息處理等領(lǐng)域的先進(jìn)