異步無(wú)線傳感網(wǎng)的跨層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)是由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)具有感知、計(jì)算、存儲(chǔ)和無(wú)線通信能力的微型節(jié)點(diǎn)組成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)。由于不需要基礎(chǔ)設(shè)施，易于快速部署，且可以完成大范圍、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)任務(wù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性極高，目前尚未完全研究出可用的自組網(wǎng)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行高效管理，使之能長(zhǎng)期有效地完成感知任務(wù)。能量受限已成為制約大范圍、長(zhǎng)期部署WSN的最主要因素之一。對(duì)

2、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行睡眠調(diào)度能有效減少空閑偵聽(tīng)和降低能耗。根據(jù)是否需要時(shí)鐘同步，采用睡眠調(diào)度的MAC（MediaAccess Control）協(xié)議大致可以分為同步調(diào)度和異步調(diào)度兩類。由于沒(méi)有周期性的同步負(fù)擔(dān)，即使在相同時(shí)延限制條件下，異步調(diào)度MAC協(xié)議在低流量網(wǎng)絡(luò)中的能量效率比同步調(diào)度更高。然而在異步調(diào)度MAC協(xié)議中，由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)不知道接收節(jié)點(diǎn)的醒來(lái)時(shí)間，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的等待代價(jià)，具體包括等待時(shí)延和等待能耗，這會(huì)對(duì)上層路由造成重大影響。本文運(yùn)

3、用跨層設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)了更加高效的異步調(diào)度MAC協(xié)議，并為異步調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)提出了高效的無(wú)狀態(tài)路由協(xié)議。本文主要的內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)主要包括以下四個(gè)方面：
　　 1.提出了一種機(jī)會(huì)合作的異步調(diào)度MAC協(xié)議（OC-MAC:Opportunistic Cooperationin Low Duty Cycle Wireless Sensor Networks）:如果數(shù)據(jù)包較小而睡眠調(diào)度的占空比較低，等待能耗甚至可能高于傳輸能耗。在OC-MAC協(xié)

4、議中，處于等待狀態(tài)的相鄰發(fā)送節(jié)點(diǎn)利用路由層信息進(jìn)行合作通信。通過(guò)將數(shù)據(jù)包委托給代理節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以提前進(jìn)入睡眠狀態(tài)。合作通信不僅能降低等待能耗和等待時(shí)延，而且還有助于減少相鄰節(jié)點(diǎn)間的干擾和沖突。雖然合作通信僅能在競(jìng)爭(zhēng)和級(jí)聯(lián)兩種場(chǎng)景下進(jìn)行，但它本身幾乎并不帶來(lái)額外開(kāi)銷。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果均表明利用路由層信息進(jìn)行合作通信的OC-MAC比現(xiàn)有異步調(diào)度MAC協(xié)議的性能更好。
　　 2.為異步調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)建立了更加合理的虛擬坐標(biāo)系統(tǒng)，包括

5、時(shí)延坐標(biāo)和能耗坐標(biāo)，并提出了基于能耗坐標(biāo)的跨層路由協(xié)議（EEMR:Energy-Effcient Integrated MA Cand Routing Protocol）:在地理或跳數(shù)坐標(biāo)的幫助下，傳統(tǒng)的無(wú)狀態(tài)路由協(xié)議通過(guò)局部的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略建立源節(jié)點(diǎn)到目地節(jié)點(diǎn)的最短路徑。由于沒(méi)有考慮實(shí)際無(wú)線信道的傳播特性和睡眠調(diào)度的影響，它們選擇的地理最短路徑不一定是能耗或者時(shí)延最低路徑。本文將異步網(wǎng)絡(luò)中的鏈路代價(jià)分為傳輸代價(jià)和等待代價(jià)，并建立能反映實(shí)

6、際路徑代價(jià)的虛擬坐標(biāo)，具體包括時(shí)延和能耗坐標(biāo)。由于鏈路代價(jià)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾?huì)動(dòng)態(tài)變化，采用低開(kāi)銷的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的逐跳反饋機(jī)制更新坐標(biāo)。接著，提出了基于能耗坐標(biāo)的跨層無(wú)狀態(tài)路由協(xié)議，發(fā)送節(jié)點(diǎn)綜合鄰居節(jié)點(diǎn)的能耗坐標(biāo)以及醒來(lái)時(shí)間，動(dòng)態(tài)地選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，最小化轉(zhuǎn)發(fā)路徑的總能耗。仿真結(jié)果表明基于跨層設(shè)計(jì)的EEMR協(xié)議在異步網(wǎng)絡(luò)中的能量效率比傳統(tǒng)的地理位置路由協(xié)議更高。
　　 3.基于上述的虛擬坐標(biāo)，為時(shí)延敏感性網(wǎng)絡(luò)提出了一種時(shí)延受限且能量

7、高效的路由協(xié)議（DCEER:Delay-Constrained and Energy-Effcient Routing Protocol），DCEER協(xié)議對(duì)EEMR協(xié)議作了如下改進(jìn):首先，DCEER協(xié)議以最大的端到端時(shí)延不超過(guò)給定上限為前提，最優(yōu)化能量效率。其次，EEMR協(xié)議假設(shè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)知道所有鄰居節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前坐標(biāo)，但在數(shù)據(jù)量較低的網(wǎng)絡(luò)中，本地存儲(chǔ)的鄰居節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)并不準(zhǔn)確，這會(huì)影響轉(zhuǎn)發(fā)路徑的能量效率。DCEER協(xié)議統(tǒng)計(jì)鄰居節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分布，將

8、最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程建模為馬爾科夫過(guò)程，并運(yùn)用最優(yōu)停止理論控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選舉過(guò)程。因而，DCEER協(xié)議對(duì)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)有更強(qiáng)的適應(yīng)性。此外，根據(jù)數(shù)據(jù)流量對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，平衡節(jié)點(diǎn)能耗，解決多跳網(wǎng)絡(luò)普遍存在的“熱點(diǎn)”問(wèn)題，進(jìn)一步延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
　　 4.本文也提出了一種自適應(yīng)的分布式分簇協(xié)議（ADCS：Adaptiveand Distributed Clustering Scheme）:分簇協(xié)議是早期研究中為周期匯報(bào)型

9、傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的一類基于同步調(diào)度的節(jié)能組網(wǎng)協(xié)議，涉及MAC和路由兩層協(xié)議。分簇協(xié)議是將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分成若干組，每組選舉出簇頭節(jié)點(diǎn)組成骨干網(wǎng)絡(luò)，其他節(jié)點(diǎn)只與簇頭進(jìn)行通信，并按照簇頭分配的時(shí)隙進(jìn)行睡眠調(diào)度。ADCS協(xié)議改進(jìn)了簇頭選舉算法和成簇算法。選舉簇頭時(shí)，綜合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量以及鄰居節(jié)點(diǎn)度；形成簇結(jié)構(gòu)時(shí)，非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)通信距離以及簇的負(fù)載選擇簇加入。ADCS協(xié)議能自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布，生成合理的簇結(jié)構(gòu)，平衡節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。在均