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

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)具有感知、計算、存儲和無線通信能力的微型節(jié)點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、長期的監(jiān)測任務(wù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，無線傳感器網(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)對其進行高效管理，使之能長期有效地完成感知任務(wù)。能量受限已成為制約大范圍、長期部署WSN的最主要因素之一。對

2、節(jié)點進行睡眠調(diào)度能有效減少空閑偵聽和降低能耗。根據(jù)是否需要時鐘同步，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。由于沒有周期性的同步負擔(dān)，即使在相同時延限制條件下，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)點不知道接收節(jié)點的醒來時間，發(fā)送數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生額外的等待代價，具體包括等待時延和等待能耗，這會對上層路由造成重大影響。本文運

3、用跨層設(shè)計的方法，設(shè)計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)提出了高效的無狀態(tài)路由協(xié)議。本文主要的內(nèi)容和創(chuàng)新點主要包括以下四個方面：
　　 1.提出了一種機會合作的異步調(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)點利用路由層信息進行合作通信。通過將數(shù)據(jù)包委托給代理節(jié)點，發(fā)送節(jié)點可以提前進入睡眠狀態(tài)。合作通信不僅能降低等待能耗和等待時延，而且還有助于減少相鄰節(jié)點間的干擾和沖突。雖然合作通信僅能在競爭和級聯(lián)兩種場景下進行，但它本身幾乎并不帶來額外開銷。實驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果均表明利用路由層信息進行合作通信的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系統(tǒng)，包括

5、時延坐標和能耗坐標，并提出了基于能耗坐標的跨層路由協(xié)議（EEMR:Energy-Effcient Integrated MA Cand Routing Protocol）:在地理或跳數(shù)坐標的幫助下，傳統(tǒng)的無狀態(tài)路由協(xié)議通過局部的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略建立源節(jié)點到目地節(jié)點的最短路徑。由于沒有考慮實際無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延最低路徑。本文將異步網(wǎng)絡(luò)中的鏈路代價分為傳輸代價和等待代價，并建立能反映實

6、際路徑代價的虛擬坐標，具體包括時延和能耗坐標。由于鏈路代價以及網(wǎng)絡(luò)拓撲會動態(tài)變化，采用低開銷的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的逐跳反饋機制更新坐標。接著，提出了基于能耗坐標的跨層無狀態(tài)路由協(xié)議，發(fā)送節(jié)點綜合鄰居節(jié)點的能耗坐標以及醒來時間，動態(tài)地選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，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，為時延敏感性網(wǎng)絡(luò)提出了一種時延受限且能量

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

8、最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的過程建模為馬爾科夫過程，并運用最優(yōu)停止理論控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的選舉過程。因而，DCEER協(xié)議對動態(tài)坐標有更強的適應(yīng)性。此外，根據(jù)數(shù)據(jù)流量對所有節(jié)點的睡眠時間進行聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，平衡節(jié)點能耗，解決多跳網(wǎng)絡(luò)普遍存在的“熱點”問題，進一步延長網(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)點分成若干組，每組選舉出簇頭節(jié)點組成骨干網(wǎng)絡(luò)，其他節(jié)點只與簇頭進行通信，并按照簇頭分配的時隙進行睡眠調(diào)度。ADCS協(xié)議改進了簇頭選舉算法和成簇算法。選舉簇頭時，綜合考慮節(jié)點剩余能量以及鄰居節(jié)點度；形成簇結(jié)構(gòu)時，非簇頭節(jié)點根據(jù)通信距離以及簇的負載選擇簇加入。ADCS協(xié)議能自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分布，生成合理的簇結(jié)構(gòu)，平衡節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。在均