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1、智能环境中的通讯基础设备一个状态条款Zygmunt J .Hass ,Cornell大学，电子及计算机工程学院，无线网络实验室，323，Frank Rhodes Hall,Ithaca,NY14853e-mail:haasee.cornell.edu http:/www.ee.cornell.edu/-haaa/wnl.html摘要随着今天的先进技术的发展状态，微型传感器和驱动器可以被制造及与电子器件集成到到超小体积的设备中。这种装置能够嵌入到不同的平台，使环境变成高度可控，支持和合作的环境。这种技术的应用几乎在我们的生活的每一个方面，如在工作场所，在家里，在超市，在百货大楼，在汽车里，在战场
2、上等，当然，要实现这一远景，使这些装置能够进行网络通讯是必要的。因此这些装置的主要特性是它们的电能供应是极其有限的，这就使网络寿命受到限制。传统的算法和协议需要快速地适应这种微小的网络环境。这份立场文件涉及这种微型网络建立的一些关键问题。关键词：自组织网络，智能环境，区域路由协议。1 简介今天，小型化生产领域技术的进步允许生产极其小的装置，体积就达到几十立方毫米。此外，预计在不久的将来 Akin98 和 Asada98 使进一步减少规模成为可能。用微机电系统（ MEMS ）技术制造的小尺寸设备制造包含了各种感应功能，如温度，压力，或加速等和驱动功能，如旋转，线性位移，或扭矩等。这些机械操作可以
3、加上电子功能，其中可能包括机载通信手段。通讯的加入将允许这些微型设备不仅能够在信息平台上交换和交流信息，这些设备被安装（如人，动物，旋转机械部分），而且能够形成网络实现分布式算法的执行。算法在这样一个网络互动并且有嵌入的网络的环境中执行，允许依赖环境处理和共享信息。换言之，极其有限数量的寄存器的加入和这些装置的有限的处理能力，及自组织环境能够被设置，其中参与的实体都可以贡献和接受服务和信息。一个远见是“智能粉” ，在其中这些小型的轻便的设备可以立即被应用，并可以协调一致地自主运作执行某些任务。在本文中我们提到的微传感器/执行器具有还未成熟的在两个相对接近的设备之间传输一个信号的能力。为了创建一
4、个网络，我们必须提供具有下述功能的节点：一个介质访问控制，一个解决方案，以及路由算法。当然这些都是在通讯网络设计中的传统问题。这里的新的问题是传统的算法和协议可能不能应用于眼前的这个问题。主要是由于在微传感器节点中只有极其有限的可利用的计算、储存、和通讯资源。极低的电池电源和数量有限的非挥发性记忆体导致要求非常低的复杂度的算法和协议。换句话说，“游戏的名字”是用尽可能简单的协议和尽可能少的网络之间通讯来设计一个系统。我们微小设备的网络的另外的一些特点是非常大数量的网络节点（数以千计）和网络节点相对于网络的其他部分移动的能力。然而，也许是最具挑战性的是达到网络部署没有预先规划和运作平台动作不同的
5、环境中时能够继续运行的要求。因此，另一种设计属性是，协议需要多样性使它足以适应了这两个：不同的和有差异的网络操作条件。有趣的是，创建一个网络和在微小网络中支持连接性这一问题与另一个问题相关，这个问题是一个在过去30年中关于多跳网络的广泛研究的课题。在ad hoc网络的名义下，这类通讯问题的研究在最近有了新的兴趣。与ad hoc网络相关的问题正在因特网工程工作队，自工作组 IETFMANET 中广泛地讨论。由于ad hoc网络和微传感器网络的相似性，MANET协议在作一些改变之后也能适用于创造出一个这样的智能通信环境。在本文中，我们主要集中在网络中的路由这个问题上。因为网络中的路由将支持大量小规
6、模的连接点、可能的移动节点、不断变化的条件下的操作之间的通讯。由于其覆盖范围非常小，我们将这样一个网络看作一个微型网络。2 什么是ad hoc 网络一个ad hoc 网络是一个自组织无线网络由有移动节点组成，并要求没有固定的基础设施。便携式无线电台的加入强加了能量消耗的限制，导致了节点传输范围相对于网络的跨度来说通常是很小的。为了在整个网络中提供通讯，如果需要就把节点设计成继电器。其结果是一种分布式多跳网络，具有随时间变化的拓扑结构。因为ad hoc 网络不依靠已存在的基础设施并且是自组织，他们能够迅速地被部署，在各种恶劣环境中提供可靠的通信。这使得Ad - hoc网络很适合为军事，执法和应急
7、工作提供战略性的通信。Ad - hoc网络也可以在平民论坛上发挥作用，如电子教室，会议中心，及建筑地盘。最后， Ad Hoc网络也可用于在分布式的设备连接间建立通讯，如传感器或执行器。有了这样一个范围广泛的应用， Ad - hoc网络运行在广泛的覆盖范围，节点密度和节点速度等都不是很难设想的。这一潜在的广泛的Ad - hoc网络操作系统配置对发展高效率的路由协议构成了挑战。一方面，路由协议的有效性随着网络拓扑信息变得更为详细和需要更新。另一方面，在Ad - hoc网络的拓扑结构可能经常发生变化，往往需要网络节点之间的数据大量和频繁的交流。这是相矛盾的事实，所有在无线通信环境的空中旅行的更新和资
8、源上都是非常昂贵的，特别是能源有限的设备，正如在我们的微型网络环境的事例中那样。现有的路由协议可分为主动或被动。积极主动的协议企图不断评价网络中的路线，这样，当一个数据包需要转发时，该航线就已经知道了，并且可立即使用。与此相反，被动协议在需求的基础上援引路线确定程序。被动的路由发现通常是基于查询回复交流，此处的路线查询通过网络来达到理想的目的地。积极主动计划的好处是当需要的时侯路线资料是现成可用的，在数据传输之前有很少的延迟。与此相反，反应计划可能会产生重大的延误，以便当信息是必须的但无法使用时确定一条路线。无论是主动或被动的路由计划都需要一些控制交通的交换。如果拓扑结构经常变化，在Ad -
9、hoc网络中这个开销可能相当大。被动协议通过有效地用路线查询来搜索整个网络产生大量的通讯。在实时通信的应用中，过度控制和长的交通路线查询响应时间的结合排了除纯粹的被动路由协议。纯主动计划也同样不适合Ad - hoc网络，因为它们不断使用大部分的网络容量去保持当前的路由信息。积极主动的协议倾向于在网络中广泛散布拓扑变化，在一个网络的末端建立/销毁一个新的链接，对网络的另一个末端来说可能不是一个重要的信息。此外，由于Ad - hoc网络节点的移动可能会相当快，因此这个变化可能会比路线要求的更加频繁，大部分保持的路由信息从未使用过！这导致了不能接收的网络的能力的浪费。在我们方法中，我们提出的区域路由
10、协议，我们建立一个混合的、主动被动计划，其中路由发现过程在大量的控制交通中既快速又高效。3 传感器网络构建这里讨论的整体网络架构是一个两层的网络，如图1所示。，较低的一层，第1层，是由集群传感器设备组成，它能够在它们之间用点对点的方式进行通讯。此外，传感器设备可以与更大的收发器交流，我们称它为端口。端口的主要职能是提供微型传感器设备的“群”的第 1层网络和外部网络之间的接口，或者是传提供感器网络的群之间的接口。这是一个端口互连双层- 1网络，如果由于发射功率的限制，他们不能直接连接时。第1层节点可能无法与任何端口通讯或可能与一个或多个端口通讯。港口之间的沟通是通过建立自己的二级网络。二级网络能
11、接口到外部网络，其中一些端口作为网关。因为它是假定二级节点没有电池电量有限，第2级的网络用于“常规”无线发送器/接收器的设计。与此相反，第1层网络收到传输功率的限制。此外，第1层节点间的通讯是基于被动通信，如调制射频载波的反映。因此，第1级节点的通讯是通过多跳路由。因此，两层网络协议设计的相关问题是不同的。在这里，我们重点放在更具有挑战性的问题第1级网络的通讯问题，第一个我们正在讨论的问题是节点的寻址计划。图1 一个双层分等级网络4 基于硬件的寻址传统的寻址功能是通过从一个逻辑地址空间中分配一个地址给每个网络节点。然而，逻辑地址要求相当大量的处理过程。另一个选择是使用物理地址，它能够通过使用传
12、输的信号的一些特征（允许目的接收者的选择）来完成。作为一个例子，我们考虑到了用发送信号的中央频率的特殊的抵消，使每一个节点相联合；这抵消识别节点。因为它可能建立非常尖锐的微型过滤器 Young98 和 Pehlke97 ，它可能建立一个成千上万的节点的大型的“地址”空间。因此，为了相邻节点的沟通，源设备需要调整其邻节点的特殊抵消；例如为了传输到节点i,传送者将频率调到 ，此处是中心频率，是临地址节点间的频率补偿，它依赖于RF滤波器的选择性，N是地址空间的大小。当然，这只是一个物理处理的例子，并有许多其他的可能性。一旦这个处理计划确定了，创建一个网络的下一步是让每个节点去了解它周围节点的存在性。
13、5 按需临节点发现在无线分组数据网络中，临节点的发现经常是通过某种发射塔来处理，其中节点从它的临节点处倾听周期性的传输信号。这种做法相当浪费传输的能量。大量的可选择性的解决方法对于发射塔处理是可能的。举个例子，一个办法通过一个简单的查询将执行按需邻节点发现，这是从一个节点需要知道谁是它的临节点开始着手的。当然，这种邻节点发现过程的设计不得不紧密结合解决方案的使用。 在这方面另外一个需要被处理的问题是一个节点被设计去发现的临节点的数量。临节点的数量通过节点的传输功率来控制。一方面，大量的邻节点是有利的，因为有一个规模较小的失去网络连接的机会，即建立一个网络分割。然而，一个节点有很多的临节点时需要
14、较大的传输功率，例如，因为邻节点发现过程。此外，它还导致大量的传输，因此，需要更多的传输功率。此外，它也减少了网络吞吐量，由于更多的访问节点之间的连接。我们的按需临节点发现协议指出5、6、7或8个临节点分别相对应于90%、95%、98%和几乎是100%的连接性。（见图2）临节点数量的的实际选择依赖于下列因素：传感器设备的电力传输能力，处理和介质访问控制计划的使用，源和目的地之间的设备所需的丰富的路线。 图2 连接性与临节点的数量一旦相邻节点之间的通信被实施了，一个端到端的网络路由计划是必要的，两个通信节点之间的距离将远远大于通常的单一节点的传输范围。我们建议使用一个简单的路由方案，区域路由协议
15、允许在有大量的微传感器节点的网络中发现路线，并且有低的通讯花费和少了节点的储存要求。6 区域路由协议一个简短描述 有线互联网使用的路由协议是基于拓扑的广播，如路由协议 Moy94 。这些协议不适合于微网络环境，因为拓扑更新信息有相当大的带宽要求。在多跳分组无线网络中路由是建立在过去的最短路径路由算法 Leiner87 的基础上，如分布式的Bellman-Ford(DBF)算法 Bertsekas92 。这些算法遭受到了低的覆盖率的影响。此外(DBF)算法承担大型更新信息的处罚。新的多跳路由协议被建议了。（ Cheng89 ， Johnson96 ， Murthy95 ， Park97 ， Pe
16、rkins94 和 Perkins99 ）。然而，同步要求，大型仓储，和额外的处理开销在这些协议中是常见的，这使这些协议不适合于微网络环境。相比之下，我们的路由协议 Pearlman99 建立在路由区域的概念的基础上，在路线决定过程中成本很低。它要求在每个节点中保持少量的路由信息并且在维持无效路线的路由信息的无线资源上的花费很小。该协议确定了多重路线到目的地（提高可靠性和性能） ，但没有循环的问题。然而，这个协议最吸引人的特点是其行为是适应性的，是基于移动性和微传感器设备的通讯样式。该区域路由协议限制了只传播此类信息给变化的附近的节点，从而限制了拓扑更新的成本。一个大型网络对此功能特别感兴趣，如微型传感器
