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1、 http:/ 1能量效率导向的无线传感器网络协议的研究能量效率导向的无线传感器网络协议的研究 孙利民 方贵明i 传感器网络是由大量成本低廉的微型多功能传感器节点组成的无线网络。 由传感器网络是由大量成本低廉的微型多功能传感器节点组成的无线网络。 由 于节点通常使用能量有限且不易更换的电池供电，因此传感器网络的首要设计于节点通常使用能量有限且不易更换的电池供电，因此传感器网络的首要设计 目标就是节省能量。目标就是节省能量。 A Survey on Energy Efficient Protocols for Wireless Sensor Networks SUN Li- min, Fang
2、Gui- ming (Institute of Software, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China) A sensor network is composed of large number of low- cost multifunctional sensor nodes. As sensor nodes are usually powered by batteries which are difficult to be replaced or recharged, the first design princip
3、le for sensor network is energy saving. 微电子技术和无线通信技术的进步，推动了多功能传感器的快速发展，使信息采集、数 据处理和通信等功能得以集成在微小体积内。传感器网络（sensor network）1就是由部署在 观测环境附近大量的廉价的微型传感器节点组成， 通过无线通信方式形成多跳的无线网络系 统。组成传感器网络的节点可以分为汇聚点（sink）和传感器节点（sensor node）两类。汇 聚点的数量通常很少， 具有发布命令和收集数据的功能， 并且实现传感器网络与互联网的连 接。传感器节点的数目往往非常巨大，分布在监测区域（sensor field）
4、内，每个节点除了具 有信息采集和数据处理的功能外， 还具有无线通信和路由转发的功能。 传感器网络具有分布 式处理带来的高监测精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点，成为近期国际 上网络研究的重要热点之一。 传感器节点通常由能量十分有限的电池供电。由于传感器节点个数多、价格低廉、分布 广而且环境比较复杂，因此为传感器节点更换电池或充电要么非常困难，要么没有必要。相 对现有的无线网络而言，传感器网络存在着严重的节点能量约束问题，所以，其首要设计目 标就是高效使用传感器节点的能量， 延长传感器网络的生存期。 本文在介绍传感器网络特点 的基础上， 说明传感器节点各模块的能量消耗情况， 针对影
5、响能量消耗关键因素之一的网络 协议，重点分析和总结了其中核心的路由协议和 MAC1协议。 本论文研究得到国家自然科学基金项目(No. 60373049, 60434030)资助.作者孙利民，1966 年出生，博士，研究员，主要研究方向为无线移动网络和宽带接入网。 方贵明，研究员，主要研究方向是宽带接入网络和 无线网络. 1 Media Access Control http:/ 21. 引言引言 1.1. 传感器网络的特点传感器网络的特点 虽然传感器网络与无线自组网 Ad Hoc 有一些相似之处，但是它们之间仍存在很大的区 别。 无线自组网是由几十到上百个移动节点组成的自组织的无线局域网络，
6、所有节点都是完 全移动的；节点的频繁移动造成网络拓扑结构的频繁变化；节点能够连续获得能量补充。传 感器网络则是集成了监测/控制和无线通信的网络系统，传感器节点数目更为庞大（上千甚 至上万） ；节点的分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干 扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是静止的。 传感器网络还具有以下主要的显著特征1,2： ? 传感器网络是以数据为中心（Data- Centric）的网络，整个网络相当于分布式的网 络数据库，要查询的数据分布在所有或部分节点中。传感器网络中每个传感器节 点同时具有终端系统和路由器两者的作用： 传感器节
7、点接收汇聚点的查询或控制 命令，实现信息的采集、处理和收发功能；同时，处理和转发收到的来自其他节 点的数据，实现路由的功能。由于传感器网络关注的是具有某种特性的数据，加 之传感器节点数目巨大和节点放置的随机性，传感器节点可以不采用与 IP 地址 类似的全局编址，而是使用仅在局部能够区分的标号进行标识。 ? 传感器网络是与应用相关的网络。传统网络发展的趋势是电信网、计算机网以及 电视网的逐步融合，而传感器网络是针对某个或某些应用而专门设计的。传感器 网络中邻居节点的数据具有相似性，它们监测到的事件可能是同一个事件（如火 灾） ，从不同监测点得到同一事件的相关数据，因此这些数据存在信息的冗余性。
8、在数据传输路径上的中间传感器节点需要针对具体应用， 对收到其他节点转发来 的数据以及本身采集的数据进行融合、缓存和转发，减少冗余数据的发送，以求 有效地节省网络资源，特别是能源。 1.2. 传感器网络的协议栈传感器网络的协议栈 传感器网络中节点使用的协议栈如图 1 所示， 网络协议各层的功能如下： 物理层提供简 单但健壮的无线信号的调制、发送和接收功能；数据链路层负责无线信道的使用控制，减少 邻居节点广播引起的冲突；网络层实现数据的融合，把经过处理的监测数据路由到汇聚点； 传输层根据网络应用层的需要协作维护数据流； 根据不同的监测任务， 在应用层上开发和使 用不同的应用层软件。 与各层网络协议
9、相关的管理平台有能量管理平台、 移动管理平台和任 务管理平台， 能量管理平台管理传感器节点如何使用能量； 移动管理平台检测和注册传感器 节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居；任务管理平台在一 个给定的区域内平衡和调度监测任务。 http:/ 3图 1 传感器网络的协议栈 在多数情况下，传感器网络中汇聚节点数量有限，功能比较强大，能够不断地获得能量 供应。而大量的微小传感器节点携带非常有限的能量，在存储能力、处理能力和通信能力等 方面都存在约束。传感器节点由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块四部 分组成。传感器模块负责信息采集和数据转换；处理模块控制整个传
10、感器节点的操作，处理 本身采集的数据和其他节点发来的数据， 运行网络协议控制节点的通信过程； 无线通信模块 具体实现与其他传感器节点之间的数据收发；能量供应模块为传感器节点提供能量。 1.3. 传感器网络的首要目标传感器网络的首要目标 对于无线自组网、 蜂窝等无线网络， 考虑的首要目标是提供良好的通信服务质量和高效 地利用无线网络带宽，其次才是节省能量。而传感器网络存在着能量约束问题，其首要设计 目标就是高效使用传感器节点的能量， 在完成应用要求任务的前提下， 尽量延长整个网络系 统的生存期。 传感器节点中消耗能量的模块有传感器模块、 处理器模块和通信模块。 随着集成电路工 艺的进步，处理器和
11、传感器模块的功耗都很低。无线通信模块可以处于发送、接收、空闲或 睡眠状态，空闲状态就是监听无线信道上的信息，但不发送或接收。睡眠状态就是无线通信 模块处于不工作状态。图 2 给出的是 Deborah Estrin 在 Mobicom 2002 会议上的特邀报告 （Wireless Sensor Networks，Part IV: Sensor Network Protocols）3中所述传感器节点各模块 的能量消耗情况。 从图中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块上， 而且无线 通信模块在空闲状态和接收状态的能量消耗接近。 网络协议控制传感器网络各节点之间的通信机制， 决定无线通信模
12、块的工作过程。 传感 器网络协议栈的核心部分是网络层协议和数据链路层协议。 网络层主要是路由协议， 选择采 集信息和控制消息的传输路径， 就是决定哪些节点形成转发路径， 路径上的所有节点都要消 耗一定的能量来转发数据。数据链路层的关键是 MAC 协议，控制相邻节点间无线信道的使 用方式，决定无线收发模块的工作模式（发送、接收、空闲或睡眠） 。因此，路由协议和 MAC 协议是影响传感器网络能量消耗的重要因素。 图 2 传感器节点各模块的能量消耗情况 2. 路由协议路由协议 无线通信中，能量消耗 E 与通信距离 d 存在关系：E=kd n ，其中 k 为常量，2n4。由 于传感器网络中节点通常贴近
13、地面， 应用环境中可能有较多障碍物， 接收天线的能力也有限， 因此 n 接近于 4。所以，在传感器网络中要减少单跳通信距离，使用多跳短距离无线通信方 式，传感器节点的无线通信半径通常在 100m以内1,5。 在传感器网络中，不优化的路由不仅消耗更多节点的能量，而且使某些节点过早失效，http:/ 4从而会把网络分割成多个孤立的部分。 即使网络有比较充足的能量， 有些节点的数据也不能 传送到汇聚点。 衡量传感器网络路由性能的一个重要指标， 就是合理地使用网络中各个传感 器节点的有限能量， 使得网络保持连通性的时间更长的能力。 由于传感器节点间存在冗余信 息， 路由机制通常与数据融合结合一起， 传
14、输路径上中间节点在转发数据之前要进行数据融 合。下面分析近期提出的具有代表性的传感器网络路由机制。 2.1. 基于能量的路由基于能量的路由1 能量路由根据传感器节点的可用能量（Power Available，PA）或传输路径上链路的能量 需求来选择传输路径。 在图 3 所示网络中， 链路旁的 a 表示在该链路上发送数据需要的能量。 下面列举从源节点到汇聚点的路径： 路径 1：源节点- B- A- 汇聚点，路径上节点 PA 之和为 4，发送需要的能量之和为 3； 路径 2：源节点- C- B- A- 汇聚点，路径上节点 PA 之和为 6，发送需要的能量之和为 6； 路径 3：源节点- D- 汇聚
15、点，路径上节点 PA 之和为 3，发送需要的能量之和为 4； 路径 4：源节点- F- E- 汇聚点，路径上节点 PA 之和为 5，发送需要的能量之和为 6； 图 3 能量路由算法的示例图 图 4 SPIN 协议的基本操作 目前提出的能量路由有以下方法： ? 最大 PA 路由：选取从数据源到汇聚点所有路径中节点 PA 之和最大的路径。图 3 中路径 2 是最大的，但路径 2 包含了路径 1，因不是高效的而被排除，选择路径 4； ? 最小耗能路由：选取从数据源到汇聚点所有路径中节点耗能之和最少的路径，图 3 中为路径 1； ? 最少跳数路由：选取从数据源到汇聚点跳数最少的路径，图 3 中为路径
16、3； ? 最小节点可用功率值最大的路由： 即使所选取的路由里节点的最小可用功率有最 大值，图 3 中为路径 3。 以上能量路由算法需要节点知道网络的全局信息， 而传感器网络的能源约束使得节点只 能获取局部信息，因此它们只是理想情况下的路由方法。 2.2. 基于协商的路由基于协商的路由 SPIN2 6 SPIN 路由算法假设所有传感器节点都可能是希望获得数据的汇聚节点，每个传感器节 点知道自己是否需要数据或是否在数据源到汇聚节点的路径上。SPIN 路由是对传统洪泛 （flooding）路由的改进。为了减少节点的能量消耗，传感器节点在发送数据前先进行协商， 仅把数据发送到需要的相邻节点，同时采用称为“元数据” （meta- data）的描述符减少冗余 信息。 2 Sensor Protocol for Information via Negotiation http:
