移動(dòng)性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究

摘 要:隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的深入，其應(yīng)用愈加廣泛，固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已無(wú)法滿足新增的需要，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的引入擴(kuò)展了無(wú)線傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，也帶來(lái)了技術(shù)上的挑戰(zhàn)。本文介紹了一些移動(dòng)性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型協(xié)議，主要關(guān)注MAC層的節(jié)能算法，以便于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的進(jìn)一步研究和改進(jìn)。
關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)；MAC；節(jié)能
中圖分類號(hào)：TN919.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為微機(jī)電、通信和傳感器三種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，已成為計(jì)算機(jī)與通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景廣闊，能夠廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居等領(lǐng)域，隨著對(duì)無(wú)線傳感器研究的深入和成熟，傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸深入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)線傳感器的研究主要針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限的特點(diǎn)，提出了很多節(jié)能的MAC協(xié)議和路由協(xié)議等。然而多數(shù)的研究局限于所有傳感器節(jié)點(diǎn)都是靜止的情況，不滿足某些需要移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，比如監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物的生活，追蹤病人的心跳情況等等，節(jié)點(diǎn)總是處于不斷的運(yùn)動(dòng)中，同時(shí)引進(jìn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)還可以拓寬網(wǎng)絡(luò)空間的采樣能力，例如在應(yīng)用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收集其他靜止節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，作為一種信息收集槽。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可能造成網(wǎng)絡(luò)能量浪費(fèi)的主要原因有：傳輸信息發(fā)生沖突、節(jié)點(diǎn)接收并處理不必要的數(shù)據(jù)（串音現(xiàn)象）、過(guò)度空閑偵聽(tīng)、控制消息過(guò)多等。MAC子層的主要任務(wù)就是可靠地控制信道的接入，盡量降低或減少以上的能量浪費(fèi)。因此，MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效利用有重要的意義。

本文介紹了兩種移動(dòng)性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，一種是普通節(jié)點(diǎn)移動(dòng)型，一種是代理節(jié)點(diǎn)（或中繼節(jié)點(diǎn)）移動(dòng)型，同時(shí)闡述了兩者的研究現(xiàn)狀，以便對(duì)移動(dòng)性無(wú)線傳感器進(jìn)行進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。



二、移動(dòng)性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型
根據(jù)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)的功能不同，把移動(dòng)性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為兩類：一種是普通節(jié)點(diǎn)移動(dòng)型，一種是代理節(jié)點(diǎn)（或中繼節(jié)點(diǎn)）移動(dòng)型。下面分別對(duì)這兩種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行介紹和分析。

1、普通節(jié)點(diǎn)移動(dòng)型
這種網(wǎng)絡(luò)模型具有分布式結(jié)構(gòu)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能一樣，沒(méi)有主協(xié)調(diào)點(diǎn)和次要節(jié)點(diǎn)之分，類似于Flat Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如圖1（a）。節(jié)點(diǎn)由于某種原因隨時(shí)可能離開(kāi)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)，或進(jìn)入新的網(wǎng)絡(luò)，就會(huì)帶來(lái)一系列的接入問(wèn)題：如何判斷節(jié)點(diǎn)離開(kāi)/進(jìn)入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)如何適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的變化；節(jié)點(diǎn)間如何交互等等。對(duì)其它的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，例如移動(dòng)電話或移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)有很多很好地解決其移動(dòng)性的方案，但這些方案并不適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是能量受限型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)必須考慮能量損耗的問(wèn)題。

目前有兩種針對(duì)這種網(wǎng)絡(luò)模型的能量高效的MAC接入?yún)f(xié)議：MS-MAC [1]和 MOBMAC [2]，這兩個(gè)協(xié)議都是建立在SMAC[3]協(xié)議的基礎(chǔ)之上，考慮了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性帶來(lái)的接入和能耗問(wèn)題。

MS-MAC提出了一種快速建立連接的機(jī)制，即根據(jù)接收到的信號(hào)變化來(lái)判斷移動(dòng)性，在需要時(shí)啟動(dòng)移動(dòng)處理機(jī)制。在沒(méi)有節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或者移動(dòng)節(jié)點(diǎn)只在一個(gè)虛擬簇中移動(dòng)的情況下，按SMAC機(jī)制工作；當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)要穿越虛擬簇邊界時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和其周圍的節(jié)點(diǎn)（一般兩跳內(nèi)的節(jié)點(diǎn)）形成一個(gè)“動(dòng)態(tài)域”，如圖2，動(dòng)態(tài)域中的節(jié)點(diǎn)一直保持工作模式，直到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與新簇的節(jié)點(diǎn)建立。這種方式可以避免了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)來(lái)不及與新網(wǎng)絡(luò)建立連接而造成通信的中斷。

MOBMAC為移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了能量高效和低延遲的MAC層接入機(jī)制，考慮到節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來(lái)的多普勒效應(yīng)，采用自適應(yīng)調(diào)整幀長(zhǎng)度的方法，降低由多普勒效應(yīng)引起的丟包率。當(dāng)信道特性好的時(shí)候，增加每次傳送的幀長(zhǎng)度，以加快信息的傳輸；當(dāng)信道特性差的時(shí)候，減小幀的長(zhǎng)度。減小幀長(zhǎng)度有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：短幀與長(zhǎng)幀相比，需要的傳輸能量要低；短幀發(fā)生突發(fā)性錯(cuò)誤的幾率相對(duì)要小。MOBMAC采用可擴(kuò)展的卡爾馬濾波器預(yù)測(cè)算法根據(jù)現(xiàn)在及之前的信道特性，之前的幀長(zhǎng)度和協(xié)議開(kāi)銷來(lái)預(yù)測(cè)下一次要傳輸?shù)膸L(zhǎng)度，從而減少能耗，降低延遲。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，MOBMAC與SMAC相比，能夠減少60%的能量損耗，降低25%的延遲。

2、代理節(jié)點(diǎn)移動(dòng)型
Lang Tong提出一種SENMA（Sensor Network with Mobile Agents）[4]網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1(b)，SENMA有兩種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：傳感器節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)代理節(jié)點(diǎn)。低功耗和低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)的處理能力和通信能力有限，而移動(dòng)代理節(jié)點(diǎn)是功能強(qiáng)大的硬件單元，而且能夠在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)。在SENMA網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不需要時(shí)刻與傳感器節(jié)點(diǎn)通信，只有當(dāng)需要收集數(shù)據(jù)或進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)時(shí)才工作。這種網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)就是把復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、接入處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸、路由維護(hù)等工作由代理節(jié)點(diǎn)來(lái)完成，減輕傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)擔(dān)，傳感器節(jié)點(diǎn)是能量受限的，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能量可以補(bǔ)充。


圖2可以看出代理節(jié)點(diǎn)移動(dòng)型網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)：

（1）SENMA中，傳感器節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)代理通信，信號(hào)在自由空間中傳播，根據(jù)信號(hào)衰落與傳輸距離的關(guān)系可知，自由空間中信號(hào)的衰落與距離的二次方成正比。而右圖的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息沿地表傳播，信號(hào)衰落與距離的四次方成正比，從而信號(hào)傳播相同的距離所需的發(fā)射功率大。

（2）SENMA中不需要傳感器節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，消耗在接收信息上的能量很少。

（3）信息處理和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)由代理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，且SENMA是單跳網(wǎng)絡(luò)，不需要維護(hù)路由信息和鄰節(jié)點(diǎn)信息，因而花費(fèi)在控制上的能量開(kāi)銷要少。

SENMA在物理層利用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，MAC層采用機(jī)會(huì)型ALOHA隨機(jī)接入機(jī)制[5]。機(jī)會(huì)型ALOHA中每個(gè)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的發(fā)送概率判斷是否能發(fā)送，這個(gè)概率與移動(dòng)代理接收到的信號(hào)能量成正比。如果某節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙不發(fā)送數(shù)據(jù)，則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待下一時(shí)隙到來(lái)。

SENMA的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有先天的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，但其機(jī)會(huì)型ALOHA接入機(jī)制能否進(jìn)一步降低能耗還有待實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

美國(guó)Nice大學(xué)提出了“基于可預(yù)測(cè)移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法”[6]。利用可移動(dòng)的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)收集靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，有效地節(jié)約各傳感器的能源，通過(guò)預(yù)測(cè)中繼節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，縮短傳感器監(jiān)聽(tīng)通訊信道的時(shí)間，從而減少能源消耗，達(dá)到延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。但是在傳感器節(jié)點(diǎn)部署過(guò)密的情況下，對(duì)如何解決信道爭(zhēng)用的問(wèn)題沒(méi)有提出很好的解決方案。

UCLA大學(xué)提出的EAR（竊聽(tīng)登記， Eavesdrop-And- Register）算法[7]可用于為靜止節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供不間斷的服務(wù)，但這種算法只適用于體上保持靜止，且個(gè)別移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周圍有多個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。但這個(gè)接入算法可以做適當(dāng)?shù)男薷模苑洗砉?jié)點(diǎn)移動(dòng)型網(wǎng)絡(luò)。比如，把移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)當(dāng)作是能量不受限的代理節(jié)點(diǎn)。EAR算法能夠解決移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)信息交互的問(wèn)題，但在能量的有效性上還有待改進(jìn)的地方，例如，可以讓能量不受限的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)控制整個(gè)的接入過(guò)程，從而減少靜止節(jié)點(diǎn)周期性廣播消息的能耗等。

三、結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)及其各種應(yīng)用的需求，使得傳統(tǒng)的無(wú)線協(xié)議很難適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的引入，又對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體接入?yún)f(xié)議提出了新的挑戰(zhàn)。本文闡述了近年來(lái)國(guó)外對(duì)移動(dòng)性傳感器網(wǎng)絡(luò)所提出的一些設(shè)想和協(xié)議，為其進(jìn)一步的研究與改善奠定了基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)移動(dòng)性傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究比較滯后，存在很多亟待解決的問(wèn)題，需要更進(jìn)一步深入研究。



參考文獻(xiàn)
[1]Pham, H., Jha, S.; An adaptive mobility-aware MAC protocol for sensor networks (MS-MAC); Mobile Ad-hoc and Sensor Systems, 2004 IEEE International Conference on 25-27 Oct. 2004 Page(s):558 - 560
[2]Raviraj, P., Sharif, H., Hempel, M., Song Ci; MOBMAC - an energy efficient and low latency MAC for mobile wireless sensor networks; Systems Communications, 2005. Proceedings 14-17 Aug. 2005 Page(s):370 - 375
[3]Wei Ye, Heidemann, J., Estrin, D.; An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks; INFOCOM 2002. Twenty-First Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings. IEEE Volume 3, 23-27 June 2002 Page(s):1567 - 1576 vol.3
[4]Lang Tong, Qing Zhao, Adireddy S.; Sensor networks with mobile agents Military Communications Conference, 2003. MILCOM 2003. IEEE Volume 1, 13-16 Oct. 2003 Page(s):688 - 693 Vol.1
[5]Qin, X., Berry, R.; Exploiting multiuser diversity for medium access control in wireless networks; INFOCOM 2003. Twenty-Second Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. IEEE Volume 2, 30 March-3 April 2003 Page(s):1084 - 1094 vol.2
[6]Arnab Chakrabarti，Ashutosh Sabharwal，Behnaam Aazhang．Using Predictable Observer Mobility for Power—Efficient Design of Sensor Network
[7]K.Sohrabi, J.Gao,V.Ailawadhi; Protocols for self-organization of a wireless sensor network; IEEE Personal Communications, October 2000,16-27



Research On The Wireless Sensor Network With Mobility

Abstract: The application of the WSN technology is being more extensive as the research on the WSN getting deep, and the stationary network architecture can’t server the newly demand any more. Then, the mobile node is introduced in order to expand the application of WSN, but bring the technology challenges as well. In the paper, some typical protocols of mobile WSN is introduced, and the protocols mainly focus on the energy efficient in the MAC layer, which make much sense in the future research.

Keywords: WSN；mobility；MAC；energy efficient



作者簡(jiǎn)介：

鄭杰比，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。
聯(lián)系地址：北京郵電大學(xué)171信箱 郵編：100876
E-mail: jiebizheng@gmail.com 電話：13810811441
唐碧華，北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信
劉元安，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與電磁兼容
高錦春，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信