移動性無線傳感器網絡的研究
摘 要:隨著無線傳感器網絡研究的深入，其應用愈加廣泛，固定的網絡結構已無法滿足新增的需要，移動節點的引入擴展了無線傳感器的應用領域，也帶來了技術上的挑戰。本文介紹了一些移動性無線傳感器網絡的典型協議，主要關注MAC層的節能算法，以便于無線傳感器網絡MAC層協議的進一步研究和改進。
關鍵詞:無線傳感器網絡；移動；MAC；節能
中圖分類號：TN919.2 文獻標識碼：A
一、引言
無線傳感器網絡作為微機電、通信和傳感器三種技術相結合的產物，已成為計算機與通信領域的一個研究熱點。無線傳感器網絡的應用前景廣闊，能夠廣泛應用于軍事、環境監測和預報、健康護理、智能家居等領域，隨著對無線傳感器研究的深入和成熟，傳感器網絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。目前，國內外對無線傳感器的研究主要針對無線傳感器網絡能量受限的特點，提出了很多節能的MAC協議和路由協議等。然而多數的研究局限于所有傳感器節點都是靜止的情況，不滿足某些需要移動節點的應用，比如監測野生動物的生活，追蹤病人的心跳情況等等，節點總是處于不斷的運動中，同時引進移動節點還可以拓寬網絡空間的采樣能力，例如在應用移動節點收集其他靜止節點的數據，作為一種信息收集槽。
無線傳感器網絡中，可能造成網絡能量浪費的主要原因有：傳輸信息發生沖突、節點接收并處理不必要的數據（串音現象）、過度空閑偵聽、控制消息過多等。MAC子層的主要任務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。因此，MAC層協議的設計對無線傳感器網絡能量高效利用有重要的意義。
本文介紹了兩種移動性無線傳感器網絡，一種是普通節點移動型，一種是代理節點（或中繼節點）移動型，同時闡述了兩者的研究現狀，以便對移動性無線傳感器進行進一步的研究和改進。
二、移動性無線傳感器網絡模型
根據移動的節點的功能不同，把移動性無線傳感器網絡分為兩類：一種是普通節點移動型，一種是代理節點（或中繼節點）移動型。下面分別對這兩種節點進行介紹和分析。
1、普通節點移動型
這種網絡模型具有分布式結構，各個節點的功能一樣，沒有主協調點和次要節點之分，類似于Flat Ad Hoc網絡節點，如圖1（a）。節點由于某種原因隨時可能離開當前的網絡，或進入新的網絡，就會帶來一系列的接入問題：如何判斷節點離開/進入一個網絡；網絡如何適應節點的變化；節點間如何交互等等。對其它的移動網絡，例如移動電話或移動Ad Hoc網絡，已經有很多很好地解決其移動性的方案，但這些方案并不適用于無線傳感器網絡，由于無線傳感器網絡是能量受限型網絡，網絡協議的設計必須考慮能量損耗的問題。
目前有兩種針對這種網絡模型的能量高效的MAC接入協議：MS-MAC [1]和 MOBMAC [2]，這兩個協議都是建立在SMAC[3]協議的基礎之上，考慮了節點移動性帶來的接入和能耗問題。
MS-MAC提出了一種快速建立連接的機制，即根據接收到的信號變化來判斷移動性，在需要時啟動移動處理機制。在沒有節點移動或者移動節點只在一個虛擬簇中移動的情況下，按SMAC機制工作；當移動節點要穿越虛擬簇邊界時，移動節點和其周圍的節點（一般兩跳內的節點）形成一個“動態域”，如圖2，動態域中的節點一直保持工作模式，直到移動節點與新簇的節點建立。這種方式可以避免了移動節點來不及與新網絡建立連接而造成通信的中斷。
MOBMAC為移動傳感器網絡提供了能量高效和低延遲的MAC層接入機制，考慮到節點移動帶來的多普勒效應，采用自適應調整幀長度的方法，降低由多普勒效應引起的丟包率。當信道特性好的時候，增加每次傳送的幀長度，以加快信息的傳輸；當信道特性差的時候，減小幀的長度。減小幀長度有兩個優點：短幀與長幀相比，需要的傳輸能量要低；短幀發生突發性錯誤的幾率相對要小。MOBMAC采用可擴展的卡爾馬濾波器預測算法根據現在及之前的信道特性，之前的幀長度和協議開銷來預測下一次要傳輸的幀長度，從而減少能耗，降低延遲。通過實驗比較發現，MOBMAC與SMAC相比，能夠減少60%的能量損耗，降低25%的延遲。
2、代理節點移動型
Lang Tong提出一種SENMA（Sensor Network with Mobile Agents）[4]網絡模型，如圖1(b)，SENMA有兩種網絡節點：傳感器節點和移動代理節點。低功耗和低成本的傳感器節點的處理能力和通信能力有限，而移動代理節點是功能強大的硬件單元，而且能夠在整個傳感器網絡中移動。在SENMA網絡中，移動節點不需要時刻與傳感器節點通信，只有當需要收集數據或進行網絡維護時才工作。這種網絡的最大優點就是把復雜的數據處理、接入處理、數據轉發傳輸、路由維護等工作由代理節點來完成，減輕傳感器網絡的能量負擔，傳感器節點是能量受限的，移動節點能量可以補充。
圖2可以看出代理節點移動型網絡在節能方面的優勢：
（1）SENMA中，傳感器節點與移動代理通信，信號在自由空間中傳播，根據信號衰落與傳輸距離的關系可知，自由空間中信號的衰落與距離的二次方成正比。而右圖的網絡節點間的信息沿地表傳播，信號衰落與距離的四次方成正比，從而信號傳播相同的距離所需的發射功率大。
（2）SENMA中不需要傳感器節點存儲轉發數據，消耗在接收信息上的能量很少。
（3）信息處理和網絡維護由代理節點進行，且SENMA是單跳網絡，不需要維護路由信息和鄰節點信息，因而花費在控制上的能量開銷要少。
SENMA在物理層利用直接序列擴頻技術，MAC層采用機會型ALOHA隨機接入機制[5]。機會型ALOHA中每個需要發送數據的節點根據自己的發送概率判斷是否能發送，這個概率與移動代理接收到的信號能量成正比。如果某節點在當前時隙不發送數據，則進入睡眠狀態，等待下一時隙到來。
SENMA的網絡結構有先天的節能優勢，但其機會型ALOHA接入機制能否進一步降低能耗還有待實驗的檢驗。
美國Nice大學提出了“基于可預測移動中繼節點的靜態網絡實現方法”[6]。利用可移動的中繼節點來收集靜態傳感器網絡的數據，有效地節約各傳感器的能源，通過預測中繼節點的運動，縮短傳感器監聽通訊信道的時間，從而減少能源消耗，達到延長傳感器網絡生存周期的目的。但是在傳感器節點部署過密的情況下，對如何解決信道爭用的問題沒有提出很好的解決方案。
UCLA大學提出的EAR（竊聽登記， Eavesdrop-And- Register）算法[7]可用于為靜止節點和移動節點提供不間斷的服務，但這種算法只適用于體上保持靜止，且個別移動節點周圍有多個靜止節點的網絡。但這個接入算法可以做適當的修改，以符合代理節點移動型網絡。比如，把移動的節點當作是能量不受限的代理節點。EAR算法能夠解決移動節點的接入時信息交互的問題，但在能量的有效性上還有待改進的地方，例如，可以讓能量不受限的移動節點控制整個的接入過程，從而減少靜止節點周期性廣播消息的能耗等。
三、結束語
無線傳感器網絡自身的特點及其各種應用的需求，使得傳統的無線協議很難適用于無線傳感器網絡中，同時，移動節點的引入，又對無線傳感器網絡媒體接入協議提出了新的挑戰。本文闡述了近年來國外對移動性傳感器網絡所提出的一些設想和協議，為其進一步的研究與改善奠定了基礎。目前，國內對移動性傳感器網絡的研究比較滯后，存在很多亟待解決的問題，需要更進一步深入研究。
參考文獻
[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
作者簡介：
鄭杰比，北京郵電大學電信工程學院研究生，主要研究方向為無線通信。
聯系地址：北京郵電大學171信箱 郵編：100876
E-mail: jiebizheng@gmail.com 電話：13810811441
唐碧華，北京郵電大學電子工程學院副教授，碩士生導師，主要研究方向為移動通信
劉元安，北京郵電大學電信工程學院教授，博士生導師，主要研究方向為移動通信與電磁兼容
高錦春，北京郵電大學電信工程學院教授，碩士生導師，主要研究方向為無線通信
關鍵詞:無線傳感器網絡；移動；MAC；節能
中圖分類號：TN919.2 文獻標識碼：A
一、引言
無線傳感器網絡作為微機電、通信和傳感器三種技術相結合的產物，已成為計算機與通信領域的一個研究熱點。無線傳感器網絡的應用前景廣闊，能夠廣泛應用于軍事、環境監測和預報、健康護理、智能家居等領域，隨著對無線傳感器研究的深入和成熟，傳感器網絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。目前，國內外對無線傳感器的研究主要針對無線傳感器網絡能量受限的特點，提出了很多節能的MAC協議和路由協議等。然而多數的研究局限于所有傳感器節點都是靜止的情況，不滿足某些需要移動節點的應用，比如監測野生動物的生活，追蹤病人的心跳情況等等，節點總是處于不斷的運動中，同時引進移動節點還可以拓寬網絡空間的采樣能力，例如在應用移動節點收集其他靜止節點的數據，作為一種信息收集槽。
無線傳感器網絡中，可能造成網絡能量浪費的主要原因有：傳輸信息發生沖突、節點接收并處理不必要的數據（串音現象）、過度空閑偵聽、控制消息過多等。MAC子層的主要任務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。因此，MAC層協議的設計對無線傳感器網絡能量高效利用有重要的意義。
本文介紹了兩種移動性無線傳感器網絡，一種是普通節點移動型，一種是代理節點（或中繼節點）移動型，同時闡述了兩者的研究現狀，以便對移動性無線傳感器進行進一步的研究和改進。
二、移動性無線傳感器網絡模型
根據移動的節點的功能不同，把移動性無線傳感器網絡分為兩類：一種是普通節點移動型，一種是代理節點（或中繼節點）移動型。下面分別對這兩種節點進行介紹和分析。
1、普通節點移動型
這種網絡模型具有分布式結構，各個節點的功能一樣，沒有主協調點和次要節點之分，類似于Flat Ad Hoc網絡節點，如圖1（a）。節點由于某種原因隨時可能離開當前的網絡，或進入新的網絡，就會帶來一系列的接入問題：如何判斷節點離開/進入一個網絡；網絡如何適應節點的變化；節點間如何交互等等。對其它的移動網絡，例如移動電話或移動Ad Hoc網絡，已經有很多很好地解決其移動性的方案，但這些方案并不適用于無線傳感器網絡，由于無線傳感器網絡是能量受限型網絡，網絡協議的設計必須考慮能量損耗的問題。
目前有兩種針對這種網絡模型的能量高效的MAC接入協議：MS-MAC [1]和 MOBMAC [2]，這兩個協議都是建立在SMAC[3]協議的基礎之上，考慮了節點移動性帶來的接入和能耗問題。
MS-MAC提出了一種快速建立連接的機制，即根據接收到的信號變化來判斷移動性，在需要時啟動移動處理機制。在沒有節點移動或者移動節點只在一個虛擬簇中移動的情況下，按SMAC機制工作；當移動節點要穿越虛擬簇邊界時，移動節點和其周圍的節點（一般兩跳內的節點）形成一個“動態域”，如圖2，動態域中的節點一直保持工作模式，直到移動節點與新簇的節點建立。這種方式可以避免了移動節點來不及與新網絡建立連接而造成通信的中斷。
MOBMAC為移動傳感器網絡提供了能量高效和低延遲的MAC層接入機制，考慮到節點移動帶來的多普勒效應，采用自適應調整幀長度的方法，降低由多普勒效應引起的丟包率。當信道特性好的時候，增加每次傳送的幀長度，以加快信息的傳輸；當信道特性差的時候，減小幀的長度。減小幀長度有兩個優點：短幀與長幀相比，需要的傳輸能量要低；短幀發生突發性錯誤的幾率相對要小。MOBMAC采用可擴展的卡爾馬濾波器預測算法根據現在及之前的信道特性，之前的幀長度和協議開銷來預測下一次要傳輸的幀長度，從而減少能耗，降低延遲。通過實驗比較發現，MOBMAC與SMAC相比，能夠減少60%的能量損耗，降低25%的延遲。
2、代理節點移動型
Lang Tong提出一種SENMA（Sensor Network with Mobile Agents）[4]網絡模型，如圖1(b)，SENMA有兩種網絡節點：傳感器節點和移動代理節點。低功耗和低成本的傳感器節點的處理能力和通信能力有限，而移動代理節點是功能強大的硬件單元，而且能夠在整個傳感器網絡中移動。在SENMA網絡中，移動節點不需要時刻與傳感器節點通信，只有當需要收集數據或進行網絡維護時才工作。這種網絡的最大優點就是把復雜的數據處理、接入處理、數據轉發傳輸、路由維護等工作由代理節點來完成，減輕傳感器網絡的能量負擔，傳感器節點是能量受限的，移動節點能量可以補充。
圖2可以看出代理節點移動型網絡在節能方面的優勢：
（1）SENMA中，傳感器節點與移動代理通信，信號在自由空間中傳播，根據信號衰落與傳輸距離的關系可知，自由空間中信號的衰落與距離的二次方成正比。而右圖的網絡節點間的信息沿地表傳播，信號衰落與距離的四次方成正比，從而信號傳播相同的距離所需的發射功率大。
（2）SENMA中不需要傳感器節點存儲轉發數據，消耗在接收信息上的能量很少。
（3）信息處理和網絡維護由代理節點進行，且SENMA是單跳網絡，不需要維護路由信息和鄰節點信息，因而花費在控制上的能量開銷要少。
SENMA在物理層利用直接序列擴頻技術，MAC層采用機會型ALOHA隨機接入機制[5]。機會型ALOHA中每個需要發送數據的節點根據自己的發送概率判斷是否能發送，這個概率與移動代理接收到的信號能量成正比。如果某節點在當前時隙不發送數據，則進入睡眠狀態，等待下一時隙到來。
SENMA的網絡結構有先天的節能優勢，但其機會型ALOHA接入機制能否進一步降低能耗還有待實驗的檢驗。
美國Nice大學提出了“基于可預測移動中繼節點的靜態網絡實現方法”[6]。利用可移動的中繼節點來收集靜態傳感器網絡的數據，有效地節約各傳感器的能源，通過預測中繼節點的運動，縮短傳感器監聽通訊信道的時間，從而減少能源消耗，達到延長傳感器網絡生存周期的目的。但是在傳感器節點部署過密的情況下，對如何解決信道爭用的問題沒有提出很好的解決方案。
UCLA大學提出的EAR（竊聽登記， Eavesdrop-And- Register）算法[7]可用于為靜止節點和移動節點提供不間斷的服務，但這種算法只適用于體上保持靜止，且個別移動節點周圍有多個靜止節點的網絡。但這個接入算法可以做適當的修改，以符合代理節點移動型網絡。比如，把移動的節點當作是能量不受限的代理節點。EAR算法能夠解決移動節點的接入時信息交互的問題，但在能量的有效性上還有待改進的地方，例如，可以讓能量不受限的移動節點控制整個的接入過程，從而減少靜止節點周期性廣播消息的能耗等。
三、結束語
無線傳感器網絡自身的特點及其各種應用的需求，使得傳統的無線協議很難適用于無線傳感器網絡中，同時，移動節點的引入，又對無線傳感器網絡媒體接入協議提出了新的挑戰。本文闡述了近年來國外對移動性傳感器網絡所提出的一些設想和協議，為其進一步的研究與改善奠定了基礎。目前，國內對移動性傳感器網絡的研究比較滯后，存在很多亟待解決的問題，需要更進一步深入研究。
參考文獻
[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
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[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
作者簡介：
鄭杰比，北京郵電大學電信工程學院研究生，主要研究方向為無線通信。
聯系地址：北京郵電大學171信箱 郵編：100876
E-mail: jiebizheng@gmail.com 電話：13810811441
唐碧華，北京郵電大學電子工程學院副教授，碩士生導師，主要研究方向為移動通信
劉元安，北京郵電大學電信工程學院教授，博士生導師，主要研究方向為移動通信與電磁兼容
高錦春，北京郵電大學電信工程學院教授，碩士生導師，主要研究方向為無線通信
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