能量高效的无线传感器网络研究

【摘要】： 无线传感器网络(WSNs)由分布在一定区域内的大量传感器节点组成，节点间通过无线通信形成一个自组织的网络，其主要功能是由节点采集物理信息，进行一定处理后传给一个或多个的汇聚节点。由于传感器节点的资源有限，一般由电池供电且不可更新，因此能量效率是无线传感器网络研究所关心的首要问题。本论文就无线传感器网络中的部分关键技术进行研究，主要包括无线传感器网络媒体接入控制协议(MAC)、移动无线传感器网络(mWSNs)和利用节点数据相关性进行信息压缩的问题。其目的是在保证网络性能的前提下，尽可能提高能量效率，以适应无线传感器网络的应用要求。 在无线传感器网络中，通信模块是能量消耗的主要部分。媒体接入控制协议(MAC)直接控制着通信模块的唤醒和休眠，是影响无线传感器网络能量效率的重要方面。本文对无线传感器网络中的MAC协议进行了介绍，并提出了两种新的MAC协议：SS-MAC(Synchronized Sensor MAC)和AS-MAC(Adaptive Schedule MAC)。SS-MAC针对S-MAC(Sensor MAC)中存在的“簇边界问题”，即簇边界节点相对于簇内节点能量消耗要快，提出了改进的算法。SS-MAC以簇内节点数为标准来进行簇的合并，消除边界节点，从而提高了MAC层的能量效率，使网络连通性得到提高。在AS-MAC中，对无线传感器网络MAC协议中节点休眠对能量效率、数据传送时延和网络吞吐量等性能的影响进行了分析，提出了一种自适应的无线传感器网络MAC层协议。该协议在保证能量效率的同时，节点根据数据传送方向和负载大小自动调整唤醒的相位和周期，从而获得了良好的时延和吞吐量性能。 以往的无线传感器网络主要是静态的。近来，存在移动节点的无线传感器网络(mWSNs)开始出现。由于节点移动的影响，以往的网络协议性能会大幅度降低。本文从三个方面对存在移动节点的无线传感器网络进行了分析，包括MAC协议、路由协议和时钟同步等。在MAC协议中，首先在S-MAC的基础上提出了改进算法，以提高存在少量移动节点情况下的性能。继而又提出了一种新的适合大量节点移动的MAC协议MAMAC(Mobility-Adaptive MAC)。在路由协议方面，介绍了移动无线传感器网络路由协议设计的现状和主要思路。在时钟同步方面，主要对基于扩散的时钟同步方法进行了研究，分析了其在移动环境下的性能，并给出了两种提高时钟收敛速度的方法。 无线传感器网络的应用特点使相邻节点间的数据具有较大的相关性，利用这种相关性对数据进行压缩以减少数据传输量，是无线传感器网络研究中降低能量消耗的重要思想。数据融合和分布式信源编码是其中两种主要的方法，本文对这两种方法进行了介绍。在采用数据融合或分布式信源编码时，对网络的架构有一定的要求，网络架构直接影响着网内的信息压缩效率。这种影响在数据融合中主要体现在网络层，即路由结构上；在分布式信源编码中主要体现在应用层，即确定哪些节点传送边信息，哪些节点根据边信息进行压缩的问题。本文着重对采用分布式信源编码时的网络架构进行了研究，提出了一种动态分簇的方法，网络根据具体的拓扑动态地进行分簇，节点依据簇内信息进行压缩，从而降低了实现复杂度，同时保持了较好的压缩效率。 最后部分对未来的研究工作进行了展望，简单介绍了水下无线传感器网络(UWSNs)和视频无线传感器网络(VSNs)，以及跨层协议设计等。