无线传感器网络功率控制技术研究.pdf
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武汉理工大学硕士学位论文无线传感器网络功率控制技术研究姓名:
尹海明申请学位级别:
硕士专业:
通信与信息系统指导教师:
李方敏20100401武汉理工大学硕士学位论文摘要无线传感器网络是由大量具有感知、数据处理和通信能力的微型传感器,通过自组织形式构成的网络。
通过节点间的分工协作,无线传感器网络可以实时监测、感知和传输网络分布区域内的各种环境或监测对象信息,极大地提高了传感器的监测面积和性能,被广泛地应用于国防、环境、医疗、救灾等各领域。
传感器节点由电池供电,而节点通常部署在难以更换电池的地区,因此,能量就成为传感器网络中一个非常关键的资源。
在传感器节点的能量消费中,无线传输的能耗占了其中的绝大部分。
因此如何进行传感器网络的传输功率控制,以低的能耗保证网络数据传输性能就成为了传感器网络中的关键问题。
本文结合无线传感器网络发展的动态,从能量效率的角度出发,对无线传感器网络功率控制技术进行了深入研究。
本文的主要工作包括以下几个方面:
(1)结合当前无线传感器网络功率控制的研究现状,整体上分析比较了无线传感器网络各层次的功率控制特点及性能优劣。
(2)着眼于MAC层功率控制,研究比较了两大类的MAC协议:
基于竞争的MAC层协议和基于调度的MAC协议。
立足于SMAC协议的节能机制的分析研究,指出了SMAC协议中固定睡眠时间的调度机制的不足之处,并提出了网络负载自适应占空比的改进。
(3)为了避免接入信道时高发的竞争,结合自适应功率控制思想,提出了一种综合了基于调度的MAC机制和自适应发送功率控制算法的增强型心协议(ADTPCLMAC)。
ADTPCLMAC基于调度的TDMA,将帧分割成时间槽,节点只在自己的槽位上通信。
同时,通过自适应的功率控制,网络中的节点以最佳发送功率发送数据。
利用NS2仿真工具对该协议和基于CSMA的MAC协议仿真对比证明该协议大大的减少了能量消耗。
关键词:
无线传感器网络,功率控制,CSMA,ADTPCLMACAbstractWSNs(Wirelesssensornetworks),whichcarlorganizeautonomously,iscomposedbythewirelesssensorswiththeabilityofsensing,dataprocessingandwirelesscommunicatingWSNsCanmonitorthetargetsandcollecttheinformationofenvironmentthroughthecooperationoflargeamountofsensorsSoitiswidelyusedinmilitarysensing,environmentalmonitoring,medicaltreatment,evensurveillance,etc-硼1esensornodes,oftenbatterypowered,areusuallydeployedinharshareaswhereitisdifficulttoreplacethebatteryConsequently,itleadsenergytobeacriticalresourceinwrielesssensornetworksTheenergyconsumptioncausedbywirelesstransmissionistllemainsourceofenergyconsumptionHence,howtocontrolthepoweroftheradioduringtransmissiontosatisfydatatransmissionrequirement册伪lowenergyconsumptionbecomesanimportantprobleminWSNsCombiningwiththedynamicdevelopmentofwirelesssensornetworks,thispapertakesoveranin-depthstudyuponpowercontroltechnologyforWSNs,fromtheperspectiveofenergyefficiencyThemaintasksofthispaperareasthefollowing:
(1)CombiningwiththecurrentresearchstatusoverpowercontrolinWSNs,thispaperanalyzesthepowercontrolfeaturesofallthenetworklevelsinWSNsandgivesthecomparisons
(2)FocusingonMAClayerpowercontrol,thispapergivestheanalysisofthetwokindMACprotocol:
contention-basedMACprotocolandschedule-basedMACprotoc01BeginningwiththeanalysisofenergysavingmechanisminSMAC,thepaperpohatsoutthedeficienciesofthe做edsleepingtimemechanismofSMAC,andproposesanadaptivedutycyclewiththetrafficloadtoimprovenetworkservices(3)Toavoidthehighincidenceofcontentionwhensensornodestrytoaccesstothechannel,thispaperproposesaschedule-basedenhancedmediumaCCeSScontrolprotoc01withadaptivetransmissionpowercontrol,combinedwiththeadaptivetl椰missionpowercontrolalgorithmThemediumaccesscontrolprotocolISbasedII堕鎏里三奎兰堡主兰垡笙壅一__一一uponTDMATimeisdividedintotimeslotstimeslots,whichnodescanuseto纽叽sferdatawithouthavingtocontentfortllemediumorhavingtodealwithenergywastingcollisionsoftransmissionsAtthesametime,throughtheadaptiVenansmissionpowercontrolalgorithm,thenodesinWSNstransmitsthepacketwithoptimalenergyconsumptionThesimulationunderNS2givesthecomparisonbetweentheproposedprotocolandtheCSMAbasedMACprotocol,andtheresultprovesthattheproposedprotocolinthispapercailsaveenergydrasticallyKeywords:
wirelesssensornetworks,powercontrol,CSMA,ADTPC-LMACIII独创性声明本人声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特曼Itljjn以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名:
尊啦啤日期:
盔绁丝学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:
学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
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同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文,并向社会公众提供信息服务。
(保密的论文在解密后应遵守此规定)雠)和忏湓疹沙州y武汉理工大学硕士学位论文11引言第1章绪论近年,随着MEMS(微机系统技术)和低功耗高集成度电子设备的发展,引起了低成本、低功耗、微小体积传感器节点的出现【l】。
这些的微节点由传感部件,数据处理单元,通信模块和电源模块构成,可以完成数据采集、环境信号检测和信息收发的任务。
随着无线传感器通信技术的发展,通信界提出了无线传感器网络技术,并因为无线传感器网络在全球各领域的广泛应用而引起人们越来越多的高度重视。
无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线媒质连接构成的无线网络结构,它采用adhoc方式配置大量微型的智能传感节点,通过节点的协同配合来采集、收发和处理该网络覆盖区域中的目标信息。
无线传感器网络当前在国内外备受人们关注的、由多个学科高度交叉融合的新兴前沿高科技研究热点领域【2】。
融合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代高科技网络及无线通信相关技术、分布式数据和信息处理技术等的无线传感器网络,可以经过各种高度集成的微传感器互相合作地实时检测、感觉和采集各种环境或者受监控对象的信息,并通过嵌入式计算机系统对数据执行处理,可以协作地进行实时监测、感觉和采集目标监测对象或环境信息并加以处理,传送到需要此类信息的终端用户,或者经过随机、自组织式无线网络以多跳中继的方式将所感觉到的信息发送给用户终端。
从而真实性的做到“无处不在的计算”理念,因此无线传感器通信网络被认为是在二十一世纪里对社会经济的方方面面产生非凡影响力的技术之一。
无线传感器网络具有如下优点:
可靠性好、精确性高、灵敏度高以及智能化水平强。
由于其显著优点,无线传感器网络在环境、国防、生态、医疗、抢险、救灾等许多领域得到了广泛的运用。
WSNs的非凡价值引起了工业界和学术界的浓厚兴趣,并给予了高度的关注。
在预测未来技术发展的报告中,无线传感器网络被2003年MIT的技术评论列为改变世界的十大新技术之一。
美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络的研究计划,投资了3400万美元,支持相关基础理论研究【3】。
美国的国防部也在无线传感器网络上投上了重视的目光,开展了相关军用传感器网络研究项目,如闻名的美届国防部Senslt计划。
美国MIT,Berkely,Comell,武汉理工大学硕士学位论文南加州大学以及Intel,Microsott,Crossbow,唧,欧姆龙等大公司均大规模的投入大量智力,财力用于研究开发传感器网络相关的技术和产品。
国家自然科学基金在2400年就将无线传感器网络指定为重要研究项目,并于2005、2006逐年加大了对无线传感器网络中基本理论和关键技术的研究投入。
国内的清华大学,中科院等知名的科研机构也在部署并开展相关研究工作,取得了一些进展。
12无线传感器器网络的特点1、网络拓扑结构具有随机性在无线传感器网络的实际应用中,往往需要布置数以千计、万计的节点,这些节点用以完成实际的检测任务。
然而,节点所处的实际环境有可能充满着危险,比如在战场上以及其他条件及其恶劣的环境里,因此传感用的智能节点被大量地安装在子弹等军事类设备上,由大炮、枪械发射,或通过飞机朝着欲布置地域喷洒,形成所需的目标监视网络。
因为才用的是随机布置方式,形成的网络拓扑结构一定是随机不稳定的【4,卯。
2、网络能量受限因为无线传感器网络应用的特殊性,传感器节点都采用电池供电。
电池的能量有限,而且节点所处的实际应用环境往往使得更换电池这样的事情变得不可能。
这就要求对网络采用功率控制技术,使得节点工作能量少,最大限度的节省能量开支,延长网络的生存时间。
而传统网络结构中的通信“节点”不是用电池供电,无需担心电量问题,基于传统无线网络设计的无线通信网络协议在设计上没考虑电量消费,不适于新兴的无线传感器网络。
所以,为了处理好能耗问题,考虑无线传感器网络的特点,必须有对应的新的通信协议。
3、网络自组织性无线传感器网络上的通信协议还必须做到如下要求:
可完成节点的自动组网,为了防止恶意攻击行为或非法入侵,从安全角度出发还必须对新入网的节点进行身份认证,维护网络的安全。
无线传感器网络中,如何去布置好整个网络是一难点,因为并非在指定预先地点上布置节点,网络拓扑结构是随机的,没法预料。
虽然adhoc方式可以加以借鉴,但adhoc中的协议也不适用无线传感器网络。
要使整个WSNs工作正常,整个网络无线链路上传输的数据报量必须得到有效的保障,而这必须通过对应该网络特性的无线通信协议来确保,只2武汉理工大学硕士学位论文有路由信息、能量信息之类的与其他节点相关的数据才在无人干涉的场景下在无线传感器网络中自动运行。
在无线传感器网络中,数据处理功能经由节点上内含的数据处理模块来完成,同时,数据处理单元还可对数据进行融合,以减少无线信道上数据发送接收的次数。
由于在整个监控领域中,节点坐标位置的随机性,加之网络区域中节点密度可能存在很大的不同,在节点密度较小的地方可能会出现一些邻近节点电池电量用完而退网的情况,导致网内其他节点由于这部分节点的退网无法接入网络,进而使监测数据丢失。
为了为了应付以上情况,就需要在网络中准备一些冗余节点,而使检测地域的数据不会丢失,自适应性是无线传感器网络的又一个特点16j。
4、与移动adhoc网络的区别与传统的移动adhoc网络相比,无线传感器网络存在许多相同或相似的地方,但也存在很大的不同,传统的adhoc网络是针对信息数据传输,怎么加强带QOS保障的数据传送率是adhoc主要的性能标准,无线传感器网络中,因为网络中节点能量有限,能量受限制,怎样延长整个网络的生存时间是最主要的性能指标【178,9】;无线传感器网络中节点一般是静止,然而,移动adhoc网络中的节点可以进行点对点通信,传感网络依靠被测区域中大量集群、高密度的节点来获取信息,而adhoe通过移动的网络设备获取数据。
13无线传感器网络功率控制的积极意义与他的传统网络不同,无线传感器网络网络节点以自组织的方式部署。
因此无线传感器网络必须有可靠的自适应性、自组织性和鲁棒性,还要求有分布式的网络协议和算法【l。
此外,无线传感器网络资源受限,网络节点的能量、计算能力和数据存储能力都非常有限,特别是能量上,限制最为严重。
能量的受限性,决定了网络第一目标是以节省能量提高能量效率为出发点。
无线传感器网络是一种以数据为中心的网络结构体系。
无线传感器网络中,网络以数据为中心,与其他传统无线网络相比有很多不同,无线传感器网络是特别的无线自组织无线网络,主要功能是网络通过被测地区中许许多多高密度、集群的节点来获取信息并发往目的节点,其通信模式是集中式的,而且由于目的节点与源节点距离比较远,数据必须经过多个节点协作转发,即多跳传输。
无线自组织传感器网络功率控制需要满足的要求是:
3武汉理工大学硕士学位论文分布式:
要求功率控制算法能在网络中的所有节点上分别独立运行;简单性:
具备实时性,不能消费过多的计算资源;灵活性:
对于信道环境的变化能快速的作出反应,以及由于节点移动而造成网络拓扑改变;可扩展性:
在不同网络环境,不同网络规模下都可运作;健壮性:
能针对一些突发、突然时间作出积极应对、响应。
设计功率控制算法,确保算法的可靠性、精确性。
要结合对上述功率控制机制严格提出的要求,综合考虑不同网络因素。
网络中布置的传感器节点体积微小,只能携带能量十分有限的电池,能量成为了一个十分关键的资源【11,12】。
无线传感器网络功率控制中,能量有效性、网络生存时间,连通性、时效性、网络吞吐能力等性能,都具有巨大的研究意义:
(1)提高能量有效性,延长网络生命周期节点中的通信模块的能量消耗是无线传感器网络中最主要的能耗来源。
因此,减少节点消耗的通信费用,尤其是发射信号的费用,是延长传感器网络生命周期的有效途径13,14,15】。
(2)优化网络拓扑,防止网络割裂无线网络的拓扑结构、连通性和节点的发射功率大小有关。
如果节点的发射功率过小,则可能导致一些节点没有办法接入网络,造成网络的割裂;而发送功率过大,则会使得节点间相互的竞争强大增大,同时造成能量的浪费。
通过功率控制技术来调控网络的拓扑特性,主要就是一个最优的功率及相应的控制策略,在确保网络中节点连通的同时提供优秀的网络拓扑,同时不必要的传输能量消耗【161。
(3)增大网络容量功率控制对网络容量的影响表现在可使数据传输节点对其相邻节点的影响变小,也就是传输节点所能干扰到的邻居节点数量减少,从而允许更多的并发数据传输,因而增大网络的容量。
(4)跨层优化设计功率控制是一个典型的跨层优化问题,对无线传感器网络各层协议的性能都具有较大影响【171。
基于功率控制的跨层优化可以将协议栈各层的相关性能信息分别标识出来,使其可被其他协议层所使用。
这种各层之间全局性能信息的交互和协作,使得协议能够更好的使用不同应用的要求和网络状态的变化,并4武汉理工大学硕士学位论文可根据系统的应用目标、约束条件和网络特征采取相应的优化策略,提高系统整体性能,实现用户对于不同服务目的和质量的要求。
14本文的研究内容和组织结构本文重点研究眦层的功率控制,将功率控制技术融合于无线传感器网络MAC层协议,把MAC层和物理层设计充分结合起来,从通信节点间关系来研究无线传感器网络MAC协议。
通过着眼于MAC层的功率控制,结合无线传感器网络的发展动态,对无线传感器网络中的MAC层能量消耗和现有的相关协议机制进行了深入的分析研究。
本文还重点分析了著名的自适应发送功率控制算法,并在深入研究了无线传感器网络MAC协议基础上,从能量效率的角度出发,给出了一种综合了基于调度的MAC机制和自适应发送功率控制算法的增强型MAC协议。
通过引入时槽机制。
ADTPCL心解决了无线传感器网络中惯有的问题,如过度的空闲侦听和隐藏终端问题。
节点只在分配的时槽上发送数据而在其他非己占有时槽上则保持睡眠。
此外ADTPCLMAC还集成了自适应功率控制机制,节点通过使用最佳发送功率级发送报文,有效节省能量的同时又不会降低数据报到达率。
与CSMA的仿真比较结果表明,本文提出的协议提供更佳的数据报送达率,并且极大的延长了网络生存时间。
通过这些工作,为将来的后续研究工作打下了坚实的基础。
本论文共分为六章。
第1章为绪论,主要介绍无线传感器网络的研究背景和现状,以及无线传感器网络功率控制的研究意义,并介绍了本文的主要工作。
第2章对无线传感器网络功率控制作了概述,分析了现有的无线传感器网络功率控制的主要技术,对各网络层次结构上的功率控制机制进行了比较分析。
第3章首先概述了无线传感器网络眦功率控制协议,对基于竞争的MAC协议和基于TDMA时隙调度的MAC协议进行了比较分析。
立足于SMAC协议的节能机制的分析研究,指出了SMAC协议中固定睡眠时间的调度机制的不足之处,并提出了网络业务自适应占空比的改进。
NS2仿真结果显示,根据网络流量自适应的调整占空比可以灵活的改变节点的
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