移動(dòng)性無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究

一、引言 

    無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為微機電、通信和傳感器三種技術(shù)相結合的產(chǎn)物，已成為計算機與通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用前景廣闊，能夠廣泛應用于軍事、環(huán)境監測和預報、健康護理、智能家居等領(lǐng)域，隨著(zhù)對無(wú)線(xiàn)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(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域。目前，國內外對無(wú)線(xiàn)傳感器的研究主要針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能量受限的特點(diǎn)，提出了很多節能的MAC協(xié)議和路由協(xié)議等。然而多數的研究局限于所有傳感器節點(diǎn)都是靜止的情況，不滿(mǎn)足某些需要移動(dòng)節點(diǎn)的應用，比如監測野生動(dòng)物的生活，追蹤病人的心跳情況等等，節點(diǎn)總是處于不斷的運動(dòng)中，同時(shí)引進(jìn)移動(dòng)節點(diǎn)還可以拓寬網(wǎng)絡(luò )空間的采樣能力，例如在應用移動(dòng)節點(diǎn)收集其他靜止節點(diǎn)的數據，作為一種信息收集槽。 

    無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，可能造成網(wǎng)絡(luò )能量浪費的主要原因有：傳輸信息發(fā)生沖突、節點(diǎn)接收并處理不必要的數據（串音現象）、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。因此，MAC層協(xié)議的設計對無(wú)線(xiàn)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，一種是普通節點(diǎn)移動(dòng)型，一種是代理節點(diǎn)（或中繼節點(diǎn)）移動(dòng)型，同時(shí)闡述了兩者的研究現狀，以便對移動(dòng)性無(wú)線(xiàn)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )模型 
    根據移動(dòng)的節點(diǎn)的功能不同，把移動(dòng)性無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )分為兩類(lèi)：一種是普通節點(diǎn)移動(dòng)型，一種是代理節點(diǎn)（或中繼節點(diǎn)）移動(dòng)型。下面分別對這兩種節點(diǎn)進(jìn)行介紹和分析。

1、普通節點(diǎn)移動(dòng)型 
     這種網(wǎng)絡(luò )模型具有分布式結構，各個(gè)節點(diǎn)的功能一樣，沒(méi)有主協(xié)調點(diǎn)和次要節點(diǎn)之分，類(lèi)似于Flat Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，如圖1（a）。節點(diǎn)由于某種原因隨時(shí)可能離開(kāi)當前的網(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：如何判斷節點(diǎn)離開(kāi)/進(jìn)入一個(gè)網(wǎng)絡(luò )；網(wǎng)絡(luò )如何適應節點(diǎn)的變化；節點(diǎn)間如何交互等等。對其它的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，例如移動(dòng)電話(huà)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是能量受限型網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的設計必須考慮能量損耗的問(wèn)題。 

    目前有兩種針對這種網(wǎng)絡(luò )模型的能量高效的MAC接入協(xié)議：MS-MAC [1]和 MOBMAC [2]，這兩個(gè)協(xié)議都是建立在SMAC[3]協(xié)議的基礎之上，考慮了節點(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制，即根據接收到的信號變化來(lái)判斷移動(dòng)性，在需要時(shí)啟動(dòng)移動(dòng)處理機制。在沒(méi)有節點(diǎn)移動(dòng)或者移動(dòng)節點(diǎn)只在一個(gè)虛擬簇中移動(dòng)的情況下，按SMAC機制工作；當移動(dòng)節點(diǎn)要穿越虛擬簇邊界時(shí)，移動(dòng)節點(diǎn)和其周?chē)墓濣c(diǎn)（一般兩跳內的節點(diǎn)）形成一個(gè)“動(dòng)態(tài)域”，如圖2，動(dòng)態(tài)域中的節點(diǎn)一直保持工作模式，直到移動(dòng)節點(diǎn)與新簇的節點(diǎn)建立。這種方式可以避免了移動(dòng)節點(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層接入機制，考慮到節點(diǎn)移動(dòng)帶來(lái)的多普勒效應，采用自適應調整幀長(cháng)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(shí)候，增加每次傳送的幀長(cháng)度，以加快信息的傳輸；當信道特性差的時(shí)候，減小幀的長(cháng)度。減小幀長(cháng)度有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：短幀與長(cháng)幀相比，需要的傳輸能量要低；短幀發(fā)生突發(fā)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(cháng)度和協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)來(lái)預測下一次要傳輸的幀長(cháng)度，從而減少能耗，降低延遲。通過(guò)實(shí)驗比較發(fā)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(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 )節點(diǎn)：傳感器節點(diǎn)和移動(dòng)代理節點(diǎn)。低功耗和低成本的傳感器節點(diǎn)的處理能力和通信能力有限，而移動(dòng)代理節點(diǎn)是功能強大的硬件單元，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)節點(diǎn)不需要時(shí)刻與傳感器節點(diǎn)通信，只有當需要收集數據或進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )維護時(shí)才工作。這種網(wǎng)絡(luò )的最大優(yōu)點(diǎn)就是把復雜的數據處理、接入處理、數據轉發(fā)傳輸、路由維護等工作由代理節點(diǎn)來(lái)完成，減輕傳感器網(wǎng)絡(luò )的能量負擔，傳感器節點(diǎn)是能量受限的，移動(dòng)節點(diǎn)能量可以補充。 

圖2可以看出代理節點(diǎn)移動(dòng)型網(wǎng)絡(luò )在節能方面的優(yōu)勢： 
  （1）SENMA中，傳感器節點(diǎn)與移動(dòng)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(guān)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(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(fā)射功率大。 

  （2）SENMA中不需要傳感器節點(diǎn)存儲轉發(fā)數據，消耗在接收信息上的能量很少。 

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

    SENMA在物理層利用直接序列擴頻技術(shù)，MAC層采用機會(huì )型ALOHA隨機接入機制[5]。機會(huì )型ALOHA中每個(gè)需要發(fā)送數據的節點(diǎn)根據自己的發(fā)送概率判斷是否能發(fā)送，這個(gè)概率與移動(dòng)代理接收到的信號能量成正比。如果某節點(diǎn)在當前時(shí)隙不發(fā)送數據，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 )結構有先天的節能優(yōu)勢，但其機會(huì )型ALOHA接入機制能否進(jìn)一步降低能耗還有待實(shí)驗的檢驗。 

    美國Nice大學(xué)提出了“基于可預測移動(dòng)中繼節點(diǎn)的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現方法”[6]。利用可移動(dòng)的中繼節點(diǎn)來(lái)收集靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據，有效地節約各傳感器的能源，通過(guò)預測中繼節點(diǎn)的運動(dòng)，縮短傳感器監聽(tīng)通訊信道的時(shí)間，從而減少能源消耗，達到延長(cháng)傳感器網(wǎng)絡(luò )生存周期的目的。但是在傳感器節點(diǎn)部署過(guò)密的情況下，對如何解決信道爭用的問(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]可用于為靜止節點(diǎn)和移動(dòng)節點(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)節點(diǎn)周?chē)卸鄠€(gè)靜止節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )。但這個(gè)接入算法可以做適當的修改，以符合代理節點(diǎn)移動(dòng)型網(wǎng)絡(luò )。比如，把移動(dòng)的節點(diǎn)當作是能量不受限的代理節點(diǎn)。EAR算法能夠解決移動(dòng)節點(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)節點(diǎn)控制整個(gè)的接入過(guò)程，從而減少靜止節點(diǎn)周期性廣播消息的能耗等。 

三、結束語(yǔ)     
    無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )自身的特點(diǎn)及其各種應用的需求，使得傳統的無(wú)線(xiàn)協(xié)議很難適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，同時(shí)，移動(dòng)節點(diǎn)的引入，又對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )媒體接入協(xié)議提出了新的挑戰。本文闡述了近年來(lái)國外對移動(dòng)性傳感器網(wǎng)絡(luò )所提出的一些設想和協(xié)議，為其進(jìn)一步的研究與改善奠定了基礎。目前，國內對移動(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。