《無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化分析》8800字

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u10388無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化分析綜述 1313681.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議 144351.1.1同步MAC協(xié)議 1221301.1.2異步MAC協(xié)議 272351.1.3多信道MAC協(xié)議 4138791.2無(wú)線傳感器的時(shí)間同步協(xié)議問(wèn)題 6259441.3低功耗數(shù)據(jù)分發(fā) 6254501.4跨層優(yōu)化機(jī)制 7326421.1.1跨層優(yōu)化機(jī)制的路由發(fā)現(xiàn) 8323221.1.2跨層優(yōu)化機(jī)制的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼 818141.5跨層優(yōu)化下路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制的優(yōu)化 989141延遲選擇機(jī)制 973332喚醒選擇機(jī)制 9145983.響應(yīng)更新優(yōu)化 10131894動(dòng)態(tài)退避優(yōu)化 10198541.6路徑發(fā)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果 10本章將通過(guò)對(duì)無(wú)線感測(cè)通信技術(shù)中MAC協(xié)議的前文的研究和多信道通信中無(wú)線傳感器的優(yōu)化學(xué)習(xí)。進(jìn)而，研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的低耗電數(shù)據(jù)分配方法和各自的層間優(yōu)化機(jī)構(gòu)，嘗試減少數(shù)據(jù)分發(fā)中的數(shù)據(jù)流量，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳送中利用相應(yīng)的機(jī)制，使得編碼方案可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)分布密度的動(dòng)態(tài)變化而自適應(yīng)地改變。1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議1.1.1同步MAC協(xié)議節(jié)點(diǎn)射頻收發(fā)器在休眠之中或是啟動(dòng)時(shí)，控制由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議完成，因此有效MAC協(xié)議可大大延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。同時(shí)，MAC協(xié)議可能同時(shí)控制接入多個(gè)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程，所以有效MAC協(xié)議可以減少?zèng)_突并增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量。這些協(xié)議主要分為MAC協(xié)議、異步MAC協(xié)議和多通道MAC協(xié)議，都是近年學(xué)術(shù)界提出的MAC協(xié)議。典型的同步MAC協(xié)議是S-MAC協(xié)議。在S-MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)在初始網(wǎng)絡(luò)建立階段被劃分成不同的虛擬集群，并且相同虛擬集群中的節(jié)點(diǎn)具有相同的調(diào)度。每個(gè)集群具有獨(dú)立的調(diào)度時(shí)段，并且該周期由三個(gè)階段組成。時(shí)間同步階段、數(shù)據(jù)傳輸階段、睡眠階段。在時(shí)間同步階段，通信節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)均保持一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分配向量，這表明通信過(guò)程需要連續(xù)時(shí)間。當(dāng)睡眠階段到來(lái)時(shí)，沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，通信節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸完成后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在S-MAC協(xié)議中，每個(gè)時(shí)間表周期只能傳送跳數(shù)據(jù)包。因此，在一個(gè)調(diào)度時(shí)段中，數(shù)據(jù)分組可以傳輸兩跳以減少延遲。為了避免串?dāng)_，通信節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)維持網(wǎng)絡(luò)分配向量，該網(wǎng)絡(luò)分配向量指示通信過(guò)程需要長(zhǎng)期持續(xù)。睡眠的階段來(lái)的時(shí)候沒(méi)有。數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)馬上進(jìn)入休眠狀態(tài)，通信節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸完成后再次睡眠。注意，在S-MAC協(xié)議中，每一調(diào)度時(shí)段只能傳送一跳數(shù)據(jù)分組。為了減少S-MAC協(xié)議中分組傳輸?shù)难舆t，W.YE等人改進(jìn)了S-MAC協(xié)議并增加了自適應(yīng)截取機(jī)制。在通信過(guò)程中，通信節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)保持臨時(shí)自適應(yīng)監(jiān)聽(tīng)，而不是在通信結(jié)束之后立即休眠。當(dāng)他們?cè)谠撈陂g內(nèi)接收到發(fā)往自己的RTS時(shí)，可以在不等待下一調(diào)度的等待期間的情況下立即進(jìn)行通信。因此，可以在調(diào)度期間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)分組。1.1.2異步MAC協(xié)議在異步MAC協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其睡眠開(kāi)始周期來(lái)確定用于收聽(tīng)和使用信道的時(shí)間。由于節(jié)點(diǎn)的大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，所以與常規(guī)同步通信相比，異步MAC協(xié)議可以獲得極低的占空比，并且可以大大延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。然而，由于節(jié)點(diǎn)之間不需要同步，因此在相鄰節(jié)點(diǎn)之間不能正確地知道對(duì)方的啟動(dòng)時(shí)間，所以異步MAC協(xié)議必須建立保證相鄰節(jié)點(diǎn)雙方的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽客ㄐ艡C(jī)制。當(dāng)前的異步MAC協(xié)議主要以以下幾種方式建立相鄰節(jié)點(diǎn)之間的可靠通信。在異步MAC協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其休眠周期來(lái)確定用于收聽(tīng)和使用信道的時(shí)間。由于節(jié)點(diǎn)的大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，所以與傳統(tǒng)同步通信相比，異步MAC協(xié)議可以大大延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，并且可以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。因?yàn)樵谙噜徆?jié)點(diǎn)之間不能正確地知道對(duì)方的啟動(dòng)時(shí)間，所以異步MAC協(xié)議必須建立保證相鄰節(jié)點(diǎn)雙方的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽客ㄐ艡C(jī)制。1.前導(dǎo)碼啟動(dòng)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如果同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，則節(jié)點(diǎn)的主要能量消耗來(lái)自空閑偵聽(tīng)。為了減少偶像聽(tīng)力的次數(shù)，節(jié)點(diǎn)采用周期性的睡眠聽(tīng)力方式，減少能量消耗。前導(dǎo)信號(hào)偵聽(tīng)機(jī)制首先在麥克風(fēng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提出，然后將該機(jī)制集成到Aloha協(xié)議和CSMA機(jī)制中。在前導(dǎo)碼偵聽(tīng)方案中，每次調(diào)用節(jié)點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)信道是否為空閑的時(shí)間被短時(shí)間地偵聽(tīng)。如果信道處于空閑狀態(tài)，則立即進(jìn)入休眠狀態(tài)。如果在檢測(cè)到的信道中存在前導(dǎo)碼傳輸，則維持喚醒狀態(tài)，以確保后續(xù)傳輸?shù)姆纸M可以成功接收。前導(dǎo)碼檢測(cè)機(jī)制的基本想法是，如果某個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則在發(fā)送第一分組之前必須發(fā)送足夠長(zhǎng)的比特流，其中在傳輸真正分組之前，前導(dǎo)碼的長(zhǎng)度必須大于目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)周期。2.低功耗聽(tīng)力在前導(dǎo)碼偵聽(tīng)方案中，需要進(jìn)行CCA（ClearChannelAsessment）黃金測(cè)試以激活節(jié)點(diǎn)并確認(rèn)信道中是否有前導(dǎo)碼傳輸。然而，無(wú)線信道具有恒定的噪聲干擾，CCA通過(guò)單個(gè)閾值確定信道狀態(tài)，這種檢測(cè)方案常常引起誤判，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)誤認(rèn)為信道中傳輸了分組。因此，在B-MAC協(xié)議中提出了低功率偵聽(tīng)技術(shù)LPL（LowPowerListening）。在LPL方法中，節(jié)點(diǎn)在評(píng)估信道時(shí)，使用指數(shù)加權(quán)滑動(dòng)平均算法向接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI確定信道的平均噪聲，并將檢測(cè)到的最小RSSI值與平均噪聲進(jìn)行比較，以確定信道狀態(tài)。采用更準(zhǔn)確的CCA信道檢測(cè)方案，B-MAC可以有效地降低空閑偵聽(tīng)并實(shí)現(xiàn)低功率通信。數(shù)據(jù)包與前導(dǎo)碼分離傳輸由于存在隱藏終端問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送前導(dǎo)碼的過(guò)程中很可能干擾某個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行的分組傳輸。為了解決這個(gè)問(wèn)題，STEM協(xié)議使用兩個(gè)獨(dú)立的射頻分別傳輸分組和前導(dǎo)碼。同時(shí)，STEM協(xié)議采用連續(xù)Beacon分組來(lái)代替前導(dǎo)碼。然后，每個(gè)Beacon分組中嵌入了發(fā)送節(jié)點(diǎn)的源地址和目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)的目的地址。因此，與傳統(tǒng)的前導(dǎo)碼偵聽(tīng)方案相比，該協(xié)議可以確保前導(dǎo)碼偵聽(tīng)階段的非目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)快速進(jìn)入休眠狀態(tài)。從文獻(xiàn)[6]中提出的觀點(diǎn)可以看出。圖1.1受前導(dǎo)碼干擾的正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包從先前的分析中可以知道，將長(zhǎng)比特流前導(dǎo)碼分解成一系列連續(xù)的字節(jié)流前導(dǎo)碼，這些前導(dǎo)碼傳輸一定的后續(xù)傳輸分組信息節(jié)點(diǎn)可以在某種程度上減少前導(dǎo)碼傳輸和聽(tīng)力之間消耗的能量。圖1.2前道喚醒MAC協(xié)議的發(fā)展過(guò)程另一種前導(dǎo)碼分組方案將前導(dǎo)碼分解成一系列離散前導(dǎo)碼，其中相鄰的兩個(gè)前導(dǎo)碼分組在傳輸期間預(yù)留一定的時(shí)間間隔，并且在目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)成功接收到前導(dǎo)碼分組之后向發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回ACK確認(rèn)幀，表示準(zhǔn)備了接收數(shù)據(jù)。在接收到確認(rèn)幀之后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送前導(dǎo)碼并開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸。PW-MMAC協(xié)議與WiseMAC協(xié)議基本原理相同，可以把相鄰節(jié)點(diǎn)之間的啟動(dòng)時(shí)間通過(guò)雙方相互協(xié)商，減少空閑檢測(cè)時(shí)間。與WiseMAC協(xié)議不同，在PWMAC協(xié)議中，雙方會(huì)協(xié)議計(jì)算對(duì)方的下一個(gè)啟動(dòng)時(shí)間。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)商算法產(chǎn)生的啟動(dòng)時(shí)間間隔不同，為使調(diào)度周期匹配，就要避免節(jié)點(diǎn)間的沖突問(wèn)題。因此如何匹配鄰居節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商算法，在此類(lèi)協(xié)議是很重要的問(wèn)題。當(dāng)通過(guò)所有相鄰節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)啟動(dòng)時(shí)，計(jì)算也產(chǎn)生了新的能量消耗和延遲。1.1.3多信道MAC協(xié)議隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸帶寬和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的要求增加，產(chǎn)生多信道MAC協(xié)議，并且要求網(wǎng)絡(luò)支持多任務(wù)同時(shí)處理和多數(shù)據(jù)并行傳輸。多信道MAC協(xié)議主要需要解決兩個(gè)問(wèn)題。多通道分配和交叉信道協(xié)商。常規(guī)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用的多信道MAC協(xié)議不適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些協(xié)議需要具有足夠功能的RF芯片，可以同時(shí)感測(cè)多個(gè)信道的活動(dòng)，而不考慮低功耗的要求。另一方面，多信道分配和信道之間的協(xié)商所導(dǎo)致的控制開(kāi)銷(xiāo)可以被允許，因?yàn)檫@些協(xié)議所發(fā)送的數(shù)據(jù)量足夠大。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)能量有限，所以1次發(fā)送的數(shù)據(jù)量小。多信道MAC協(xié)議需要考慮在多信道分配、信道間協(xié)商、時(shí)隙分配、信道接入等方面的能量消耗和控制開(kāi)銷(xiāo)，以滿足不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求。1.跨信道協(xié)商在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于單個(gè)分組的長(zhǎng)度通常是128字節(jié)，所以在多信道通信中，每個(gè)分組在傳輸之前必須進(jìn)行信道交叉協(xié)商，這導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)不接受的開(kāi)銷(xiāo)。因此，MMSN協(xié)議采用靜態(tài)信道分配。在靜態(tài)信道分配模式中，MMSN協(xié)議向每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配唯一信道，并且節(jié)點(diǎn)可以在兩跳內(nèi)獲得相鄰節(jié)點(diǎn)的信道分配信息。為了確保兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信成功，MMSN協(xié)議采用交替截取和交替?zhèn)鬏數(shù)臋C(jī)制。節(jié)點(diǎn)需要監(jiān)聽(tīng)其信道以接收相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并且應(yīng)使用CSMA接入目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)的信道。數(shù)據(jù)需要發(fā)送到目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)暫時(shí)切換到對(duì)方辦公室。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于單個(gè)分組的長(zhǎng)度通常是128字節(jié)，所以在多信道通信中，每個(gè)分組在傳輸之前必須進(jìn)行信道交叉協(xié)商，這導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)不接受的開(kāi)銷(xiāo)。因此，MMSN（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多媒體接入控制）協(xié)議采用靜態(tài)信道分配。在靜態(tài)信道分配下，MMSN協(xié)議為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配唯一信道，并且節(jié)點(diǎn)可以在兩跳內(nèi)獲得相鄰節(jié)點(diǎn)的信道分配信息。為了保證兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的成功通信，MMSN協(xié)議采用交替?zhèn)陕?tīng)和交替?zhèn)鬏敊C(jī)制。節(jié)點(diǎn)需要監(jiān)聽(tīng)其信道以接收相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并使用CSMA來(lái)競(jìng)爭(zhēng)目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)的信道接入。如果需要向目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，則它們暫時(shí)切換到對(duì)方的信道以完成數(shù)據(jù)傳輸。如果節(jié)點(diǎn)暫時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到兩個(gè)信道的信號(hào)，則節(jié)點(diǎn)交替開(kāi)啟兩個(gè)信道并發(fā)送固定長(zhǎng)度的前導(dǎo)碼?？紤]到信道切換也消耗一定的能量，頻繁的信道切換也會(huì)加快節(jié)點(diǎn)的能量消耗。數(shù)據(jù)傳輸在本地信道上進(jìn)行。如果節(jié)點(diǎn)暫時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到兩個(gè)信道的信號(hào)，則節(jié)點(diǎn)交替開(kāi)啟兩個(gè)信道并發(fā)送固定長(zhǎng)度的前導(dǎo)碼?？紤]到信道切換也消耗一定的能量，頻繁的信道切換可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的能量消耗過(guò)快REF_Ref17458\n\h[6]。2.信道與傳輸時(shí)隙相結(jié)合的分配方式圖1.3多信道并行傳輸為了避免節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)的頻繁信道切換，一些協(xié)議將信道分配與傳輸時(shí)隙分配相結(jié)合。MC-MMAC協(xié)議采用固定信道分配和靜態(tài)時(shí)隙分配。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要在控制信道上監(jiān)聽(tīng)2跳的相鄰節(jié)點(diǎn)的信道和時(shí)隙分配信息，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)隙和信道作為自己的固定傳輸時(shí)隙。為了確保多信道的并行傳輸，MC-MMAC協(xié)議將每個(gè)時(shí)隙分成CF級(jí)、CM級(jí)和數(shù)據(jù)傳輸階段。在網(wǎng)絡(luò)中，CF階段將一些信道的數(shù)量細(xì)分為相同的時(shí)間間隙，并且所有節(jié)點(diǎn)都需要在CF階段協(xié)商控制信道。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)所分配的信道在相應(yīng)的CF時(shí)隙中廣播其目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)信息。在CM階段，節(jié)點(diǎn)可確認(rèn)發(fā)射節(jié)點(diǎn)或其信道和時(shí)隙點(diǎn)。1.2無(wú)線傳感器的時(shí)間同步協(xié)議問(wèn)題時(shí)間同步對(duì)于每個(gè)分布式系統(tǒng)都是重要的基礎(chǔ)問(wèn)題。在分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的同步時(shí)間在范圍、壽命、精度同步實(shí)現(xiàn)等方面有特別的要求，有實(shí)現(xiàn)同步所需的時(shí)間和所需的能量。對(duì)于現(xiàn)有的時(shí)間同步方法，為了滿足一些新的需求，有必要在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行改進(jìn)。異性在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的需求需要常規(guī)色散系統(tǒng)中沒(méi)有的約束條件，例如能量效率，并且需要多個(gè)硬件，并且傳感器網(wǎng)絡(luò)的布置使得當(dāng)前同步計(jì)劃不充分?，F(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃需要以盡可能低的能量消耗來(lái)擴(kuò)展和整合現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，以提供服務(wù)?，F(xiàn)在有幾個(gè)研究小組提出了無(wú)線電波的后同步方法，支持同一瞬間制作。即使長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有無(wú)線信號(hào)，也能建立短而非常準(zhǔn)確的同步定時(shí)。一些正在進(jìn)行的研究正在從實(shí)驗(yàn)室向?qū)嶋H傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移方向發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用的背景下計(jì)劃進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)。1.3低功耗數(shù)據(jù)分發(fā)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)可存在于難以維持及管理的區(qū)域。但是，傳感器節(jié)點(diǎn)在配置完成后，需要經(jīng)常更新網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)或所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的程序，無(wú)論是特定的監(jiān)視任務(wù)還是修改程序中發(fā)生的故障，都需要修改單個(gè)節(jié)點(diǎn)修正所有網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視參數(shù)。因此，為了適應(yīng)環(huán)境，即使隨著監(jiān)視任務(wù)的變化，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要經(jīng)由基站逐跳向目標(biāo)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令或更新程序。圖1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)過(guò)程在該過(guò)程中，如圖1.4中示出了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。對(duì)于非低功耗MAC協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在低功耗MAC協(xié)議中根據(jù)自己的調(diào)度策略來(lái)調(diào)整喚醒時(shí)間，并且當(dāng)開(kāi)始數(shù)據(jù)分發(fā)時(shí)，可靠的數(shù)據(jù)分發(fā)路徑變得特別重要在發(fā)送更新命令時(shí)，可以確認(rèn)路徑上的所有節(jié)點(diǎn)處于啟動(dòng)狀態(tài)，并且可以順利地進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)。不是低功率MAC協(xié)議，節(jié)點(diǎn)總是不在線暫停，并且立即執(zhí)行數(shù)據(jù)分發(fā)。1.4跨層優(yōu)化機(jī)制在傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的分層設(shè)計(jì)中，每個(gè)層獨(dú)立地設(shè)計(jì)和操作，每個(gè)層之間的接口是靜態(tài)的，并且網(wǎng)絡(luò)約束與應(yīng)用需求無(wú)關(guān)。該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)并且具有更好的通用性。然而，各層的獨(dú)立設(shè)計(jì)沒(méi)有層與層之間的信息交流，并且不能充分利用網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳性能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分級(jí)體系結(jié)構(gòu)，各層的設(shè)計(jì)都是獨(dú)立的，這會(huì)導(dǎo)致不能將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，有很大的局限性。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，一些研究人員提出了層間設(shè)計(jì)的概念?？鐚釉O(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)邏輯上不相鄰協(xié)議級(jí)別之間的設(shè)計(jì)交互和性能平衡。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、能量管理機(jī)構(gòu)、低功率設(shè)計(jì)等在各層的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。但是，為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)整體的節(jié)能效果，應(yīng)該采用交叉層設(shè)計(jì)的思想?？梢栽谒袑又g交互信息，協(xié)議棧允許整體適應(yīng)特定應(yīng)用所需的QoS和網(wǎng)絡(luò)狀況的變化，并根據(jù)系統(tǒng)約束條件和網(wǎng)絡(luò)特征綜合優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效分配，并提高網(wǎng)絡(luò)的綜合性能。在傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的分層設(shè)計(jì)中，每個(gè)層獨(dú)立地設(shè)計(jì)和操作，每個(gè)層之間的接口是靜態(tài)的，并且網(wǎng)絡(luò)約束與應(yīng)用需求無(wú)關(guān)。沒(méi)有充分利用網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳性能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有分層結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)的時(shí)候也多是分層的。各階層的設(shè)計(jì)都是獨(dú)立的，有一定的界限。因此，各層的優(yōu)化設(shè)計(jì)不能保證網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計(jì)的優(yōu)化。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，一些研究人員提出了層間設(shè)計(jì)的概念。圖1.5跨層優(yōu)化機(jī)制如圖1.5所示，分層設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)邏輯上不相鄰協(xié)議層之間的設(shè)計(jì)交互和性能平衡。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、能源管理機(jī)構(gòu)、低耗電設(shè)計(jì)等在各層的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)，但為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)整體的節(jié)能效果，應(yīng)該采用交叉層設(shè)計(jì)的思想?？梢栽谒袑又g交互信息，協(xié)議棧允許整體適應(yīng)特定應(yīng)用所需的QoS和網(wǎng)絡(luò)狀況的變化，并根據(jù)系統(tǒng)約束條件和網(wǎng)絡(luò)特征綜合優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效分配，并提高網(wǎng)絡(luò)的綜合性能。1.1.1跨層優(yōu)化機(jī)制的路由發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)的有源供電網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)向其相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求，因?yàn)槠湎噜徆?jié)點(diǎn)總是在線的并且沒(méi)有睡眠。因此，源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的最佳路由由對(duì)應(yīng)于它們之間的最短路徑、通信負(fù)載和路徑上的節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信道來(lái)確定。圖1.6路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程圖1.6是路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程的示意圖。由于無(wú)線信道的不穩(wěn)定性，需要在數(shù)據(jù)分發(fā)之前完成路由，并且通過(guò)找到能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)的最佳路徑并在較短的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)過(guò)程當(dāng)減少數(shù)據(jù)遞送的能量消耗時(shí)，可以保證數(shù)據(jù)遞送過(guò)程的可靠性。避免路徑上的節(jié)點(diǎn)處不需要的數(shù)據(jù)傳輸，從而可能導(dǎo)致的更高的能量損失。1.1.2跨層優(yōu)化機(jī)制的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼跨層優(yōu)化機(jī)制減少數(shù)據(jù)遞送過(guò)程的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)所消耗的能量。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)方案不對(duì)原始分組執(zhí)行任何處理，并且不僅執(zhí)行接收傳輸，而且基于網(wǎng)絡(luò)編碼的交叉層優(yōu)化機(jī)制不僅減少了在數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的分組的數(shù)量加速數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程。首先，如圖1.7所示，將簡(jiǎn)要描述網(wǎng)絡(luò)編碼的基本原理。在圖中，基站節(jié)點(diǎn)a需要向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他四個(gè)節(jié)點(diǎn)分發(fā)兩個(gè)分組a和b。在采用簡(jiǎn)單的接收轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的情況下，節(jié)點(diǎn)A需要向節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C廣播兩個(gè)數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C分別向節(jié)點(diǎn)D和節(jié)點(diǎn)E廣播兩個(gè)數(shù)據(jù)包。在整體分發(fā)過(guò)程中，一共發(fā)送了6個(gè)分組。采用網(wǎng)絡(luò)編碼的思想后，節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C接收到節(jié)點(diǎn)A廣播的數(shù)據(jù)包a和b后，節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C使用線性網(wǎng)絡(luò)編碼的思想對(duì)2個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼并轉(zhuǎn)發(fā)。這些僅在線性編碼后轉(zhuǎn)發(fā)分組a+b和a+2b，當(dāng)節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)D分別從節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C接收到這兩個(gè)分組時(shí)，可以通過(guò)求解簡(jiǎn)單的線性方程組來(lái)獲得原始分組a和b。以此方式，當(dāng)使用網(wǎng)絡(luò)編碼方法完成整個(gè)數(shù)據(jù)分發(fā)過(guò)程時(shí)，僅廣播四個(gè)分組，減少兩個(gè)分組在網(wǎng)絡(luò)中的通信量。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)通信中消耗的能量最大，因此需要添加額外的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)（編碼和解碼過(guò)程）以減少網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量REF_Ref17458\n\h[6]。圖1.7簡(jiǎn)單線性編碼因此，通過(guò)簡(jiǎn)單的線性編碼來(lái)推斷，線性網(wǎng)絡(luò)編碼的思想是通過(guò)簡(jiǎn)單的線性運(yùn)算將n個(gè)原始分組編碼成一個(gè)分組來(lái)發(fā)送。顯然，n的值越大，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的分組越少。然而，隨著n的值逐漸增加，在原始分組的解碼成功之前需要接收的編碼分組變多，至少n是線性不相關(guān)的，并且需要求解n個(gè)未知數(shù)。因?yàn)橐粋€(gè)節(jié)點(diǎn)只能從其相鄰節(jié)點(diǎn)接收編碼數(shù)據(jù)包，所以能夠接收的編碼數(shù)據(jù)包的數(shù)量與相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有關(guān)，即解碼的成功率，即數(shù)據(jù)分配的成功率與相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有關(guān)。相鄰節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、相鄰列表的建立以及拓?fù)淇刂菩畔⒕挥诰W(wǎng)絡(luò)層。因此，為了保證傳輸層數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的可靠性，需要傳輸層優(yōu)化。傳輸層數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)也基于網(wǎng)絡(luò)層提供的相鄰節(jié)點(diǎn)的信息來(lái)確定，由此，為了實(shí)現(xiàn)最小的數(shù)據(jù)包傳輸和最短的數(shù)據(jù)分配完成時(shí)間為了節(jié)約數(shù)據(jù)分發(fā)過(guò)程中消耗的能量，自適應(yīng)地調(diào)整編碼方案。1.5跨層優(yōu)化下路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制的優(yōu)化通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[6]的研究學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)掌握該文章作者提出的四種優(yōu)化方案，后文將對(duì)這四種優(yōu)化機(jī)制分別做簡(jiǎn)要說(shuō)明。1延遲選擇機(jī)制在延遲選擇機(jī)制中，工作順序?yàn)橄染彌_所有接收到的命令包，然后從其中向相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送。同一源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的命令包接到后，緩沖區(qū)中的將于原節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較。如果新接收的信息路徑更好，就可以對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，緩沖區(qū)信息會(huì)被拒絕，并用新的命令包替換。路徑中的ETX值增加。當(dāng)R節(jié)點(diǎn)從s鄰居節(jié)點(diǎn)接收到路由命令包時(shí)，R節(jié)點(diǎn)在提交路由請(qǐng)求信息之前，將其路徑的ETX值加到與s節(jié)點(diǎn)連接的節(jié)點(diǎn)的ETX值上，當(dāng)路由命令包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)將路由響應(yīng)包發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)，它包含從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑發(fā)現(xiàn)信息和ETX值。2喚醒選擇機(jī)制因此，本文提出了一種優(yōu)化機(jī)制，即從某個(gè)咽喉周期的向量節(jié)點(diǎn)中提取消息，在接收到來(lái)自附近其他節(jié)點(diǎn)的所有消息路由消息之前，他不會(huì)立即轉(zhuǎn)發(fā)消息。該方法不僅能保證節(jié)點(diǎn)在決定誰(shuí)來(lái)路由消息之前附加大量關(guān)于子路徑可能性的信息，而且能保護(hù)由即時(shí)釋放觸發(fā)的干預(yù)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化。防止意識(shí)覺(jué)醒的機(jī)制只需要反饋，將詩(shī)歌在詞匯量中的接受延遲到其惡習(xí)節(jié)點(diǎn)的所有接受者REF_Ref17458\n\h[6]。3.響應(yīng)更新優(yōu)化在將路由請(qǐng)求消息轉(zhuǎn)發(fā)到目的地節(jié)點(diǎn)并將相應(yīng)的路由響應(yīng)消息返回到源節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，該節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)接收或收聽(tīng)路由信息來(lái)獲得從源節(jié)點(diǎn)到目的地節(jié)點(diǎn)的更好路徑。基于此，本文提出了一種響應(yīng)更新優(yōu)化機(jī)制，即當(dāng)路由響應(yīng)消息通過(guò)反向路徑發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)接收或監(jiān)聽(tīng)每個(gè)響應(yīng)消息中的路徑信息來(lái)更新和優(yōu)化路徑。4動(dòng)態(tài)退避優(yōu)化這種方法是在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的喚醒周期中，它的許多鄰居可能已經(jīng)收到了相同的路由請(qǐng)求消息。因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)，它的許多鄰居會(huì)同時(shí)向它發(fā)送路由請(qǐng)求消息。通常，在這種情況下，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生沖突，導(dǎo)致需要重新傳輸數(shù)據(jù)包。為了快速解決沖突，首先轉(zhuǎn)發(fā)具有較好子路徑的路由請(qǐng)求消息，提出了一種動(dòng)態(tài)退避優(yōu)化機(jī)制。該機(jī)制允許節(jié)點(diǎn)在發(fā)送路由請(qǐng)求消息時(shí)，根據(jù)路由請(qǐng)求消息中包含的路徑信息動(dòng)態(tài)選擇一個(gè)隨機(jī)退避時(shí)間。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的喚醒周期中，它的許多鄰居可能已經(jīng)收到了相同的路由請(qǐng)求消息，因此當(dāng)該節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)，它的許多鄰居會(huì)同時(shí)向它發(fā)送路由請(qǐng)求消息，以便快速解決沖突，并首先轉(zhuǎn)發(fā)那些具有更好子路徑的路由請(qǐng)求消息，提出了一種動(dòng)態(tài)退避優(yōu)化機(jī)制。該機(jī)制允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送具有更好子路徑的路由請(qǐng)求消息，根據(jù)路由請(qǐng)求消息中包含的路徑信息動(dòng)態(tài)選擇隨機(jī)退避時(shí)間。1.6路徑發(fā)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果由前文的跨層優(yōu)化機(jī)制，根據(jù)上一節(jié)中提出的四種優(yōu)化方案，包括時(shí)延選擇優(yōu)化機(jī)制、喚醒選擇優(yōu)化機(jī)制、應(yīng)答更新優(yōu)化機(jī)制以及動(dòng)態(tài)退避優(yōu)化機(jī)制。在圖5.8中可以看出，最早路徑發(fā)現(xiàn)的時(shí)間最短，在沒(méi)有任何優(yōu)化機(jī)制的情況下，找到最優(yōu)路徑的時(shí)間比最早路徑發(fā)現(xiàn)的時(shí)間幾乎翻了一番；這是因?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)需要接收足夠的路由響應(yīng)消息才能找到最佳路徑。在喚醒選擇優(yōu)化機(jī)制下，節(jié)點(diǎn)可以在喚醒周期內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)具有更好子路徑的路由請(qǐng)求消息，從而保證更好的性能REF_Ref17458\n\h[6]。圖1.8自適應(yīng)編碼方案通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[6]的學(xué)習(xí),如圖1.8所示，采用自適應(yīng)的編碼方案，一定程度上也能均勻網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，因?yàn)閺膱D中可以看到在數(shù)據(jù)分發(fā)過(guò)程中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量比較均勻，避免了某些節(jié)點(diǎn)因?yàn)槌袚?dān)過(guò)多的數(shù)據(jù)分發(fā)任務(wù)而導(dǎo)致能量很快耗盡而失效，不利于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋性PAGEREF_Ref17458\hREF_Ref17458\n\h[6]。該路徑的消息在目的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，并迅速返回到中間節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)，消耗了最短的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間。當(dāng)采用其他優(yōu)化機(jī)制和四種機(jī)制進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化時(shí)，最短發(fā)現(xiàn)路徑和最優(yōu)發(fā)現(xiàn)路徑所耗費(fèi)的時(shí)間基本相同。這是因?yàn)樵谶@些優(yōu)化機(jī)制下，最優(yōu)路徑會(huì)在第一時(shí)間反饋給源節(jié)點(diǎn)，加快了最優(yōu)路徑發(fā)現(xiàn)的過(guò)程。根據(jù)圖1.9和圖1.10所示結(jié)果，可以得知本文所提出的四種跨層的路由優(yōu)化機(jī)制，十分適用于采用異步周期性睡眠偵聽(tīng)MAC協(xié)議的無(wú)線傳