无线传感器网络综述.docx

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无线传感器网络综述

无线传感器网络综述

李烨　张旗　黄晓霞

摘 要 随着“感知中国”、“智慧地球”等战略性的课题提出,无线传感网络的核心技术与标准将成为各国争相研究的热点。

在无线传感网络中,低功耗是最核心的问题。

本文以降低节点的通信能耗和延长网络寿命为出发点,阐明了通信OSI模型中物理层、数据链路层、网络层以及传输层的低功耗策略与方法。

1 引言

无线自组织传感器网络被认为是新世纪最重要的技术之一。

无线传感器网络应用前景非常广阔,能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、城市交通、大型车间和仓库管理,以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。

随着“感知中国”、“智慧地球”等国家战略性的课题提出,传感器网络技术的发展对整个国家的社会与经济,甚至人类未来的生活方式都将产生重大意义。

最近二十年间,以互联网为代表的计算机网络技术给世界带来了深刻变化,然而,网络功能再强大,网络世界再丰富,终究是虚拟的,与现实世界还是相隔的。

互联网必须与传感网络相结合,才能与现实世界相联系。

集成了传感器、微机电系统和网络三大技术的新型传感网络（又称物联网,是一种全新的信息获取和处理技术,其目的是让物品与网络连接,使之能被感知、方便识别和管理。

物联网用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。

物联网被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。

业内专家认为,物联网一方面可以提高经济效益,大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

目前,美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。

我国高度关注与重视物联网的研究,工业和信息化部会同有关部门,在新一代信息技术方面正在开展研究,以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。

2009年8月7日,温家宝总理在江苏无锡调研时,对微纳传感器研发中心予以高度关注。

温家宝总理指出“在传感网发展中,要早一点谋划未来,早一点攻破核心技术”,“在国家重大科技专项中,加快推进传感网发展”,“尽快建立中国的传感信息中心,或者叫‘感知中国’中心”。

随着美国“智慧地球”计划的提出,物联网已成为各国综合国力较量的重要因素。

美国将新型传感网技术列为“在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术”。

加拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等加入传感网的研究,欧盟将传感网技术作为优先发展的重点领域之一。

据Forrester等权威机构预测,下一个万亿级的通信业务将是传感网产业,到2020年,物物互联业务与现有人人互联业务之比将达到30:

1。

图1 物联网示例图

在物联网这个全新产业中,我国的技术研发水平处于世界前列,具有重大的影响力。

“与计算机、互联网产业不同,中国在‘物联网’领域享有国际话语权!

”早在1999年,中科院就启动了传感网研究,由其提出的传感网络体系架构、标准体系、演进路线、协同架构等代表传感网络发展方向的顶层设计已被ISO/IEC国际标准认可。

目前,我国传感网络研究已形成以应用为驱动的特色发展路线,在技术、标准、产业、规模和应用与服务等方面进入了世界领先

行列,使我国在信息技术领域迎头赶上甚至占领产业价值链的高端成为可能。

2　低功耗通信技术

在无线传感器网络中,低功耗是其核心问题。

随着集成电路工艺的进步,处理器和传感器模块的功耗变得很低,绝大部分能量消耗在无线通信模块上。

有研究表明,传输1比特信息至100米远的距离需要消耗的能量,大约相当于执行3000条计算指令。

因此,延长无线传感器网络的工作寿命,重点在于降低通信模块的能耗。

设计满足通信质量要求且能耗最低的无线通信系统与很多因素相关,如图1所示,应用需求、信道的实时状态以及通信电路的能耗,会影响通信OSI模型的各层参数,比如物理层的数据率、信号带宽、调制方式、误码率BER、纠错编码率、信号的峰均比等参数;MAC层的休眠与传输控制,信道接入控制和冲突避让等;应用层的信源压缩率、服务质量QoS等参数。

由于通信OSI模型各层相互独立,各层的低能耗策略有时会相互矛盾,我们必须以系统能耗最低为目标,研究各层参数的相互作用,设计合理的通信系统,降低通信电路的能耗,实现高能效通信。

图2 无线传感器网络低能耗通信设计流程图

在具体的实施中,如图2所示,我们首先需要对通信信道进行精确地建模以模拟无线传感器网络的工作环境;建立准确的系统级通信电路能量模型,衡量通信各参数对电路能量、噪声、非线性干扰的影响;在物理层研究自适应调制编码、准同步分集传输技术,干扰检测和避让技术,节点状态快速切换等算法,提高通信的可靠性、降低电路的能耗;在MAC层,我们要合理优化休眠和工作时间,减少启动时间,合理的冲突避让等;在硬件电路层面,由于放大器的功耗在整个通信模块中占了相当大的比重,同时非线性对通信质量的影响很大,用数字预失真校正的方法提高放大器的效率、增加线性度是必不可少的;最后,我们建立系统能量最低的目标方程,设立各层的条件方程,用凸优化的方法求得最优的通信系统参数。

另外,无线传感器网络需要对干扰有一定的检测和避让能力,增强通信的可靠性。

2.1 建立无线传感器网络节点射频前端的准

确能量模型

在无线通信中,由于射频前端在很高的频率下处理模拟信号,与其它部分相比通常会消耗更多的能量,例如基于IEEE802.11b的IntersilPRISMII无线网卡,媒体接入控制（MAC处理器的能量损耗大约为110mW,数字基带处理是170mW,除功放外的模拟电路功耗是240mW,功率放大器是600mW。

由此可见,近75%功率是在模拟和射频部分消耗的;另一方面,通信数字基带的各参数设置对射频的功耗和性能也会带来极大的影响。

因此在低能耗的无线传感网络通信中,我们首先要建立准确的系统级能量模型,对能量消耗最大的射频前端模块做细致地分析,找出对能耗、性能起决定作用的参数,合理设置参数值。

同时,新型的数字基带算法能在系统级的能量模型上评估其能耗和噪声上的表现,使系统工程师在流片前预知性能。

综上所述,系统级的准确能量模型能为高能效无线传感器网络通信研究提供平台。

无线传感器通信可以采用通用射频前端,系统模型如图3所示。

在发送机主要模块有数/模转换器（DAC,重构滤波器（Filter,上变频混频器（Mixer,频率合成器（RFSynthesizer;接收机有射频滤波器,低噪声放大器（LNA,下变频混频器,基带滤波器,基带放大器（Base-bandAmplifier,模/数转换器（ADC。

图3 无线通信收发机模拟电路部分系统模型

我们在前期的工作中,对射频前端建模,以WiFi系统为例（可以改进推广到无线传感器网络通信,主要器件的功耗情况如表1所示。

其中的数据主要来源于RFMD和TI公司的产品以及我们前期建立的系统模型。

表1给出了不同的系统参数对射频前端各模块功耗的影响。

例如,A类功率放大器的功耗是峰均功率比（PAR、传输距离（d、调制级数（b和误码率（BER的函数。

同时给出了在不同工作模式下,射频模块的功耗示例。

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频器增益,NF是噪声指数,ωc是压控振荡器的中心频率,FLO是本地振荡器频率,Fref是参考频率,A是

低噪声放大器的增益,SQNR是信号与量化噪声的比OSR是数模变换

αBA是基带Iref是参考电流。

模型做验证,工作频率在3GHz以内时,我们的射频能量模型准确率在±15%以内;工作频率在1GHz左右时,准确率在±8%左右。

2.2 以能效比为优化目标的自适应调制编码

实现高能效比的无线传感器网络通信系统,我们需要如图2所示,根据无线传感器网络的应用和时变的无线通信信道,自适应改变数字调制方式和级数,动态控制发射功率,在系统限定的应用范围内和通信信道条件相适应。

传统的固定调制编码方式,为了保证系统的误码性能,只能根据最恶劣的信道情况选择适当的调制编码方式,这样才能保证在整个通信过程中信道传输的可靠性,但是信道情况最差的时段在整个传输时段内是非常短的,这就造成一个极大的浪费。

由于实际的移动无线信道具有时变特性和衰落特性两大特点,因此移动无线信道的信道容量是一个时变的随机变量,要最大限度地利用信道容量,只有使发送速率也是一个随信道容量变化的量,也就是使调制编码方式具有自适应特性。

自适应调制的基本原理就是改变调制编码的方式,使它在系统限定的范围内与信道条件相适应。

在自适应调制编码系统中,如果在理想信道条件下,我们采用较高阶的调制编码方式,而在不太理想的信道条件下则采用较低阶的调制编码方式,来保证通信的可靠性和有效性。

2.2.1 自适应信道编码

对于需要传输的数据信息,经过信道纠错编码,

可以大大增强信号抗干扰的能力,降低比特误码率和数据重传概率,但是会带来冗余的信息,增加通信的功耗和数据传输量。

目前广泛应用于第三代和第四代移动通信中的纠错编码主要有卷积码、Turbo码和LDPC码,它们的性能对比如表2所示。

表2纠错编码性能比较

卷积码将作为一种主要的备选编码方式。

我们准备通过交织抵御突发性的错误（BurstyError,通过打孔（Punctured的方法,提高码率,当然打孔改变码率的方法也会增加错误概率。

图4 打孔后不同码率的卷积码通信质量对比图

2.2.2 自适应调制

合理的数字调制能够增加通信带宽的有效利用率,高阶调制级数适用于图像和视频信息的传输,能减少传输的时间和通信能量,但是增加错误概率。

在相同的多进制调制下,由于星座可调的自适应正交幅度调制方式具有最高的数据吞吐量,因此被认为是提高系统的平均传输速率,从而提高频谱效率的一种优选方案。

星座可调的自适应正交幅度调制系统是根据移动无线衰落信道的变化来动态地改变调制电平数。

当无线传感器网络需要传输的数据量很大,但比特误码率要求不高或当接收节点处在非衰落信道时,我们

表1不同射频前端模块的能量相关参数列表

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就可以增加星座点数;而当无线传感器网络需要传输的数据量比较小,比特误码率要求很高或当接收节点处在衰落信道时,我们就减小码率星座点数,但是整个过程保持发射功率为常数。

此外,调制方式的选择和射频电路尤其是功放的特性息息相关。

图5中的射频能耗曲线表征的是在不同的d/|h|下,通信能耗和调制级数的关系,其中d是传

输距离,h是信道的衰落系数。

调制级数b=R

b/R

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其中RS是符号速率,R

b

是比特速率。

图中各点的比特错误概率是固定的10-3,射频能耗通过能量模型算出。

一旦传输距离和通信的比特率确定以后,最佳的调制级数可以从图中选择。

如果所需的调制系数在最优调制系数（能量最低点左边,我们直接设置为最优调制级数,传输速率加快;如果所需的调制级数在最优调制级数右边,该调制系数为满足数据速率要求且射频能耗最低的参数（这时如果选择最优调制级数,数据传输速率不能满足要求。

在本课题中,我们将采用M-QAM调制,当信道条件很差时,调制级数降低到1时,自动变为BPSK调制,在此基础上增加DSSS直接扩频,提高信噪比。

图5 不同调制级数b和不同距离d/|h|下的射频前端的每比

特能量损耗

此外,自适应功率控制也是降低通信能耗,保证通信质量的重要方法。

在无线传感网络中,我们将综合运用自适应纠错编码、数字调制和功率控制,根据信道变化、应用需求和射频功耗,制定每一帧数据的编码率、调制级数和发射功率大小。

2.3 协作通信

无线传感器网络由大量随机散布的传感器节点自组织而成的。

在无线传感器网络研究与设计中,各节点间协作完成任务能充分有效地利用有限的计算和存储资源,最重要的是,各节点间协作能在保证通信质量的前提下最大程度地降低各节点的通信能耗。

这是因为节点间协作进行通信能充分的利用分集技术,这是由无线信道的本质特性决定的。

分集技术是通过有效的传输和处理同一信号各不相关的传输副本,达到补偿衰落损耗的目的。

近几年来,空间分集成为研究热点。

因为无线通信中,空间略有变动就可能出现较大的场强变化。

当使用多个传输信道时,它们受到的衰落影响是互相独立或者相关性很小的,且多个信道在同一时刻处于深衰落的可能性极小。

因此,如果能使用多个传输信道发送信息,在若干个支路上接收相关性很小的载有同一消息的信号,然后对各个支路的信号做适当的合并处理,便可在接收端大大降低衰落的影响,改善传输的可靠性,这就是空间分集的意义所在。

空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的,空间距离越大,多径传播的差异就越大,而接收场强的相关性就越小。

协作通信的一个示意图如图所示,s表示源节点,d表示目标节点,r表示除源节点和目标节点的其它无线传感器节点。

在无线传感器网络中,协作通信是指r也要参与通信过程,它把从源节点发射的信号进行放大或者解码后进行转发到目标节点。

这样目标节点就能收到从多个信道中传来的信号,使空间分集得到充分的利用。

图6 协作通信的示意图

协作通信应用于无线传感器网络需要解决的问题有:

1协作方式的选择

协作通信通常分为放大转发协作通信和解码转发协作通信。

放大转发在信噪比较高的时候,对于两个节点协同,可以获得完全的分集增益。

而解码转发在信噪比较低的时候,可以降低通信系统误码率。

2协作时机的选择

协作通信能大大提高传输的可靠性,但发送同一信号的多个副本会降低通信的能效比,协作不是在任何场景下都能带来好处。

因此我们需要考虑基于完全的或者部分的信道状态信息来选择是否进行协作。

3协作伙伴的选择

在无线的多输入多输出系统中,分集是靠分别布置天线阵列在源节点和目的节点来实现的。

为了避免

天线间的高度相关性,在保证容量接近最大值的条件下,合理地选择并最小化天线数目是一项关键技术。

基于多输入多输出系统的天线选择算法有基于固定数目的天线选择算法,如基于最小误码率、最小欧几里德距离的天线选择算法和基于范数逐行递减的天线选择算法等,还有根据信道环境变化的天线数可变的选择算法等等。

这些天线选择算法都有利地推动了多输入多输出系统的实际应用。

对于无线传感器网络,分集是靠节点间相互协作来构成多输入单输出的天线阵列。

由于在无线传感器网络中,节点一般大量随机散布,在有效的通信范围内,能用于作为协作伙伴的节点往往较多,因此我们需要一个低复杂度的协作伙伴的选择算法。

4功率分配与控制问题

与传统的直接通信相比,协作通信会耗费更多的时间或功率等系统资源。

如果分配相同的发射功率给源节点和协作节点,信道条件恶劣的源节点或协作节点会不合理的占用系统资源。

为了最大限度地提高功率效率,最小化用户间的干扰,必须对源节点和中继节点的发射功率进行合理的配置。

3　无线传感网络高能效组网路由与MAC协议研究

无线传感器的应用通常基于大规模的节点组网,如何高能效地组网、路由以及设计MAC协议也是我们研究的重点。

MAC协议和路由技术对传感器网络的性能有很大影响,是无线传感器网络的关键网络协议。

无线传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的MAC协议和路由协议。

在中高速无线传感器网络中,MAC层协议要尽量减少冲突和串音、降低占空比。

协议中还应包括折衷机制,使用户可以在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择。

在对实时性较高的应用领域,及时地检测、处理和传递信息是不可缺少的要求。

MAC层应和网络层的路由协议合作提供时延保证。

可扩展性无线传感器网络中的节点在数目和分布密度、位置方面很容易发生变化,或者由于节点能量耗尽,新节点的加入引起的网络拓扑结构的变化。

设计MAC协议时也应具有可扩展性,以适应拓扑结构的动态性:

网络其他性能参数如网络的公平性、实时性、信道利用率,带宽利用率、网络延迟、吞吐量等。

与传统网络的路由协议相比,大规模无线传感器网络的路由协议必须要考虑到有限的带宽、存储和计算资源。

为了节省通信开销,无线传感器网络中的路由协议需要采用多跳的通信模式,并尽量降低产生的控制分组开销。

现有的路由协议在路由发现阶段或者路由修复阶段往往引发大范围甚至全网范围的泛洪,因此不适应于大规模无线传感器网络。

与MAC协议的跨层设计可以降低路由协议的控制开销,改善时延并提高路由修复能力。

而节点有限的存储资源和计算资源,使得节点不能存储大量的路由信息,不能进行太复杂的路由计算。

在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下,如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。

传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据,而无线传感器网络中大量节点随机部署,所关注的是监测区域的感知数据,而不是具体哪个节点获取的信息,不依赖于全网唯一的标识。

传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流,按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等,以数据为中心形成消息的转发路径。

4　总结

本文介绍了物联网的概况,阐明了无线传感网络在数据传输和组网方面的科研进展与未来的挑战。

本文以无线传感器网络的特定应用环境为前提,对无线通信系统的能量损耗进行分析,以射频前端的能量模型为基础,采用自适应调制编码技术对通信系统参数的最优化配置,在保证通信质量的条件下,实现可用于无线传感网络的低功耗无线通信方案。

同时,本文将协作通信技术引入无线传感网络,利用分集技术在不影响通信质量的前提下进一步地降低各节点的通信能耗。

最后,从延长网络寿命出发,优化网络结构、路由算法以及MAC协议。

本课题组将以上述三个方法出发,展开对无线传感网络关键技术的研究,不断完善无线传感网络的技术体系,从而为无线传感网络的商业应用提供技术保障。

作者简介

李　烨 作者简介见本期封2页。

张　旗 作者简介见本期封2页。

黄晓霞作者简介见本期封2页。