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第7期 樊勇等：一种用于设备监测的高效无线传感器网络多跳同步时分协议 .751. 致不必要的能源浪费 参数，下一级节点在向上一级节点发送数据时，上一 (2)确保各节点能量消耗均衡，否则能量消耗 级节点肯定已处于醒来状态，这样下一级节点直接 过快的节点失效会引起局部甚至整个网络的瘫痪， 发送数据而不必先发送握手信号，然后等待上一级 造成能量消耗不均的主要原因是网络中的有些节点 节点的接收到数据的确认信号，从而减少了握手信 承担了过多的转发任务，而射频电路消耗的能量占 号带来的能量消耗，数据逐级从传感器节点传给簇 据了节点工作时的大部分能量可].例如在树状结构 头，每次只有一个节点处于发送状态，只有一个发送 的网络中，根结点的能量消耗会高于叶节点，当根结 节点可及范围的节点处于接收状态，减少了被动接 点过早失效时，会降低网络的可靠性和通畅性， 收带来的能量损耗 (③)节点间传输延迟要小，网络中的延迟主要 由以下因素引起：信号在节点间的传输时延：信号从 传感器节点到簇头所经过的跳数：如果没有维护路 ☆筷头 径还要加上寻找父节点所花费的时间，要减小传输 △传感器节点 延迟就要尽可能减少发送的数据量，减少信号所经 O辅助节点 历的跳数，同时要维护路径，使寻找父节点花费的代 价最小 (4)保证数据可靠传输，需要考虑环境对射频 信号的干扰，节点失效后的处理，以及可靠的握手 图2传感器节点到簇头的路径建立 协议. Fig.2 Building route from sensor nodes to a cluster header 在以上需要考虑的因素中，节省能量是最重要 从整个网络来看，在每个活动周期，传感器节点 的，目前节能研究思路主要集中在如何使节点尽可 要发送数据和接收一个确认包，辅助节点除了接收、 能处于休眠状态，从而减少能量消耗一]，但是，在 转发数据还要发送一个确认包，所有的辅助节点的 文献[6]中所描述的机制下，源节点有可能在发送多 数据载荷相当，有助于实现节点的能量均衡，另外， 个RTS信号后才能收到目的节点的CTS回应，同 要通过适当的机制保证传感器节点以最短路径和簇 时这种机制没有考虑非目标节点被动接收造成的能 头相连，尽可能减少数据的传输延迟 量浪费.在文献[7]中所提出的基于TDMA的机 最后，在网络中要保持一定数量只包含辅助节 制，需要有一个AP(access point)定时收集其他节点 点的冗余链路，它们一方面为新加入的传感器节点 的拓扑信息，并安排每个节点的活动时槽，定期维护 提供数据通路；另外也为节点失效提供备用路径，提 节点拓扑，实现比较复杂，在文献[8]中提出了一种 高网络的可靠性 时间同步机制，该机制采用层次型网络结构，首先将 所有节点按照层次结构进行分级，然后每个节点与 3通讯协议的实现 上一级的一个节点进行时间同步，最终所有节点都 3.1簇头选择机制 与根节点时间同步， 如图3所示，所有的传感器节点、辅助节点在上 本文以节省能量为重点，以周期性采集设备参 电后，要随机选择加入一个簇头，每一个节点初始 数为应用背景，借鉴文献[8]中的时间同步机制，提 化路由表中包含所有簇头的节点号，它们以固定的 出了如下的设计思路：如图2所示，在传感器节点周 周期T发送带有本节点号的探询信号，然后转入监 围加入相当数量的辅助节点，它们有特殊的节点号 听状态，监听周围是否存在簇头，发送探询信号的 与传感器节点相区别，辅助节点负责对传感器节点 功率在0.3TXd0.5TXd(TXl表示节点的最大 所产生数据的转发，传感器节点和辅助节点都处于 发射功率)的范围内调节，发送功率如果太小，会需 周期休眠状态，它们以簇头为中心，呈辐射状自组织 要过多的辅助节点作为中继：如果发送功率过大，单 建立多条包含了传感器节点和辅助节点的链路，每 个节点消耗的功耗较多，不利于能量均衡，节点先 条链路之间处于不同的工作时槽，每条链路上的传 以低功率发送探询信号，如果超时没有收到簇头的 感器节点和它的父节点先醒来进行数据传输，靠近 响应，则增大发射功率，在某个发射功率下，所有收 簇头的节点延迟短暂时间后醒来进行后续的数据传 到节点i的探询信号的簇头随机退避一定时间 输，这样减少了没有数据传输任务节点的监听时间， t(D)后发送带有本节点号和i节点号的响应，节点 当链路上的节点处于活动状态时，设定适当的时间 i以最先收到的响应所属的簇头作为父节点而加入致不必要的能源浪费． （2） 确保各节点能量消耗均衡否则能量消耗 过快的节点失效会引起局部甚至整个网络的瘫痪． 造成能量消耗不均的主要原因是网络中的有些节点 承担了过多的转发任务而射频电路消耗的能量占 据了节点工作时的大部分能量［5］．例如在树状结构 的网络中根结点的能量消耗会高于叶节点当根结 点过早失效时会降低网络的可靠性和通畅性． （3） 节点间传输延迟要小．网络中的延迟主要 由以下因素引起：信号在节点间的传输时延；信号从 传感器节点到簇头所经过的跳数；如果没有维护路 径还要加上寻找父节点所花费的时间．要减小传输 延迟就要尽可能减少发送的数据量减少信号所经 历的跳数同时要维护路径使寻找父节点花费的代 价最小． （4） 保证数据可靠传输．需要考虑环境对射频 信号的干扰节点失效后的处理以及可靠的握手 协议． 在以上需要考虑的因素中节省能量是最重要 的．目前节能研究思路主要集中在如何使节点尽可 能处于休眠状态从而减少能量消耗［6—7］．但是在 文献［6］中所描述的机制下源节点有可能在发送多 个 RTS 信号后才能收到目的节点的 CTS 回应同 时这种机制没有考虑非目标节点被动接收造成的能 量浪费．在文献 ［7］ 中所提出的基于 TDMA 的机 制需要有一个 AP（access point）定时收集其他节点 的拓扑信息并安排每个节点的活动时槽定期维护 节点拓扑实现比较复杂．在文献［8］中提出了一种 时间同步机制该机制采用层次型网络结构首先将 所有节点按照层次结构进行分级然后每个节点与 上一级的一个节点进行时间同步最终所有节点都 与根节点时间同步． 本文以节省能量为重点以周期性采集设备参 数为应用背景借鉴文献［8］中的时间同步机制提 出了如下的设计思路：如图2所示在传感器节点周 围加入相当数量的辅助节点它们有特殊的节点号 与传感器节点相区别辅助节点负责对传感器节点 所产生数据的转发．传感器节点和辅助节点都处于 周期休眠状态它们以簇头为中心呈辐射状自组织 建立多条包含了传感器节点和辅助节点的链路每 条链路之间处于不同的工作时槽每条链路上的传 感器节点和它的父节点先醒来进行数据传输靠近 簇头的节点延迟短暂时间后醒来进行后续的数据传 输这样减少了没有数据传输任务节点的监听时间． 当链路上的节点处于活动状态时设定适当的时间 参数下一级节点在向上一级节点发送数据时上一 级节点肯定已处于醒来状态这样下一级节点直接 发送数据而不必先发送握手信号然后等待上一级 节点的接收到数据的确认信号从而减少了握手信 号带来的能量消耗．数据逐级从传感器节点传给簇 头每次只有一个节点处于发送状态只有一个发送 节点可及范围的节点处于接收状态减少了被动接 收带来的能量损耗． 图2 传感器节点到簇头的路径建立 Fig．2 Building route from sensor nodes to a cluster header 从整个网络来看在每个活动周期传感器节点 要发送数据和接收一个确认包辅助节点除了接收、 转发数据还要发送一个确认包所有的辅助节点的 数据载荷相当有助于实现节点的能量均衡．另外 要通过适当的机制保证传感器节点以最短路径和簇 头相连尽可能减少数据的传输延迟． 最后在网络中要保持一定数量只包含辅助节 点的冗余链路．它们一方面为新加入的传感器节点 提供数据通路；另外也为节点失效提供备用路径提 高网络的可靠性． 3 通讯协议的实现 3∙1 簇头选择机制 如图3所示所有的传感器节点、辅助节点在上 电后要随机选择加入一个簇头．每一个节点初始 化路由表中包含所有簇头的节点号．它们以固定的 周期 T 发送带有本节点号的探询信号然后转入监 听状态监听周围是否存在簇头．发送探询信号的 功率在0∙3TXfull～0∙5TXfull（TXfull表示节点的最大 发射功率）的范围内调节．发送功率如果太小会需 要过多的辅助节点作为中继；如果发送功率过大单 个节点消耗的功耗较多不利于能量均衡．节点先 以低功率发送探询信号如果超时没有收到簇头的 响应则增大发射功率．在某个发射功率下所有收 到节点 i 的探询信号的簇头随机退避一定时间 t（ID）后发送带有本节点号和 i 节点号的响应节点 i 以最先收到的响应所属的簇头作为父节点而加入 第7期 樊 勇等： 一种用于设备监测的高效无线传感器网络多跳同步时分协议 ·751·