毕业设计（论文）开题报告--基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计（含文献综述、外文翻译） .doc

毕业设计（论文）开题报告（含文献综述、外文翻译）题 目 基于gains433mac库的无线传感器星型网络通信设计 姓 名 学 号 专业班级 05自动化2班 指导教师 分 院 信息科学与工程分院 开题日期 2009年03月6日 文献综述内容基于gains433mac库的无线传感器星型网络通信设计近年来，随着传感器、计算机、无线通信、微机等技术的发展和相互融合，人们终于可以实时监测外部环境，实现大范围、自动化的信息采集，这就是无线传感器网络（wireless sensor network）。无线传感器网络是是一种特殊的ad-hoc网络1，它是由大量低成本且具有传感、数据处理和无线通信能力的传感器节点通过自动组织方式形成的网络。他独立于基站或移动路由等基础通信设施，通过分布式协议自组成网络。传感器网络中的传感器节点主要有两类：普通传感器节点和汇聚节点。汇聚节点（sink）为一个特殊节点，他是中心处理节点，也称网关节点。该节点可向区域内的普通传感器节点发送数据采集命令，并接受和处理普通传感器节点传来的数据。1 国内外情况分析1.1 国内外研究背景 传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期，最早用于战场信息的收集。从21 世纪开始，传感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划，特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络的研究。 在军事领域，美国国防部和各军事部门较早开始启动传感器网络的研究，强调战场情报的获取能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列军事传感器网络研究项目。在民用领域，美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目计划”，预计到2025年全面投入使用，该计划试图有效集先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理。 在学术界，由于传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等多学科交叉的研究领域，美国所有著名院校都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究，加拿大、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了传感器网络的研究。我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电子所、自动化所、合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究。1.2 wsn在国内外的形势无线传感网络涉及传感器技术、微系统技术、计算机技术、通信技术等领域，是集分布式信息采集、信息传输和信息处理于一体的网络信息系统，具有低成本、微型化、低功耗、灵活组网方式等特点，广泛用于军事防御、国家安全、环境科学、交通管理、反恐维护、灾害预测、智能城市建设等领域，受到国防部门、学术界、工业界的极大关注。由于无线传感器技术目前处于起步阶段，技术走向成熟还有一段时间。当前研究状况如下：美国军方：c4kisr计划、smart sensor web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统cec等。nsf：2003年制定了传感器网络研究计划。英国、日本、意大利等国：开展该领域的研究工作。我国也开展了这一领域的研究工作：无线传感器结点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。研究的学科交叉性不断增强，涉及电子工艺、无线通信和计算机网络。在无传感器的关键技术方面：拓扑结构控制、时间同步、定位技术和自动组网等方面。国内对协议的研究很多基于ns-2 或opent仿真环境进行。国内对协议的研究，从理论的角度进行各种算法比较和总结。在传感器技术、通信协议和采集数据的查询上，取得一些初步研究成果，但仍有大量没有涉及的问题。因此，无线传感器网络从理论完善到工程实践存在大量需要研究的问题。2 存在的问题 无线传感器网络因为其在应用中面临的严重挑战而成为信息工程领域最引人关注的研究课题之一。在对该领域详细分析后，其在设计方面面临的挑战主要有以下几个方面： （1）生存时间：无线传感器节点由于受到电池能量影响而在使用寿命上被严重限制。目前的碱性原料电池还不能保证节点连续工作一个月的能量消耗，对于有需要长时间监测和不易更换电池需求的大型传感器网络有较大差距，这也是目前多数研究者在研究传感器网络协议时将能效作为网络设计首要目标的原因。生存时间的问题可通过硬件技术和网络构架技术两方面加以该进。从硬件技术上来讲，涉及到工业设计等许多问题。 （2）鲁棒性：提供大范围的高质量覆盖应用是无线传感器网络的重要使命。在此类应用中，传感器、通信节点等设备成本低廉。正因如此，这些设备并不非常可靠而且在某些情况下的误差较大，保持鲁棒性是确保整个网络系统在少数节点发生错误后仍能维持网络性能的关键。如何使在苛刻条件(如沙漠地区)或危险地带(如敌军区域)布置的传感器网络拥有良好的鲁棒性是一个严峻的挑战。 （3）协同信号处理能力：目前无线传感器网络设备在处理器、存储、无线收发机以及传感器感知精度等方面的能力有限。如果仅仅对系统硬件设备提升需要巨大代价。作为一种典型的分布式网络结构，如何设计传感器节点间的协同以更加快速有效完成信号过滤、数据汇集、协同定位等任务相当具有挑战性。（4）网络的自配置性：由于无线传感器网络在许多应用中其节点规模较大，其在无人值守的条件下，不可能在布置网络后再进行人工调整.网络开始工后，拓扑结构的动态调整、节点定位、时间同步以及坐标校准、内部节点通以及测量参数的决定等多方面需要网络本身有较高的自配置性。因此无线传感器网络的自配置性是一个非常关键的问题。3 wsn的研究进展目前无线传感器网络尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国外建设了很多演示系统，相关的理论研究成果也很多。近年来，国内一些科研院所和高校也开展了无线传感器网络理论和应用的研究，从可以获得的文献资料来看，基本处于起步阶段。传感器网络节点为一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支持平台目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式，比如采用自定义协议、802.11协议、zigbee协议、蓝牙协议以及uwb通信方式等。传感器网络有着巨大的应用前景，建筑在各类传感网络节点平台上的、面向海陆空全方位应用需求的各类研究项目更是层出不穷 以下仅列出其中几个代表典型应用的项目为例，比如用于环境监测、气象现象的观测和天气预报、生物群落的微观观测、洪灾的预警、农田管理、智能家居、智能交通、辐射监测的研究，用于定位的cricket和echo，以及用于医疗的ssim项目等。相信随着研究工作的不断深入和发展，各种传感器网络将最终遍布我们的生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。4 无线传感器的拓扑控制4.1 研究拓扑控制的意义无线传感器网络是一种新兴的网络，一般具有大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常发生变化的特点2。无线传感器网络的这些特点决定了拓扑控制在无线传感器网络研究中的重要作用，同时这些特点也使得它的拓扑控制研究具有挑战性。首先，拓扑控制是一种重要的节能技术；其次，拓扑控制保证网络覆盖的质量和连通质量；另外拓扑控制能够降低通信干扰、提高mac协议和路由协议的效率，为数据融合提供拓扑基础；拓扑控制能够提高网络的容量、可靠性、可扩展性等其他性能。总之拓扑控制对网络性能具有重大的影响，因而对它研究具有十分重要的意义。4.2 拓扑控制的目标和分类就通常意义下的wsn而言，其拓扑控制的共性目标主要包含：保障节点间可达性、降低能量损耗、提升网络容量、减小信道干扰以及增强空间复用率等多个方面。对于某些特定应用，针对网络需求，拓扑控制的目标还涉及支持弱移动性、减小传输延迟、优化通信链路质量等其它方面。由于节点发射功率的全方位扩散特征，因此wsn结构可抽象为单位圆图(unitdiskgraph，udg)。从图论角度结合上述共性目标不难发现，经拓扑控制调整所获网络结构图应具备连通性、对称性/弱对称性、稀疏性、节点度(物理度/逻辑度)受限、平面性等基本属性。从算法中的拓扑管理方式、形成依据、实现需求等不同角度，拓扑控制算法存在多种归类方法。（1）拓扑控制算法从管理方式可划分为节点功率控制和分簇拓扑控制两类其中节点功率控制机制指通过设置或动态调整节点的通信功率，以保证网络拓扑连通、双向连通或多连通，同时尽量避免隐终端和暴露终端3问题。分簇机制采用分层结构形成处理和转发数据的骨干网络，其中非簇头节点可通过空闲休眠策略来达到节能目的。功率控制适用于网络规模相对较小、对兴趣数据准确性和敏感度要求较高的网络环境，而分簇控制适用于部分节点可以实行休眠策略的大规模网络。（2）从拓扑的形成依据来看，算法可分为4几何方式和概率方式。几何方式以某种特定结构(如最小生成树(minimum spanning tree，mst)、rng图5 (relative neighborhood graph)、gg图5 (gabirel graph)、dt图5 (delaunay triangulation)及yg图5 (yao graph)等来构架网络，概率方式(如几何随机图6、占位理论7、连续渗流理论8)指计算具有较好性质时的节点功率和度值，并按此形成拓扑。（3）从算法的实现需求看，可分为基于精确地理位置的算法、基于方位信息的算法和基于邻居集信息的算法。（4）根据最终生成拓扑中节点功率是否一致，可区分为临界传输功率(critical transmitting range，ctr)算法和差异传输功率分配算法。（5）从算法的执行频率，可把算法分为周期性执行算法与单数据包(per-packet)调整的拓扑控制算法。（6）根据算法是否考虑节点的剩余能量问题，可分为基于能量的拓扑控制算法和非基于能量的拓扑控制算法。（7）根据算法的实现需全局网络信息还是局部网络信息，可分为基于全局信息的算法和基于局部信息的算法。4.3 拓扑控制的评价标准拓扑控制要保证在一定的网络连通质量和覆盖质量的前提下，一般以延长网络生存周期为主要目标，兼顾通信干扰、网络延迟、负载均衡、可靠性、可扩展性等其他性能，形成一个优化的拓扑结构。无线传感器网络是与应用相关的，不同的应用其设计目标不尽相同，采用的拓扑结构控制手段也不尽相同。我们对于拓扑控制的评价标准一般为以下几方面：（1）连通性 拓扑控制不能使连通图g变成非连通图。也就是说，如果g中的节点u与v之间有一条(可能是多跳)路径，那么在t中也应该有这样一条路径(显然，不一定是同一条路径)。如果至少要去掉k个节点才能使网络不连通，那么就称网络是k-连通的，或者网络的连通度为k。拓扑控制要保证网络是连通的(即至少1-连通)，这是拓扑控制的基本要求。（2）覆盖率 覆盖率可以看成是对传感器服务质量的度量。覆盖问题可以分为区域覆盖、点覆盖和栅栏覆盖。区域覆盖研究对目标区域的覆盖(监测)问题；点覆盖研究对一些离散的目标点的覆盖问题；栅栏覆盖研究运动物体穿越网络部署区域被发现的概率问题。相对而言，对区域覆盖的研究较多。如果目标区域中的任何一点都被k个传感器节点监测，就称网络是k-覆盖的，或者称网络的覆盖度为k。一般要求目标区域的每一个点至少被一个节点监测，即1-覆盖。（3）吞吐量化简后的网络拓扑结构应该能够支持与原始网络相似的通信量，尤其是在有大量突发事件时。设目标区域是一个凸区域，每个节点的吞吐率为。在理想情况下有下面的关系式：其中：是目标区域的面积；是节点的最高传输速率；是圆周率；是大于0的常数；是源节点到目的节点的平均距离；是节点数；是理想球状无线电发射模型的发射半径。由此可以看出，减小发射半径或减小工作网络的规模，在节省能量的同时可以在一定程度上提高网络的吞吐能力。（4）鲁棒性 当在原始图g中的邻近关系发生变化时(如节点运动、失效或无线信道特性发生变化)，一些节点的拓扑信息可能会发生变化。显然鲁棒的拓扑结构只需进行少量的调整就可以避免对本地节点重新组织而造成整个网络的波动。（5）算法总开销 对于资源有限的节点来说，算法本身的开销应该小一些，如附加信息少、计算量小；另外分布式实现也是一个必要条件。5. 星型网络的拓扑星型网络的拓扑结构图如图1所示。rfd网络协调器ffd 图1 星型网络的拓扑结构 星型网络由一个叫做pan协调器的中央控制器和多个网络从设备所组成，主协调器必须是一个全功能设备，而从设备可以是全功能设备也可以简化功能设备。在星型网络中，协调器主要负责搜索一个空闲信道并在信道上建立网络、允许设备加入到网络、为设备分配网络地址、支持设备之间的绑定操作、在设备之间转发数据。在zigbee技术应用中，pan主协调器是主要的耗能设备，一般会采用持续电力系统供电，而其他的从设备均采用电池供电。zigbee技术的星型网络通常在家庭自动化、pc外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等范围比较小的方面得到应用。参考文献1 estrin d，govindan r，heidemann jnext century challenges：scalable coordination in sensor networks aprocedings of the fifth annual international conference on mobile computing and networks(mobicom99) cwashingt- on，usa，1999263-2702 akyiidiz i f,su w,sankarasubramanias y,eta1.a survey on sensor networks j . ieee communications magazine, 2002, 40(8):102-114.3 yeh c-h.the heterogeneous hidden/exposed terminal problem for power controlled and hoc mac protocols and its solutions a. in：proc. of vehicular technology conference c. mlian italy: ieee press, 2004. 2548-2554.4 李铭拓扑控制j计算机世界报第40期b7版.5 周培德计算几何北京：清华大学出版社，2005.6 santi p. the critical transmitting range for connectivity in mobile ad hoc networks j. ieee transaction on mobile computing, 2005, 4(3):310-317.7 santi p, b1ough d. the critcal transmitting range for connectivity in sparse wireless ad hoe networks j. ieee transaction on mobileo computing, 2003, 2(1):25-39.8 gupta p, kumar p. critical power for asymptoitc connectivity in wireless networks a. in: proc of steohastic analysis, control, optimization and application c. boston, ma: ieee press, 1998. 547-566.开题报告基于gains433mac库的无线传感器星型网络通信设计1. 选题背景及意义随着微机电系统的迅速发展，片上系统soc(system on chip)得以实现，一块小小的芯片可以传递逻辑指令，感知现实世界，乃至作出反应。无线传感器网络wsn(wireless sensor network)，这一由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理和具有片上微处理能力的微型传感器节点(sensor node)组成的网络1,2，引起了工业界和学术界众多研究者的关注3。传统的传感器网络通常由两种节点：传感器节点(sensor)和接收器节点(sink)组成。传感器节点负责对事件的感知和数据包的传输；接收器节点则是数据传输的目标节点，一般具有人机交互界面，并可以接人其它类型的网络体系。传感器网络以其低成本、低功耗的特点，在军事、环境监测、医疗健康等领域都有着广泛的应用4,5。在传感器网络中，传感器节点是体积微小的嵌入式设备。采用有限的电池供电，它的计算能力和通信能力十分有限，所以除了能设计能量高效的mac协议、路由协议以及应用层协议之外，还有设计优化的网络拓扑控制机制6。在传感器网络中，网络的拓扑结构控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面：(1) 影响整个网络的生存时间。传感器网络的节点一般采用电池供电，节省能量是网络设计主要考虑的问题之一。拓扑控制的一个重要目标就是在保证网络连通性和覆盖度的情况下，尽量合理高效地使用网络能量，延长整个网络的生存时间。(2) 减少节点间通信干扰、提高网络通信效率。传感器网络中节点通常密集部署，如果每个节点都以大功率进行通信，会加剧节点之间的干扰，降低通信效率，并造成节点能量的浪费。两一方面，如果选择太小的发射功率，会影响网络的连通性。所以，拓扑控制中的功率技术是解决这个矛盾的重要途径之一。(3) 为路由协议提供基础。在传感器网络中，只有活动的节点才能够进行数据转发，而拓扑控制可以确定由哪些节点作为转发节点，同时确定节点之间的邻居关系。(4) 数据融合。传感器网络中的数据融合指传感器节点将采用的数据发送给骨节点，骨节点进行数据融合，并把融合结果发送给数据收集节点。而骨节点的选择是拓扑控制的一项重要内容。(5) 弥补节点失效的影响。传感器节点可能部署在恶劣环境中，在军事应用中甚至部署在敌方区域中，所以很容易受到破坏而失效。这就要求对网络拓扑结构具有鲁棒性以适应这种情况。虽然传感器网络在某种程度上可以视为一种ad-hoc网络，但相对于一般意义上的ad-hoc网络来说，它面临的环境更加复杂多变，其节点部署更为密集，节点能量更加有限，无线链路更加容易受到干扰，节点更加容易失效，所以必须研究适应于传感器网络的、面向具体应用的、更为高效的拓扑控制算法。2. 研究的具体内容本设计是在实验平台上基于gains443 mac库开发一个简单的星型网络。使它可以实现多个节点将通过光强传感器采集的光强数据发送给汇集节点，汇聚节点再通过串口将收集到的传感数据发送到微机上，再实现可观察到的光强实时曲线。这个实验使用了gains433 mac库开发模板，为了实现相关的功能需要用到atmega128l单片机上的其他资源，这些资源的驱动程序是在模板中提供源代码辅助模块包括控制灯的模块led，控制传感器的模块sensor，控制模块转换的模块adc，单片机寄存器的操作模块fun以及操作系统模块os。(1) led模块 gains-3实验开发版提供的硬件平台上面有红、绿、黄三种颜色的指示灯各一个，函数led_on表示让某种颜色的等亮，led_off表示让某种颜色的灯灭，led_toggle表示让某种颜色的灯交替亮灭，即对亮着的灯调用一次会让它灭，对灭着的灯调用一次会让它亮，ledinit是对整个模块的初始化，主要是一些控制变量的初始化。(2) sensor模块和adc模块这两个模块的 联系比较紧密，adc模块初始化是有sensor模块的初始化过程汉族东调用的。sensor模块提供温度传感器和光强度传感器的调用接口，由于温度传感器对温度的变换不是很敏感，实验中aiyong光强传感器。(3) fun模块该模块只要是对单片机atmega128l一些寄存器的操作以及随机数的产生等函数（有关电源的函数基本上没有用到）。(4) os模块该模块实现的是一个小型的操作系统，基本功能是提供一个任务队列。用户可以通过函数osposttask来提交一个任务，该函数的参数是一个返回值和参数都为void的函数名（也就是函数指针）。另外os模块还提供了对原子操作的支持，通过一对函数来实现该功能。合理的组合、利用以上模块用来实现星型网络实验代码架构，星型网络的实验代码本身是一个开发模板，通过开发模板，可以很快地掌握开发的流程，把握系统的整体架构，增加所设定的功能，实现所设定的协议。3. 拟解决的主要问题从以上叙述来看，预计所需要解决的问题如下：(1) 了解无线传感器网络和其各种路由协议的原理。(2) 了解gains-3实验平台和atmega128l芯片，学会使用软件winavr和avrstudio。(3) 掌握gains433 mac库的使用，培养利用gains433 mac库开发高级通信协议的能力。(4) 掌握实现无线传感器基于gains433 mac库的无线传感器星型网络通信设计。4. 研究的方法与技术路线在本设计的整个过程中，需要运用理论与实践相结合的方式。因为在设计中需要对程序进行编译和调试，并分析程序的可行性，想要出色的完成这一系列的任务都需要有扎实的理论基础。（1） 查阅相关书籍与期刊，了解无线传感器网络和其各种路由协议的原理，理解程序原理。（2） 熟悉gains实验平台，了解atmega128l芯片的引脚作用及简单指令。熟悉开发编译环境，主要了解winavr集成开发环境和学会使用avr studio下载程序。gains-3实验平台是由宁波中科集成电路设计中心所开发的。gains-3节点是基于低功耗微处理器芯片atmega128，射频部分采用chipcon公司的cc1000芯片，扩展存储采用容量达512kb的低功耗flash存储器。整个系统采用了通用的接口插槽，将传感、处理和通信模块进行分离，可以实现按照不同的应用需求进行不同的扩展。gains-3实验开发板最主要的功能是实现半双工的无线通信，mac层协议的库能够提供的功能包括ack机制、射频睡眠机制以及透明的传输数据包的能力，采用csma技能，利用crc-16算法进行校验，这些功能对一般的应用开发已经足够了。另外，还附带提供了一些辅助的库和模块，这些库和模块包括：控制led的库（开源），控制传感器的库（开源），控制adc的库（开源），控制0号计算器的库（开源），射频驱动的库，任务调度库（开源，相当于操作系统），功能函数模块（开源）以及串口驱动模块（开源）。使用这些库和模块可以满足大部分的开发需要。配套的提供一个开发模板，可以使开发更加的顺利和便捷。开发编译环境是由winavr软件和avr studio软件构成的。winavr软件是个免费的avr卡发程序集，它以著名的自由软件gcc为c/c+编译器。winavr软件是一组开放源代码的程序集，用于atmel公司avr系列单片机的开发，他主要包含：a) gnu程序包binutils。 b) gnu gcc的c和c+编译器。 c) avr-libc。avr studio是一个专业化集成开发环境，用来编辑，编译和调试windows9x/nt/2000/xp环境下的avr应用程序。avr studio集成开发环境包括：项目管理，avr assembler编译器，调试（软仿真和在线调试），avr prog程序下载，jtag编程等功能。对于与外设无关的程序，可以在avr studio中选择软仿真方式来调试程序；对于与外设有关的程序，可以在avr studio 中使用jtag编程功能讲二进制可执行文件下载到目标板的flash中。（3） 了解gains-3mac库接口函数gains-3mac库给用户提供了丰富的接口，便于用户自己开发。gainsmac433库包含了三个模块，分别是mac，physical和radiocontrol，对外接口主要由mac模块提供。radiocontrol模型在初始化的时候会调用cc1000模块（为了方便，cc1000模块也被封装在库中），还有一点需要说明的是，radiocontrol模块在进行载波监听的时候需要使用adc转换结束的时候会回调radiocontrol模块中的radiocontrolrssiadcdataready函数，在该函数中会根据adc转换获得的数据来判断信道是否空闲，实现这个功能需要占用硬件上的adc0通道。入口函数。入口函数也就是可以供用户调用的功能接口，主要包含两个函数，分别是支持单调的函数macunicastmsg和支持广播的函数macbroadcastmsg，另外还有mac层的初始化函数macint。所谓传播就是将数据包发送给指定的节点，由于无线信通的特点，在物理世界电磁波可定采用的广播的方式，在广播域内的其他的节点也可以接收到该数据包，但只是有指定的节点才能接受数据包，其他的节点在mac层直接丢弃该数据包。回调函数。回调函数是ganismac433库对外的信息接口，通过回调函数，外部模块可以被动的获得mac层的一些运动状态，回调函数需要用户来实现，其中最主要的几个函数，外部模块可以被动的获得mac层的一些运动状态，回调函数需要用户来实现，其中最主要的函数是receivedone，transmitdone，sendfail，getfreequeuelength。（4） 在有扎实的理论基础上进行实践，在计算机上安装winavr和avr studio软件，熟悉软件操作。查看gains-3实验开发板实物，了解具体模块组成。（5） 连接计算机和开发平台，设置编程程序，使用gains433 mac库实现一个星型网络。网络的基本功能是多个节点将通过光强传感器采集的光强数据发送汇节点（即sink节点），汇聚节点通过串口将收集到的传感数据发送到pc，通过pc上的snamp可视化后台软件观看光强度的实时曲线。5. 研究的总体安排与进度本次研究从2008年12月8日开始，于五月底结束。根据上面拟定的方案，具体工作可大致分以下几个阶段，每个阶段的具体任务如下：阶段日期具体任务12008.12.9-2009.01.10查阅文献22009.1.11-2009.02.28外文翻译32009.03.1-2009.03.2开题报告42009.03.7-2009.03.15熟悉开发环境52009.03.16-2009.04.10编写程序及调试62009.04.11-2009.05.20进行实验72009.05.21-2009.06.5撰写论文参考文献1 陈道明主编通信卫星有效载荷技术北京：宇航出版社20012 nagatay，linear amplification technique for digital mobile communicationsprocedding of the 39th ieee vehicular technology conference1989：159-1643 akyildiz i，su w，sankarasubramaniam y，etalwirelesssensornetworks：a survey jcomputer networks (elsevier) journal，2002，38(4)：393-4224 李建中，李金宝，石胜飞传感器网络及其数据管理的感念、问题与进展j软件学报，2003(10)：1717-17255 陈丹，郑增威，李际军无线传感器网络研究综述j计算机测量与控制2004(8)：701-7046 akyildiz i f，su w，sankarasubramaniam y，cayrirci ea survey on sensor networksieee communications magazine，2002，40：102-114外文翻译稿wsn启发式路由协议的实验评估框架摘要:这篇文章的重要贡献工作是对基于wsn的路由协议进行了公正、全面的评价。这个框架主要是基于代理的启发式路由协议，但一般足以用于评价经典无线传感器网络路由协议。其他重要贡献是执行两个最新的路由协议，eeabr和beesensor。使用无线传感器网络模拟器rmase，利用我们提出的框架对eeabr、beesensor、fp-ant、aodv协议进行彻底的分析。根据我们掌握的情况，启发式类型的无线传感器网络路由协议还没有被评价过，其他的评价方法不是相互之间比较就是和aodv协议进行比较。我们所报告的新的模拟协议是使用标准后模拟所得的结果，是以前从未被报告过的。我们期望，协议的框架可以作为一个重要评价工具，协议设计者可以利用它来查出他们协议的严重缺陷和纠正他们在早些时候的协议工程周期。1. 导言由于无线传感器网络在许多方面被应用，包括目标成像领域，入侵检测，气象监测，安全和战术监测和灾害管理。从而无线传感器网络得到研究人员的大量关注。从传感器节点到基站路由高效率的数据读取，对于wsn路由协议是一个关键挑战。这种协议不仅需要做到能量高效路由，而且需要采用多种途径来减少节点数。因此，无线传感器网络节点的运行寿命得到显著改善。如文献1调查所得，研究人员设计的大多数wsns路由协议是经典协议。然而，文献2812 报告了有限数量的启发式类型的wsns路由协议。据我们了解，没有一个从全面来分析和评价传统路由协议和启发式路由协议的框架。此外，几乎没有著作来分析启发式类型wsns路由协议和传统wsns路由协议。如文献212，作者只是论述比较不同基本蚁群算法。此外，似乎有些作者使用了合成应用程序，但实际上，没有一款应用软件能够在不同的网络拓扑结构下对协议进行评价。因此，作者只是报告了一些重要的性能参数：成功率，潜伏期及一些能量数据。这样就没有关于模型制作和处理的复杂性和它对能源的消耗的分析。因此没有得到协议价值的全部信息。没有对不同的启发式路由协议进行全面的分析和评价，为我们目前的研究工作提供动机。我们目前的研究是根据早先的研究报告文献4、10，文中作者已经开发了一个用来比较和研究启发式路由协议的标准，是为了固定分组交换网络。然而，大多数的性能参数并不适用于传感器网络。因此，在本文中我们讨论关于设计、开发和实施我们的综合性能评价标准，可以在大多数情况下评估有关的性能参数。我们已经提出了一些指标，如提供一个研究员关于一种算法的完整观点。这将有助于设计师用科学方法获得协议的一些优缺点。我们希望，启发式无线网络可以和经典网络一样利用这一标准，以做一个全面的协议评价并报告所有的参数，能为读者更好的了解他们的协议的优缺点。文章结构。其余的章节是安排如下：在第二节，简要回顾了先进路由协议选择的比较分析。 在第三节，我们介绍我们的性能评估标准，并描述实验和模拟标准。 在第四节，我们讨论结果的实验。 最后，我们结束了，并提供给我们展望未来的研究。2. 简要回顾选定的启发路由协议性质在本节中，我们简要回顾下先进路由协议，并利用我们的框架对软件进行了全面的评估和分析。2.1 fp-ant协议洪泛机制对无线网络有显著的帮助，特别是在传感器网络中，传感器网络的丢包概率远高于固定网络。文献 12中提到的fp-ant是蚁群网络的一种变化，是根据洪泛机制建立的。在fp-ant中，前面的蚁群和后面的蚁群连接着，带着节点目录被访问。蚂群的控制方式有两种。首先，一个节点数据传播到一只最靠近目的地的前瞻性蚂蚁。其次，在前瞻性蚂蚁中转之前加一个随机的延迟。因此，如果节点收到从相同的前瞻性蚂蚁传递来的信号，这就是简单的传播信号。当蚂蚁到达目的地，它们不仅将数据传输到目的地，还把传输的路径带到了目的地。从目的地返回后的蚂蚁用相反的路径再次传输，以增强它们的联系概率。联系概率是用来限制太多带信息的蚂蚁到达汇节点方法。正如期望的，这种算法大大改善了成功率，但能源却大量消耗。我们的评价中包含了fp-ant，因为它可以作为最大数据包投递率与其它协议相比较的基准。由于洪泛机制，fp-ant的能量消耗大大的减少了。2.2 eeabr协议文献2中提出的eeabr路由算法是受蚁群优化启发的。在网络中的每一个节点每隔一段时间发出一个前瞻性蚂蚁，目的是为了找到一条到达特殊目的地的路径。与蚂群网络不同的是，节点是无法储存前面蚂蚁记忆的。相反，蚂蚁只带有最后访问的两个节点的地址。现在，需要更多的中间节点来记录的蚂蚁的路径，收到和转发，并保存。每条存储在表中的信息有四种形式：前节点、发送节点、蚂蚁识别、间隔时间。当一个节点接收到前瞻性蚂蚁，它将搜查本地检测表上的全部循环。如果没有循环存在，节点把蚂蚁的信息保存下来，重新启动计时器并传送到下一跳。当前瞻性蚂蚁到达目的节点后，它会转换成一个落后的蚂蚁并更新信息路径的轨迹，跟随前瞻性蚂蚁再次到达目的地节点。相应于落后的蚂蚁，存入信息轨迹的数量根据下列公式计算。 (1)是存储记忆前瞻性蚂蚁的平均能量节点，是访问迄今为止能量最低的一个节点和被前置蚂蚁访问过的接点数量。当一个节点r收到一个落后的蚂蚁来自邻近的节点s的信号，它根据下列公式更新路由表格 (2)其中是一个系数，是被落后的蚂蚁访问的接点数量，直到节点。当落后的蚂蚁在到达源节点，它会被抛弃。eeabr是一个典型的主动路由协议不仅对能源效率有针对性，也低于标准能量偏差的剩余水平。我们选择了这个最近提出的算法，使用纯粹的无演算法来评估beesensor和aodv协议在资源约束网络中的性能。2.3 beesensor 协议beesensor协议是由蜜蜂觅食原理和按需路由发现。beesensor工程有三个类型的动力;包，帧和接收点 。包为接收点能找到适当的数据包腾出源节点。beesensor主要的部分是，帧负责利用广播的原则发新的路径到一个新的目的地接节点，采取点对点的方式传输和携带的数据包到汇节点。当源节点检测到的事件，没有到汇节点的线路，它将发出一个前置帧，检查事件。前置帧利用广播的原则向所有邻近的一个节点传播。每个前置帧具有独特的标识以便在检测活动中检测到它的有效载荷。中间节点在距离两个跳跃距离或更少距离，总是传播着，而其余的节点随机决定是否传播。前置帧不创建源头文件，完整的走完所有节点，当到汇节点保存。因此，其大小是固定的，于前行路径的长短无关。源路由是通过建立在前置帧往返上的。当汇节点收到了帧，它选取了一个独特的路径识别码(pid)，将收到帧转换成一个落后的帧，并返回到源节点。每一个中间节点，包括汇节点，邻元素通过它获得前置帧的复制品。我们已经修改最初在参考文献8中提出的成本函数，现在计算公式如下： (3)是选择邻元素n到达源节点的成本，是节点n的剩余能量,是通过n到达原节点的跳跃数量。当汇节点与后置帧相临近时，有最大价值。当随后的节点收到此落后的帧，它更新转发表，其中包含三个方面：节点得到落后帧的标识是nexthop，节点在落后帧的标识是prevhop，pid是路径标识。这样，在中间节点的转发表的帮助下，源路由被实现。然后，落后帧的更新的最低剩余能源领域，最好使用和汇节点相同的标准。这一过程在所有的中间节点反复，直到落后的帧回到源节点。源节点的质量价值取决于跳跃数量，跳跃次数根据落后帧的最低剩余的能量的路径报告。此外，接收点的路线取决于跳跃次数。路由表项目由六个领域组成：编号的源节点和一个独特的讯息识别码（这两个领域唯一区别在来源节点）产生在应用层的源节点，目的地编号，路径编号，下一次跳跃和接收点的数量。一旦发现路径，汇节点路由事件就启动。源节点从路由表选择一个适当的接收点，增加了事件接收点的有效载荷，并转交下一次跳跃。每个有编号的接收点，它的路径是由源节点确定的，它将顺着路径到达汇节点。每一个中间节点交换机的接收点的下一跳取决于接收点的编号。2.4 aodv 路由协议aodv协议是一个最流行的经典的临时性移动的网络路由协议。像beesensor一样，aodv协议只有在需要时才生成路径。当一个节点一些数据发送到目的地，没有生成有效的路由表条目，它就会产生一个路由请求（rreq）然后传播到临近的节点。当一个中间节点收到此rreq，它搜索本地路由表中的一个要求的目的地的有效途径。如果搜索是成功的，它会产生一个rrep分组，采用反向链接发送一个单项信息到源节点。如果该节点已没有有效的路线到目的地，它就会建立一个可以单向返回源节点的rreq。当目的节点收到rreq包，它会产生一个单向返回源节点的rrep。当接到一个rrep包时，每一个中间节点都会更新它的路由表格，去建立一个前置指针，通过使用反向指针使rrep的信息传送到下一跳。该进程继续直到由源节点收到rrep。在原始形式下，aodv协议采用循环发送来核对临近节点的信息。如果参与路径的一个环节失败， rerr讯息通过单向返回源节点，并刷新相应中间节点的路由表条目。源节点有可能获得一个以上的rrep分组，并选择一个最少的hops。该版本的aodv协议的，我们用来评估的是一个能源优化版本的无线传感器网络的aodv协议，在分布式方面先进的rmase（在实际评价过程使用的模拟器）。此版本不使用明确hello包来检测链路故障。相反，它采用反馈链路层来实现相同的目标。此外，为避免间接多个答复，中间节点不产生答复（rrep），即使他们有一个有效的途径。这个版本的aodv协议还采用跨层技术，以避免因路径而产生较高的包丢失率。因此， aodv协议具有高度能源效率，并作为时延和全能耗（数据包需要的最少路径）的一个基准协议。上述协议有关的特点在表一已经列出，它提供了一个快速审查的算法摘要。3. 先进路由算法的性能评价框架我们现分析上述协议综合性能和评价框架。我们使用的是徘徊者，一种wsn模拟器，对fp-ant，eeabr，beesensor 和aodv进行全面的综合评价。徘徊者提供了一个电台和伯克利远程平台媒体访问控制(mac)模型。它也支持类似tinyos / nesc基于事件的结构，这有利于部署路由算法在实际传感器节点。路由应用建模仿真环境(rmase)是一个标准工具，如徘徊者中的申请表。rmase由网络的拓扑结构模型，应用模型和动态模型组成。它也支持分层架构中的路由算法。rmase运用模型拥有的主要参数：延时，成功率和能源消耗。我们延长了默认的性能模型与分布式(rmase)记录更多的相关参数，像循环的复杂性，控制开销，平均剩余能源和标准偏差等。这为洞察wsns路由协议的性能提供了宝贵价值。我们评估了所有协议在两种不同操作类型下了情况：第一个是静态模拟情景中，在一定区域内设定某一节点比例的节点作为源节点。源头固定在一个特定运行的实验中，产生的流量在一个500比特/秒的恒定比特率(cbr)中。我们还保证，该中心的圆圈中随机选择一个的方式，开始对每一个运行的实验。这种随机选择方式造成了一个问题：汇节点和 源节点的距离可能会有很大差异。因此，在固定的来源和目的地位置的条件下，才能进行不带任何偏见的评价。第二种情况是众所周知的传感器网络的目标跟踪应用。在此应用中，节点在完整的实验运行保持动态变化。当跟踪移动目标时，临近目标的传感器节点产生的任意事件取决于目标的位置。当目标超出节点的一定范围内，事件就停止。这种情况有望改变反应议定书，因为每当一个来源改变，该算法就会启动一个新的路由进程。事件所产生的源节点不是固定不变的，使得这种情况进一步复杂化。尤其是最后，我们确保源节点的位置可能是距离汇节点最远的。我们测试在遥感领域上的应用情况，在网络上的49,64,81，100，121和144传感器节点是随机放置。每个实验是周期为300秒。我们假定节点之间对称。所有报告的价值从5个独立运行步骤的平均分上得到。之所以选择5步是基于在观察上5步的到的结果近似于10步上得到的结果。节点的初始能量在第一静态情况下被设置为20焦耳，而目标跟踪应用程序情况下设置为50焦耳。不同的能级有利于保持不同协议不同能量级的能源消耗模式。我们使用我们的框架记录了大量的性能参数，报告如下。表1 无线传感器网络的路由协议分类characteristicsrouting protocolsfp-anteeabrbeesensoraodvsingle path(s).multipath(m)loop freereactive(r)vs.proactive(p)vs.hybrid(h)static (s) vs. dynamic(q)best effort (b) vs.qos(q)load balancingfaule tolerantpower awarenexthop(n) vs.source rounting (sr)mnohdbyesyesnonmnopdbyesyesyesnmyesrdbyesyesyessrsyesrdbnoyesnon时差。它的定义是源节点和汇节点相应的时差。不包括数据包丢失在内的时差。我们报告平均的时差。包投递率。这是在传感器网络中(一个事件由一个包发送)，源节点发出包的数量和汇节点上收到包数量的比例。损失率是: (4)能源