（信息与通信工程专业论文）基于ieee802154zigbee的无线传感器网络研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络是一种以数据为中心的自组织无线网络。网络中的节点密集，数量巨大且部署 在十分广泛的区域；网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自调整的特点。网络节点具有成本 低体积小，能量及其有限，计算能力、存储能力和通信能力有限的特点。节点的能量是设计节点是 考虑的最为关键的因素。 国内外对无线传感器网络的研究主要集中在m a c 算法、路由算法、定位算法机数据融合算法 上。在协议栈各层的功能定义上、在各层数据帧格式、层与层之间的接口、每一层内的规范管理上 都考虑较少。 低成本、低功耗、应用简单的 e e e8 0 2 1 5 ，4 z i g b e e 协议的诞生为无线传感网络及大量基丁微 控制应用提供了互联互通的国际标准，为也这些应用及相关产业的发展提供了有力的契机。 i e e e s 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议是由1 e e e 8 0 2 1 5 4 标准的p h y 和m a c 层再加上z i g b e e 的网络和应 用支持层所组成的其突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操 作、极低功耗、各层次的安全性等。 本论文全面深入地对i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准做了研究分析，重点对z i g b e e 网络的组网和路 由做深入研究，并提出一些相应的改进意见。本文从网络的建立与保持、设备入网流程以及z i g b e e 路由损耗，路由算法等关键点上突破，深入研究z i g b e e 技术的组网和路由方法，并提出了一些相 应的改进意见；在此基础上提出了自行设计一种准z i g b e e 网络的思路。并结合f r e e s c a l e 公司的 1 3 1 9 2 d s k - a 0 0 开发平台所提供的软硬件资源，用c 语言实现了咀上组网算法，并在硬件平台上的 得到了成功地验证。 关键字 无线传感器网络 通信原语 i e e e 8 0 2 1 5 4 组网 z i g b e e 标准 1 3 1 9 2 d s k - a 0 0 路由 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sak i n do fs e l f - o r g a n i z a t i o nw i r e l e s sn e t w o r kw h i c ht a k i n gt h ed a t aa s c e n t e r t h en o d ei nn e t w o r ki si n t e n s i v e ，h u g eq u a n t i t ya n dc o v e d n gal a r g ea r e a , a n dt h en e t w o r k t o p o l o g yi sd y n a m i c ，a n dt h en e t w o r k w a ss e l f - o r g a n i z a t i o na n ds e l f - m o d u l a t i o n t h en o d eh a ss o m e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o wc o s t ，s m a l lv o l u m e ，l i m i t e de n e r g ya n dl i m i t e dc o m p u t i n g , l i m i t e dm e m o r y , l i m i t e dc o m m u n i c a t i o n t h ee n e r g yo f n o d ei st h em o s td e c i s i v ef a c t o ro f d e s i g n i n gn o d e c u r r e n t l y , t h er e s e a r c ho nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o n c e n t r a t e sp r i m a r i l yi nt h ep r o t o c o lo fm a c ， r o u t i n ga l g o r i t h m sa n di n t e g r a t i o na l g o r i t h m s e e a c hl a y e r sf u n c t i o nd e f i n eo ft h ep r o t o c o ls t a c k ，d a t a f r a m ef o r m ，t h eu n i f o r mi n t e r f a c ed e f i n i t i o nb e t w e e nd i f f e r e n c el a y e r sa n de a c hl a y e r sr e g u l a r m a n a g e m e n ta r ec o n s i d e r e df e w e r t h ea p p e a r a n c eo f i e e e8 0 2 1 5 4 t z i g b e ep r o t o c o lw h i c ho f l o wc o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d s i m p l ea p p l i c a t i o no f f e r st h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n da p p l i c a t i o nb a s e do n m i c r o - c o n t r 0 1 a tt h es a m et i m ei to f f e r st h ec h a n c ef o rt h ea p p l i c a t i o n sa n dt h ed e v e l o p m e n to fr e l a t e d i n d u s t r i e s i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g a e ep r o t o c o li sc o n s t i t u t e do f1 e e e 8 0 2 1 5 4 sp h ya n dm a cl a y e r , z i g b e e n e t w o r kl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r i t so u t s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r et h es y s t e ms u p p o r t i n gl o wc o s t o p e r a t i o n ，e a s i l yr e a l i z a t i o no ft h ed e p e n d a b l ed a t a , s h o r td i s t a n c eo p e r a t i o n ，t h ev e r yl o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dt h ed i f f e r e n tl a y e r ss a f e t ye t c i nt h ep a p e r , t h ea u t h o ra n a l y z e st h ei e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e ep r o t o c 0 1 e s p e c i a l l yi nn e t w o r kf o r m a t i o n a n dr o u t ea l g o r i t h m s ，a n dp o i n t e do u ts o m ea d v a n c e dt h o u g h t m a k i n gb r e a k t h r o u g hf r o mt h ed e c i s i v e p o i n t s ，s u c ha se s t a b l i s h m e n ta n dm a i n t e n a n c eo f n e t w o r k ，t h ei n t o - n e t w o r kf l o w , t h er o u t e rc o n s u m p t i o n a n dr o u t e ra l g o r i t h m se t c , t h ea u t h o rp o i n t e do u ts o m ea d v a n c e dt h o u g h t ，a n dd e s i g n e da p r e p a r a t i v e z i g b e en e t w o r k f i n a l l y , t h ea l g o r i t h m sa r ei m p l e m e n t e do nt h ef r e e s e a l s s1 3 1 9 2 d s k - a 0 0d e v e l o p m e n t k j t k e yw o r d s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k c o m m u n i c a i t o np t i m i t t i v e i e e e 8 0 2 1 5 4 n e t w o r kf o r m a t i o n l l z i g b e e 1 3 1 9 2 d s k - a 0 0 r o u t e 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 无线传感嚣网络的研究采用系统发展模式，因而必须将现代的先进微电子技术、傲缅加工技 术、系统s o c 芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等融合，以 实现其微型化、集成化、多功能化及系统化、网络化，特别是实现无线传感器网络特有的超低功 耗系统设计。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物 医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨 大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2 0 0 0 年 以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之【b 5 】。 2 0 0 3 年2 月份的美国技术评论杂志评出对世界产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网 络被列为第一，未来科学家预言无线传感器将引发新的信息革命。一些专家认为无线传感器网络、 仿生人体器官等是全球未来的四大高技术产业，它们将掀起新的产业浪潮，这预示着未来到处是 以电池为电源的无线传感器网络，这些传感器可监控环境、机器甚至人类自己。 无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器节点，这些节点集 成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。传感器、微机电系统( m e m s ) 、集 成电路、以及低功耗无线通信等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感 器网络的大规模应用成为可能，这些微型无线传感器是集成的光机电一体化系统，具有无线通信、 数据收集和处理、协同工作等功能。它们共同组成了无线传感器网络，导致了一种全新的信息获 取和处理模式，微型传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组 织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同完成特定的任务。 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从b u e t o o t h 出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是b l u e t o o t h 的售价一 直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了i e e e 8 0 2 1 5 4 小组，负 责制定z i g a e e 的物理层和媒体介入控制层，i e e e 8 0 2 1 5 。4 规范是一种经济、高效、低数据速率( 2 5 0 k b p s ) 、工作在2 4 g h z 和8 6 8 9 2 8 m h z 的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。它是z i g b e e 应用层和网络层协议的基础。z j g b e e 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低 成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之问的技术提案。主要用于近距离无线 连接。它依据8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要 很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通 信效率非常高。 浙江大学硕士学位论文 1 2 无线传感器网络的特点和应用 11 2 1 无线传感器网络的研究态势 无线传感器网络的挑战性也为研究人员提供了广阔的研究空问。虽然美国很早就开始这方面 的研究，但直到近几年，这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬勃开展起来美国政府也斥巨资 支持这方面的研究在2 0 0 3 年度的自然科学基金自主的专题中，便有一个是传感器与传感器系统及 网络，拨款额度达到三千四百万美元。美国国防部在这方面的投入更为巨大。 美国的很多大学都已开展无线传感器网络的研究。加州大学伯克利分校( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ，b e r k e l e y ) 研制的传感器系统m i c a m i c a 2 m i e a 2 d o t 已被广泛地用于低能无线传感器网 络的研究和开发。麻省理工学院( m a s s a c h u s e t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 致力于基础知识的信号处 理技术哈佛大学( h a r v a r du n i v e r s i t y ) 研究无线传感器网络中通讯的理论基础等在其它国家和地 区，如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器及无线传感器网络的研究工作。 国内的一些科研单位和大学，如清华大学、中国科学院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学等已 经初步开展了在传感器及无线传感器网络方面的研究工作。从总体来讲，国内关于无线传感器网 络的研究还处于刚刚起步的阶段，但是由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的 差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、 经济将有重大的战略意义。 1 2 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得无线传感器网络 存在很多新问题，提出了很多新的挑战。无线传感器网络的主要特点有： ( 1 ) 无线传感器网络的节点数量大、密度高。由于无线传感器网络节点的微型化，每个节点 的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于 睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。无线传感器网络的节点数量 和密度都要比a dh o e 网络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节点的密度，甚至多到无法为 单个节点分配统一的物理地址。这会带来系列问题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、 大量节点之间如何协同工作等。 ( 2 ) 无线传感器网络的节点有一定的故障率。由于无线传感器网络可能工作在恶劣的外界环 境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正常工作，要求 无线传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。 ( 3 ) 无线传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。由于传感器节微 型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能 量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。另一方面， 2 浙江大学硕士学位论文 传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统 n t e r n e t 网络上成熟的协 议和算法对无线传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。 ( 4 ) 无线传感器网络的拓扑结构变化很快。由于无线传感器网络自身的特点，传感器节点在 工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者有新的传 感器节点补充进来以提高网络的质量，这些特点都使得无线传感器网络的拓扑结构变化很快，这 对网络各种算法( 如路由算法和链路质量控制协议等) 的有效性提出了挑战。此外，如果节点具 备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。 ( 5 ) 以数据为中心( d a t ac e n t r i c ) 。在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标 的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，比如说人们可能希望知道“检测区域的东北角上的 温度是多少”，而不会关心“节点8 所探测到的温度值是多少”。这就是无线传感器网络的以数据为 中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求 无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融台提取出 有用信息直接传送给用户。 1 2 3 无线传感器网络的应用 无线传感器网络在军事领域的应用十分重要，军方可以通过飞机空投等方式在预定区域散布 大量微型廉价的传感器节点，通过这些传感器节点实时监测周围环境的变化，并将监测到的数据 通过卫星信道等方式发送回基地这样就可以方便地监控我军布防的阵地是否有敌军入侵，也可以 将网络布置在敌方阵地上，以隐密的方式监控敌方阵地和敌军活动情况。 虽然无线传感器网络最初主要应用于军事领域，但是随着技术的发展，传感器节点的成本越 来越低，而功能却日益强大，使得以前造价昂贵的无线传感器网络现在已经能够进入民用领域。 现在无线传感器网络已经在民用领域中得到了很多应用，越来越多的可能的应用领域也不断展现 在人们的面前，毫无疑问在无线传感器网络中隐藏着巨大的商机无线传感器网络在民用方面的应 用主要有： 生态环境监测 基础设施安全 先进制造 物流管理 医疗健康 工业传感 智能交通控制 智能能源等 无线传感器网络还有报多其他方面的应用，前景无限，这里就不一一列举了。可以肯定的是， 随着技术的进步和经济的发展，无线传感器网络必将会越来越多的应用到社会生活的各个方面。 浙江大学硕士学位论文 1 3 无线传感器网络的体系结构 一个典型的无线传感器网络的体系构建包括分布式传感器节点( 群) 、接收发送器、互联网 和用户界面等。 在无线传感器网络中，节点通过飞机布撒，人工布置等方式，大量部署在感知对象内部或者 附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中 特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。这种以自组织形式构成 的网络，通过多跳中继方式将数据传回s i n k 节点( 接收发送器) ，最后借助s i n k 链路将整个区 域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。一个典型的无线传感器网络的体系结构包括分布 式传感器节点( 群) 、s i n k 节点、互联网和用户界面等，如图1 1 所示。在无线传感器网络中绝 大多数的节点只有很小的发射范围，而s i n k 节点的发射能力较强，具有较高的电能，可以把数据 发回远程控制节点。 u s e rs e n s o rf i e l d s e n s o r1 1 0 d e s 图1 1 一个典型的无线传感器网络体系结构 1 3 1 无线传感器节点组成 无线传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元：传感单元( 由传感器和模数转换 功能模块组成) 、处理单元( 由嵌入式系统构成，包括c p u 、存储器、嵌入式操作系统等) 、通 信单元( 由无线通信模块组成) 、以及电源部分，如图1 2 所示。此外，可以选择的其它功能单元 包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。 4 浙江大学硕士学位论文 l o c a t i o nf i n d i n gs y s t e mm o b i l i z e r 图1 2 无线传感器网络节点结构 1 3 1 无线传感器网络分层结构 与互联网协议框架类似，无线传感器网络的的协议框架也包括五层，如图l _ 3 所示，网络协 议各层功能如下： 圈圈 图1 , 3 无线传感器网路协议框架 物理层协议：物理层负责数据的调制、发送与接收。该层的设计将直接影响到电路的复杂度和 能耗。研究的目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点。 浙江大学硕士学位论文 数据链路层协议：数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制以及无线信道的使用控制， 减少邻居节点广播引起的冲突。 路由层协议：路由层实现数据融合，负责路由生成和路由选择。 传输控制层协议：传输控制层负责数据流的传输控制，协作维护数据流，是保障通信质量的 重要部分。t c p 协议是i n t e r n e t 上通用的传输层协议。但无线传感器网络的资源受限、高错误率、 拓扑结构动态变化的特点将严重影响t c p 协议的性能。 应用层协议：基于检测任务，在应用层上开发和使用不同的应用层软件。 无线传感器网络的应用支撑服务包括：时间同步和节点定位。其中：时间同步服务为协同工作 的节点同步本地时钟；节点定位服务依靠有限的位置已知节点( 信标) ，确定其他节点的位置，在 系统中建立起一定的空间关系。 图中右侧部分不是独立的模块，它们的功能渗透到各层中，如能量、安全、移动，在各层设 计实现中都要考虑；而拓扑管理主要是为了节约能量，制定节点的休眠策略，保持网络畅通；网络 管理主要是实现在传感器网络环境下对各种资源的管理，为上层应用服务的执行提供一个集成的 网络环境；q o s 支持是指为用户提供商质量的服务。通信协议中的各层都需要提供o o s 支持。 1 3 3 无线传感器网络协议 鉴于降低能源消耗是无线传感器网络设计中要考虑的最重要方面，而经研究显示：路由协议 和m a c 协议对无线通信模块的能量消耗起着关键影响。下面对这两个协议进行阐述。 1 3 3 1m a c 层协议 同所有共享介质的网络样，无线传感器网络的m a c 协议的主要目标是使节点公平、有效 地共享无线信道，避免多个节点同时发送数据产生冲突。通常有固定分配和随机访问两种主要的 使用无线信道的类型。 在d e a n a ( d i s t r i b u t e de n e r g y - a w a r e n o d e a c t i v a t i o n ) 协议中将帧分为调度访问部分和随机 访问部分。调度访问部分由多个时隙组成，某个时隙协商为特定节点发送数据的时间，其他节点 在该时隙内处于接收状态或者睡眠状态。为了进一步节省能量，每个时隙又细分为前部的控制部 分和后部的数据部分，如果节点在其发送时隙内有数据需要发送，则在时隙的控制部分发出控制 消息，指出接收数据的节点i d ，然后在时隙的数据部分发送出数据。在控制部分，所有节点都处 于接收状态，如果节点不是数据接收者，则可以在随后的数据发送部分进入睡眠状态，这样减少 接收不必要的数据。与传统的t d m a 协议相比，d e a n a 协议在节点得知不需要接收数据时进入 睡眠状态，能够部分解决接收不必要数据的过度监听( o v e r h e a r i n g ) 问题。但是，d e a n a 协议 需要所有节点的帧同步，不能很好支持节点移动，可扩展性差。 s - m a c ( s e n m r - m a c ) 协议是基于竞争的随机访问m a c 协议，它设计的主要目标是减少能 量消耗，提供良好的扩展性。针对传感器网络消耗能量的主要环节，( s e n s o r - m a c ) 协议是基于 6 浙江大学硕士学位论文 竞争的随机访问m a c 协议，它设计的主要目标是减少采用三方面的技术措旖减少能耗。第一， 周期性监听和睡眠，每个节点独立调度工作状态，周期性地转入睡眠状态，从睡眠状态苏醒后进 行侦听，判断是否需要通信；邻居节点之间尽量周期性同步，保持状态的一致性；每个节点广播 自己的调度信息，通过接收邻居节点的调度信息来维持邻居节点的调度表，用于非同步节点之间 的通信。第二，避免碰撞和接收不必要的消息，采用i e e e8 0 2 11 - 2 0 0 3 的虚拟，物理载波监听机制， 以及r t s c t s 通告机制，但是，与i e e e8 0 2 1 1 - 2 0 0 3 协议不同的是节点在不收发数据时进入睡眠 状态。第三，消息传递，考虑到传感器网络的数据融合和无线信道的容易出错的特点，将一个长 消息分割成几个短消息，利用r t s c t s 机制一次预约发送整个长消息的时间，连续发送长消息分 割成的多个短消息。 1 3 3 2 路由协议 针对无线传感器网络的特点与通信需求，网络层需要解决通过局部信息来决策并优化全局行 为( 路由生成与路由选择) 的问题。衡量传感器网络路由性能的一个重要指标就是合理地使用网络 中各个传感器节点的有限能量，使得网络保持连通性的时间更长。由于传感器节点间存在冗余信 息，路由机制通常与数据融合结合一起，传输路径上中间节点在转发数据之前进行数据融合。下 面介绍基于层次型的典型传感器网络路由机制。 l e a c h ( l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) 的核心思想是基于分簇的层次型路由， 包括周期性的簇建立阶段和稳定的数据通信阶段，稳定的数据通信阶段的时间较长。在簇建立阶 段，相邻节点动态地自动形成簇，节点等概率的随机成为簇首。在数据通信阶段，簇内节点把数 据发给簇首簇头进行数据融合并把结果发送给汇聚点。由于簇头需要完成数据融合、与汇聚点 通信等工作，簇头的能量消耗非常高，各节点需要等概率地担任簇首，这样才能使网络中所有节 点比较均衡地消耗能量，有利于延长整个网络的生存期。l e a c h 协议的特点是分层和数据融合， 分层利于网络的扩展性。数据融合能够减少通信量。 t e e n ( t h r e s h o l ds e n s i t i v ee n e r g ye f f i c i e n ts e n s o rn e t w o r kp r o t o c 0 1 ) 路由协议把传感器网络 分为节点周期性发送信息的主动网络( p r o a c t i v en e t w o r k ) 和及时监测突发事件的反应网络 ( r e a c t i v en e t w o r k ) 。在反应网络中，人们只对属性值高于给定阈值的数据感兴趣。t e e n 协议 是应用于反应网络的对l e a c h 协议的改进，其核心操作过程为：在簇头选取以后，簇头会把绝 对阈值和相对阈值两个参数广播给其他成员。传感器节点持续地采集数据，当采集的数据第一次 大于绝对阂值，节点把数据记录下来，同时发送给簇头；在以后时间内，这个节点只有满足采集的 数据大于绝对阂值，而且与前一次记录结果之差大于相对阈值时，才对数据进行记录并发送给簇 头。t e e n 协议的改进操作有两个好处：第一，对于突发事件能够及时响应；第二，对于持续的 突发事件，相邻两次数据之差在不大于阈值时，无需不断地发送数据，减少通信流量。 7 浙江大学硕上学位论文 1 4 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络是信息感知与采集和计算模式的一场革命。它作为一个全新的研究领域在基 础理论研究和工程技术研究两个层面上对科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。网络协议、 网络安全、能量管理、数据融合、移动管理、扩展性、健壮性等就是影响无线传感器网络性能的 关键技术。有关网络协议的内容已在上一小节中详细介绍，不再赘述。 1 网络安全 安全是系统可用的前提，需要在保证通信安全的前提下，降低系统开销，研究节能的安全算 法。由于无线传感器网络受到的安全威胁和移动。a d - h o c 网络不同，所以现有的网络安全机制无 法应用于本领域，需要开发专门协议。目前存在两种思路：一种思想是从维护路由安全的角度出发。 寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全。另一种思想是把重点放在安全协议方面，假定无线传 感器网络的任务是为高级政要人员提供安全保护的，提出一个安全解决方案将为解决这类安全问 题带来一个普适的模型。 2 能量管理 传感器的电源能量极其有限。网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃。电源能 量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。商品化的无线发送接收器电源远远不能满足传感器网 络的需要。传感器传输信息要比执行计算更消耗电能。传感器传输1 位信息需要的电能足以执行 3 0 0 0 条计算指令。需要研究在网络工作过程中节省能源，在完成应用要求任务的前提下，尽量延 长整个网络系统的生存期。 3 数据融合 数据融合是将多份数据或信息进行综合，以获得更符合需要的结果的过程。数据融合技术应 用在传感器网络中，可以在汇聚数据的过程中减少数据传输量，提高信息的精度和可信度，以及 网络收集数据的整体效率。在应用层可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选； 网络层的很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量；此外，还有研究者提出了独 立于其他协议层的数据融合协议层，通过减少m a c 层的发送冲突和头部开销达到节省能量的目 的，同时又不以损失时间性能和信息的完整性为代价。在传感器网络的设计中。只有面向应用需 求设计针对性强的数据融合方法，才能最大程度的获益。 4 移动管理 这个问题实质上就是没有无线基础设施的无线传感器网络中节点查询问题。对于资源有限的 无线传感器网络，最简单的资源查询方式一全局泛洪法显然不合适，需要研究寻找更有效的资源 查询方法。 5 扩展性 在无线传感器网络应用中，网络的覆盖区域可能不同，节点的个数也在不同变化，如刚开始 部署时，节点比较密集个数多，随作部分节点的电源耗尽，节点密度和个数都减少，返就要求网 络的机制具有很强的可扩展性，能够动态地适应网络规模和节点个数的变化，保证网络应用的需 8 浙江人学顶士学位论文 求。 6 健壮性 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，这些区域的环境条件往往非常 差，可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至人类或动物的破坏。传感器节点 的部署往往是随机部署，如通过飞机或炮弹部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏， 适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾” 每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。因此，传感器网络的软硬件必须具有高强 壮性和容错性。 1 5 基于i e e e s 0 2 15 4 z i g b e e 的无线传感器网络简介 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g a e e 协议是由i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 f b l 标准的p h y 和m a c 层再加上z i g s e e 的阏络和应用支持层所组成的。其突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传 输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。为了达到极低的设计成本和极低的功率消耗， 协议定义了两种相互配合使用的物理设备，全功能设备和消减功能设备： ( 1 ) 全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) ，可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协 商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信； ( 2 ) 消减功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e 。r f d ) ，只支持星型结构，不能成为任何协商者， 可以和网络协商者进行通信，实现简单。 与物理节点相对应，在i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 网络需要至少一个全功能设备作为网络协商者， 终端节点一般使用削减功能设备来降低系统成本和功耗，提高电池使用寿命。另外所有设备必须 使用一个6 4 位的i e e e 地址；可以使用1 6 位短地址来减少数据包大小；寻址模式可以为网络加 设备标识符的星型结构，或者源和目标标识符的点到点结构( 包括了簇树和m e s h 网络) 两种。 物理层的设计是面向低成本和更高层次的集成需求的，对大部分较低端的实现来说，直接序 列( d i r e c ts e q u e n c e ) 的应用使用模拟电路变得非常简单，具有更高的容错性能；m a c 层的设计 不但使得多种拓扑结构网络的应用变得简单，可以实现非常有效的功耗管理，而不需要在很多管 理模式之间的切换。m a c 层可以使用一种消减功能设备( r e d u c e df u n c t i o n a ld e v i c e ) ，由于其结 构简单，不需要大量的f l a s h 、r o m 和r a m 等存储设备，从而保证了较长的电池寿命。m a c 还 进行了特别的设计，可以支持极大数目的网络节点，而不需要对它们进行包装处理；网络层的设 计支持网络规模在空间上的增长而不需要使用高功耗的中继器，而且网络层在较少网络负载的条 件下可以支持更大数目的网络节点。 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的无线传感器网络以其突出的特点和应用前景，必将成为今后无线 网络发展的一大方向。本文正是从i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准入手，并在i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 层提 供的服务的基础上，实现了满足准z i g a e e 的组网、路由、定位等算法及功能。 9 浙江大学硕士学位论文 1 6 本文的工作和组织结构 本论文全面深入的研究分析了i e e e s 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准【b 2 】的主要内容，在此基础上采用 f r e e s c a l e 公司的1 3 1 9 2 d s k - a 0 0 平台上实现了符合准z i g b e e 方案的组网算法的验证仿真，实现 了节点问的正常数据传输。 文章共分为五章，第二、第三章和第四章为本文的主要工作内容。其中三、四两章为工作的 重点和难点。第三章着重在基于z i g b e e 的组网和路由算法的理论研究和实践突破上，第四章着重 于准z i g b e e 组网方案的设计和实施。 第一章为绪论。简要介绍了无线传感器网络的特点和应用、研究态势、体系结构及部分关键 技术。同时简要介绍了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的无线传感器网络的概念，并指出了本文的研究内容。 第二章较为全面的介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准，首先给出了i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标 准的协议架构，网络服务接入点、原语等基本概念；然后分别介绍了i e e e s 0 2 1 5 4 2 0 0 3 的p w 层和姒c 层的结构和功能及其主要特点。之后依次重点介绍了z i g b e e 网络层( n 骶) 、应用层( a p l ) 的基本结构、网络实体及其功能。 第三章对z i g b e e 网络的组网和路由做深入研究。我们首先从研究z i 邸e e 网络层( n w k ) 的 主要通信原语入手；然后从网络的建立与保持、设备入网流程等方面着手对基于z i g b e e 的网络组 网算法进行了深入研究，为在下一章中提出自行设计的准z j g b e e 无线传感器网络组网算法奠定基 础；最后我们把重点放在了基于z i g b e e 的路由算法的研究中，不仅给出了z i g b e e 路由中可能会 用到的几种常见路由的性能仿真对比，而且在参考了z j g b e e 路由发现基本理论后针对：接收到路 由请求一方的具体算法、接收到路由响应一方的具体算法，从两方面展开了深入的分析和具体设 计。 第四章在以上研究成果的基础上提出了准z i g b e e 的组网方案，通过信道扫描、p a n 网络建立、 建立节点间的关联三个步骤建立一个相对简单的无线传感器网络，实现节点间的数据通信。并结 合f r e e s c a l e 公司的1 3 1 9 2 d s k - a 0 0 开发平台所提供的软硬件资源，用c 语言实现了队上组网算法， 并在硬件平台上的得到了成功地验证。 第五章总结全文，并对无线传感器网络的研究工作做出展望。 l o 浙江人学硕士学位论文 2 1 概述 第二章i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e 标准 随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围内通信的要求，这样就出现了个 人需要网络( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，p a n ) 和无线个人区域网络( w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ， w p a n ) 的概念。w p a n 网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米到几十米范围内的多 个设备通过无线方式连接在一起，使他们可以相互通信甚至接入l a n 或者i n t e m e t 。 2 0 0 1 年8 月成立的z i g b e e 联盟就是一个针对w p a n 网络而成立的产业联盟。该联盟致力于 近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术。他们开发的技术被称为z i g b e e 技术， 该技术希望被部署到商用电子、住宅及建筑自动化、工业设备监测、p c 外设、医疗传感设备、玩 具以及游戏等其他无线传感和控制领域当中。 z i g b e e 聪盟已于2 0 0 5 年6 月”日公布了第一份z i g b e e 规范“z i g b e es p e c i f i c a t i o n v l 0 ”。 这标准定义了在i e e e8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 3 物理层和标准媒体接入控制层上的网络层及支持的应用服务。 z i g b e e 联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架 构。 在w - p a n 中有三种网络角色：p a n 网络协调器、协调器和设备。这三种角色在 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b 规范中分别对应z i g b e e 协调器、z i g b e e 路由器和设备。p a n 网络协调器可 以看作是一个p a n 的网关节点( 也即s i n k 节点) 。它是网络建立的起点，负责p a n 网络的初始 化，确定p a n 的j d 号和p a n 操作的物理信道并统筹短地址分配。协调器在加入网络之后获得一 定的短地址空间。这个空间内，他有能力允许其他节点加入网络，并分配短地址。当然协调器还 具备路由和数据转发的功能。p a n 协调器和协调器周期发出信标帧( b e a c o nf r a m e ，将在2 a 节 中介绍) ，必须是全功能设备( r f d ) 。设备是整个网络的叶结点，它只能与它的父节点通信，也 没有加入其他任何节点的能力。设备可以是全功能设备( r f d ) 或缩减功能设备( f f d ) 。 2 1 1i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议框架 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提 供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点( s a p ) 为上 层提供一个接口，每个s a p 都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准堆栈架构是在o s i 七层模型【b 6 1 的基础上根据市场和应用的实际需 要定义了，如图2 1 。其中，i e e e s 0 2 1 5 4 - 2 0 0 3 标准定义了底层：物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 和媒体访问控制层( m e d i u m a c c e s sc o n t r o ls u b - l a y e r ，m a c ) 层。z i g b e e 联盟在此基础上定义 了网络层( n e t w o r kl a y e r ，n w k ) ，应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ，a p l ) 架构。其中应用层包括应 用支持：琨( a p p l l c a t i o n s u p p o r t s u b - l a y e r ，a p s ) ，应用架构( a p p l i c a t i o n f r a m e w o r k ，a f ) ，z i g b 1 1 浙江大学硕士学位论文 设备对象( z i g b e ed e v i c eo b j e c t s ，z d o ) 以及用户定义应用对象( m a n u f a c t u r e r - d e f i n e d a p p l i c a t i o n o b j e c t s ) 。 一 口 囹 口 口 图2 1 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 堆栈架构图 i e e e s 0 2 1 5 4 - 2 0 0 3 工作在工业科学医疗( i s m ) 频段，定义了两个物理层( p h y ) ，分别工 作在两个频段上：8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z