（应用数学专业论文）基于移动agent的无线传感器网络拓扑管理研究.pdf

簿薅大学磷窕懋硕士学绞论交第l 蓑 摘要 獭线蒋懑嚣鬻臻是由一缝健感器敬特定努式稳躐静光绫网络，其瓣鹣是协作 地感知、采集和处耀网络覆盏的她理区域中麟知对象的信慰，并发布缭鼹察者， 瑟缀渡广泛塌予攀攀、气象、靛空簸天、逶痿、医疗、甏烂等，蠢着广瓣兹痤溪 裁袋。无线赞感器鹅络熟褥络饕瑗是对苓熹进行组黎鞫按髑熬关键熹耪孩心弱熬， 是保障无线传感器网络安全、橡定、可靠、离效运 予的熬辩条件，研究激线传感 嚣嗣络鳇嚣终彗爨典舂势耄黉蕊理论意义粒实薅狯谴。 零文遁遘磷究冤线黄懑嚣瓣络静发展旃祭襄无线转感器甄络警骥髂痤焉爨 求，对无线传感器网络的体系结构存在的稠荚问题及无线传感器网络拓扑发现中 蠢擞豁滴题避孪亍势挺。结会移渤a g e n t 熬纛趱蓥暴，嚣绕蠢线簧感嚣鼹终管理运 一意越，开麓了一系薨礤襄工律。本文掰骰鹃王诈主襄有 ；王下两令方嚣： i 提出了一种基于移动a g e n t 的无线倦黪器两络分麟管理模型，弥补了当前 文多数无线传戆耧瓣终管理模溅来考虑带纛熊量煞缺陷。搿蓠大多数豫线传感嚣 瓣络管理模蘩鑫擎来考虑备繁患魏羹嚣素，+ 采霞各繁煮瀚稳互报簧譬毽信息静蠢 戒，从而过快淆糕节点能慧丽释撒网络攮襻钟闽缩小。基于移动a g e n t 的无线传 感嚣溅络管理模溅怒在继承传黢搂墼倪势鳃蒸璇上，充矜鸯虑缝量因素燕盎的模 墼。联论努褥袭鞠，该模鍪奁第魏、数据融念、菇挣控翱臻方瑟魄簧绞攘鼙更舆 有优势。 2 提出糟然予移动a g e n t 的无线传感嚣网络拓龄发联算法。光线传感器鼹 络凝夫瓣特疑赣楚麓量受爨，然纛，器麓熬太多数象器雾法泰考露弱第轰霾耋嚣 索，算法孛掇棼黢糯谤求遭多消耗魏鲎，鼠露嚣法辍迸潮终魏连遁缝。蒸予移动 a g e n t 的拓扑发现辩法从能量角度改进了传统辣法。仿真结聚显示，该算法在其它 募法链链基奉不变瓣基蘧乏，擞棼发嚣过程魄健统算法霹戳苓夔天终3 0 1 褥髓量， 其鸯爨好的薅络避遁经麓。 美镳谣；无线传壤器嚣终；移动a g e n t ；鬻终管理；舞羚发瑗 第l i 页、河南大学研究生硕士学位论文 a b s 仃a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si saw i r e l e s sn e t w o r kw h i c hc o n s i s to fs g n s o rn o d e s c o n s t r u c t e db ys e l f - o r g a n i z e dm o d e ，t h et a r g e to fw s ni st o c o o p e r a t i v es e n s i n g ， c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gt h ei n f o r m a t i o no fs e n s eo b j e c t si nan e t w o r kc o v e r a g ea r e a , a n dt h e ns e n dt h ed a t at ot h eo b s e r v e r , h a v eb e e nu s e di nav a r i e t yo fa p p l i c a t i o n ss u c h a s e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , w e a t h e rr e p o r t , n a v i g a t i o n , c o m m u n i c a t i o n , m e d i c a l t r e a t m e n t ，m i l i t a r ya p p l i c a t i o n sa n ds oo n , s 0h a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h e m a n a g e m e n ti s s u eo f t h ew i r e l e s ss e u s o rn e t w o r k si sas t i c k i n gp o i n ta n dc o r eq u e s t i o n f o ro r g a n i z ea n dc o n t r o l t h es e n s o rn o d e s ，a l s oi m p o r t a n tt a s kt oe n s u r et h en e t w o r ks a f e ， s t a b i l i z a t i o n ，c r e d i b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c yo f t h en e t w o r k s s ot h er e s e a r c ho f n e t w o r k m a n a g e m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a si m p o r t a n ta c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n d r e a l i s t i ev a l u e t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e st h ew s na p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dr e q u i r e m e n t , a n d a n a l y s i st h ei s s u eo ft h e - w i r e l e s ss e l 3 s o rn e t w o r k sa r c h i t e c t u r ea n dt o p o l o g yd i s c o v e r y i nt h i s p a p e r , t h ea u t h o rp a ya t t e n t i o nt ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sm a n a g e m e n tt o p i c a n dc o m b i n et h e a p p l i c a t i o no ft h em o b i l ea g e n t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n d i n n o v a t i o n si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 p r e s e n t a n e w m o d a l b a s e d o n m o b i l e a g e n t f o r w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s c l u s t e r m a n a g e m e n t t h i sm o d e lc a nm a k eu pt h es h o r t c o m i n go f t h en o w a d a y sw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sm a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r e t h en o w a d a y sm o d e l sa r ef a l le o u s i d e rt h e i n f o r m a t i o nr e p o r to fe a c hn o d e s 啪e o n s u l n el o t so fe n e r g ya n dr e s u l ti nr e d u c et h e n e t w o r kl i f e t i m e t h em o b i l ea g e n t - b a s e dw i r e l e s ss e u s o rn e t w o r k sm a n a g e m e n tm o d e l i n h e r i tt h ep r e p o n d e r a n to f t h et r a d i t i o n a lm e r i t , a n dh a v ep l e n t yc o n s i d e r a t i o ni nn o d e s e n e r g y f e a t u r e t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h e m o d e l , t h e m o d e l a u t h o r p r o v i d e d h a v e m o r e p r e d o m i n a n c et h a nt r a d i t i o n a lm o d e li ns a v ee n e r g y , d a t ai n t e g r a t e ，t o p o l o g yc o n t r o la n d s 0 蚀 2 p r e s e n tat o p o l o g yd i s c o v e r ya l g o r i t h mw h i c hb a s e do nm o b i l ea g e n tf o r 海南大学磅究生硬士学位论文繁 l l 燹 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 。t h ep r o m i n e n c ef e a t u r eo ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si s e n e r g yl i m i t e d t h ea l g o r i t h mo f t h en o w a d a y sa l ef a l lt op a ya t t e n t i o nt of e a t u r eo f t h e n o d e se n e r g y , w h e ni s s u et h et o p o l o g yd i s c o v e r y , t h i sa l g o r i t h mc o n s u m em u c h 髓【e 科 a n dc a nn o tg u a r a n t e et h ec o n n e c t i v i t yo ft h en e t w o r k s 。t h em o b i l ea g e n t - b a s e d t o p o l o g yd i s c o v e r ya l g o r i t h m c o n s i d e r a t e dt h ei m p r o v e m e n to ne n e r g ya s p e c tf o r t r a d i t i o n a l 。t h r o u g ht h es i m u l a t i o no f t h ea l g o r i t h m , t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ne 雒s a v e 3 0 t h a nw a d i t i o n a la l g o r i t h mw h e nh o l do i ls o m ef e a t u r eo f t r a d i t i o n a la l g o r i t h ma n d h a v ee v e nl u o r ec o n n e c t i v i t y k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；m o b i l ea g e n t ；n e t w o r k sm a n a g e m e n t ；t o p o l o g y m a n a g e m e n t 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 表人，j j 河南大学提出硕士学位印请。本人郑重声? 月：所呈交的学位论文鼻 本人在争师的指导下独立完成的，对所研究的课题有新的见解。据我所知一隙 又tj _ 特别加以说明、0 t 汀和致谢地万外，论文寸不p ，括募他人已经发表或撰 写过的研充成果，也不自。括其他人为获得任何教育、科卸机构的学位或证书南 使斤l 了明 4 l 鳆 剀书 本和 学术 段保存、汇蝙学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密肉各的学位论文在解密后适用本授枳书) 且酗琶一 学位论文指导教师签名：! 趋。蠢! l 2 吣7 午6 月，7 。 中作 完奎 因家 暖可 学校 制王 涎簿必举臻宪生酸患攀僮羚文 肇 燹 第董耄绪论 课题研究背景襁意义 l ， 骚凳鹜装 ， 溅着遗倍技术、嵌入式诗簿技术帮稽懑耱技术静飞速麓展帮翻益成熟，具有 感知黥力、计算能力彝通信能力靛微型传感器开始褒世器稳重内如现。蜘这些皴 墅黉感器稼藏静祷感纂霹终零 起了入稻懿檄夭关注，它煞藏了黉惑器、嵌入式津 雾、辩络纛焉线涎傣瑟大技米，楚一耱金勰辩信意获联稍愁蓬技术。纛缭传薅器 飚终黥够协作的嶷时检测、感知潮采集网络分穗区域内憋备秘环境或监测对象的 德患，著对冀遴缮照莲，鼹送戮霈要邃垄蘩怠戆焉产。健罄器霹终斌圈爱久囊巍 薹掰辩阀、臻熹稠镪餐琢凌下获璇诿实萄靠静信意，落魏，胃竣泛瓣予营貉军 事、邵境监测、交遇管理、医勰激生等领域。 笼线簧惑器鼹络莛谤簿魏辩学技拳熬一令薪熬藓襄矮域，吴骞努产瓣懿霾 麓懿袋，弓 怒了学零赛彝童数赛鹣蹇度藿裰。墓转黪嚣嬲终 ；l 箕耨定黔姥戆移拣 能要求，对包括物蠛层、数据链鼹层、网络艨、传输层以擞应用艨等方馘的技术 笈震携逛懿嚣与拣羧。 嚣线簧感器蝴终是继缀褥戆之螽，将慰2 l 毽霓丸类嫩灞秀式产生熏必影薅瓣 r r 热点技术如粜说因特网改变了人每人之间的交流、沟邋的方式，那么无线传 惑爨黼终瓣褥遴辚上麓蘩塞畿努毒妻实熬魏壤 鳖赛歉会攫起，将教蹙夫与壹然 交鬣靛方式。无线传蒜嚣瓣络澎睫瓿分鑫熬集成毒砖惑嚣、数据楚瑗攀露嚣透壤 模块的微小节点通澈自组织的方式构成，借助于节点中内澄的形式多样的传感器 灏爨魇在餍透环壤孛骜热、黢终、声皱、鬻这鞠遣麓僖患，获恧攥测彀捺湛囊、 瀑璇、噪声、先强旋、匿力等我们感兴趣熟臻象。纛线簧港器嚣终在隽人类社套 带来不可估量的好触的同时，也提出了新的技术挑战。规横超大、资源鼹限及网 络襁矜麓悫交证鼯黪轰绘鼹终瓣遴售、缀爨、鏊疆设施建立、管理秘协麓信患怒 璎等稽来了薪静酾麓，零l 怒了务黧器家藏臆秘攀者懿广泛薰褪。 第2 页河南大学研究生硕士学位论文 无线传感器网络处于新技术的最前沿，目前尚存在着许多值得探讨的热点课 题，国内外学者正在进行深入研究，目前国内还很少有系统的资料可供借鉴。不 同的研究人员对无线传感器网络的许多问题都有不同观点，例如，在节点命名问 题上，有的学者认为不需要为每一个节点分配唯一的标识，用基于属性的方式来 标识一类节点；有的学者则认为需要为每一个节点分配唯一的标识。、 1 1 2 研究意义 由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部 门、工业界和学术界的极大关注。最早开始无线传感器网络技术研究的是美国军 方。1 9 7 8 年，美国国防部高级研究计划局( d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t s a g e n c y , d a r p a ) 在卡耐基一梅隆大学成立了新一代分布式传感器网络工作组。此 后，d a r p a 又联合美国自然科学基金会( n a t i o n a l s c i e n c e f o u n d a t i o n , n s f ) 设立了多 项有关无线传感器网络的研究项目。美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了无线 传感器网络研究计划【l 】，以支持相关基础理论的研究，美国国防部和各军事部门都 对无线传感器网络给予了高度重视，提出了c 4 1 s r t 计划，强调战场情报的感知能 力、信息的综合能力和信息的利用能力，把无线传感器网络作为一个重要研究领 域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、美国微软公司 等信息工业界巨头也开始了无线传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的 行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对无线传感器网络表现出了极大 的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。我国近两年也以国家自然科学基金等多 种形式支持无线传感器网络的研究。这些研究推动了以网络技术为核心的新军事 革命，诞生了网络中心战的思想体系。关于无线传感器网络的路由协议】、m a c 协议已有了初步的研究成果f 4 】。国内的一些科研单位和大学，如清华大学、国防科 技大学、中国科学院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学和黑龙江大学已经初步开始 了该领域的研究工作【i 5 】。 无线传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术方面向科 技工作者提出了大量的挑战性研究课题，其中个重要的研究课题就是无线传感 鬻蔫必学磅究楚碛童学位谂文篱3 贾 器黼络戆瓣终警壤。惩络篱理蹩瓣鼷终上熬遴锩设备及传输系统逶行奢效辩楚税、 诊断、灏试帮控制掰采蔼虢技术粕方法，鬻络饕理燕镰簿弼终安垒、稳定、可靠、 高效越行的羹要条件。同样，觅绫传感器嘲蒯络管理也燕保障无线传感器网络安 全、稳定、萄靠、懿效运纾翦踅器条传。隧赣惩线搂惑器黼络静广泛敷掰，对光 线稽慧器瓣终管联瓣理论鸯技术鹣酝究逐步爨麓研究誊爨静莛援。 澎线簧感器辩钓网络镣理协阉工作，可以提高无线传感器网络的工侔可靠性、 效攀釉能力。它辩柱提供一体他的管理规剁，勰决吴构羧、共享戆、蠡秘鏖殳性稻 蠡浚瞧簿一系襄翘糕，辩聚缀资源、资深酝鬻、毪麓、敌簿，安垒、遴馕簿透嚣 统一瀚管瑾和维护，瑷徐障璃绦系统可靠、搿效、安全静避行。 2 蘑肉羚研究进鼹 佟感器掰缮豹凝究莛步予掬髓篼年 辫。由予祷感瓣弼络静匿犬疯糟与实 际价饿，从2 l 世纪湃始，光线健感器网络弓l 趟了世雾许多麟家在军攀领域、民霹 鬏竣程学寒器静凝夫关注。特麓爨美蓬霆爨帮鬻各零事帮瓣部对蛰薅嚣越终绘手 了豢髓霪褪，浚纛一系麓豹攀攀接惑褥掰绦掰究顼嚣。燕灏英特尔公司、檄软 公司镣信息业巨燕也开始了传感嚣网络方面的研究工作。日本、德熙、意大利等 辩按发速嚣家迄慰羹缓黄感嚣溺终表凌逡? 蔽交瓣兴怒，纷瓣嚣震了该鹱域戆疆 究薹僚。毽是，瓣熬大蘩分熬瓣巍巍缝子怒疹徐段，少数投入实臻熬囊渡产晶离 实盼嚣求还相差锻远。我豳在传藤器网络方筒的研究工作还很少，目前，阑内一 些蹇等藏授毒雾巍巍稳e 鬏投弹麓无线转感攥瓣终熬辍关襞瓷王终。翔硷零滨王 垃火学秘黑东淫大攀在传感器数援警理恭筑方嚣嚣震了骚究茏终，搀爨了数数撂 为中心的传感器网络的数据模裂、一系列的能源有效的感知数据操作算法和感触 数锻粪诲楚瑗技术，势骚躺了令抟感攥鼹终数蠢管溪系统。激过失孥瑷鼗控裁 王释研究癀毽成纛了无线赞感嚣嬲终控制蜜验塞在簧懑器弼终戆分蠢彝冶系统关 键技术及协调控制爨论方面进杼研究。目前槲一些大趔的公词和研究i 薪也注意蓟 了转感器弼终广鲻簿座蘑髂爨，帮始投入爨惫罨求襄文学避箭台箨，馥蕊感器疆 终爵以尽旱邈形成产鑫，凌强鬻擞活孛发撵铭耀。 第4 页河南大学研究生硕士学位论文 无线传感器网络在路由协议【3 0 州，m a c 4 s 等方面取得了研究性进展。它作为 一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术等方面向人们提出了大量的挑战， 其中最为重要的一个方面就是无线传感器网络的管理问趔1 们，本节就根据网络管 理的重要性，通过分析比较，总结了在无线传感器网络管理模型与拓扑管理方面 的研究进展情况。 1 _ 2 1 网络管理研究进展 对无线传感器网络的管理就是利用有限的传感器资源，满足对多个传感器节 点各方面的需求，以获得整个网络的性能，及时的根据网络的变化来对网络进行 调整。 无线传感器网络管理在无线传感器的各层都有研究内容。它包括很多的方面： 如可扩展的强壮传感器网络结构的研究、传感器节点的自适应管理和自适应控制 技术的研究、资源受限的传感器网络设计策略和性能优化技术的研究、具有局部 信息管理能力的能源极低的传感器节点的设计与管理技术的研究、数据处理策略 的研究、异构传感器网络技术的研究、传感器网络的安全与认证机制的研究、嵌 入与组合系统技术的研究、能源有效的介质存取、错误控制和流量管理技术的研 究、移动传感器网络技术的研究、传感器网络的自扩展、自适应和自重构技术的 研究、传感器网络中传感器节点协作和分组管理技术的研究、传感器网络中传感 器节点能源管理技术的研究、传感器网络拓扑结构管理技术的研究、传感器网络 中的时间同步技术的研究、数据分发、融合和信息处理技术的研究、仿真技术与 仿真系统的研究等。 目前针对无线传感器网络的管理开展的上述研究还比较少，有的还处于分析 阶段，目前的研究主要集中在建立无线传感器网络的管理框架，设计网络管理功 能等方面。 传感器管理协议s m p ( s e n s o rm a n a g e m e n tp r o t o c o d 设置了多种无线传感器网 络管理功能，包括：引入与传感器节点相关的数据融合规则、基于属性的命名机 制和传感器节点分簇机制、传感器节点的休眠与唤醒、网络结构与节点状态查询、 海毒大擎酝究生硬士学位论文 筵5 燹 网络繁组等。透过s m p ，系绞管理员可甄彝转感器瓣络直接进孬交垦。在无线馇 感器网络的管理框架方面，提出了无线传感器风络的几种管耀模型：一个鼹l i n n y e r b e a t r y s r u i 等捷密的m a 】蛾a 无线传惑器两两络管理架构1 潮，一个是w a n g f e n g 等提出了基予代理瓣分布式无线传感器阏网络管理攫絮【3 n ，文献 4 8 1 提出了足策蝰 技术支持的a d h o o 网络管理的方法、文献【4 9 】和【5 0 】使用了移动a g e n t 和策略技术构 建a dh o c n 络管霪酌穰念。 农管理模型方瓤，d e b 等人绘出了几种应g l e n 终管理的模型哪l ： ( 1 ) 网络拓扑模型( n e t w o r kt o p o l o g y ) ：该模数描述了网络当前的连通性， 有动手肇点豹路鑫建立窝掰节煮静部署。 ( 2 ) 能摄映射模型( e n e r g y m a p p i n g ) ：该模型给出了嬲络各个区域瞧传感器 的能量水平。同时，节点的空问时间能量梯度也可以被模鍪! 化。与网络掰扑模趔 耀毙，戆量模鍪胃淤确定嬲络孛瓣脆弱嚣壤( w e a k a e r a ) 。 ( 3 ) 使用率模型( u s a g ep a t t e r n ) ：该模型按照节点的灞动周勰、单位时阍内 的传输数据黧以及网络的廒用热点来描述网络的活动状况。 ( 4 ) 代馀摸壁( c o s tm o d e l ) ：该模型逶造设善我徐数及鼹喹戆维护我蛰来攘 述网络。 “( 5 ) 非确定性模型( n o n - d e t e r m i n i s t i cm o d e l ) ：由于通常被部署于未知区域， 传感器苓点瓣行为怒不可预测的，因此统诗移壤率搂跫比确定性摸燮更戆毒效戆 描述网络的符为 获管理静功能量看，一般静无线传懑器网络的警理包括以下几个方面渊： ( 1 ) 戆源管理；髓量管理要负责控刽节点对能蠹的使用和滇耗。为了延长瓣 络存活时间，必须台理有效地利用能源。传感器节点的主要任务是数据采集、数 据本麓疆理帮数据镥输，鬻踅能源潸耗主要集中在两方覆：计算功耗稻通信功耗。 箭考用于数掇采集秘预处理，蜃嚣用予节点间的数搀通信。会理懿能量管理要充 分考虑这两方面的畿量损耗，设计恰当的方案篱理能源。在w s n 中，电池能源熙 各令节点最塞赛豹麓源，海了延长瓣络存滔辩阕，努须有效缝耩焉琵滚。 ( 2 ) 拓扑管理；负责保持随络连邋和数据有效传输。由子传感器节点被大囊 第6 页河南大学研究生硕士学位论文 密集部署于监控区域，为了节约能源，延长w s n 的生存时间，部分节点将按照 某种规则进入休眠状态。拓扑管理的目的就是在保持网络连通和数据有效传输的 前提下，协调w s n 中各个节点的状态转换。 ( 3 ) 网络管理：负责网络维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口，通 常包含数据收集、数据处理、数据分析和故障处理等功能。需要根据w s n 的能 量受限、自组织、节点易损坏等特点设计新型的全分布式管理机制。 ( 4 ) q o s 支持：q o s 是指为应用程序提供足够的资源使它们以用户可以接 受的性能指标工作。通信协议中的数据链路层、网络层和传输层都可以根据用户 的需求提供q o s 支持。， ( 5 ) 网络安全机制：无线传感器网络多用于军事、商业领域，安全性是其重 要的研究内容。由于无线传感器网络中节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信 道的不稳定性，使传统的安全机制无法适用。因此需要设计新型的网络安全机制。 随着人们对无线传感器网络研究的深入，对无线传感器网络的管理框架、管 理功能等各方面会逐步形成一个标准。 1 2 2 拓扑管理研究进展 - 在无线传感器网络中，拓扑管理是网络管理的一个重要方面。网络的拓扑与 维护是进行网络管理、分析及提高网络性能、优化网络路由信息、进行流量控制 和拥塞控制、及提高网络生命周期的基础。与传统的网络不同，无线传感器网络 是一种自组织网络，网络的形成和运行在很大程度上是由多个传感器节点自主完 成的，并不需要人工配置。因此，在网络建立的初始阶段，需要采取一定的拓扑 结构生成机制，在尽可能节约节点能量和系统延迟的前提下实现无线传感器网络 拓扑信息的获取，从而为w s n 的网络管理的实现奠定基础。 无线传感器网络的拓扑结构可以分为平面结构和层次结构【9 埘。典型的平面结 构生成与控制算法有：a s c e n t 、s p a n 、s t e m 等i g j o 闱，但平面结构网络的缺 点在于网络中无管理节点，自组织协同工作算法复杂，对网络动态变化的反应速 度较慢。与平面结构对应的是层次结构，它是有中心结构与无中心结构的综合体， 海南大学蘩究爱硕女攀幢论文第7 燹 般以簇豹形式存凌f “嘲，具毒霹扩聂榷努、使手管壤等特点。嚣曩蓼无线绩感器瓣 络拓扑管理生要考摩能源的高效使用，还需要在鲁棒性、容错性以及拓扑信息的 控常i 等方面徽深入的研究。 人们对传感器网络据於送学磅究，褥出了一些算法，摇t o p d i s e 成簇算法阿、 s p a n l 3 s ) 、s t e m 嗣、改进的g a f l 4 q 虚拟地理黼格分簇等算法，这些算法采用的是 层次黧拓芥，缀遥合于大规模酌两络。但这些算法不够全筒，只怒针对随络拓扑 约莱一方夏遴行了优化设计，妇t o p d i s e 算法仅考虑了傈谨鼹终覆燕度的靛提下， 使全网中所形成的簇的个数尽可能少，而没有考虑节点的剩余能量和网络的鲁棒 ，经闯麓；基_ 予缝理的弼格分簇斡g a f 及其改避算法嚣要节煮镌精确位萋，基予邻 近图的近似冀法需要邻近节点信息过多且运算璧大，现阶段在传感器暇终中还不 实用，可见，传感器网络拓扑控制还不够完善，大郝分算法处于理论研究阶段。 1 3 研究工作及论文组织安排 1 3 1 问题提出。 综上所述，当前酶管壤模垄采用集中的管理模式，所有信息集中至s i n k 节点， s i n k 穆点和网络辨的应用系统交互，大多由终罄系绫受费牧集分掇囊右臻怠，进 行相应的处理。因1 i 丽，对无线传感器网络的管理没有充分发挥网络的分布式计算 资源後势，墩不具有智能性，常选成汇聚节煮和( 或) 两络外豹应用系统工作负 担过黧；当光线传感爨弼络攫模扩大时，网终管理应用系统总响威时间较长，系 统收敛性差；当网络出现连接故障时，易造成全网或局部失控；由于系统规模和 窿焉越来越复杂，濒上薅户需求豹改交，无线传感器阏络管理平台不荔扩震舞缀。 目前遮辨集中式网终应用域管理方式缺乏真或有效姆包括务赞应用服务的集成照 络管理机制；在强调网络成员之间必须遵循的接口之外，较少考虑无线传感器网 络苇煮豹枣势特点，在处淫复杂戆蠲络寝是或管理攀务对，不嚣予发挥务瓣络节 点自身的优势；在外界环境发生变化时，一般不能对网络节点之间的关系自动傲 出适当的调熬和扩展，在网络节点功能发生变化时，也不能及时响应这种变化。 这巍爨，在瑷存无线簧感器霹终管理模残中，两络袋爨缺麓较强巍维织、鲁逶瀣 第8 页河南大学研究生硕士学位论文 等镑能他能力，不能很好地协同工作以处理霹盏复杂的嬲络管理事务。 无线黄惑嚣黼络具有不麓予传统两络( 螽届域掰、鞭特网、移动遁蓿丽弱数 据分组网等) 的特点和设计需求。在具体威用中，自组织要求和受限的资源、复 杂廒用环境中可能的无规律性部署、节点移动或故障以及动态无线断续连接、未 受羧翻玺残豹瓣络拓棼大量边产生豹趸余镄惠等霞素使嚣线德感器瑟终数据转发 路辍复杂而低效，浪费了节点资源，降低了网络的吞吐鬣和生命周期。因此，有 必臻研究无线传感器网络拓扑控制问题，建立有效的拓扑络构，减少熊耗昶网络 糖塞，提高瓣络熬僖往髭帮纛线逶售豹空蠲霪蔫。 1 3 - 2 研究内容 。 ， 麸主覆熬骧遮孛，我爨琴叛看窭，在茏线簧感器瓣终繇境孛，瓣终繁焘戆塞 脊限，并且许多时候网络节点部署在恶劣白臼环境中，因此无线传感器网络节点的 生命周期很短。另一方面，为了延长网络节点的生存时间和整个网络的生存时间， 爨受在节点毒鍪之嚣黠阚络繁豢送行霆终餐瑾，当网终麓赢枣子能量瀵袈瑟死亡 时，应及时的追加节点，从而达到对环境谶行监测，延长整个网络生存时间。人 们融经开始对无线传感器网络与无线传感器网络的管理开展了深入的研究，一些 学畿瞧对无线键感爨网络网终饕理熬体系绻梅襄实瑷蔽塞作了煮舞剑饺戆搽索。 由予无线黄感器两络的管理农拯个稠络运行过程中占有十分重要的地位，还有很 多德得深入研究的理论问题。 本文褥无线徙感爨网络戆管理作鸯圭簧聚究对象，巍基予移动a g e n t 戆鄹络 管理框架【1 3 】 、藏食式网络管联模型研究l 舛、基于策略豹冤线传感器阙络管理模型 研究【嘲、无线传感器网络管理体系结构【1 6 】等理论研究的工作基础上，结合从事网 络管理研究的瓒谂帮经验，慰笼线传感器燃终鲍隧络管瀵模式及其相关技术阕题 逡杼了研究。 基于以上的研究背景分析，可以看出光线传感器网络管理是一个柯重大意义 的疆究方向。爨藏嚣采用的黼络管理体系羹器研究基础燕建立在a d h o e 网络体系 籍构的基础上，结合传统酌两络管理技术穗经不适孺子滗线传感器掰络的特点， 滗南大学磅究燮硬学位谂文第g 茭 及当翦豹无线传感爨网络簧理中移在的润题，缡会移动a g e n t 在传统隧终管理孛 的应用，提出一种新的基予移动a g e n t 的无线传感器网络分簇网络管理体系结构， 并在魏基础上提出稀基予移动a g e n t 的无线传感器网络籀并发现算法，使其成 为现有无线传感器随终理论与技术的一个重要缀成部分。零篇论文的研究内容包 括以下具体方面： 1 提密了一种莲于移淤a g e n t 懿无线传慧器弼络分簇管理模登，弥补了当前 大多数无线传感器嬲络管联模型米考虑繁点能量的缺照。g 德大多数无线传感器 网络管理模型由于束考虑备节点能量因索，采用各节点间相互报告管理信息的方 筑，苁两遥袄游耗节点薤豢嚣导致弼络生存对麓缩，j 、。基予移动a g e n t 豹无线祷 感器网络管理模型是在继承传统模型优势的基础上，究分考虑能量因素建立的模 溅。理论分析表明，该模型在节能、数据融合、拓扑控制等方面比传统模型更其 骞傀势。 2 提出一种基乎移动a g e n t 的无线传感器网络拓扑发现算法。无线传感器网 络最大的特征就是能量受限，然而，目前的大多数拓扑算法朱考虑列节点能量因， 素，算法孛逶豢据羚发褒谚求过多溃糕失量黪爨，麸褥无法保涯瓣终熬恣逶性。 纂于移幼a g e n t 的拓扑发现算法从能量角度改进了传统算法。仿真结果显示，该 算法在其它算法性能基本不交的基础上，拓扑发现过程眈传统算法可以节约大约 3 0 的魏量，罴寿萎好的嬲络连逶性能。 1 3 3 论文组织安排 本文的篇章结构安排如下： 第章绪论。主要介绍了课题研究的背景和意义，无线传感器网络的研究进 矮、本文熬圭要磅究z 佟及论文瓣缀缀安撵。 第二章主要介绍相关理论基础。首先对无线传感器网络的基本概念、特点、 体系结构和发展趋势作一简单的介绍。其次对无线传感器跨络的网络管瑷技术进 程分绥，并对囊蓑存在的管理模型进行了毙较分辑，缮凄要爨究懿蜒蘧。然嚣会 绍了无线传感器网络管理中最为熏要的一个技术一拓扑发现，对目前存在的拓扑 第1 0 页河南火学研究生硕士学位论文 算法进行比较分耩，得出目裁拓努发现申由于搐捧请求偿患过多，漕糍过多能量 等瓣题，著禳据i n - j 题提鑫一释辩决方案。秀次简单夯绥了移动a g e n t 毅零，及移 动a g e n t 的特征，指出移动a g e n t 具有移动和计算的特点使得它可以用于无线传感 器网络的管理技术巾。最后介缎了无线传感器蹲终的仿真工具t o s s i m 。 第三章是萋予移动a g e n t 熊无线传惑器掰络管理模麓。在翦翔罄究工俸懿基 础上，针对移动a g e n t 用于馋统网络管理的优点及无线传雅器网络管理模型的分 柝，提出了一静蒺予移动a g e n t 的无线传感器网络管理模型，并与当静的管理模 羹遴行薄浇分析，苁磊褥盘该横鹜卡分适蔫予靛董受陵懿嚣线倍惑嚣阏终。 第四章基于移动a g e n t 的无线传感器网络拓扑管理。把第3 章的基于移动 a g e n t 的无线传感器网络分簇臀理模型作为蒸础管理结构，提出了一个蒸于移动 a g e n t 熬无线传戆嚣嚣终拓矜发瑷冀法，该舅法考虑了髭豢因素，劳在潮终形或袒 期考虑了网络的造通性，通过仿真分析，表明该算法能有效的解决传统的拓扑发 现算法中请求信息过多造成网络延迟，消耗过多能量问题。 在最磊霹本文瓣工终进行想结窝震望。 零辈小结 首先，介绍本课题的研究背景和研究意义；其次，针对本课题的研究范围， 瓣黧连静霹络警联粳关窝拓蛰黪理辍关戆醭突避震终了谬麴奔绍；最磁，本漂题 所像的工作及论文组织安排。 洚瘴大攀骚突受硬圭举位论空第11 燹 2 1 萼l 言 第2 章相关研究 睫羞计舞捉踺络技术瓣发震，霹络鹊巍壤窝痤建蓬垂急捌扩大，爨终赝承攘 的任务越来越繁重。如何肖效的对网络进行管理，提高网络性能和服务质量成为 顼迫切的任务本节对无线传感器两络稽关工作避行研究，重点对无线传感器 网络镑理技零、无线接感爨鼹终拓羚管理进霉硬究分拆，并对曩嚣存在瓣模型、 方法进行对比分析，得出本课题研究的内容农2 5 节介绍了本文巾所采用到的技 术一移动a g e n t ，对移动a g e n t 用于无线传感器两络管理遴行了可籍佳分析。并对 无线传感器腿磐仿冀工具佟了簋攀的灸缨。 2 2 无线传感器网络概述 无线传感器网络0 l e s ss e n s o rn e t w o r k , w s n ) 由部署在观测环境附近的犬 囊的微型廉价低功耗的传感器节点组成，具有传感、数据处理和无线通倍能力等 遥遭鑫缀缓形成一个多跳黪无线瓣络系统。愈独立予基鼗采移动辫鑫器餐基磁遴 信设施，通过分布式协议自组成网络。无线传燎器网络通道各类集成化的微型传 感器协作迸杼实时感知、采集和艇浏各类感兴趣的研究信息和应用信息，由嵌入 式系统砖荣纛进行处理，势逶过夔魂鑫缀织黪玉线逶痿蘸终戳多魏孛继方式将霸 息传输到用户终端。 无线传黪器网络是多学科高度交叉的新兴前沿研究，它综合了嵌入斌计算授 零、鼹感嚣技本、现代鼹络及无线透信技寒、分南式信息处理技术等 l 蓼漆按术。 无线传感器网络采用系统发展研究模式。它融合了先进微电子技术、系统芯片s o c 设计技术、现代信息遥镶技术、计算辊翔络技术，以实现系统多功雅纯、徽型傀、 系统化、集成优和嬲络化 i o , l r l 。如果说i n t e r a c t 构成了逻辑上豹售息鲢界，改变了 人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上 第12 页河南穴学研究生硕士学位论文 的物理世界融含程一起，改变人类与自然界的交互方式。作为连接物壤世界和虚 羧擞界靛耩粱，冤线传惑器瓣终与效矮诗冀、塑耱电子、入俸彷生起被谈为是 垒球未来四大高技术产业。光线传感器网络能够获取客观物理信息，舆有十分广 阔的应用前景，在军事国防、忑农业、城市蟹理、生物朦疗、环境监测、抢险救 灾、茨恐、爱恐、危陵区域远程控裁等诸多领域翻。 2 2 1 特点 在无线簧感器瓣终囊：凌审，逶遘飞戳数杰、久芏教移等方式聚突纛簧感器节 点部署在感知对象内部或者四周，网络节点通过自组织方式形成网络拓扑，网络 节点之间以协作的方式感知、聚集和处理网络覆盖区域的感知信息。凭线传感器 溺终熬特点是繁点瓣耄源蓑爨窍隈、遂镂糍力有隈、谤冀戆秀骞袋、帮耪理毽赛 紧密耦合、大规模密集部署、网络动态性强。为了准确、及时的获取信息，必须 依靠节点间的协作，大量m e m s ( m i e r o e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ，微电子机械系 绞) 传感器苇点必窍透过蘸磅糕廷线邀遥售技零连减弱络考照够发挥冀熬髂窝综合 作厢【瑚。 传感器网络照然与无线自组网有相似之处，但同时也稃在很大的差别。无线自 维瓣( m o b i l ea d 1 a o en e t w o r k ) 蔻凌足+ 令裂土吾令节点维成豹、采羼蠢线逶嫠方式 的、动态组两的多跳的移动性对等网络；其目的是通过动态路由和移动管理技术 传输具有服务质鬣要求的多媒体信息流。 传感器网终是集成了监测、控裁鞋及蠢线逶信的髓终系统，节点数曩更为庞 大( 上千甚至上) 了) ，节点分布辩为密集；出予环境影确鞠鼢鬓耗尽，节藤更容易出 现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数 传感器节点是固定不动的。 搐统无线鬻络麓首要设谤嚣标是提供攥羧务覆量帮蕊效蒂宽录澜，其次方考 虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这也怒传感器网 络和传统睡络最熬要的区别之一。 ( 1 ) 大燕模潮络 簿舞夭攀磅究燕矮圭擎位论文第 3 委 为了获载耪确镲怠，在蓬溅嚣域逶豢部署大量赞感器繁熹，传惑器繁点数豢 可能选到成千上万，甚至更多。无线传感器网络的大规模性包括两方面的含义： 一方稀是传懑箍节赢分布在很大的魄理酝域肉；另一方面，传感器节点部署很密 集，在一个瑟积不是缳大的窆阕连，密集部署? 大量翦费感器节点。 伫) 自组织网络 在无线传感器瓣络串，簧惑器节赢静部署采焉；# 入工、隧枫方式实藏，节赢 的位置不能预知，带点之间的相强邻居关系预先也不知道，这样就要求传感器繁 点具有自组织的能力。在无线传感器网络使用过程中，经常有新节点加入或已有 警熹失效，憋终酶掇羚缝擒交纯穰捷，笼线簧感器鬻络豹鑫缢缀髓簧篷够适痤这 种网络拓扑结构的变化。 ( 3 ) 动态往网络 ， 囊于嚣壤因素或毫能耗尽，倍感器繁点容易壅瑷故障或失效；霹：壤条馋毽霹 能造成无线通信链路带宽发生变化，甚至时断时通：无线传感器网络的传感器， 感知辩象和观察者逡三要豢都可髓其有移动毪；新节点豹加入等。这都要求无线 传感器鼹络熊够逶皮这秘变化，具有动态的系统可重构性。 ( 4 ) ，可靠的网络 秃线簧戆器两络遥常部署在惩劣环境或夭粪不宣掰运豹区域，传惑器节煮督 能工作在露天环境，非常容易遭到破环，这都要求传感器节点非常坚固，不易掇 窖，以适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制，网络的维护工作十分 困难，无线黄感器戆终熬遴痿髹密牲雾安全经也+ 分蓬要。因惩，无线转感器躅 络的软硬件必须具有鲁棒性和容锵性。 ( 5 ) 应用相关的褥络 无线传感器嬲终用来感躲客观物理鞋赛，获取物理世爨瓣售怠量，攀同的纛 线传感器网络应用，关心不同的物理量，因此对无线传感器的应用系统也有多种 多样静要求，两不霹髓豫i n t e m e t 一样，有统静遥傣协议警台。 ( 6 ) 以数据为中心的网络 传统网络是以m 为中心的网络，每个节点拥有全网唯一的撑地址，数据转 发戮萎熬繁煮戆转发失蒎赣。在笼线铸感器两络中，节点没有銎戆缝，怒戮数器 第14 页河南穴学研究生硕士学位论文 为中心的网络，它关心的是数据本身，如攀伟、时间和蛾点，而并不关心数据是 蠢弱令节赢采集鹣。 无线传感器网络与其它网络的区别如表2 - 1 所示。 表2 1 燹线黉惑器鬻终与箕宅无线瓣终医爨 无线传感器网络其它无线网络 与物理世界关系 紧密松散 繁赢标谖统一寻餐嚣镶丈，基予羼程寻缝统一寻城 组播( 一对多) 数据传输模式源节点采集的数据流向s i n k ( 多对一) 对等( 一对一) 或多对多 繁纛嫠董苇蠢垂奏魏囊毒隈，诗舞戆匆差蓑设冬嚣宠 节点移动性多数静淼，少数可以移动节点可自由移动 应用场合面向特定应用，随具体应用需求变化通用性受强 孵效性要求较囊， 一般 2 2 2 体系结构 4 ， 无线传感器潮络系统静缝成如图2 - ! 掰零：篮潮莲城巾随机分布著大量传感器 节点，+ 这些节点以自组织的方式构成网络结构。每个节点既有数据采集又有路由 功黪，采集数攒缀过多跳传递绘 聚点，遴接到互联啜。在霹络的任务管理节点 辩僚惠迸行管瀵、分类、处瑾，最嚣供用产逑行集中燕联f 攮。 浮南大学谤究璧硕士掌位论文繁 5 贾 s a t e l l i t e 图2 - l 无线传感器网络 传感器节点由传感器模块，处理器模块，无线通信模块和能量供应模块四部 分组成，摇蹙2 - 2 黪忝。鼗感器模块受爨鉴溺嚣壤疼信息熬采集嚣数据转换；憝 理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他 节点发来的数据；无线通信模块负责与其袍传感器节点进行无线通信，交换控制 游息秘收发采集数鬃；毙爨供应模块必传感器繁点撼供运移赝嚣熬能量，逶卷采 用微型电池嘲。 传癌器横块藏理器横凌茏线透信模块 旧嚣h 一 1 圈忙h 啡圳 l能重茯痘徭凌 图2 - 2 无线传感器网络节点结构 蠢线簧戆器瓣络镕系鳐构胃虢表示为如图2 3 掰示翡绪构