（信息与通信工程专业论文）面向监测应用的传感器网络关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 无线传感器网络提供了一种新的信息感知和采集方式，是未来普适计算的重 要技术基础。随着技术的成熟和市场的推广，无线传感器网络将应用于越来越多 的领域，其中最主要的一个应用就是监测。本文的研究工作是以战场监测为主要 应用背景，从无线传感器网络的流量分布特性、负载均衡、在线数据收集、拓扑 控制、移动数据收集和安全性等多个方面展开系统研究，为建立基于无线传感器 网络的战场监测系统提供了基本的理论和技术基础。 本文取得的创新性成果在于： ( 1 ) 从微观角度研究了拓扑传输结构对于传感器网络数据传输的影响，提出 了多对一的离散网络空间下任意节点负载密度的定义和分布式算法。节点负载密 度可以准确描述离散空间下传感器网络的流量负载分布，并由此估计出各个节点 的能耗速率差异。给出了准负载均衡的条件，通过改变拓扑传输结构能够实现绝 大多数节点的负载均衡。提出了一种多s i n k 自适应部署算法，能够把整个传感器 网络近似均匀地划分为多个子网。 ( 2 ) 提出了一种低延迟和高能效的在线路由算法o d r ，结合了最短路径 路由策略和最大剩余能量策略的优点，能够根据节点的剩余能量及其在分层网络 拓扑中的位置动态选择最优的路由策略。o d m l r 是一种分布式局部化算法，只需 要根据局部信息动态决定下一跳，适合于拓扑动态变化的无线传感器网络，即使 不知道查询请求和事件源的先验知识，也可以实现低延迟和高能效的自适应在线 路由。 ( 3 ) 提出了一种新的拓扑感知的最小连通支配集( m c d s ) 启发式算法一 t a c d s ，并证明了其正确性。提出了一种节点转发因子的新概念，能够准确描述 节点对于整个网络拓扑的影响力。以局部转发因子作为选择支配节点的优先级标 准，减小了支配节点选择的盲目性，t a c d s 算法能够根据2 跳内的局部拓扑信息 快速构造出较小的c d s ，从而得到基于该支配集的虚拟骨干网。仿真结果表明该 算法优于其他的分布式c d s 算法，可以更好地近似m c d s 。 ( 4 ) 提出了一种移动s i n k 的自适应移动策略。基于t a c d s 算法，由传感器 网络通过自组织方式自动解决s i n l ( 驻留节点集的选择问题。利用遗传算法确定最 优的遍历路径，降低了不可控制的随机移动所导致的高延迟和低效率，在低延迟 的同时保证了对于传感器网络的全覆盖。通过简单扩展到多移动s i n k 机制，可以 成倍降低数据延迟，同时还提供较高的数据成功发送率。对于存在区域自治子网 的传感器网络监测系统，提出了一种基于混合计算模型的传感器网络数据收集机 制。 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 ( 5 ) 研究了移动数据收集中的安全性问题，提出了种最小特权的舣向认证 协议。在双向认证过程中同步建立共享的会话密钥，能够保证移动实体和目标节 点之间的安全数据传输，并容忍移动实体和传感器节点被俘获所造成的影响。移 动实体和目标节点只需要接收一次对方发送的消息，就可以验证对方的合法性。 由基站限制移动实体的特权，只赋予移动实体完成数据收集任务所需的最小特权。 利用单向散列函数保证数据收集任务的完整性。 主题词：无线传感器网络，战场监测，负载均衡，在线路由，连通支配集， 拓t l 、特性，移动s i n k ，最小特权，双向认证 第i i 页 国防科学技术大学研究牛院博十学位论文 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 k s ( w s n s ) p r o v i d ean e wp a r a d i g mf o rs e n s i n ga n d g a t h e r i n gi n f o r m a t i o nf r o mv a r i o u se n v i r o n m e n t s t h e ya r et h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g y i n f r a s t r u c t u r eo ff u t u r eu b i q u i t o u sc o m p u t i n g w i t l lt h em a t u r et e c h n o l o g ya n dm a r k e t p r o m o t i o n , w s n sw i l lb eu s e di nm a n ya n dd i v e r s ea p p l i c a t i o n s o n eo ft h em o s t i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si sm o n i t o r i n g t a k i n gt h eb a t t l e f i e l ds u r v e i l l a n c ea st h em a i n b a c k g r o u n d t h ed i s s e r t a t i o nl a y st h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yf o u n d a t i o nf o re s t a b l i s h i n g w s n s b a s e db a t t l e f i e l ds u r v e i l l a n c es y s t e m ，o nt h eb a s i so ft h es y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho n t r a f f i cd i s t r i b u t i o n , l o a db a l a n c i n g ，o n l i n ed a t ag a t h e r i n g ，t o p o l o g yc o n t r o l ，m o b i l ed a t a g a t h e r i n ga n ds e c u r i t yo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h ep r i m a r yc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： 1 t h ei n f l u e n c eo ft o p o l o g ys t r u c t u r eo nd a t at r a n s m i s s i o ni nw s n si sr e s e a r c h e d f r o mt h em i c r o s c o p i cs c a l e t h ed e f i n i t i o no fl o a dd e n s i t yo fa n yn o d ei nm a n y - t o - o n e d i s c r e t en e t w o r ks p a c ea n dt h ed i s 仃i b u t e da l g o r i t h mo fl o a dd e n s i t ya r ep r o p o s e d w i t h l o a d d e n s i t y t h el o a dd i s t r i b u t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc a nb ed e s c r i b e d a c c u r a t e l yi nd i s c r e t es p a c e t h e n , t h ed i f f e r e n c ei ne n e r g yc o n s u m p t i o ns p e e do f s e n s o r n o d e sc a nb ee s t i m a t e d al o a ds u b - b a l a n c i n gc o n d i t i o ni sp r e s e n t t h e1 0 a db a l a n c i n g o fm o s tn o d e sc a nb er e a l i z e db yt h i sc o n d i t i o n a na d a p t i v ed e p l o y m e n ta l g o r i t h mf o r m u l t i p l es i n k si sp r o p o s e d t h ew h o l es e n s o rn e t w o r kc a nb ed i v i d e de q u a b l yw i t hi t 2 al o wl a t e n c ya n de n e r g ye f f i c i e n to n l i n er o u t i n ga l g o r i t h m ( o d m l r ) i s p r o p o s e d t h ea l g o r i t h mc o m b i n e dt h ev i r t u eo fs h o r t e s tp a t hr o u t i n ga n dm a x i m u m r e s i d u a l e n e r g ys t r a t e g y e a c hn o d es e l e c t so p t i m a lr o u t i n gs t r a t e g yd y n a m i c a l l y a c c o r d i n gt oi t sr e s i d u a le n e r g ya n ds i t u a t i o ni nt o p o l o g ys t r u c t u r e o d m 【l ri s a d i s t r i b u t e da n dl o c a l i z e da l g o r i t h m ，w h i c hs e l e c t i n gn e x th o pn o d eo n l yu s i n gl o c a l i n f o r m a t i o n o d m e rc a ne f f e c t i v e l ye x t e n d st h en e t w o r kl i f e t i m ea n dp r o d u c e sas m a l l n e t w o r kl a t e n c y ，e v e ni ft h en e t w o r kt o p o l o g yv a r i e sd y n a m i c a l l y ，w i t h o u tk n o w l e d g e o ff u t u r eq u e r ya r r i v a l sa n dd a t as o u r c e s 3 an e wt o p o l o g y - a w a r eh e u r i s t i ca l g o r i t h mo nm i n i m u mc o n n e c t e dd o m i n a t i n g s e t s ( m c d s ) ，t a c d si sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o na n dw h i c hc o r r e c t n e s si sp r o v e d an e wc o n c e p to ff o r w a r d i n gf a c t o ri sp r e s e n t , w h i c hc a nd e s c r i b et h ei m p o r t a n c eo f n o d e st ot h en e t w o r kt o p o l o g ya c c u r a t e l y b yt a k i n ga d v a n t a g eo ft h et o p o l o g y c h a r a c t e r i s t i co fn o d e s ，t h ea l g o r i t h mc a nr e d u c et h eb l i n d n e s si nt h ep r o c e s so f s e l e c t i n gd o m i n a t i n gn o d e s ，a n df o r mas m a l l e rc d sb a s e do n2 - h o pi o c a li n f o r m a t i o n , c o n s e q u e n t l yo b t a i nav i r t u eb a c k b o n en e t w o r kw i t ht h ec d s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi sp r i o rt oo t h e rd i s t r i b u t e dc d sa l g o r i t h m s ，a n dm o r ec l o s et o m i n i m u mc d s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 4 a na d a p t i v em o v e m e n ts t r a t e g yf o rm o b i l es i n k si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si s p r o p o s e d m o b i l es i n k sc a l lt r a v e r s et h es e n s o rn e t w o r ki nat i m e l ya n de f j f i c i e n tw a yb y i t b a s e do nt a c d sa l g o r i t h m t h es e n s o rn e t w o r kc a l ld e t e r m i n et h es i n k ss o j o t l r n p o i n t sa u t o n o m o u s l y b yu s i n gag e n e t i ca l g o r i t h m ，t h es i n k sc a ng e tt h eo p t i m a ld a t a g a t h e r i n gt o u r ，r e d u c et h ed e l a ya n di n e f f i c i e n c yr e s u l t e db yu n c o n t r o l l e ds i n km o b i l i t y ， w h i l ee n s u r et h ec o m p l e t ec o v e r a g ef o r t h en e t w o r k t h em e c h a n i s mc a ne a s i l ye x t e n d t om u l t i p l em o b i l es i n k st or e d u c et h ed a t al a t e n c yg r e a t l ya n dp r o v i d eah i g h e rd a t a d e l i v e r yr a t i o ah y b r i dc o m p u t i n gp a r a d i g mb a s e dd a t ag a t h e r i n gm e c h a n i s mi n d i s t r i b u t e da u t o n o m ys e n s o rn e t w o r k si sp r e s e n t e d 5 al e a s tp r i v i l e g em u t u a la u t h e n t i c a t i o nk e ya g r e e m e n tp r o t o c o li sp r e s e n tf o r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k su s i n gam o b i l ee n t i t y as e s s i o nk e yi sc r e a t e di nt h ep r o c e s s o fm u t u a la u t h e n t i c a t i o n t h ep r o t o c o lp r o v i d e sm u t u a la u t h e n t i c a t i o na n ds e c u r ed a t a t r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h em o b i l ee n t i t ya n dt a r g e tn o d e s ，a n dc a nt o l e r a t et h em o b i l e e n t i t ya n ds e n s o rn o d e sc o m p r o m i s e s t h em o b i l ee n t i t ya n dt a r g e tn o d e sc a nb e a u t h e n t i c a t e de a c ho t h e r , o n l yn e e dt or e c e i v eam e s s a g ef r o mt h eo t h e rs i d e b a s e do n t h ep r i n c i p l eo fl e a s tp r i v i l e g e ，t h eb a s es t a t i o no n l yg r a n t st h em o b i l ee n t i t i e st h el e a s t p r i v i l e g er e q u i r e dt oa c c o m p l i s ht h e i rt a s k s t h ep r o t o c o ls e c u r e st h ei n t e g r i t yo fd a t a g a t h e r i n gt a s k sb yo n e - w a yh a s hf u n c t i o n 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 s ，b a t t l e f i e l ds u r v e i l l a n c e ，l o a d b a l a n c i n g ，o n l i n er o u t i n g ，c o n n e c t e dd o m i n a t i n gs e t ，t o p o l o g yc h a r a c t e r i s t i c ， m o b i l es i n k ，l e a s tp r i v i l e g e ，m u t u a la u t h e n t i c a t i o n 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 基于网络结构的数据收集算法比较1 4 表2 1 各节点的负载密度3 l 表2 2 仿真参数设定3 4 表3 1 仿真实验参数6 8 表4 1 各节点的转发因子和局部转发因子7 8 表4 2 仿真实验参数8 4 表5 1 仿真实验参数9 8 表6 1 协议中所用的主要符号1 1 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 传感器节点的结构图1 4 1 2 图1 2 无线传感器网络的一般结构 4 1 2 图1 3 基于w s n 的应用系统的基本结构3 图1 4 战场监控5 图1 5 海洋环境监测5 图1 6 各种典型的传感器节点6 图1 7 一阶射频模型9 图1 8 基于w s n 的远程状态监控系统2 l 图2 1 多对一的数据传输结构2 7 图2 2 通信网络的一般模型2 8 图2 3 多对一的传感器网络数据收集拓扑2 9 图2 4 多对一网络中节点负载密度的分布式算法3 2 图2 5 每一个节点都有k = 3 个可选父节点( 下行节点) 的网络拓扑3 3 图2 6 由2 0 0 个节点构成的网络拓扑3 5 图2 7 各节点到s i l l l 【的跳数3 5 图2 8 各跳层的平均节点能耗3 6 图2 9 网络中各节点对应的负载密度分布3 6 图2 1 0 当第1 个节点死亡时，各节点的实际能耗与理论能耗分布一3 7 图2 1 l 当第1 个节点死亡时，网络能耗分布直方图一3 7 图2 1 2 当q = 3 ，h m 瓢- 3 时的网络拓扑一3 9 图2 1 3 当q _ 2 ，h m 双= 4 ，n = 1 3 5 时各节点对应的负载密度4 0 图2 1 4 当第1 个节点死亡时各节点的实际能耗分布与理论能耗分布4 l 图2 1 5 源节点的容量与s i n k 节点数的关系4 3 图2 1 6 在一个圆形区域内，3 个s i n k 节点的最优位置4 5 图2 1 7s i n k 位置的自适应调整算法4 6 图2 1 8 在传感器网络里随机部署4 个s i n k 节点4 7 图2 1 9 各个s i n k 节点位置的自适应调整4 7 图2 2 0 经过5 次迭代后4 个s i n k 节点的位置4 7 图2 2 l 给定的传感器网络中只有1 个s i n k 节点4 9 图2 2 2 传感器网络分割为l o 个子网4 9 图2 2 3 不同s i n k 节点数对网络生命期的影响4 9 图3 1 无线传感器网络里的数据收集过程5 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 2 不计接收和感知能耗的最小总能耗数据收集树5 7 图3 3 最小总能耗的数据收集树5 7 图3 4 最小最大能耗的数据收集树5 8 图3 5 分层的传感器网络拓扑6 2 图3 6 基于节点梯度的概率路由策略选择算法6 3 图3 7 动态最短路径路由( d s p r ) 算法6 4 图3 8 带平移约束的最大剩余能量路由( m c m r e ) 算法6 5 图3 9 根据算法m c m r e 选择下跳节点6 6 图3 1 0 不同算法的网络生命期比较一6 8 图3 1 l 不同算法的平均路由路径长度比较6 9 图4 1 用u d g 建模无线网络的拓扑7 5 图4 2 节点转发因子的算法7 6 图4 3 链式拓扑里各节点的转发因子7 7 图4 4 环形拓扑里各节点的转发因子7 7 图4 5 混合拓扑里各节点的转发因子7 7 图4 6 支配节点集构造算法7 9 图4 7 连通节点选择算法8 0 图4 8 一个t a c d s 算法的执行实例8i 图4 9 支配节点通路上存在3 个非支配节点( 用o 表示) 的情况8 2 图4 1 0 支配节点通路上存在2 个非支配节点( 用o 表示) 的情况8 2 图4 1 l 由不同算法得到的c d s 一8 5 图4 1 2 当r = 2 0 时，在不同网络规模下各种算法构建的c d s 大小8 5 图4 1 3 当r = 5 0 时，在不同网络规模下各种算法构建的c d s 大小8 6 图4 1 4 当n = 1 0 0 时，在不同通信半径下各种算法构建的c d s 大小一8 6 图5 1 在传感器网络里的各种移动s i n k 平台8 9 图5 2 移动s i n k 沿驻留点遍历网络的逻辑图9 l 图5 3 利用t a c d s 算法自动生成的虚拟骨干网9 3 图5 4 移动s i n k 的巡游路径规划算法9 4 图5 5 把遍历路径表示为一条染色体9 4 图5 6 一个两点交叉的例子9 5 图5 7 基于g a 的巡游路径规划一9 5 图5 8 移动s i n k 的最优巡游路径9 5 图5 9 多个移动s i n k 的数据收集机制9 7 图5 1 0 单个移动s i n k 的平均数据延迟9 9 第页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图5 1 l 单个移动s i n k 的数据成功发送率9 9 图5 1 2 单个移动s i n k 的最小剩余能量1 0 0 图5 1 3 采用不同数量移动s i n k 的性能比较1 0 0 图5 1 4c l i e n t s e r v e r t t 算模型1 0 3 图5 1 5 移动a g e n t 计算模型1 0 3 图5 1 6 移动a g e n t 的基本结构1 0 4 图5 1 7 存在自治子网的传感器网络监测系统1 0 6 图5 1 8 基于a g e n t 的协同数据收集机制1 0 7 图6 1 双向认证和密钥建立过程1 l8 第i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 学位论文作者签 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 学位论文作者签 作者指导教师签 国防科学技术大学研究牛院博士学位论文 第一章绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 系统综合了现代传感器、 微电子、无线通信、嵌入式计算和分布式信息处理等技术的最新成果，是一个新 兴的交叉研究领域。无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内 的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，从而获得详尽而准确的 信息。 无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变 了人与自然的交互方式，被认为是2 1 世纪最具影响力的2 1 项技术之一。2 0 0 3 年2 月，美国麻省理工学院技术评论杂志评选出对人类未来生活产生深远影 响的十大新兴技术，无线传感器网络被列为第一【2 】。在2 0 0 3 年8 月美国商业周 刊的技术评论中，无线传感器网络、塑料电子学、仿生人体器官和效用计算又 被并称为全球未来的四大高技术产业，市场需求十分巨大【3 l 。无线传感器网络具有 十分广阔的应用前景，在军事国防、环境监测、健康护理、城市交通、空间探索、 机械监控、智能家居等许多重要领域都有潜在的实用价值。 在本章中，介绍了无线传感器网络的基本结构和特点，综述了面向监测应用 的传感器网络关键技术研究进展，最后是本文的主要研究内容和结构安排。 1 1 无线传感器网络的研究概述 1 1 1 无线传感器网络的基本概念 传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元。它是一种集成了信息采集、 数据处理和无线通信等多种功能的微型嵌入式系统。通常由4 个部分组成【4 ，5 】：传 感器模块、处理器模块( 处理器和存储器) 、无线通信模块和能量供应模块。某 些类型的节点还具有定位系统、移动装置和能量再生系统，如图1 1 所示。同一 个传感器节点可以根据需要集成多种传感器模块。 其中，传感器模块负责对传感对象进行信息的采集和数据的转换，如测量周 边环境中的红外、声波、光、电磁等物理属性，从而获取温度、湿度、噪声、运 动速度等信息；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理自身采 集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责传感器节点的无线通信， 交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量， 一般采用电池供电。 无线传感器网络通常是由部署在监测区域内大量廉价的微型传感器节点组 成，通过无线通信方式构成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、 第l 页 国防科学技术大学研究牛院博士学位论文 采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发御给观察者1 4 , 5 】。在本文 中，如无特殊说明，传感器网络即指无线传感器网络。 图1 1 传感器节点的结构副4 】 能 量 再 生 模 块 传感器节点、感知对象和观察者是无线传感器网络的三个基本要素。无线网 络是传感器节点之间、传感器节点与观察者之间的通信方式，用于在传感器节点 与观察者之间建立通信路径。协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器 网络的基本功能。一组功能有限的传感器节点协作地完成大的感知任务是传感器 网络的重要特点。 图1 2 无线传感器网络的一般结构4 1 无线传感器网络的基本结构4 1 如图1 2 所示，传感器网络系统通常包括传感器 节点、汇聚节点( s i n k ) 和任务管理节点。s i n k 也称为基站，它的处理能力、存储 能力和通信能力相对较强，可以连通传感器网络与外部网络，实现协议栈之间的 通信转换，同时发布管理节点的监测任务和控制指令。一般情况下，大量传感器 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。散御在网 络中的节点通过多跳路由的方式将感知数据传送到s i l l l ( ，用户可以通过任务管理 节点，经i n t e m e t 或者卫星与s i n k 进行通信，当然也可以直接与s i n k 通信，通 过s i n k 对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务指令以及收集监测数据。 无线传感器网络的应用非常广阔，包括军事侦察、环境监控、医疗健康、空 间探索、城市交通、机械监控等。针对不同的具体需求可以开发出相应的应用系 统，但是基本的结构都是类似的：部署在监测区域的传感器节点通过各种路由方 式把感知数据发送到s i n l ( ，s i n l ( 再把数据发送到后端的处理系统，进行数据分析 并存入数据库，数值结果动态显示在监测界面上，根据分析结果还可以对s i n k 进 行反馈控制，通过s i n k 向无线传感器网络发布远程控制指令，如图1 3 所示。 图1 - 3 基于w s n 的应用系统的基本结构 无线传感器网络从根本上不同于一般的通信网络或数据网络( 例如i n t e m e t ) ， 因此需要采用不同的设计模式。传感器网络经常是应用相关的；它们是为特定的 目的而设计和部署的。网络设计必须考虑特定的应用需求。具体来说，在无线传 感器网络的背景下，需要考虑介质的广播特性。对于电池供电的传感器，节能是 最重要的设计参数之一，因为在很多应用里电池的更换非常困难或几乎不可能。 因此，需要优化传感器网络的设计，以延长网络生命期。能量和带宽约束，以及 大规模部署对于有效的资源分配和传感器管理提出了巨大的挑战。 无线传感器网络的主要优点在于： 个体( 传感器节点) 体积小，低功耗和低成本； 组网快速，结构灵活，扩展性强； 数据量大，精度优，鲁棒性强； 自适应能力强，可控性好，节点之间可以协同； 隐蔽性好，抗毁性强； 可实现连续、实时的在线监测； 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 网络化处理可以减少单点测量可能造成的瞬念洪差和单点环境激变可能 造成的系统测量错误，可以降低对传感器精度的片面要求； 网络化使得数据的收集和统计容易自动完成，大大降低了管理方面的开 销，提高了整个系统的执行效率。 然而，传感器节点具有的能量、通信能力、计算和存储能力都十分有限，从 而使无线传感器网络面临以下问题和挑战： ( 1 ) 节点的硬件资源有限：传感器节点的供电来源通常是能量有限的电池。由 于电池技术的发展落后于计算机技术，电池的寿命决定了无线传感器网络的生命 期。这一特点要求无线传感器网络的任何算法和协议都必须能效问题。受价格、 体积和功耗的限制，传感器节点计算能力、程序空间和内存空间都比一般的计算 机弱很多。因此，传感器节点的操作系统和协议层次不能太复杂。 ( 2 ) 节点数量大，冗余传输多。为了对一个区域执行监测任务，往往需要部署 成千上万个传感器节点到该区域，节点分布非常密集，再增强连通性和容错性的 同时导致大量冗余传输的出现。因此，减少冗余是传感器网络研究中不可避免的 个难题。 ( 3 ) 传输能耗大。传感器节点的能耗对传感器网络的生存时间和性能具有重大 影响，是核心的优化目标之一，而网内的通信与传感、计算等相比较又是最主要 的能耗方面。 ( 4 ) 网内数据处理。无线传感器网络可以通过网内处理( i n - n e t w o r kp r o c e s s ) 对数据进行聚合( d a t aa g g r e g a t i o n ) 。这是它不同于一般数据传输网络的一个显著 特点。从外部特征来看，所谓数据聚合是指中间节点根据一定的规则将较多的入 口数据聚合成较少的出口数据。于是，无线传感器网络的工作方式从存储一转发变 成了存储一聚合一转发。这样既适应了无线传感器网络上数据汇集的流量分布特点， 又能减少带宽占用和传输数据总量，有利于降低传输能耗和延长网络生存时间。 ( 5 ) 缺乏拓扑知识：无线传感器网络通常采用随机部署方式，难以预先确定网 络的拓扑结构。此外，由于传感器节点的移动或失效，网络的拓扑结构可能频繁 改变。因此，动态拓扑管理是保证无线传感器网络连通和覆盖的一个关键因素， 是设计路由算法和协议的先决条件。 ( 6 ) 其他特点：无线传感器网络还具有带宽有限、移动性弱、应用相关和以数 据为中心等特点。 1 1 2 无线传感器网络的研究进展 无线传感器网络最初来源于美国国防部高级研究计划署( d a r p a ：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 sa g e n c y ) 的一个研究项目。当时处于冷战时期，为了监 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 测敌方潜艇的活动情况，在海洋中布置了大量的传感器。由于当时技术条件的限 制使得无线传感器网络的应用只能局限于军方的一些项目中，难以得到推广和 发展。1 9 7 8 年由d a r p a 在卡内基一梅隆大学主办的分布式传感器网络研讨会“，引 起美国军方的高度重视，并于2 0 世纪9 0 年代末期与美国自然科学基金委员会( n s f ： n 砒i o n 甜s c i e n c ef o u n d a t i o n ) 联合设立了多项有关传感器网络的研究项目。 1 两 _ 蒋 邕等 酱苗 幽14 战场监控 一- t 二： 唑。一 ：k k 二警一 蕊。”攀 图1 5 海洋环境监测 随着无线通信、傲处理器、岫6 等技术的发展，无线传感器网络的理想蓝图 能够得以实现，现阶段国外各个研究机构对它的研究也正方兴未艾。1 9 9 3 年开始 的无线集成网络传感器( w i n s ：w i r e l e s s i n t e f a t e d n e t w o r ks e n s o r ) 项目”，由美国 加州大学洛杉矶分校( u c l a ：u n i v e r s i t yo fc a l l f o m i aa tl o sa n g e l e s ) 和罗克维尔自 动化中心共同开发。从1 9 9 6 年开始，由麻省理工学院( m i t ) 承担的u a m p s ( m i c r o - a d a p t i v em u l t i - d o m a i np o w e ra w r r es e n s o 曲项目“致力于开发一个完整的 第5 页 围防科学技术大学研究生院博士学位论文 面向低功耗需求的无线传感器网络系统。1 9 9 8 年开始的致力十研究人胤模分布式 军事传感系统的无线专用网络的s e n s i tr s e n s o r i n f o r m m i o n t e c h n o l o g y ) 项目”，由 包括u cb e r k e l e y 、u c l a 、m i t 和h a r v a r d 大学在内的2 5 个研究机构共同承担。 u cb e r k e l e y 于1 9 9 9 年开始了p i c or a d i o 项目“，研究自约束的中等规模的包 含低成本、低功耗节点的无线专用网络。s m a r td u s t 项目“ 开始于1 9 9 9 年，研 制出体积不超过一立方毫米、使用太阳能电池供电、具有光通信能力、可悬浮在 空中的自治传感器节点：“智能尘埃”，用十在战场r 抛撒数千个微小的无线传感 器，监控敌人的活动情况而不让敌方察觉，如图14 所示。1 9 9 9 年海军研究办公 室发起的s e a w e b 项目13 旨在建立用于海洋学的水声网，它具有低功耗、低速率、 大覆盖范围、高延迟容忍等特性，如图i5 所示。 目前已经丌发出许多小型化、低功耗、低成本的传感器节点和相关研究甲台。 代表性的节点有u cb e r k e l e y 的m i c a 系列节点”5 、m i t 研制的a a m p s 节点“、 u cb e r k e l e y 的s m a r td u s t 节点引、u c l a 和r o c k w e l l 自动化中心研制的w i n s 节 点”。等，如图l 6 所示。研究平台有o r b i t 平台扭、m o t e l a b 平台，e m s t a r 甲台2 “和帅 n e t 平台删等。在这些平台中，m i c a 系列硬件平台及其配套的 t i n y o s 操作系统9 值用最为广泛，为全球4 0 0 多家研究机构所采用。 i波i 誊 图16 各种典型的传感器节点 制对无线传感器网络的特点国内外的学者们还相继设计和开发了大量的通 信协议，在节能的同时获得尽可能低的延迟和尽可能高的吞吐率。其中，应用层 的代表性协议有l e a c h 。1 、s t e m 砒、s 盯r 等：路由层的代表性协议有叻m 1 、s p i n 。、 s a r 、p e q “等；m a c 层的代表性协议自s i a c 、b - m a c ”、d m a c 侧、i e e e 8 0 2 1 5 4 训 等；物理层协