（应用数学专业论文）基于分簇的wsn路由算法的研究与设计.pdf

河南大学研究生硕士学位论文第1 页 摘要 无线传感器网络是一种由大量的集成传感、数据处理和短距离无线通讯功能 的传感器节点组成的以数据为中心的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采 集和处理网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并发布给观察者。无线传 感器网络与效用计算、塑料电子、人体仿生学一起被称为全球未来四大高科技产 业。作为新一代测控系统的无线传感器网络，网络中感知数据的路由是无线传感 器网络系统最核心的功能，而路由算法的研究与设计更是无线传感器网络研究中 的热点和难点，其性能的优劣直接影响网络能量的消耗。 论文针对无线传感器网络路由机制进行研究，在对现有各类路由机制进行系 统分析的基础上，结合最大限度节约网络能量资源、负载均衡的目标，设计实现 新的网络路由算法，完善了传感器网络的路由机制。所做工作如下： 1 总结了无线传感器网络的路由机制，对各种路由协议按照不同的标准进行 分类，并对各类路由协议在性能和特点等方面进行了对比分析，指出分簇 路由协议的优势。 2 深入研究了现存的分簇路由机制，特别是经典的分簇路由协议l e a c h 和 p e g a s i s ，详细描述了其网络与通信模型、算法运行过程，指出其存在的 问题，并提出相应的改进方案。 3 针对l e a c h 簇重组开销大、随机选取簇首、与基站单跳通信以及p e g a s i s 在全网利用贪心算法构建链造成的成链开销大、数据传输延迟过大的问题， 提出了一种新的基于分簇的传感器网络能量有效路由算法n c e e r 。该算法 选取邻居节点个数及剩余能量较多的节点充当簇首，在簇内利用贪心算法 形成短链，簇间建立综合考虑簇首剩余能量及与基站距离的多跳路由树， 并采取每隔一定轮数进行簇重组的方法来解决簇重组开销大的问题，此外， 还加入了簇的自愈机制。 4 总结了各类无线传感器网络仿真平台的特点，对j s i m 仿真平台的无线传 感器网络框架进行能量模块扩展，在扩展后的仿真平台上对提出的算法与 l e a c h 、p e g a s i s 从存活节点个数、全网能耗、基站收到数据量、负载 平衡性及时延五方面进行仿真实验，并对结果进行对比分析，理论分析和 第1 i 页河南大学研究生硕士学位论文 仿真实验证明了算法的有效性。 关键词：无线传感器网络；路由算法；分簇；能量有效；负载均衡 河南大学研究生硕士学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t w i r e i e s ss e n s o rn e 帆o r k s ( w s c o n s i s t so fal a 玛en u m b e ro fs e n s o rn o d e sw h i c h i n t e 伊a t et h e 缸1 c t i o n o fs e n s e ，d a t a p r o c e s s i n g a n ds h o r td i s t a i l c ew i r e l e s s c o m m 咖i c a t i o n t h en e 铆o r k si sak i n do fw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k sw i t had i s t i i l c t d a t a - c e n 仃i cp r o p e r 吼a 1 1 dt h eo b j e c to fw i r e l e s ss e n s o rn e 觚o r k si st os e n s e ，c o l l e c ta 1 1 d p r o c e s st h ei n f o 册a t i o no ft h e v a r ! i o u se i i r o m e n t so r 廿l ed e t e c t e do 场e c t si nt h e c o v e r a g ea r e ao ft l l en e t w o r k s ，a 1 1 dt h e n s e n dt h es e n s i l l gi n f 0 n n a t i o nt ot 1 1 e u s e r w i r e l e s ss e n s o rn e t 、) l ，o r k s ，t o g e t h e rw i t hu t i l i 够c o m p u t a t i o n ，p l a s t i ce l e c t r o n i c sa n d b o d yb i o n i c s ，a r ec o n s i d e r e da st h ef o u rh i g l l t e c hi i l d u s 仃i e si i lt h e 如t u r ea r o u n dt h e w o r l d a san e wg e n e r a t i o no fm ed e t e c t i i l g 锄dc o n 仃o ls y s t e m ，t h ed a t ar o u t i n gi n w n l e s ss e n s o rn e 铆o r k si st h em o s ti 1 1 1 p o r t a i l tn m c t i o n ，a i l di t sp e 墒r n l a n c ed i r e c t l y i n f l u e n c e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni i lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h er e s e a r c ho ft h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nd a t ar o u t i n gm e c h a j l i s mi nw i r e l e s s s e n s o rn e t 、) l ，o r k s b a s e d0 nt h es y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h e p r e s e n td a t ar o u t i i l g m e c h a i l i s m s ，an e wd a t ar 0 眦i l l ga l g o r i t l u i li sd e s i g na n di r l l p l e m e n t e dw i t ht h e c o n s i d e r a t i o no fs a v i n gt h ee n e r g yr e s o u r c ea n db a l a n c i n gt h el o a di nn e t 、】i r o r k st ot h e l a 娼e s t e x t e n t a n dt h e a l g o r i t h mp r e s e n t e dw i l lp e r f e c t d a t ar o u t i n gm e c h 锄i s m i e s e a r c hi nw i r e l e s ss e n s o rn e 伽o r k s t h em a i l lw o r ki sa sf o l l o w ： f i r s t ，m ed i s s e n a t i o ns u m m a r i z e st h er o u t i n gm e c h a n i s m si nw i r e l e s ss e n s o r n e 铆o r k s ，a i l dt h er o u t i n gp r o t o c o l sa r ec l a s s i f i e da c c o r d i n gt od i 虢r e n ts t a n d a r d s a r e r c o m p 撕h ga 1 1 da n a l y z i l l g 廿1 ep e r f b m a l l c e sa l l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s er o u t i n gp r o t o c o l s ， t h ea d v a n t a g e so fc l u s t 嘶n gb a s e dr o m m g p r o t o c o la r ep o i n t e do u t s e c o n d ，t h ec l u s t e r i n gb a s e dr o u t i n gm e c h a n i s m si 1 1e x i s ta r ed e 印l yr e s e a r c h e d ， e s p e c i a l l y t h ec l a s s i c a l r o u t i l l gp r o t o c o l s n a m e dl e a c ha 1 1 dp e g a s i s t h e d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st l l e i rn e 撕。o r ka | l dc o 衄u n i c a t i o nm o d e l s ，t h ep r o c e s so fm e a l g o r i t h m s ，a n dm e nt h e i rd i s a d v a i l t a g e sa r ep o i n t e d0 u ta l l dt h ei m p r 0 v es c h e m e sa r e p r e s e n t e d t h i r d ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft 1 1 ed i s a d v a i l t a g e so fl e a c hw i t hl a r g ee n e 嘲， 第1 v 页河南大学研究生硕士学位论文 s p e n d i n gb yc l u s t e rr e c o n s 仃u c t i o n ， r 眦d o mc h o i c eo fc l u s t e rh e a d ， s i n g l e h o p c o m m u n i c a t i o nw i t hb a s es t a t i o na i l dt h ep r o b l e m so fp e g a s i sw i t hl a 唱ee n e 唱y s p e n d i n gb yc h a i nc o n s 咖c t i o n 恤o u 曲g r e e d ya l g 硎t h m i nn e 铆o r k sa n dal 鹕e a m o u n to fd e l a yd u r _ i 1 1 9d a t ad e l i v e 巧i 1 1 9 ，an o v e lc l u s t e r i n gb a s e de n e r g ye f f i c i e n t r o u t i n ga i g o r i t t m lf b rw i r e l e s ss e n s o rn e 觚o r k s ( n c e e r ) i sp r c i p o s e d n c e e rc h o s e s t h en o d ew i t hm o r en e i g h b o u ra 1 1 dr e s i d u a le n e 唱ya sc l u s t e rh e a d s ，a n df o r m e sas h o r t c h a i l lt l l r o u 曲铲e e d ya l g o r i m mw i t h i l le v e 巧c l u s t e r t h 踟，ah i e r a r c h i c a lr o u t i i l g 仃e ei s e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h eh 叩t ot h eb a s es t a t i o na 1 1 de n e r g ) ，一l e v e lo ft h ec l u s t e r h e 旦d s c l u s t e r sa r er e c o n s t l l l c t e da j f t e rac e r t a i l lr o u n d si i lo r d e rt oa l l e v i a t et h ee n e 唱y s p e n d i n go fc l u s e rr e c o n s t m c t i o n ，a j l dt h es e l o h e a l i i l gm e c h a n i s mo f 血e c l u s t e ri sa l s o i n 仃o d u c e d f i n a l l y ，m ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e sm ec h a r a c t e r i s t i c so fa uk i n d so fs i m u l a t i o n p l a t f i o n n f o i w i r e l e s ss e n s o rn 咖o r k s ，a n dt h ee n e 略ym o d u l ei se x t e n d e d0 nt h e e x i s t i n gw i i l e s ss e n s o rn e t w o r k s 仔锄e w o r ko fs i m u l a t i o np l a t f b mo f j - s i i l l t h e nt h e n e wa l g o r i t h mn c e e ra 1 1 dl e a c h ，p e g a s i sa r ei m p l e m e n t e do nt h ee x t e n d e d p l a t f o n n1 j r o mn e t w o r kl i f e c y c l e ，t h et o t a le n e f g yc u m p t i o n ，t h ed a t at h eb a s es t a t i o h r e c e i v e d ，l o a db a l l l a i l c i n ga 1 1 dd e l a y 肌ea s p e c t s a f t e rt h a t ，t h es i i l l u l a t i o nr e s u l t sa r e c o m p a r e da | l da n y l i z e d ，m e o 巧a n l y s i sa 1 1 ds i m u l a t i o ne x p e r 妇e n t sp r o v en l ee 蕊c i e n c y o ft h en e wa l g o r i t h m 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 ；r o u t i n ga l g o r i t h m ；c l u s t e r i n g ；e n e r g ye 历c i e n t ； l o a db a l a i l c i l l g 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学住申请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导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。除 文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究戍果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而 使用过的 了明确的 本人 了解并同 中作 完全 国家 图书馆、科研信息槐麴、数据收集机构意夸檬图书馆节握供学位论文( 纸质文 本和电子文本) 以供群众控索、查阅痧拇援担河赢灾学出于宣扬、展览学校 学术发展和进行学术交流等冒德瞧彬囊雨搽j 恭爨彩即。：缩印、扫描和拷贝等复制手 段保存、汇编学位论文( 氟质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 签名： 2 0 口g 年月f 口目 学位论文指导教师釜名：一q 茎圣塑垦 2 0 口孑年舌月口日 河南大学研究生硕士学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e 铆o r k s ，w s n ) 是连接传感器、激励源和处 理器的新型无线自组织网络( w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k s ，a dh o c ) 。随着因特网技 术、无线通信技术与电子技术的高速发展，无线传感器网络在世界范围内引起了 广泛关注【l ，2 】。2 0 0 3 年2 月的美国技术评论杂志评出对人类未来生活产生深远影 响的十大新兴技术，传感器网络被列为首位。2 0 0 3 年8 月2 5 日出版的美国商业周 刊杂志在其“未来技术专版”中发表文章指出，效用计算、传感器网络、塑料 电子学和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产业，它们将掀起新的产业浪潮。 在无线传感器网络中，传感器节点由电池供电，大量传感器节点通过飞机布 撒，人工布设等方式，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 以实现对任意地点在任意时间的信息采集、处理和分析【3 4 】。在很多情况下，传感 器节点被放置在野外恶劣的环境中，这样无线传感器网络必须在无任何基础设施 j 的环境中进行长期的自主的工作。同时，传感器节点的电源能量、计算能力和通 信能力又都非常有限。这些因素决定了无线传感器网络协议栈各层的设计都必须 以能量有效性为首要的设计目标【5 8 】。 因此，无线传感器网络路由协议设计与传统的无线a dh o c 网络有很多不同【9 】： 无线传感器网络路由设计的重要目标是降低节点能量消耗，延长网络生命周期； 而传统的无线a dh o c 网络的路由协议设计的首要任务是移动条件下高服务质量的 提供。这些不同导致了传统的无线a dh o c 网络路由协议不能直接用于无线传感器 网络中，因此，研究人员提出了许多新的适用于无线传感器网络的路由协议，它 的研究已经成为无线传感器网络研究中的热点。但是现有的无线传感器网络路由 协议都存在一定的缺陷，本文的研究目的就是对现有无线传感器网络路由协议中 的分簇路由算法进行研究并改进，设计出新的、更适合于无线传感器网络特点的 路由算法。 第2 页河南大学研究生硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 到目前为止，无线传感器网络的研究大致经过了两个阶段：第一阶段主要偏 重利用m e m s 技术设计小型化的节点设备，代表性的研究项目有w s 【10 】和 s m a n d u s t 【1 1 】。对于网络本身问题的关注和研究可以认为是无线传感器网络研究的 第二个阶段，目前正在成为无线传感器网络研究领域的一个热点。就已有的研究 而言，对无线传感器网络的研究主要集中在网络层和链路层。其中，网络层协议 负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素，一个网络设计的成功与否， 路由协议非常关键【1 2 d 4 1 。 根据网络中各个节点的地位和功能是否相同，可以将路由协议分为平面路由 协议和分簇路由协谢4 1 。在采用平面路由协议【1 5 。9 】的网络中，所有传感器节点的地 位都是平等的，执行的任务和所起的作用也相同。在采用分簇路由协议【2 0 删的网络 中，节点分为簇首节点和成员节点，成员节点只需将采集的数据传送给簇首节点， 簇首节点需要收集成员节点采集的数据并进行融合，然后发送给汇聚节点( 基站) 。 分簇路由协议有层次之分，簇首节点和成员节点在数据传输过程中执行的任务和 所起的作用不同。通过减少数据传输和通信量，从而节约了能耗，延长了网络生 存周期。因此，分簇路由协议成为了路由协议的主流研究方向。 目前，国内外学者对分簇路由协议进行了广泛的研刭2 m 3 9 1 。研究的问题主要集 中在三个方面，一是基于簇首选举方法的研究，如文献【2 0 - 2 7 】等，在这类路由协 议中，采用某种簇首选择机制使得网内节点轮流当选为簇首，以此节约网络能量， 最大化网络生存周期。根据簇首产生方式的不同，可以把簇首产生算法分为分布 式和集中式两种。分布式算法【2 0 ，2 2 。2 6 】完全由节点自主决定是否当选为簇首，不需要 基站的控制及全网信息的收集。主要包括两类：一类是由节点根据某个阈值自主 决定是否当选簇首1 2 0 ，2 2 2 3 矧；另一类是通过节点之间的信息交互动态产生簇首，这 个信息可以是节点的剩余能量、簇首到基站的距离、节点度等【2 4 2 6 1 2 7 】。集中式算法 【2 1 1 是指由基站基于整个网络信息挑选簇首。第二方面是基于分簇结构的研究，如 文献【2 4 ，2 6 3 1 】等，采用一定的分簇方法使得分簇结构更加合理，全网负载均衡，延 长网络的生存周期。主要也包括两类：均匀分簇法和非均匀分簇法。均匀分簇法 【2 4 西2 7 】从均衡全网内各簇成员节点之间的能耗为出发点，将传感器网络划分为大小 大致相同的簇。非均匀分簇法【2 钆3 l 】从均衡各簇首的能耗为出发点，使得距离基站近 河南大学研究生硕士学位论文第3 页 的簇的范围比较小，而远离基站的簇的范围比较大，以使靠近基站的簇首留出更 多的能量进行数据转发。第三方面为数据传输方案的研究，如文献【2 8 ，3 2 - 3 7 】等，在 这些路由协议中，通过构建合理的簇内和簇间的组织结构，缩短网络传输距离， 节约网络能耗。主要有通过网关节点进行通信的簇交叠、法【3 3 3 4 1 和建立与基站的层次 路由树f 3 5 。7 1 两种方法，一般以其剩余能量及与基站的距离为作为网关节点及层次路 由树申继节点选择依据。无线传感器网络中路由协议的大部分研究工作都是以延 长系统生命期为目标，其它方面还包括减少延迟、提高容错性，提高安全性等等。 对于延长系统生命期方面的研究，在设计路由协议时主要采用数据融合技术来减 少簇间的数据传输量，通过某种最短路径算法选择一条簇间最短路径来缩短簇间 传输距离，以此减少能量消耗。而几乎很少考虑通过改变簇内的组织结构以减少 数据传输量、传输距离，均衡全网的能耗，这会降低系统生命期。 国内对于传感器网络路由协议的研究起步较晚，大多是对国外经典路由协议 某一方面的改进，却往往忽视了其他方面的性能。关于无线传感器网络中路由协 议问题的研究还不成熟、不系统，存在诸多有待改进的地方。 1 3 研究内容及意义 数据路由是无线传感器网络的主要应用之一，在大型传感器网络中，大量的 传感器节点组成多跳无线自组网，传感器节点采集本地感知数据，通过路由算法 选择一条合适的路径将处理结果传输给基站，基站再将数据转发给外界用户。在 这一过程中，涉及到传感器网络许多重要机制，如：数据收集机制、路由选择机 制以及数据传输机制等。而路由机制是其中重要部分，其性能的优劣直接影响到 网络能量的消耗。因此，传感器网络路由机制的研究将推动其它研究内容的深入。 而路由机制中的分簇算法更是研究的热点，目前所有的无线传感器网络分簇算法 都是围绕如何选择簇首、如何成簇、如何传输数据来考虑设计的。它们是无线传 感器网络分簇算法设计的关键技术，三者紧密相关，却也相对独立。簇首的产生 是簇形成的基础，簇的数据传输依赖于簇的结构。在簇首产生之后，可以采取不 同的分簇策略，同样的簇也可以采用不同的数据传输机制。鉴于已有研究只从路 由协议的某一方面进行改进，而忽略了其他方面的性能，论文提出了一种基于分 簇的传感器网络能量有效路由算法，从簇首的选择、簇内及簇间的结构组织、数 据传输、簇的重组与自愈等五个方面进行研究与改进，使得网络能量消耗更加均 第4 页河南大学研究生硕士学位论文 衡，显著延长网络的生存周期。 论文主要对无线传感器网络的路由机制进行了深入的研究，首先介绍了路由 协议的分类方法及其包含的路由协议，并从多方面对现存的路由协议进行了对比 分析，指出基于分簇的路由协议的优势。接着对无线传感器网络的分簇路由协议 进行了研究分析，描述了分簇算法的概念，总结了分簇算法的性能评价指标，并 从网络与通信模型、算法具体实现过程、存在的问题分析等几个方面对经典层次 路由协议l e a c h 【2 0 】和p e g a s i s 【2 8 】进行了深入的研究，总结出l e a c h 协议通过轮循 进行簇重组，随机选取簇首和单跳簇的网络结构存在的缺点以及p e g a s i s 利用贪 心算法在全网成链、随机选取簇首以及单跳传输所存在的不足。针对l e a c h 及其 改进算法和p e g a s i s 存在的不足，提出一种新的能量高效的分簇路由算法：该算 法采用综合考虑节点度数及剩余能量的权值来选举簇首，使得分簇更加均匀；然 后在簇内利用贪心算法成链，减少与簇首通信的节点数量，缩短数据传输距离， 并利用考虑簇首剩余能量级别及与基站传输距离的层次路由树进行数据传输，减 少了与基站直接通信的节点数目，实现了网络负载平衡；每隔r 轮进行一次簇的重 组，在簇内选举剩余能量最大的节点轮流作为簇首，而不是像l e a c h 那样每一轮 都进行簇重组，减少了大量簇重组的开销，并利用m a t l a b 仿真工具对簇重组间 隔与生存周期的关系进行仿真分析，确定r 的最优值；在网络运行过程中，如果有 新节点加入或旧节点失效，则只需在一个簇内进行链的重组，实现了簇的自愈功 能，增强了网络的鲁棒性。为了验证算法的性能，对j s i i i l 【4 0 4 1 】仿真平台上的w s n 框架进行了能量扩展，并在扩展后的仿真平台上对提出的新算法和l e a c h 、 p e g a s i s 在网络生存时间、全网能耗、基站收到数据量、负载平衡性、时延五方 面进行仿真实验，对实验结果进行对比分析。 1 4 论文组织安排 论文的具体安排如下： 第二章简要介绍无线传感器网络的基础知识，重点描述无线传感器网络的路 由机制、分类、现存的路由协议，并对各类路由协议进行对比分析，指出基于分 簇的路由协议的优势。 第三章阐述无线传感器网络的分簇路由机制，介绍分簇算法的概念及评价指 河南大学研究生硕士学位论文第5 页 标，分析现有的分簇路由协议，并对经典的分簇路由协议l e a c h 及p e g a s i s 进行 、深入的研究h 详细描述其网络与通信模型、具体实现过程，指出其存在的问题， 提出相应的改进方案。 第四章针对l e a c h 及其改进算法和p e g a s i s 存在的不足，提出一种新的能量 高效的分簇路由算法。从算法的设计思想、簇首选择、簇的形成、簇问路由的建 立、数据传输以及簇的重组与自愈等方面进行了阐述。 第五章介绍现有的无线传感器网络仿真工具，阐述j s i m 仿真平台的工作原理 及在其现有无线传感器网络框架上进行能量模块扩展的过程，并在扩展后的框架 上对提出的新算法和l e a c h 、p e g a s i s 在存活节点个数、全网能耗、基站收到数 据量、负载平衡性及时延五方面进行仿真实验，对实验结果进行对比分析。 最后，对论文工作进行总结与展望。 1 5 本章小结 本章首先简要介绍无线传感器网络的研究背景；然后介绍无线传感器网络及 分簇路由的研究现状；结合研究背景指出研究传感器网络中分簇路由的意义，并 给出本文的研究内容；最后给出了本文的组织结构。 第6 页河南大学研究生硕士学位论文 2 1w s n 简介 第2 章w s n 路由协议概述 微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感 器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多 种功能。大量的m e m s 传感器节点通过低功耗的无线通讯技术连成网络发挥其整 体的综合作用；更小、更廉价的低功耗计算设备代表的“后p c 时代”冲破了传统台 式计算机和高性能服务器的设计模式，普及的网络化带来了难以估量的计算处理 能力。 无线电、红外线、光波等多种无线通讯技术的发展为微传感器间的通讯提供 了多种选择，尤其是以m e e 8 0 2 1 5 4 为代表的短距离无线通讯标准的出现，为无线 传感器网络的发展奠定了坚实基础。同时，自动控制和人工智能领域中群体智能 自治系统行为和控制的研究，为无线传感器网络的智能性提供了有力的技术支持。 上述技术的高度发展孕育出了新的信息获取和处理模式一无线传感器网络。 无线传感器网络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 线通信的方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集 和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者【3 】。传感器、感知对象和 观察者构成了传感器网络的三个要素。如果说i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世界， 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 与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。 目前，无线传感器网络己经是国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知 识高度集成的前沿热点研究领域，它实现了物理世界、计算世界以及人类社会三 元世界的连通。无线传感器网络具有广阔的应用前景，已经引起了许多国家学术 界和工业界的高度重视，它被认为是对2 1 世纪产生巨大影响力的技术之一。 2 1 1w s n 的特点 无线传感器网络中节点数量众多，采用随机投放方式布设，节点的位置不能 预先确定；在任意时刻，节点间通过无线通信自组织形成网络；节点间具有很强 的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交换完成全局任务。 河南大学研究生硕士学位论文第7 页 因此，无线传感器网络是一种无中心节点的全分布式的集成监测、控制以及无线 通信功能的网络系统，其自身具有独特的特村，1 ： ( 1 ) 网络规模大，节点密集 为完成对物理世界的高密度感知，以获取精确信息，在监测区域通常部署大 量传感器节点，其数量可能达到成千上万，甚至更多。无线传感器网络主要不是 依靠单个节点能力的提升，而是通过大规模、冗余节点的协同工作来提高系统的 可靠性和工作质量。 ( 2 ) 自组织能力强 在传感器网络中，节点通常被随机布置在没有基础设施的地方，节点的位置 及节点间的相互邻接关系无法预先确定。同时，在传感器网络使用过程中，经常 有部分传感器节点因能量耗尽或环境因素而失效，也有一些节点为了弥补失效节 点、增加监测精度而补充到网络中，如此网络中的节点个数动态地增加或减少， 网络拓扑结构也随之动态变化。这要求传感器网络中节点具有自组织能力，能够 自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多 跳无线网络系统。 ( 3 ) 拓扑动态变化 传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗尽造成 传感器节点出现故障或失效；。环境条件变化造成无线通信链路带宽变化，甚至时 断时通；传感器网络中的传感器、感知对象和观察者三要素都可能具有移动性； 新节点加入。这就要求传感器网络能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 ( 4 ) 可靠性强 传感器网络通常部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工 作在露天环境中，极容易遭受破坏，这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。同时，由于监测区域环境的限制以及节点数目巨大，网络 维护十分困难甚至不可维护。另外，传感器网络的通信保密性和安全性也十分重 要，这要求传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。 ( 5 ) 高度应用相关 传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物 理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传 感器网络的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求 第8 页河南大学研究生硕士学位论文 不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别，不能象h l t e m e t 有统 一的通信协议平台。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网 络设计不同于传统网络的显著特征。 ( 6 ) 以数据为中心 在传感器网络中人们只关心某个区域某个观测指标的值，而不会去关心具体 某个节点的观测数据，这就是传感器网络以数据为中心的特点。而传统网络是以i p 地址为中心的网络，传统网络中传输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聚合提取出有用信息直接传送给用户。 无线传感器网络与无线自组织网络有许多相似之处，如：无中心和自组织性、 动态变化的网络拓扑、受限的无线带宽、多跳路由和安全性较差等属性，但二者 有一些本质的区别【4 】。首先，应用目标不同。无线自组织网络在不依赖任何基础设 施的前提下，以为用户提供高质量的数据传输服务为主要目标。无线传感器网络 以监控物理世界为主要目标。因此，无线自组织网络是一种数据网络，而无线传 感器网络是一种测控网络。其次，无线传感器网络具有一些区别于无线自组织网 络的独特特点，如：超大规模、无人值守和易受物理环境影响的动态性强等特点。 因此，无线传感器网络不同于一般的无线自组织网络【8 】。 2 1 2w s n 的体系结构 无线传感器网络系统的组成如图2 1 所示：监测区域中随机分布着大量传感器 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 功能，采集数据经过多跳传递给汇聚节点( s i l l l ( ) ，然后通过互联网或卫星到达任务 管理节点，再由网络的任务管理节点对信息进行管理、分类、处理，最后将数据 发送给用户，供用户进行集中处理。 河南大学研究生硕士学位论文第9 页 s 砒c l l i 把 图2 1 无线传感器网络系统结构 传感器节点的基本组成如图2 2 所示，包括电源、传感器、a d 转换接口、处 理器单元、存储器单元、数据发送接收的传输单元。个别的功能更强大的可能还 包括定位系统、运动或执行机构、电源再生装置。单个传感器节点集微电子技术， 低功耗信号处理，低功耗位运算和廉价无线网络等各种性能于一体【1 0 1 。 图2 2 传感器网络节点组成模块 ，网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所 应完成功能的定义和描述，无线传感器网络体系结构【2 4 】( 如图2 - 3 示) 不同于传统 的计算机网络和通信网，而是由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用 支撑技术三部分组成。它不仅起到了将相关研究内容集成到统一框架和体系下的 作用，而且清晰地阐明了传感器网络研究的主要内容和组成逻辑关系。 第10 页河南大学研究生硕士学位论文 应用层 网络层 数据链 路层 物理层 图2 3 无线传感器网络体系结构 ( 1 ) 分层网络通信协议 分层的网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 物理层的功能包括信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等。传 感器网络采用的传输媒体主要有无线电、红外线、光波等，其目标是尽可能少能 量损耗以获得较大的链路容量。主要物理层协议包括窄带、扩频和超宽带技术【4 2 】。 数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络显现 为一条无差错链路【4 3 1 。数据链路层可分为媒体访问控制( m a c ) 子层和逻辑链路控制 ( l l c ) 子层，m a c 层规定了不同用户如何共享可用的信道资源，l l c 层负责向网络 提供统一服务接口。目前对传感器网络数据链路层的研究主要集中在m a c 层， m a c 协议目标为自组网络和共享信道接入。 网络层的主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等。 传输层负责数据流的传输控制，提供可靠的、开销合理的数据传输服务。 应用层主要包括一系列基于监测任务的应用软件。 ( 2 ) w s n 管理 能量管理：在传感器网络中，电源能量是各个节点最宝贵的资源。为了使传 感器网络的使用时间尽可能的长，必须合理有效利用能量。网络的能量管理部分 河南大学研究生硕士学位论文第1 1 页 控制节点对能量的使用。 拓扑管理：在传感器网络中，为了节约能量，某些节点在某些时刻按照某种 调度规则进入休眠状态，导致网络拓扑结构不断变化。为了使网络能够正常运行， 必须进行拓扑管理，控制节点的状态转换，因此拓扑管理的目的就是在保持网络 畅通，数据能够有效传输前提下，协调传感器网络中各节点的状态转换。 网络管理：负责网络的维护、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。需要根据传感器网络能 量受限、自组织、节点易损坏等特点设计新型全分布式网络管理机制。 q o s 支持：网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共 享的质量的约定。为满足用户的要求，传感器网络必须能够为用户应用程序提供 足够的资源使它们以用户可以接受的性能指标工作。 网络安全机制：传感器网络多用于军事、商业领域，安全性是其重要研究内 容。由于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。因此需借鉴扩频通信、接入认证鉴权、数据加密等 技术设计新的网络安全机制。 移动控制：某些应用环境中，一部分节点可以移动，移动控制负责监测及控 制节点的移动，维护到汇聚节点的路由，同时可使传感器节点能够跟踪它的邻居。 远程管理：对于某些应用环境，传感器网络处于人不易访问的地点，借助远 程管理实现对传感器网络的管理，完成修正系统b u g 和升级及监控环境的变化等。 ( 3 ) w s n 应用支撑技术 传感器网络应用支撑技术为用户提供了各种具体的应用支持。包括时间同步、 节点定位，以及向用户提供协同应用服务接口。 时间同步【州5 】：传感器网络的通信协议和应用要求各节点的时钟保持同步。在 w s n 中，单个节点的能力有限，整个系统所要实现的功能需要所有节点相互配合 共同完成，因此时间同步在传感器网络节点协调操作中起着非常重要的作用。其 研究主要包括：时间同步算法对时间服务器及信道质量的依赖，缩短可能引起同 步误差的“关键路径”，从能量角度研究高效节能的同步算法。 节点定位f 4 6 ，4 7 】：节点定位是指依靠有限的位置己知节点，按照某种定位机制确 定监测区中其它节点的位置，建立起节点间的空间关系，即确定传感器节点在传 感器网络系统中的相对位置或绝对地理坐标。在多数情况下，只有结合位置信息， 第12 页河南大学研究生硕士学位论文 传感器获取的数据才有实际意义。许多传感器网络协议的研究需要节点的位置信 息，在网络层，因为传感器网络节点无全局标志，可设计基于节点位置信息的路 由算法，在应用层，根据节点位置信息，传感器网络系统可智能选择一些特定的 节点来完成任务，从而降低整个系统能耗，延长传感器网络系统存活时间。 分布式网络服务接口【4 8 】：传感器网络的应用是多种多样的，分布式网络服务 接口屏蔽了传感器网络的网络规模动态变化、拓扑结构动态变化、无线信道质量 较差等特点对用户应用的影响。为适应不同应用环境，人们提出了各种应用层协 议，已经提出的协议有：任务安排和数据分发协议t a d a p 、传感器查询和数据分 发协议s q d d p 【4 9 】等。 分布式网络管理接口：主要是传感器管理协议s m p 【4 8 】，在满足区域覆盖度前 提下优化网络中传感器资源的使用，调节传感器工作状态和感知参数实现将数据 传输到应用层。 2 1 3w s n 的应用前景及发展趋势 无线传感器网络可包含大量的由震动、地磁、热量、视觉、红外、声音和雷 达等多种不同类型传感器构成的网络节点，用于监控温度、湿度、压力、土壤构 成、噪声、机械应力等多种环境参量，完成连续的监测、目标发现、位置识别和 执行器的本地控制等任务。节点的随机布设、自组织、环境适应等特点使其在军 事、环境、医疗、家庭和其它商用领域有广阔的应用前景和很高的应用价值。 ( 1 ) 军事领域 无线传感器网络具有快速部署、自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，使其 非常适合于军事应用。无线传感器网络将会成为c 4 i s r t 系统不可或缺的一部分。 无线传感器网络由密集的、低成本、随机分布的节点组成，在无任何基础设施支 持下，能够自组织迅速配置成网络，较高的容错能力使其不会因为某些节点的损 坏而导致整个系统的崩溃。这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，如其在目 标跟踪与监测中的应用 5 0 5 l 】。 ( 2 ) 环境监测和预报 随着人们对环境的日益关注，无线传感器网络逐渐被广泛应用于环境监测领 域，无线传感器网络在环境监测方面可应用于土壤空气状况和大面积的地表监测， 以及用于行星探测、气象地理研究、洪水和森林火灾监测等，还可以通过跟踪鸟 l 。1 河南大学研究生硕士学位论文第13 页 类、小型动物和昆虫进行生物种群复杂性勘测等。 ( 3 ) 医疗应用 无线传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。 无线传感器的医疗应用于患者的综合监测、诊断，医院的药品管理，以及对人类 生理数据的无线监测和对医护人员和患者的追踪和监控。 无线传感器网络还可应用于空间探索、智能家居、建筑物状态监控以及商务 应用等广泛领域。 无线传感器网络是一门新兴的科学技术，正如当今世界人们利用互联网可以 获得大量文字、图像、声音等数字信息，将数量巨大的传感器组建成网络可使探 测感知技术延伸到更广阔的领域。无线传感器网络是集成传感器、微机电系统 m e m s 和网络三大技术而形成的一种全新的信息获取和处理技术，随着无线通讯 技术的飞速发展与广泛应用，传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、 网络化、无线化的方向发展。无线传感器网络将成为传感器技术发展的个趋势。 无线传感器网络将在协同信号处理技术【5 2 】、功能可剪裁的灵活可重组的无线 传感器网络协议体系结构、跨