（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络中时间同步技术研究.pdf

南京邮电大学硕七研究生学位论文摘要 摘要 随着现代电子、通信和计算机技术的飞速发展，军事应用领域的无线传感器网络逐渐 进入到工业控制、医疗救护和环境监测等诸多领域，它把逻辑上的信息世界和真实的物理 世界联系在一起，实现对客观世界无处不在的监测和控制，具有非常广阔的应用前景。无 线传感器网络技术研究成为信息领域的热点。 无线传感器网络由大量的传感器节点通过网络来协作实现其强大功能，而时间同步是 需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。由于单个节点功能较弱、资源有限，节 约能量就成为设计一个有效的时间同步协议要考虑的重要因素。论文分析比较了无线传感 器网络中几种典型的时间同步协议，并通过对t p s n 协议的分析和研究，在借鉴r b s 的广 播机制的基础上提出一种t p s n 的改进算法，即b - t p s n 算法。该算法有效利用了网络中节 点的双向同步机制和广播机制，在一定的精度内达到了减少消息开销和节约能量的目的， 从而降低了能量消耗，延长了网络寿命。 本文通过时间同步专用仿真工具s i m s y n c 仿真比较了t p s n 协议和改进算法b - t p s n 在 无线传感器网络中的性能。仿真结果表明，改进算法b - t p s n 相对于t p s n 算法来说确实在 能量节省上存在优势。 南京邮电丈学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h a n k st og r e a ta d v a n c e si ns u c hs c i e n t i f i cf i e l d s 舔m o d e me l e c t r o n i c s c o m m u n i c a t i o n s a n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m i l i t a r ya p p l i c a t i o n so fw s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) g r a d u a l l y c o m ei n t oi n d u s t r i a lc o n t r o l ，m e d i c a lc a r ea n de n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n d m a n y o t h e ra r e a s i t ， 嘶t i lv e r yb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s ，l i n k st h ei n f o r m a t i o nw o r l da n dt h er e a lp h y s i c a lw o r l d t o g e t h e rt oa c h i e v eu b i q u i t o u sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h eo b j e c t i v ew o r l d r e s e a r c ho n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o tf i e l do fi n f o r m a t i o n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sr e a l i z ei t sp o w e r f u lc a p a b i l i t i e st h r o u g ht h ec o l l a b o r a t i o no fa l a r g en u m b e ro fs e n s o rn o d e s ，a n dt i m es y n c h r o n i z a t i o ni sr e q u i r e dt ow o r kt o g e t h e rw i t l ls e n s o r n e t w o r ks y s t e ma sak e ym e c h a n i s m as i n g l en o d ef u n c t i o ni sw e a k , b e c a u s eo ft h el i m i t e d r e s o u r c e ，s a v i n ge n e r g yh a sb e c o m ea i li m p o r t a n tf a c t o ri nd e s i g n i n ga ne f f e c t i v et i m e s y n c h r o n i z a t i o np r o t o c 0 1 t h i sp a p e ra n a l y z e da n dc o m p a r e ds e v e r a lt y p i c a lw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l s a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i sr e s e a r c h ，w h i c hi si nr e f e r e n c e r b sb r o a d c a s tm e c h a n i s m ，a l li m p r o v e da l g o r i t h mo ft p s nc a m eu p ，n a m e db t p s na l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mm a k e se f f i c i e n tu s eo fn e t w o r kn o d e si nt h et w o - w a ys y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m a n db r o a d c a s t i n gm e c h a n i s m s ，i no r d e rt oa c h i e v eac e r t a i nd e g r e eo fa c c u r a c yt or e d u c et h e m e s s a g eo v e r h e a da n dt h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g y ，r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n , e x t e n dt h e t h i sp a p e rc o m p a r e dt p s na l g o r i t h ma n dt h ei m p r o v e da l g o r i t h mb - t p s ni nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k st h r o u g hap r o f e s s i o n a lt i m es y n c h r o n i z a t i o ns i m u l a t i o nt o o l s i m s y n c s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mb t p s nc o m p a r e dt ot p s na l g o r i t h mi s i n d e e dh a v ea d v a n t a g e si nt h ee n e r g y s a v i n g 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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了谢意。 研究生签名：嗍蝴 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 导师签名：玉2 匕壁红日期：旦= ：2 ：2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 无线传感器网络的研究最早起源于军事领域，1 9 7 8 年，在美国国防高级研究项目署 ( d a r p a ) 的资助下，卡内基梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组( d i s t r i b u t e ds e n s o r n e t sw o r k s h o p ) ，专门研究以无线传感器网络为基础的军事监视系统n 1 。 随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，2 0 世纪9 0 年代 末在美国发端了现代意义的无线传感器网络技术。随后，各种关于无线传感器网络的研究 工作轰轰烈烈的开展起来。美国科学基金会( n s f ) 制定了w s n 研究计划，支持相关理论研 究。美国国防部在c 4 i s r 计划的基础上提出了c 4 k i s r ，把w s n 作为一个重要研究领域。欧 盟第6 个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展领域之一，其中多处涉及到对w s n 的 研究。日本总务省在2 0 0 4 年3 月成立了“泛在传感器网络 调查研究会，主要目的是对 其研究开发课题、标准化课题、社会的认知性、推进政策等进行探讨。韩国信息通信部制 定了信息技术“8 3 9 战略，其中“3 ”是指i t 产业的三大基础设施，即宽带融合网络、 泛在传感器网络、下一代互联网协议。中国2 0 1 0 年远景规划和“十五”计划中将传感器 列为重点发展的产业之一。与此同时，中国下一代互联网项目、国家自然基金项目都十分 支持w s n 研究。国内外很多科研所、大学及公司都已经开展了w s n 研究，像c r o s s b o w ，i n t e l ， t e l e c o m ，n e c ，f r e e s c a l e 等公司都己经开发出了相关的产品，并且在相关的应用领域为 用户提供w s n 的解决方案。美国商业周刊和麻省理工学院的技术评论在预测未来技术发展 的报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响的2 1 项技术和改变世界的1 0 大 技术之一。无线传感器网络、塑料电子和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产 业。 无线传感器网络( w g n ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 是由部署在监测区域内大量的廉 价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统，其目的是 协作感知、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n 1 。传感器、感 知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。微电子、网络和无线通信等技术的进 步，推动了低功率、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。传感器网络具有广阔的应用前景，传统应用有军事、监控、 应急、环境、防空等领域，新兴的应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。可以 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 预计，将来无线传感器网络将无处不在。比如家庭采用无线传感器网络负责安全、调控、 节电、保健等；企业和社区采用无线传感器网络负责保安与安全、供应监测、人员流动与 车辆进出等；服务业采用无线传感器网络负责商品流通、服务环境秩序、金融流通安全等。 各种社会活动中，无线传感器网络的应用更是举不胜举。 传感器网络自诞生以来经历了四代的发展历程，如图1 1 所示： 第一代传感器网络出现在2 0 世纪七十年代。使用具有简单信息信号获取能力的传统 传感器，采用点对点传输，连接传感控制器构成传感器网络。 第二代传感器网络具有获取多种信息信号的综合能力，采用串、并( r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ) 接口连接传感控制器，形成综合多种信息的传感器网络。 第三代传感器网络出现在2 0 世纪九十年代后期和本世纪初，采用具有智能获取多种 信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网，成为智能化传感器网络。 第四代传感器网络，采用大量多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线 接入方式，与传感控制器连接形成无线传感器网络。 域覆盖 面覆盖 线覆盖 点覆盖 1 9 6 5 第一代1 9 8 0 第二代1 9 9 5 第三代2 0 0 5 第四代( 年) 1 2 研究的目的和意义 图1 1 传感器网络发展历程 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。主要 包括硬件设计平台嗍咖、器件能耗模型嘲嘲、节能技术嘲m 、资源定位嘲叫等等多方面的研 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 究。国际上从2 0 0 0 年开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，我国在无线传感器 网络方面的研究工作相对来说还是比较少，但是由于无线传感器网络是一门新兴技术，国 内外的水平差距并不是很大，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。时间同步是需要协同工作的传感器网络系 统的一个关键机制。传感器网络自身协议的运行及基于其上的应用，如：时间同步能够用 于形成分布式波束系统、构成t d m a 调度机制和多传感器节点的数据融合，在节点间实现 同步的基础上，用时间序列的目标位置检测可以估计目标的运行速度和方向，通过测量声 音的传播时间能够确定节点到声源的距离或者声源的位置。无线传感器网络中不同应用对 同步精度、同步保持时间的长短、同步区域的大小需求各不相同，如协同休眠等需要全网 时间同步精度一直保持毫秒级；而对于目标跟踪类应用只需要目标临近的局部节点保持微 秒级同步精度，同步持续时间与目标的驻留时间成正比。传感器网络的多样性导致了对时 间同步机制需求的多样性，不可能用一种时间同步机制满足所有的应用要求。 在传统网络中提出了多种网络时间同步机制，如网络时间协议n 0 1 ( n t p ：n e t w o r kt i m e p r o t o c 0 1 ) ，它被i n t e r n e t 用作网络时间同步协议，g p s 1 、无线测距等技术也用来提供 网络的全局时间同步。但深入的研究表明n 引，这些时间同步技术都不适用于无线传感器网 络中。n t p 协议是针对静态网络的，而传感器网络是一种动态网络；n t p 协议需要通过频 繁地交换消息来不断校准时钟频率偏差带来的误差，并通过复杂的修正算法消除时间同步 消息在传输和处理过程中的非确定性因素干扰，c p u 使用、信道监听和占用都不受能耗的 约束，而传感器网络中多数节点是无人值守的，仅携带少量有限的能量，属于低能耗的网 络；n t p 协议对于精度的要求不是很敏感，只需达到毫秒级即可，而传感器网络的有些应 用中要求时间同步的精度能达到微秒级，甚至纳秒级；n t p 协议需要基础设施的支持，而 传感器网络是无需基础设施支持的。虽然采用g p s 接收器进行时间同步是一种常用的同步 手段，而且g p s 系统能够以纳秒级精度与世界标准时间u t c 保持同步，但是g p s 对环境要 求苛刻，在有遮挡的情况下，如树林中、建筑物内不能正常工作，而且价格比较昂贵，功 耗较大，只可能为极少数节点配备g p s 接收机。这些节点为传感器网络提供基准时间，并 不适合在传感器网络的每一个节点上配备。由于无线传感器网络的特点，以及能量、价格 和体积等方面的约束存在，设计满足无线传感器网络时间同步精度的时间同步协议，并进 行仿真分析和验证，具有重要的理论研究意义和实践价值。 s g a n e r i w a l 在文献 1 2 中指出目前传感器网络的时间同步研究集中于三种不同的 同步模型： 第一种可能是最简单的模型，仅仅用来确定事件发生的正确的顺序，重点是维护两个 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 传感器节点感知事件之间的时间关联，而不是节点之间的事件同步。 第二种模型相对复杂，用来维持节点之间的相对时间。 第三种是最复杂的“a l w a y s o n ”模型，每个节点都维持一个时钟，整个网络内所有 节点都同步一个参考节点，目的是维护整个网络格局唯一的时间量程。 但传感器网络是应用相关的，对时间同步要求多种多样的，没有到处都适用的万能方 法，因此，应结合特定的应用领域研究时间同步机制。 1 3 论文的主要工作 第一章主要介绍本文时间同步研究的背景和意义； 第二章介绍了无线传感器网络的发展、关键技术和应用； 第三章着重介绍了现在应用较广泛的传统无线传感器网络时间同步的协议，并进行了 分析； 第四章在t p s n 的基础上结合r b s 广播机制提出了一种改进算法b - t p s n ，并进行了分 析： 第五章对b - t p s n 算法进行了仿真，并给出了分析结果； 第六章对本论文总结。 1 4 本章小结 本章介绍了本论文的研究背景，无线传感器网络中的时间同步技术在国内外的研究现 状，并简要介绍了几种常用的时间同步技术，分析了它们的优点与不足之处。给出了论文 主要研究的内容，并指出论文的意义所在。最后是论文内容的组织结构。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二二章无线传感器网络概述 第二章无线传感器网络概述 2 1 无线传感器网络节点 传感器节点般都有数据采集、数据处理、数据传输和电源系统这四个部分组成。如 图2 1 所示。 图2 1 无线传感器节点结构 数据采集部分包括各种传感器和模数转换器，传感器用于感知并获取需要的各种外界 信息，并通过模数转换将信息转换成处理器能处理的数字信号，被检测信号的形式决定了 所需要的传感器的类型。数据处理部分包括嵌入式处理器和存储器，主要用来协调传感器 节点各部分的协同工作，比如对传感器获得的信息进行处理，对电源工作模式的自动选择 等，一些复杂的应用可能还需要嵌入式数字信号处理( d s p ) 芯片的支持。通常选用的微 处理器如m o t o r o l a 的6 8 h c l 6 、a t m e l 公司的a t m e l g a l 2 8 l 和a r m 等。数据传输部分负责 与其它传感器节点或者数据中心通信。所使用芯片的特点是低功耗、距离短，比如c h i p c o n 公司的c c 2 5 0 0 等。电源部分为节点上各个部分提供正常工作所必要的能源，通常是采用 银锌纽扣电池或者碱性电池。 目前，已经产品化的传感器节点主要有c r o s s b o w 公司的m i c m i c 2 m i c a 2 d o t m i c a z 系列，市场占有率比较高，很多的研究都是基于这些平台的。以m i c 2 系列为例，m i c 2 属 于第三代微型无线传感器平台，采用a t m e l 公司的a t m e l g a l 2 8 l 处理芯片以及c h i p c o n 公 司的c c l 0 0 0 无线通信芯片，有8 6 8 9 1 6 1 t 肛t z 和4 3 3 3 1 5 m h z 通信频段。采用了t i n y o s 操作 系统，支持片上调试。节点上有光强、温度、压力、加速度等多种传感器，电源方面采用 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章无线传感器网络概述 了两节a a 碱性电池供电，工作时间可达1 年。 无线传感器网络节点需要操作系统和应用软件为传感器提供必要的软件支持。在嵌入 式操作系统中，t i n y o s 是无线传感器网络领域最常用的操作系统。t i n y o s 是由加州大学 伯克利分校开发的一个开源的嵌入式操作系统，它采用一组基于组件( c o m p o n e n t b a s e d ) 的架构方式，优点是在其上能够快速实现各种应用。t i n y o s 的程序采用的是模块化设计， 所以它的程序核心往往都很小，非常适合资源少的传感器节点处理芯片。t i n y o s 本身可以 提供一系列的组件，可以方便编制应用程序。 t i n y o s 的主要特点是： 1 t i n y o s 是一个开源的系统，方便研究学习和使用； 2 t i n y o s 是基于组件的架构，并且自身可以提供一系列的重要组件，方便用户编程； 3 t i n y o s 是基于时间驱动模式，采用时间触发方式唤醒节点工作； 4 t i n y o s 没有内核、虚拟内存管理和进程管理等复杂的模式，支持传感器网络的自 主配置。 在程序的编制方面，采用n e s c 语言，是基于能够体现t i n y o s 的结构化组件化概念和 执行模型而设计的。t i n y o s 中的各组件和库文件都是采用n e s c 语言编写的。在n e s c 语言 中，程序由组件构成，把这些组件装配在一起构成完整的程序。t i n y o s 有自己的查询处理 系统一t i n y d b ，它能够实现从无线传感器网络中的各传感器节点上提取感兴趣的数据信 息。t i n y d b 使用分布式查询语言( d i s t r i b u t e da q p ) ，提供了一个简单的类似s q l 的接 口，能够通过设置参数，对数据进行过滤和聚集。 2 2 无线传感器网络概念 通常人们认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，所以一般称作无 线传感器网络。传感器网络的基本要素传感器节点是由电源、感知部件、嵌入式处理器、 存储器、通信部件和软件部分构成。电源提供正常工作所需要的能源。感知部件感知、获 取外界信息，并将其转化成数字信号。处理部件协调节点各部分的工作，如对感知部件获 取的信息进行必要的处理、保存，控制感知部件和电源的工作模式等。通信部件负责与其 它传感器或者观察者的通信。软件则为传感器提供必要的支持，如嵌入式操作系统、嵌入 式数据库系统等。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线传感器网络概述 2 3 无线传感器网络结构 2 3 1 网络体系结构 大量微小的无线传感器节点被随机地播撒在特定的不易布设固定网络设施的探测区 域内。这些节点以自组织的方式动态地构建网络，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域 内任何时候和任何地点的特定信息，嵌入式系统对这些数据进行网内计算和一定规则的数 据融合，并通过随机自组织无线通信网络以多中继方式借助临时或长期无线链路将整个监 测区域内的数据发送到远程终端进行集中处理。w s n 网络一般包括：传感器节点，s i n k 节 点，互联网络和用户终端，如图2 2 所示。 一般来说，普通的传感器节点计算处理能力有限，发射功率较低，而s i n k 节点具有 较多能量，发射功率较大，计算处理能力也比普通节点强大，能把采集到的数据发送到远 程控制节点。 图2 2 典型的w s n 体系结构 常用的一些实体结构模型如图2 3 t , , j 所示，网络节点通过网关节点连接到i n t e r n e t 上， 管理者和数据处理机都通过i n t e r n e t 与无线传感器网络相连。 7 南京邮电 学顾i 研究生学位论女第= 章无线传感器嗣络概述 2 32 分层结构 图2 3w n s 网络应用图例 无线器传感网络一般布设在难以接近，不易构建固定网络基础设施和不易更换节点的 区域内，不同应用场合对硬件和协议的要求不同网络分层设计的主要考虑因素将是能耗的 降低、网络生存期的延长以及在不可靠的环境下网络稳定性的提高。在参考开放系统互联 ( o s i ：o p e n s y s t e mi n t e r n e tw o r k ) 七层分层模型和传输控f # , j 网际协议簇( t c p i p ： t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 的基础上，为无线传感器网络量身定 制了如图24 所示的分层结构，自底向上分为：物理层、数据链路层、网络层和高层的应 用。另外，为确保与其它外部网络的连接，还可在网络层之上设置传输层。这是一种功能 精简的、针对无线传感器网络特点的、具有信息融合功能的专用分层体系。该体系结构能 够感知并适应动卷的网络拓扑。 i i i 服* 石 i 。，。，。一 囝匪 莲图 圈倒 时络管q 接 圆圈区 图2 4w s n 分层结构 畦 趟 几斟 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线传感器网络概述 2 4 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有很多 关键技术有待发现和研究，以下介绍部分关键技术。 2 4 1 网络拓扑技术 对于自组织的无线传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控 制自动生成网络拓扑结构，能够提高路由协议和m a c 协议的效率，可为数据融合、时间同 步等奠定良好基础，有利于节省节点的能量、延长网络的生存期。网络拓扑控制目前主要 研究的问题就是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干节点选择，剔 除节点之间不必要的无线通信链路生成一个高效节能的数据转发网络拓扑n 引。 2 4 2 路由控制技术 在无线传感器网络中，网络运行的时候必须考虑到一些资源，比如能量、带宽、处理 功耗等，这些资源是动态变化的，因此系统必须能够根据实际情况对自身配置进行调整。 在无线a dh o c 网络中，网络连接不是设计好的，而是根据实际需要通过算法和软件实时 建立起来的。无线通信连接并不完全可靠，会对网络连接产生负面影响，在设计系统和软 件时要充分地考虑通信的可靠性。这就需要研究网络的大小、链接数目和节点数目等参数。 对于地面工作的网络，射频发送过程，随着传输距离的增加，信号的损耗会增大，因此对 于传输距离和信号能量的平衡问题要充分考虑。 传统因特网是通过i p ( 包括移动i p ) 实现的，而在无线传感器网络中，不需要使用 i p 。在无线传感器网络中，常常要用到成千上万的传感器节点，i p 中的路由一般是基于固 定地理位置信息的，而传感器网络中的路径建立方式是基于需求的，根据某项数据或者某 项任务来进行的，所以需要根据拓扑维持路由表的i p 对于无线传感器网络来说是不可行 的。而且对于不断变换拓扑结构的无线传感器网络来说，要维持路由表需要耗费大量的时 间和能源，因此无线传感器网络需要有一套全新的适合自己的控制和路由协议。 通过安置大量的传感器节点，提供足够多的路径( 算法总能找到合适路径) 来满足网 络生存和对环境的适应。系统还要考虑的一个很重要的问题就是一些重要的网络参数如何 设定的问题，如网络大小、节点密度，以及能耗、可靠性和反应时间的折中问题。 传统的距离向量和链路状态路由协议并不适用于无线传感器网络，理想的无线传感器 9 南京邮电大学硕：l 研究生学位论文第二章无线传感器网络概述 网络路由协议应该具有以下性能：分布式运行、无环路、按需运行、安全性、高效利用能 量、支持单向链路、维护多条路由。 2 4 3 数据融合技术 传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在各个传感 器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据融合，去除冗余信 息，达到节省能量的目的。针对易失效性，传感器节点需要数据融合技术对多份数据进行 综合，提高数据准确度n 3 1 。 数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要以牺牲其它方面的性能为代价。 首先是延迟的代价，在数据传送的过程中寻找易于进行数据融合的路由、进行数据融合操 作、为数据融合而等待其它数据到来，这三方面可能增加网络平均延迟。其次是鲁棒性的 代价，传感器网络相对于传统网络有更高的节点失效率以及数据丢失率，数据融合可以大 幅降低数据冗余度，但是丢失相同的数据量可能损失更多信息，因此相对而言也降低了网 络的鲁棒性。 2 4 4 时间同步技术 时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制，无线传感器网络的许多 应用和关键技术都离不开时间同步。例如，在多传感器数据融合技术中，网络中的节点必 须以一定的精度保持时间同步，否则无法实现数据融合。 j e r e m ye l s o n 和k a yr o m e r 在2 0 0 2 年8 月的h o r n e t s i 国际会议上首次提出并阐述 了无线传感器网络时间同步机制的研究课题，在无线传感器网络研究领域引起了关注。大 学和研究机构纷纷开始对这个领域进行了深入的研究，提出了多种时间同步机制，其中 r b s 、t i n y m i n i s y n c 和t p s n 被认识为三种基本的同步机制。本论文在第三章中将对它们 进行具体的介绍。 关于时间同步，可以分为以下两种模式： ( 1 ) 发送模式。例如传感器网络同步协议( t p s n ：t i m e s y n cp r o t o c o lf o rs e n s o r n e t w o r k ) ，它采用层次结构实现整个网络节点时间同步，所有节点按照层次结构进行逻辑 分级，通过基于发送者一接收者的节点对方式，每个节点能够与上一级节点进行同步，从 而实现所有节点与根节点时间同步。 ( 2 ) 接收模式。例如参照广播同步n 2 3 ( r b s ：r e f e r e n c eb r o a d c a s ts y n c h r o n i z a t i o n ) 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线传感器网络概述 协议。它的思想是：一个节点广播时钟参考组，广播域内的两个节点分别采用本地时钟参 考分组的到达时间，通过交换记录时间来实现它们之间的时间同步。 2 4 5 定位技术 位置信息是传感器节点采集数据不可缺少的部分，没有位置信息的监测数据是没有意 义的。无线传感器网络节点资源有限、随机部署、通信易受环境干扰、节点易失效，它要 求定位技术具有以下特点：自组织性、健壮性、高能效、分布计算等。 网络中未知自身位置的节点根据信标节点( 位置己知) 信息，按照某一定位规则确定 自身地理位置。按定位过程与实际测量距离或角度的关系，无线传感器网络定位可以分为 基于距离的定位与距离无关的定位。基于距离的定位机制就是通过测量相邻节点之间实际 距离或方位来确定未知节点的位置，通常采用测距、定位和修正等步骤实现。 由于要实际测量节点问的距离和角度，基于距离的定位机制通常定位精度较高，但对 节点硬件的要求也较高。距离无关的定位机制在无须实际测量节点之间距离或角度的情况 下就可以对未知节点进行定位，这种机制无须实际测量，对节点硬件的要求就降低了，更 加适合于大规模的网络应用。距离无关的定位机制易受到环境的影响而降低定位的精度， 误差会有所增加，但是足以满足无线传感器网络节点的定位要求。 2 4 6 网络安全技术 无线传感器网络作为任务型网络，要进行数据采集、传输和融合，以及任务的协同控 制等。如何保证任务执行的机密、数据产生的可靠性、数据融合的高效性以及数据传输的 安全性，就成为无线传感器网络安全问题需要全面考虑的内容。 为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感器网络需要实 现一些基本安全机制：机密性、点到点消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播和安全 管理。除此之外，为了确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网 络安全的研究内容。无线传感器网络受到的安全威胁和移动a dh o c 网络所受到的安全威 胁不同，所以现有的网络安全机制不适合此领域，需要开发针对无线传感器网络的专门协 议。 典型的安全问题可以总结为： ( 1 ) 信息被非法利用和截获； ( 2 ) 一个节点遭破坏； 1 l 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章无线传感器网络概述 ( 3 ) 识别伪节点； ( 4 ) 如何向已有传感器网络添加合法节点。 2 5 无线传感器网络的应用 无线传感器网络最早来源于军事应用，随着相关技术的飞速发展以及研究的深入，该 类网络已越来越多地面向军事应用之外的其他民用领域，从传统的监控、环境、应急应用 等到新兴的家用、保健、交通及企业管理等等。 2 5 1 军事领域 无线传感器网络自身存在的特点，例如可快速部署、可自组织、隐蔽性高和高容错性， 使其成为军事监控、战场实时监视、目标定位、战场评估等等的首选网络模式。通过飞机 和炮弹直接将传感节点播撒到敌方区域或者公共隔离带形成无线传感器网络，就可以在非 常隐蔽的情况下近距离准确收集敌方信息，获取有效的作战信息以便作出最佳的战略部 署。 无线传感器网络已经成为美国海军2 1 世纪指挥控制通信计算机情报监视侦察目标捕 获综合功能系统( c 4 i s r t ：c o m m a n d ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ， s u r v e i l l a n c e ，r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) 不可或缺的一部分，且受到军事发达国 家的普遍重视，各国均投入大量的人力和财力进行研究。 2 5 2 民用领域 ( 1 ) 环境观测和预报系统 无线传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和 家禽环境状况和大面积地表检测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水检测等。 a l e r t n 7 1 系统中就有数种传感器来检测降雨量、河水水位和土壤成分，并以此来预测山洪 的可能性n 引。还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究。 无线传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息地生态 检测。美国加州大学伯克利分校i n t e l 实验室和大西洋学院联合在大鸭岛( g r e a td u c k i s l a n d ) 上部署了一个多层次的传感器网络系统，用来监测岛上海燕的生活习性。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线传感器网络概述 ( 2 ) 建筑物状态监控 由于建筑物年长日久，不断的修修补补，有可能中间会存在些安全上的隐患和问题， 比如说某一次小的地震就有可能会带来损害，但是损害有可能是看不见的，也许会在某一 个承重墙承重柱上产生潜在的裂缝，再也不能承受下次的地震。如果每次大楼监测都使用 人工方法检查，不仅程序复杂，而且会对楼里的用户带来很大的损失。如果采用传感器网 络，让大楼、桥梁等建筑能够自身检查自身的状况，使得管理部门能及时的了解建筑的状 态信息，这样就能减少很多危害的发生。 ( 3 ) 医疗护理 无线传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体各种生理数据，跟踪 和监控院内医生和患者的行动，医院的药物管理等等。如果在住院病人身上安装特殊用途 的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解监护病人的 病情，发现异常以便及时抢救。 人工视网膜是无线传感器网络在医疗护理方面的典型应用。在小型传感器和微集成系 统( s s i m ：s m a r ts 乞n s o r sa n di n t e g r a t e dm i c r o s y s t e m s ) 计划中，替代视网膜的芯片 由1 0 0 个微型的传感器节点组成，并植入人眼，目的是使得失明者或者视力极差者能够恢 复到一个可以接收的视力水平。传感器的无线通信满足反馈控制的需要，有利于图像的识 别和确认。 ( 4 ) 智能家居 智能家居系统的设计目标是将住宅各种家居设备联系起来，使得它们能够自动运行， 相互协作，为居住者提供尽可能多的便利和舒适。在家电和家具中嵌入传感器节点，通过 无线网络和i n t e r n e t 连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能 家居环境。利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控，利用它可以在回家半小时前打 开空调，这样无论在炎热夏天还是寒冷冬天，都能在回家的时候直接享受合适的室温，也 可以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、电话机和电视机等家电，按照自己的意愿完成相应的 煮饭、烧菜、电话留言等工作，达到随时随地与家庭内部建立联系的目的。 ( 5 ) 其他应用 除了上述的几大应用之外，无线传感器网络在以下的领域内也大放异彩： a 、工业自动化控制生产线上的品管控制，利用传感器去监测不良产品。 b 、传统办公室的空调中央控制，各地冷热不均，使用无线传感器网络，各角落的传感器 可以知道当时当地的环境状况，进而要求控制气温或空气的流动。 随着技术的进一步发展，无线传感器网络的应用范围将越来越广，无线传感器网络对 1 3 南京邮电大学硕i t 研究生学位论文 第二章无线传感器网络概述 我们社会生活的介入也将越来越深。 2 6 无线传感器网络的能源策略问题 无线传感器网络是由无数微小的传感器节点随机布设在特定探测区域内构成的自组 织网络。这些微小的传感器节点由电池供电，且处于难以接近的区域不易更换电池，为尽 量延长无线传感器网络的生存周期，一切能源利用低效的现象必须消除。因此，设计有效 的策略以延长网络寿命成为无线传感器网络设计的核心问题，这种有效策略必须体现在网 络设计的每一个层次。 2 6 1 能量消耗 无线传感器网络的能源消耗主要分布在通信和计算两个方面。通信耗能相关部分包括 发送器、转发器和接收器。发送器主要用来发送控制信号、路由请求和响应以及由节点产 生和中转的数据包，接收器用来接收数据和控制包，这些控制包可能把该节点作为终点也 可能经由该节点转发到其他节点。清楚了解这些无线移动设备的能量特性对于设计有效的 无线通信协议有着十分重要的意义。 一个典型的移动无线通信设备可能处于以下三种模式：发送模式、接收模式和监听模 式。节点处于发送模式的时候耗能最多，而监听模式下耗能最少。计算耗能主要涉及协议 的处理。它主要包括对c p u 、主要存储器、一个很小的外设、磁盘和其他一些组成部分的 使用。同时，数据压缩技术在减少数据包长度的同时也由于计算量增加在另一方面增加了 能耗。 在计算相关能耗和通信相关能耗之间进行一个平衡使系统处于最佳能耗状态是无线 传感器网络能耗策略设计的宗旨。 2 6 2 几种主要的节能策略 传感器节点由处理模块、通信模块、传感器模块和能量供应模块组成，其中前三个模 块是主要的能量消耗模块。下面依模块介绍几种主要的节能策略。由于传感器模块的能耗 很低，因此在此不作讨论。处理模块包括微处理器和存储器，可以通过动态能量管理和动 态电压调节两种策略降低空闲状况下的处理模块的能耗，节约能量。通信模块主要指无线 收发器，通信模块的操作和网络协议的设计密不可分，在介绍通信模块的节能时，还要从 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线传感器网络概述 能量管理角度分析传感器网络的网络协议。 ( 1 ) 处理模块节能策略。 低能耗电路和系统设计的改进导致一些超低能耗微处理器和微控制器的开发。在应用 低能耗组件的同时，在操作系统中使用能量感知方式管理系统资源，进步减少能耗，增 加电池寿命。这里介绍两种节能策略，分别是动态能量管理( d p m ：d y n a m i cp o w e r m a n a g e m e n t ) n 9 1 和动态电压调节( d v s ：d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ) 。 d p i v l 的工作原理是，当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态， 把这些组件关掉或者调到能耗更低的状态下( 如休眠状态) ，这种事件驱动能量管理对于 提高传感器节点的生存周期非常重要。状态转换需要一定的能量，且带有时延，因此转换 策略对于d p m 非常重要。如状态转换策略采用不当，不仅无法达到节能的效果，反而进一 步增加能量消耗。 d v s 的工作原理是，当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率从而降 低处理能力，可以节约微处理器的能耗。传感器节点大部分时间计算负载较低，在低负载 时调低微处理器的电压频率可有效节约能量。很多处理器都支持电压频率的调节。 在操作系统中使用上面的节能策略，可有效节约能量，如果同时使用d p m 和d v s ，比 如在计算负载下降时使用d v s 降低微处理器处理能力，在节点长时间处于空闲状态时，使 用d p m 将微处理器调到休眠状态，将会大大降低微处理器的能耗，延长节点的生存周期。 ( 2 ) 通信模块的节能策略 对于传感器节点，传输数据比执行计算时更加耗能，传输1 比特信息1 0 0 m 距离需要 的能量大约相当于执行3 0 0 0 条指令消耗的总能量，因此，通信模块的节能策略研究是重 中之重。通信模块的节能策略包括减少通信量，增加休眠时间，使用多跳短距离无线通信 方式和选择最佳的调制机制等方面。 减少通信量直接减少了通信模块发送和接收的比特数，降低了通信模块的能耗。数据 融合，通过本地的计算对大量的原始数据进行汇集和压缩，取出了大量的冗余信息，有效 减少了通信量。另外，减少冲突、增加错误检测和校正机制、减少控制包的开销和包头长 度等也是减少通信数据量的措施。 无线收发器有四种操作模式，分别是发送、接收、空闲和休眠。图2 5 所示是d e b o r a h e s t i n 在m o b i c o n 2 0 0 2 会议上的特邀报告( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，p a r ti v ：s e n s o r n e t w o r kp r o t o c o l s ) 中所述传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知，除了休眠 之外，其他三种状态的耗能很大，空闲状态的耗能接近于接收状态。为