（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络能量高效路由协议研究.pdf

l 、l ， 产 ， i 一 l ， i 。 ， 秽 r e s e a r c ho ne n e r g y - e f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o l si nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fe n g i n e e r i n g b y s u nz h o n g g a o ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h e n gz i w e i a p r i l 2 0 1 1 p p v z ，t k 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士学位论文：玉绫佳壁墨圆络篚量直兹堕由迹这硒究= = 。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保萄( 请在以上方框内打“ ) 论文储签豳、博 导师签名酱卷儆 导师签名对蕊稽复 日期：沙“年_ 7 月f 日 一 - r 0 _ _ _ _ _ - _ _ 一 ? 3 创新点摘要 创新点摘要 1 针对经典的分簇路由协议l e a c h 簇头选举随机性造成簇头数目分布不稳 定的缺点，提出了一种分布式的两步簇头选举方法。第一步基于l e a c h 协议选举 出足够数量的临时簇头，第二步依据节点的剩余能量和距基站的距离在临时簇头 中选举出最优数目的簇头，使网络运行在最优分簇数目下，提高了网络性能。 2 提出了一种基于多属性投票的簇头选举策略，节点所投票数为其邻居节点 的多属性综合评价值，采用信息熵方法自适应确定属性权重系数。另外，为了减 少消息开销，采用定时驱动机制竞选簇头，为此，设计了一个转换函数用于将节 点所得票数转换为参与簇头竞争的定时长度。算法综合考虑节点及其邻居节点的 多属性信息来选举簇头，有效延长了网络的生命周期。 3 提出了一种基于模糊多准则决策的分簇路由算法，将簇头的选取抽象为多 准则决策过程。针对决策过程中存在模糊性的问题，将模糊集理论引入簇头选举 算法，建立了模糊多准则决策簇头选取模型。该模型考虑了簇头选举的多个准则， 采用s - o w a 模糊算子将多准则评价进行集结得到综合评价隶属度值。算法避免了 投票选举算法中节点相互投票带来的消息开销，具有很好的节能特性和能量均衡 特性。 4 针对多级能量异构型无线传感器网络的特点，提出了一种模糊低能量节点 保护的分簇路由算法。根据网络中节点能量的分布情况，优先选取低能量区域内 的高能量节点成为簇头节点，使低能量节点得到保护，有效延长了网络的生命周 期。 ，mv 竹 ： j 中文摘要 摘要 无线传感器网络是由大量具有感知、计算和无线通信能力的微型传感器节点组成的 智能网络，可以实现对各种环境或监测对象的信息采集并进行远程传输。作为一种新型 的信息采集和处理手段，无线传感器网络在国防军事、环境监测、医疗卫生等领域具有 广阔的应用前景，已经成为信息科学技术研究中的一个热点领域。 由于传感器节点能量受限的特点，必须设计能量高效的路由协议以最大限度地延长 网络的生命周期。基于分簇技术的层次路由协议在网络扩展性、高效节能等方面具有明 显的优势，成为路由协议的一个重要分支。相对于平面路由协议，分簇路由协议更符合 无线传感器网络基于数据的路由需求，也更适用于大规模网络。 在系统分析和研究当前无线传感器网络路由协议的基础上，论文主要研究了分簇路 由协议中的簇头选举机制和低能耗数据传输技术。具体研究工作包括以下四个方面： 1 针对经典的分簇路由协议l e a c h 簇头数目分布不合理的问题，提出了一种基于 最优分簇数目的改进算法( c o n c h ) 。c o n c h 算法保证了网络的分簇数目为最优值且 簇头节点在网络中分布相对均匀，降低了网络能耗，提高了网络性能。 2 针对基于投票选举机制的分簇算法v c a 存在的问题，提出了一种基于双重选举 机制的簇头选举算法( t s m c ) ，t s m c 算法有效结合了投票选举机制和定时驱动机制 的优点。首先，建立了多属性投票模型，其中属性权重系数采用信息熵方法自适应确定； 然后，设计了一个转换函数将节点所得票数转换为参与簇头竞争的定时长度。t s m c 算 法均衡了节点的能量和能耗因素，减少了消息开销，有效延长了网络的生命周期。 3 将模糊集理论引入到簇头选举算法中，提出了一种基于模糊多准则决策的分簇路 由算法( f m c d m ) 。f m c d m 算法把簇头的选取抽象为多准则决策过程，利用模糊集 解决多准则决策问题的有效性，建立了模糊多准则决策簇头选取模型。f m c d m 算法考 虑了簇头选举的多个准则，且避免了投票机制中的消息开销，具有很好的节能特性和能 量均衡特性。 4 针对多级能量异构网络中节点初始能量在一定范围内随机分布的特点，提出了一 种模糊低能量节点保护的分簇算法( f l e n p ) 。f l e n p 算法根据网络中节点能量的分 中文摘要 能量的节点拥有更多的机会成为簇头节点，从而使 生命周期。 协议；分簇技术；能量高效；网络生命周期；多属 能量异构 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 sc o n s i s to fl a r g ea m o u n t so ft i n ys e n s o rn o d e s ，w h i c ha r c e q u i p p e dw i t hc o m p o n e n t sf o rs e n s i n g , d a t ap r o c e s s i n g , a n dc o m m u n i c a t i n g a san e w m e t h o do fi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc a l lb ea p p l i e dt o m a n yf i e l d ss u c ha sm i l i t a r ys u r v e i l l a n c e ，e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g , m e d i c a lt r e a t m e n t ，e t c ， a n dt h e r e b yh a v eb e e np o p u l a ri ni n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yr e s e a r c h s i n c et h es e n s o rn o d e sa r ep o w e r - c o n s t r a i n e d ，e n e r g ye f f i c i e n tp r o t o c o l sn e e dt ob e d e s i g n e dt op r o l o n gt h el i f e t i m eo fn e t w o r k s c l u s t e r - b a s e dr o u t i n gp r o t o c o l sm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fd a t a - b a s e dr o u t i n g , e s p e c i a l l yf o rl a r g es c a l es e n s o rn e t w o r k sw i t l lb e t t e r p e r f o r m a n c ei ns c a l a b i l i t ya n de n e r g ye f f i c i e n c yt h a nf l a tr o u t i n gp r o t o c o l s ，w h i c hm a k e s t h e mt h em a j o r r o u t i n gp r o t o c o l sf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s b a s e do ns y s t e m a t i ca n a l y s i so fr e l a t i v ew o r k so nc l u s t e r - b a s e dm u t i n gp r o t o c o l s ，t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nc l u s t e rh e a ds e l e c t i o nm e c h a n i s ma n dl o we n e r g yd a t at r a n s m i s s i o ni n c l u s t e r - b a s e dr o u t i n gp r o t o c o l s t h em a j o rw o r kc a nb ed i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gf o u r c h a p t e r s ： 1 i nv i e wo ft h ep r o b l e mt h a tt h en u m b e ro fc l u s t e rh e a d sp r o d u c e db yt h ec l a s s i c a l p r o t o c o ll e a c h i ne a c hr o u n dd o e s n td i s t r i b u t ei nar e a s o n a b l er a n g ea r o u n dt h eo p t i m a l v a l u e ，a ni m p r o v e dc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ( c o n c h ) b a s e do no p t i m a ln u m b e ro fc l u s t e rh e a d s i sp r o p o s e d t h en u m b e ro fc l u s t e rh e a d sg e n e r a t e db yc o n c hi ne a c hr o u n di se x a c t l yt h e o p t i m a lv a l u ea n dt h ec l u s t e rh e a d sd i s t r i b u t en e a ru n i f o r m l yi nt h en e t w o r k t h e r e f o r e ， c o n c hc a nd e c r e a s et h ee n e r g yd e p l e t i o no ft h ew h o l en e t w o r ka n dp e r f o r mw e l lo ne n e r g y b a l a l i c e 2 t oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n go ft h ev o t i n g b a s e dc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ( y e a ) ，at w o s e l e c t i o nm e c h a n i s mb a s e dc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ( t s m c ) i sp r o p o s e d t s m cc o m b i n e st h e v o t i n gw i t ht h et i m e d r i v e nc l u s t e r i n gm e c h a n i s mi nc l u s t e rh e a ds e l e c t i o n f i r s t ，t h em o d e lo f m u l t i p l ea t t r i b u t e sv o t i n gi sp r e s e n t e d ，a n dt h ew e i g h to ft h em u l t i p l ea t t r i b u t e si sc a l c u l a t e d b yu s i n ge n t r o p yw e i g h t i n gm e t h o d t h e n ，ac o n v e r t i n gf u n c t i o ni sd e s i g n e dt om a pt h ev o t e i n t oac e r t a i nl e n g t ho fw a i t i n gt i m ef o rc l u s t e rh e a dc o m p e t i t i o n t s m cc a nb a l a n c et h e 英文摘要 e n e r g yl o a do fs e n s o rn o d e sa sw e l la sr e ( 1 u c ei n f o r m a t i o no v e r h e a d ，a n dt h u sp r o l o n g st h e n e t w o r kl i f e t i m e 3 af u z z ym u l t i p l ec r i t e r i ad e c i s i o nm a k i n gb a s e dc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ( f m c d m ) i s p r o p o s e d ，i nw h i c ht h ed u s t e rh e a d ss e l e c t i o ni sb a s e do nf u z z ys e t st h e o r y i nf m c d m m u l t i p l ea t t r i b u t e so fan o d ea rec o n s i d e r e df o rc l u s t e rh e a d ss e l e c t i o na n dt h ei n f o r m a t i o n o v e r h e a di na l g o r i t h m sb a s e do nv o t i n gi sa v o i d e d t h ef m c d ma l g o r i t h mh a sg o o d p e r f o r m a n c eo ne n e r g ye f f i c i e n c ya n de n e r g yb a l a n c ef o rt h en e t w o r k 4 i nv i e wo ft h ef a c tt h a tt h ei n i t i a le n e r g yo fs e n s o rn o d e sv a r i e sr a n d o mi nac e r t a i n r a n g ei nm u l t i l e v e le n e r g yh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，af u z z yl o w e n e r g yn o d e p r o t e e t i o nc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ( f l e n p ) i sp r o p o s e d i nf l e n p ，s e n s o r n o d e ss i t u a t i n ga tt h e a r e aw i t hl o w e re n e r g yh a v em o r ec h a n c e st oa c ta sc l u s t e rh e a dn o d e s l o w - e n e r g yn o d e sa r e p r o t e c t e dt ob a l a n c et h ee n e r g yl o a di nt h en e t w o r k , a n dh e n c et h el i f e t i m eo f n e t w o r ki s p r o l o n g e d 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 ；h i e r a r c h yr o u t i n gp r o t o c o l ；c l u s t e r i n g ；e n e r g y p e f f i c i e n c y ；n e t w o r kl i f e t i m e ；m u l t i p l ea t t r i b u t ed e c i s i o nm a k i n g ；f u z z ys e t s ；f u z z y m u l t i p l ec r i t e r i ad e c i s i o nm a k i n g ；e n e r g yh e t e r o g e n e o u s 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 无线传感器网络概述2 1 2 1 无线传感器网络的体系结构2 1 2 2 无线传感器网络的特点4 1 2 3 无线传感器网络的应用6 1 2 4 无线传感器网络的关键技术。7 1 3 无线传感器网络路由协议及算法概述9 1 3 1 无线传感器网络路由协议设计要求9 1 3 2 无线传感器网络路由协议分类一1 1 1 3 3 平面型路由协议1 2 1 3 4 层次型路由协议1 6 1 4 基于分簇技术的层次型路由协议概述1 7 电 1 4 1 基于分簇技术的层次路由协议研究现状1 7 1 4 2 基于分簇技术的典型层次路由协议分析2 0 ， 1 5 问题的提出2 5 1 6 论文结构与研究内容2 6 第2 章基于最优分簇数目的分层路由协议2 7 2 1 相关工作2 7 2 2 基础描述2 9 2 2 1 节点能耗模型2 9 2 2 2 网络模型3 0 2 2 3 网络生命周期3 0 2 3 基于最优分簇数的路由算法3 0 2 3 1 算法的基本思想3 0 2 3 2 簇建立阶段31 ， 2 3 3 稳定运行阶段3 3 2 4 算法参数分析3 3 2 4 1 最优分簇数分析3 3 2 4 2 临时簇头数目标值分析3 5 目录 2 5 仿真与性能评估3 6 2 5 1 最优分簇数参数验证3 6 2 5 2 最优临时簇头目标值参数验证3 7 2 5 3 算法仿真结果与分析3 9 2 6 本章小结4 3 第3 章基于双重选举机制的分簇路由算法4 5 3 1 相关工作4 5 3 2 基础描述4 7 3 2 1 网络模型4 7 3 2 2v c a 算法4 7 3 3t s m c 算法投票机制。4 8 3 3 1t s m c 算法多属性投票模型。4 8 3 3 2 属性规范化4 9 3 3 3 属性权重5 0 3 4t s m c 定时驱动机制5 1 3 5t s m c 算法描述5 2 3 5 1 网络初始化5 2 3 5 2 簇头选举5 2 3 5 3 簇形成5 3 3 5 4 数据传输5 3 3 5 5 属性更新5 3 3 6 算法特性分析5 4 3 7 仿真与结果分析5 4 3 8 本章小结5 8 第4 章基于模糊多准则决策的分簇路由算法5 9 4 1 相关工作5 9 4 2 网络模型6 0 4 3 模糊集与模糊逻辑概述6 0 4 3 1 模糊集与隶属函数6 0 4 3 2 模糊集运算法则6 1 4 3 3 语言变量与模糊逻辑6 2 4 3 4 模糊推理6 3 5 2 基础描述8 0 5 3 节点生命模糊集_ 8 0 5 3 1 节点生命隶属函数8 1 5 3 2 模糊增强函数8 2 5 4 算法描述8 2 5 4 1 簇头选举。8 3 5 4 2 网络平均能量估计8 4 5 5 仿真与结果分析8 6 5 6 本章小结9 1 第6 章总结与展望9 3 6 1 总结9 3 6 2 展望9 4 参考文献9 5 附录缩略语索引。：。1 0 3 攻读学位期间公开发表论文。1 0 5 1 改谢1 0 7 无线传感器网络能量高效的路由协议研究 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 无线传感器网络( w s n ) 【1 捌是一种新兴的跨学科技术，它涉及传感器、微电子、嵌入 式计算、通信和信号处理等诸多技术，因其广阔的发展前景和巨大的潜在应用价值，成 为当今世界备受关注的研究领域【1 。9 1 。无线传感器网络无需固定的基础设施支持和人工 干预，能够以自组织的方式部署网络，尤其适用于无人看管的应用场合，因而在工业监 控、国防军事、农业及生物环境保护、目标跟踪及物流管理、医疗健康等众多领域得到 广泛应用【4 1 。随着无线传感器网络的微型化、智能化发展，已成为人类获取信息的基本 技术之一，将会给人类的日常生活带来显著而深远的影响。 近年来随着传感器节点的集成化和微型化，节点的电源大多采用能量受限的电池， 由于节点通常位于特殊环境无人照看，难以进行能源补给，而可再生能源技术目前尚不 成熟，因此通过优化系统能耗，最大限度地延长网络寿命成为无线传感器网络路由协议 设计的关键技术目标【5 1 。由于无线传感器网络节点资源的局限，传统的无线局域网络和 移动a dh o c 网络等路由协议对它并不适用。鉴于无线传感器网络应用环境相差很大， 为达到降低网络开销、提高资源利用效率的目的，路由协议的设计应联系实际应用背景 来进行，针对特定的应用背景采用合适的处理方法。 随着国内外的深入研究，人们提出了很多用于无线传感器网络的路由协谢1 0 】。这些 协议按网络拓扑结构可以分为平面路由协议和层次路由协议两个类型。其中，层次路由 协议的管理可伸缩、网络规模可扩展，在通信效率、能量利用效率等方面均比前者具有 明显优势，成为无线传感器网络路由协议的一个重要分支。无线传感器网络路由协议的 设计要综合考虑很多因素，不仅要考虑单个传感器节点的能量消耗，更要从体系结构的 层面系统性地考虑整个网络的能量消耗，其根本目标是建立一个符合应用需求并且生命 周期足够长的网络系统。 综上所述，设计高能效、能量负载均衡的路由协议具有极为重要的理论和应用价值。 本文主要从能耗均衡的角度出发，在总结分析现有无线传感器路由协议的基础上，对基 于分层结构的无线传感器网络路由技术进行了研究，提出了能量高效的路由协议。 第1 章绪论 1 2 无线传感器网络概述 无线传感器网络由大量密集分布的传感器节点组成，传感器节点被撤布于监测区 域，无需固定的基础设施支持和人员管理，通过自组织的方式部署网络，借助节点内置 的具有特定功能的传感器测量用户感兴趣的信息，节点间采用无线通信方式构成一个多 跳网络系统，协同完成信息感知及处理后传送至用户终端。一个无线传感器网络由传感 器节点、基站或中心节点和感知对象三个要素构成【5 】这三要素通过无线网络联系起来， 完成信息的采集、处理和传递功能，传感器节点共同协作完成感知任务是无线传感器网 络的独特特点。 1 2 1 无线传感器网络的体系结构 无线传感器的体系结构包括传感器节点、网络协议体系以及系统等的结构【1 , 4 , 1 1 1 。 ( 1 ) 传感器节点的结构 无线传感器网络常常被作为一个微型嵌入式系统，其传感器节点具有信息的感知、 计算处理、存储和无线通信能力，通常靠电池供电。面向不同的应用场合，传感器节点 的功能各异，但它们的硬件物理结构大致相似，通常由感知模块、数据处理模块、通信 模块以及电源模块组成，某些功能更完善的网络可能还含有定位系统、移动部件和能源 补给装置 5 8 】，如图1 1 所示。 图1 1 无线传感器网络节点的构成 f i g 1 1s t r u c t u r eo f aw s ns e n s o rn o d e i 能源补： 给装置： 无线传感器网络能量高效的路由协议研究 其中，感知模块由传感器和模数转换器组成，传感器感知、获取事件信息，并通过 模数转换器将采集到的信息转换成数字信号；数据处理模块主要包括处理器和存储器， 协调传感器节点之间的工作，处理和保存传感器节点感知的原始数据及传送数据，控制 感知模块和电源的工作模式等；通信模块主要由无线通信收发芯片构成，负责与外界的 无线通信，完成控制消息的交换和采集数据的收发；电源模块主要为节点正常工作提供 能量，一般采用微型电池。 ( 2 ) 无线传感器网络系统结构 无线传感器网络系统的一般结构【l ，5 】如图1 2 所示。具有射频功能的传感器节点部署 于监测区域内，负责对数据进行感知和获取，并通过无线传感器网络通信技术将数据传 送给基站( b s ) 。基站与控制和数据中心通过公共网络( 如i n t e m e t 网卫星网络等) 进 行通信，将采集到的数据传送给用户进行处理和分析。 图1 2 典型无线传感器网络系统结构 f i g 1 2a r c h i t e c t u r eo f t y p i c a lw s n s ( 3 ) 无线传感器网络协议体系结构 与其它网络相同，无线传感器网络的分层网络通信协议包括物理层、数据链路层、 网络层、传输层和应用层【1 4 ，2 1 ，其协议体系结构如图1 3 所示。 第1 章绪论 应用支持技术 图1 3 无线传感器网络协议体系结构 f i g 1 3s t r u c t u r eo fw s np r o t o c o l s 物理层：主要负责所采集数据的抽样量化，以及数据的调制、发送与接收，也 就是执行比特流传输。 数据链路层：主要功能是数据成帧、帧检测、介质接入控制和差错控制，以减 少节点间的传输冲突。 网络层：主要负责传输层所提供数据的路由传输，完成传感器之间、传感器与 信息中心之间的通信。 传输层：如果信息仅仅是在传感器网络内部传送，传输层不是必要的，但实际 应用中，传感器网络需要和外部的网络传递数据，这时传输层可以将传感器网络内部基 于数据的寻址方式转换为外部网络的寻址方式，完成数据格式的转换。 应用层：根据用户需求采用不同应用软件，就能实现无线传感器网络的专门应 用。 1 2 2 无线传感器网络的特点 与传统的无线a dh o e 网和8 0 2 1 1 无线局域网等传统网络相比，无线传感器网络有 很多独特的特点1 - 7 , 1 3 - 1 5 】： ( 1 ) 传感器节点数量多、密度高 无线传感器网络能量高效的路由协议研究 为了保证采集数据的精度，无线传感器网络中节点分布很密集，节点数目非常庞大， 这种情况下给每个节点分配一个全局识别码( i d ) 是不可行的，故i n t e r a c t 网络基于m 地址的路由协议不适用。另一方面，无线传感器网络大多数应用场景是由多个源节点采 集数据，然后把数据传送给一个指定的中心节点，也就是说各节点主要与中心节点进行 通信，通常不采用点对点通信，因此不需要建立任意两个节点之间的路由，这为设计高 效的路由算法提供了可能性。 ( 2 ) 传感器节点的能量资源、计算和存储能力非常有限 由于传感器节点的集成化和微型化，在设计中节点能量大多靠电池提供，其能量有 限，并且由于条件限制通常不能更换，因此传感器节点的能量受限直接决定了网络的生 命周期，成为传感器网络体系结构设计的瓶颈；另一方面，传感器节点的计算能力和存 储资源有限，不适合进行复杂的数据运算和大量数据的缓存。因此设计简单有效的路由 协议，成为无线传感器网络的一个关键技术挑战。 ( 3 ) 无线传感器网络具备自组织能力 多种原因都可能导致无线传感器网络的拓扑结构发生改变：为了节能，无线传感器 节点从工作状态切换到休眠状态；传感器节点由于分布于比较恶劣的作业环境，随时可 能发生故障而损坏；向网络补充节点会导致有新的节点添加到网络中，等等。此外，如 果节点可以移动，也必然会使网络的拓扑结构发生变化。基于网络拓扑结构容易变化这 。 一特点，无线传感器网络协议必须具备自组织和自配置能力。 ( 4 ) 具备数据融合能力 由于无线传感器节点分布非常密集，相邻节点很可能监测到类似事件甚至同一事件 的发生，从而产生高冗余度的数据。对这些冗余信息进行识别和处理能够节省能源、提 高带宽利用率，因此无线传感器网络需要具备数据融合能力。传感器节点安装有内置处 理器，能对原始感知数据进行处理计算，或对来自多个传感器节点的数据进行融合、过 滤或压缩，之后再发送给中心节点，这样做可以有效降低数据冗余度，从而节省数据传 输过程中的能量开销，延长网络寿命。 ( 5 ) 以数据为中心 第1 章绪论 在传感器网络中，用户关注的是节点感知到的数据而不是节点本身，在使用网络时， 用户直接将感兴趣的信息( i n t e r e s t ) 作为查询请求条件提交给网络，无需访问某个具有 特定地址标识的节点。也就是说，传感器网络中查询、感知及传输等各种操作都是围绕 数据展开的，所以说传感器网络是一种以数据为中心的网络。 ( 6 ) 与应用密切相关 无线传感器网络应用领域非常广阔，应用背景和性能要求也各不相同。传感器节点 物理资源有限，标准的或通用的路由协议过于复杂，不符合降低能量消耗和处理复杂度 的要求，这就要求传感器网络的研究与开发要面向实际应用背景，针对具体的性能要求 采用不同的处理方法，才能设计出高效的应用系统。 1 2 3 无线传感器网络的应用 无线传感器网络凭借其获取信息的实时性、准确性以及全面性等独特优势，具有极 为广泛的应用前景。美国等发达国家非常重视无线传感器网络的研究，i e e e 协会正在 致力于推进无线传感器网络的开发和应用，波士顿大学创立了传感器网络协会，以期促 进传感器联网技术研究。以下列举出无线传感器网络在一些领域获得成功应用的范例 u 6 1 ，从这些例子我们可以看到无线传感器网络巨大的应用潜能，以及未来良好的商业应 用前景。 ( 1 ) 目标跟踪及物流管理【4 ，1 7 1 8 】 随着电子商务和经济发展，物流业得以迅速发展，传统的技术手段已难以满足其应 用要求。无线传感器网络与无线射频识别( i 讧i d ) 、电子标签等技术配合构建的实时跟 踪监控系统，被广泛应用于物流业目标跟踪、车辆及供应链监控等方面，极大地推动和 促进了现代物流业的发展。在军事领域，无线传感器网络也被尝试应用于战场目标跟踪， 协助进行战场态势探测感知，使“超视距 战场监测成为可能。 ( 2 ) 生态环境监测保护【1 9 - 2 4 无线传感器网络为科学研究提供了现代化的技术方法和手段，已经有不少成功的项 目案例。一个典型的案例就是生物学家将其用于对美国缅因州大鸭岛上海燕的生活习性 进行观测【1 9 1 。由于人类的存在会惊扰这些生物，无线传感器网络便有了用武之地。该项 目中，带有摄像头的传感器被安装在海燕巢内，周期性采集温度、湿度等有用数据，并 无线传感器网络能量高效的路由协议研究 通过分层网络将数据汇聚到数据处理中心。借助无线传感器网络进行生态观测研究的案 例还有很多，如红杉树观测【2 0 】，挪威冰河监测2 1 1 等，它们都在相关研究领域引起了很大 的反响。 ( 3 ) 医疗及护理【2 5 之7 】 无线传感器网络被成功地应用于构建智能医疗房间和家庭护理技术，使用智能传感 器节点测量病人的血压、心率、呼吸等重要征兆。哈佛大学一个研究小组利用无线传感 器网络构建了一个新型的医疗监测平台，并将其应用到医院进行了测试【2 5 1 。在这种模式 下，病人摆脱了传统监测平台若干传感器线缆的束缚，可以自由活动，医生可以随时掌 握患者状况或接收报警消息。无线传感器网络还被成功地应用于构建智能医疗房间和家 庭护理技术。 ( 4 ) 结构化监测 2 8 ，2 9 】 结构化监测是一项非常重要的工程技术，用于观测建筑结构、轮船等物体在外力作 用下的应力响应，或诊断和定位可能出现的局部损伤。随着建筑结构日趋复杂，建筑物 在施工及建成使用过程中的安全性越来越受到人们重视，研发建筑结构安全监控系统非 常有必要。传统技术通过线缆将传感器感知数据汇聚到中心节点，大量的线缆导致组织 试验难度很大。无线传感器网络为结构化监测提供了便利的手段。美国科学家用含有2 0 0 多个m i c a 2 节点的无线传感器网络对旧金山金门大桥在多种自然条件下的安全状况进 行了成功的监测和评估【2 8 1 。 除此之外，无线传感器网络在其它众多领域都有着杰出的贡献。可以预见，未来无 线传感器网络的应用将会融入人类社会的各个领域，为信息化社会的构建孕育出更多全 新的应用模式。 1 2 4 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络是基于实际应用的网络，不同的应用场景对网络性能提出的要求也 不尽相同，因此无线传感器网络的媒体接入控制( m a c ) 层协议无法形成标准来应用于 所有场景。由于这种特殊性，其核心技术的研究主要集中在以下几点【1 6 1 。 ( 1 ) m a c 层协议【3 2 ，3 3 】 第1 章绪论 m a c 层协议决定无线共享信道的分配和使用方式，通过一组规则和过程完成创建 基础网络设施和公平、有效地使用共享介质的目标。m a c 层协议必须实现两大基本功 能：在密集分布的传感器现场为数据传输建立起一个数据通信链路；考虑能源有效利用， 协调共享介质的访问以使网络节点能够有效地共享通信资源。传统的无线m a c 层协议 不适用于无线传感器网络，设计简单高效、稳定、低延迟的m a c 协议成为传感器网络 研究的关键技术之一。 ( 2 ) 路由协议【3 6 】 路由协议和算法的设计是无线传感器网络的关键技术之一。路由协议解决网络层的 数据传输问题，确切地讲，无线传感器网络路由协议的功能是为数据从源节点到目的节 点的传输提供一套机制。无线传感器节点间采用多跳数据转发机制来交换数据，并且节 点能量有限。大多数传感器网络体系都假定节点是固定不动的，但有些情况下必须支持 某些节点的移动，因此应考虑网络拓扑结构的动态变化。无线传感器网络是一种基于数 据的网络，路由的设计必须要维持数据通路的连通性，此外考虑到能源的有效利用，还 应具备数据融合能力以降低数据通信量。 ( 3 ) 网络拓扑结构【3 7 3 8 】 无线传感器网络属于密集型网络，网络中的节点拥有众多邻节点。高发射功率可以 实现节点之间的直接通信，但也会带来很高的能量开销，众多邻节点会严重增加m a c 层的负担，且节点不断移动时会频繁建立或释放大量链接，使路由协议受到影响。因此 必须控制发射功率，必要时甚至可在适当时机采用网络分层关掉部分节点以保证网络稳 定运行。 ( 4 ) 时间同步 3 9 舯】 在无线传感器网络中，很多场合要求节点和本地时间同步以达到满足要求的测量精 度。由于无线传感器网络的能量、存储空间、计算能力、带宽等资源非常有限，加之节 点分布密集、网络传输延迟大的特性，导致传统网络的时间同步算法对无线传感器网络 不适用。所以，无线传感器网络时间同步算法也成为无线传感器网络的技术难点之一。 ( 5 ) 定位技术【4 1 , 4 2 1 无线传感器网络能量高效的路由协议研究 传感器节点的位置信息是分析其感知数据的必要信息，即传感器节点监测到的数据 必须和节点的位置及覆盖地域的范围等信息结合起来才有意义，否则感知信息将失去利 用价值，可见节点定位是无线传感