（信号与信息处理专业论文）传感器网络中信息驱动路由算法研究.pdf

南京邮电大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着基于微电子机械系统( m e m s ) 的传感器技术、低能耗电子和射频技术的不断进 步，低能耗、廉价的无线传感器得以大规模应用，相应的无线传感器网络应运而生。无 线传感器可应用于军事、商业、医疗救护、环境监测等多方面，具有广阔的应用前景， 因此成为信息科学技术中一个新的研究热点。由于无线传感器网络自身的特点，现有的 无线路由协议并不适用于传感器网络，面向应用的路由协议设计逐渐成为网络层研究的 核心。 本文主要探讨了无线传感器网络中路由协议的设计，重点研究了信息驱动路由算 ： 法。信息驱动路由算法以通信范围内的节点所能提供的信息量为标准，选取能够用最小 的通信开销提供最大互信息的节点作为下一跳节点。信息在单个节点间逐跳传输，不能 够做到很高的定位精度，因此本文给出了基于分簇的信息驱动路由算法，以分簇为单位 代替单个节点进行信息传递。传感器网络的安全问题也是研究的一个重点。基于信任度 的信息驱动路由算法引入了信任度的概念，节点只和自己信任的节点进行信息的交互， 提高了网络应对敌方节点和错误节点攻击的能力。 本文在定位精度和安全性两方面对信息驱动路由算法进行了改进，研究了基于分簇 的信息驱动路由算法和基于信任度的信息驱动路由算法。通过在m a t l a b 上的仿真实现， 验证了改进后的算法与原有算法相比，具有更高的定位精度和更好的安全性能。 主题词：传感器网络路由协议信息驱动路由+ 分簇信任度名誉值 南京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t r e c e n ta d v a n c e si ns e n s o rt e c h n o l o g y ，l o w - p o w e re l e c t r o n i c s ，a n dl o w - p o w e rr a d i o f r e q u e n c yd e s i g nh a v ee n a b l e dt h ed e v e l o p m e n to fi n e x p e n s i v ea n dl o w - p o w e rw i r e l e s ss e n s o r s t h a tc a l lb ec o n n e c t e dv i aaw i r e l e s sn e t w o r k w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc a nb ea p p l i e di nm a n y a r e a ss u c ha sm i l i t a r ya f f a i r s ，c o m m e r c e ，m e d i c a lc a r e ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，a n db e c o m e s an e wr e s e a r c hf o c u so fi 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 y d u et oi t ss p e c i a l t yw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kc a n ti m p l e m e n te x i s t i n gw i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o l s ，a n dd e s i g no f a p p l i c a t i o n - o r i e n t e d r o u t i n gp r o t o c o l si st h er e s e a r c hg r a v i t yo ft h en e t w o r k - l a y e r i nt h i sp a p e r ，t h ei s s u e so ft h er o u t i n gp r o t o c o l so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r ed i s c u s s e d ， e s p e c i a l l yt h ei n f o r m a t i o n d r i v e nr o u t i n g t h er o u t i n go b j e c t i v eo fi n f o r m a t i o n d r i v e nr o u t i n gi s t om i n i m i z ec o m m u n i c a t i o nc o s t ，w h i l e m a x i m i z i n gi n f o r m a t i o ng a i n t h ed a t at r a n s p o r ti sf r o m o n en o d et oa n o t h e r t oi m p r o v et h el o c a l i z a t i o na c c u r a c y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dc l u s t e r i n gt ot h e a l g o r i t h m t h ed a t at r a n s p o r tn o w i sb e t w e e nc l u s t e r si n s t e a do fn o d e s t h es e c u r i t yi sa l s oa r e s e a r c hh o t s p o t t h i sp a p e ri n t r o d u c et r u s tt os e n s o rn e t w o r k s ，w h e r en o d e sm a i n t a i nr e p u t a t i o n f o ro t h e rn o d e sa n du s ei tt oe v a l u a t et h e i rt r u s t w o r t h i n e s s t h i sp a p e rs h o w st h a tt h ei m p r o v e d a l g o r i t h mp r o v i d e sas c a l a b l e ，d i v e r s ea n dag e n e r a l i z e da p p r o a c hf o rc o u n t e r i n ga l lt y p e so f m i s b e h a v i o rr e s u l t i n gf r o mm a l i c i o u sa n d f a u l t yn o d e s t oi m p r o v et h ei n f o r m a t i o n d r i v e nr o u t i n g a l g o r i t h mi nl o c a l i z a t i o na c c u r a c ya n ds e c u r i t y ， t h i sp a p e rp r e s e n t st w on e wa l g o r i t h m s i n f o r m a t i o n d r i v e nr o u t i n gb a s e do nc l u s t e r i n g ，a n d i n f o r m a t i o n - d r i v e nr o u t i n gb a s e do nt r u s t t h es i m u l a t i o ni si m p l e m e n t e do nm a t l a b t h et e s t r e s u l ts h o wt h a tc o m p a r e dt ot h e o r i g i n a la l g o r i t h m ，t h en e wa l g o r i t h mh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c e o nl o c a l i z a t i o na c c u r a c ya n d s e c u r i t y k e yw o r d s ：s 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 ，i n f o r m a t i o n - d r i v e nr o u t i n g ，c l u s t e r , t r u s t ， r e p u t a t i o n i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 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：量! 垒盔日期：坌望竺竺 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 他复制手段保存论文。本人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：雌导师签名： 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，微处理器和无线通信技术的不断进步产生了能够进行局部信息处理和无线 通信的分布式设备，这种体积小、价格低廉且低能耗的节点被称作为传感器节点。每个 传感器节点仅能进行有限的信息处理，但是大量节点相互协作就可以详细观测一个给定 的物理环境。大量这样的传感器节点通过无线通信技术自组织构成了无线传感器网络。 无线媒介可以是红外设备或者无线电等。与传统的网络不同，无线传感器网络是依靠密 集的散布以及相互间的协作来完成它们的任务。 无线传感器网络由大量无线传感器节点互联而成，是传感器向微型化、智能化和无 线通信化的延伸。根据传感器节点在使用中是否移动，可将无线传感器网络分为静态网 络和动态网络，其中大多数是静态网络。在静态网络中，传感器节点被随机地或按一定 要求布置在监测区域内，根据用户的要求，可对温度、湿度、噪声、光强度、压力等环 境参数进行测量，或者感知物体的运动速度和方向等。在动态网络中，传感器节点一般 被安置在可移动的物体上，如车辆或被监测的动物身上，它将随物体的移动而移动。 由于无线传感器网络巨大的科学意义和应用价值，它已经引起了世界各国的学术 界、军事部门和工业界的极大关注。从2 0 0 1 年开始，d a r p a ( 美国国防部高级研究计划 署) 已把智能传感器网络作为一项最高优先发展的研究计划，出资近7 亿美元，在众多 大学和研究机构展开传感器网络的基础研究。2 0 0 2 年8 月，n s f ( 美国国家科学基金会) 一期资助4 0 0 0 万美元在u c l a 成立了传感器网络研究中心，联合周边大学展开“嵌入式 智能传感器 的研究项目，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测 试与控制。美国英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工 作，纷纷设立或启动相应的行动计划。我国近年来也展开了对该领域的研究工作。 根据无线传感器网络自身的特点，目前围绕这一领域的研究内容很多，主要可分为 节点层面和网络层面两大部分。在节点层面的研究内容主要包括传感器技术、低功耗芯 片技术、无线通信技术等，网络层面的研究内容主要包括低能耗路由技术、低能耗m a c 协议、协同定位技术、时钟同步技术、数据融合技术等。本文讨论的主要是网络层面的 路由技术问题。 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 课题概述 本课题对现有的无线传感器网络路由协议进行了简单分析与研究，重点研究了信息 驱动路由算法，并在此基础上做出了改进，给出了基于分簇的信息路由算法和基于信任 度的信息路由算法两种改进算法。 基于分簇的信息路由算法主要将分簇概念与信息驱动路由算法相融合，利用节点空 间上的冗余度来提供更好的定位精度和更高的安全性。为了解决信息驱动路由算法定位 精度和安全性上的问题，基于分簇的信息路由算法将网络中节点划分成簇，以簇为单位 代替原有算法中的单个节点进行信息的传输与更新。簇数目的选取要综合考虑能量消耗 和定位精度的要求，根据应用的需要选择最佳的方案。在m a t l a b 上对改进前后的算法进 行性能测试，结果显示，改进后的算法在增加一定的通信能量开销的前提下，可以有效 增加信息获取的精确度，提高网络的定位精度和安全性能。 基于信任度的信息驱动路由算法主要考虑传感器网络中的安全问题。在传感器网络 中，敌方节点的主动攻击和网络中节点自身的失效都可能导致节点产生错误的数据信 息，误导整个网络的决策。因此考虑将信任度的概念引入传感器网络中，使节点对其通 信范围内的节点产生一个信任度值，这样节点在通信时就可以选择其信任的节点来传递 信息，避免了恶意节点或失效节点对整个网络的影响。通过m a t l a b 仿真结果显示，改进 后的算法可以很好的应对网络内部恶意节点和失效节点的攻击。 1 3 论文内容以及结构安排 本文在第二章就目前国内外对传感器网络技术的研究情况进行了总结。首先从一般 意义上概括了传感器网络的概念，接着具体介绍了其体系结构、特点、研究的热点问题 和关键技术以及在各领域的应用情况。 第三章分析了无线传感器网络路由协议设计的特点和挑战，指出了其它类型的路由 协议不适用于传感器网络。接着对现有的无线传感器网络路由协议进行了介绍与分析。 第四章中首先介绍了信息驱动路由算法，接着给出了其改进算法基于分簇的信 息驱动路由算法，对我们的算法原理、步骤进行了详细阐述，并在选取不同分簇数目的 情况下，在能量消耗，定位精度等方面与原有的算法进行了比较。仿真结果表明，改进 后的算法在定位精度上比原有算法性能有较大提高。 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第五章中研究了信息驱动路由算法的另一种改进算法基于信任度的信息驱动路 由算法。在介绍了基于名誉值的传感器网络结构的基础上，对算法的原理、步骤进行了 详细阐述。仿真结果表明，该算法提高了网络应对安全攻击的性能。 第六章对全文进行了总结，并指出了进一步的研究工作。 南京邮电大学硕士学位论文第二章无线传感器网络概述 第二章无线传感器网络概述 2 q 1 无线传感器网络简介 过去的十几年，网络技术，特别是i n t e r n e t 的快速发展，使整个社会信息交换方式发 生了革命性变革。今天，微电子机械系统( m e m s ) 、无线通信和微电子技术的进步，使得设 计和开发低成本、低功耗、多功能的微型传感器成为可能。这些微型传感器体积小，集 成了微型电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件( 包括嵌入式操作系 统、嵌入式数据库系统等) 。众多具有通信、计算能力的传感器通过无线方式连接，相互 协作，与物理世界进行交互，共同完成特定的应用任务，称为传感器网络。它综合了微智能 传感器技术、嵌入式计算技术、分布式低功耗信息处理技术和无线通信技术，是一种全 新的信息获取和处理技术。 传感器网络与传统的传感器相比，易于部署，即传感器节点位置不需要事先确定或精 心设计，允许任意放置，部署维护成本低且具有较高的灵活性。传感器网络由大量廉价节 点组成，可放置在物理现象作用范围内，从而获得较高的观察精度，具有较高的性价比：传 感器网络具有大量冗余节点，即使部分节点失效，也不会影响整个系统的功能，因而具有较 好的健壮性：传感器网络节点具有计算能力，可以相互协作，能够完成传统传感器所不能完 成的任务。现在，传感器网络已被开发应用于环境监测，交通管理，危险区域监测，海 岛野生动物跟踪，民用和工程设施的安全性监测等方面，具有广阔的发展前景。 2 2 传感器网络体系结构 2 2 1通信结构 无线传感器网络通信结构的一般形式如图2 1 所示。在传感器网络中，节点任意散落 在被监测区域内，除了感测特定的对象，还进行简单的计算并维持互相之间的网络连接。 传感器网络具有自组织的功能，单个节点经过初始的通信和协商，形成一个传输信息的多 跳网络。每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关，传输网络是由一个单跳链接或 南京邮电大学硕i 学位论文第章无线传感嚣月结概进 一系列的无线网络节点组成的。网关通过这个传输网络把感测数据从传感区域发送到提 供远程连接和数据处理的基站，基站再通过i n t e r n e t 联系到远程数据库。最后采集到的 数据经过分析、挖掘后通过一个界面提供给终端用户。 营爹 2 2 2节点结构 图21 无线估感器网络通信结构 锄。国 暨桫 在不同应用中，传感器网络节点的结构不尽相同，但一般都由传感单元、数据处理单 元、数据传输和电源这4 部分组成，如图22 所示。传感单元由各类传感器及数模转换设 备组成，传感器的类型是由被监测物理信号的形式决定的如用于温度监测的铂电阻传感 器，用于压力传感的电容式传感器等。数据处理通常选用低功耗嵌入式微控制器，如m i c a 系列使用的a t 2 m e g a l 2 8 ，t e l o s 平台使用的t i i j s p 4 3 0 。数据传输单元主要由相应的通信 协议( 主要是m a c 协议) 及低功耗、短距离的无线通信模块组成，比如c h i p c o n 公司的 c c i o i o 、c c 2 4 2 0 等。因为需要进行较复杂的任务调度与管理，系统还需要一个微型化的实 时操作系统，u cb e r k e l e y 为此专门开发了t i n y o s ，当然，u c o s i i 等也是不错的选 择。电源是影响节点寿命的关键因素，w s n 的特点决定了节点目前只能使用a a 型的碱电池 或锂电池不过已有公司探索从周围环境取得能量井将其转换成微瓦电能的方法。 南京邮电大学硕士学位论文第二章无线传感器网络概述 2 2 3拓扑结构 图2 2 无线传感器网络节点结构 无线传感器网络的拓扑结构有3 种：星状网、网状网及混合网。基本的星状网拓扑结 构是一个单跳( s i n g l e 2 h o p ) 系统，网络中所有无线传感器节点都与基站和网关进行双向 通信( 图2 3 ( a ) ) 。基站可以是一台p c 、p d a 、嵌入式网络服务器，或其它与高数据率设 备通信的网关，除了向各节点传输数据和命令外，基站还与因特网等更高层系统之间传输 数据。各节点将基站作为一个中间点，相互之间并不传输数据或命令。在各种无线传感器 网络中，星状网整体功耗最低，但节点与基站间的传输距离有限，一般只有几十米。 网状拓扑结构是多跳( m u l t ih o p ) 系统，其中所有无线传感器节点都相同，而且直接互 相通信( 图2 3 ( b ) ) 。网状网的每个传感器节点都有多条路径到达网关或其它节点，因此 它的容故障能力较强。这种多跳系统比星状网的传输距离远得多，但功耗也更大，因为节 点必须一直“监听”网络中某些路径上的信息和变化。 混合网力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点( 图 2 3 ( c ) ) 。在混合网中，路由器和中继器组成网状结构，而传感器节点则在它们周围呈星状 分布。中继器扩展了网络传输距离，同时提供了容故障能力。当某个中继器发生故障或某 条无线链路出现干扰时，网络可在其它路由器周围进行自组。 南京邮电大学硕士学位论文第二章无线传感器网络概述 星状网络网状网络星网混合网络 图2 3 无线传感器网络拓扑结构 2 2 4 通信协议栈 随着应用和体系结构的不同，无线传感网络的通信协议栈也不尽相同，图2 4 是传感 节点使用的最典型的协议模型。该模型既参考了现有通用网络的t c p i p 和o s i 模型的 架构，同时又包含了传感器网络特有的电源管理、移动管理及任务管理。应用层为不同的 应用提供了一个相对统一的高层接口：如果需要，传输层可为传感网络保持数据流或保证 与i n t e r n e t 连接：网络层主要关心数据的路由：数据链路层协调无线媒质的访问，尽量减 少相邻节点广播时的冲突：物理层为系统提供一个简单、稳定的调制、传输和接收系统。 除此而外，电源、移动和任务管理负责传感节点能量、移动和任务分配的监测，帮助传感 节点协调感测任务，尽量减少整个系统的功耗。 图2 4 无线传感器网络通信协议栈 南京邮电大学硕士学位论文第二章无线传感器网络概述 2 3 无线传感器网络特点 1 能量受限 传感器网络用电池供电，电源能量有限，而且传感器网络经常运行在人无法接近的恶 劣甚至危险的远程环境中，更换能源几乎不可能，所以能量问题是传感器网络的首要问 题。 2 以数据为中心 在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节 点的观测数据。在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识，而传统网络传送的 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，快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给 用户。 3 传感器节点数量大，分布范围广 传感器网络中节点数目众多，如在对环境进行监测时，可能需要部署成千上万个节点， 分布范围可以非常广泛。不仅如此，传感器节点的分布密度也非常大，在某些应用中，部署 在直径小于l o m 的区域内的节点数量可能达到数百个。 4 传感器节点体积小、成本低，存储能力、计算能力有限 无线传感器网络是在m e m s 技术、数字电路技术基础上发展起来的，传感节点各部分 集成度很高，因此具有体积小的优点。当然从应用角度讲，减小节点尺寸也是必须考虑的 设计要素。传感网络是由大量的传感节点组成的，单个节点的成本直接影响到网络的总体 成本，如果总体成本比使用传统传感器的成本高，势必会影响无线传感器网络的竞争力。 由于体积、成本以及能量的限制，嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，因此传感器 的计算能力十分有限。 5 通信半径小，带宽低 无线传感器网络是利用“多跳 来实现低功耗下的数据传输，因此其设计的通信覆盖 范围只有几十米。和传统无线网络不同，传感器网络中传输的数据大部分是经过节点处理 过的数据，因此流量较小。根据目前观察到的现象特性来看，传感数据所需的带宽将会很 低( 1 l o ok b i t s ) 。 6 网络自动配置，自动识别节点 包括自动组网、对入网的终端进行身份验证、防止非法用户入侵。相对于那些布置 在预先指定地点的传感器网络而言，无线传感器网络可以借鉴a dh o c 方式来配置，当然 南京邮电大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络概述 前提是要有一套合适的通信协议保证网络在无人干预情况下自动运行。 7 网络动态性强，拓扑结构动态变化 传感器网络具有很强的动态性。网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可 能具有移动性，并且传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点 失效，网络的拓扑结构变化很快。 8 面向应用的网络 传感器网络没有固定统一的模式，根据具体应用有不同的组网方式，是一种面向应用 的网络。 2 4 无线传感器网络研究热点问题和关键技术 传感器网络以应用为目标，其构建是一个庞大的系统工程，涉及到众多的研究工作 和多层面需要解决的问题。对无线传感器网络系统结构及界面接口技术的研究意义重 大。如果我们把传感器网络按其功能抽象成五个层次的话，将会包括基础层( 传感器集 合) 、网络层( 通信网络) 、中间件层、数据处理和管理层以及应用开发层。 基础层以研究新型传感器和传感系统为核心，包括应用新的传感原理、使用新的材 料以及采用新的结构设计等，以降低能耗、提高敏感性、选择性、响应速度、动态范 围、准确度、稳定性以及在恶劣环境条件下工作的能力。还包括多通道传感器以及无线 通信芯片的系统集成，以及嵌入式处理器的集成化。此外，还包括通过对嵌入式操作系 统的研究，利用有效资源对整体系统进行高效率的事件处理、能源管理、命令处理和工 作描述。另外，超低能耗的传感器节点的设计、各功能部件的接口及系统集成方法、与 信号处理中心之间实现高速的通信以保证决策人做出迅速及时的反应也是研究的重点内 容。目前这一代产品大都采用各类通用芯片( 如普通八位微处理器，如a t m e g a l 2 8 l ，以 及通用无线通信模块c c l 0 0 0 等) 和元器件进行集成开发。某些面向2 0 1 0 年的下一代产 品将完全采用片上系统( s o c ) 方法，以真正实现微型化并大大降低节点成本。这方面颇 具代表性的有著名的s m a r td u s t 项目。 网络层以通信网络为核心，实现传感器与传感器、传感器与用户之间的通信，以便 对传感器节点进行有效地控制和管理，支持多传感器协作完成大型感知任务。需要开展 的研究工作包括低能耗、高速率、长生命周期的无线传感器网络的随机自组织通信协 议、通信方式及自重构、自调整性，无线传感器网络的可扩展性、容错性、可维护性及安 南京邮电大学硕士学位论文第二章无线传感器网络概述 全性、隐私性，传感器网络的特性( 有别于已有的互联网和a dh o c 无线网络) ，适用于传 感器网络的网络通信模式、支持传感器网络通信的各种协议、时间同步、任务分配与协 调控制以及相应的软硬件资源等方面。 中间件层研究具有通用性能的标准中间层软件结构，负责传感器网络系统的资源管 理、动态环境分析，以及普适应用的开发支持，如应用功能改换、功能扩展、系统升 级、重复再利用等关键性能的实现。 数据处理和管理层以传感器数据管理与处理软件为核心，包括以数据为中心的实时 分布式数据流管理、查询及相关信息处理技术；支持感知数据的采集、存储、查询、分 析等各种数据管理和分析处理软件系统，新型统计算法、排除误差信息的方法、对大型 分布式传感器阵列的协同处理、图象识别方法等 应用开发层由各种面向应用的软件系统构成，部署的传感器网络往往执行多种任 务。应用层的研究主要是各种传感器网络应用系统的开发和多任务之间的协调，如作战 环境侦查与监控系统、军事侦查系统、情报获取系统、战场监测与指挥系统、环境监测 系统、交通管理系统、灾难预防系统、危险区域监测系统、有灭绝危险的动物或珍贵动 物的跟踪监护系统、民用和工程设施的安全性监测系统、生物医学监测、治疗系统和智 能维护等。传感器网络应用开发环境的研究旨在为应用系统的开发提供有效的软件开发 环境和软件工具。需要解决的问题包括传感器网络程序设计语言，传感器网络程序设计 方法，传感器网络软件开发环境和工具，传感器网络软件测试工具的研究，面向应用的 系统服务( 如位置管理和服务发现等) ，基于感知数据的理解、决策和举动的理论与技 术( 如感知数据的决策理论、反馈理论、新的统计算法、模式识别和状态估计技术 等) 。 显然，在基础层上围绕实现网络整体低功耗运行针对传感器节点开展研究工作是传 感器网络研究的起点和基础。以上提到的网络节点中涉及到的各项技术无疑是最为关键 的一部分技术。此外，针对适合传感器网络特点、支持传感器网络工作的网络协议这一 关键技术的研究也是极为重要和迫切的，将会直接影响整体工作水平和实用化的进程。 2 5 无线传感器网络的应用 传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护 理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓 南京邮电大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络概述 库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着传感器网络的深入研究和广 泛应用，传感器网络将逐步深入到人类生活的各个领域。 2 5 1军事领域 由于传感器网络的快速分布能力、节点的自组织能力和容错能力，传感器网络将成 为网络中心战和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 e ，t a r g e t i n g ) 系统不可缺少的部分。 d w s n 可用于恶劣的战场环境，监视冲突区的兵力、装备和物资：侦察敌方地形和布防并 完成损失评估：高精度定位目标：探测包括核、生化在内的化学武器的攻击。2 0 0 1 年， 美陆军提出的“灵巧传感器网络通信( s s n c ) 计划，被批准为2 0 0 1 财政年度的一项科学 技术研究，并在2 0 0 1 2 0 0 5 财政年度期间实施。最近美陆军又提出了盛无入职守地面 传感器群”和“战场环境监视系统 。2 0 0 2 年5 月，美国s a n d i a 国家实验室与能源部 共同开发了旨在将传感器网络技术用于地铁和车站的环境检测系统，以预防生化武器的 袭击。美海军开展了网状传感器系统的研究，并已将成果用于新型攻击型潜艇n s s n 中。 2 5 2环境监测和预报系统 随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。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、牲畜和家禽的环境状况和大 面积的地表监测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等，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等。 基于传感器网络的a l e r t 系统中就有数种传感器用来监测降雨量、河水水位和土壤 水分，并依此预测爆发山洪的可能性。类似地，传感器网络可实现对森林环境监测和火 灾报告，传感器节点被随机密布在森林之中，平常状态下定期报告森林环境数据，当发 生火灾时，这些传感器节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地点、火势的 大小等信息传送给相关部门。 传感器网络还有一个重要应用领域就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息地生 态监测。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 t d u c ki 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。 南京邮电大学硕士学位论文第二章无线传感器网络概述 2 5 3 医疗护理 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的各种生理数据，跟踪 和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。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被监护 病人的病情，发现异常能够迅速抢救。将传感器节点按药品种类分别放置，计算机系统 即可帮助辨认所开的药品，从而减少病人用错药的可能性。还可以利用传感器网络长时 间的收集人体的生理数据，这些数据对了解人体活动机理和研制新药品都是非常有用 的。 2 5 4智能家居 传感器网络能够应用在家居中。在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与 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，例如可以在回家之前半小时打开空调， 也可以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、录像机、电脑等家电。 利用传感器网络可以建立智能幼儿园，监测孩童的早期教育环境，跟踪孩童的活动 轨迹，可以让父母和老师全面地研究学生的学习过程，回答一些诸如“学生a 是否总是 呆在某个学习区域内? “学生b 是否常常独处? 等问题。 2 5 5建筑物状态监控 建筑物状态监控( s t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n g ，s h m ) 是利用传感器网络来监控 建筑物的安全状态。由于建筑物不断修补，可能会存在一些安全隐患。虽然地壳偶尔的 小震动可能不会带来看得见的损坏，但是也许会在支柱上产生潜在的裂缝，这个裂缝可 能会在下一次地震中导致建筑物倒塌，用传统方法检查，往往要将大楼关闭数月。 作为c i t r i s ( c e n t e ro fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hi nt h ei n t e r e s t o f s o c i e t y ) 计划一部分，美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算机科学家们采用传感 器网络，让大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感觉并意识到它们本身的状况，使得安装 了传感器网络的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级 南京邮电大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络概述 来进行一系列自我修复工作。未来的各种摩天大楼可能就会装备这种类似红绿灯的装 置，从而建筑物可自动告诉人们当前是否安全、稳固程度如何等信息。 南京邮电大学硕士学位论文第三章无线传感器网络路由协议 3 1 引言 第三章无线传感器网络路由协议 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的 功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。a d h o e 、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高效地利用网络带 宽。这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时 提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这 类网络考虑的重点。在无线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充j 因此路 由协议需要高效利用能量) 。传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结 构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。传感器网络具有很强 的应用相关性，不同应用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路由协议。此 外，传感器网络的路由机制还经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量而节省 能量。因此，传统无线网络的路由协议不适应于无线传感器网络。 3 2 无线传感器网络路由协议特点 与传统网络路由协议相比，无线传感器网络路由协议具有以下特点： 1 能量优先 传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。而无线传感器网 络中的节点能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议设计的重要目 标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。 2 基于局部拓扑信息 无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储 资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。在 节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单高效的路由机制是无线 传感器网络的一个基本问题。 南京邮电大学硕上学位论文第三章无线传感器网络路由协议 3 以数据为中心 传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而无线传感器网络中大 量节点随机部署，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息， 不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据 流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路 径。 4 应用相关 传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合所有 的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。设计者需要针对每一个具体应用的需 求，设计与之适应的特定路由机制。 3 3 传感器网络路由机制要求 针对传感器网络路由机制的特点，在根据具体应用设计路由机制时，要满足传感器网 络路由机制的特定要求： 1 能量高效 传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的 角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。传感器节点的资源有限，传感器网络 的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。 2 可扩展性 在无线传感器网络中，检测区域范围或节点密度不同，造成网络规模大小不同。节 点失败、新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化。这就要求 路由机制具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。 3 鲁棒性 能量用尽或周围环境因素造成传感器节点的失败，周围环境影响无线链路的通信质 量以及无线链路本身的缺点等。这些无线传感器网络的不可靠特性要求路由机制具有一 定的容错能力。 4 快速收敛性 传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，因此要求路由 机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议开销，提高消息传输的 南京邮电大学硕士学位论文 第三章无线传感器网络路由协议 效率。 3 4 无线传感器网络路由协议分类 对于传感器网络，目前国内外研究人员已经提出了多种路由算法。本文根据路由协 议设计时的依据进行分类，将传感器网络路由协议分为如下三类：基于平面的路由协 议、基于层次的路由协议和基于位置的路由协议。 3 4 1基于平面的路由协议 基于平面的路由协议和传统的路由协议非常接近，借用了很多传统有线网络的路由 协议的思想。该协议认为所有节点地位平等，原则上不存在瓶颈问题。其缺点是可扩充 性差，维护动态变化的路由需要大量的控制信息。代表性的路由协议主要有泛洪法 ( f l o o d i n gg o s s i p i n g ) 、通过协商的传感器协议s p i n ( s e n s o rp r o t o c o l s f o r i n f o r m a t i o nv i a n e g o t i a t i o n ) 、定向扩散路由d d ( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 等。 1 泛洪法( f l o o d i n gg o s s i p i n g ) 泛洪法是一种传统的网络通信路由协议。一节点a 希望发送一块数据给节点d ，使用 泛洪法，节点a 首先通过网络将数据副本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点 又将其传输给各自的每一个邻居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点a 外。如此 继续下去，直到将数据传输到目标节点d 或者为该数据所设定的声明期限变为零或者所 有节点拥有此数据副本为止。 泛洪法实现起来简单，不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消 耗计算资源，适用于健壮性要求高的场合。这个协议存在的问题是信息内爆和重叠问 题，并且盲目使用资源，不考虑各节点能量可用状况因而无法作出相应的自适应路由选 择。信息内爆是指一个节点可能得到一个数据多个副本的现象。这是由于不同节点向同 一节点发送相同数据引起的，如图3 1 ( a ) 所示。重叠现象是指如果处于同一观测环境的 两个相邻同类传感器节点同时对一个事件作出反应，两者采集的数据性质相同，数值相 近，因此，这两个节点的邻居节点将收到双份的数据副本，如图3 1 ( b ) 所示。 南京邮电大学硕士学位论文 第三章无线传感器网络路由协议 图3 1 ( a ) 信息内爆问题图3 1 ( b ) 信息重叠问题 为了改进泛洪法的缺陷，s h e d e t n i e m i 等人提出了闲聊策略。为节约能量，闲聊法 使用随机性原则。一个节点发送数据，不再像泛洪法那样，给它的每一个邻居节点发送 数据副本，而是随机选择某一个邻居节点，向它发送一份数据副本。如果一个节点e ( 如 ： 图3 2 所示) 已收到它的邻居节点c 的数据副本，当再次收到时它就将此数据发回给它 的邻居节点c 。尽管闲聊法避免了信息内爆问题，但是仍然无法解决部分重叠问题和盲目 使用资源问题，而且数据传输平均时延拉长，传输速度变慢。 图3 2 闲聊法的数据重发现象 2 s p i n ( s e n s o rp r o t o c o l sf o ri n f o r m a t i o nv i a n e g o t i a t i o n ) s p i n 是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。s p i n 协议的目标是通过使用节点 间的协商制度和资源自适应机制，解决泛洪法存在的不足之处。 为了避免出现泛洪法的信息爆炸问题和部分重叠现象，传感器节点在传送数据之前 彼此进行协商，协商制度可确保传输有用数据。节点间通过发送元数据( 即描述传感器 节点采集的数据属性的数据，m e t a - - d a t a ) ，而不是采集的整个数据进行协商。由于元 数据大小小于采集的数据，所以，传输元数据消耗的能量相对较少。为避免盲目使用资 源，所有传感器节点必须监控各自的能量变化情况。 南京邮电大学硕士学位论文第三章无线传感器网络路由协议 在传输或接收数据之前，每个节点都必须检查各自可用的能量状况，如果处于低能 量水平，必须中止一些操作，比如充当数据中转站( 路由器) 角色的一些数据转发操 作。 s p i n 有3 种数据包类型，即a d v 、r e d 和d a t a 。 a d v 用于新数据广播。当一个节点有数据可共享时，它可用a d v 数据包( 包含元 数据) 对外广播。 r e 卜用于请求发送数据了当一个节点希望接收d a t a 数据包时，发送r e q 数据 ， 包。 d a t a 一包含附上元数据头( m e t a - - d a t ah e a d e r ) 的传感器采集的数据的数据包。 在发送一个d a t a 数据包之前，一个传感器节点首先对外广播a d v 数据包，如果一个 邻居节点在收到a d v 后有意愿接收该d a t a 数据包，那么它向该节点发送一个r e q 数据 包，接着节点向该邻居节点发送d a t a 数据包。类似地进行下去，d a t a 数据包可被传输到 远方汇聚节点或基站。 3 d d ( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 叩是e r t r i n 等人专门为传感器网络设计的路由策略，它是以数据为中心的路由协 议，与已有的路由算法的实现机制截然不同。节点用一组属性值来描述其需要的数据或 者收集到的数据，比如其属性值可以是由类型( t y p e ) 、监测范围( r e c t ) 、时间标签( t i m