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上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 摘要 近年来，随着无线技术、微电子机械系统( m e m s ) 技术的发展，无线传感器 网络技术取得了巨大的进步。传感器等信息获取技术和传送技术的进步，为无线 传感器网络的发展和应用奠定了基础。无线传感器网络由于其快速布局、抗毁性 强、监测精度高、覆盖区域大等特点而产生了广阔的应用前景，由此成为了当前 信息领域的研究热点之一。美国商业周刊和m i t 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十 大技术之一。 在无线传感器网络中，传感器结点体积微小并采用能量有限的电池来供电， 其计算能力和通信能力有限，因而节能成为无线传感器网络设计的核心。在无线 传感网关键技术的研究中，除了要设计能量高效的m a c 协议、路由协议以及应用 层协议之外，还要设计优化的网络拓扑控制机制。对于自组织的无线传感网而吉， 网络的拓扑控制对网络性能影响很大。良好的拓扑控制可以提高路由协议和m a c 协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面提供基础，有利于延 长整个网络的生存时间。所以，拓扑控制也是无线传感器网络中的一个研究热点 问题之一。 近年来，拓扑控制备受学者们的关注。本文分析比较了多种拓扑控制算法， 针对基于最大结点度的混合能量有效分布式成簇算法( h e e d m a xd e g r e e ) 所存 在的簇头结点能耗大、网络生存时间短的不足提出了一种改进的基于功率控制和 权重的成簇算法( p w c ) ，该算法通过选择合理的参数，确定结点的权重值并利 用结点间的距离来确定结点的发射功率，而不再使每个结点均使用一跳范围的发 射功率。仿真表明，基于功率控制和权重的成簇算法可以有效的减少簇头结点的 能耗，延长网络的生存时间。 本文还提出了一种新的用于道路交通的无线传感网网络拓扑结构。在对道路 状况进行监测时，传统的方式是将无线传感器结点随机的放嚣在道路上，这种方 式将使整个网络传输大量的帧头、帧尾等冗余信息；并使靠近汇聚结点处的结点 能耗过大。本文提出的拓扑结构采用了新的数据帧传输格式和线形置放策略，从 而可减少网络负载量和冗余信息的传输，改善靠近汇聚结点处的结点能耗大的问 v 海大学硕士学位论文无线传感网关键技术研究 题。仿真结果表明，该策略可以节省结点的能耗，有效延长网络的生存时间，提 高了网络的吞吐量。 此外，本文设计了基于嵌入式操作系统a r m 7 的用于道路交通监测的无线传感 网网络结点机的硬件电路图、p c b 硬件电路板。对基于a r m 7 的无线传感网网络结 点机的m a c 帧格式进行了优化。完成了物理层和m a c 层的软件设计，构建了无线传 感网的实验系统。通过结点机之间的联网通信，解决了在软件设计中遇到的一些 主要问题，提出了解决方案。促进了无线传感器网络的实用化进程。 关键诃： 无线传感器网络，成簇算法，网络生存时间，功率控制，网络拓扑结构，嵌入式 操作系统 v i r 海大学硕士学位论奠 无线传感网关键技术研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g ya n dm e m st e c h n o l o g y , w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kh a s g o tt h eg r e a tp r o g r e s s i nr e c e n t y e a r s t h et e c h n o l o g y d e v e l o p m e n to fs e n s o rn o d e si ng e t t i n gi n f o r m a t i o na n dt r a n s m i s s i o np a v e st h ew a y f o rt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a sw i d e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n db e c a u s eo f i t sc h a r a c t e r i s t i c so f q u i c ks p r e a d ，r e s i s t i n gd a m a g e ， h i g hp r e c i s i o na n dl a r g ec o v e r a g e s ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb e c a m et h eh o t r e s e a r c hp r o b l e mi ni n f o r m a t i o na r e a a m e r i c a nb u s i n e s sw e e k l ya n dm i tt e c h n o l o g y d i s c u s s i o nd e c l a r et h a tw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki st h et o p2 1i n f l u e n t i a lt e c h n o l o g i e s a n do n eo f i m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nt e nw h i c hw i l lc h a n g et h ew o r l d w i r e l e s ss e n s o rn o d e sa r eb e c o m i n gs m a l l e ra n ds u p p o r t e db yt h eb a t t e r yw i t h l i m i t e de n e r g y b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fc o m p u t ea n dc o m m u n i c a t i o n ，d e c r e a s i n g t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni st h em o s ti m p o r t a n ta s p e c tf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s o t h eo p t i m i z e dn e tt o p o l o g yc o n t r o lm e c h a n i s ms h o u l db ed e s i g n e db e s i d e st h ed e s i g n o fh i 曲l ye n e r g ye f f i c i e n c ym a cl a y e rp r o t o c o l ，r o u t i n gp r o t o c o la n da p p l i c a t i o n l a y e rp r o t o c 0 1 a s as e l f - o r g a n i z e dn e t ，t o p o l o g yc o n t r o li m p a c tm o r eo nt h en e t p e r f o r m a n c e ar e a s o n a b l et o p o l o g yc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr o u t i n ga n dm a c p r o t o c o l ，e s t a b l i s h t h ef o u n d a t i o nf o rd a t a f u s e ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，t a r g e t o r i e n t a t i o na n dp r o l o n gt h en e tl i f e t i m e i nt h i sc a s e ，t o p o l o g yc o n t r o li so n eo ft h e k e yp r o b l e m sf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t o p o l o g yc o n t r o lh a sd r a w nm o r ea t t e n t i o nb yr e s e a r c h e r si nr e c e n ty e a r s t h i s p a p e ra n a l y z e s l o t so ft o p o l o g yc o n t r o la l g o r i t h m sa n dp r o p o s e da ni m p r o v e d c l u s t e r i n ga l g o r i t h mf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb a s e do np o w e rc o n t r o la n dw e i g h t ( p w c ) f o rt h ed e f i c i e n c yo fh e e d m a xd e g r e ew h i c hc o n s u m e sl o t so fe n e r g yo f c l u s t e rh e a da n dl i m i t st h el i f e t i m eo fn e t t h ea l g o r i t h mc h o o s e st h er e a s o n a b l e p a r a m e t e r st oc o m p u t et h en o d ew e i i g h ta n dm a k eg o o du s eo fp o w e rc o n t r o ls t r a t e g y b a s e do nt h ed i s t a n c eb e t w e e nt w on o d e sr a t h e rt h a nt h eo n eh o pt r a n s m i s s i o np o w e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp w ca l g o r i t h mc a nd e c r e a s et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f v 上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 c l u s t e rh e a da n dp r o l o n gt h el i f e t i m eo f n e t w o r ke f f i c i e n t l y , p a p e ra l s op r o p o s e dan e wk i n do fn e tt o p o l o g ys t r u c t u r ef o rr o a dt r a f f i c t h e t r a d i t i o n a lw a yt od e t e c tt h er o a ds t a t u si st op u tt h ew i r e l e s ss e n s o rn o d e so nt h er o a d r a n d o m l y i nt h i sw a y , t h en e tw i l lt r a n s m i tl o t so fr e d u n d a n c yi n f o r m a t i o nl i k ef r a m e h e a da n dt a i la n dm a k et h en o d e sw h i c hi sn e a rt h es i n kn o d ee o n s u i n el o t so fe n e r g y t h en e wt o p o l o g yi sf o r m e db ya p p l y i n gan e ws t y l eo fd a t af l a m ea n dl i n e a r p l a c e m e n ts t r a t e g yt od e c r e a s et h el o a do fn e t w o r k ，t h et r a n s m i s s i o no fr e d u n d a n c y i n f o r m a t i o na n dt h ee n e r g yc o n s u m p f i o no fn o d e sw h i c hn e a rt h es i n kn o d e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es t r a t e g yn o to n l yp r o l o n g st h en e t w o r kl i f et i m eb u t e n h a n c et h et h r o u g h p u to f t h en e t w o r k i na d d i t i o n ，p a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i t ，p c bb o a r da n do p t i m i z e dm a c l a y e rf r a m ef o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e sb a s e do ne m b e d d e d s y s t e ma r m 7 w h i c hw i l lb ea p p l i e dt ot h er o a dt r a f f i c a n dc o n s t r u c tt h ee x p e r i m e n ts y s t e mf o r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s o l v et h ep r o b l e mo ft h es o f t w a r ea n dp u tf o r w a r dt h e s o l u t i o n st oi tt h r o u g ht h en e tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn o d e s p r o m o t et h ep r a c t i c a l i t y c o u r s ef o rw i r e 】e s ss e n s o rn e t w o r k 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 ，c l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，n e tl i f e t i m e ，p o w e rc o n t r o l ，n e t t o p o l o g ys t r u c t u r e ，e m b e d d e d - s y s t e m v i i i 上海大学顾十学位论文无线传感网关键技术研究 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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t n 意。 签名：日期：超旦z ：- ； 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：师签名：日期： 上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 第一章绪论 无线传感器网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 是当前国际上备受关注的、 由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌 入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各 类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信 息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织的无线通信网络以多跳 中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。 传感器网络的研究采用系统发展模式，因而必须将现代的先进微电子技术、微细 加工技术、系统s o c ( s y s t e m - o n - c h i p ) 芯片设计技术、纳米材料与技术、现代 信息通讯技术、计算机网络技术等融合，以实现其微型化、集成化、多功能化及 系统化、网络化，特别是实现传感器网络特有的超低功耗系统设计。传感器网络 具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监 测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和 巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并 成为进入2 0 0 0 年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪 产生巨大影响力的技术之一n ，。 1 1 无线传感器网络概述 1 1 1 无线传感器网络的发展历史及定义 早在上世纪7 0 年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制 器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的 不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力， 并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是 第二代传感器网络。从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人 们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接， 无线传感器网络逐渐形成。 上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展 和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。从2 1 世纪开始，传 感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注，发达国家如美国和欧洲非常 重视无线传感器网络的发展，相继启动了许多关于无线传感网的研究计划。特别 是美国通过国家自然基金委、国防部多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研 究。i e e e 正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学( b o s t o n u n i v e r s i t y ) 还于最近创办了传感器网络协会( s e n s o rn e t w o r kc o n s o r t i u m ) ，期 望能促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学，该协会还包括b p 、霍尼韦尔 ( h o n e y w e l l ) 、i n v e n s y s 、l - 3c o m m u n i c a t i o n s 、g i l l e n n i a ln e t 及t e x t r o n s y s t e m s 。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给 人类社会带来极大的变革。 在传感器网络中，结点通过飞机布撒，人工布置等方式，大量部署在感知对 象内部或者附近。这些结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信息在任意时间的 采集，处理和分析。传感器网络系统通常包括传感器结点( s e n s o rn o d e ) 、汇 聚结点( s i n kn o d e ) 、和管理结点。大量传感器结点随机部署在监测区域( s e n s o r f i e l d ) 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器结点监测的数据沿 着其他传感器结点逐跳的进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个结点处 理，经过多跳后路由到汇聚结点，最后通过互联网或卫星到达管理结点。用户通 过管理结点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 汇聚结点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与 i n t e r n e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理结点 的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚结点既可以是一个具有增 强功能的传感器结点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没 有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。传感器网络结构如图1 1 所示： 2 上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 图1 - 1 传感器网络结构 f i g l 1c o n f i g u r a t i o no f w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k 传感器结点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信 能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能来看，每个传感器结 点兼顾传统网络结点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处 理外，还要对其他结点协作完成一些特定的任务。目前传感器结点的软硬件技术 是传感网研究的重点。传感器结点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模 块和能量供应模块四部分组成，如图1 - 2 所示。传感器模块负责监测区域内信息 的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器结点的操作，存储和处理本 身采集的数据以及其他结点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器结点进 行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器结点提供运 行所需要的能量，通常采用微型电池。 图卜2 传感器结点结构 f i g l - 2c o n f i g u r a t i o no f w i r e l e s ss e n s o rn o d e 3 上海大学硕士学位论文无线传感网关键技术研究 1 1 2 无线传感器网络的特点及应用 无线传感器网络的组成及应用场景和传统的网络有较大的不同，它是一种综 合传感器技术、计算机技术、信息处理技术和通信技术为一体的网络，主要具有 如下几个特点啪： 1 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器结点，传感器结点数量 可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方 面是传感器结点分布在很大的地理区域内。另一方面，传感器结点部署很密集， 在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器结点。 2 自组织网络 在传感器网络应用中，通常情况下传感器结点被放置在没有基础结构的地 方。传感器结点的位置不能预先精确设定，结点之间的相互邻居关系预先也不知 道，这样就要求传感器结点具有自组织的能力，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 动态性网络 传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：1 环境因素或电能耗尽造 成的传感器结点出现故障或失效。2 环境条件变化可能造成无线链路带宽变化， 甚至时断时通。3 传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有 移动性。4 新结点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有 动态的系统可重构性。 4 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，且往往采用随 机部署，这些都要求传感器结点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。 由于监测区域环境的限制以及传感器结点数目巨大，网络的维护十分困难甚至不 可维护，因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。 4 上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 5 应用相关的网络 不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协 议必然会有很大差别。所以传感器网络不能象i n t e r n e t 一样，有统一的通信协议 平台。对不同的传感器网络应用虽然存在一些共性的问题，但在开发传感器网络 应用中，更关心传感器网络的差别。 6 以数据为中心的网络 无线传感器网络中结点数目巨大，而且由于网络拓扑的动态特性和结点放置 的随机性，结点并不需要也不可能以全局唯一的i p 地址来标识，只需使用局部可 以区分的标号标识。用户对所需数据的收集，是以数据为中心进行，并不依靠结 点的标号。 传感器网络的应用前景非常广阔，主要表现在军事、环境、健康、家庭和其 他商业领域。当然，在空间探索和灾难拯救等特殊的领域，传感器网络也有其得 天独厚的技术优势嘲： 1 军事应用 传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的结点组成的，白组织性和容错 能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中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，也正是这一点，使传感器网络非常适合应用 于恶劣的战场环境中。在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的， 通过铺设传感器网络，以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防。当然，也可以直 接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信 息。 2 环境科学 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。通过传 统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的研究数据获 取提供了方便。此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害 虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 5 上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 3 医疗健康 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， 利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，长时间地收集人的生 理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的。此外，在药物管理等诸多 方面，它也有新颖而独特的应用。总之，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。 4 空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络 结点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。n a s a 的j p l ( j e t p r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 实验室研制的s e n s o rw e b s 就是为将来的火星探测进行 技术准备的，己在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。 5 其他商业应用 自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特 点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。比如，嵌入家具和家电 中的传感器与执行机构组成的无线网络与i n t e r n e t 连接在一起将会为我们提供 更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。此外，在灾难拯救、仓库管理、 交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都 将会孕育出全新的设计和应用模式。 1 2 课题研究的背景和意义 对于无线的自组织的传感器网络而言，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良好的拓扑结构，能够提高路由协议和m a c 协议的效率， 可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省结点的能 量来延长网络的生存期。如果没有拓扑控制，所有结点都会以最大无线传输功率 工作。在这种情况下，一方面，结点有限的能量将被通信部件快速消耗，降低了 网络的生命周期。同时，网络中每个结点的无线信号将覆盖大量其他结点，造成 无线信号冲突频繁，影响结点的无线通信质量，降低网络的吞吐率。另一方面， 6 上海大学硕士学位论文无线传感网关键技术研究 在生成的网络拓扑中将存在大量的冗余链路，从而导致网络拓扑信息量大，路由 计算复杂，浪费了宝贵的计算资源。所以，拓扑控制是无线传感器网络研究的核 心技术之一。 本课题主要致力于研究无线传感网的拓扑结构，旨在通过研究合理的拓扑结 构来延长网络的生命周期，提高网络吞吐量，节约结点资源。本课题得到了上海 市科学技术委员会的“无线传感器关键技术攻关及其在道路交通中的应用示范” 科研项目的支持。 1 3 本论文的主要工作及贡献 本文中的主要工作及贡献如下： 1 本文提出了一种改进的基于功率控制和权重的成簇算法p w c ( p o w e r c o n t r o la n dw e i g h tb a s e dc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ) 。本文通过对目前现有 的无线传感器网络拓扑算法的研究，针对基于最大结点度的混合能量有效分 布式成簇算法h e e d - m a xd e g r e e “”( h y b r i de n e r g y e f f i c i e n td i s t r i b u t e d c l u s t e r i n g - m a xd e g r e e ) 所存在的簇头能耗大和网络生存时间短的不足， 提出了一种改进的基于功率控制和权重的成簇算法p w c 。仿真表明，当结 点的初始能量均为2 焦耳，结点数由2 0 0 变化至4 0 0 个时，采用本算法可使 网络生存时间延长5 8 耻啕7 ，簇头的剩余能量增加1 6 9 卜_ 6 7 。当簇内通 信半径由1 5 m 变化至3 5 m 时，网络生存时间可延长3 6 _ 4 2 ，簇头的剩余 能量增加1 1 。 2 本文提出了一种新的用于道路交通的无线传感网拓扑结构。在以往的道路交 通监测中，无线传感器结点均采用随机放置方式。由这种方式所形成的拓扑 结构存在网络吞吐量低、网络能耗大和靠近汇聚结点处的传感器结点的能耗 大等缺点。针对这些不足，本文提出了一种适合于道路交通的无线传感网拓 扑结构。该拓扑结构采用新的数据帧传输格式信息承载帧和新的线形置放 策略，可以使网络负载量和冗余信息的传输量得到减少，改善靠近汇聚结点 处的无线传感器结点能量消耗过大的问题。仿真表明，本文提出的拓扑结构 使网络的吞吐量增加了2 5 倍，网络能耗减少了3 8 - 9 0 。 3 设计了无线传感网网络结点机硬件。根据结点机所要实现的功能，设计了工 7 上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 作频段为4 3 3 删z ，基于嵌入式操作系统a r m 7 的无线传感网网络结点机的硬 件电路和p c b 板。 4 设计了一种优化的基于嵌入式操作系统a r m 7 的无线传感网网络结点机m a c 层帧格式，基于l ic 0 s 操作系统，完成了无线传感网网络结点机的物理层软 件设计和m a c 层软件设计，并在结点机中得到了实现。 5 构建了一个无线传感网的实验系统。该实验系统实现了结点机之间的单跳和 多跳通信。通过结点机间的通信，完成了对该系统丢包率的测试，并解决了 无线传感网网络结点机联网通信中出现的若干软件设计问题。促进了无线传 感器网络的实用化进程。 1 4 本文内容安排 第一章主要介绍了无线传感器网络的概念、历史、特点及应用，阐述了本课 题的研究背景和意义。 第二章主要介绍了无线传感器网络的拓扑结构及其分类，并对目前一些典型 的拓扑算法进行了分析，为下文的无线传感器网络的拓扑算法的设计和改进作了 铺垫。 第三章提出了一种基于功率控制和权重的p w c 成簇算法，详细分析了该算法 的参数选择及功率控制策略，阐述了其具体的实现过程，并将基于功率控制和权 重的p w c 算法与基于最大结点度的混合能量有效分布式成簇算法h e e d - m a x d e g r e e 进行仿真结果的性能比较。 第四章提出了一种适合于道路交通的无线传感网拓扑结构，阐述了通过信息 承载帧帧及线形置放策略形成拓扑结构的实现方法。并将该拓扑结构下的网络吞 吐量和网络能量消耗与随机放置方式形成的拓扑结构进行了仿真性能的比较。 第五章主要介绍了基于a r m 7 的无线传感网网络结点机的硬件设计以及物理 层和m a c 层软件设计，详细阐述了硬件设计方案和软件设计流程。构建了一个无 线传感网的实验系统。该实验系统实现了结点机之间的单跳和多跳通信。通过结 点机间的通信，完成了对该系统丢包率的测试，解决了无线传感网网络结点机的 软件设计中存在的若干问题。 在最后一章，对本文所做的工作进行了全面的总结，给出了最后的结论。 上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 第二章无线传感器网络拓扑结构的研究 2 1 无线传感器网络拓扑的基本概念 在无线传感器网络中，传感器结点是体积微小的嵌入式设备，采用能量有限 的电池供电，它的计算能力和通信能力十分有限，所以，除了要设计能量高效的 m a c 协议、路由协议外，还要设计优化的网络拓扑控制机制。对于自组织的无线 传感器网络而言，网络拓扑控制对网络性能影响很大。良好的拓扑控制能够提高 路由协议和m a c 协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面提供 基础，有利于延长整个网络的生存时间。所以，拓扑控制是传感器网络中的基本 问题之一。典型的无线传感器网络拓扑结构如图2 1 所示： 图2 - 1 典型的无线传感器网络拓扑结构 f i 9 2 - 1 d p i c a l t o p o l o g y c o n f i g u r a t i o n o f w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k 在传感器网络中，网络的拓扑控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在 以下几个方面嘲： ( 1 ) 影响整个网络的生存时间。传感网的结点一般采用电池供电，节省能 量是网络设计主要考虑的问题之一。拓扑控制的一个重要目标就是在保证网络连 通性和覆盖度的情况下，尽量合理高效地使用网络能量，延长整个网络的生存时 间。 9 上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 ( 2 ) 减小结点间的通信干扰，提高网络通信效率。传感器网络中结点通常 密集部署，如果每个结点都以较大的功率进行通信时，将会加剧结点间的干扰， 降低通信效率，并造成结点能量的浪费。当然，如果选择的发射功率太小，将影 响整个网络的连通性。所以，拓扑控制中的功率控制技术是解决这个矛盾的重要 途径之一。 ( 3 ) 为路由协议提供基础。在传感器网络中，只有活动的结点才能够转发 数据，而拓扑控制可以确定哪些结点作为转发结点，同时确定结点之间的邻居关 系。不同的拓扑结构将产生不同的路由算法。 ( 4 ) 影响数据融合。传感器网络中数据融合是指传感器结点将采集的数据 发送给骨干结点，骨干结点进行数据融合，并把融合结果发送给数据汇聚结点， 而骨干结点的选择是拓扑控制的一项重要内容。 ( 5 ) 弥补结点失效的影响。传感器结点可能部署在恶劣的环境中，在军事 应用中甚至会部署在敌方区域中，所以很容易受到破坏而失效。这就要求网络拓 扑结构具有鲁棒性以适应这种情况。 虽然传感器网络在某种程度上可视为一种a dh o c 网络，但相对于一般意义的 a dh o e 网络来说，它要面临的环境更加复杂多变，其结点部署更为密集，结点能 量更加有限。无线链路更容易受到干扰，结点也更容易实效，所以必须研究适应 于传感器网络的、面向具体应用的、更为高效的拓扑控制算法。 2 2 无线传感器网络拓扑控制的分类 传感器网络拓扑控制主要研究的问题是：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结点的选择，剔除结点间不必要的通信链路，形成一个 数据转发的优化网络结构。具体的讲，传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可 以分为这几类：结点功率控制、层次型拓扑结构组织和树型拓扑结构组织。 传感器网络中结点发射功率的控制问题也称功率分配问题。结点通过设置或 动态调整结点的发射功率，在保证网络拓扑结构连通、双向连通或者多连通的基 础上，使得网络中结点的能量消耗最小，均衡结点的单跳可达邻居数目，延长整 个网络的生存时间。当传感器结点部署在二维或三维空间中时，传感器网络的功 率控制是一个n p 难的问题。因此，解决的方案都是寻找近似解法。 1 0 上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 层次型拓扑结构组织利用分簇机制，让一些结点作为簇头结点，由簇头结点 形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网结点可以暂时关闭通信模块， 进入休眠状态以节省能量。 树型拓扑结构组织是从一个结点开始按照一定的算法规则向后延伸，形成树 状的拓扑结构组织。信息交换主要在上下结点之间进行，相邻结点之间一般不进 行数据交换。树型结构拓扑连结简单，维护方便，适用于汇集信息的应用要求。 但是其资源共享能力较低，可靠性不高，任何一个结点或链路的故障都会影响整 个网络的运行。 此外，传感器网络通常是面向应用的事件驱动的网络，骨干结点在没有检测 到事件时不必一直保持在活动状态。在传感器网络的拓扑控制中，也提出了启发 式的结点唤醒和休眠机制。该机制能够使结点在没有事件发生时设置通信模块为 休眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居结点，形成数据转发的拓 扑结构。这种机制的引入，使得无线通信模块大部分时间都处于关闭状态，只有 传感器模块处于工作状态。由于无线通信模块消耗的能量远大于传感器模块，所 以这进一步节省了能量开销。但是这种机制重点在于解决结点在睡眠状态和活动 状态之间的转换问题，不能够独立作为一种拓扑控制机制，需要与其他拓扑控制 机制综合使用。 2 3 典型的无线传感器网络拓扑算法 2 3 1 基于结点功率控制的拓扑算法 本地平均算法l m a “1 ( 1 0 c a lm e a na l g o r i t h m ) 和本地邻居平均算法l m n ( 1 0 c a lm e a no fn e i g h b o r sa l g o r i t h m ) 是两种周期性动态调整结点发射功率 的算法，其核心思想是在给定的结点度的上下限需求，动态的调整发射功率，使 得结点的度数落在上下限之间。通过仿真结果可以确定：这两种算法的收敛性和 网络的连通性是可以保证的，通过少量的局部信息达到了一定程度的优化效果。 但也有不完善的地方，即需要进一步研究合理的邻居结点判断条件等。 本地信息无拓扑算法l i n t 嘲( l o c a li n f o r m a t i o nn ot o p o l o g y ) 、本地信息 链路状态拓扑算法l i l t 0 1 ( l o c a li n f o r m a t i o nl i n k - s t a t et o p o l o g y ) 和移动栅 上海大学硕士学位论文无线传感网关键技术研究 格算法m g “1 ( m o b i l eg r i d ) 都是根据其邻居结点信息来维持本地结点度，每个结 点都有一个结点邻居列表，列表是由该结点一跳邻居组成。当自己列表内的结点 移入或移出自己一跳覆盖范围时，结点将根据不同的功率控制参数来动态的调整 发射功率，以满足一定的结点度要求。 基于圆锥体的分布式拓扑控制算法c b t c m ( ac o n e b a s e dd i s t r i b u t e d t o p o l o g yc o n t r o la l g o r i t h m ) 、最小扩展树算法m s t ”( m i n i m u ms p a n n i n g t r e e ) 、严格链路选择协作算法c a p c l 叫( c o l l a b o r a t i v ea l g o r i t h mw i t h p r o b a b l ec r i t i c a ll i n k s ) 、直接相关邻居图算法d r n g “”( d i r e c t e dr e l a t i v e n e i g h b o r h o o dg r a p h ) 及其改进的基于簇的直接相关邻居图算法 d i 州g cn 1 1 ( d i r e c t e dr e l a t i v en e i g h b o r h o o dg r a p hb a s e do nc l u s t e r i n g ) 都是 根据邻近图思想来形成网络拓扑结构的。算法首先使所有结点均使用最大发射功 率形成拓扑图g ，然后按照不同的规则q 求出该图的邻近图g ，最后，g 中每个 结点以自己所邻接的最远的结点来确定发射功率。考虑到传感网络中两结点形成 的边是有向的，为避免形成单向边，一般在运用临近图算法形成网络拓扑之后， 还需要进行结点之间的增删，以使最后得到的网络拓扑是双向连通的。 统一功率算法c o m p o w “。( c o m m o np o w e r ) 根据满足簇内相邻两结点能够通信 的最小功率来确定簇内结点通信的统一功率。由于该算法不考虑相邻结点距离的 远近，只根据最远距离的结点来确定簇内的通信功率，因而造成较大的能量浪费 和簇内通信的相互干扰。 连接算法c o n n e c t 嘲通过调整网络中每个结点的发射功率，使每个结点的发 射功率达到能够与其邻居结点相互通信的最小功率。算法将不断的迭代执行该过 程，直到整个网络均是连通的为止。 2 3 2 基于层次型拓扑控制的拓扑算法 在传感器网络中，传感器结点的无线通信模块在空闲状态时的能量消耗与收 发状态时相当，所以只有关闭结点的通信模块，才能大幅度地降低无线通信模块 的能量开销。所以应考虑依据一定机制选择某些结点作为骨干网结点，打开其通 信模块，并关闭非骨干结点的通信模块，由骨干结点构建一个连通网络来负责数 据的路由转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很大程度上节省 1 2 上海大学硕士学位论文 无线传感网关键技术研究 了结点能量。在这种拓扑管理机制下，网络中的结点可以划分为骨干网结点和普 通结点两类。骨干网结点对周围的普通结点进行管辖。这类算法将整个网络划分 为相连的区域，一般又称为分簇算法。骨干网结点是簇头结点，普通结点是簇内 结点。由于簇头结点需要协调簇内结点的工作，负责数据的融合和转发，能量消 耗相对较大，