（通信与信息系统专业论文）特定环境下无线传感器网络的组播路由算法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 无线传感器网络是一种特殊的无线自组网络，由大量体积小、廉价的、计算 和存储能力及通信能力都有限的节点组成的多跳、临时性自治系统。网络能广泛 应用于灾难求助、临时会议、战场侦查等场合。这些应用有一个共同的特征，就 是采用一到多或多到多的数据传输形式。如果利用单播或者广播来实现这些应用， 就会增大网络的信息传输量并且阻塞网络。而采用组播通信，不仅能减轻发送端 系统的处理负荷，也降低了网络带宽的使用。因此，对于通信带宽、能量等极其 受限的无线传感器网络来说，采用组播通信机制来实现传感器网络的路由问题是 十分必要的。目前所提出的多种组播路由协议都有这样或那样的缺点，其原因是 无线传感器网络本身所固有的特点和应用的不同环境，使得设计一个能应用于所 有环境的通用协议是非常困难的。 组播路由协议中树型结构数据转发快，但不适合拓扑变化频繁的网络；网格 型结构有较好的强健性，但开销和负载大；而混合型结构太复杂，这无疑为组播 路由协议的研究带来沉重的思考。针对不同环境监控，本论文中分别提出了适用 于森林和矿井环境的组播路由算法。对于森林区域监控，在这种环境中假定节点 的位置已知，提出一种基于区域的分簇型组播路由算法，算法的基本原则是首先 把整个森林区域分为虚拟的单元格，在每个单元格中选择最有能力承担核心( 簇 首) 的节点，利用簇首之间的通信来搭建组播树。该算法能大大减少树的大小， 特别是适用于规模较大的网络，还能使簇首均匀的分布在监测区域内，能有效的 延长网络生命周期，并能使网络能量消耗最小化。而对于矿井区域监控，在这种 环境中假定节点一部分已经固定，一部分是移动的，提出一种基于树型结构的分 层组播路由算法，这种算法利用了井下坑道的特殊性布设了固定的网络拓扑，当 有节点加入或离开才进行局部的拓扑改变，使得整个网络的生命周期延长，并能 实时地监测矿井下的各种情况。本论文中提出的两种算法都是应用于特定环境下 的无线传感器网络组播路由算法，有一定的局限性，但是这些制约条件是不难满 足的，所以两种算法能够有效的优化网络路由，扬长避短，达到良好效果。 关键词：无线传感器网络；特定环境；组播路由；区域划分；分簇结构；组播树 特定环境下无线传感器网络的组播路由算法研究 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 kc o n s t i t u t e sas p e c i a lk i n do fa d h o cn e t w o r k ，w h i c hi s t h em u l t i - h o pa n dt e m p o r a r ya u t o n o m ys y s t e mt h a ti sm a d eo fl a r g en u m b e r so fs m a l l ， c h e a p d e v i c e sw i t hl i m i t e d s e n s i n g ， c o m p u t a t i o n ， a c t u a t i o na n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n c a p a b i l “i e s t h i sw i r e l e s sn e t w o r kc o u l db e s on e x i b l ea n d c o n v e n i e n th i g h l yt h a tc o u l da p p l ya b r o a dt 0s i t u a t i o n sw h i c ha r et h ea p p e a l i n g0 f t r a g e d y ； t h e t e m p o r a r y c o n f e r e n c ea n dt h eb a t t l e f i e l dr e c o n n a i s s a n c e t h o s e a p p l i c a t i o n sh a v e o n ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i ct h a ti st h ed a t at r a n s f e rf o r mo f o n e - t o - m a n yo rm a n y t o - m a n y i ft h e r ei sm a k i n gu s eo fu n i c a s ta n db r o a d c a s tt 0 c a r r yo u tt h o s ea p p l i c a t i o n s ，w i t h o u tf a i li tc o u l di n c r e a s i n gt h et r a n s f e r r i n gq u a n t i t y o fc o m m u n i c a t i o na n db l o c k i n gn e t w o r k s b u tu s i n gm u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o nc o u l d n o t0 n l yd e c r e a s i n gt h ed i s p o s i n gl o a do fs o u r c es y s t e m s ，b u ta l s 0r e d u c i n gt h eu s e0 f n e t w o r kb a n d w i d t h t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt ou s em u l t i c a s tt oi m p l e m e n tt h e r o u t i n go fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w h i c hi sl i m i t e db yc o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t h ， e n e r g ya n ds oo n a tp r e s e n t ，m a n ym u l t i c a s tr o u t i n ga l g o r i t h m st h a th a sa l r e a d yp u t f o r w a r dh a v es om a n yd i s a d v a n t a g e s i ti sd i f f i c u l tt od e s i g no n er o u t i n ga l g o r i t h mt o a p p l yt 0a 1 1c i r c u m s t a n c e s ，b e c a u s eo ft h en e t w o r k so fi n h e r ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h e d i f f e r e n ta p p l i c a t i o nc i r c u m s t a n c e b e t w e e nt h o s er o u t i n ga l g o r i t h m s ，t h ed a t at r a n s m i ti sv e r yr a p i d ，b u ti sn o ts u i t t ot h en e t w o r kw h o s et o p o l o g yc h a n g es w i f u yi nt r e ec o n f i g u r a t i o n ；t h e r eh a sb e t t e r t o u g h n e s s ，b u tt h es p e n d i n ga n dl o a di st o ob i gi ng r i dc o n f i g u r a t i o n ；i ti sc o m p l e xi n m i x t u r ec 0 n f i g u r a t i o n a i ma td i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e sm o n i t o r i n g ，t h e r ea r ep u t t i n g f o r w a r dt h em u l t i c a s tr o u t i n g a l g o r i t h m st h a t a r ea p p l i c a b l et of o r e s ta n d m i n e c i r c u m s t a n c e si nt h i st h e s i s f o rt h ef o r e s t m o n i t o r i n g ，i t i s s u p p o s e dt h a tn o d e s p o s i t i o ns h o u l db ek n o w ni nt h i sc i r c u m s t a n c e t h e r eh a sp u tf o r w a r dt 0am u l t i c a s t r o u t i n ga l g o r i t h mt h a ti sb a s e dr e g i o na n dc l u s t e rh i e r a r c h y ，t h eb a s i cp r i n c i p l e0 ft h i s r o u t i n ga l g o r i t h mi st h a tt h em o n i t o ra r e ai sd i v i d e si n t 0s u p p o s i t i o n a lc e l l si nf i r s t ， a n dc h o o s i n gt h ec l u s t e rn o d ei ne v e r yc e l l s ，a n dc o n s t i t u t i n gm u l t i c a s tt r e et h r o u g h c l u s t e rn o d e sc o m m u n i c a t i o n t h a tc o n f i g u r a t i o nc o u l dr e d u c et h e f i g u r e0 ft r e e ， e s p e c i a l l ya d a p t i n gt 0b i g g i s hs c a l en e t w o r k t h a tr o u t i n ga l g o r i t h ms h o w0 u tt h a ti t c o u l dm a k ec l u s t e rn o d e sd i s t r i b u t i n g u n i f b r m i t yi ni n s p e c ta r e a ，a n di n c r e a s et h e n e t w o r kl i f e t i m e ，a n da l s or e d u c et h e c o n s u m i n gn e t w o r ke n e 唱y f o rt h em i n e m o n i t o r i n g ，i ti ss u p p o s e dt h a ts o m en o d e ss h o u l db ei m m o b i l ea n ds o m en o d e sb e m o b l i el nt h l sc l r c u m s t a n c e t h e r eh a sp u tf o r w a r dt oam u l t i c a s tr o u t i n ga l g o r i t h m t h a ti sb a s e dt r e e c o n f i g u r a t i o na n dc l u s t e r h i e r a r c h y ，w h i c hi s m a k i n gu s eo ft h e c n a r a c t e n s t l co ft h em i n es a pt oa r r a ya ni m m o b i l et o p o l o g y w h e nt h e r eh a v es o m e n o d e sj o l n l n g0 r1 e a v l n gt h en e t w o r k ，i to n l yn e e dt oc h a n g et h el o c a l t o p o l o g y i t c o u l di n c r e a s et h el i f e t i m eo ft h en e t w o r ka n dm o n i t o r r e a l t i m ed i f f i e r e n tc i r c si nt h e 删n ec l r c u m s t a n c e t h o s et w om u l t i c a s t r o u t i n ga l g o r i t h m sa r ea p p l i e dt ot h e s p e c l t l c a le n v l r o n m e n ti nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nt h i sp a p e r ，w h i c hh a v es o m e 1 0 c a l l z a t l o n ，b u tt h o s er e s t r i c tc o n d i t i o n sc o u l d n tb eb e c o m i n gt r o u b l e s t h e r e f o r e ， t h o s et w or o u t l n ga l g o r i t h m sc o u l do p t i m i z et h er o u t i n go fn e t w o r k ，0 b t a i n i n gw e l l p u r p 0 s e 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 ；s p e c i 矗c a le n v i r o n m e n t ；m u l t i c a s tm u t i n g ； r e g i o nd i v i d e dm e t h o d ；c i u s t e r i n gh i e r a r c h y ；m u l t i c a s tt r e e 特定环境下无线传感器网络的组播路由算法研究 插图索引 图2 1 传感器节点体系结构5 图2 2 不同网络通信方式1 0 图2 3 组播网络模型12 图2 4 组播地址格式1 2 图3 1 服务模型2 7 图3 2t e a mm u l t i c a s t 系统结构2 8 图3 3m o b i c a s t 的路由原理图2 9 图4 1 虚拟单元格的划分。3 3 图4 2 网络拓扑生成图3 6 图4 3 算法在网络生存时间上的对比一3 8 图4 4 算法总的能量消耗对比。3 8 图5 1 矿井监控无线通信系统4 1 图5 2 矿井下区域的各个节点分布图4 2 图5 3 模拟实验采用的井下坑道和节点模拟4 5 图5 4 数据传输成功率4 6 v 硕士学位论文 附表索引 表2 1i p v 6 中特殊域的定义1 3 表3 1 组播路由算法比较3 0 表4 1 簇首个数与能耗对比3 7 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 诿乱 日期：沙8 年，月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酿 ( 请在以上相应方框内打 、) 作者签名： 逶豸轧日期：洳易年少月洳日 导师签冬多务v 设籼1 里日期：w 嘞年箩月哆日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究课题的来源 本课题来源于本实验室小组的在研项目：国家自然科学基金( n o 6 0 6 7 3 0 6 1 ) 。 1 2 研究的背景和意义 在当今信息技术飞速发展的时代，以i n t e r n e t 为代表的信息网络给人们的生 活带来了巨大的变化，计算机网络、电子商务、信息产业等成了当今的热门话题。 通过i n t e r n e t ，人们能够及时地了解世界各地的新闻，方便地获得许多有用信息， 如世界各地发展、旅游信息、商品介绍等，还可以参与网上的互动游戏等娱乐活 动，尝试网上远程教育和购物，发送电子邮件等，互联网已经成为很多人日常活 动不可缺少的部分。 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。无线传感器( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 就是由大量无处不在的， 具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的 能够根据环境自主完成指定任务的“智能 自治测控网络系统【1 1 。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 r n 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 信息世界和客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们 可以通过传感网络直接感知客观世界，从而极大地展现有网络的功能和人类认识 世界的能力。美国商务周刊和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1 0 大技术之 一。传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产 业【2 1 。 作为一种新型的无线自组网络【3 1 ，与传统的移动自组织网络( m a n e t ) 相比， 在网络特点、通信模型和数据传输需求方面都有很大的不同。传统无线网络的路 由协议设计以避免网络拥塞、保持网络的连通性和提供高质量网络服务为主要目 标。而传感器网络会受到很多限制，首先是能量受限，网络中的每个传感器节点 通常使用容量有限的电池作为电源，它的计算、存储能力也非常有限；再次无线 传感器网络是用以数据为中心的通信方式的，要查询的数据都分布在全部或部分 节点中：还有邻居节点数据的相似性、频繁变化的拓扑结构等特点，这样对无线 特定环境下无线传感器网络的组播路由算法研究 传感器网络路由的设计中要求的会更加多。目前来讲，传感器网络路由协议着重 研究的是单播和广播，比如说基于地址的路由协议( f l o o d i n g 【4 】和g o s s i p i n g 【4 】) 、 基于数据的路由协议( d d 协议【5 1 、g e a r 协议【6 1 、s p i n 协议【7 1 、l e a c h 协议【8 1 、 t t d d 协议【9 1 ，等等) 。这些算法都是历年来提出的比较经典的算法，各有各的特 点。然而现在又有一种新的趋势，在传感器网络中利用组播技术。组播路由在资 源节省、时延等方面有较好的优势，所以网络应用中提供组播( m u l t i c a s t ) 技术 是非常有必要的，比如在军事运用中，对敌方目标的监控经常要求对同一目标进 行分组监测等。 随着计算机与网络技术的飞速发展，越来越多的应用需要利用组播技术，由 于对传感网络组播算法研究在国内外上还是一个新的研究热点，主要集中在传统 的无线自组网络的组播研究。然而由于传感器网络所特有的特点，使得这些算法 不能适用于传感器网络，因此如何设计出适合传感器网络特性的更加有效的组播 路由协议，是一个值得深入的研究课题。 1 3 论文主要研究内容及章节安排 本论文是在分析了现有的国内外学者所研究的各种有线和无线的组播路由算 法，并分别进行比较分析，找到了适合于森林和矿井两种特殊环境的无线传感器 网络的组播路由算法。 文章的章节安排如下： 第1 章首先对研究课题进行简单的介绍，包括课题的来源、研究的背景和意义 以及论文的主要研究内容及章节安排。 第2 章首先阐述了无线传感器网络系统，介绍了网络产生和发展、特点和应用； 接下来详细介绍了组播技术，分别对组播的发展、组播网络的体系结构、组播的 应用等方面进行分析。同时还介绍了两种有代表并且特殊的监控环境：森林和矿 井。 第3 章分别列举了固定网络、无线网络和无线传感器网络中多种组播路由算 法，并进行简单比较分析：然后对设计组播路由算法需要考虑的重要问题进行阐 述。 第4 章介绍了一种适用于森林环境的无线传感器网络组播路由算法，在这种森 林的监控环境中节点的位置是已知的，该算法是基于区域的分簇组播路由算法。 本章详细介绍了算法的主要思想和具体过程，并介绍了一种仿真软件o m n e t + + ， 应用仿真软件对算法进行实验，体现出算法的优越性。该算法是利用对监测地点 进行分区，每个小区域进行分簇，通过簇首来构建组播树，这样可使簇首能均匀 分布在监测区域内，并能延长整个网络的生命周期。 第5 章中介绍了一种适用于矿井环境的无线传感器网络组播路由算法，在这种 2 硕十学位论文 矿井的监控环境中部分节点是固定的，而一部分节点位置是移动的。本章不仅 分析了矿井环境的特殊性及其路由算法实施的困难，还列举了已有应用于矿井环 境的路由算法，分析其利弊并得出一种基于树的应用于矿井环境的分层组播路由 算法。该算法是利用了井下坑道的特殊结构，使固定节点首先组成网络，并进行 环境监测，当节点加入或离开时，只是局部的改变网络的拓扑结构，而节省网络 的资源。 最后是对本文的总结及对今后工作的展望。 3 特定环境下无线传感器网络的组播路由算法研究 第2 章重要概念及相关研究综述 2 1 无线传感器网络概述 人类进入2 1 世纪以后，m e m s 技术、低能耗的模拟和数字电路技术、低能 耗的无线电射频技术和传感技术的发展使得开发小体积、低成本、低功耗的微传 感器成为可能。无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微 小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指 定任务的“智能”自治测控网络系统，其目的是协作地感知、采集合处理网络覆 盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。因为无线传感器的很多特性，因此 在环境与军事监控、地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索等方面具有 非常广泛的应用前景。 作为一种新型的无线自组网络，它与传统的m a n e t 的有着不同的设计目标， 后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同 时为用户提供一定的服务质量保证；在无线传感器网络中，除了少数节点需要移 动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危 险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线 传感器网络的核心问题。当然，从理论上讲，太阳能电池能持久地补给能源，但 工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。在无线传感器网络的研究初 期，人们一度认为成熟的i n t e r n e t 技术加上a d - h o c 路由机制对传感器网络的设计 是足够充分的，但深入的研究表明【1 0 l ：传感器网络有着与传统网络明显不同的技 术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序， 传统网络的设计遵循着“端到端 的边缘论思想【1 1 1 ，强调将一切与功能相关的处 理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发；对于传感器网络， 这未必是一种合理的选择，一些为自组织的a d h o c 网络设计的协议和算法也未必 适合传感器网络的特点和应用的要求，这些都为无线传感器网络的研究提出了新 的技术问题。 2 1 1 无线传感器网络的产生和发展 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n s ) 是一种全新的信息获取 和处理技术【1 2 】，正是由于微型传感器技术和节点的无线通信能力不断发展，为无 线传感器网络赋予了广阔的应用前景，主要应用在军事、环境、健康、家庭和其 他商业等领域。 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 0 0 0 年起，国际上开始出 4 硕+ 学位论文 现一些有关传感器网络研究结果的报道【1 3 】。但是，这些研究成果处于起步阶段， 距离实际需求还相差甚远，我国在传感器网络方面的研究工作还很少。 传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节 点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点 监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被 多个节点处理，经过多跳路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。 用户通过管理节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。因此传感器网络是由一组传感器以目的为协作地感知、采集和处理网络覆盖 的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者的网络【1 0 j 。从上述简述得知，传 感器、感知对象和观察者是传感器网络的3 个基本要素；有线和无线网络是传感 器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信 路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。 传感器节点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。每个传感器节点兼顾传统网络节点的 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，还要对其他节点 转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定 任务。 传感器节点由传感器模块、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2 1 所示【2 】。传感器模块负责检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节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其 他节点发来的数据：无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控 制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常 采用微型电池。 图2 1 传感器节点体系结构【2 】 2 1 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络与无线自组织网络虽有相似之处，但存在很大区别【1 4 47 1 。总 结如下： 5 特定环境下无线传感器网络的组播路由算法研究 ( 1 ) 大规模的网络结构：为了获取更加精确信息，在监测区域通常会部署大 量传感器节点，这些传感器节点数量可能会比较庞大。通过大量传感器节点对网 络进行监测并搜集信息，由于节点可以到达任意区域，包括人工不能监测到的危 险区域，所以搜集到的信息也能全方位的代表该区域的特征。 ( 2 ) 设计目标的特殊性：在传统的无线网络中，可以通过优化路由和资源管 理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。而在无线传 感器网络中，节点通常情况下被放置在没有基础设施的地方，有时人是无法接近 的恶劣甚至危险的远程环境，所以节点的能量、存储及处理能力是十分有限的， 所以设计有效的策略延长网络的生命周期成为了无线传感器网络的核心问题。 ( 3 ) 网络性质的特殊性：目前的互联网是先有计算机终端系统，然后再互联 成为网络，终端系统比如说p c 机可以离开网络而独立运作。在网络中，每一台 终端设备用网络中唯一的i p 地址标识，所以说目前的互联网是一个以地址为中心 的网络。但是在传感器网络中，由于节点是用来监测某一个区域，比如搜集该区 域的温度、浓度等方面的信息，以任务为主，而这些信息是通过数据的形式表现 出来的，所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。 总之，无线传感器网络有着与传统无线网络不同的技术要求，前者以数据为 中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循 的思想，强调将与功能相关的处理都放在网络的终端设备系统上，中间节点仅仅 负责数据转发，对于无线传感器网络，这未必是一种合理的选择。 2 1 3 无线传感器网络的研究与应用 无线传感器的应用前景非常广泛，能够灵活地应用于军事、环境监测和预报、 健康护理、智能家居、森林的火灾监控、矿井的瓦斯监控等【1 8 l 。从2 1 世纪开始， 传感器网络引起了学术界、军事领域和其他领域的广泛关注，美国和欧洲也相继 启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。 2 1 3 1 军事应用与研究 军事领域的需求是传感器网络得以迅速发展和被广泛应用的推动力量，也是 传感器网络最为典型的一种应用。美国国防部和个军事部门较早开始启动对传感 器网络的研究，在9 0 年代末期美国d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o i e c t s a g e n c y ) 启动了s e n s i t ( s e n s o ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 计划。该计划的目的就 是将多种类型的传感器、处理器和无线通信技术结合起来，建立一个廉价的无处 不在的网络系统，用来监测光学、声学、震动、湿度、温度等物理量。美国陆军 于2 0 0 1 年提出了“灵巧传感器网络通信 计划，以及近期美国陆军确立的“无人 值守地面传感器群 项目和美国海军最近确立的“传感器组网系统 研究项目等 等都显示了传感器网络已经成为军事c 4 i s r t 系统【1 9 】中不可缺少的部分，受到军 6 硕士学位论文 事发达国家的普遍重视，各国都纷纷投入大量的人力、物力和财力来对其进行研 究。 2 1 3 2 民用领域应用与研究 美国交通部在1 9 9 5 年提出了“国家智能交通系统项目规划 【2 0 l ，预计到2 0 2 5 年全面投入使用。该计划驶入有效集成先进的信息技术、数据通信技术、传感器 技术、控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理，建立一个大范围 全方位的实时高效的综合交通运输管理系统。该系统能实时的监测交通运输情况， 能对潜在的事故发出警告，避免了过多的交通事故的发生。英特尔公司也在2 0 0 2 年1 0 月2 4 日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划 。计划宣称，英 特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林火灾监测等领域的应 用。英特尔研究中心伯克利实验室和大西洋学院的研究人员计划部署和使用无线 传感器网络来研究岛上环境。这些传感器由湿度、温度、气压等芯片和红外线传 感器组成。科学家们使用这些设备可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监 视它们及其生存环境。传感器网络还应用于医疗系统中用于监控医院内医生和患 者的行动，在s s i m 计划1 2 1 】中，替代视网膜的芯片由1 0 0 个微型的传感器组成， 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受的视力 水平。， f7 ： 2 1 3 3 学术界应用与研究 美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研究计划，在加州大 学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，联合周边的加州大学伯克利分校、南 加州大学等，展开“嵌入式智能传感器 的研究项引2 2 也4 1 ，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和控制，支持相关基础理论的研究，这 也是美国国情咨文中有关i n t e m e t 2 最主要的远景规划之一。加州大学洛杉矶分校 开发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境，用于考察传感器网 络各方面的问题。他们提出了低级通信不依赖于网络拓扑结构的分布式系统技术、 支持多应用传感器网络中命名数据和网内数据处理的软件结构、变换初始感知为 高级数据流的层次系统结构、传感器网络的时间同步的解决方法、自组织传感器 网络的设计问题和解决方法、新的多路径模式等。南加州大学提出了在生疏环境 部署移动传感器的方法、传感器网络监视结构及其聚集函数计算方法、节省能源 的计算聚集的树构造算法等【2 5 1 。斯坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传 感器资源管理的对偶空间方法以及由无线网连接的传感器和控制器构成的闭环控 制系统的框架【2 6 1 。 我国在无线传感器网络方面的研究成果还相对较少，但是一些高校和研究机 构已经积极开展了有关传感器网络方面的研究，比如中科院上海微系统研究所、 7 特定环境下无线传感器网络的组播路由算法研究 沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所 等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学等院校都开展了传感器 网络的研究，2 0 0 4 年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工作中来。 其中，哈尔滨工业大学和黑龙江大学在传感器数据管理系统方面开展了研究工作， 提出了以数据为中心的传感器网络的数据模型、一系列的能源有效的感知数据操 作算法和感知数据查询处理技术，并研制了一个传感器网络数据管理系统。目前 我国的研究处于理论分析和实验仿真阶段，还有待进一步的进行实际应用。 2 1 4 本论文特殊环境的无线传感器网络应用 近年来，随着无线传感器网络技术的迅猛发展，以及人们对于环境保护和环 境监督提出的更高要求，越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用 无线传感器网络技术的研究。通过在监测区域内部署大量的廉价微型传感器节点， 经由无线通信方式形成一个多跳的网络系统，从而实现网络覆盖区域内感知对象 的信息采集、处理融合和传输应用。与传统的环境监测方式相比，使用传感器网 络进行环境监测有三个显著的优势：一是网络的自组性提供了廉价而且快速部署 网络的可能；二是现场采集的数据可通过中间节点进行传送，在不增加功耗和成 本的前提下，可将系统性能提高一个数量级；三是网络的健壮性、抗毁性满足了 某些特定应用的需求。 2 1 4 1 森林监测 森林是人类赖以生存和社会发展最重要的和不可缺少的资源。由于人们在社 会活动中的某些失控及异常自然因素影响等原因，森林火灾时常发生，对人类生 命财产及生态环境造成了巨大危害。森林火灾具有难以预测、着火面积大、难以 控制和扑救等特点，如何对林火的发生和蔓延进行预测与预报，为林火的预防和 灭火指挥提供正确的决策支持，成为迫切需要解决的问题。传统的森林火险预报 方法基本上是根据气象条件中火险因子的预报值或结合前期各火险因子的实测值 计算出火险指数，从而判别森林中可燃物的易燃程度，但是不能确定何时何地发 生火灾。针对此种情况，设计出无线传感器网络的森林火灾监测系统是很有必要 的。由于传感器能够灵敏地感应温度、湿度、光亮度等参数的快速变化，无线传 感器网络具备实时性和监测精度高的优势，非常符合重点监控林区的火险监测要 求。在准确的火灾预测预报与蔓延模型支持下，结合高效的传感器网络节点定位 算法，可以在接到火险预警之后，迅速、准确地查明火源发生地点，为组织指挥 灭火争取到宝贵时间。通过把微传感器撒在森林中，让其自动组织成一个无线网 络，实时采集各种环境数据( 温度、湿度、大气压力、光亮度等) ，并通过网络传 递到用户，从而实现对重点监控林区的实时监测，对采集数据实时处理，对异常 情况迅速报警。 8 硕士学位论文 在本论文中提出的应用于森林环境监测与以往的有所不同，以往的无线传感 器节点均是从空中随机抛撤，没有考虑到节点的布设均匀程度，也没考虑很多其 他的因素；而在本论文中用于森林环境监测的网络虽然是随机布设的节点，但假 设节点的位置均已知，而且假设所有节点均匀的撒落在监测区域内，这样就不至 于使某些单独的节点与其他节点距离比通信范围远而成为无用节点。 2 1 4 2 矿井监测 目前，我国煤矿安全技术与装备水平低，事故隐患多，矿井防灾、抗灾能力 差。煤矿安全生产的重要保障之一是全矿井无线信息系统。由于煤矿开采主要以 井下为主，巷道可长达数十千米，矿井生产工序多，作业地点分散，人员流动性 大且工作环境恶劣，事故隐患极大。矿井生产的这种特点对建立一个功能较为完 善的集调度移动通信、机车的无线定位和导航、人员定位与追踪、无线可视多媒 体监视、移动计算、矿井环境无线安全监测的全矿井无线信息系统有着迫切的要 求。由于井下环境十分复杂，有线监控系统难以覆盖所需监测矿井的所有区域， 而有线监控系统难以覆盖的区域往往是安全隐患最为突出的地方，这样将不可避 免地留下大量的安全隐患。传统的有线监控系统对此问题一直难以解决，而采用 无线安全监测技术可以对有线监控系统难以覆盖的区域实现十分有效、实时和灵 活的监测，将大大提高全矿井安全监测的实时性与可靠性。与有线矿井监测、监 控系统不同，电磁波在矿井巷道中传播衰耗严重、无线通信距离短，成为制约有 效实现矿井巷道中无线通信的瓶颈。利用局部无线传感器网络通过对矿井环境参 数监测与计算的结果进行无线传输实现，而此网络对高效地使用传感器电池能量 有很高的要求，如何在满足监测要求的条件下消耗最小的能量来获取和传输监测 信息，需优化无线传感器配置，建立与传感器无线传输方式相适应的询问、接入 协议，以高效、可靠地获取和传输信息，节约能量。 在本论文中提出的应用于矿井环境监测也是与以往的有所不同，以往的是利 用有线方式通信，或者是利用电磁波进行通信，而有线网络在矿井下容易受到很 多因素的影响，甚至有线监控不能布设在人无法到达的地方，利用电磁波则传播 衰耗严重、通信距离短；而在本论文中用于矿井环境监测的无线传感器网络是在 巷道内壁上固定布设的节点，节点的位置是已知的，节点能够收集在通信范围内 的任何信息传输上去，这样就能实时地监测矿井下的任何情况，提前预告危险的 发生，增加了矿井监测的可靠性。 2 2 组播技术 近年来，随着i n t e r n e t 的迅速普及和爆炸性发展，使得各种单一媒体相继成 为网络传输中的数据，进而各种媒体的融合使得网络多媒体运用层出不穷。目前， 9 特定环境下无线传感器网络的组播路由算法研究 在网络上产生了许多新的应用，其中不少是高带宽的多媒体应用，譬如网络视频 会议、远程教学、网络音频视频广播、股市行情发布等，要求在组用户中进行实 时通信，而传统网络最初是为数据传输而设计的，是典型的点到点通信模式，所 用的传输协议多为点到点的协议，其所具有的特点将增加网络发送负载，带来网 络延时，这就带来了带宽的急剧消耗和网络拥挤问题。为了缓解网络瓶颈，需要 一种方法让本身规模较大而相对互联网又较小的工作组能相互间方便、快捷的传 递信息，尽可能节约网络资源。人们提出各种方案：增加互连带宽、改变网络流 量结构、应用q o s 机制把带宽分配给一部分应用、i p 组播技术等等。其中，i p 组 播技术有其独特的优越性在组播网络中，即使用户数量成倍增长，网络主干 带宽并不需要随之增加，同一个组播会话的相同数据在每条链路上只传输一次。 组播技术为网络提供了便利，解决了原本带宽已经达到瓶颈的网络的资源问题。 2 2 1 网络数据传输方式 当前的网络中有三种数据传输方式：单播、广播、组播( 多播) ，其中的组 播出现时间最晚但同时具备单播和广播的优点，最具有发展前景。图2 2 中显示 了不同的通信方式【2 。 oaa p 一”上一沁占一 ( a ) 单播通信( b ) 广播通信( c ) 组播通信 图2 2 不同网络通信方式【韧 s 是源节点，图2 2 ( a ) 中是单播方式，它是指在两个指定的节点间进行的 数据通信，是最常见的通信方式。在图中s 节点直接发送给d 节点信息，所以它 是一种“一对一 的通讯模式，但是它的问题是即使发送相同的数据，有多少个 参与通信的目的地址就要在源端到目的地之间建立多少个逻辑数据通道。图2 2 ( b ) 中是广播方式，它是指在i p 子网内向子网内部所有节点发送数据包，所有 子网内部的节点都能够收到该数据包的通信方式。在图中s 节点发送的信息，通 过b 节点转发，a 与c 节点都能收到，所以它是一种“一对所有 的通讯模式， 然而问题是数据的接收与否不能取决于节点的意愿。图2 2 ( c ) 中是组播方式， 它则指在i p 网上对由组播地址确定的一组节点进行数据传送的通信方式，通过使 用组播模块，节点能决定是否接收相应数据，源端对相同的数据只发送一次，在 每条链路上相同的数据也只传输一次。图中s 节点的信息通过b 节点转发