（控制科学与工程专业论文）无线传感器网络中的信息处理研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 无线传感器网络( w s n ) 是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能 力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完 成指定任务的智能系统：是继i n t e r n e t 网之后随着传感器技术、微机电技术、 无线通信技术和分布式信息处理技术发展而发展起来的一种新兴信息获 取技术，将改变人类认识自然及与自然界交互的方式。传感器网络是计算 机科学技术的一个新的研究领域，具有十分广阔的应用前景，引起了学术 界和工业界的高度重视。 无线传感器网络是以信息处理为中心的系统。无线传感器网络主要用 于从环境中收集监测对象信息，对其进行处理，并传送到服务中心或用户。 任何基于传感器网络的应用系统都离不开信息的管理和处理技术。信息处 理技术主要包括数据的压缩、融合、存储、查询，分析、挖掘、理解以及 基于感知数据决策、行为的理论和技术无线传感器网络信息处理的目的 是在资源受限和能量最优的条件下管理传感器网络监测区域的感知信息， 使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传 感器网络上进行感知数据的管理和处理，而无需关心传感器网络实现的细 节 但由于无线传感器网络节点数量众多，分布密集，拓扑结构复杂多变， 每个节点的资源极其有限( 包括计算、存储、通信能力) ，给无线传感器网 络的信息处理带来了严峻挑战，为此，必须采取简单、高效、可扩展性好 的处理策略。到目前为止，感知数据管理和处理技术的研究还不多，还有 大量的问题需要解决本文对无线传感器网络中的感知数据( 信息) 管理和 处理等相关热点问题进行了研究，为进一步的应用和研究打下基础。本文 所作的主要工作如下： 1 ) 提出了一种新型的基于简化提升格式的分布式小波数据压缩算法。 这种算法计算量很小，能有效消除无线传感器网络中各个节点间的信息冗 余，大大节省了无线通信所消耗的能量，延长了网络寿命。 2 ) 针对无线传感器网络中环境监测时的图像采集，本文提出了一种分 布式小波图像压缩算法。利用监测节点所采集的图像通常具有的变化少、 相关性强等特点，引入了简单的变化检测算法和位置估计，补偿算法检测并 压缩图像的活跃区域，消除各节点所采集的图像之间的信息冗余，从而节 省通信能耗。 3 ) 利用小波分解系数的多分辨分析和由粗及精等特点，提出了一种基 于小波框架的新型分布式存储和查询方法。它使所有节点所采集的数据经 小波压缩后平均分布于各个节点之中，构成小波系数空间存储结构树。提 高了存储效率，并支持时空两个方向的快速查询。 4 ) 针对无线链路通信质量不可靠的情况，研究了无线传感器网络中基 于无线链路的信息决策融合的问题，提出了一种新的最优似然比( l r ) 规 则。考虑到传感器网络的资源受限，对信噪比较高或较低的情况下又提出 了两种简化的次优融合规则，最后讨论了同类传感器模型下的融合情况。 5 ) 通过对传统a p r i o r i 算法的改进。提出了一种节点关联规则挖掘方法 来发现大量节点之间的有趣关联或相关联系，以此消除节点之间的信息冗 余。这种方法可以帮助用户对数据进行有效的融合、分类、查询、分析、 理解和决策；减少信息处理中通信和计算所消耗的能量。 最后总结全文，指出有待于进一步研究的课题和今后的重点工作。 浙江大学博士学位论文 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 s ( w s n ) i sas e i f - o r g a n i z e dd i s t r i b u t e d i n t e l l i g e n ts y s t e mc o m p r i s i n gl o w - c o s t ，l o w p o w e r ，m u l t i f u n c t i o n a ls e n s o r n o d e st h a ta r es m a l li ns i z ea n dc a p a b l eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni ns h o r t d i s t a n c e s w s n ，w h i c hi n t e g r a t e st h et e c h n o l o g i e so fs e n s o rm i c r oe l e c t r 0 m e c h a n i c a l 。w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dd i s t r i b u t e dc o m p u t a t i o n ，i san o v e l m o d eo fc o m p u t i n ga n dah o t s p o to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya f t e ri n t e r n e t i t w i l lc h a n g et h ew a yt h a th u m a nr e c o g n i z ea n dc o m m u n i c a t ew i t ht h ep h y s i c a l n a t u r e s e n s o rn e t w o r ki san e wr e s e a r c ha r e ao fc o m p u t e rs c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya n dh a saw i d ea p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e b o t ha c a d e m i aa n d i n d u s t r i e sa r ev e r yi n t e r e s t e di ni t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sa ni n f o r m a t i o n - c e n t r i cs y s t e m t h eb a s i c r o l eo ft h ew s ni st oc o l l e c ti n f o r m a t i o no fm o n i t o r e do b j e c t si nt h e e n v i r o n m e n t a n dt h e nt op r o c e s sa n dt r a n s m i tt h e mt ot h es i n kn o d e a n y a p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sr e l a t e dt od a t am a n a g e m e n ta n d i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g i nw s ni n c l u d e s d a t a c o m p r e s s i o na l g o r i t h m s ，d i s t r i b u t e dd a t a b a s es t o r a g ea n dq u e r ys t r a t e g i e s ， i n n e t w o r kd a t af u s i o no ra g g r e g a t i o na n ds 0o n t h em a i ng o a lo f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi nw s ni st om a n a g et h es e n s i n gd a t ac o l l e c t e df r o m t h ee n v i r o n m e n tw i t hl i m i t e dr e s o u r c e sa n de n e i g ys a v e s ot h a t t h eu s e r s c a nm a n a g e sa n dp r o c e s st h es e n s i n gd a t aa si nt h es a m ec o n v e n i e n tw a ya s p r o c e s s i n go nt h en o r m a id a t a b a s ew i t h e u tc o n s i d e rt h ed e t a i lo fw s n h o w e v e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw s nb r i n gg r e a tc h a l l e n g e st ot h e i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi nw s n ，s u c ha st h eu l t r al a r g en u m b e ro fs e n s o r n o d e s ，d e n s ed e p l o y m e n t ，f r e q u e n t l yc h a n g i n gt o p o l o g ys t r u c t u r e ，t h el i m i t e d r e s o u r c e s ，i n c l u d i n gc o m p u t a t i o n ，s t o r a g ea n dc o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t y ，a n d s oo n a l lt h e s er e q u i r et h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n g a l g o r i t h m st ob e e n e r g y e f f i c i e n t ，s c a l a b l ew e l la n dr o b u s t t h i st h e s i sg i v e s a no v e r v i e wo ft h e f o r m e rw o r ko nt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga p p r o a c h e si nw s n ，a n ds t u d i e s t h er e l a t e di s s u e so fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n go fw s n t h em a j o rc o n t r i b u t i o n o ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss t a t e da sf o i l o w s ： nn l i st h e s i s p r o p o s e d an o v e ld i s t r i b u t e dw a v e l e tc o m p r e s s i o n a l g o r i t h mb a s i n g o n s i m p l el i f t i n g f a c t o r i z a t i o nf o r r e d u c i n ge n e r g y c o n s u m p t i o ni n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 1 1 1 i sl o wc o m p l e x i t ya l g o r i t h mc a n i i i a b s t r a c t e x p l o i tt h ei n h e r e n tc o r r e l a t i o n st h a te x i s ti no rb e t w e e ns e n s o rr e a d i n g sa n d s i g n i f i c a n t l y r e d u c et r a n s m i s s i o nc o s t s ，a n dt h e np r o l o n gt h en e t w o r k l i f e t i m e 2 ) f o c u s i n go nt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t si ne n v i r o n m e n ts u r v e i l l a n c e an o v e ld i s t r i b u t e d3 dw a v e l e ti m a g ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mw a sd e v e l o p e d s i n c es u r v e i l l a n c ei m a g es e q u e n c e sa r eo f t e nc h a r a c t e r i z e db yl o wm o t i o na n dh i g h c o r r e l a t i o ni nw s n , l o w - c o m p l e x i t yc h a n g ed e t e c t i o na l g o r i t h m ( l c d a ) a sw e l l a sp o s i t i o ne g i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m ( p e & c a ) w a sd e s i g n e dt o r e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o nb yt h ew a yd e t e c ta n dc o m p r e s si n t e r e s t e dr e g i o n s , r e m o v et h ec o r r e l a t i o no f t h ei m a g ec o l l e c t e db ye a c hs e n s o r 3 ) b a s e do nt h em u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i so fw a v e l e t ，t h i st h e s i sp r o p o s e d an o v e ld i s t r i b u t e ds t o r a g e q u e r ym e t h o d ，w h i c hd i s t r i b u t e dd a t at o e v e r y s e n s o rn o d e ，a n dc o n s t r u c t e daw a v e l e ts p a t i a la r c h i t e c t u r et r e e t h i s a p p r o a c h c a ns t o r ed a t a e f f i c i e n t l ya n d s u p p o r th i g h l y e f f i c i e n t s p a t i o t e m p o r a lq u e r y 4 ) t h eq u a i l t yo fl i n kc o m m u n i c a t i o nh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to n u p p e r - l a y e ra p p l i c a t i o ni nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s w es t u d yt h ep r o b l e mo f f u s i n gd e c i s i o n st r a n s m i t t e do v e rf a d i n gc h a n n e l si naw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k w ep r o p o s ean e wl i k e l i h o o dr a t i o ( l r ) b a s e df u s i o nr u l ew h i c h r e q u i r e so n l y t h e k n o w l e d g e o fc h a n n e ls t a t i s t i c s t w o s u b o p t i m u m a l t e r n a t i v e sa r ep r e s e n t e di nt h el o wo rh i g hs n rc h a n n e lt or e d u c et h e e n e r g yc o n s u m p t i o n u n d e rt h ei d e n t i c a ll o c a ls e n s o ra n dt h es a m ec h a n n e l s n r ( s i n g n a ln o i s er a t e ) a s s u m p t i o n ，w es t u d yt h ef u s i o ns t a t i s t i ci nt h el a s t 5 ) b a s e do i lm o d i f i e da p r i o r ia l g o r i t h m ，t h i st h e s i sp r o p o s e san o v e l n o d ea s s o c i a t i o nr u l e m i n i n ga l g o r i t h m f o r e x p l o i t i n g t h ei n h e r e n t c o r r e l a t i o n sb e t w e e ns e n s o rr e a d i n g s t h i sa p p r o a c hc a nh e l pu s e r st om a n a g e d a t a e f f i c i e n t l yd u r i n ga g g r e g a t i o n ，c l a s s i f i c a t i o n ，p r e d i c t i o n ，q u e r y ， u n d e r s t a n d i n g a n dd e c i s i o n - m a k i n g ，a n dt h e n r e d u c e c o m p u t a t i o na n d c o m m u n i c a t i o ne n e r g yi ni n f o r m a t i o np r o c e s s i n ge f f e c t i v e l y i nt h el a s tc h a p t e r ，w ec o n c l u d et h ed i s s e r t a t i o na n do u t l i n e sf u t u r e r e s e a r c h i v 浙江大学博士学位论文 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 ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，w a v e l e t ， d a t a c o m p r e s s i o n ，i m a g ec o m p r e s s i o n ，d i s t r i b u t e ds t o r a g e a n d q u e r y ， a s s o c i a t i o nr u l e ，d a t af u s i o n v 浙江大学博士学位论文 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师孙优贤教授表示最诚挚的敬意和最 衷心的感谢! 在攻读博士学位期间，导师为我提供了良好的科研环境，并 在学习、工作和生活上给予了热情的关心与支持，学生将铭记在心。导师 严谨的治学态度、深邃的洞察力、开阔活跃的思维、勤恳的工作作风、平 易近人的长者风范一直影响和激励着我，并将是我一生中最宝贵的精神财 富，让我终生受益。 衷心感谢林庆女士在生活学习等多方面给予我热情周到的帮助。 感谢副导师卢建刚副教授对论文工作提供的帮助，本论文能够顺利完 成，离不开卢老师的悉心指导和严格要求，在跟随卢老师学习的过程中， 我不仅掌握了全新而实用的学术思想和研究方法，也领会了许多待入接物 与为人处世的道理。 在本论文形成过程中，我有幸得到了皮道映教授、戴华平副教授、王 智副研究员、陈积明老师以及控制系的诸多其他老师的指导、关心和帮助， 很多想法都是在他们的指导下逐渐形成，并付于实施，在此深表谢意。 感谢商秀芹、赵军、陈鹏，童长飞、王志波、曹锋等人对我的论文进 行修改并提出的建议；感谢戴晓华为我的论文框架提供了很好的建议；感 谢无线传感器网络整个课题组成员申兴发、李燕君、李鸿斌、张艳平、曹 向辉等等，与你们的交流和探讨使我受益非浅；感谢已毕业的师兄蒋鹏、 孙宗海、杨旭华、范兴刚、夏锋、张端、王庆东、毛勇等，感谢好友台鑫、 王晓东、黄豪佑、王磊、李凯、王成群、童昱、程鹏、夏铮、罗艳斌、徐 军等同学以及工控所里面其他无法一一列举的同学、朋友! 四年来我们互 相帮助，共同进步，大家共同分享生活中的快乐和忧伤，一起面对学习和 生活中的压力与挑战，度过了愉快而短暂的时光。 最后感谢我的父母、姐姐和亲人，正是他们一直以来对我的教导、理 解、支持、关心和帮助，使我可以全身心地投入到学习与工作中去，顺利 完成学业。 v 董辉 2 0 0 7 年5 月于求是园 浙江大学博十学位论文 第一章绪论 摘要：本章对无线传感器网络的背景、意义和现状进行了概括性介 绍，指出信息处理是无线传感器网络的核心问题。然后着重介绍了 传感器网络信息处理的特点、挑战、基本内容、国内外研究现状及 最新进展，对前人所研究的各种算法优缺点进行评述，并指出了其 关键问题。最后阐述了本论文的研究思路和主要工作，介绍了全文 各部分的相互关系。 关键词：无线传感器网络体系结构信息处理分布式数据库数 据压缩分布式数据存储与查询数据融合 1 1 无线传感器网络 近年来无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统( m e m s ) 等技术 的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大规模应 用成为可能。这些微型无线传感器具有无线通信、数据收集和处理、协同 合作等功能，共同组成了无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ， w s n ) ，带来了一种全新的信息获取和处理模式，是因特网从虚拟世界到 物理世界的延伸。因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式，而无线传 感器网络将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自 然交互的方式。无线传感器网络是继因特网之后的i t 热点技术，具有广阔 的应用前景，引起了学术界和工业界的高度重视【1 - 1 l 】。 1 1 1 基本概念 无线传感器网络是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微 小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完成指定 任务的“智能”系统。它通过无线通信方式形成多跳自组织的网络系统，能 够协同地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中对象的信息，并传送给观 察者。网络中的每个节点都含有一个体积小、价格便宜、低能耗、支持短 距离通信的多功能传感器。每个传感器节点具备信号采集、数据处理、相 互通信的功能，直接嵌入到相应的设备或环境当中，具有很大的灵活性和 移动性【7 】。 第一章绪论 通过自动随机部署( 比如无人驾驶飞机播撒) 在监测区域的传感器节 点，自组织形成网络，并通过接收器( s i n k ) 或具有较强通信、存储和处理 能力、配备足够电力的基站( b a s es t a t i o n ) 将各种传感信号通过卫星、无线 网络或i n t e r n e t 等传送到控制中心服务器，用户可以通过服务器查看、查询、 搜索相关数据，并通过控制服务器发送相应的命令。实现远程监控和操作。 典型的无线传感器网络体系结构如图1 - 1 所示。 图l 1 无线传感器网络同构型结构 在不同的应用中，无线传感器网络的节点组成不尽相同，但基本上都 由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、电源等四部分组成【l ，2 ， 5 ，1 2 】。数据采集单元由传感器与模数转换器( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ， a d c ) 组成。数据处理单元主要由微处理器和存储器构成。微处理器，一 般采用小型、低功耗的嵌入式c p u ，比如a t m e l 公司的a t m e g a l 2 8 、m o t o r o l a 公司的6 8 h c l 6 、a r m 公司的a r m 7 等 2 ，6 】。嵌入式操作系统，可采用 u c o s 、r t - l i n u x 、u c l i n u x 等。针对m o t e 1 3 ，1 4 平台，美国加州大学伯 克利分校( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a a tb e r k e l e y ，u cb e r k e l e y ) 专门开发了 t i n y o s 1 3 】操作系统。数据传输单元通常采用低功耗、低成本的射频通信 芯片，比如c h i p c o n 公司的c c l 0 0 0 、c c l 0 1 0 等。电源系统主要采用电池 供电。此外，根据需要也可能有用于定位的定位系统( 比如用于绝对定位 的全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，g p s ) 、用于提供节点移动能力的 移动设备( 比如小电机驱动的小车等) 以及用于执行相应的控制功能的执行 器等。 2 浙江大学博士学位论文 根据开发系统互联参考模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t r e f e r e n c e m o d e l ，o s i ) 的七层模型，结合无线传感器网络的节点组成结构，可以用 图l 2 来表示带协议栈的节点组成结构【6 ，7 ，1 5 】。其中，物理层负责数据的 调制、发送与接收，涉及传输的媒介、频段的选择、载波产生、信号检测、 调制解调方式、数据加密和硬件设计等【1 ，5 】。数据链路层包括差错控制和 媒介访问控带t j ( m a c ) 。目前的数据通信网中两种重要的差错控制是：前向 纠错( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 及自动重复请求( a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ，a r q ) 。网络层主要是对路由协议进行设计，实现数据的实时多 跳传输和整个网络的节能。传输层协议主要实现与i n t e r n e t 或其它的网络进 行互联。应用层主要是面向应用提供专用的服务，它通过协调控制整个网 络，提供可供操作的的“人网交互”界面。 图1 - 2 无线传感器网络节点组成结构图 1 1 2 无线传感器网络的特点 目前常见的无线网络包括蜂窝移动通信网、无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 、蓝牙网络、移动专用网络( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ， m a n e t ) 等。这些网络的设计目标，是在高度移动的环境中通过优化路由 3 第一章绪论 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【1 ，2 ，4 ，5 】。无线传感器网络与传统的a dh o c 网络相比，有很多相似之处， 但同时也存在着很大的差别。传感器节点具有的能量、处理能力、存储能 力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供服务质 量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源：而传感器网络的首要设计目标 是能源的高效利用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。和 传统的a dh o c 网络相比，无线传感器网络具有以下几方面的特点【l 7 1 。 1 ) 超大规模：为了获得物理世界的精确信息，通常在被监测区域部署 大量的传感器节点，传感器节点的数量可能达到成千上万，甚至更多传 感器网络的超大规模包含两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大 的地理区域范围内，如森林火灾监护和环境监测等；另一方面是指节点部 署很密集，并且存在大量的冗余节点，以期获得精确的监测效果。 2 1 网络自组：网络的布署和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节 点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开启后就可以快速、 自动地组成一个独立的网络。由于传感器节点容易失效，也有可能为了弥 补失效节点，增加监测精度而随时补充一些节点到网络中，因此需要在恶 劣的环境自动配置与容错。 3 ) 硬件资源有限：节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、 程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点 操作系统设计中，协议层次不能太复杂。 4 ) 电源容量有限：传感器节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。 其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一 旦电池能量用完，节点也就失去了作用( 节点失效) 。因此在传感器网络设 计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为首要条件，以延长网络的 使用寿命。 5 ) 动态拓扑：无线传感器网络是一个动态的网络，一些节点可以随处 移动；一些节点可能会因为电池能量耗尽、环境因素或其他故障而失效， 退出网络；一些节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会 使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。 6 ) 以数据为中心的网络：由于传感器节点多是随机部署，构成的网络 和节点编号之间的关系是动态的，表现为节点编号和节点位置没有直接的 4 浙江大学博士学位论文 关系。无线传感器网络不像传统的网络以连接为中心，而是以数据为中心 的网络，因此需要节点进行数据聚合、融合、缓存和压缩等处理。 通常评价无线传感器网络采用能耗有效性、长寿性、可扩展性、容错 性、实时性、精确性等几个性能指标。这些性能指标还没有达到实用的程 度，需要进一步地模型化和量化【l ，4 】。同时，这些性能指标也是设计无线 传感器网络时的优化目标( 优化目标还需要考虑传感器节点的生产成本问 题，由于无线传感器网络的节点数多在几百到几千甚至成千上万个，每个 节点成本必须控制在l 美元以下【l 】) 。为了达到这些目标的优化，有大量 的研究工作需要完成。 1 1 - 3 研究意义及现状 无线传感器网络潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业 界的高度重视。无线传感器网络被认为是2 1 世纪最重要的技术之一，它将 会对人类未来的生活方式产生深远影响。早在2 0 0 3 年，美国商业周刊在其 “未来技术专版”中指出，效用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体 器官是全球未来的四大高技术产业，它们将掀起新的产业浪潮 6 1 。2 0 0 3 年2 月份的美国 技术评论杂志【8 】评出对人类未来生活产生深远影响的 十大新兴技术，无线传感器网络即被列为第一。与此同时，m i t 技术评论 ( t e c h n o l o g yr e v i e w ) 在预测未来技术发展的报告中指出，无线传感器网络 处于在不远的将来将改变世界十大新兴技术之首f 1 3 】。 无线传感器网络的应用前景十分广阔【4 】。与i n t e r n e t 技术相似，无线传 感器网络最初也是由美国军方提出来的，在军事国防、战场监测、防恐反 恐等领域的应用十分重要1 6 ，1 7 。无线传感器网络连接众多类型的传感 器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成 分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。所以它 在民用方面也具有广阔的应用前景。这些应用领域可以归纳为：生态环境 监测、基础设施安全、先进制造、医疗健康、智能交通控制、智能工业农 业、城市管理、抢险救灾、商业等1 8 - 2 3 。 无线传感器网络从2 0 世纪9 0 年代开始，到目前为止已有大量的研究工 作展开。纵观无线传感器网络发展的历程，根据研究侧重点的不同，我们 认为可以把它分为三个阶段。第一阶段主要致力于小型化、低功耗、低成 第一章绪论 本的传感器节点的开发和研制，出现了众多的传感器节点和研究平台。代 表性的节点有u c l a 和r o c k w e l l 自动化中心研制的w i n s 节点【2 4 ，m i t 研 制的i u a m p s 节点【2 5 】，u cb e r k e l e y 的s m a r td u s t 节点【2 6 和u cb e r k e l e y 的 m o t e s 节点【1 l 】等。如美国d u s t 公司已经开始设计最终能够悬浮于空气中 的”灵巧微尘”传感器，直径只有5 m m 左右【2 7 】。目前美国d a r p a 项目研制 的一种低功耗无线传感器( l o wp o w e r w i r e l e s si n t e g r a t e dm i c r o s e n s o r ， l w i m ) 2 8 可以利用一块普通的纽扣锂电池在1 0 - 3 0 米范围内用1 k b p s 速率 低速通信工作三年，可基本达到实用程度。在这些平台中，m o t e s 硬件平 台及其配套的t i n y o s 操作系统应用最为广泛，为全球4 0 0 多家研究机构所 采用。第二阶段则对无线传感器网络作为通信网络的特性进行研究，特别 是通信、路由协议的设计和实现【1 6 】。虽然在第一阶段也有些通信协议的 研究和设计，但主要是将原有a dh o c 网络中的相关协议( 如8 0 2 1 1 等) 进行 改进，增加对能耗有效性的支持。而在第二阶段，研究学者们设计提出了 许多适应无线传感器网络特点的通信协议，特别是数据链路层的m a c 协议 和网络层的路由协议 1 0 】。涌现了一批满足无线传感器网络应用的以数据 为中心的( d a t a - c e n t r i c ) 路由协议【2 9 3 4 】、分层( h i e r a r c h i c a l ) 路由协议 3 5 3 9 、基于位置的( l o c a t i o n b a s e d ) 路由协议4 0 4 2 1 、基于网络流的 ( n e t w o r kf l o wb a s e d ) 的路由协议等等【4 3 4 7 1 。第二阶段也开始对无线传感 器网络中间件相关问题的研究，如部署覆盖 4 8 5 1 】、时间同步【5 2 5 7 、节 点定位 5 8 - 6 2 】、系统管理【6 3 6 8 等。 无线传感器网络发展的第三阶段【6 9 】，着重于对无线传感器网络的群 体智能行为和实际应用的研究，如无线传感器网络中的信息处理 7 0 1 、数 据融合、数据压缩、数据查询和相关中间件技术的研究【7 7 - 8 6 。具有群体 智能的自主自治系统的行为实现和控制是自动控制和人工智能领域的前 沿研究内容。目前这方面的研究刚刚起步，还没有相对较为系统的描述和 方案设计。 国内的研究起步较早的有中科院沈阳自动化所、中科院软件所、清华 大学、浙江大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学，西北工业大学、黑龙 江大学等。中国国家自然科学基金于2 0 0 3 年开始对无线传感器网络的研 究进行了资助，并于2 0 0 4 年将其列为重点项目立项，而2 0 0 5 年又有两项 相关项目列为重点项目立项。 6 浙江大学博士学位论文 1 2 无线传感器网络以信息处理为中心 无线传感器网络是面向物理世界的一种崭新信息处理系统，是一种新 的计算模型，涉及网络的组织、管理和服务框架、信息传输路径的建立机 制、面向需求的分布信息处理模式等等问题。无线传感器网络作为当今信 息领域的研究熟点，涉及多学校交叉的研究领域，有非常多的关键技术和 研究热点【1 ，2 ，3 ，5 ，7 】，如路由协议、时间同步、跟踪定位等等，吸引了众多 的学者进行各方面的研究，每个领域都已经有许多的研究成果，并有新的 不断涌现。从无线传感器网络的功能上，可以把它划分为通信体系、中间 件和应用系统三大部分【7 ，7 2 1 ，各部分所包含的功能和对应的研究热点如 图1 - 3 所示。 以 信 息 为 中 心 图1 3 一种典型的无线传感器网络的体系结构图 由 问 件 通信体系( c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ) 模块的主要功能是组网和通信， 包括各种网络通信协议( 物理层、数据链路层、网络层和传输层) ，以及低 功耗的无线射频通信电路设计，为物理数据传输提供基本保证 3 ，7 】；中间 件( m i d d l e w a r e ) 主要提供低通信开销、低成本、动态可扩展的核心服务， 包括部署，拓扑控制、时间同步、系统管理和节点定位等，为上层应用系统 提供基础支持；应用系统提供节点与网络的服务接口。面向通用的系统提 供一套通用的服务接口，而面向专用系统则提供不同的专用服务。通过协 调控制整个网络，优化现有的网络资源，以获得网络资源的最大利用率和 单个任务的最少消耗量，同时提供可操作的“人网交互”界面。衡量应用 7 第一章绪论 系统协调的好坏，主要考虑采集信息的完整性和精确性、信息的可传输性 和系统能耗( 即网络寿命) 。其热点问题包括动态资源管理、信息处理、协 调控制、信息处理、数据查询和安全问题等。 无线传感器网络直接面向感知的物理信息，与a dh o e 网络的一个区别 是以数据为中心，而不是以通信连接为中心。无线传感嚣网络的最终目标 始终是感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，以更少 的能耗、更快捷的方式传送到这些信息的用户。通信体系和中间件都是为 上层应用服务，用户直接访问的是信息处理的结果。基于传感器网络的任 何应用系统都离不开信息( 感知数据) 的管理和处理技术。不言而喻，传感 网数据管理和处理技术是确定传感网可用性和有效性的关键技术，是无线 传感器网络的核心问题，关系到感知网的成败【5 】。 对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。 观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。观察者不会提 出这样的查询：“从a 节点到b 节点的连接是如何实现的? ”，他们经常会提 出如下的查询：“网络覆盖区域中哪些地区出现毒气? ”。在传感器网络 中，传感器节点不需要地址之类的标识。观察者不会提出查询：“地址为 2 7 的传感器的温度是多少? ”，他们感兴趣的查询是：“某个地理位置的 温度是多少? ”。综上所述，传感器网络是一种以数据为中心的网络。传 感器网络以数据为中心的特点使得其设计方法不同于其他计算机网络( 包 括i n t e r n e t ) 。传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数 据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现 一个高性能的以数据为中心的网络系统，为用户或观察者提供一个有效的 感知数据空间或感知数据库管理和处理系统。 传感器网络信息处理的目的是把传感器网络上的数据的逻辑视图( 命 名，传输、存取和操作) 和网络的物理实现分离开来，使得传感器网络用 户和应用程序只需关心所要提出的查询的逻辑结构，而无需关心传感器网 络的细节。从数据处理的角度来看，传感器可视为感知数据流或感知数据 源，而传感器网络类似于分布式数据库系统，但不同于传统的分布式数据 库系统。传感器网络数据管理系统组织和管理传感器网络监测区域的感知 信息，回答来自用户或应用程序的查询，使用户如同使用通常的数据库管 理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理 8 浙江大学博士学位论文 和处理。信息处理技术主要包括数据的压缩、存储、查询、分析、挖掘、 理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。传感器网络的各种实现 技术必须与这些技术密切结合，融为一体，而不是像目前其他网络设计那 样分而治之。只有这样，我们才能够设计实现高效率的以数据为中心的传 感器网络系统。 显然，感知数据管理和处理技术的研究是一项实现高效率传感器网络 的重要和关键的任务。遗憾的是，到目前为止，感知数据管理和处理技术 的研究还不多，还有大量的问题需要解决。感知数据管理与处理技术的研 究是数据库界面临的新任务和新挑战，也为数据库界提供了新机遇。 1 3 无线传感器网络信息处理的挑战 无线传感器网络与传统的a dh o c 网络相比，有很多相似之处，但同时 也存在着很大的差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网 络系统，节点数目更为庞大( 上千甚至上万) ，节点分布更为密集；由于环 境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障造成网络 拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外， 传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。 传统无线网络的首要设计目标是提供服务质量和高效带宽利用，其次才考 虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用，这也是传 感器网络和传统网络最重要的区别之一。 无线传感器网络不同于传统网络的特点给它的信息处理带来了许多 新的挑战，如：以数据为中心，要求数据在网路中路由时必须对数据内容 进行处理，而不是像传统网络那样仅