（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络mac层协议的分析与仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文摘要随着无线通信，微电子机械制造技术和传感器技术的发展，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 ) 引起了人们的广泛关注w s n 由部署在监测区域内，大量集成有感知、数据处理和无线通信及能量供应模块的微型传感器节点所组成，有着广阔的应用前景。具有许多与传统无线网络不同的特点，且与应用高度相关。无线传感器网络主要的一个设计目标是有效地使用网络节点的受限资源，以最大化网络的服务寿命。由于传统网络的介质访问控制( m a c ) 协议，并不能直接应用于无线传感器网络。所以针对无线传感器网络的特点和应用背景，研究人员提出了很多m a c 协议。在这样的背景下，本文分析研究了无线传感器网络的体系结构、通信协议栈、网络的特点、应用领域和发展状况等，然后做了如下工作：( 1 ) 本文通过分析无线传感器网络的特点，讨论了影响m a c 协议设计的有关问题，重点对目前流行的2 类m a c 协议，基于竞争的m a c 协议和基于时分复用的m a c 协议的性能和特点进行了介绍和对比。( 2 ) 通过n s 2 仿真平台，分别对i e e e 8 0 2 1 1 和s - m a c 协议的网络能量消耗、吞吐量、延时3 个网络性能指标进行了仿真分析。仿真结果表明，8 0 2 1 1的m a c 协议由于采用全侦昕机制，能量消耗大、协议复杂，不太适合w s n 网络。尽管s - m a c 比8 0 2 1 1 节省更多的能量，但是它具有不能很好的适应网络流量的变化的缺点：( 3 ) 在比较分析现有m a c 协议的优势和不足的基础上，提出了一种改进协议。此协议在s - m a c 协议的基础上，结合时分复用机制能在网络负载较大的情况下，解决节点对信道竞争的设计思想改进而来，较好的改善了网络流量负载较高时s - m a c 协议的性能，具有良好的网络适应性。然后通过n s 2 仿真平台，完成对能耗，延时和吞吐量的3 个性能指标的仿真，并进行比较分析，得出了此改进协议确实比原s - m a c 协议的性能有了很大改善的结论。最后，给出了工作过程总结，以及提出了未来需要进一步改善的地方，并进行了展望。关键词：无线传感器网络，s - m a c ，延迟，吞吐量，能量a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya 1 1 ds e n s o rt e c h n o l o g y ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa t t r a c t sm o r ea t t e n t i o n s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i sc o m p o s e do fm a s s i v e ，s m a l la n dl o w - c o s ts e n s o rn o d e sw h i c ha r ed e p l o y e di nm o n i t o r i n gr e g i o n ，f o r m i n gam u l t i - h o ps e l f - o r g a n i z e dn e t w o r ks y s t e mt h r o u g hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h et a r g e to fw h i c hi st oc o o p e r a t i v e l ys e n s e ，c o l l e c ta n dp r o c e s st h ei n f o r m a t i o no fo b j e c ti nt h ec o v e r a g ea r e a , t h e ns e n dt ot h eo b s e l w e r w s nc a r lb eu s e di ne n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，m i l i t a r ya p p l i c a t i o n s ，m e d i c a lt r e a t m e n ta n ds oo n i nw s n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o l sd e t e r m i n et h eu s a g em o d eo fw i r e l e s sc h a n n e l ，a l l o c a t el i m i t e dr a d i or e s o u r c ea m o n gs e n s o rn o d e sa n dc o n s t r u c ti n f r a s t r u c t u r e m a cp r o t o c o l sh a v eag r e a ti n f l u e n c eo nt h ew s np e r f o r m a n c e m a cp r o t o c o l so ft r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k sc a l l tm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rw s n ，s ot h e yc a n tb eu s e dd i r e c t l y r e s e a r c ho nm a cp r o t o c o l so fw s na l w a y sa 1 t r 2 l c t sal o to fa t t e n t i o n ，w h i c hh a se r e a tv r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r e ，p r o t o c o ls t a c k ，a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t t h em a i nw o r ko ft h ep a p e ri sa sf o l l o w s ：( 1 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fw s n ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ei m p a c to fm a cp r o t o c o lp r o b l e m sr e l a t e dt ot h ed e s i g n ，a n dm a i n l yd i s c u s s e d2k i n d so fm a cp r o t o c o l s ，t h em a c b a s e do nc o m p e t i t i o na n db a s e do nt h et d m a a n dc o m p a r et h e i rp e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r s ( 2 ) t h ep a p e ru s e dn s 2s i m u l a t i o np l a t f o r m ，c o m p a r et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ,t h r o u g h p u ta n dt i m ed e l a yo fi e e e 8 0 2 11a n ds - m a cp r o t o c 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e8 0 2 11m a cp r o t o c o la saw h o l ei n t e r c e p t i o nm e c h a n i s m ，w i l lc o n s 啪em o r ee n e r g e ，b u ti sm o r ec o m p l i c a t e d ，a n dn o ts u i t a b l ef o rw s nn e t w o r k a l t h o u g ht h es - m a cc o u l ds a v em o r ee n e r g yt h a n8 0 2 11 ，i ti sn o ta d a p t a b l ef o r t h ec h a n g e si nn e t w o r kt r a f f i c ( 3 ) b a s e do nt h ec u r r e n tp r o t o c o l s w e a k n e s sa n ds t r e n g t h e s ，t h ep a p e rp r o p o s e dap r o t o c 0 1 0 nt h ef o u n d a t i o no fs - m a c ，t h ei l e wp r o t o c o lu s i n gt h et d m am e c h a n i s ms o l v e st h ec o m p e t i t i o no fn o d e s ，a n dh a sab e t t e rp e r f o r m a n c e t h e nt h ep a p e ru s e dn s 2s i m u l a t i o np l a t f o r m ，c o m p a r et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h r o u g h p u ta n dt i m ed e l a yo ft h en e wp r o t o c o la n ds - m a c ，a n dt h er e s u l ts h o w st h en e wp r o t o c o lh a sab e t t e rp e r f o r m a n c e a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h e r ea r eac o n c l u s i o no fd o n ew o r ka n dap l a no ff u t u r ew o r k k e yw o r d ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，s - m a c ，t i m ed e l a y , t h r o u g h p u t ，e n e r g yi i i独创性声明本人声明，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，也不包含为获得武汉理工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。签名：幽二e l 期：塑鳗三：笸关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)么嬲匿，y 7 武汉理工大学硕士学位论文1 1 论文研究背景第1 章绪论传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。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，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金委，国防部等渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。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、分布式管理信息技术等，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，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。被列为2 1 世纪最有影响力的2 1 项技术和改变世界的l o 大新技术之一。无线传感器网络是由大量集成了传感器，数据处理单元和通信模块的微小节点所组成的一个全分布式的自组织网络。由于无线传感器网络具有易扩展性，自组织，分布式结构，健壮性和实时性等特点，使其在军事，农业，医疗，环境监测等领域有着传统网络无法比拟的优势，必将开发出很多有价值的应用。同时这些独特要求和制约因素必将为无线传感器网络的研究提出更多新的技术问题，而在这些技术问题中，如何有效的延长传感器网络的生命周期成为重中之重。媒体介质访问控带1 ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议处于无线传感器网络协议的底层部分，主要用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络有效通信的关键网络协议之一。无线传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的m a c 协议。针对不同方面的传感器网络应用，目前研究人员从不同方面提出了许多m a c 协议因为在不同应用情况下，对m a c 协议要求的侧重不同，如在家庭控制、医疗护理和工业监测应用中不需要很高的带宽，需要的只是低延迟、低功武汉理工大学硕士学位论文耗；而如果使用现有的、过于复杂的无线通信技术，将非常耗电，占用过多的计算和通信资源。所以不存在一个适用于所有传感器网络的m a c 协议。无论是采用基于竞争的信道还是采用基于t d m a 的固定信道分配机制，或者其他类型的m a c 协议，都要根据具体应用选择不同的协议类型来设计m a c 协议。较好的m a c 协议设计应根据能量有效性和网络的其他性能，综合进行评估，其中能量有效性，在满足应用网络要求前提下，是衡量一个好的m a c 协议的关键。目前业界研究的重点混合型协议可以通过不同机制的优化组合，达到最大的适应性。随着微电子技术的不断发展，高性能能耗比的传感器的出现，混合型m a c 协议的研究将更加可行。1 2 国内外的研究现状国外研究现状：( 1 ) 军事领域美国陆军2 0 0 1 年提出了“灵巧传感器网络通信”计划，已被批准为2 0 0 1 财政年度的一项科学技术研究计划，并在2 0 0 1 - 2 0 0 5 财政年度期间实施。灵巧传感器网络通信的目标是建设一个通用通信基础设施，支援前方部署，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，成倍地提高单一传感器的能力，使作战指挥员能更好、更快地作出决策，从而改进未来战斗系统的生存能力。美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目，其主要目标是使基层部队指挥员具有在他们所希望部署传感器的任何地方灵活地部署传感器的能力。该项目是支持陆军“更广阔视野”的3 个项目之一。美国陆军最近还确立了“战场环境侦察与监视系统”项目。该系统是一个智能化传感器网络，可以更为详尽、准确地探测到精确信息，如一些特殊地形地域的特种信息( 登陆作战中敌方岸滩的翔实地理特征信息，丛林地带的地面坚硬度、干湿度) 等，为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据。它通过“数字化路标”作为传输工具，为各作战平台与单位提供“各取所需”的情报服务，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。该系统组由撒布型微传感器网络系统、机载和车载型侦察与探测设备等构成。美国海军最近也确立了“传感器组网系统”研究项目。传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统。该系统可以利用现有的通信机制对从战术级到战2武汉理工大学硕士学位论文略级的传感器信息进行管理，而管理工作只需通过一台专用的商用便携机即可，不需要其他专用设备。该系统以现有的带宽进行通信，并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信息。该系统可以部署到各级指挥单位。2 0 0 2 年5 月，美国s a n d i a 国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统。该研究属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。该系统融检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体。安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物质，就会自动向管理中心通报，自动进行引导旅客避难的广播，并封锁有关入口等。该系统除了能够在专用管理中心进行监视之外，还可以通过w w w 进行远程监视。美国海军最近开展的网状传感器系统c e c ( c 0 0 p e r a t i v ee n g a g e m e n tc a p a b i l i t y )是一项革命性的技术。c e c 是一个无线网络，其感知数据是原始的雷达数据。该系统适用于舰船或飞机战斗群携带的电脑进行感知数据的处理。每艘战船不但依赖于自己的雷达，还依靠其他战船或者装载c e c 的战机来获取感知数据。例如，一艘战船除了从自己的雷达获取数据以外，还从舰船战斗群的2 0 个以上的雷达中获取数据，也可以从鸟瞰战场的战机上获取数据空中的传感器负责侦察更大范围的低空目标，这些传感器也是网络中重要的一部分。利用这些数据合成图片具有很高的精度。由于c e c 可以从多方面探测目标，极大地提高了测量精度。利用c e c 数据可以准确地击中目标。c e c 还可以快速而准确地跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹，使战船可以击中多个地平线或地平线以上近海面飞行的超声波目标。因此，即使是今天最先进的反舰巡航导弹也会被实时地监测到并被击中。2 0 0 0 年，美国国防部把s m a r ts e n s o rw e b 定为国防部科学技术5 个尖端研究领域之一。s m a r ts e n s o rw e b 的基本思想是在整个作战空间中放置大量的传感器节点来收集、传递信息，并且将信息汇集到融合点，在那里综合成一张图片，并分发给需要该信息的作战者。s m a r ts e n s o rw e b 将为军队提供大覆盖面、及时、高分辨率信息的能力。s m a r ts e n s o rw e b 是智能、安全、以w e b 为中心的传感器信息分发和融合网络，可以提高军队的敏感度。( 2 ) 民用领域1 9 9 5 年，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2 0 2 5 年武汉理工大学硕士学位论文全面投入使用。该计划试图把先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面交通管理，建立一个在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶、前后车距自动地保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。由于该系统将应用大量的传感器与各种车辆保持联系，人们可以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状况，如制动质量、发动机调速时间等。根据具体情况，计算机可以自动进行调整，使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态，并就潜在的故障发出警告，或直接与事故抢救中心取得联系。2 0 0 2 年1 0 月2 4 日，美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。今后，英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用实现该计划需要3 个阶段，即物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器( 也被称作尘粒( m o t e ) 或智能微尘( s m a r td u s t ) ) 。实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网络的感知数据。应用阶段将应用传感器网络于预防医学、环境监测及灾害对策等领域。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。这些传感器由温度、湿度、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。( 3 ) 学术界在美国自然科学基金委员会的推动下，美国的加州大学伯克力分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。学术界的研究主要集中在无线传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。目前的研究工作还处于起步阶段，大量的问题还没有涉及到未来的研究工作任重而道远。下面，我们介绍一下目前的主要研究进展。1 ) 无线传感器网络技术的研究加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法、基于4武汉理工大学硕士学位论文相关性的s e n s o r 数据编码模式、用稀疏传感器网络重构跟踪移动对象路线的方法、传感器网络上随时间变化的连续流可视化方法、允许系统级优化时有效通信机制的一般化解、传感器网络上的数据分布式存储的地理h a s h 表方法、确定传感器网络中节点位置的分布式算法等，并研制了一个传感器操作系统t i n y o s 。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。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接的传感器和控制器构成的闭环控制系统的框架。麻省理工学院开始研究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技术问题。2 ) 无线传感器网络通信协议的研究人们首先对已有的因特网和a dh o c 无线网络的通信协议进行了研究，发现这些协议不适用于传感器网络，其原因如下：传感器网络中的传感器节点数量远大于a dh o c 网络中的节点数；感知节点出现故障的频率要大于a dh o c 网络；感知节点要比因特网和a dh o c 网络中的节点简单：感知节点的能量有限；因特网的数据报头对于传感器网络来说太长，例如，每个节点必须有一个永久的地址。针对这些问题，康奈尔大学、南加州大学等很多大学开展了传感器网络通信协议的研究，先后提出了几类新的通信协议，包括基于谈判类协议( 如s p i n p p协议、s p i n e c 协议、s p i n b c 协议、s p i n r l 协议) 、定向发布类协议、能源敏感类协议、多路径类协议、传播路由类协议、介质存取控制类协议、基于c l u s t e r的协议、以数据为中心的路由算法。3 ) 感知数据查询处理技术的研究武汉理工大学硕士学位论文康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面开展的研究工作较多。他们研制了一个测试感知数据查询技术性能的c o u g a r 系统，提出了在传感器网络上计算聚集函数的容错和可扩展算法，并探索了把传感器网络表示为数据库的思想，探讨了如何把分布式查询处理技术应用于感知数据查询的处理。加州大学伯克力分校研究了传感器网络的数据查询技术，提出了实现可动态调整的连续查询的处理方法和管理传感器网络上多查询的方法，应用数据库技术实现了传感器网络上的数据聚集函数，提出了在低能源、分布式无线传感器网络环境下实现聚集函数的方法，并研制了一个感知数据库系统t i n y d b 。南加州大学研究了传感器网络上的聚集函数的计算方法，提出了节省能源的计算聚集的树构造算法，并通过实验证明了无线通信机制对聚集计算的性能有很大的影响。国内的研究现状：我国的中科院上海微系统研究所、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、黑龙江大学、清华大学、北京邮电大学、西安电子科技大学、东南大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了无线传感器网络的研究，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。1 3 全文主要内容和结构组织安排本文首先介绍了无线传感器网络的概念，体系结构，特点应用，研究进展等方面，然后阐述了现有m a c 层协议的机制，设计目标，以及优缺点等。重点对目前流行的2 类m a c 协议，基于竞争的m a c 协议和基于时分复用的m a c协议的性能和特点进行了介绍和对比。然后在s m a c 协议基础上，结合t d m a机制的思想，设计出一种改进的协议。并对其设计思想和算法进行了介绍。最后进行了2 组仿真实验。仿真实验1 对i e e e 8 0 2 1 1 和s m a c 进行了网络仿真，利用n s 2 的组件工具对仿真结果中的延迟，吞吐量，能耗，3 个结果进行了对比。仿真实验2 ，把改进协议和原有s - m a c 协议性能进行对比仿真，通过延迟，吞吐量和能耗3 个度量指标，说明此混合协议的性能比s - m a c 有了很大改善。本文的组织结构如下：第二章无线传感器网络概述，介绍无线传感器网络的基本概念、网络组成、节点构成、特点、以及研究现状和主要研究问题。6武汉理工大学硕士学位论文第三章无线传感器网络中的m a c 协议。介绍无线传感器网络的m a c 协议的特点及分类，并简要介绍比较几种现有的主要的无线传感器网络的m a c 协议。第四章，在现有s m a c 协议的基础上，结合在网络负载大时，时分复用协议能有效节能的思想，提出了一种能适应不同网络负载，具有良好的适应性和鲁棒性的m a c 协议，详细介绍了其设计思想和设计方法。第五章，利用n s 仿真平台，进行了2 组仿真对比实验。仿真实验l ，对i e e e 8 0 2 1 1 和s - m a c 进行了网络仿真，证明其各自所适用的网络应用情况和性能。仿真实验2 ，把改进协议和原有s - m a c 协议性能进行对比仿真，通过延迟，吞吐量和能耗3 个度量指标，说明此改进协议的性能比s m a c 有了很大改善。第六章对全文进行总结，并展望今后的工作。7武汉理工大学硕士学位论文第2 章无线传感器网络概述2 1 无线传感器网络的概念传感器网络是由一组传感器以a dh o c 方式构成的有线或无线网络，其目的是感知，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。传感器，感知对象和观察者是传感器网络的3 个基本要素，有线或无线网络是传感器之间，传感器和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；协作的感知，采集，处理，发布感知信息是传感器网络的基本功能。传感器网络中的部分或全部节点可以移动，传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断的动态变化。节点间以a dh o c 方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索，定位和恢复连接的能力。2 2 无线传感器网络的体系结构传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。信息获取者可以是传感器的用户，也可以是感知信息的感知和应用者。可以是人，也可以是计算机或其它设备。另外，一个传感器可以有多个信息获取者，一个信息获取者可以是多个传感器的用户。信息获取者可以主动地查询或收集传感器的感知信息，也可以被动地接受传感器发布的信息。信息获取者将对获得的感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，甚至对网络采取相应的行动。事实上，依赖于遍布在自然界中的微传感器，传感器网络有潜力变革目前我们使用的传统方法，并构造出复杂的物理系统。2 2 1 无线传感器网络网络结构一个典型的无线传感器网络的体系结构如图2 一l 所示。节点分为类普通的传感器节点，汇聚节点和任务管理节点。大量的传感器节点随机分布在监测区域，8武汉理工大学硕士学位论文它们自动组织成网。传感器监测到的数据可以通过其它节点传输，中间用做中继的节点可以对数据进行处理，也可以不处理直接转发。数据经多跳传输到汇聚节点，汇聚节点能直接或间接连接到管理节点。管理节点能够对传感器进行配置管理。一般来说，普通的传感器节点就是上述的结构，汇聚节点和任务管理节点是不需要感应数据的。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力都较强，它应该比普通节点拥有更多的内存和计算资源，而且应有充分的能量供应。普通的节点一般使用电池供电，常因电池能量耗尽而被网络抛弃。但是汇聚节点和任务管理节点与因特网或管理节点通信，将所有数据发送出去，一般采用电源供电以保证它们能够持续工作。2 2 2 传感器节点结构普通传感器节点图2 - 1 传感器网络体系结构传感器节点由传感器模块( 由传感器和模数转换功能模块组成) ，处理器模块( 由嵌入式系统构成，包括c p u 、存储器、嵌入式操作系统等) ，如图2 2所示。无线通信模块和能量模块( 电源部分等) 4 个部分组成，此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。需要注意的是，传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效实用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的挑战。9武汉理工大学硕士学位论文图2 2 无线传感器网络节点结构2 2 3 无线传感器网络通信协议栈无线传感网络模型与移动自组织网络、蜂窝网络以及包括蓝牙在内的许多短距离的无线局域网模型相似，但又有它自己的特性，接收器和所有节点之间使用的协议栈可用图2 3 来描述，协议栈考虑能量和路由因素，将数据和网络协议结合，通过低功耗的无线媒体来通信，并促进传感节点之间的相互合作。它由应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层、能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台组成。能量、移动和任务管理平台监控了传感节点间的能量、运动和任务分配，这些平台帮助传感节点调整传感任务并降低整个的能量消耗。能量管理平台管理着一个节点怎样使用它的能量，例如，当一个传感节点接收到一个相邻节点的信息后就可以关闭接受器当一个节点的能量水平较低，它就可以给附近节点发送广播表示能量太低不能参与发送信息，用剩余的能量来传感。移动性管理平台监视并记录传感节点的运动，因此返回给用户的路由总是维持着，传感节点相互之间也知道相邻的节点。通过确认相邻节点，传感节点能平衡它们能量和任务的使用。任务管理平台平衡并掌握特定地区传感任务的进度。并不是所有的节点在同一时刻都要完成传感任务，往往是根据各自的能量水平来完成相应分量的传感任务。任务管理平台使传感节点能以节能的方式一起工作，在移动传感网络里发送数据和相互实现资源共享。各层协议功能如下：( 1 ) 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件1 0武汉理工大学硕士学位论文( 2 ) 传输层负责数据流的传输控制，时报政通信服务质量的重要部分( 3 ) 网络层主要负责路由生成和路由选择( 4 ) 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制( 5 ) 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。图2 - 3 无线传感器网络通信协议栈2 3 无线传感器网络特点2 3 1 无线传感器网络特点在无线传感器网络中，一组功能有限的传感器节点协作的完成任务巨大的感知任务是传感器网络的最重要的特点。传感器网络中的部分节点或者全部节点是可以移动的，当然随着节点的移动，传感器网络的拓扑结构也就会发生相应的变化。节点与节点之间以a dh o e 方式进行通信。在传感器网络工作过程中。远地中心节点可以主动的查询或者是收集传感器网络中的感知信息，也可以被动的接收传感器网络发送的信息。总体而言，传感器网络具有如下几个特点。( 1 ) 自组织，无中心，多跳路由。网络的布设和展开无需依赖于任何预设武汉理工大学硕士学位论文的网络设施，节点协调各自的行为，开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。网络中节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需通过中间节点进行路由。传感器网络的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。( 2 ) 网络动态性强。网络中的传感器、感知对象和观察者都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或己有节点失效，因此，网络的拓扑结构动态变化。而且网络一旦形成，人们很少干预其运行，加之物理环境不确定性的影响，使整个系统呈现高度的动态性。传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。( 3 ) 大规模网络。传感器网络的传感器节点密集，数量巨大。传感器网络可以分布在很广的地理区域，维护十分困难甚至不可维护，其软、硬件必须具有高健壮性和容错性。传感器各部分集成度很高，具有体积小的优点，从应用的角度出发，要求传感器网络具有低成本。( 4 ) 节点没有统一的标识。传感器网络节点没有一个全局性的标识，如正地址等。每个节点仅仅知道自己邻近节点的位置和标识，传感器网络通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信，具有很强的协作性。( 5 ) 以数据为中心的网络。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。在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。所以，传感器网络是一种以数据为中心的网络，其基本思想是，把传感器视为感知数据流或感知数据源，把传感器网络视为感知数据空间或感知数据库，把数据管理和处理作为网络的应用目标。此外，由于传感器节点分布很密集，相邻节点之间的感知数据具有很强的相似度。对于一些具体的传感器网络，工作环境非常恶劣，再加上节点分布密集，环境噪声干扰和节点之间的相互干扰更强。2 3 2 与a dh o e 网络的区别传感器网络除了具有a dh o c 网络的一些特点，如移动性，间断性，电源能力有限等共同特征外，还有很多其自身的特点：( 1 ) 传感器网络中的节点数量和分布密度非常大由于传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般1 2武汉理工大学硕士学位论文为十几米范围之内，所以传感器网络的节点数量和密度都要比a dh o c 网络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。( 2 ) 传感器节点出现故障的可能性较大由于传感器网络中的节点数目庞大，分布密度超过a dh o e 网络之类的普通网络，而且分布的环境可能十分恶劣，所以其出现故障的可能性会很大。所以要求其有一定的容错性。( 3 ) 传感器节点主要采用广播方式通信由于传感器网络中节点数目庞大，使其在组网络和通信时不可能如a dh o c网络那样采用点对点的通信，而要采用广播方式，以加快信息传播的范围和速度，且可以节省电力。( 4 ) 以数据为中心传感器网络中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，这就是传感器网络的以数据为中心的特点。而传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传递给用户。( 5 ) 由于数目极大，传感器节点不一定具有全球的唯一标识由于传感器网络中的节点数目极大，并且在某些环境下，有些传感器节点不能被回收，所以不可能为每个节点分配一个象i p 地址那样的全球唯一标识。2 3 3 传感器节点的限制( 1 ) 电源能量有限。传感器节点体积很小，通常携带能量十分有限的电池，因此传感器常常由于电池的耗尽而失效或废弃。而在大多数应用中，无法给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用而死亡。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前提。( 2 ) 通信能力有限。传感器节点的通信带宽有限而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器节点能量的变化受到地势地貌以及自然环境的影响，无线通信的性能变化频繁，传感器之间的经常出现通信中断。在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。( 3 ) 计算存储能力有限。传感器节点都具有嵌入式处理器和存储器，要求武汉理工大学硕士学位论文它的价格低功耗小，这些限制导致处理器的能力较弱，存储器容量较小。2 4 无线传感器网络应用传感器网络应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境、医疗保健、智能家居、结构监测、城市交通、空间探索以及其他很多的商业用途。随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人们生活的各个领域。( 1 ) 军事应用传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此它非常适合应用于恶劣的战场环境中。利用传感器网络，可以实现友军兵力、装备、弹药调配监视战区监控敌方军力的侦察目标追踪战争损伤评估。核、生物和化学攻击的探测与侦察。美国国防部对传感器网络给予了高度重视，提出了c 4 i r s t 计划，该计划强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设了一系列的军事传感器网络研究项目。( 2 ) 环境应用通过传统方式采集环境数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性研究数据的获取提供了方便，比如跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。类似地，传感器网络也可应用于森林火灾预报和精细农业中。( 2 ) 医疗保健应用利用传感器网络，医生可以通过病人身上特殊用途的传感器节点随时了解病人病情。利用传感器网络长时间收集人的生理数据，可以用于新药品的研制。此外，在药物管理等方面，传感器网络也有新颖而独特的应用。( 3 ) 结构健康监测结构健康监测，简称是利用传感器网络来监测建筑物的安全状态。通过对包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。安装了传感器网络的智能建筑可以随时了解自身的健康状况，从而利于管理部门进行对建筑的维护，防止事故发生。( 4 ) 空间探索借助航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测。n a s a 的1 4武汉理工大学硕士学位论文j p l 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盖( 5 ) 其他商务应用传感器网络的其他商务应用包括汽车防盗、交互式博物馆、车辆跟踪与控制、智能家居、物流管理、工业传感、智能交通控制等。2 5 无线传感器网络研究进展分析传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 l 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，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金委，国防部等渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。综上所述，涉及无线传感器网络各个方面的研究工作都正在展开，由于很多问题都尚未得到彻底解决，因此研究空间是很大的! 以下将就几个研究热点的进展做比较详细的介绍。( 1 ) 传感器网络m a c 协议传感器网络研究的核心问题之一是功耗管理。通过对现有系统的分析可知，射频模块是节点中最大的耗能部件，是优化的主要目标m a c 协议直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响。传感器节点无效功耗主要有以下4 个来源：1 ) 空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频模块必须一直处于接收状态，消耗大量的能源这是无效功耗的最主要来源。2 ) 冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确接收，重发造成能量浪费。3 ) 串扰：接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗。4 ) 控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效的。目前，m a c 协议在降低功耗方面主要采用的方法有减少数据流量，增加射频模块休眠时间和冲突避免等中，减少数据流量是最根本的解决方案，目前主要靠在网络层或者在数据链路层上增加一个数据融合层来实现，但在m a c 层是否能够进行数据融合以及如何进行数据融合是目前研究较少的领域，还没有成熟的研究成果外，节点在没有数据接发时，关闭射频模块，转入休眠状态。这种方法可以降低工作占空比，减少串扰和空闲侦听带来的能量浪费，代价是增加延迟和降低系统的吞吐率。目前的研究主要集中在工作休眠策略制定，突1 5武汉理工大学硕士学位论文发数据流的自适应，节点同步机制等。冲突避免主要采用r t s c t s a c 列d a t a握手机制，既解决了隐藏节点引起的冲突，又实现了链路层的可靠传输，但也增加了控制开销。目前已有的m a c 协议，大多综合使用了这些手段，只是具体实现方法不同。( 2 ) 路由协议路由协议的任务是在传感器节点和s i n k 节点之间建立路由，可靠地传递数据，由于传感器网络资源严重受限，因此路由协议要遵循的设计原则包括不能执行太复杂的计算、不能在节点保存太多的状态信息、节点间不能交换太多的路由信息等为了有效地完成上述任务，已经提出了很多种路由协议，大都利用了无线传感器网络的以下特点：1 ) 传感器节点按照数据属性寻址，而不是i p 寻址；2 ) 传感器节点监测到的数据往往被发送到s i n l ( 节点；3 ) 原始监测数据中有大量冗余信息，路由协议可以合并数据、减少冗余性，从而降低带宽消耗和发射功耗；4 ) 传感器节点的计算速度、存储空间、发射功率、电源能量有限，需要节约这些资源传感器网络路由协议可以归纳为以下几个类别：以数据为中心的路由协议这类路由协议基于数据查询服务，对监测数据按照属性命名，对相同属性的数据在传输过程中进行融合，从而减少冗余数据的传输这类协议同时集成了网络层路由任务和应用层数据管理任务这类路由协议的典型代表包括f l o o d i n g 与g o s s i p i n g 、s p i n 协议、定向扩散协议。基于簇( c l u s t e r ) 的路由协议在这类路由协议中，将传感器节点划分到一个个簇，监测数据首先传到簇首领，簇首领可以对采样数据进行融合，然后再转发到s i n k 节点，以减少网络流量这类路由协议的典型代表包括l e a c h 和t e e n 基于位置的路由协议这类路由协议利用位置信息将数据中