（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络中数据融合协议研究.pdf

南京邮电学院硕士研究生论文 摘要 摘要 随着人们对感知周围环境的需求越来越多，无线传感器网络的提出是非常之必要的。 它可以代替人们监控大范围的区域，而节点的能量消耗是决定网络生存期的一个重要因 素，网络中可以采用适当的数据融合协议来达到节省能耗的目的，从而延长网络生存期。 而定向扩散算法就是其中一个重要的在网络层进行数据融合的协议。 本文主要论述了定向扩散算法族的具体流程。在论文中，首先讲述了无线传感器网络 的基本知识；然后介绍了网络层数据融合的一些协议并具体阐述了定向扩散算法；最后， 通过仿真论证了网络层的数据融合协议一一定向扩散算法族里的各个具体实现所适应的 网络拓扑特点。 全文共分5 章： 第1 章介绍了无线传感器网络的基本知识以及本论文的主要工作： 第2 章介绍了数据融合技术的分类以及网络层数据融合协议的简单介绍； 第3 章叙述了具体描述了d d 算法，包括兴趣属性的描述、兴趣的扩散、梯度的建立 与维护等方面的策略。l p p 、2 p p 、以及p u s h 的流程描述； 第4 章从理论上介绍了仿真工具n s 2 ，包括节点的配置、网络拓扑的配置以及仿真记 录文件的格式； 第5 章通过仿真对比了i p p 、2 p p 以及p u s h 在不同的网络拓扑情况下所表现出来的不 同的性能。 关键字 无线传感器网络数据融合协议定向扩散协议 南京邮电学院硕士研究生论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 母彘姒t ht h ep e o p l e sd e s i r eo fg e t t i n gw e l lk n o w t h ec i r c u m s t a n c et h a ta r o u n du s ，i ti sn e c e s s a r yt o i n t r o d u c et h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k w s nc a nb ed e p l o y e di ni n h o s p i t a b l ep h y s i c a le n v i r o n m e n t ss u c ha s r e m o t eg e o g r a p h i cr e g i o n so rt o x i cu r b a nl o c a t i o n s ak e ye l e m e n tw h i c hc a nd e t e r m i n et h es u r v i v ep e r i o do f t h en e t w o r ki st h en o d e se x p e n do fe n e r g y w s nc a l le m p l o yd a t aa g g r e g a t i o nt oa r c h i v et h ep u r p o s e d i r e c t e dd i f f u s i o ni so n eo ft h e s ep r o t o c o l sw h i c ha c ti nt h en e t w o r kl a y e r i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rm a i n l yd i s c u s s e sa b u o u td d 。f i r s t l y , t h ea u t h o ro u t l i n e ss o m ef u n d a m e n t a l k n o w l e d g ea b o u tt h ew s nn e t w o r ka n ds o m ep r o t o c o l st h a tu s e dt oa g g r e g a t i o nt h ed a t ai nt h en e t w o r kl a y e r a tl a s t ，t h ea u t h o rd e m o n s t r a t e st h ep r o c e s so fd da n dd i s c u s s e st h ea p p r o p r i a t en e t w o r ks i t u a t i o nt h a tlp p ， 2 p p ，p u s hi sf i tf o r a l lo ft h ep a p e ri n c l u d e s5 。nm e 觚彘盎a u 川。 曲a r a 。c n t e r a n d e 。t c n ；觥a u t h o ri nt h es e c o n d l ，a n ! n l e h y c e i nt h et h i r d 龇t h ea u t h o r 两随? m a i n t a n c e i nt h e n o d e s ，t h e i nt h i n e ss o m ef u n d a m e n t a lk n o w l e d g ea b o u tw s ni n c l u d i n gi t sb a c k g r o u n d ， f i r s t l yd e s c r i b e st h ed a t aa g g r e g a t i o np r o t o c o l sw h i c ha c ti nt h en e t w o r k f i r s t l ye x p l a i n sh o wd dw o r k s ，i n c l u d i n gn a m i n g ，i n t e r e s t sa n dt h e a n dp u s h i n t r o d u c e st h en e t w o r ks i m u l a t i o nt o o ln s 2 ，i n c l u d i n gt h ec o n f i g u r a t i o no f ft h en e t w o r kt o p o l o g y , t h ef o r m a to ft r a c ef i l ea n de t c a u t h o rd e m o n s t r a t e st h ep e f e r m a n c eo fl p p ，2 p pa n dp u s h a n dw ec a nd r a wa c o n c l u s i o na b o u tt h ea p p r o p r i a t en e t w o r ks i t u a t i o no flp p ，2 p pa n dp u s h k e y w o r d s - w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，d a t aa g g r e g a t i o np r o t o c o l s ，d i r e c t e dd i f f u s i o np r o t o c 0 1 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：日期： 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：导师签名：町拉， 日期： 南京邮电学院硕士研究生学位论文第1 章无线传感器网络的概述 第1 章无线传感器网络的概述 1 1 无线传感器网络的起源 当代通信技术的三大基础包括传感器技术、通信技术和计算处理技术，这三项技术分 别扮演着对信息进行采集、传输以及处理的角色。微电子技术、通信技术以及无线通讯等 技术的发展，使得在微小体积的芯片内集成了信息采集、数据处理以及无线通信等许多功 能。 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 ) 就是由部署在监测区域内大量的 廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目 的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中告知对象的信息，并发送给观察者。无线 传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署( 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 j e c t sa g e n c y ) 于1 9 7 8 年开始资助卡耐基一梅隆大学进 行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。从那以后，类似的项目 在全美高校间广泛展开，著名的有u cb e r k e l e y 的s m a r td u s t 项目，u c l a 的w i n s 项目， 加州大学伯克利分校等2 5 个机构联合承担的s e n s i t 计划等等心1 。 1 2 无线传感器网络体系结构 1 2 1 传感器网络系统结构 无线传感器网络结构如图l 一1 所示，该体系包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚 节点( s i n kn o d e ) 和任务管理单元。大量的传感器节点被随机分布在所需要监测的区域 内，通过自组织的方式形成网络。传感器节点所监测到的数据通过附近的传感器节点依照 一定的数据融合协议逐条地传送到汇聚节点，然后通过互联网等手段将数据传输到任务管 理单元，用户可以通过任务管理单元对传感器节点进行配置管理，发布所需要监测的数据 类型等任务并收集处理监测到的数据。 南京邮电学院硕士研究生学位论文第l 章无线传感器网络的概述 图l 一1 无线传感器网络系统结构 1 2 2 传感器网络节点结构 s e n s o r n o d e 传感器节点一般是由传感器模块、中央处理器模块、无线通信模块以及电源模块四部 分构成的，如图1 2 口3 所示。数据获取单元即传感器模块负责对所监测的区域进行信息的 采集；中央处理器模块负责控制整个节点的工作，包括对本地采集到的数据以及邻近节点 传送来的数据进行合理的处理、存储等；数据传输单元即无线通信模块负责与邻近节点进 行数据的交互，它们交互的信息不仅包括所采集到的数据信息，还包括跟数据路由相关的 一些控制信息等。电源模块负责提供支持节点正常工作所需要的能量，一般采用电池的形 式供应。 应用程序 传感器卜- a c d c 卜 存储单元 网络层 叫m a c 卜 收发信机 传感器模块 中央处理器 j k无线通信模块 处理器模块 ji 能量供应模块 图1 2 传感器节点组成结构 2 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第l 章无线传感器网络的概述 1 2 3 无线传感器网络的协议栈 无线传感器网络的协议栈如图1 3 所示，包括物理层、数据链路层、网络层、传 输层以及应用层，其中各层的功能描述如下： 应用层 能 量 臂 理 层 次 咎 确 管 理 层 次 任 务 管 理 届 次 图1 3 无线传感器网络典型协议结构 ( 1 ) 物理层主要通过调节和设计无线传感器节点本身的电气和物理特性，并结合具 体的应用背景达到更好的节能的目的，实现简单可靠的调制、解调、无线数据传输； ( 2 ) 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制，建立可靠的点到点 或者点到多点的通信链路； ( 3 ) 网络层负责路由的生成和选择，无线传感器网络的协议设计一般要考虑以下几 个原则： 考虑能量的使用有效性； 。 以数据为中心； 不影响传感器节点监测精度前提下的数据聚合； 合理的选择多跳； ( 4 ) 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。当无线传感 器网络需要接入其它网络例如i n t e r n e t 等时，该层是必需的。 ( 5 ) 应用层包括具体的基于应用的软件等，根据监测任务的不同，各种应用软件可 以在应用层上实现和使用 ( 6 ) 能量管理层次负责整体管理传感器节点能量的使用，平衡各个协议层能耗的关 系，到达节省能量的关系，例如当节点能量较低时，它可以只负责数据采集而不用参与数 一一一一 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第l 章无线传感器网络的概述 据路由： ( 7 ) 移动管理层次负责观察和记录传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使 得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置并根据网络拓扑结构的变化来分配电源和数据 传输任务； ( 8 ) 任务管理层次负责在一个给定的区域内平衡和分配监测任务。 l - 3 无线传感器网络的特点 无线传感器网络中的各个节点的地位都是平等的，它们只是和邻近的节点进行通 信，以自组织的形式组成网络。它的拓扑结构是动态的，网络中的大量节点自适应的维护 着网络的通信，协调的工作。和传统网络比较，无线传感器网络有着有着以下的特点： ( 1 ) 大规模网络：无线传感器包含的节点数量可能达到成千上万的数量级，在分布 密度方面，无线传感器网络的节点分布密度也很高： ( 2 ) 自组网特性：在无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指 定的中心，节点之间的相互邻居关系事先也是不知道的，各节点通过分布式算法来相互协 调，在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个监测数据的多跳网络。而正因为没有 中心，网络便不会因为单个节点的失效而使得整个网络的性能受到影响。 ( 3 ) 网络拓扑的动态变化性：网络的拓扑会因为以下几种原因而改变，例如节点 由于环境或者能量消耗的原因造成失效或者故障；无线通信信道的不稳定性，网络拓扑 因此也在不断地调整变化，而这种变化方式是无人能准确预测出来的：新节点的加入； ( 4 ) 传输能力的有限性：无线传感器网络通过无线电波进行数据传输，无线通信带 宽有限，通常仅有几百k b p s 的速率。虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低 带宽则成为它的天生缺陷。同时，信号之间还存在相互干扰。 ( 5 ) 能量的限制。各个节点密集地分布于监测区域内，人工补充能量的方法是不实 际的。每个节点都要储备可供长期使用的能量，或者配备太阳能电池。 ( 6 ) 安全性的问题。无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线传感器网络更 容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。此外，还包括 数据包的完整性鉴定、新鲜性确认等问题。因此，安全性在网络的设计中至关重要。 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文第l 章无线传感器网络的概述 1 4 无线传感器网络的应用及发展前景 w s n 在北美市场已经应用于楼宇自动化、环境监控等方面，但是对于国内来说， 市场还处于起步阶段，产品一般都应用于科研机关和大学的研究之用。对于今后来说，w s n 可以代替人类在多种恶劣的环境下工作，在以下方面有着很广泛的应用前景： ( 1 ) 军事应用：兵力以及装备的调配监视、战区监控、战场评估、情报获取、目标 追踪、核攻击和生化武器攻击的监测及搜索等； ( 2 ) 环境科学：森林火灾的监测、土壤监控、洪水监测、农业灌溉、跟踪监测鸟类、 昆虫等动物的迁徙等； ( 3 ) 工业应用：库存管理、工业自动化、设备联动、工作人员定位等； ( 4 ) 医疗健康：病人远程监测、医院内医生和患者的跟踪、药物管理等； ( 5 ) 家庭应用；智能家居系统、家居自动化、儿童活动轨迹的监测等； ( 6 ) 空间探索：外星球表面的监控、探测等； ( 7 ) 商务应用：大厦环境监控、楼宇安全监测、交通监控、酒店商品管理、员工考 勤等； 1 5 本论文的主要工作 在无线传感器网络路由与数据融合技术结合的研究期间，本论文主要的工作和成果有 以下几个方面： 1 对无线传感器网络中的数据融合技术进行整理，并阐述了不同的数据融合技 术分类标准，指出了提出数据融合的意义在于减少网络发送数据量，降低网络中数据碰撞 的概率，然后达到延长网络生存期的目的。 2 对定向扩散算法与数据融合技术的结合进行了具体的阐述，包括数据命名机 制，兴趣，梯度，数据的传输以及路径的加强和弱化。 3 本文采用国际上比较常用的网络仿真工具n s 2 。首先用c + + 来实现定向扩散 算法具体协议，然后在使用o t c l 语言来配置仿真试验场景。通过改变不同的场景配置， 本论文讨论并比较了d d 算法的原型以及两个改进算法在网络平均能量消耗方面的性能， 论证了三种算法实现形式各自所适用的网络拓扑特点。 5 南京邮电学院硕士研究生学位论文第2 章数据融合技术 第2 章数据融合技术 无线传感器网络的基本功能是将在监测区域内，各个传感器节点监测采样到的数 据传送到上层用户。但是由于无线传感器网络节点本身资源的有限性，例如有限的能量、 处理能力以及通信带宽等等，造成各个节点单独将数据独立的传送到汇聚节点是非常不适 宜的。在b e r k e l e l e ym o t e 中，l b i t 数据传输的能量消耗可以执行8 0 0 条指令盯1 。为了消 除节点密集分布的网络中的信息冗余以及提高频道以及能量的利用率，减少数据包的冲突 碰撞，无线传感器网络通常采用数据融合( d a ：d a t aa g g r e g a t i o n ) 的技术。 2 1 数据融合的分类 无线传感器网络中的数据融合根据不同的分类标准有着不同的分类形式，分类标准主 要包括以下几种： ( 1 ) 融合前后是否造成信息损失3 无损的：在无损融合中，所有有效的信息将会被保留。在各个结果之间有非常 大的相关性的情况下，会存在许多冗余数据。数据缩减的基本原则就是减少这些冗余信息。 数据融合节点对某个时间段内所收到的多个数据包进行处理，将数据包中监测数据部分提 取出来，打成一个数据包发送出去，这样只是减少发送了数据包的头部和为了发送这些数 据包而需要的控制消息。 有损的：与无损融合不同，有损融合是以减少细节消息或降低信息质量的方法 来减少更多的数据传输量，从而达到节省存储资源或者能量资源的目的。大多数有损融合 通常是会由具体的应用决定的。例如需要监测一个区域在某段时间内土壤的平均湿度，可 以采用有损的融合方式，在融合节点内将各个采样时间里的湿度采样值记录并计算出该段 时间内的土壤平均湿度，然后再发送给用户。这样，对于用户只是收集到了某时间段里平 均湿度的信息，而每个采样时间里的即时湿度对于用户来说则属于损失的信息量。 ( 2 ) 是否依赖于应用数据融合 依赖于应用的数据融合( a d d a ：a p p li c a ti o nd e p e n d e n td a t aa g g r e g a tio n ) ： 数据融合如果在应用层实现的话，则可以直接根据所需要的信息对采集到的数据进行处理 并融合：如果融合需要在网络层实现的话，则需要跨层理解应用层的处理机制，如图2 6 南京邮电学院硕士研究生学位论文第2 章数据融合技术 1 ( b ) 所示。 l 却掣 it r a n s p e d ll a y e r d a t ac e n t r i c r o u l i n g a 人l d 人b a d l 3 a c b o t h 图2 1 数据融合根据与网络层关系的分类图 独立于应用的数据融合( a i d a ：a p p l i c a t i o ni n d e p e n d e n td a t aa g g r e g a t i o n ： 如图2 一l ( a ) 所示，数据融合作用在m a c 层和网络层之间，a i d a 保持了无线传感器网络协 议栈中网络层的完整性。可以理解成m a c 层和网络层之间添加了一个新层数据融合 层，该层一般在对数据链路层的数据包融合后再提交给上层网络层。 结合以上两种技术的数据融合：如图2 一i ( c ) 所示，该种技术可以在数据融合 层或者其他协议层里面才用各种信息处理机制完成数据的融合。 ( 3 ) 根据融合操作的级别划分旧1 数据级融合：数据级融合是最底层的融合，也称像素级融合，是指直接对传感 器采集来的数据进行处理而获得融合数据的过程。数据级融合是最低层次的融合，是在采 集至! j 的传感器的原始信息层次上( 未经处理或只做很少的处理) 进行融合，在各种传感器 的原始测报信息未经预处理之前就进行信息的综合和分析。其优点是保持了尽可能多的战 场信息其缺点是处理的信息量大，所需时间长，实时性差。 特征级融合：特征级融合属于融合的中间层次，兼顾了数据层和决策层的优 点它利用从传感器的原始信息中提取的特征信息进行综合分析和处理。也就是说，每种 传感器提供从观测数据中提取的有代表性的特征，这些特征融合成单一的特征向量，然 后运用模式识别的方法进行处理这种方法对通信带宽的要求较低，但由于数据的丢失 使其准确性有所下降。 决策级融合：将多个传感器的识别结果进行融合这一层融合是在高层次上进 行的，融合的结果为指挥控制决策提供依据。决策层融合的优点是：具有很高的灵活 性，系统对信息传输带宽要求较低：能有效地融合反映环境或目标各个侧面的不同类型信 7 国 南京邮电学院硕士研究生学位论文第2 章数据融合技术 息，具有很强的容错性：通信容量小，抗干扰能力强：对传感器的依赖性小，传感器可 以是异质的：融合中心处理代价低。 2 2 网络层中的数据融合 2 2 1 路由方式与数据融合 在无线传感器网络的数据收集路由算法中，根据考虑数据融合与否，可分为两种 嵋1 ：( 1 ) 传统的以地址为中心( a c ：a d d r e s s c e n t r i c ) 的路由算法，源数据端经过最短路 径将数据发送到s i n k 节点，如图2 2 ( a ) 所示。( 2 ) 引入数据融合算法后，采用以数 据为中心( d c ：d a t a - c e n t r i c ) 的路由算法，源数据端的数据将经由如图2 2 ( b ) 所示路 由发送，两个源节点数据在b 节点融合之后再发送到s i n k 节点。 s i n k ( a ) a c 路由 上2 c 上2 b s i n k ( b ) d c 路由 图2 2 a c 路由与d c 路由的图示 2 2 2d c 路由中的数据融合 k 上2 b 接下来，讨论一些应用于网络层路由技术的数据融合技术。 1 基于平面路由的数据融合技术 ( 1 ) s p i n n 刚协议 s p i n ( 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 an e g o t i a t i o n ) 是一组基于协 商并且具有能量自适应功能的信息传播协议。它使用三种类型的信息进行通信，b p a d v 、 r e q 和d a t a 信息。在传送d a t a 信息前，传感器节点仅广播该包含d a t a 数据描述机制的a d v 8 南京邮电学院硕士研究生学位论文第2 章数据融合技术 信息，当接收到相应的r e q 请求信息时，才有目的地发送d a t a 信息。使用基于数据描述的 协商机制和能量自适应机制的s p i n 协议能够很好地解决传统的f l o o d i n gg o s s i p i n g 协议所 带来的信息爆炸、信息重复和资源浪费等问题。 ( 2 ) d d 协议 定向扩散( d d ：d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 阳1 算法中，数据是要被描述的，通过属性 组合对( a t t r i b u t e p a i r ) 的方式进行命名( n a m i n g ) 。接收发送器( s i n k ) 的业务查询作为对 某些数据的兴趣( i n t e r e s t ) 被注入网络，在传播i n t e r e s t 的过程中，指定范围内的节点 利用缓存机制动态维护接收数据的属性及指向信息源的梯度矢量等信息，同时激活传感器 来采集与该i n t e r e s t 相匹配的信息。这个扩散的过程同时也在网络中建立了若干的梯度 ( g r a d i e n t ) ，用来提取出具体的所关心的事件( e v e n t ) ，也就是与i n t e r e s t 相匹配的实际 数据。这些结果数据会根据己有的梯度，沿着不同的路径返回到s i n k 节点。然后算法会 要求根据一定的标准，从若干条返回路径中，选出它认为代价较低的一条进行数据传输。 ( 3 ) r u m o rr o u t i n g 1 协议 在该算法中，每个s e n s o r 节点都维护一个事件列表，其表项包含事件的基本描述、 播报该事件的源节点、最先传递该事件的上- - 砖j h s e n s o r 节点；另外，引入了一个具有长生 命周期的报文，a g e n t ，用于源节点广播感知事件的描述信息并在网络中传播。该算法其 本质如同s p i n 算法，与之不同的是，该算法通过s e n s o r 节点维护的事件列表信息，能够 维护一条与源节点间之间的路径，所以经过初始化的泛洪后，相应路由信息即建立起来了， 从而避免了s p i n 协议中的大量泛洪过程，达到显著节省能量的目的。该算法主要适用于 具有大量查询和少量事件的应用场景，如果网络拓扑结构频繁变动，该算法性能即大幅下 降。该算法同时也是d i r e c t e dd i f f u s i o n 算法的一个改进。 ( 4 ) h r e e m r n 2 1 协议 h r e e m r ( h i g h l y - - r e s i l i e n t ，e n e r g y - - e f f i c i e n tm u l t i p a t hr o u t i n g ) 与前一种协 议的不同之处在于它利用多路径( m u l t i p a t h ) 技术实现了能源有效的故障恢复，解决了d d 为了提高协议的健壮性，采用周期低速率扩散数据而带来的能源浪费问题。它采用与d d 相 同的本地化算法建立s o u r c e 和s i n k 间的最优路径p ，为了保障p 在发生失效时协议仍能正常 运行，构建多条与p 不相交的冗余路径，一旦发生失效现象，即可启用冗余路径进行通信。 ( 5 ) s m e n c n 3 1 协议 s m e c n ( s m a l lm i n i m u me n e r g yc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) 协议是基于节点定位的路由 9 南京邮电学院硕士研究生学位论文第2 章数据融合技术 协议，它是在针对a d - - h o c 网络设计的肛c n 协议基础上改进的。该协议通过构建具有最小 能量( 姬：m i n i m u me n e r g y ) 属性的子图来降低传输数据所消耗的能量，从而更好地满足 t w s n 对节能性的需求。仿真结果显示，在广播范围能够达到环绕着广播机区域内的所有 节点的情况下，s m e c n 构建的子图小于m e c n ( m i n i m u me n e r g yc o m m u i c a t i o nn e t w o r k ) 构 建的子图，在拓扑变化不太频繁的传感器网络中能够很好地应用。 ( 6 ) s a r n 引协议 有序分配路由( s a r ：s e q u e n t i a la s s i g n m e n tr o u t i n g ) 协议是第一个具有q o s 意识 的网络层数据融合协议。该协议通过构建以s i n k 的单跳邻居节点为根节点的多播树实现传 感器节点至1 s i n k 的多跳路径。它的特点是路由决策不仅要考虑到每条路径的能源，还要涉 及到端到端的延迟需求和待发送数据包的优先级。仿真结果显示，与只考虑路径能量消耗 的最小能量度量协议相比，s a r 的能量消耗较少。该算法的缺点是不适用于大型的和拓扑 频繁变化的网络。 2 基于层次路由的数据融合技术 ( 1 ) l e a c h n 5 3 协议 l e a c h ( l o w - - e n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) 是一种基于多簇结构的路由协 议。它的基本思想是通过随机循环地选择簇首节点将整个网络的能量负载平均分配到每个 传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。l e a c h 在运 行过程中不断地循环执行簇重构过程。每个重构过程分成两个阶段：簇的建立阶段和传输 数据的稳定阶段。为了节省资源开销，稳定阶段的持续时间要长于建立阶段的持续时间。 与一般的基于平面结构的路由协议和静态的基于多簇结构的路由协议相比。l e a c h 可以将 网络整体生存时间延长1 5 。 ( 2 ) t e e n n 6 1 协议 节能的阂值敏感路由( t e e n ：t h r e s h o l ds e n s i t i v ee n e r g ye f f i c i e n ts e n s o r n e t w o r k p r o t o c 0 1 ) 是具有实时性的路由协议。它采用与l e a c h 相同的多簇结构和运行方式。不同 的是，在簇的建立过程中，随着簇首节点的选定，簇首除了通过t d m a 方法实现数据的调度， 还向簇内成员广播有关数据的硬阈值和软阈值两个参数。通过设置硬阈值和软阈值两个参 数，t e e n 日够大大地减少数据传送的次数，从而达到比l e a c h 算法更节能的目的。t e e n 协 议的优点是适用于实时应用系统，可以对突发事件做出快速反应。它的缺点是不适用于需 要持续采集数据的应用环境。 1 0 南京邮电学院硕士研究生学位论文第2 章数据融合技术 ( 3 ) p e g a s i s 川协议 p e g a s i s ( p o w e r - - e f f i c i e n tg a t h e r i n gi ns e n s o ri n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 协议是在 l e a c h 基础上改进设计的。不同于l e a c h 的多簇结构，p e g a s i s 协议在传感器节点中采用链 式结构进行连接，链中每个节点向邻节点发送和接受数据，并且只有一个节点作为簇首向 基站s i n k 传输数据。采集到的数据以点到点的方式传送、融合，并最终被送到s i n k 。协议 的优点是减小t l e a c h 在簇重构过程中所产生的开销，并且通过数据融合降低了收发过程 的次数，从而降低了能量的消耗。它的缺点是链中远距离的节点会引起过多的数据延迟， 而且簇首节点的唯一性使得簇首会成为瓶颈。 ( 4 ) e a r s n 协议 e a r s n ( e n e r g y - - a w a r er o u t i n gf o rc l u s t e r b a s e ds e n s o r n e t w o r k ) 是基于三层体系 结构的路由协议。该协议要求网络运行前由终端用户s i n k 将传感器节点划分成簇，并通知 每个簇首节点的i d 标识和簇内所分配节点的位置信息。传感器节点可以以活动方式和备用 的低能源方式两种方式运行并以下面这四种方式之一存在：感知、转发、感知并转发、休 眠。与前述集群路由协议不同的是，该协议的簇首不受能量的限制。它作为网络的中心管 理者，可以监控节点的能量变化，决定并维护传感器的四种状态。算法依据两个节点间的 能量消耗、延迟最优化等性能指标计算路径代价函数。簇首节点利用代价函数作为链路成 本，选择最小成本的路径作为节点与其通信的最优路径。经仿真分析，该协议在运行过程 中具有很好的节能性、较高的吞吐量和较低的通信延迟。 ( 5 ) a p t e e n n 8 1 协议 a p t e e n ( a d a p t i v ep e r i o d i ct h r e s ho l d s e n s i t i v ee n e r g ye f f i c i e n ts e n s o r n e t w o r kp r o t o c 0 1 ) 是t e e n 的设计者们针对t e e n 的缺点进行的改良，它是一种结合响应型 和主动型传感器网络策略的混合型网络路由协议。a p t e e n 在t e e n 的基础上定义了个计 数时间，当节点从上一次发送数据开始经历这个计数时间还没有发送数据，那么不管当前 的数据是否满足软、硬门限的要求都会发送这个数据。a p t e e n 可以通过改变计数时间来 控制能量消耗。 ( 6 ) v g a 协议 v g a ( v i r t u a lg r i da r c h i t e c t u r er o u t i n g ) 是l e a c h 算法的一个改进。其主要出发点 就是在集群分组中进行局部和全局的多次数据汇集从而减少冗余数据的传输。该算法将传 感器所在区域切分为正方形网格，每个区域在某一时刻使用一个s e n s o r 节点工作，其它休 南京邮电学院硕士研究生学位论文第2 章数据融合技术 眠。基于相邻区域的s e n s o r 节点感知到的数据具有相关性，算法选取其中一个区域内活跃 节点作为局部的的汇集节点，这些节点间的路由则采用类似于d i r e c t e dd i f f u s i o n 算法。 ( 7 ) s o p 协议 s o p ( s e l f - - o r g a n i z i n gp r o t o c 0 1 ) 协议主要适用于具有异构节点的传感器网络。使用 资源限制小的节点作为路由器，并固定其位置：其它s e n s o r 节点可以是静止也可以是运动 的，通过固定放置的路由节点接入整个网络。每个s e n s o r 节点还可以通过接入路由器获得 编址，组成类似于局域网的域空间。 3 基于地理位置路由的数据融合技术 考虑到s e n s o r 节点能够直接获取自身地理位置，或者通过某些标杆节点获取，在很多 路由算法中，所以相当的工作通过移植部分在a dh o c 研究中的成果取得很好的效果。 ( 1 ) g e a r n 钔协议 g e a r ( g e o g r a p h i ca n de n e r g ya w a r er o u t i n g ) 算法在d i r e c t e dd i f f u s i o n 算法的基 础上做了一系列改进，考虑到s e n s o r 节点的位置信息而将i n t e r e s t 报文添加地址信息字 段，并据其将i n t e r e s t 往特定方向传输以替代原泛洪方式，从而显著节省能量消耗。该算 法引入了估计代价( e s t i m a t e dc o s t ) 和自学习代价( 1 e a r n i n gc o s t ) 。通过计算两者差 值来选取更接近s i n k 节点的s e n s o r 节点作为下一跳。 ( 2 ) m e c n 协议 m e c n ( m i n i m u me n e r g yc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) 协议本质上是为无线网络设计的， 但是也可直接应用于无线传感器网络。该算法的实质注意到在一些场合下，两个节点直接 通信的代价高于经若干中继节点转发的代价，故引入中继区域( r e l a yr e g i o n ) 这一概念， 把所有符合标准的中继节点作为其组成部分：当两个节点需要进行数据交换的时候，协议 将根据b e l m a n n - - f o r d 最短路径法选取能耗最小的一条通路进行传输。可见，该算法是能 自配置的，很好的解决了节点失效问题；但是对于节点运动的情况而言，该算法计算中继 区域内的路径代价急剧上升。 ( 3 ) g e d i r 晗们协议 g e d i r ( t h eg e o g r a p h i cd i s t a n c er o u t i n g ) 算法一实质是贪婪算法，s e n s o r 节点转 发分组的时候，根据地理信息，选择与s i n k 节点最近的邻居节点。算法同m f r ( m o s t f o r w a r dw i t h i nr a d i u s ) 算法也很接近。类似的，像g o a f r 和s p a n 算法都可以直接应用于 传感器网络。 1 2 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第2 章数据融合技术 2 3 小结 经过以上章节的描述，了解到在无线传感器网络中融入数据融合的技术，可以达到节 省能量，获取更准确信息以及减少网络阻塞等目的。在接下来的章节中，本论文将会具体 论叙网络层中的定向扩散与数据融合相结合的技术。 南京邮电学院硕士研究生学位论文第3 章定向扩散算法的理论基础 第3 章定向扩散算法的理谵基础 3 1 定向扩散算法的基本概念随1 定向扩散模型是e s t r i n 等人专门为传感器网络设计的网络层数据融合策略。节点用一 组属性值来命名它所生成的数据，s i n k 节点发出的查询业务也用属性的组合表示，逐级扩 散，最终遍历全网，找到所有匹配的原始数据。有一个称为“梯度”的矢量与整个业务请 求的扩散过程相联系，反映了网络中间节点对匹配请求条件的数据源的近似判断。更直接 的方法是节点用一组标量值表示它的选择，值越大意味着向该方向继续搜索获得匹配数据 的可能性越大，这样的处理最终将会在整个网络中为s i n k 节点的请求建立j 个临时的“梯 度”场，匹配数据可以沿“梯度 最大的方向中继回s i n k 节点。图3 1 描述了定向扩散模 型的工作原理。 金繁。弋 o 簿 s 、。 o o 0 d d 气 0 t ( a ) 请求扩散( b ) 梯度场建立( c ) 数据传输 图3 1 定向扩散路由原理 定向扩散协议中，有几个十分重要的概念：兴趣、数据消息、梯度以及梯度的强化或 者弱化。这些概念将会在本论文后面的章节中有着具体的描述。 3 1 1 数据命名机制 在定向扩散算法中，是用一组属性值来命名兴趣和数据包。之所以这么来做，是 因为传感器网络节点没有全局唯一的i d ，每个节点都只是知道邻近传感器节点的情况，而 不知道全局所有节点的信息。为了保证s i n k 节点所需要的数据能够准确的被描述，而且 s o u r c e 节点产生的数据能够传输到监测者所在的接收发送器，就需要把兴趣和采集的数据 以一种方式对应起来。因为这个原因，把兴趣用组合属性值来描述，数据包也相应的使用 1 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第3 章定向扩散算法的理论基础 了类似的属性值命名。象上面汽车监控的例子，就可以简单的把观测任务，即兴趣按照下 面的方式进行描述： t y p e = w h e e l e dv e h i c l e车辆类型 i n t e r v a l = l o m s 每l o r e s 发送一次数据 d u r a ti o n = l o s 1 0 秒有效期 r e c t = 一i 0 0 ，1 0 0 ，2 0 0 ，4 0 0 传感器所在区域 因为该任务描述表达了对满足条件的数据的兴趣，所以把这个任务描述称为“兴趣” ( i n t e r e s t ) 。当然这只是很简单的描述。通常而言，一个兴趣的属性组合描述要包括：监 测对象，监测区域，起始时间，有效时间，发送周期等，当然用户也可以根据自己不同的 任务增加自己的特殊的属性项。而s o u r c e 节点产生的数据包同样用一组属性值来表示，同 ： 兴趣的组合属性的格式相对应，对返回的匹配的响应数据也采用相同的规则命名，例如当 一个传感器节点发现了一辆卡车，它将产生并发送以下格式的响应数据： t y p e = w h e e l e dv e h i c l e 车辆类型 i n s t a n c e = t r u c k 具体车辆类型 l o c a t i o n = ( 2 5 ，2 2 0 )采集节点的位置 i n t e n s i t y - - - - 0 6信号强度 c o n f i d e n c e = 0 8 5 信号可信匹配度 t i m e s t a m p = 0 1 ：0 2 ：1 2 数据采集时间 这样兴趣和相关的观测数据就对应联系起来了。这里要需要指出信号匹配度 ( i n t e n s i t y ) ，它表示节点所采集的数据信息和兴趣的匹配程度，数值越高则表示采集到 的数据越满足用户的观测要求。一般而言，每一属性都有一定的数值范围，超出该范围， 传感器节点可以触发某些特定的机制在本地放弃或者处理所采集到的数据信息，从而提高 网络的正确感知能力，减少无用数据的传输，节省网络能量开销。考虑到无线传感器网络 的应用一般是是系列的业务查询，因此将定向扩散算法应用于某一传感器网络的第一步 骤就是要根据应用的特点，制定一套数据命名规范。有多种不同的数据命名模式可以选择， 开发者应该根据具体的应用选择最恰当的命名规范。由于本论文的目的是为了描述d d 算法 中与路由相结合的数据融合过程以及几个不同融合形式所适用的网络拓扑特点，因此本论 文对于如何选择最恰当的命名规范不做更详细的阐述。 1 5 南京邮电学院硕士研究生学位论文第3 章定向扩散算法的理论基础 3 1 2 兴趣传播和梯度建立 当监控中心需要对某一区域进行监控从而获取数据时，会产生兴趣，并且把它通过 s i n k 节点注入网络中。在兴趣传播的过程中，相关的网络梯度也会随