（电工理论与新技术专业论文）无线传感器网络数据融合研究及测试床硬件系统设计.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , m o d e m n e t w o r k sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h ew i r e l e s se n s o rn e t w o r k sa d v a n c e sq u i c k l y w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si n v o l v em a n ys e c t o r s ，b e c o m i n gah o tt o p i co fr e s e a r c hi n t h ef i e l do f i t t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e se n e r g yr e s o u r c e sa r ev e r yl i m i t e dc o m p u t i n g p o w e ra n db a n d w i d t ha n dt h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o rsa r ef o r m e db yt h el a r g e n u m b e ro fs e n s o r s t h i sd e t e r m i n e st h ed e g r e eo fwr e l e s ss e n s o rn e t w o r kp r o t o c o l s t a c kd e s i g n e dt ob ee n e r g y e f f i c i e n c y b yt h ed a ta g g r e g a t i o ni nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，t h ee n e r g yw a sl a r g e l ys a v e d i na l l u s i o nt os e r v i c et y p e sa n dt r a n s m i s s i o np a c k e t so fn e t w o r kl e v e l si nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to n ，c h a r a c t e r i s t i ca n da c t u a l r e s e a r c ho fa g g r e g a t i o ns t r a t e g yi nw s na n dd i s c u st h em e t h o do fh o wt ou s e a g g r e g a t i o nt e c h n i q u eb a s e do nt h ee v e n td r i v e nn e t w o r k ss t e pb ys t e p b a s e do nt h es i n g l ee v e n td r i v e nn e t w o r k s ，t h i sp ae l r e s e a r c h e so na g g r e g a t i o n s t r a t e g yi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，p r o p o s eam e t h o df o rf m d i n gt h ep o i n to fa g r a p ha n dp r o p o s ea na g g r e g a t i o na l g o r i t h mt h a tb ae do nt h i sd i s t r i b u t e dm e t h o d i t i n t r o d u c e st h ep r o c e s so ff i n d i n gt h ep o i n ta n db ul d i n ga g g r e g a t i o nt r e e ，a n a l y z e st h e i m p a c to fn e t w o r kd e n s i t ya n dt h er e l a t i v e l yd i s t a n c eb e t w e e n t h ee v e n ta n dt h es i n k o ne n e r g ys a v i n g c o m p a r e dw i t ht h es h o r t e s tp a t hl g o r i t h m ，p r o v et h ev a l i d i t yo ft h e p o i n tf o r mb o t hm a t h e m a t i c sc o n s e q u e n c ea n dp r o g r a me m u l a t o n f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rs i m p l yi n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g no fw s n t e s tb e d o n t h et e s tb e d ，w ep r o v et h ec o r r e c t i o no ft h i sa l g o r i t h m t h r o u g hc h o o s i n gab e t t e rn o d et oa g g r e g a t i o nd a t at h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g yi s a c h i e v e d k e y w o r d s ：a g g r e g a t i o n ，c e n t e r , a g g r e g a t i o nt r e e ，s h o r t e s tp a t h ，e v e n td r i v e n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注叁堂或其他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。 学位论文作者签名：试疙已杉 签字日期：h 唧年弓月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：试帆 签字日期加7 年弓月日 翩签名：乃，狗纠 签字日期：2 哆年2 ，月g e l 第一章绪论 第一章绪论 近年来微机电系统( m e m s ) 和低功耗高集成数字设备的发展，导致了低成 本、低功耗、微体积传感器节点的出现。这种微传感器节点由传感单元，数据处 理单元，通信单元和便携式电源组成i l l ，能完成数据采集、信号监测和传送信息 的任务。随着传感器技术和通信技术的发展，无线传感器网络技术开始提出，并 因为其应用的广泛性而得到越来越多的重视。无线传感器网络是由一组传感器节 点通过无线介质连接构成的无线网络，它采用a dh o 方式配置大量微型的智能传 感器节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。无线 传感器网络在环境与军事监控，地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索 等许多方面都具有广泛的应用前景。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的 一场革命，是2 世纪最重要的技术之一。 1 1 无线传感器网络的特点 1 1 面积分布广阔 比如在军事应用方面，可以将无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事 行动，智能化的终端可以被大量地装在宣传品、子弹或炮弹壳中，在目标地点撤 落下去，形成大面积的监视网络。 1 1 节点能量有限 网络中每个节点的电源是有限的，网络大多工作在无人区或者对人体有伤 害的恶劣环境中，更换电源几乎是不可能的事，这势必要求网络功耗要小，以延 长网络的寿命，而且要尽最大可能的节省电源消耗。 第一章绪论 1 1 网络自动配置 这包括自动组网、对入网的终端进行身份验证、防止非法用户入侵。相对于 那些布置在预先指定地点的传感器网络而言，无线传感器网络可以借鉴a dh o 方式来配置，当然前提是要有一套合适的通信协议保证网络在无人干预情况下自 动运行。 1 1 网络自动管理 在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，这样做的目的是减少无线 链路中传送的数据量，只有与其他节点相关的信息才在链路中传送。以数据为中 心的特性是无线传感器网络的又一个特点，由于节点不是预先计划的，而且节点 位置也不是预先确定的，这样就有一些节点由于发生较多错误或者不能执行指定 任务而被中止运行。为了在网络中监视目标对象，配置冗余节点是必要的，节点 之间可以通信和协作，共享数据，这样可以保证获得被监视对象比较全面的数 据。 对用户来说，向所有位于观测区内的传感器发送一个数据请求，然后将采 集的数据送到指定节点处理，可以用一个多播路由协议把消息送到相关节点，这 需要一个唯一的地址表，对于用户而言，不需要知道每个传感器的具体身份号， 所以可以用以数据为中心的组网方式。 1 1 5 网络自身特点 无线传感器网络作为一种分布式传感器网络，和移动a dh o c 网络有相似点， 但又有很多不同。移动a dh o c 网络可以用于没有无线基础设施存在或出于费用 和安全方面的考虑不方便设置无线基础设施的场合，而传感器很多时候被布置在 近地环境中，地波吸收现象不能被忽视，并且高密度布置的传感器网络中的多用 户接【也造成了很高的误比特率。作为移动通信的两种基本组网模式之一，移动 a dh o c 网络中的传输模型是典型的多对多式，而传感器网中的传输模型更偏向 于分层次模型( 多对一传输) 。一般来说，无线传感器网络的节点比典型的移动 终端或手持设备有更多的资源受限要求，但对于计算的要求则是可有町无的，当 2 第一章绪论 需要执行计算任务时，如果通信成本比计算成本低，计算任务就被送到中心节点 去执行。 1 2 无线传感器网络的结构 n o 。麓飞甲 0oo 医面蔷习 3 第一章绪论 换控制消息和收发采集数据；电源管理单元选通所用到的传感器，节点电源由电 池或者采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。 图1 - 2 无线传感器网络微型节点结构图 1 3 无线传感器网络的组网过程 唆醒耕糨翌使硼 每勘连臻成艇络选 簟垮由选 谗讯 图i - 3 无线传感器嘲络组网过程 图中的四张图描述的是传感器网络的生成过程心1 。首先，传感器节点进行随 机地撒放，包括人工、机械、空投等方法；第二步是撤放后的传感器节点进入到 自检启动的唤醒状态，每个传感器节点会发出信号，监控并记录周围传感器节点 的工作情况；第三步是这些传感器节点根据监控到的周围传感器节点情况，采用 一定的组网算法，形成按一定规律结合成的网络；第四步是组成网络的传感器节 点根据一定的路由算法选择合适的路径进行数据通讯。 4 第一章绪论 1 4 无线传感器网络的应用及研究现状 1 4 1 无线传感器网络的应用 虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时 日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数 不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以 下领域： 1 环境的监测和保护 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越 多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避 免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人 员曾经将3 个小型传感器连进互联网，以读出缅因州大鸭岛上的气候，用来 评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以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。此外，它也可以应用 在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 医疗护理 无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科 学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征 兆( 血压、脉搏和呼吸) 、睡觉姿势以及每天2 小时的活动状况。英特尔公司也 推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技 术项目c e n t e rf o r a g i n gs e r v i c e st e c h n o l o g i e ( c a s t ) 的一个环节开发的。该系 统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄 人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器 联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负 担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事e r i cd i s h m a n 称，在开发家庭用护 理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域。 军事领域 由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶 劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控 5 第一章绪论 兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究 局已投资几千万美元，帮助大学进行智能尘埃传感器技术的研发。哈伯研究公 司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2 0 0 年的 1 0 0 万美元增加到2 0 1 年的几十亿美元。 4 其他用途 无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井 矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为 车辆监控的有力工具。此外，还可以应用在工业自动化生产线等诸多领域，英特 尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由4 0 台机器上的2 1 0 个传感 器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低 检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高 效率，并延长设备的使用时间。 无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环 境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其 优越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网 络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网络最终可能将家用电 器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传 感器网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十 分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。 1 4 2 无线传感器网络的现状 无线传感器引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国军 方有包括c 4 k i s r 计划、s m a r ts e n s o rw e 、灵巧传感器网络通信、无人值守地 面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统c e c 等研究。 美国i n t e l 公司在2 0 0 年进行了基于微型传感器网络的新型计算发展规划。 n s 于2 0 0 年制定了传感器网络研究计划。 美国d u s tn e t w o r k 和c r o s s b o wt e c h n o l o g i e 等公司研究的“智能尘埃m o t e ” 已进入应用测试。在英国、日本、意大利等国家，已经开展了该领域的研究工作。 6 第一章绪论 我国也开展了这一领域的研究工作。近年来，“无线传感器网络的研究”被 列入国家自然科学重点基金、“8 6 ”、“9 7 ”项目计划，同时也进入了“l l ”规 划。 1 5 无线传感器网络的主要研究课题 1 5 1 网络安全协议 传感器网络受到的安全威胁和移动a dh o 网络所受到的安全威胁不同，所以 现有的网络安全机制不适合此领域，需要开发针对无线传感器网络的专门协议。 一种思想是从维护路由安全的角度出发，寻找尽可能安全的路由以保证网络 的安全。文献【lj 指出，如果路由协议被破坏导致传送的消息被篡改，那么对于应 用层上的数据包来说没有任何的安全性可言。文中介绍了一种方法叫“有安全意 识的路由”( s a r ) ，其思想是找出真实值和节点之间的关系，然后利用这些真实 值去生成安全的路由。该方法解决了两个问题，即如何保证数据在安全路径中传 送和路由协议中的信息安全性。文中假设两个军官利用按需距离矢量路i 主l ( a d h o co nd e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n ，a o d v 协议通过a dh o 网络来通信， 他们的通信基于b e l l l 安全模型【3 】，这种模型中，当节点的安全等级达不到要 求时，其就会自动的从路由选择中退出以保证整个网络的路由安全。文献【3 】指出， 可以通过多径路由算法改善系统的稳健性( r o b u s t n e s ) ，数据包通过路由选择算 法在多条路径中向前传送，在接收端内通过前向纠错技术得到重建。无线传感器 网络中传感器的数量众多并且功能有限，移动a dh o 网络中的路由方案不能直 接应用到无线传感器网络中，所以该文给出了一种网状多径路由协议。此协议中 应用了选择性向前传送数据包和端到端的前向纠错解码技术，配合适合传感器网 络的网状多径搜索机制，能减少信号开支( s i g n a l i n g o v e r h e a ) ，简化节点数据库， 增大系统的吞吐量，相对数据包复制或者有限泛洪法来说，这种方法消耗更少的 系统资源比如信道带宽和电能。 另一种思想是把着重点放在安全协议方面，在此领域也出现了大晕的研究成 果。在文献【4 】中，作者假定传感器网络的任务是为高级政要人员提供安全保护的， 提供一个安全解决方案将为解决这类安全问题带来一个普适的模型。在具体的技 7 第一章绪论 术实现上，先假定基站总是正常工作的，并且总是安全的，满足必要的计算速度、 存储器容量，基站功率满足加密和路由的要求；通信模式是点到点，通过端到端 的加密保证了数据传输的安全性；射频层总是正常工作。基于以上前提，典型的 安全问题可以总结为： ( ) 信息被非法用户截获。 ( ) 一个节点遭破坏。 ( ) 识别伪节点。 ( 4 ) 如何向已有传感器网络添加合法的节点。 1 5 节点移动性管理 这个问题实质上就是没有无线基础设施的无线传感器网络中的节点查询问 题。最简单的资源查询方式是全局泛洪法，但是对于资源有限的无线传感器网络 不适用，因此在设计工作中应该尽量避免使用全局泛洪法。扩展环搜索法 ( e x p a n d i n gr i n gs e a r c ) 用增加生存时间( t i m e t o - l i v e ，t t l ) 的方式重复泛 洪，这种方式和由此派生出来的方式也不适合无线传感器网络。在改善泛洪法的 效率方面，文献4 1 巾提出的方案是通过减少查询每个节点时出现的多余消息去减 少泛洪法固有的冗余，在没有出现明显的冗余情况下，这种方案对提高效率没有 太多贡献。在a dh o 网络中，查询节点是通过基于簇( c l u s t e r ) 和界标( 1 a n d m a r k ) 的层次表来实现的，这种方式需要在节点之间设置复杂的协调机制，当节点移动 时或者簇头( c l u s t e r - h e a ) 或界标失败时，层次表需要重新配置。而且，通常簇 头会成为一个瓶颈，所以我们通常避免这种分层次的协调表，也避免使用簇头。 g l s 中提出的技术是基于一种所有节点都已知的网络网格图。节点使用位 置服务器保存它们的位置，并用一种基于i d 号的算法去更新它们的位置，当节 点寻找指定i d 号的节点位置时，也用这种算法去服务器寻找目标节点的位置。 对于知道网络的网格图和它们自己的位置并且知道目标节点的i d 号的节点，这 种方法是一个好方法。 介绍了一种针对大规模移动传感器网络的查询方法，这种方法借用了小世界 ( s m a l lw o r l d ) 的概念，利用节点的移动性去提高查询效率，并引入了关联 ( c o n t a c t ) 的概念。其工作原理是首先在相邻节点间建立关联，当它们移动时， 第一章绪论 再关联新的相邻节点，这样提高了查询的效率。与传统的路由查询方式不同，这 种设计基本目标不是去优化路由或者响应延时，而是去减少通信的系统开销，这 一点在能量受限的环境中非常重要，特别是对于传感器数量众多的网络中的一次 性查询通信的生存时间很短。文中给出的协议是可升级的( s e a l a b l e ) 自动配 置的，非常适应节点的移动性要求。仿真结果显示它比边缘泛洪法提高效率6 0 7 ，比泛洪法提高效率8 0 9 ，比扩展环搜索法则有更大的改善。 针对无线传感器网络中的分布式定位，文献【5 】比较了三种定位算法：a dh o 、 鲁棒定位、n 跳多向法。具体选择哪种算法要取决于某些网络参数，比如差错分 布和连通性等。 1 5 4 系统功耗问题 无线传感器网络应用于特殊场合时，电源不可更换，因此功耗问题显得至关 重要。 在系统的功耗模型中，我们最关心的是： ( ) 微控制器的操作模式( 休眠模式、操作模式、，潜在的减慢时钟速率等) ， 无线前端的工作模式( 休眠、空闲、接收、发射等) 。 ( ) 在每种模式中，每个功能块的功耗量，及它与哪些参数有关。 ( ) 在发射功率受限的情况下，发射功率和系统功耗的映射关系。 ( ) 从一种操作模式转换到另外一种操作模式假设可以直接转换的转换时 间及其功耗。 ( ) 无线调制解调器的接收灵敏度和最大输出功率。 1 6 本文的选题意义和研究内容 1 6 1 选题意义 随着科学技术的进步，推动了具有现代意义的无线传感器网络的产生和发 展。目前，欧美等发达国家投入了大量的人力、物力从事这一领域的研究，形成 了一个新的学科方向。我国也开展了这一领域的研究工作。特别是近年来，“无 9 第一章绪论 线传感器网络的研究”被列入国家自然科学重点基金、“8 6 ”、“9 7 ”项目计划。 因此对无线传感器网络的理论和应用的研究有着十分重要的意义。 在应用过程中，针对无线传感器网络中传感器节点的能量十分有限的特点， 利用数据融合技术减少在网络中传递的数据量是一种有效的节能手段。同时，利 用数据融合技术还可以对多份数据进行综合，达到提高所获得信息的精度和可信 度的目的。因此，在传感器网络中，数据融合起着十分重要的作用。 1 6 2 研究内容和创新点 本文的研究内容主要包括以下几个部分： 第二章主要介绍了无线传感器网络的定义和特点。在此基础之上，介绍了传 感器网络的拓扑结构的分类，指出簇状网络的优点。这种结构可以利用本地计算 和存储能力处理数据，去除冗余信息，尽量减少传输量，达到节省能量的目的。 最后，从多个角度对数据融合技术进行了分类。重点介绍了在网络层中数据融合 的路由策略和几种建立融合树的模型。 第三章提出了一种基于事件驱动的簇状汇聚头融合算法。作为背景知识，简 单介绍当前常用的集中数据融合算法和关于事件驱动的一些基本概念。在本章 中，根据图论的中心点的概念，提出了簇状汇聚头融合算法。通过与最短路路由 算法比较，验证了它的节能效果。 第四章介绍了本算法在测试床上的应用。首先，介绍了测试床系统的工作原 理。然后，分析了测试床系统硬件结构设计中需要解决的一些主要问题。最后， 通过程序实现在测试床上的软件仿真，得到了预期的结果。 第五章对本文进行了总结，提出了下一步工作的展望。 本文在以下方面做出了创新性的研究： 1 针对无线传感器网络中节点能量受限的特点，提出了簇状汇聚头融合算 法。当传感器节点受到事件驱动时启用该算法，依据图论中的中心点分布式算法， 找到汇聚头，并以此为根节点建立融合树。 2 解决了测试床系统硬件结构设计中遇到的一些问题，提供了实验数据， 为利用有形介质仿真无线介质路由算法提供了理论基础。 1 0 第二章数据融合在无线传感器网络中的应用 2 1 引言 第二章数据融合在无线传感器网络中的应用 收集并汇报监测区域的信息是无线传感器网络的基本功能，这一功能是靠传 感器网络中的节点来实现的。但是无线传感器网络节点的电池能量、处理能力、 存储容量以及通信带宽等几个方面资源十分有限，在收集信息的过程中采用各个 节点单独传送数据到汇聚节点的方法是不合适的，主要是因为各个节点单独传送 数据会导致： 1 信息传送效率低：多个节点同时传送数据会造成频繁的冲突碰撞，降低 了通信效率影响了信息传送的及时性。 2 浪费通信带宽：在网络密度较高的传感器网络中，邻近节点报告的信息 存在很大的冗余，各个节点单独传送数据会浪费通信带宽。 3 浪费能量：传输大量冗余数据和由此引起的频繁冲突碰撞会使整个网络 消耗过多的能量，缩短网络的生存期。 为避免上述问题，在无线传感器网络收集、汇报数据的过程中应用数据融合 ( d a t aa g g r e g a t i o n 或d a t af u s i o n ) 技术是一种行之有效的手段。数据融合是将多 份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求数据的过程。数据融合 的方法普遍应用在日常生活中，比如在辨别一个事物的时候通常会综合各种感观 信息，包括视觉、触觉、嗅觉和听觉等。单独依赖一种感官获得的信息往往不足 以对事物做出准确判断，而综合多种感官数据，对事物的描述会更准确。在传统 的传感器应用中，许多时候只关心监测结果，并不需要大量的原始数据，数据融 合是实现此目的的一种重要手段。 对于无线传感器网络，数据融合技术主要用于处理同一类型的数据。例如在 温度监测的应用中，岁 需要对多个传感器探测到的环境温度数据进行融合。另外， 数据融合技术的作用与传感器网络的应用环境密切相关。比如，温度监控应用中 只要处理传感器节点的位置和报告的温度数值，比较容易实现，融合效果也很好； 而在目标识别应用中，由于各个节点的地理位置不同，针对同一目标所报告的图 第二章数据融合在无线传感器网络中的应用 像的探测角度也不同，需要进行三维空间的考虑，所以融合难度相对较大，融合 后的效果不是很明显。 2 2 无线传感器网络的拓扑结构的分类 文献【1 0 j 无线传感器网络可以分为两种类型一种是平面多跳结构。这种模型 中数据通过多跳的方式传输的基站又称用户节点槽节点，s i n k 节点。第二种是 基于簇的等级模型。这个模型是数据开始聚集于一个簇中，并在发送到更高一级 簇中，在从低级到高级的过程中，数据直接传输一个较远的距离，这样节省了传 输的时间，减少了传输的延迟。 无线传感器网络可以分为两大类：平面结构网和层次结构网。而且，平面结 构网又可分为三种子类型，它们是平面网状网，平面簇状网，平面树状网。层次 结构网又分为两种子类型，它们是无网关的层次结构网，有网关的层次结构网。 下面将对其中的典型网络进行简单介绍。 2 2 1 平面网状网 平面网络网的拓扑结构如图2 1 所示，用于平面网状网的典型协议有s p i n 1 1 】 和文献1 2 1 提到的协议，简要介绍如下： 槽节点r 普通节点 s i n k 一” 图2 一l 平面网状网 1 2 第二章数据融合在无线传感器网络中的应用 ( 1 ) s p i n i q ：s p i n 协议是较早( 1 9 9 9 年) 的一种用于w s n 的协议，它研究的 网络类形为平面网状网，目标是：要实现把任意一个节点获得的信息有效传播到 网络的任意一个节点，它基于所有节点都可能成为s i n k 节点这个假设。s p i n 是 以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制来解决泛洪算法中的“内爆”和 “重叠”问题。传感器节点仅广播采集数据的描述信息，当有相应请求时，才有目 的地发送数据信息。s p i n 协议中有3 种类型的消息，即a d v ，r e q 和d a t a 。 节点用a d v 宣布有数据发送，用r e q 请求希望接收数据，用d a t a 封装数据。 协议说明如图4 ( 摘自文献【1 1 ) ： ( ) 节点a 首先对节点b 广播它的信息，( ) 节点b 对a 做出回应，发出数据请 求，( ) a 发送数据，( ) 在节点b 接收到数据后再对其余邻居节点广播信息， ( e ，) 对节点b 信息的回应。 拶拶眵 够够拶 e 图2 - 2s p i n 协议示意图 1 3 第二章数据融合在无线传感器网络中的应用 2 2 2 平面簇状网 图2 3 平面簇状网 平面簇状网的拓扑结构如图2 3 所示，平面簇状网的典型协议主要有： t e e n 1 3 】的簇内层次结构： t e e n 【1 3 】：t e e n 在最高层结构上采用l e a c h 1 4 1 结构，一般情况下都把它 归为层次结构类型，但是对于更低一级的每个簇( 如下图方框中的区域) 来讲， 它的形成机制更符合平面簇状网的特点。t e e n 每个簇有个簇头，它从w s n 中 收集数据，汇总数据并发送给更高一级的簇头。 2 2 3 平面树状网 图2 _ 4 平面树状网 平面树状网的拓扑结构如图2 4 所示，用于平面树状网的协议较多，下面列举比 较有典型性的例子： t o p d i s 给出了适用于w s n 的拓扑发现算法，它的思想类似于其它控制 1 4 第二章数据融合在无线传感器网络中的应用 泛洪策略，在发现探测数据包发散过程中，只选用支配集节点进行进一步扩散探 测数据包，从而有效压制了泛洪包的数量。最后形成根树形式。支配集的形成算 法是这种算法的核心算法。在文章提到三色法和四色法来形成支配集，它是分布 式的近似算法。 2 2 4 层次结构网 图2 5 层次结构网( 无网关节点) 无网关的层次结构网如图2 5 所示，它有两种类型：第一种是以l e a c h 算法 为最典型的代表，它有一个基站，离传感器节点有一定的距离，通过它最终用户 可以从传感网中获得数据。所有的节点开始时都具有相同的能量，基站拥有稳定 的能量供应，无能量限制，它可以和网络中任意节点进行通讯，然而由于能量限 制，节点并不总能和基站进行交互，这是一种不对称的通讯。第二种：网络中存 在两种节点，网关节点和普通节点，网关节点可以和基站进行通讯，有比较充足 的能量，普通节点只能进行短距离通讯，只能再普通节点之间或网关节点之间进 行通讯。 l e a c h n 钔：是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议。其后的大部 分层次式路由协议都是在它的基础上发展而来。它是为无线传感器网络设计的低 功耗自适应聚类路由算法。主要通过随机选择聚类首领，平均分担中继通信业务 来实现。 第二章数据融合在无线传感器网络中的应用 2 3 无线传感器网络中的数据融合 数据融合是一种数据综合和处理技术，是许多传统学科和新技术的集成和应 用，如通信、模式识别、决策论、不确定性理论、信号处理、估计理论、最优化 技术、人工智能和神经网络等n 引。 2 3 数据融合的定义 无线传感器网络中，数据融合主要是用来对传感器节点收集到的信息进行网 内处理。从应用角度看，无线传感器网络中的传感器节点具有廉价，信息可分为 原始信息和有用信息，原始信息经过处理，去掉无用成份，保留了有用成份，成 为有用信息。在无线传感器网络中，将多个相对单一的信息，处理后得到了单一 的结果的过程称为数据融合。数据融合实际上就是利用多传感器的协合效应来提 高系统效率，在中间节点上实现信息的“多入单出”处理。 如图2 6 所示，传感器节点a e 的将各自收集到的信息汇聚到中间节点m 上， 经过中间节点m 的融合处理，将收到的五条信息加上其本身作为传感器节点收集 的信息融合成一条信息，然后再向上级节点s 汇报。 s 图2 6 “多入单出”的数据融合模型 1 6 第二章数据融合在无线传感器网络中的应用 2 3 2 融合度 当把多个信息融合成一个信息时，这个融合后的信息与融合前的信息的大小 之比称为融合度。在大部分应用中，融合后的信息随着输入信息数量的增多而增 加。 假设通过数据融合将x 个来自不同传感器节点的信息融合成一个信息，融合 后的信息长度为x ( x ) ，则有： x ( x = m x + ( 2 - 1 其中c 为数据包的包头，m 为数据压缩率，m 的取值范围为。下面分 三种情况讨论： ( 1 ) 如果m = ，是指融合后的信息正文长度与融合前任意一个信息的正文 长度大小相当。这种融合通常应用在如搜寻探测区域某项指标的最大、最小、平 均值( 如温度监测) 或开关量信号( 例如入侵检测等) 等，文中将这种情况称为 完美融合。 ( 2 ) 如果m = ，是指由于应用环境的缘故，信息的正文无法通过融合算法 减少，但可以通过数据融合合并包头，从而减少了数据量。 ( 3 ) 如果 c n s ；如果汇聚节点距离传感器节点的覆盖区域很紧甚 至就在其中这种情况下c n s 方案无法发挥节能作用，而s p t 与g i t 两种方法的 节能效果的差距根据数据的可融合程度的不同而变化：融合程度很高时，节能效 果g i t s p t ，随着融合程度的降低两者之间的差距越来越小；当几乎不能融合 时，将可能有s p t g i t ，而此时的s p t 路由就是a c 路由。 2 7 数据融合对网络其他的影响 应用数据融合可以提高信息准确度、节省网络能量改善网络生存期的同时， 是以牺牲网络的其他性能为代价的。主要表现在增加了网络平均延迟和降低了网 络的鲁棒性两方面： 一、 对网络快速性的影响。在数据传输的过程中，寻找恰当的中间节点、 在中间节点上进行融合计算和为等待其他数据到来都会引起网络延迟。图2 1 说明了，由于等待其他节点到来产生的延迟。假设节点和节点都探测到数据， 并已经确定了节点n 为中间节点。但来自节点 和节点的数据未必同时到达 中问节点n ，如果不引入恰当的延时，来自源节点和节点的数据可能无法融 合。在这种情况下就需要在中间节点n 上产生一个短暂的延时等发生融合后， 再将融合之后的数据包传递给汇聚节点。 2 4 第二章数据融合在无线传感器网络中的应用 。 图2 一l o 时间延时的必要性 二、 对网络鲁棒性的影响。一方面，无线传感器网络本身相对于传统的 网络就有着较高的节点失效率和数据丢失率。另一方面，数据融合大幅度的降低 了数据的冗余，丢失相同数量的融合后的数据会丢失更多的信息，因此鲁棒性也 相对降低了。 2 8 本章小结 本章主要介绍了无线传感器网络中数据融合的定义、主要作用和特点。针对 无线传感器网络中的传感器节点能量有限的特点，利用节点的本地计算和存储能 力处理数据，去除冗余信息，尽量减少传输量，从而达到节省能量的目的。此外， 还可以通过多个数据综合，提高信息的准确度。但数据融合技术在节省网络能量、 提高信息准确度的同时，要牺牲网络的其他性能为代价的。 另外，从对数据的信息处理、实现数据融合的协议层次和融合操作的级别的 角度对数据融合技术进行了分类。同时着重介绍了在网络层中数据融合的路由策 略和几种建立融合树的模型。 2 5 第三章基于事件驱动的簇状汇聚头融合算法 3 1 引言 第三章基于事件驱动的簇状汇聚头融合算法 通常情况下，无线传感器网络中传感器节点分布的区域比较广，距离较远的 传感器节点采集到的数据相关程度相对较低，同时传感器节点的能量、计算能力 和存储能力都十分有限，所以在实际应用中将相对距离较近、数据相关程度较高 的节点看作一个小型工作区，在这个小区域内传感器节点相互协作，减少在网络 中传播的数据量：另外，采取事件驱动的工作方式，可以使传感器节点根据网络 当前状态调整自身的工作模式，在大多数时间里处于低功耗的工作模式下，从而 达到节省网络能量的目的。 当传感器网络覆盖范围内的某个区域有事件发生，如何根据一定的规则快速 有效的进行处理是一个非常重要的问题。一个好的处理方案应该是基于分布式处 理的，以尽量少的额外代价得到尽量好的节能效果，同时也应考虑网络速度问题。 本章提出了一种基于事件驱动的簇状汇聚头融合算法。该算法是一个适用于传感 器网络的分布式算法，以节省网络能量为首要目的，兼顾考虑网络的快速性和鲁 棒性。 3 2 无线传感器网络中现有的数据融合算法 1 基于查询的融合算法 定向扩散( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 0 6 算法中的数据融合包括路径建立阶段的任 务( 又称为兴趣i n t e r e s t ) 融合和数据发送阶段的数据融合，这两种融合都通过 缓存机制得以实现。定向扩散算法中的兴趣融合得益于它基于属性的命名方式， 类型相同、监测区域完全覆盖的兴趣在某些情况下就可以融合成一个兴趣。定向 扩散路由的数据融合采用的是“抑止副本”的方法，即对转发过的数据进行缓存， 发现重复的数据将不予转发。这种方法不仪简单，与其路由技术相结合还可以有 效地减少网络巾的数据量。图3 为定向扩散算法原理图。 2 6 第三章基于事件驱动的簇状汇聚头融合算法 图3 2 基丁层次结构中的数据融合原理图 2 7 第三章基于事件驱动的簇状汇聚头融合算法 3 基于链式结构的融合算法 p e g a s i s 1 刀及其高阶算法对l e a c h 的融合方式进行了改进。它基于两 个假设条件：一是所有节点距离汇聚节点都很远：二是每个节点都能将接收到的 数据分组与自己的数据融合成一个大小不变的分组。p e g a s i s 算法是在收集数 据前，首先利用贪心算法将网络中的所有节点连接成一条单链，然后随机选取一 个节点作为首领。首领向链的两端发出收集数据的请求，数据从单链的两个端点 向首领流动。中间在传递数据前要执行融合操作，最终由首领节点将结果数据传 送给汇聚节点。图3 为基于链式结构的融合算法原理图。 图3 3 基于链式结构的融合算法原理图 p e g a s i s 算法的优点在于单链的结构使得每个节点发送数据的距离几乎都 是最短的，且最终只有一个节点进行远距离的数据传输。因此，该算法比l e a c h 算法更节省能量。 单链结构的p e g a s i s 算法主要有以下两点缺陷。 1 平均延迟较大：数据需要沿着单链结构顺序传送，收集数据的延迟决定 于首领节点于单链端点的距离，因此平均延迟与节点数成正比。7 2 鲁棒性较差：由于传感器节点的易失效性，如果不采用适当的修复策略， 单链结构的传输路径容易增大数据收集请求的失败率。 2 8 第三章基于事件驱动的簇状汇聚头融合算法 3 3 基于事件驱动的融合算法 3 3 1 事件驱动相关介绍 无线传感器网络中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，其中无线通信模块对节点能耗的影响最大。所以根据 无线通信模块的工作情况将传感器节点分为：发送状态、接收状态和休眠状态。 当传感器节点处于发送状态和接收状态时消耗能量较大，其中发送状态消耗的能 量还有略大于接收状态下的能耗；当传感器节点处于休眠状态时，消耗能量最少， 通常是发送、接收状态下消耗能量的十分之一。因此在不影响网络性能的前提下， 尽量使传感器节点处于休眠状态，可以延长网络的生存期t 2 4 1 。 传感器节点三种状态之间可以相互转换，为了节省更多的网络能量传感器节 点多数情况下是处于休眠状态的，当节点通过传感器模块探测到覆盖区域有事件 发生时，受到事件驱动传感器节点进入发送模式；当节点处于休眠状态，收到有 效的无线信号时，可以使节点从休眠状态进入到接收状态：当节点处于发送或接 收状态下，如果在一定时间内没有收发数据，则传感器节点转入休眠状态。为了 方便后续论述，在下文中如果没有特殊说明，将发送状态和接收状态通称为被触 发状态。 状态 图3 _ 4 传感器节点工作模式转换示意图 基于上述思想，本文提出了一种基于事件驱动的簇状汇聚头融合算法。下 面将分别通过算法思想、算法描述、算法分析及仿真对等几方面，对该算法进 行介绍。 第三章基于事件驱动的簇状汇聚头融合算法 3 4 基于事件点驱动的簇状汇聚头融合算法 3 4 1 算法思想 本章从降低传感器网络整体功耗的角度出发，提出了一种针对事件驱动的数 据融合算法一一簇状汇聚头算法。该算法是在网络层实现融合操作的。在硬件上， 该算法对网络中的传感器节点功能需求简单：只需要保证所由传感器节点能以恒 定功率在小范围内通信，并有一定的存储功能和计算功能即可，为在大范围内使 用大量廉价的传感器节点提供理论前提。 簇状汇聚头算法假设初始状态时，大量传感器节点被随机地抛撒在一定区域 内。所有节点均处于休眠状态。假设在无线传感器网络覆盖范围内的某个区域发 生事件，在该区域内的传感器节点通过传感器模块感知到该事件，这些节点进入 被触发状态并开始采集数据。 本算法选择在事件发生区域内的某个传感器节点作为融合点。然后将这个 融合点作为树根节点，在图g 中建立一棵生成树，被触发节点采集到的信息以 这棵生成树为路由，从叶节点向根节点汇聚，最后由根节点将融合后的数据传送 给汇集节点，下面将这样的生成树称为融合树。 a ( a ) 由被触发节点生成的图g c ( b ) 选节点a 为融合点的牛成树 g g ( b ) 选节点c 为融合点的生成树 图3 5 融合位置的选取 第三章基于事件驱动的簇状汇聚头融合算法 假设连通图g 中共有个顶点，由这些点构成的生成的树共需一条边 1 9 1 ，也就是说在事件发生区域选择任意一点作为树根建立的融合树都是要一 跳来完成最终的融合。 也就是说，图g 中生成树树根的选取对于完成数据融合所消耗的