（电路与系统专业论文）基于均匀分簇的无线传感器网络路由协议研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 m a s i - e rsi h e s l s 作为一种新的信息获取方式和处理模式，无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，简称w s n ) 【1 】目前已成为通信领域备受关注的研究热点。w s n 是一种新 型的无基础设施的无线网络，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对 象的信息，并对其进行处理，通过无线通信方式把信息传送到信息汇聚点。w s n 不 需要固定的网络支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，具有十分广阔的应用前景。 该项新技术引起了学术界和工业界的高度重视。 本论文主要对无线传感器网络的路由协议进行研究。无线传感器网络节点数量 庞大、单个节点资源极其有限，其路由协议设计的首要目标是有效节约能源、延长 网络生命周期。在分析和比较了文献中提出的几种针对无线传感器网络的路由协议 的基础上，借鉴其中的优秀思想，提出一种基于分簇结构的、能源有效的路由协议一 均匀分簇的动态多跳路由e c d m r ( e q u a lc l u s t e r - b a s e dd y o a m i cm u l t i h o pr o u t i n g ) 协议。 e c d m r 协议是在l e a c h 分簇协议的基础上进行改进的，主要改进有两点： 1 设计了簇头均匀分布的簇头选择算法，通过使用竞争范围来构造大小均匀的 簇，并按照节点剩余能量选择簇头，让簇头的能量消耗也呈现均匀分布。 2 设计了簇头问以权值为基础的多跳路由协议。簇头与汇聚点( s i n k ) 通信时， 利用建立的路由表采取多跳的方式与s i n k 进行通信。多跳路由会导致靠近s i n k 点 的簇头能量消耗较大，为了避免因此而产生的“热点”问题，e c d m r 协议根据中 继簇头节点的能量变化情况，实行动态刷新路由表的方式，使靠近汇聚点的簇头的 能量消耗降低，可以有效地避免簇头能量消耗不均衡的问题。实验仿真结果显示， e c d m r 协议有效地均衡了节点的能量消耗，显著地延长了网络的存活时间。 关键词：无线传感器网络；分簇式路由协议；e c d m r ：网络寿命 硕士学位论支 m a s t e r sr h e s i s a b s t r a c t a san o v e lw a yo fa c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) h a v eb e e na na t t r a c t i v er e s e a r c hh o t - s p o ta l lo v e rt h ew o r l d i ti sal a t e m o d e l u o n - i n f r s s t r u c t u r e n e t w o r k ，a n d c a l lb eu s e df o r t e s t i n g , s e n s i n g , c o l l e c t i n ga n d p r o c e s s i n gi n f o r m a t i o no fm o n i t o r e do b j e c t s w s nd on o tn e e dt h ef i x e di n f r a s t r u c t u r e a n dt a k eo nt h e s t r o n g - p o i n to fc o n v e n i e n c ea n ds t r o n gi n v u l n e r a b i l i t y s oi tc a nb e w i d e l yu s e di nc o m m e r c i a la n dm i l i t a r yf i e l d s b o t ha c a d e m i aa n di n d u s t r i e sh a v es h o w n g r e a ti n t e r e s t si nw s n t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ys t u d i e st h ed e s i g no f r o u t i n gp r o t o c o li nw s n t h en u m b e r o fs e n s o rn o d e si nw s ni sn u m e r o u sa n ds i n g l en o d ei s e x t r a o r d i n a r i l yl i m i t e di n r e s o u r c e ，s ot h ei m p o r t a n ta i mo fd e s i g n i n gr o u t i n gp r o t o c o lo fw s ni st or e d u c et h e o v e r a l le n e r g y - d i s s i l c l a t e di nt h en e t w o r k sa n dt om a x i m i z et h en e t w o r k sl i f e t i m e w e a n a l y z e da n dc o m p a r e ds o m er o u t i n gp r o t o c o l st h a tp r o p o s e db yo v e r s e ar e s e a r c h e r s ，a n d t h e np r e s e n tan e we n e r g y - e f f i c i e n tc l u s t e r b a s e dr o u t i n gp r o t o c o lo fw s n e q u a l c l u s t e r - b a s e dd y n a m i cm u l t i - h o pr o u t i n g ( e c d v l r ) p r o t o c 0 1 b a s e do i ll e a c h p r o t o c o l ，e c d m rp r o t o c o lh a st w oi m p r o v e m e n t sj u s td e s c r i b e d a sf o l l o w i n g ： 1 e c d m rp r o t o c o lc o n s i s t so fac l u s t e rs e l e c t i o na l g o r i t h mw i t he q u a ld i s t r i b u t e d c l u s t e rl l e a d w h i c hu s e sc o m p e t i t i o nr a n g et oc o n s t r u c tc l u s t e r so fe q u a ls i z e sa n ds e l e c t c l u s t e rh e a d so nr e s i d u a le n e r g yo fn o d e s ，s ot h ee n e r g yd i s s i p a t e do fc l u s t e r ss h o w s e q u a ld i s t r i b u t i n g 2 e c d m rp r o t o c o li n c l u d e saw e i g h t - b a s e dm u l t i h o pr o u t i n gp r o t o c o lu s e df o r i n t e rc l u s t e r s ，w h i c ha d a p tt os e t t i n gl l pr o u t e r - t a b l ew i t hw e i g h tt oc o m m u n i c a t ei n t e r c l u s t e rh e a d sa n ds i n k b u tm u l t i h o pr o u t i n gl e a d st om o r ee n e r g y - d i s s i p a t e do ft h e n o d e sc l o s et os i n k e c d m rp r o t o c o li n t r o d u c e sap a r a m e t e ra b o u tt h es t a t eo fe n e r g y c h a n g e d ，t ou p d a t et h er o u t e r - t a b l ed y n a m i c a l l yt od e c r e a s et h ee n e r g y - d i s s i p a t e do f t h e n o d e sc l o s et os i n ka n da v o i d si m b a l a n c e de n e r g y - d i s s i p a t e da m o n gc l u s t e rh e a d s ， f i n a l l y , t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a te c d n i rp r o t o c o l e f f i c i e n t l yb a l a n c e s e n e r g y d i s s i p a t e do f t h ew h o l en e t w o r k sa n dp r o l o n g st h el i f e t i m eo f t h en e t w o r k s 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 ；c l u s t e r - b a s e dr o u t i n gp r o t o c o l ；e c d m r ； l i r e - s p a no f n e t w o r k s i i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：和离 魄细7 年乡月，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，即：学校有权 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。本人授权华中师范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。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 储叛私禹 日期矽7 年月岁日 导师叛未新导师签名：劢巧哆丫 嗍：叩蝴帅 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。圃童途塞埕銮厦溢厦! 旦坐生；旦二生；旦三生蕉盔! 作者签名：私菡导师签名：易坜尸 魄弘矿5 月岁日 帆1 年，日 第一章绪论 1 1 课题背景 无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究 热点领域。它是一种无基础设施的无线网络，是由部署在监测区域内的大量的廉价 微型传感器节点组成，传感器节点由电池提供能量，通过无线通信方式形成的一个 多跳的自组织的网络系统。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处 理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种 环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到 需要这些信息的用户。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工 农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制 等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、 学术界和工业界的高度重视，并成为进入2 0 0 0 年以来公认的新兴前沿热点研究领 域。被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。 无线传感器网络与传统的无线网络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络) 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，能源无法更换，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。这些决定了无线传感器网络 协议栈各层的设计都必须以能源有效性为首要的设计要素。 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 a c t 技术加上移动自 组织网( m o b i l e a dh o en e t w o r k ，简称a dh o e 网络) 路由机制对无线传感器网络的 设计是足够充分的，但深入的研究表明【2 j ：无线传感器网络与传统网络有着明显不 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，强调将一切与功能相关的 处理都放在网络的端系统上，中问节点仅仅负责数据分组的转发，对于无线传感器 网络，这未必是一种合理的选择：一些为自组织的a dh o e 网络设计的协议和算法 未必适合无线传感器网络的特点和应用的要求【。无线传感器网络中的大部分节点 不像传统a dh o e 网络中的节点一样快速移动，因此没有必要花费很大的代价频繁 地更新路由表信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很 有必要。在密集分布的无线传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多 跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受 外界噪声干扰的影响，这些独特的要求和制约因素为无线传感器网络的研究提出了 新的技术问题。 通过上面对比分析可以看出，无线传感器网络与现有的传统无线通信网络、无 线自组织网络c a d h o e ) 以及计算机网络等之间均存在着差异。其特殊性在于：( a ) 传感器节点数量大、随机分布，密度较大；( b ) 网络拓扑结构随时闯动态变化；( c ) 节点设备供电电源能量有限，生命周期短。因此，在现有无线通信网络中研究和使 用的追求高速率，高服务质量保证( q o s ) 的技术不能直接应用于无线传感器网络 中，需要研究新的技术，以保证实现无线传感器网络能量消耗最小化、网络节点生 命周期最大化、两络能量负载均衡化以及网络通信能力最优化的目标。 针对无线传感器网络的诸多特点，目前围绕这一领域的研究内容很多，主要可 分为节点层面和网络层面两大部分，在节点层面的研究内容主要包括传感器技术、 低功耗芯片技术、无线通信技术等，网络层面的研究内容主要包括低能耗路由协议 技术，低能耗m a c 协议、协同定位技术、时钟同步技术、数据融合技术等。由于 如何有效的节约节点的能耗是无线传感器网络中的一个重要问题，而且任何网络都 离不开路由协议，所以本课题重点研究无线传感器网络中低能耗的路由协议技术。 1 2 研究目的和意义 由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部 门、工业界和学术界的极大关注，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，投资巨额，支持相关基础理论的研究，美国国防部和各军 事部门都对无线传感器网络给予了高度重视，提出了c 4 i s r 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，把无线传感器网络作为一个重要研 究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项且。美国英特尔公司、美国微软公 司等信息工业界巨头也开始了无线传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的 行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对无线传感器网络表现出了极大的 兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。 无线传感器网络处于新技术的最前沿，i e e e 还没有成立无线传感器网络的标 准制定小组p 】【4 】，国际上从2 0 0 0 年开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。 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。总体而言，我国在 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 无线传感器网络方面的研究工作还很少。由于无线传感器网络是一门新兴技术，国 内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技 的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。 网络数据传输离不开路由协议，但是，传统的无线a dh o c 网络路由协议却不 能适用于无线传感器网络，设计新的、适合于无线传感器网络特点的路由协议具有 重要的意义。美国的麻省理工学院、康奈尔大学、南加朋大学等很多大学开展了无 线传感器网络通信协议的研究，先后提出了几种新的路由协议，包括s p i n 5 1 、 d i r e c t e dd i f f u s i o n l 6 、l e a c h l 7 1 、t e e n 钔、a p t e e n f g 、p e g a s i s 1 0 j 等。 目前，国内一些高等院校与研究机构已积极开展无线传感器网络的相关研究工 作，主要有清华大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学、中科院软件所、浙江大学、 南京大学等，目前国内研究热点主要集中在穿戴式计算、上下文感知环境、智能教 室等领域，在支持无线传感器网络的无线通信网络技术的研究尚不多见。随着无线 传感器网络应用的日益发展与不断深入，支持无线传感器网络的无线通信网络技 术、超微型嵌入式实时操作系统等着干关键技术的研究将成为未来无线传感器网络 应用的发展趋势和热点。 本文重点研究无线传感器网络中的能效高的路由协议技术通过研究生阶段 的学习，借鉴了国外学者提出的路由协议的优秀思想，在层次型路由协议l e a c h 的基础上，对其进行了改进，我们把改进后的路由协议称为e c d m r 协议。该路由 协议分别在簇头的选择算法、簇问路由算法设计两方面对u l a c h 进行了改进。具 体思路将在后续章节中作详细阐述 1 3 论文组织 第一章首先介绍了本文的课题背景，阐述了本课题的研究目的以及意义。第二 章详细介绍了无线传感器网络的基础知识。第三章开始本文把主题集中在本课题的 主要研究内容一路由协议这一关键技术上对现有的一些路由协议进行了比较分 析，并根据国外相关的研究进展找出对本课题具有重要意义的相关算法和思路。第 四章详细介绍了以l e a c h 路由协议为主的分簇式路由协议第五章详细提出了 e c d m r 算法，描述了e c d m r 算法中对l e a c h 中随机簇头选择算法的改进以及 簇间传输数据到基站的路由算法的改进。第六章是对e c d m r 算法的仿真验证。第 七章的结论是本文对课题中所傲的工作进行的一个全面的总结，并给出下一步需要 进行的工作。 第二章无线传感器网络概述 无线传感器网络是由一组传感器以a dh o e 方式构成的无线网络，其目的是协 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。 可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域( 如受到污染、环境不 能被破坏或敌对区域) 和一些l 晦时场合( 如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏) 等。本章从无线传感器网络的结构、特点、性能评价、协议体系、应用等几方面对 其进行综合阐述。 2 1 无线传感器网络的体系结构 2 1 1 无线传感器网络的系统结构 无线传感器网络结构【1 1 1 如图2 1 所示，个典型的传感器网络的体系结构 包括分布式传感器节点( 群) ，s i n k 节点、互联网和用户界面等。在传感器网络中 绝大多数的节点只有很小的发射范围，而s i n k 节点的发射能力较强，具有较高的电 能，可以把数据发回远程控制节点 大量传感器节点随机部署在监测区域( s e n s o rf i e l d ) 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， 在传输过程中检测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，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 图2 一l 传感器网络的体系结构 传感器节点通常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。从网络功能来看，每个传感器节点兼 4 硕士学位论文 m a s t e r + sf h e s i s 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之 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。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络 与i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议的通信协议转换，同时发布管理节点的监测 任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的 传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能 仅带有无线通信接口的特殊网关设备。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童，通常采用微型电池。 2 1 2 无线传感器网络的节点结构 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【l l 】，如图2 2 所示。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；无线通信模块负责和其他传感器节点。 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。 图2 2 节点结构图 2 2 无线传感器网络的特点 2 2 1 与传统网络的不同 无线传感器网络是一种新型的无基础设施网络( 在很多文献中，无基础设施网 络也称为无线移动自组网，a dh o e 网络) ，它与传统的无线网络( 如w l a n 和蜂窝 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 移动电话网络) 有着不同的设计目标。在w l a n ，h o m e r f ，b l u e t o o t h 和蜂窝网 等网络中，它们要么不是自组织的，要么是单跳通信，或者就是不能构建千个节点 以上的通信网络，这些网络的首要设计目标是提供高性能的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c eq o s ) 和更高的带宽，由于移动节点可以不断地获得电能补充，因此对节点 的能量考虑被放在次要位置。然而数目巨大且分布范围广泛的传感器节点不能及时 地获得能量补充，存在严重的能量约束问题。高效地利用节点的能量，设计有效的 策略来延长网络的生命周期成为无线传感器网络的首要设计目标，为此可以放弃一 些其它的性能，如：q o s 和带宽的利用。 对于有固定基础设施( 如s i n k 、核心网等) 的网络来说，很少有联系中断的 事件发生，并且中断事件和能量使用无关。在移动性网络中，拓扑结构的改变通常 是由节点的移动性引起的，而不是由为了执行各种网络协议造成的能量耗尽引起 的。因此，为了提高系统性能，在协议设计过程中，移动性管理和故障恢复比能量 保持更为重要。然而，对于自组织的无线传感器网络来说，能量耗尽是影响无线传 感器网络性能、网络运行周期的主要决定因素。因此，传感器网络的整体性能依赖 于那些能有效利用节点能量的各种算法 2 2 2 无线传感器网络的特点和挑战 无线传感器网络除了具有a dh o c 网络的移动性、自组织性等共同特征以外， 还具节点数量庞大、单个节点资源极其有限、可监视范围广等鲜明的特点，这些特 点向我们提出了一系列挑战性问题： 1 电源能量有限 传感器的电源能量极其有限。网络中的传感器节点由于电源能量的原因经常失 效或废弃。电源能量的局限是阻碍传感器网络应用的严重问题。商品化的无线发送 接收器电源远不能满足传感器网络的需要。传感器传输信息要比执行运算消耗更多 的电能，传感器传输l 位信息所需要的电能足以执行3 0 0 0 条运算指令，如何在网 络工作过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是无线传感器网络重要的研究课 题之一 2 通信能力有限 传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米传感 器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建 筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱 离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与 6 传输，是研究无线传感器网络必须要解决的问题。 3 计算能力有限 传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器。这些传感器都具有计算 能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器和存储器的能力和容 量有限。传感器的计算能力十分有限。 4 传感器数量大、分布范围广 传感器网络中，传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百万、几千万，甚至 更多此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。传感器数量大、分布广的 特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，传感器网络的软、硬件必须具有高强 壮性和容错性。 5 网络动态性强 传感器网络具有很强的动态性网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素 都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因此，网络的拓扑结 构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化。传感器网络 必须具有可重构性和自调整性。 6 感知数据流巨大 传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据，并具有实时性。每个 传感器仅仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实时数据流。我们需要研究强有 力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法。 7 大规模分布式触发器 很多传感器网络需要对感知对象进行控制，如温度控制。这样，很多传感器具 有回控装置和控制软件。我们称回控装置和控制软件为触发器。成千上万的动态触 发器的管理是我们而临的又一个挑战。 2 3 无线传感器网络的性能评价【1 2 i 无线传感器网络的性能直接影响其可用性，如何评价一个无线传感器网络的性 能是一个需要深入研究的问题下面，我们讨论几个评价无线传感器网络性能的标 准，这些标准还没有达到实用的程度，需要进一步地模型化和量化 1 能源有效性：无线传感器网络的能源有效性是指该网络在有限的能源条件 下能够处理的请求数量，能源有效性是无线传感器网络的重要性能指标，到目前为 止，无线传感器网络的能源有效性还没有被模型化和量化，还不具有被普遍接受的 标准，需要进行深入研究； 7 2 生命周期：无线传感器网络的生命周期是指从网络启动到不能为观察者提 供需要的信息为止所持续的时问，影响传感器网络生命周期的因素很多，既包括硬 件因素也包括软件因素，需要进行深入研究在设计传感器网络的软、硬件时，我 们必须充分考虑能源有效性，最大化网络的生命周期： 3 时间延迟：无线传感器网络的延迟时间是指当观察者发出请求到其接收到 回答信息所需要的时间，影响无线传感器网络时间延迟的因素也有很多。时间延迟 与应用密切相关，直接影响无线传感器网络的可用性和应用范围，目前的相关研究 还很少，需要进行深入研究； 4 感知精度：无线传感器网络的感知精度是指观察者接收到的感知信息的精 度。传感器的精度、信息处理方法、网络通信协议等都会对感知精度有所影响。感 知精度、时间延迟和能量消耗之间具有密切的关系。在无线传感器网络设计中，我 们需要权衡三者的得失，使系统能在最小能源开销条件下最大限度地提高感知精 度、降低时间延迟： 5 可扩展性；无线传感器网络可扩展性表现在传感器数量、网络覆盖区域、 生命周期、时间延迟、感知精度等方面的可扩展极限，给定可扩展性级别，无线传 感器网络必须提供支持该可扩展性级别的机制和方法。目前不存在可扩展性的精确 描述和标准，还需要进一步的深入研究； 6 容错性：无线传感器网络中的传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等原 因而失效，由于环境或其他原因，物理她维护或替换失效传感器常常是十分困难或 不可能的。因此，无线传感器网络的软、硬件必须具有很强的容错性，以保证系统 具有高健壮性。当网络的软、硬件出现故障时，系统能够通过自动调整或自动重构 纠正错误，保证网络正常工作无线传感器网络容错性需要进一步地模型化和定量 化，容错性和能源有效性之问存在着密切关系，我们在设计无线传感器网络时，需 要权衡两者的利弊。 上述6 个无线传感器网络的性能指标不仅是评价无线传感器网络的标准，也是 无线传感器网络设计的优化目标，为了达到这些目标的优化，我们有大量的研究工 作需要完成。 2 4 无线传感器网络的协议分层结构1 1 1 l 按照分层的思想，无线传感器网络可分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和 应用层五层和能源管理平台、移动管理平台、任务管理平台三平台，如图2 3 所 示： 8 图2 3 传感器网络的协议栈 能源管理平台管理节点如何使用自己的能源，比如节点会在收到一个报文后关 闭自己的接收装置，这可以避免获得重复的报文。还有，但节点的能源级别较低的 时候，节点可以向邻居广播一个报文，告诉邻居自己不再承担路由转发的任务，剩 余能源只是用来感知数据。 移动管理平台用来探测和注册节点的移动，因此，总是维护着到s i n k 节点的路 由，并且，节点总是知道谁是自己的邻居，可以平衡自己的能源和任务。 任务管理平台平衡和调度某个特殊区域分配的任务。在同一时间，在那个区域 的所有节点并不需要都执行相同的感知任务，因此，是否执行这个任务就取决于节 点自身的能源状况。 这三个平台互相配合工作，使得传感器节点能够协调，高效的运转，为整个网 络进行路由，在节点问进行资源共享。 物理层：负责频率选择、生成载波、信号探测、对数据加密和调制解调等等问 题，业界广泛建议无线传感器网络采用9 1 5 m h zi s m 频段。 数据链路层：负责数据流的多重复用，检测数据帧，媒体访问控制和差错控制。 在一个多跳自组织的无线网必须达到两个目标：首先，必须组建起网络的基础设旆； 其次，应该确保节点问公平，有效的共享资源。数据链路层的一个重要功能是数据 的差错控制，两种重要的差错控制模式是转发错误更正和自动报告重复申请。 网络层：以通信网络为核心，实现传感器与传感器、传感器与观察者之间的通 信，支持多传感器协作完成大型感知任务；网络层和数据链路层协同工作，使各节 点采用自组织的方式构建起网络，并确定网络拓扑结构，随后在给定网络的拓扑结 构的情况下，进行有效路由。 传输层：在无线传感器网络与i m e m e t 互联时，传输层就显得尤其重要，传输 层协议仍然处于探索阶段，由于节点的能源和存储能力都非常有限。或许应该是纯 u d p 类的协议。 应用层：解决应用的共性问题，包括应用基础和典型应用，目前各国学者正在 深入研究的应用层协议有：s m p ( s e n s o rm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 、t a d a p ( t a s k a s s i g n m e n ta n dd a t aa d v e r t i s e m e n tp r o t o c 0 1 ) 和s q d d p ( s e n s o rq u e r ya n dd a t a d i s s e m i n a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 2 5 无线传感器网络的应用 由于无线传感器网络具有自组织、微型化和对外部世界的感知能力的兰大特 点，决定了其具有广泛的应用前景。采用无线传感器网络将能够跟踪从天气到企业 商品库存等各种动态事务。从而极大地扩充互联网的功能。目前，人们利用互联网 可以获得大量文字、数字、音乐及图像信息，而若将数量巨大的传感器连成网络。 则可以延伸到更多的人类活动领域。 嵌入家具和家电中的传感器组成的无线网络与i n t e m e t 连接在一起将会为我们 提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居，环境城市车辆监测和跟踪系统中也 可以应用传感器网络，为交通系统建模、信息组织与协作机制的研究提供可靠数据。 此外，在环境科学方面。无线传感器网络技术为野外随机性的研究数据获取提 供了方便，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，对森林火灾准确、及时地预报，还可以监测农作物中的害虫、 土壤的酸碱度和施肥状况等。 在医疗健康方面，可在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，监测j 率 和血压。随时了解被监护病人的病情，进行及时处理，可以长时问地收集人的生理 数据；在重大灾害拯救方面，无线传感器网络技术能够为决策者提供及时准确的重 要信息在工厂自动化生产线等众多领域，也可以利用无线传感器网络进行监控，提 高企业的生产效率和生产力；在空间探索中，可借助于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。在仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具等等众 多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。 l o 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 特别是在军事领域应用中无线传感器网络因为由密集型、低成本、随机分布的 节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导 致整个系统的崩溃，可以构成集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定 位于一体的战场指挥系统。军方可以通过飞机空投等方式在预定区域散布大量微型 廉价的传感器节点，通过这些传感器节点实时监测周围环境的变化，并将监测到的 数据通过卫星信道等方式发送回基地。这样就可以方便地监控我军布防的阵地是否 有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐密的方式监控敌方阵地和敌军 活动情况。现代战争越来越表现出信息战的特点，战争中信息的及时获取和反应对 整个战局的影响至关重要，利用传感器网络的特点可以给指挥部门提供及时准确的 信息，这对增强国家的国防军事力量是非常重要的。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第三章无线传感器网络路由协议研究 3 1 无线传感器网络路由协议概述 路由协议是无线传感器网络网络层的核心技术，也是当今国内外研究的热点 从路由的角度看，无线传感器网络有其自身的特点，使它既不同于传统网络，又不 同于移动自组织网a d h o e 网络。 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个 方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确 转发。a dh o e ，无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高 效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信 延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等， 而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。在无线传感器网络中，节点能量有限且 一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络节点数目往 往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上 选择合适的路径。传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可能 差别很大，没有一个通用的路由协议此外，传感器网络的路由机制还经常与数据 融合技术联系在一起，通过减少通信量而节省能量。因此，传统无线网络的路由协 议不适应于无线传感器网络。 3 2 无线传感器网络路由协议设计的特点与设计要求 3 2 1 无线传感器网络的路由协议与传统网络的不同 在现有的网络模型中，只有移动自组织网络a dh o e 与无线传感器网络最为接 近。传感器网络从某种意义上来说是一种专用的a dh o c 网络，它们之间有许多共 同点，例如：网络拓扑都是动态可变的，能量都是十分有限的资源，网络节点之间 都是通过无线通信进行联系。网络拓扑都具有自组织特性等等。但是为a dh o c 量 身定做的路由协议不能直接用到传感器网络中去，因为它们之间虽然有很多共同 点，但是在以下方面它们还是有较大的区别： 1 在网络规模方面，传感器网络是用来收集信息的，但是a dh o c 网络是为了 分布式计算而不是为了信息采集而设计的。传感器网络一般是被一个主人所拥有， 而a d h o e 可以被几个不相关的单位所使用。传感器网络所包含的节点数量比a d h o c 网络高几个数量级；在分布密度方面，传感器网络节点的分布密度很高；这就意味 1 2 硕士学位论文 m a s t e 9 1 st h e s i s 着无线传感器网络路由协议收敛时间更长，主动路由协议的路由收敛时间和按嚣路 由协议的路由发现时间就越长，而网络拓扑保持不变的时候间隔则越短。在a dh o c 中工作很好的路由协议，在传感器网络中性能却可能下降，甚至根本无法使用。 2 能量资源方面，相比于a dh o c 网络来说，传感器网络能量资源非常有限， 传感器网络的节点在生命周期内只安装一次，但是a dh o c 网络中的节点可以比较 容易的重新补充能量。并且相对于传感器节点的储能，无线通信的能耗很高，通信 能耗占了节点总能耗的绝大部分。因此传感器网络对低功耗路由协议的要求比a d h o e 更加迫切 3 由于数量的原因，传感器网络节点没有唯一的标识d 作为全局标志。因为 传感器节点数量庞大，维护全局标识需要大量的开销，因此不同于a dh o c 基于p 的路由协议：在传感器网络中般不采用全局标识。 4 由于链量限制和环境因素，无线传感器网络节点易损坏；并且由于节点的 移动或损坏，无线传感器网络的拓扑结构频繁变化；这种快速的拓扑变化不像a d h o e 网络那样是由节点移动弓l 起的，因此a dh o e 网络的路由协议也不适用于传感器 网络。这就需要设计专门的路由协议，既能适应高度的拓扑时变，又不引入过多的 协议开销或过长的路由发现延迟。 5 传感器网络中通信不对称，流量分布不均匀。 a dh o e 网络通常被看作是一个为上层应用提供通用传输服务的网络，通信模式 以端对端的单播为主。而传感器网络通常用于数据采集，承载的是多到一的流量， 越接近汇聚节点的区域负载越重。以s i n k 结点为目的的数据流远远超过以它为源 的控制流。流量分布决定了功耗的分布，从而直接影响网络的生存时间。而a d h o e 网络路由协议没有针对这一特点做出专门的考虑。 6 使用数据融合技术是传感器网络的一大特点，这使传感器网络的路由不同 于一般网络。 所以传统的路由协议不能直接用于传感器网络，而针对a dh o c 网络设计的组 网和通信协议一般也不适合于传感器网络。 3 2 2 无线传感器网络的路由协议的特点 与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点【l i j ： 1 能量优先 传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。而无线传感 器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议设计的 重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的趣题。 2 ，基于局部拓扑信息 无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的 存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由 计算。在节点智能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单高效的路 由机制是无线传感器网络的一个基本问题。 3 、以数据为中心 传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，面无线传感器网络 中大量节点随机部署，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取 的信息，不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇 聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心 形成消息的转发路径。 4 、应用相关 传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合 所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。 5 多跳通信 由于的功率射频器件的信号传播范围有限，无线传感器网络要求能够支持多跳 通信。 3 2 3 无线传感器网络的路由协议的设计要求1 1 1 j 在对传感器网络和传统网络的特点进行对比分析的基础上，针对传感器网络路 由机制的上述特点，在根据具体应用设计路由机制时，要满足下面的传感器网络路 由机制的要求： 1 能量高效。传感器网络的低能量特点使节能成为路由协议设计最重要的优 化目标。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整 个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。传感器节点的资源有限， 传感器网络的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。 2 可扩展性。传感器网络的规模更大，要求其路由协议必须具有更高的可扩 展性。在无线传感器网络中，检测区域范围或节点密度不同，造成网络规模大小不 同；节点失败、新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化， 这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。 3 快速收敛性传感器网络拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源 有限，因此要求路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态交化。减少通信协 议开销，提高消息传输的效率。 4 使用数据处理技术使用数据融合技术是传