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面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 摘要 2 0 1 0 年上海世博会是中国人民的一大盛事。为了确保此次世博会 的顺利召开，无线传感器网络技术将被用于重要设施和场所的检测， 为世博会安全保障提供决策依据。然而，w s n 的正常工作上有赖于 一些设计问题的解决，如能量有效性、资源有限性、可靠性等。 论文结合w s n 随机布置的应用场景特点，着重研究如何通过 w s n 通信协议栈的设计支持w s n 设计问题的解决。首先以能量有 效性的支持为主导，设计了支持应用驱动和跨层优化的w s n 的通信 架构a d c o c a ( a p p l i c a t i o n d i v e n a n dc r o s s l a y e r o p t i m i z e d c o m m u n c i a t i o n a r c h i t e c t u r e ) ；然后研究了a d c o c a 的辅助算法的设 计，包括w s n 聚簇算法s c m ( s i n g l e h o pc l u s t e r i n gm e t h o d ) 、拓扑控 制及网内通信等算法。分析表明，a d c o c a 及其辅助算法在考虑资 源有限性和动态性的限制下，有效支持了w s n 众多设计目标的实现， 为w s n 在2 0 1 0 年世博会安全保障的应用奠定了基础。 关键词：无线传感器网络a d c o c a 安全能量有效应用驱动 跨层优化 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器| ：。9 络的设计研究 a b s t r a c t n e2 0 1 0s h a n g h a iw o r l de x p ow i l lb ea ni m p o r t a n tf e s t i v a lf o r c h i n e s e t og u a r a n t e et h es u c c e s so fe x p o 2 0 1 0 ，w ew i l lu s ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) t om o n i t o ri m p o r t a n tf a c i l i t i e sa n ds c e n a r i o s ， w h i c hw i l l p r i d e i n p u tf o rs a f e t yd e c i s i o n h o w e v e r , t h e r ea r em a n y d e s i g np r o b l e m s ，s u c ha se n e r g ye f f i c i e n c y , r e s o u r c e sc o n s t r a i n t s ，a n d r e l i a b i l i t y , t oa d d r e s sb e f o r ew s n sw o r kf o rt h i sp u r p o s e a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ea p p l i c a t i o no fw s n sr a n d o m l y d e p l o y e d ，t h i st h e s i sf o c u s e so nh o wt od e v i s eac o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s t a c kf o rw s n st os o l v ea l lt h ed e s i g np r o b l e m s a tf i r s t w ed e v e l o pa n a p p l i c a t i o n d r i v e na n dc r o s sl a y e r o p t i m i z e dc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ( a d c o c a ) f o rw s n s ，w i t ht h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h ee n e r g y e f f i c i e n c y t h e nw es t u d yt h ed e s i g no ft h ea u x i l i a r ya l g o r i t h m sf o r a d c o c a ，i n c l u d i n gas i n g l e - h o pc l u s t e r i n gm e t h o df o rw s n s ，t o p o l o g y c o n t r o l ，a n di n - n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sa l g o r i t h m s t h ea n a l y s i s i n d i c a t e st h a tw i t ht h ec o n s t r a i n t so fr e s o u r c e sa n dd y n a m i c s a d c o c a a n di t sa u x i l i a r ya l g o r i t h m se f f e c t i v e l ys u p p o r tm a n yd e s i g no b j e c t i v e so f w s n s ，a n dp r o v i d eas u b s t a n t i a lb a s i sf o rt h ea p p l i c a t i o no fw s n so nt h e s a f e t yg u a r a n t e eo ft h e2 0 1 0s h a n g h a iw b r l de x p o k e y w o r d s ：w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s ，a d c o c a ，s a f e t y , e n e r g y e f f i c i e n c y , a p p l i c a t i o n - d r i v e n ，c r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o n 2 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设汁研究 第一章引言 2 0 1 0 年上海世博会是中国人民的一大盛事。为了保证此次上海世博会的胜利 召开，必须确保世博会期间各方面的安全，特别是水、电、煤气、交通等重要基 础设施和会展场馆等重要场所的安全。必要的安全措拖包括安全预警、应急处理 和灾后恢复等。无线传感器网络作为一种新兴的检测技术，具有快速布菁! 、自组 织等特性，胜任大范围、多信号的分布式检测，可以在安全预警、应急处理和灾 后恢复等安全措施中发挥重要的作用。 1 12 0 1 0 年上海世博会的安全保障与无线传感器网络技术 2 0 1 0 年上海世博会是继2 0 0 8 年北京奥运会后的中国人民的又一盛事，据预 测此次世博会的参加人数将超过5 0 0 0 万人次，上海旅游业的直接收入将达9 1 1 亿元人民币，其后继经济影响更是无法估量，而且，上海位于长江之首，世博会 的举办必将产生显著的周边联动效应，带动华东，甚至辐射全国，对社会经济文 化的发展具有不可低估的影响力 1 】。因此，我们应竭尽全力确保2 0 1 0 年世博会 期间人民生命和财产的安全，把此次世博会真正举办成中国人民的一大盛事。 中国近年来经济的高速发展和上海的明星城市地位，将会吸引大量的参展国 家、国际组织和参观人员。此次世博会跨越浦江，规划范围为5 2 8 平方公里， 其场馆总建筑面积达8 0 万平方米，是目前亚洲最大的展馆。另外，近年来各种 恐怖活动极其猖獗，极大地影响了世界的和平发展。这些因素对于上海世博会的 安全保障都将是极大的挑战。为了迎接这些挑战，单纯增加人力是远远不够的， 我们必须借助各种高科技手段来保证此次世博会的安全顺利进行。而能够胜任大 范围、多信号的分布式检测的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n s ) 便是我们可以倚重的安全辅助技术之- - 2 1 。 在深入讨论w s n 在2 0 1 0 年上海世博会的安全保障中的应用之前，我们先来 回顾近年来人类的几个惨痛教训： 1 9 9 5 年3 月2 0 日东京地铁沙林毒气事件，造成1 2 人死亡，约5 5 0 0 人 中毒，1 0 3 6 人住院治疗。事件发生的当天，日本政府所在地及国会周围 的几条地铁主干线被迫关闭，2 6 个地铁站受影响，东京交通陷入片混 乱 3 】。 2 0 0 1 年9 月1 1 日恐怖袭击后的营救中，3 4 3 名消防队员牺牲【4 ，数千名 消防队员因吸入有毒粉尘而患上“世贸咳嗽”病【5 】。 2 0 0 4 年3 月1 1 日马德里火车系统爆炸事件，造成2 0 0 人死亡，约1 5 0 0 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 人受伤6 1 。 事实上，如果采取安全机制并借助一定的技术手段，这些灾难是可以避免， 或者至少可以减少相当比例的人员伤亡。 为了保证2 0 1 0 年世博会的安全顺利进行，我们应当制定包括安全预警、应 急处理和灾后恢复等必要的安全机制，并借助w s n 等信息技术手段来确保这些 安全机制能够快速有效运行。 在安全保障中，w s n 主要负责提供环境检测信息，作为安全机制的决策依 据。下面列举了w s n 在2 0 1 0 年上海世博会安全应用中的三个典型场景，分别 对应于安全预警、应急处理和灾后恢复等安全机制。 场景l ： 2 0 1 0 年5 月的一个风和日丽的下午，上海世博会的一个展馆，人头攒动，人 们正在欣赏来自世界各地的工艺品。突然，人群一阵轻微骚动，一群表情严肃、 训练有素的黑衣人来到一个展台前。疏散了参观人员，仔细搜查后从该展台的一 张展桌下卸下了一个“嘀嗒”作响的小黑匣子，并迅速撤离现场。几分钟后，展 馆内又恢复了刚才的热闹 当日晚间新闻：“今天下午，世博会安全保卫小组在接到无线传感器网络 报警后迅速赶赴现场，在短短的几分钟内，定位并卸除了一枚定时炸弹，排除了 险情，挫败了恐怖分子妄图破坏世博会顺利进行的阴谋” 场景2 ： 2 0 1 0 年7 月的一个阳光明媚的早晨，人们正在人民广场地铁站悠闲地等待换 乘地铁2 号线去参观本次世博会最具高科技特色的张江展馆。突然，警铃大作， 候车大厅出现了一群头戴防毒面具、身着防护服的警察，根据中心指示他们迅速 定向疏散候车人群，并逐段关闭大厅。同时，救护设施已在地铁出口待命，随时 将需要急救的乘客送往指定的医院。经过必要的处理和检测，在约二寸分钟后， 警报消除，人们涌入地铁站，继续他们的科技之旅 当日晚间新闻：“今天上午，轨道交通公安局人民广场分局干警利用无线 传感器网络技术再一次挫败了恐怖分子妄图利用毒气破坏人民生命财产安全的 阴谋，在二十分钟后轨道一号线和二号线恢复正常，没有人员伤亡7 场景3 ： 2 0 1 0 年1 0 月的一个天色阴沉的下午，现场指挥的消防大队队长李明望着断 壁残垣的居民小区，眉头紧锁。虽然这次导致居民楼倒塌完全由于不呵抗拒力， 但是他必须尽快找到并解救全部被困的居民，而不要给i f 在举行的、原本属于上 海市民节日的世博会蒙上一丝阴影。突然，李明想到了总局不久前曾展示的无线 传感器网络营救系统，于是他拨通了总局的电话。二十分钟后，营救系统运抵现 4 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 场，数以千计的传感器节点被迅速播撤到倒塌的居民楼上。几分钟后，营救系统 的控制台接收到报告：“在x x 位置发现居民”，根据报告位置消防队员很快解救 出一位老奶奶，并马上紧急救护。就这样，约莫一个小时后，3 8 位居民全部获 救 当日晚问新闻：“今天下午，无线传感器网络技术再一次展现了高科技的 威力，在它的帮助下，x x 消防大队成功解救了被困在倒塌楼宇的3 8 位居民” 1 2 面向上海世博会安全保障的w s n 的设计需求分析 w s n 由大量密集分布的资源有限的传感器节点组成，各节点通过无线协作 完成检测任务。作为一种新兴的检测技术，w s n 具有快速布置、自组织等特性， 胜任大范围、多信号的分布式检测，可以在安全预警、应急处理和灾后恢复中发 挥重要作用。 在2 0 1 0 年世博会的安全保障中，w s n 主要用于在一些重要设施和场所对爆 炸物、有毒气体等目标的静态和动态检测，其应用过程一般如下所述： ( 1 ) 根据待检测目标和预期应用环境，设计和开发集成了相关传感器的节 点； ( 2 ) 将这些传感器节点布置在检测区域，经过简单的初始化配罱，这些节 点组网形成w s n ，并准备接受检测任务； ( 3 ) 根据控制台的命令完成有关检测任务，并定期汇报或紧急报告检测信 息至控制台，供安全预警、应急处理和灾后恢复等机制决策参考。 为了确保w s n 为此次世博会的安全保障发挥应有作用，我们应结合上海世 博会安全应用的特点研究w s n 的设计。w s n 在传感器技术和节点实现【7 】等方 面已经取得显著进展，但在具体应用的网络设计方面仍存在许多问题有待解决。 面向安全保障的w s n 的设计问题可分为设计限制和设计目标，分别如表1 - 1 和 表1 - 2 说明。 鉴于2 0 1 0 年上海世博会的安全保障的重要性，w s n 的设计应充分考虑上述 设计限制，设计合理的通信协议栈以支持所有设计目标，特别是可靠性、准确性 和安全性等与安全保障紧密相关的目标。 5 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 表1 - 1 面向安全保障的w s n 的设计限制 w s n 设计限制说明 由于无线传感器节点的成本和尺寸限制，节点的硬件平台相对处理 能力较弱，而且存储容量有限； 资源有限性 由丁：无线信道的广播特性和带宽有限，而且节点密集分布，相互干 扰，系统容量非常有限。 由于应用环境具有一定的不确定性，而且节点尺寸小易受影响政变 动态性 位置，所以无线传感器网络具有一定的动态性，特别是网络的拓扑。 w s n 的设计问题的解决与其布置策略是紧密相关的，在不同布置策略情况 下，同一个设计问题的解决方案可能会差别很大。 根据2 0 1 0 年上海世博会的场馆布局及其环境的特点，应用于安全保障的 w s n 主要采用两种布置策略：所有传感器节点的随机布置( 下简称为“随机布 置”) 和部分节点的确定性布置( 下简称为“确定性布置”) 。随机布置主要应用 于一些复杂或不可控的环境，传感器节点被随机地布置在检测区域，各传感器节 点通过自组织的方式组网，并将检测信息返回至控制台。其典型应用场合包括交 通枢纽和室外环境等，如前面的场景2 、3 。确定性布置主要应用于相对简单或 可控的环境，部分节点被固定在特定位置，而其它传感器节点被随机地布置在这 些固定节点周围，一般节点采集的信息通常经固定节点处理转发至控制台。其典 型应用场合是展馆等一些室内环境，如前面的场景1 。 这两种布置策略对w s n 设计问题的解决有不同的影响。对于随机布置的 w s n ，各个传感器节点相似，资源和能力都非常有限，而且节点易受环境干扰， 因此，如何支持表1 2 所列的设计目标将是极大的挑战。然而，对于确定性布置 的w s n ，可以考虑引入一些功能相对强大和资源相对宽裕的节点( 通常称为异 构节点) 。通过在应用场景中确定地布置异构节点和随机地布置其它一般节点， w s n 分工如下：异构节点负责一些复杂处理以及数据转发等任务，而普通节点 主要完成数据采集和一些简单操作。显然，确定性布置的w s n 缓解了设计限制， 从而可以通过简化随机布置下w s n 的设计或其他简单的方式实现表1 ，2 中的设 计目标。 因此，在面向上海世博会安全保障的w s n 的设计研究中，我们应基于资源 有限性和动态性等设计限制，结合w s n 在具体安全应用中的布置策略，设计合 适的w s n 通信协议栈以支持其设计目标。 6 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 表1 - 2 面向安全保障的w s n 的设计目标 w s n 设计目标说明 w s n 包括成百上千个节点甚至更多，各种控制算法应能够有效支持 可扩展性 这些节点而不影响性能。 由于节点数目众多，逐个手工配置是不现实的，所以w s n 应具有一 白组织 定自组织功能，完成自我配置和节点间协作。 通常，传感器节点依靠电池锄，而且由于节点数目众多和可能的 能量有效性应用环境限制，逐节点替换或补充能量不可行，所以应尽量提高w s n 的能量有效性，以延长其生命周期。 同一个w s n 在其生命周期中可能需要支持不同的应用，例如以不同 的周期汇报测试结果，或者在周期检测后只需要报告那些“异常” 可重配置性 的事件。这要求w s n 可重配置，即通过简单的配置，该网络能够有 效地支持不同的应用。 可靠性对于w s n 能否在安全保障中发挥应用作用非常重要。 可靠性包括两个方面：一方面，w s n 不会因个别节点的移动或失效 可靠性 而停止工作；另一方面，w s n 所采集的信息应能够可靠地传送至控 伟4 台。 w s n 的采集数据是安全机制的决策依据，应尽力保证控制台获取的 准确性 信息足够准确，减少漏报、误报。 安全性是w s n 在世博会安全保障中止常丁作的重要保证，应当杜绝 安全性 各种安全隐患，如恶意节点的加入和采集数据的篡改。 可管理性是w s n 正常工作的必要保证，例如在爆炸物检测中，用户 应当能够区分两种状态：没有检测到爆炸物和w s n 已停l h l j 作。再 可管理性 如，用户应当能够通过控制台了解当前网络的检测范围，是否存在 “盲点”等问题。 1 3 论文的研究重点、工作思路与主要成果 论文主要关注用于2 0 1 0 世博会安全保障的w s n 的设计。鉴于世博会安全应 用涉及的传感器技术和节点技术的相对成熟，这里主要研究w s n 通信协议栈的 设计，力求通过合理的协议栈设计，使得w s n 能够在满足前述设计限制的前提 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 下实现其设计目标。 从上节的设计需求分析知，w s n 在世博会安全保障应用中的布置策略分为 随机布置和确定性布置，两者对w s n 的设计有不同的影响，一般后者的设计可 由前者的设计适当简化而得。鉴于确定性布置的w s n 的应用范围主要限于仍在 规划建设的世博场馆，故w s n 的具体布置，如异构节点的特性、数量和分布等， 将是个开放的问题，这将影响w s n 的最终设计。而随机布置的w s n 在世博会 安全保障中的应用中更具有一般性。因此，论文主要研究随机布置情况下w s n 的设计，对于确定性布置的w s n ，则将根据未来应用涉及的具体布置情况简化 已有的随机布置w s n 的设计，得合适的w s n 设计。 此外，w s n 的设计涉及众多问题的解决，所以应当重新设计w s n 的通信协 议栈，以有效支持这些问题的解决。在w s n 的所有设计目标中，能量有效性1 与 整个通信协议栈相关，而其他设计目标仅与协议栈的个别层次相关，如自组织特 性可以通过链路层的聚簇算法实现。因此，在w s n 通信协议栈的设计研究中， 我们将首先以能量有效性为主要设计目标得到w s n 的通信架构，然后在磁通信 架构的相应层次添加辅助算法以支持其它设计目标，得到满足要求的w s n 通信 协议栈。 本文的主要成果包括以下两部分： ( 1 ) 提出了一种支持应用驱动和跨层优化的w s n 通信架构a d c o c a ( a p p l i c a t i o n - d r i v e n a n dc r o s s l a y e r - o p t i m i z e d c o m m u n i c a t i o n a r c h i t e c t u r e ) 首先，建模描述与世博会安全保障相关的w s n 应用，为支持应用驱 动作准备；其次，通过在通信协议栈中引入应用层与底下各层的层间交 互，实现应用驱动设计，从而可以根据应用的具体特性和要求优化配置 各节点的协议栈，实现了可重配置性的支持；最后，通过引入其他的层 间交互，实现跨层优化设计，使整个网络能量有效地支持w s n 应用通 信。 a d c o c a 改进w s n 通信的能量有效性并支持可重配置性，延长了网 络的生命周期，降低了开发新w s n 应用所需的成本，为w s n 应用的普 及奠定了基础。 ( 2 ) 研究了a d c o c a 的辅助算法的设计 i 一种基于单跳簇的w s n 聚簇算法一一s c m ( s i n g l e h o p c l u s t e r i n gm e t h o d ) 该聚簇算法采用基于竞争的m a c 算法，将w s n 初始化为若干 1 由于我们主要研究通信协议栈的设计，所以这里的能量有效性主要指w s n 通信的能量有效一h 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 个单跳簇，并支持后续节点注册到已有w s n ，方便了w s n 的维护 和管理。 试 拓扑控制与网内通信 研究了最佳拓扑计算和拓扑建立与维护算法。网内通信分为簇间 通信和簇内通信。簇间通信采用基于竞争的m a c 协议和多跳路由协 议。簇内通信采用竞争避免的m a c 协议，并在单个簇内增设候选簇 首以提高簇的可靠性，减少簇的能耗开销。 a d c o c a 及其辅助算法有效地支持了w s n 设计问题的解决。 第一部分的工作已整理成文章“无线传感器网络的通信能量有效性的研究”， 被传感技术学报( 电子类核心刊物) 录用。第二部分的工作仍在整理中。 1 4 一些基本研究假设 为了方便后续讨论和界定论文工作的应用范围，这旱列举了本文的一些基本 研究假设： 每个传感器节点已配置满足特定应用检测要求的传感器，如爆炸物 传感器、生化传感器等。 节点一致性，假定所有的传感器节点结构和组成相似，每个传感器 节点资源有限、结构简单、成本低廉、电池供能。 射频通信，传感器节点间的无线通信有多种方式可供选择，如射频 通信、光通信( 红外和激光束) 、声波、电感电容耦合等，但射频通 信相对更为通用，为了便于后续的讨论，这里假定传感器节点采用 射频通信。 单无线接口2 ，每个传感器节点只有一个无线接口与其他节点和汇集 点无线联系，而且该接口的发射功率是分级可调或连续可调的。 假设无线链路是双向的，即一对节点可以以相同的最小发射功率通 信。 传感器节点被随机布置在检测区域。 汇集点具有一定的处理能力，并且几乎不受能量的限制。 基于聚簇，考虑w s n 中节点数目多、密度大，我们采用聚簇的方法 使各节点轮替工作，以有效利用节点的能量备份延长w s n 的生命周 期。 支持多跳路由，一方面，多跳路由可能带来一定的能量节省，另一 2 目前已有研究尝试具有两个或更多无线接口的传感器节点【8 】，但是从节点成本和尺寸考虑，这罩假设每 个节点只有一个无线接口，这也保证了a d c o c a 应用的广泛性。 9 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 方面，许多簇距离汇集点较远或者运行6 一段时间后能量下降，其发 射功率不足以支持到汇集点的单跳通信，需要通过多跳路由以延长 w s n 的生命周期。 暂时不考虑节点的主动移动，被动移动作为失效节点( 对于该节点 原来所属的簇) 和新增加节点( 对该节点可能新加入的簇) 处理。 论文的工作经适当调整也可应用于上述假设外的其它场景，例如无线通信方 式的改变。修改和放松这些假设限定，也是我们未来研究工作的一部分。 1 5 总结 2 0 1 0 年上海世博会是具有重大社会经济文化意义的一大盛事。为了保证此次 世博会的胜利举行，我们将w s n 技术应用于世博会的安全保障。本章首先讨论 了世博会安全保障的重要性和w s n 在安全保障领域的典型应用场景，然后详细 分析了面向世博会安全保障的w s n 的设计需求，并以此为基础制定了以随机布 置为主、先能量有效性后其它设计目标的研究方法。 论文组织如下：第二章介绍w s n 的基础知识，并讨论w s n 通信能量有效 性的研究现状；第三章提出支持应用驱动和跨层优化的w s n 通信架构一一 a d c o c a ，以支持能量有效性和可重配置性，并分析了该架构的能效改进与其 他特点，特别是与其它能效策略的关系；第四章介绍基于a d c o c a 的w s n 的 一般工作过程，并研究了其正确运行所需的辅助算法的设计，如聚簇算法s c m 、 拓扑控制和网内通信等算法，最后详细讨论了a d c o c a 与其辅助算法对w s n 设计问题的支持；第五章总结全文并展望未来的研究工作。 1 0 面向2 0 1 0 年j j 海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 第二章无线传感器网络及其通信能量有效 性的相关研究工作 在本章，我们首先介绍无线传感器网络的基础知识，然后详细阐述w s n 的 通信能量有效性问题的产生与解决，并回顾了围绕该问题所开展的研究工作，最 后讨论了已有研究实践的得失，以指导面向世博会安全保障的w s n 通信协议栈 a d c o c a 的设计。 2 1 无线传感器网络基础 w s n 由大量密集分布的传感器节点组成，每个传感器节点具备定的数据 采集、处理和无线收发的功能。虽然每个节点的资源和能力都非常有限，但通过 节点间的有效自治合作，整个网络能够独立完成大范围、多信号的准确检测，并 及时可靠地回送采集信息。图2 - 1 描述了一个典型的w s n 网络结构。传感器节 点( s e n s o rn o d e s ) 布置在检测区域( s e n s o rf i e l d ) ；用户在控制台( t a s km a n a g e r n o d e ) 完成检测任务分配和对w s n 的管理，通过i n t e m e t 和或通信卫星，再经 由汇集点( s i n k ) 发布至w s n 中相关节点；相关节点采集信息并沿反向路由反 馈给用户。 图2 - 1 一个典型的w s n 网络结构( 源：f i g u r e2i n 【2 】) 通常，传感器节点由四部分组成：采集模块( s e n s i n gu n i t ) 、处理模块 ( p r o c e s s i n gu n i t ) 、通信模块( t r a n s c e i v e r ) 和电源模块( p o w e ru n i t ) 等。图 2 - 2 描述了一个典型传感器节点的组成。采集模块包括若干个无源或有源传感器 和模数转换器，传感器将外界的物理现象转化为电模拟信号，并经过模数转换器 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器| ：6 | 络的设计研究 得到数字信号供处理模块进一步处理。处理模块由一个低功耗处理器和一个小存 储单元组成，它是传感器节点的控制中心，不仅负责协调节点与其它节点的合作 以完成指派的检测任务，还控制节点其它模块的内部操作，如设置模数转换器的 采样率。通信模块由无线接口及其辅助电路构成，负责收发采集数据或控制信息。 电源模块通常有一块或多块电池组成，负责为节点的其他模块供能，其供能参数 往往受其他模块控制，例如通信模块要求以一定的发射功率发送信号。 图2 - 2 一个典型的传感器节点的模块框图( 源：f i g u r e1i n 2 p 在一些应用场景中，传感器节点可能包括一些附加模块，如图2 - 1 中虚线框 表示的定位系统( l o c a t i o nf i n d i n gs y s t e m ) 、移动装置( m o b i l i z e r ) 和能量发生 器( p o w e rg e n e r a t o r ) 等。定位系统提供了许多路由协议所需的定位信息，有时 采集数据也需要携带一定的位置信息，如营救对象的搜救。移动装置使传感器节 点能够主动移动到合适的位置，如调整节点的位置构成最佳拓扑。能量发生器采 用太阳能或风能等方式，一定程度上能够缓解能量有效性问题，但是受环境影响 较大。 2 2w s n 通信的能量有效性问题 w s n 具有广阔的应用前景，但在其真正走向实用之前，仍有许多技术障碍 有待跨越，如何延长w s n 的生命周期便是其中之一。一方面，由于应用环境的 限制，传感器节点通常依靠电池供能，但是w s n 中节点数目较多，而且一些应 用环境非常危险，如重污染地区和敌方辖区，这使得逐节点手工更换电池不可行， 所以，每个传感器节点在其生命周期中，通常只有一个能量来源，即初始配置的 电池。另一方面，为确保有大量节点的w s n 的总成本是可接受的，不仅要求每 个传感器节点的成本尽可能的低，而且整个网络的生命周期应足够长。虽然世博 1 2 面向2 0 1 0 年卜海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 会的正式召开时间约6 个月，但是考虑筹备期较长而且一些重要场所需要继续使 用w s n ，所以w s n 的设计应着重考虑其生命周期。 对于电池供能的w s n ，延长其生命周期主要有两种方法：适时补充能量和 提高w s n 的能量有效性。补充能量可以有多种方式可供选择，如风能和太阳能 的利用，但由于在具体的应用中往往传感器节点的尺寸有严格限制，使得补充的 能量并不足以维持节点的正常工作，而且由于应用环境的复杂多变，能量转换所 需的条件不一定能满足。所以目前延长w s n 生命周期的探索主要集中在如何改 善w s n 的能量有效性。 传感器节点的各模块的能耗特性与节点的具体实现和应用场合有关，但根据 目前节点的典型实现( 高端节点w i n s 和低端节点m e d u s a - i i ) 和应用实测数 据，处于工作状态的通信模块贡献了节点的大部分功耗【9 】。另外，w s n 的生命 周期是指整个网络能够持续工作的时间，尽管其间可能会有一些节点因能耗、位 置改变或其他外界因素失效，但是通过节点间的有效合i 乍，剩余节点仍可以完成 整个网络的使命，而节点间通信便是支持节点合作的关键。因此，无论从所占的 能耗比例还是从维持w s n 正常工作的角度，w s n 通信能量有效性都是研究的 焦点。 提高w s n 通信的能量有效性，主要关注如何减少通信能耗并保证整个网络 内能耗平衡，以延长整个网络的生命周期。为了减少通信能耗，一方面，应减少 传输应用数据( 包括用户的查询或任务指派等信息) 所需的能耗，例如通过数据 压缩或融合减少传输的数据量，选择能耗最少的路径转发采集信息，或者利用发 射功率与传输距离的高次相关性，以多跳路由替代单跳路由。另一一方面，应减少 相关的控制信息的通信能耗( 这是经常被忽略的) ，例如通过聚簇提高拓扑和路 由的健壮性，减少交换的控制信息量和频度，或者对于动态变化的w s n ，采用 数据中心的路由协议，以避免频繁又无效的路由维护。 片面追求通信能耗的最小化，并不能延长w s n 的生命周期。例如，选取能 耗最小的路径转发信息，往往会导致部分区域的节点过早耗尽能量，形成“盲点”， 致使发生在这些“盲点”的事件不能被检测到或报告给用户，这说明w s n 已经 不能正常工作。因此，在改善w s n 通信的能效性时，应努力平衡整个网络的能 耗，以免形成“盲点”。平衡网络内节点的能耗有很多方法，例如在路径度量时 考虑途经节点的剩余能量，绕开那些残余能量较少的节点，或者利用拓扑控制和 ( 或) 多径路由平衡网络内的流量分布，或者轮换簇内节点的角色以平衡能耗。 从技术发展的趋势来看，电池容量在未来十年很难有较大进展，通信的能耗 在未来可能会下降一个数量级，但仍将是传感器节点的主要功耗 1 0 1 。因此，w s n 的通信能量有效性在未来很长一段时间内都将是一个值得研究的课题。 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 2 3w s n 通信能量有效性的相关研究工作 为了改善w s n 通信的能量有效性，人们研究了通信模块的功耗特性，并基 于此能耗模型，提出了大量的能效改进措施，大致可以分为三类：单层能效策略、 跨层能效策略和应用优化设计等。下面逐一介绍这些工作。 一通信模块的能耗模型【9 】 通信模块由无线接口及其辅助电路构成，相应通信模块的能耗也由这两部分 组成。这两部分功耗的相对关系与射频范围有关，当射频范围较大时无线接口功 耗( 主要指发射功率) 占优，反之是辅助电路的功耗占优。 无线接口有四种工作方式：发射、接收、侦听和休眠。在不同的工作模式下， 无线接口的功耗也有所不同，一般有：发射功率大于接受功耗，接受功耗大于空 闲功耗，发射功率、接受功耗和空闲功耗处于同一个数量级；休眠功耗比其他模 式下功耗低1 2 个数量级；休眠模式切换到其他模式需要较多的能耗( 和启动时 间) 。 无线接口的发射功率与传输距离、调制参数有关，特别有： p e r d 。 其中，陆是发射功率，d 是传输距离，硫2 - 4 之间。 单层能效策略 根据w s n 通信模块的功耗特性，人们已经在w s n 的通信协议栈( 如图2 3 所示) 的各层开展了大量的能量有效性研究工作。 图2 - 3w s n 的通信协议栈3 3 关于w s n 通信协议栈的说明：( 1 ) 由于w s n 应用的唯一性和传感器节点的资源有限性，传感器节点的 通信协议栈的实现一般不包括传输层；( 2 ) 拓手 控制层在其他文献被归八数据链路层或网络层，但为，清 楚起见，这里将其视为独立的协议层。 1 4 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 由于无线信道的每单位带宽容量低、多径效应、符号间干扰和节点问干扰等 特点，物理层的能效工作包括无线网络容量、信道编码、调制策略和功率控制等 研究。c u i 等研究了编码系统和未编码系统的能量最优的调制策略，对于在指定 时间内需要传输的给定比特数，给出了传输和辅助电路能耗最少的调制策略 1 1 。 r a m a n a t h a n 与r o s a l e s h a i n 研究了如何选择发射功率以平衡连通度和能耗 1 2 1 。 由于无线信道的广播特性，数据链路层的研究主要围绕m a c 协议进行，以 确保各相邻节点能够共享信道，同时减少或避免碰撞，以提高能效和吞吐率。 s o h r a b i 与p o t t l e 提出了一种对等传输调度协议，通过c d m a 或f d m a 给可能相 互干扰的连接分配不同的子信道，以避免节点竞争信道，但信道利用率较低 1 3 1 。 y e 等则提出了一种基于竞争的调度协议，通过为节点引入休眠侦听机制，并结 合自适应侦听，减少了节点的空闲侦听，改善了能效和信道利用率 1 4 1 。 鉴于w s n 节点众多和分布密度高，在链路层和网络层之间引入了拓扑控制 层，在保证网络的连通性的情况下，使尽可能多的节点关闭尽可能长的时间，以 节省能耗。p a n 等研究了如何布置关键节点使得拓扑的生命周期最长，结果表明 拓扑控制能大大延长w s n 的生命周期 1 5 1 。 w s n 的网络层保证各传感器节点的采集信息能够及时可靠地传送到汇集点， 主要关注路由机制和路由的优化目标。路由机制可以分为数据中心的路由协议 ( 如定向扩散 1 6 1 年1 s p i n 1 7 】) 和层次路由协议( 如l e a c h 1 8 和p e g a s i s 1 9 】) 。 数据中心路由协议主要基于这样一个观察：w s n 节点众多，而且人们通常更关 注采集信息的内容而不是由哪一个节点所采集。但是在许多w s n 应用中采集信 息包括一定的位置信息( 虽然不必具体到哪一个节点) 还是非常必要的，如灾后 营救和有毒气体扩散检测，所以我们在w s n 的世博会安全应用中主要考虑层次 路由协议。虽然这些路由协议的设计都考虑了w s n 的能量有效性，但在选择具 体的路由优化目标时还存在差别，如总能耗最小化、节点能量差别的最小化等 【2 0 】。 网内处理是w s n 应用层常用的能效措旌之一，利用处理功耗远低于通信功 耗的特性【2 1 】，通过中间节点的处理降低数据中的冗余度以减少通信量，如 l e a c h 利用应用信息进行数据融合 1 8 1 。 跨层能效策略 由于传感器节点的资源有限，能量有效性涉及协议栈的所有层次，而且单层 能效改进措旌可能存在重叠或冲突，人们开始尝试在协议栈引进跨层交互，以改 进w s n 的通信能效。2 2 研究了如何利用物理层的信息设计数据链路层的协议。 【2 3 和【2 4 研究了如何通过m a c 协议和路由协议的交互延长w s n 的生命周期。 2 5 研究了物理层、数据链路层和网络层的联合优化设计以延长w s n 的生命周 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 期。研究结果表明，与单层能效策略相比，跨层能效策略进一+ 步改进了w s n 通 信的能量有效性。 一应用优化设计 w s n 的应用通常具有唯一性，即在任一时刻w s n 至多需要支持一项应用， 所以w s n 的通信设计和实现应充分考虑所要支撑应用的特点，以保证通信的能 量有效。s c h u r g c r s 等根据事件监测应用中网络流量时间分布的特点，优化了w s n 通信协议的设计和实现，显著的延长了整个网络的生命周期 2 6 1 。然而，w s n 的应用优化不仅包括流量分布的优化，还可以根据应用的具体性能需求优化，以 进一步提高w s n 通信的能效。m i n 研究了能耗与性能问的平衡，通过在不同的 工作情况下始终提供所需的性能，避免了因过好的性能或未满足要求的性能导致 的能量浪费 2 7 1 。 2 4 讨论 提高w s n 通信的能量有效性，首先应当基于合适的通信模块的能耗模型。 从已有的通信能耗模型来看，为了节省通信能耗，我们应关注这几个方面：尽可 能使通信模块处于休眠状态，而不是空闲状态；尽可能减少w s n 中节点通信模 式的切换；适当考虑多跳路由替代单跳路由。 单层能效策略改进了w s n 通信的能量有效性，但是，通信能量有效性是个 系统性问题，它涉及通信协议栈的各个层次。而且，各个单层能效策略相互作用， 往往存在重叠甚至冲突。例如，s m a c 1 4 要求节点尽可能处于休眠状态以节省 功耗，而定向扩散路由协议【1 6 】则希望中间节点能够持续工作以转发其它节点的 采集信息，故两者不能有效地协同工作，无法实现提高通信能效的目的。此外， 传感器节点的资源有限，也要求协议栈的设计能够考虑跨层优化。因此，w s n 通信能效改进应当关注跨层优化设计。 已有研究表明，与单层能效策略相比，跨层能效策略进一步改进了w s n 通 信的能量有效性。但是，目前的跨层优化研究，主要集中于网络层及以下各层， 尚未涉及应用层。从上面介绍的应用优化研究可以看出，包括应用层的跨层优化 具有相当的提高通信能量有效性的潜力。 从应有优化研究来看，应用优化既可以从应用流量分布的时间、空间分布着 手，也可以从应用的性能角度考虑。结合两者的应用优化将提供更大的通信能效 改进空间。但是，必须指出的是，应用优化设计一定程度上限制了w s n 所能支 持的应用，引申来看，这也限制了w s n 的生命周期，是与提高通信能量有效性 的根本目的相矛盾的。考虑这样一个w s n 的应用场景：为了检测某个区域的温 度情况，我们先行布置了一个w s n 用于周期报告该区域的温度状况，在稳定运 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 行了一段时间后，我们希望仅当该区域的温度高于某个阂值时w s n 报告情况。 这时我们应该重新布置一个为新的应用优化的w s n ，还是继续原有w s n 的运 行并在控制台添加一定的过滤处理? 显然，这样都是低效的。但是，如果该w s n 能够有效支持先后这两种应用，那么只需简单的配置，它便可以有效地支持后一 应用，这样便延长了该w s n 的生命周期。随着能量有效性的改进，这种可重配 置的特性对于w s n 生命周期的延长将越来越重要。因此，在利用应用特性提高 能量有效性的同时，应考虑支持可重配置性的设计，以进一步延长w s n 的生命 周期。在下一章的讨论中，我们把这种能够有效支持可重配置性的设计称为应用 驱动设计。 表2 - 1 概括了已有三类通信能效改进策略的有待改进之处： 表2 - 1 已有通信能效改进措施的不足 单层能效策略跨层能效策略应用优化 能量有效性与所只能适合某一类 有待 有协议层相关i应用： 跨层交互没有包 改进 备层的能效策略没有综合考虑流 括应用层。 之处 存在重叠或冲量分布和性能需 突。求。 综上讨论可知，为了最大限度的改进w s n 通信的能量有效性，首先应当基 于合适的通信模块通信能耗模型，其次应综合考虑跨层优化和应用驱动设计。 面向2 0 1 0 年上海世博会安全保障的无线传感器网络的设计研究 第三章a d c o c a 一一一种支持应用驱动 和跨层优化的w s n 通信架构 在本章，我们首先定义了一些术语以便于后续的讨论，然后建模分析为了保 障2 0 1 0 世博会的安全w s n 需要支持的应用，最后通过应用驱动和跨层优化设 计提出a d c o c a 作为w s n 的通信架构，并讨论a d c o c a 的通信能量有效性、 可重配置性以及其它特性。 3 1 一些术语的定义 为了便于后续的讨论，我们首先定义如下术语： 1 w s n 应用 一个w s n 应用是指一组完整的数据采集和传送操作，如控制台发出数据请 求，相关节点采集并送回感兴趣的数据。然而，这里主要关心通信的能量有效性， 所以我们把这样一组完糇操作所涉及的数据通信称为”一个w s n 应用。 2 应用通信和控制通信 从概念上，w s n 内的通信可以分成两类，应用通信和控制通信。应用通信 是指所采集数据的传送，