（计算机应用技术专业论文）基于最小能耗树的无线传感器网络路由协议研究.pdf

一 1 一 五 唆 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鹤坦星 日期：2 里生! ：盘 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：琵蝗导师签名：论文作者签名：钨丝导师签名： 一 | 山东 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 1 2 本文的工作 1 3 本文章节安排3 第2 章无线传感器网络概述4 2 1 无线传器网络的体系结构4 2 1 1 传感器节点结构4 2 1 2 网络系统结构5 2 1 3 传感器网络协议栈6 2 2 无线传感器网络特征8 2 3 无线传感器网络的应用9 2 4 无线传感器网络的性能评价标准1 1 2 5 本章小结1 2 第3 章无线传感器网络路由协议研究1 3 3 1 无线传感器网络路由协议的特点1 3 3 2 平面路由协议1 4 3 2 1f l o o d i n g 和g o s s i p i n g 1 4 3 2 2s p i n 1 5 3 2 4 定向扩散1 6 3 3 层次路由协议1 8 3 3 1l e a c h 协议1 8 3 3 2l e a c h c 协议1 9 3 3 3t e e n 协议2 0 3 3 4h e e d 协议2 0 3 3 5p e g a s i s 协议2 1 东大学硕士学位论文 ：! 的无线传感器网络路由协议2 3 ：z 4 模型2 4 参考模型2 4 分析2 6 。：2 1 6 树2 6 点2 8 ，：z 8 能分析3 0 3 ( ) ：；：! 3 4 第5 章m e c t 实验仿真3 5 5 1o m n e t + + 工具简介3 5 i 5 - 1o 姗t + + 的基本组件_ 3 6 i 5 2 仿真模型3 7 5 3 仿真结果3 9 5 5 本章小结4 2 第6 章结束语4 3 参考文献4 4 致谢4 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文4 9 “ 写 山东大学硕士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e 】 a b s t r a c ti ne n g l i s h ，i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n d 1 1 2m a i nj o b 2 1 3o r g a n i z a t i o n 3 c h a p t e r2o v e r v i e w o fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 4 2 1a r c h i t e c t u r eo f w s n ：4 2 1 1s e n s o rn o d es t r u c t u r e 4 2 1 2n e t w o r ks y s t e ms t r u c t u r e 5 2 1 3n e t w o r kp r o t o c 0 1s t a c k 6 2 2c h a r a c t e r i s t i c so f w s n 8 2 3a p p l i c a t i o n so f w s n 9 2 4p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f w s n ：1 【 2 5s u m m a r y 1 2 c h a p t e r 3r e s e a r c ho f r o u t i n gp r o t o c 0 1 1 3 3 1c h a r a c t e r i s t i c so f r o u t i n gp r o t o c o lf o rw s n 1 3 3 2p l a n er o u t i n gp r o t o c 0 1 1 4 3 ，2 1f l o o d i n ga n dg o s s i p i n g 1 4 3 2 2s p i n 1 5 3 2 4d i r e c t e dd i f f u s i o n 1 6 3 3h i e r a r c h i c a lr o u t i n gp r o c o t o l 1 8 3 3 1l e a c hp r o t o c o l 1 8 3 3 2l e a c h cp r o t o c o l 1 9 3 3 3t e e np r o t o c o l 2 0 3 3 4h e e dp r o t o c o l 2 0 335p e g a s i sp r o c o t o i2 1 山东大学硕士学位论文 3 4s u m m a r y 2 2 c h a p t e r4ar o u t i n ga l g o r i t h mb a s e do nm i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o nt r e ef o r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 2 3 4 1s y s t e mm o d e l 2 4 4 1 1e n e r g yr e f e r e n c em o d e l 2 4 4 1 2d a t at r a n s f e rr e f e r e n c em o d e l 2 4 4 2a n a l y s i so f 匝c tp r o c e s s i n g 2 6 4 2 11 1 1 i t i a l i z a t i o n 2 6 4 2 2p r o d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o nt r e e 2 6 4 2 3c h o o s et h er o o tn o d e 2 8 4 2 3d a t at r a n s f e r 2 8 4 3p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 。3 0 4 3 1t i m ed e l a y 3 0 4 3 2e n e r g yc o n s u m p t i o n 3 2 4 4s u m m a r y 3 4 c h a p t e r5m e c t s i m u l a t i o n ，3 5 5 1i n t r o d u c i o no f o n 烈e t + + 3 5 5 1 1o 小m t + + c o m p o n e n t 3 6 5 2s i m u l a t i o nm o d e l 3 7 5 3s i m u l a t i o nr e s u l t s 3 9 5 5s u m m a r y 4 2 c h a p t e r6 c o n c l u s i o n 。4 3 b i b l i o g r a p h y 4 4 a c k n o w l e d g m e n t s ，4 8 p u b l i s h e dp a p e r s 4 9 j i 摹 物。低成本的传感器具有很好的计算能力和无线传输能力，这些传感器节点被部 署到各种各样的环境下，比如军事监测、地雷探测、恶劣的物理环境等，用来收 集有用的信息以供科学院研究或其它用途。由于w s n 的巨大应用价值，它已经 引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于 军事、工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。 然而由于传感器节点能量有限、不能补充的特点，使得如何设计一个有效 的路由协议，用以减小节点的能量耗费、延长网络的寿命成为了无线传感器网 络的研究重点。目前人们已提出各种各样的路由协议用于解决上述问题，像 l e a c h 、p e g a s i s 等，但是这些协议都未能较好地解决高效利用节点能量的问 题。本文通过分析这些协议优缺点，在其基础上提出一种基于最小能耗树的路 由协议m e c t ( m i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o nt r e e ) 。 m e c t 协议通过构造一棵生成树来进行数据收集，从而减少了无线传感器网 络中由于数据传输而消耗的能量。该协议把由传感器节点组成的网络看成一个带 权的无向连通图，然后由基站根据这个连通图来生成一棵树，数据收集就是从叶 节点到根节点的数据传输过程。m e c t 协议在生成树的过程中不仅考虑到每一轮 数据收集所消耗的总能量，而且还考虑到各个节点能耗是否平均，使其在减少能 耗的同时不失负载均衡。 在数据传输过程中，m e c t 采取并行传输的方式。在每一轮中，基站完成生 成树的工作后为节点分配传输时隙，所分配的传输时隙能够保证在无传输冲突的 情况下多个节点对同时进行传输，有效的提高了传输效率、降低了传输时延。 本文对m e c t 协议进行了模拟仿真实验，实验结果显示m e c t 与l e a c h 、 p e g a s i s 协议相比在生存时间和时间延迟方面都具有更好的性能。 关键宇：无线传感器网络；最小生成树；剩余能量：时延 ， p r o t o c o l h a sb e e np r o p o s e d ，s u c ha sl e a c h ，p e a g s i se t c u n f o r t u n a t e l y , t h e s e p r o t o c o l sd on o tp r o p e r l yf i g u r eo u tt h ep r o b l e mo fh o wt oe f f i c i e n t l ys a v en o d e s e n e 理妙 m e c tr e d u c e st h ec o m m u n i c a t i o ne n e r g y c o n s u m p t i o n i ne a c hr o u n db y c o l l e c t i n gd a t af r o mas p a n n i n gt r e e i tr e g a r d st h en e t w o r ka s a l li n d i r e c t e da n d c o n n e c t e dg r a p h ，a n db a s es t a t i o np r o d u c e sat r e eb a s e do ni t d a t at r a n s f e rb e g i n s f r o mt h el e a ft ot h er o o t m e c tc o n s i d e r sn o to n l yt h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ni n e a c hr o u n db u ta l s ot h ee v e n n e s so fe n e r g yc o n s u m p t i o no fe v e r yn o d e s o ，t h e p r o t o c o l c a l lg u a r a n t e eb o t ht h er e d u c t i o no fe n e r g y c o n s u m p t i o na n dt h el o a d b a l a n t e p a r a l l e lt r a n s m i s s i o ni sa d o p t e dd u r i n gt h ep r o c e s so fd a t at r a n s f e ri nm e c t i n e a c hr o u n d ，b a s es t a t i o na l l o c a t e st h et i m es l o tf o re v e r yn o d ea f t e rp r o d u c i n gt h e s p a n n i n gt r e e t h ea l l o c a t e dt i m es l o tc a nm a k em o r et h a no n en o d ep a i rt r a n s f e r si t s d a t aw i t h o u tc o l l i s i o n i te f f i c i e n t l yi m p r o v e st r a n s f e re f f i c i e n c ya n dr e d u c e st h et i m e d e l a y i i 山东大学硕士学位论文 t h i sp a p e rm a k e ss i m u l a t i o no nm e c t t h er e s u l t ss h o wm e c to u t p e r f o r m s l e a c ha n dp e g a s i si nt e r m so fl i f e t i m ea n dt i m ed e l a y 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 ；m i n i m u ms p a n n i n gt r e e ；r e s i d u a le n e r g y ； t i m ed e l a y i i i 7 1 1 研 随 展，孕育出无线传感器网络，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的 特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络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自 组织网络。很多人都认为，这项技术的重要性可与因特网相媲美：正如因 特网使得计算机能够访问各种数字信息而可以不管其保存在什么地方，传 感器网络能扩展人们与现实世界进行远程交互。然而从很多方面来说，现 在的无线传感器网络就如同远在1 9 7 0 年的因特网，那时因特网仅仅连接了 不到2 0 0 所大学和军事实验室，并且研究者还在试验各种通讯协议和寻址 方案。而现在，大多数传感器网络只连接了不到1 0 0 个节点，更多的节点 以及通讯线路会使其变得十分复杂而无法正常工作。另外一个原因是单个 传感器节点的价格目前还并不低廉，而且电池寿命在最好的情况下也只能 维持几个月。不过这些问题并不是不可逾越的，现在已经有越来越多的科 研机构开始对无线传感器网络的研究产生了兴趣。 无线传感器网络路由协议对无线传感器网络的性能起着至关重要的作用，决 定了数据的传输路径，是无线传感器网络的关键技术之一。但是无线传感器网络 与传统的无线网络( 如、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。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 m e t 技 术加上a dh o c 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， l 飞 飞一 山东大学硕士学位论文 后者以传输数据为目的。同时，无线传感器网络路由协议是高度面向应用的，不 同的应用背景对路由协议的性能指标要求不同、侧重点不同，没有任何一种无线 传感器网络路由协议能够适用于所有的应用背景。一些为自组织的a d h o c 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。目前， 国内外许多大学和研究机构纷纷投入了大量的研发力量进行无线传感器网络路 由协议的研究。 1 2 本文的工作 无线传感器网络中节点携带的能量通常是有限的，并且不能补给，一旦一个 或多个节点因能量耗尽而无法正常工作的话，将会影响到整个网络，使得研究人 员无法获得完整的数据。因此，如何设计一个有效的路由协议，减小节点的能量 耗费、延长网络的寿命成为了传感器网络的研究重点。 本文对无线传感器网络路由协议进行了深入探讨，分析了各种典型路由协议 的特点，在此基础上本文提出一种基于最小能耗树的路由协议m e c t 。该协议把 整个无线传感器网络看成一个带权的无向图，从而可以生成一棵由传感器节点构 成的树。在每一轮的数据传输过程中，首先选择一个根节点，然后由根节点把收 集到的数据传送到基站。由于在生成树的过程中不仅考虑到节点问的距离，还考 虑到节点的剩余能量，因此整个网络在减少传输能耗的基础上仍然可以保证负载 均衡。 c t 算法要实现的主要目标： ( 1 ) 在生成树的过程中，把节点的剩余能量作为一个重要的参考标准，避免 在降低总能耗的同时把能耗集中在个别节点上，能量消耗被平摊到所有节点上， 从而延长了网络的有效工作时间。 ( 2 ) 在数据传输过程中，同一时刻有多个节点同时传输数据，并且不会发生 冲突，这样可以有效的提高传输效率、降低传输时延，以满足那些对时间要求比j 较严格的无线传感器网络。 2 ，夕 h 山东大学硕士学位论文 1 3 本文章节安排 本文各章节安排如下： 第1 章绪论，主要介绍本文的研究背景和主要工作 第2 章无线传感器网络概述，介绍无线传感器网络的系统架构、体系结构、 特征及其各种应用。 第3 章介绍无线传感器网络中几种代表性的路由协议，并通过对比分析各 自的优缺点。 第4 章提出基于最小能耗树的路由协议枷c t ，阐述其基本思想、设计 过程，并进行了理论分析 第5 章仿真实验，利用o m n e t + + 对m e c t 算法进行仿真实验，验证算法 性能，得到实验结果。 第6 章结束语，总结本文的工作并展望未来的研究方向。 山东大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络概述 无线传感器网络最早来源于军事领域。1 9 7 8 年，美国国防高级研究项目署 资助了卡内基梅隆大学，成立了分布式无线传感器网络工作组( d i s t r i b u t e ds e n s o r n e t sw o r k s h o p ) ，这个工作组专门研究以无线传感器网络为基础的军事监视系统。 但是由于当时技术条件的限制，研究和应用的范围十分有限。近十年中，随着技 术水平的大规模提高，无线传感器网络的应用条件越来越成熟，因而当前对无线 传感器网络的研究与开发已成为信息领域的一个热点。现在比较大的一些研究项 目包括：加州大学洛杉矶分校的w i n s 网络【3 1 ，几乎涵盖了从信号处理到网络协 议的所有研究；麻省理工大学的l a m p s 项目 4 1 ，利用节点分簇算法来尽量降低 能耗；加州大学伯克利分校的p i c o r a d i o 项目1 5 ，专注于信道选择，冲突避免的媒 介访问协议。还有其它众多的研究项目! t h t e r m n o d e s l 6 1 ，m a n e t l 7 1 等。在民用领 域，美国交通部1 9 9 5 年提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2 0 2 5 年全面 投入使用。该计划试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、 控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位 的实时高效的综合交通运输管理系统。传感器网络的广泛应用前景是推动其发展 的最强大动力。 2 1 无线传器网络的体系结构 2 1 1 传感器节点结构 通常，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 块四个部分组成，如图2 1 所示【8 】。传感器模块通过传感部件感知、获取监测区 域的相关信息，并由模数转换器将其转换成数字信号；处理器模块由处理器、存 储器组成，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；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控 制消息和收发采集数据；能量供应模块是整个传感器节点的能量来源，负责为传 感器节点提供运行所需的能量，一般采用微型电池，电量低而且不易补充，因此 4 一 i 、 u 少 氏 设 某 地 点、汇聚节点( s i n k ) 和管理节点【引。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或 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，在传输过程中监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。终端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。 观察者 图2 2 无线传感器网络系统结构 终端用户 图2 3 所示是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网 络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包 括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点 能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中传输数据，并支 持多任务和资源共享。 应用层 能 目 里 管 理 平 面 移 动 管 理 平 面 图2 3 传感器网络协议栈 任 务 管 理 平 面 ( 1 ) 物理层。物理层负责信号的调制和数据的收发。无线传感器网络需要简单、 6 粤 层一层一雕一层 输一络一链一理 传一网一据一物 一 一数一 线传感器网络中使用。当然，在硬件设计上不仅要设计体积小、功率低、成本低 的传感器，还采用有效利用资源尤其是能量资源的硬件管理方案。 ( 2 ) 数据链路层。负责数据帧的生成和监测、媒体接入和错误控制。它为网络提 供可靠的点对点及点对多点连接。无线传感器网络的m a c 协议必须为数据的传 输建立起无线通信连接，形成多跳的基本网络结构，并且保证节点之间公平、有 效地共享无线通信资源。但是无线传感器网络独特的应用要求和资源限制要求必 须有全新的m a c 协议和算法来适应无线传感器网络的特点。目前已经提出的 m a c 方案大体可以分为固定分配和随机接入两种。 ( 3 ) 网络层。负责路由建立、路由选择和路由维护。无线传感器网络的路由协议 需要在源节点和目的节点之间寻找合适路径并正确地将数据信息传递到目的地。 需要指出的是，由于传感器节点自身的物理限制，无线传感器网络的路由协议和 传统的a dh o c 网络存在着很大的不同点，这样也使得传统无线网络的路由协议 并不适合无线传感器网络。 ( 4 ) 传输层。负责对数据流进行维护j 文献 9 】的作者在文章中指出了无线传感器 网络对传输层的需求，尤其当用户通过英特网或其它外部网络接入无线传感器网 络时，传输层的作用更为重要。但是由于传感器节点的物理限制，如能量低且不 易更换、存储空间有限以及路由方案的特殊性等因素，无线传感器网络的传输层 需要一个特殊的协议来保证网络通信质量。对于基站节点来说，一方面，它和用 户之间的通信通过英特网或其它外部网络，因此可以采用t c p ，i 聊协议；另一 方面，基站节点和传感器节点之间的通信却必须采用传感器网络特殊的传输层协 议。 ( 5 ) 应用层。根据不同的任务采用不同的应用层软件，对任务进行监测。目前己 经提出了一些应用层协议有传感器管理协议( 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 ) 、 任务分配和数据广告协议( t a d a a , ，t a s ka s s i g n m e n ta n dd a t aa d v e r t i s m e n t p r o t o c 0 1 ) $ e l 传感器询问和数据分发协议( 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 ) 。 ( 6 ) - - - 个管理平面。能量、移动和任务管理平面主要是监测传感器节点的能量、 7 山东大学硕士学位论文 移动和任务分布情况。它们保证传感器节点协同工作时能有效地利用功率，共享 网络资源，在移动性传感器网络中为数据提供路由信息等。能量管理平面对传感 器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；移动管理平面监测登 记传感器节点的移动情况，传感器节点可以了解哪些节点是自己的邻节点；任务 管理平面可以在某个区域对任务进行调度，它可以要求一些功率大的传感器节点 执行更多的任务，而功率小的节点可以少执行甚至不执行任务。协调传感器节点 顺利完成任务并降低网络能量消耗。 2 2 无线传感器网络特征 无线自组n ( a d h o e ) 是一个由几十到上百个节点组成的，采用无线通信方式 的、动态组网的、多跳的、移动性的对等网络，其目的是通过动态路由和移动管 理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流，通常节点具有持续的能量供应。 传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的差别。传感 器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更是庞大( 上千 乃至上万1 ，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故 障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感 器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量处理能力、存储能力和通信 能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽 利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能量的高效使用， 这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。 与无线自组网不同，无线传感器网络有以下独特的特性 1 0 , 1 1 , 1 2 1 ： ( 1 ) 大规模网络。无线传感器网络的规模一般比较大，部署的区域比较大， 同时，由于环境及自身因素的影响，节点容易失效，因此传感器节点部署很密集。 ( 2 ) 节点能力有限。由于无线传感器网络应用的需要，传感器节点体积比较 小，使得节点的能力受到很大限制。传感器节点电源能量有限，通信能力有限， 存储和计算能力有限。传感器节点能量有限是限制整个无线传感器网络设计的关 键瓶颈之一，传感器节点的这些缺点决定了无线传感器网络协议和算法必须配套 设计。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) n 络维护性低。无线传感器网络一般被部署在人无法到达的地区，如原 始森林的防火和环境监测、军事上的敌情监测、工业上的安全监测等等。应用环 境的复杂多样，使得网络一旦部署完成就几乎没有人干预，网络的可维护性很低。 ( 4 ) 以数据为中心。应用无线传感器网络采集数据，人们关心的是某个区域 内某个监测指标的数值，而不是关心某个节点监测到的数值1 3 】。传感器网络是 任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。用户使用传感器 网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个节点。网 络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的 思想更接近于自然语言交流的习惯，所以通常说传感器网络是一个以数据为中心 的网络。 ( 5 ) 可靠的网络。传感器节点随机分布，自组织成网络，由于环境或能量耗 尽的原因，会导致网络的拓扑结构发生动态变化，网络中某个或某些节点失效不 会影响到整个网络的性能，因此要求传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错 性。 ( 6 ) 应用相关性。人们使用无线传感器网络的目的各不相同，不同的传感器 网络应用关心不同的物理量，因而对网络系统的要求也不尽相同，其硬件平台、 软件系统和网络协议必然会有很大差别。针对每一个具体应用来研究传感器网络 技术，是不同于传统网络的显著特征。 2 j 无线传感器网络的应用 传感器网络有着巨大的应用前景，被认为是将对2 l 世纪产生巨大影响力的技 术之一。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑 物监测等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，各 种传感器网络将遍布我们生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。以下简 要介绍传感器网络的一些应用。 ( 1 ) 军事应用。传感器网络研究最早起源于军事领域，实验系统有海洋声纳 监测的大规模传感器网络，也有监测地面物体的小型传感器网络。现代传感器网 络应用中，通过飞机撤播、特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器密集 9 此大型建筑结构的安全问题引起人们的高度重视。科研人员考虑利用无线传感器 囊 网路进行大型建筑物的结构安全监测。目前，s e n e r a 公司已经开发了个基于无 线传感器网络的桥梁安全监控系统，能够监测桥梁的温度、湿度、震动幅度、桥 山东大学硕士学位论文 墩被侵蚀程度等数据，减少断桥事故导致的生命财产损失。 2 4 无线传感器网络的性能评价标准 无线传感器网络的研究尚处在起步阶段，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课题。目前，学术界普遍采用的性能标准主要有以下几 项4 】： ( 1 ) 能源有效性和生命周期。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。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间。能源有效性几乎是所有类型的传感 器网络设计中都需要考虑的重要因素，由于传感器节点能量的有限性，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。 ( 2 ) 可靠性和容错性。传感器节点一般无法进行人工维护，因此由于能源耗 尽或者环境的干扰可能导致部分传感器节点无法有效地进行工作，可靠性的性能 指标要求传感器网络在部分节点无法进行工作的时候仍然能够保证整个网络的 有效运行。同时，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 有高强壮性。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。容错性和能源有效性之间存在着密切关系。我们 在设计传感器网络时，需要权衡两者的利弊。 ( 3 ) 时间延迟。传感器网络的延迟时间是指观察者发出请求到收到应答信息 所需要的时间，在某些实时应用环境中，需要设计的传感器网络能够尽可能减少 时延。 ( 4 ) 可扩展性。在某些应用中，随着大量传感器节点的失效或者由于应用的 需求，需要在传感器网络中继续部署大量的传感器节点，这就需要传感器网络的 设计能够满足动态扩展的需求，能够使得大量的传感器节点协同工作。 ( 5 ) 感知精度。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。 在具体的应用中，往往根据上述的一个或者多个指标的组合来设计和衡量传 山东大学硕士学位论文 感器网络【1 5 】。 总之，理想的无线传感器网络路由协议应该具有以下特性：分布式运行、安 全可靠、高效地利用能量、支持单向链路和维护多条路由。 2 5 本章小结 本章首先介绍了无线传感器网络的体系结构，包括传感器节点的结构、网络 系统结构以及传感器网络的协议栈。然后与无线自组网相对比阐述了传感网络的 特征，接着介绍了无线传感网络的应用场合。最后从五个方面说明了无线传感器 网络的性能以及评价标准。 路 个方面 正确转 很大，没有一个通用的路由协议。此外，传感器网络的路由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。 3 1 无线传感器网络路由协议的特点 与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由因其特殊的应用环境， 有其自身的特点，主要表现在以下几点【l 6 】： ( 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 使用的问题。 ( 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。在节点只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协议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，而无线传感器网络中大量节点随机部署，所关注的是检测区域的感知数据， 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数据汇集节点的数据流，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 一个路由协议适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。设计者 需要针对具体应用的需求，设计与之适应的特定路由协议。 针对不同的传感器网络应用，研究人员提出了不同的路由协议，从网络拓扑 山东大学硕士学位论文 结构的角度，根据路由过程中网络是否具有层次结构，可分为两类：平面路由协 议和层次路由协议( 也称聚类路由协议) 。 平面路由协议简单、健壮性好，但是能耗大，适合小规模网络；层次路由协 议以簇的形式将网络分为多个层次，形成“节点簇首汇聚节点 的结构，簇内 节点由簇首管理，扩展性好，适合大规模网络，但簇首节点是关键节点，负载大、 能耗快，如何较好的实现负载的均衡是必须解决的问题。 3 2 平面路由协议 在这类协议中，s i n k 节点向特定区域的节点发出查询命令。该区域内的节点 收到查询命令后，向s i n k 节点发送数据。在这种协议中，所有节点具有相同的 地位和功能，节点间通过局部操作和反馈信息来生成路由。它的优