（计算机系统结构专业论文）无线传感器网络节点配置策略的能效及生存期研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 传感器技术、微机电系统、网络和无线通信技术的发展与融合，催生了集 信息获取、处理和传输为一体的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ， 无线传感器网络) 技术的发展。作为新兴技术，无线传感器网络具有十分广阔的 应用领域，包括军事、环境监测、目标追踪、科学观察和预报等领域。它的广 泛应用将会从根本上改变我们感知客观世界的能力。 通过一定的部署算法或配置策略达到合理的节点配置，是实现无线传感器 网络资源优化和网络效率最大化的基本途径，它在很大程度上也决定了网络的 感测效果和服务质量。一方面，由于受传感器节点能量有限的制约，在节点配 置策略的构建时，必需在能效性方面给予较多的考虑。另一方面，节点配置策 略对网络能量的分布、感测信息的分布和通信代价的分布将有直接的影响，而 它们在很大程度上又决定了网络生存期的大小。基于此，本文围绕节点配置在 能效和生存期方面展开了研究。 本文以无线传感器网络节点配置的能效性为切入点，针对线型静态模型， 我们首次从数据位的能量角度出发，考虑启动能量和编码能量等多种能耗的情 况下，对等间距节点配置下采用多跳和单跳时系统能耗进行了分析和比较。找 出了等间距配置下的最优单跳间距，提出了优化的多跳配置模型，并通过仿真 说明其有效性。 针对二维静态网络模型节点配置研究，我们提出了多级电量配置策略。策 略的构建是在同质节点配置的次优理论基础之上提出的，并以均衡网络负载， 达到延长网络生存期为最终目标的。模型的构建侧重于应用，我们对不同的应 用情景，采用离散法提出了相应的多级电量配置方案，考虑电池级别有限这一 现实，又进一步分析，提出了渐进法多级电量配置算法。最后的仿真中，我们 强调了配置策略中关键因素对网络生存期的影响。 本文对无线传感器网络的节点配置问题的研究方法是一个对建立的目标价 值函数的可变参数集进行优化，从中求得最优值的过程。全文从节点的配置策 略入手，紧紧围绕能量的有效配置和生存期最大化这两个最主要目标，并结合 山东大学硕士学位论文 实用性这一核心问题展开了工作。 关键字：无线传感器网络；节点配置；能效；生存期；多级电量 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t a n d c o n v e r g e n c e o fs e n s o r t e c h n o l o g y ， m i - c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，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 na c c e l e r a t e t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) ，w h i c hi n c l u d e st h eo b t a i n i n g ， h a n d l i n ga n dt r a n s f e r r i n go fi n f o r m a t i o n a so n ek i n do fn e wt e c h n o l o g y ，w s nh a s aw i d ea p p l i c a t i o na r e as u c ha sm i l i t a r y ，e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，o b je c tt r a c k i n g ， s c i e n c eo b s e r v i n g ，a n df o r e c a s t i n g i t sw i d ea p p l i c a t i o nw i l lf u n d a m e n t a l l yc h a n g e o u ra b i l i t yt os e n s et h ep h y s i c a lw o r l d i t st h ef u n d a m e n t a l i t yw a yf o ro p t i m i z i n gr e s o u r c ea n dm a x i m i z i n gt h ee f f i - c i e n c yo fn e t w o r kt h r o u g hs o m ec e r t a i na l g o r i t h mo rr e a s o n a b l ed e p l o y m e n ts t r a t - e g yt od e p l o yn o d e s ，w h i c ha l s og r e a t l yd e c i d e st h es e n s o re f f e c t sa n dt h eq o so f w s n o no n eh a n d ，w es h o u l dp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ee n e r g ye f f i c i e n c yw h e n w e c o n s t r u c tt h en o d ed e p l o y m e n ts t r a t e g yb e c a u s eo fl i m i t e de n e r g yo ft h en o d e o n t h eo t h e rh a n d ，t h ed e p l o y m e n ts t r a t e g yg r e a t l yi m p a c to nd i s t r i b u t i o no ft h en e t - w o r ke n e r g y ，t h es e n s o ri n f o r m a t i o na n dt h ec o m m u n i c a t i o nc o s lw h i c hg r e a t l yd e - c i d e st h el i f e t i m eo fw s n i nv i e wo ft h i s ，w ed os o m er e s e a r c h e so nt h ee n e r g y e f f i c i e n c ya n dt h el i f e t i m eo fw s n a ta s p e c to fn o d ed e p l o y m e n t t h i sp a p e r sp o i n to fp e n e t r a t i o ni st h ee n e r g ye f f i c i e n c yo fw s nn o d ed e - p l o y m e n t f o rt h es t a t icl i n e a rm o d e l ，w ep r o p o s ea l li d e aw h i c hi sa ta s p e c to ft h e e n e r g yo fb i t s ，t h e na n a l y z ea n dc o m p a r et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fe q u a ld i s t a n c e m u l t i h o pn o d ed e p l o y m e n ta n ds i n g l eh o pn o d ed e p l o y m e n ti nv i e wo fm a n yk i n d s o fe n e r g yc o n s u m p t i o n ，s u c ha st h es t a r t u pe n e r g ya n dt h ec o d i n ge n e r g y w ef i n d t h eo p t i m a ld i s t a n c eo fo n eh o pf o rm u l t i - h o pd e p l o y m e n tm o d e la n dp r o p o s ea m u l t i - h o pd e p l o y m e n tm o d e l f i n a l l y , w ep r o v et h ev a l i d i t yo ft h eo p t i m u md e - p l o y m e n t b yt h es i m u l a t i o n f o rt h et w od i m e n s i o ns t a t i cn e t w o r km o d e l ，w ed e s i g nm u l t i - l e v e le n e r g yd e p l o y m e n ts t r a t e g y t h es t r a t e g yi sp r o p o s e db a s e do ns u b o p t i m a lt h e o r yo fh o m o - i i i 山东大学硕士学位论文 g e n e o u sn o d ed e p l o y m e n ta n dt h ef i n a lp u r p o s eo fi ti st ob a l a n c ee n e r g yl o a d sa n d p r o l o n gt h el i f e t i m eo ft h en e t w o r k d u r i n gt h ed e s i g no ft h em o d e l ，w ef o c u so nt h e a p p l i c a t i o na n dg i v ec o r r e s p o n d i n gm u l t i - l e v e le n e r g yd e p l o y m e n ts c h e m eb yd i s - - c r e t ea l g o r i t h mf o rd i f f e r e n ts c e n a r i o si nr e a l i t y m o r e o v e r , w eg i v et h em u l t i l e v e l e n e r g yd e p l o y m e n ts c h e m eb ya s y m p t o t i ca l g o r i t h m 、析t hav i e wo ft h ef a c tt h a tt h e b a t t e r yl e v e l sa r el i m i t e d w em a i n l yp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ee f f e c to nt h el i f e t i m e o ft h ed e p l o y m e n ts t r a t e g y sk e yf a c t o r si nt h es i m u l a t i o n f o rt h ep r o b l e mo fw s nn o d ed e p l o y m e n t ，t h i sp a p e r sr e s e a r c h i n ga p p r o a c hi s ap r o c e s so fo p t i m i z i n gt h ev a r i a b l ep a r a m e t e rs e to fo b je c tv a l u ef u n c t i o na n dt h e n f i n d i n gt h eo p t i m a lr e s u l t t h ew h o l ep a p e rb e g i n sa tt h ed e p l o y m e n ts t r a t e g y ，a n d s t a r t st ow o r kw i t he f f ic i e n td e p l o y m e n to fe n e r g ya n dl i f e t i m ea st h em a i no b j e c t s ， a n dt h ea p p l i c a t i o na st h ec o r ep r o b l e m 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 s ；n o d ed e p l o y m e n t ；e n e r g ye f f i - c i e n c y ；l i f e t i m e ；m u l t i - l e v e le n e r g y i v 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它个人 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：霾垒些 日 期：丝亟：i ：竺 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、缩印或其它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：姒导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 科学技术的日新月异，使人类步入了信息化的快车道。特别是上世纪9 0 年 代末以来，随着微机电技术、微电子技术和无线网络技术的发展与融合，催生 了集信息获取、处理和传输为一体的无线传感器网络技术的发展。无线传感器 网络的应用进一步增强了人们认识和改造客观世界的能力，成为了连接现实世 界与信息世界的桥梁，它必将进一步促进社会信息化的发展。 1 1 研究背景 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成， 它通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。无线传感器网络综 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网络技术， 能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象信息并处理，传送到需 要的用户。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。 无线传感器网络具有广泛的应用价值，像其它许多新技术一样，最早的传 感器网络的研发基于国防角度。美国军方认识到传感器网络在以网络为核心的 现代化战争中，是一个关键性的技术。传感器通过通信网络相互协作，把信息 传送到决策方，它可以通过多重观测、扩大探测区域、缩短响应时间等技术来 提高侦察和追踪的性能，并且可以通过商业网络和般的网络接口，降低成本。 传感器网络在民生方面的应用主要有：预警系统，环境科学，医疗健康，空间探 索和商业应用等。 作为信息领域的一个全新的方向，无线传感器网络已经引起了学术界和工 业界的广泛关注。国外的许多大学和研究机构纷纷投入了大量的研发力量从事 无线传感器网络软硬件系统的研究工作，最具代表性的是美国加州大学伯克利 分校( u c b e r k e l e y ) 和英特尔公司( i n t e l ) 联合成立的“智能尘埃( s m a r td u s t ) 一实 验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内自治地完成感知 和通信功能的无线传感器网络节点。此外，美国其它大学也在无线传感器网络 方面开展了大量工作。如加州大学洛杉矶分校( u c l a ) 的c e n s ( c e n t e rf o re m b e d d e dn e t w o r k e ds e n s i n g ) 实验室、w i n s ( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s ) 山东大学硕士学位论文 实验室、n es l ( n e t w o r k e da n de m b e d d e ds y s t e m sl a b o r a t o r y ) 实验室、 l e c s ( l a b o r a t o r yf o re m b e d d e dc o l l a b o r a t i v es y s t e m s ) 实验室等。另外，麻省理 工学院( m i t ) 获得了a i 冲a 的支持，从事着极低功耗的无线传感器网络方面的研 究，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 ) 协议就是出自眦t ；奥 本大学( a u b u r nu n i v e r s i t y ) 也获得d a r p a 支持，从事了大量关于自组织传感器 网络方面的研究，并完成了一些实验系统的研制；宾汉顿大学( b i n g h a m t o n u n i v e r s i t y ) 计算机系统研究实验室在移动自组织网络协议、传感器网络系统的 应用层设计等方面做了很多研究工作；斯坦福( s t a n f o r d ) 大学的无线传感器网络 实验室、新泽西( n e wj e r s e y ) ) h 立大学的无线传感器网络实验室、南加州大学的 r e s l ( t h er o b o t i ce m b e d d e ds y s t e m sl a b o r a t o r y ) 实验室、佛蒙特大学( u n i v e r s i t y o f v e r m o n t ) 的无线自组织网络实验室等。 国内很多研究所和高校在无线传感器网络领域也展开了研究。中科院计算 技术研究所信息网络室承担的国家8 6 3 项目“软硬件协同的低功耗系统设计”， 已经取得了许多创新性成果，在嵌入式系统芯片设计、低功耗系统设计等方面 具有较深厚的积累。在无线传感器网络所涉及部分关键技术，如支持i p v 6 协议 的无线传感器网络协议、嵌入式操作系统及编译技术，高频混合信号系统级集 成、大规模集成电路设计及片上系统设计，低功耗系统设计等方面都有专门的 团队在进行较深入的工作。中科院上海微系统所凭借其在微系统和微型机电系 统( m e m s ) 技术方面良好的基础，对无线传感器网络进行了跟踪和研究，已经 通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发。中科院电子所和沈阳 自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专注于传感 或控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少；浙江大学 现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室，联合相关单位专 门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究； 山东省科学院于2 0 0 4 年l o 月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研 究；另外中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学、中国科 学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学等单位在无线传感器网络方面也 都有一定的工作。 由于无线传感器网络技术跨越了多个领域，并且国际上对无线传感网络领 2 山东大学硕士学位论文 域的研究也只有短短的几年时间，从研究问题的深度和投入的科研力量来说， 国内的水平相对国外要落后。 1 2 选题意义 无线传感器网络节点配置的合理与否将直接影响整个网络的探测能力、覆 盖能力、网络配置成本等一系列对应用至关重要的实现。一个好的节点配置要 在能量有效、连通性、覆盖度、拓扑控制、冗余控制和可靠性等方面给予较多 考虑，可以最大限度的发挥可用节点的效能，从而延长网络的生存期。然而， 目前无线传感器网络的研究更多地集中在通信协议、感知数据查询处理技术研 究、路由算法等方面，相对而言忽视了网络节点配置问题对网络能效和生存期 的研究。节点能量配置的优化目标建立还不完善，研究的问题也不系统，对应 用研究还不深入，在某些特定的应用条件下的网络节点能量配置方案仍是空白。 因此，为了更好的发挥传感器网络的效能，在此方面进行研究是尤为迫切和必 要的。 1 3 主要贡献 论文针对不同的节点配置策略，研究了其对无线传感器网络的能效及生存 期的影响。在能效方面对线型静态模型，首次从数据位的能量分析着手，考虑 启动能量和编码能量等多种能耗的情况下，对等间距多跳节点配置的系统能耗 和单跳节点配置的系统能耗进行了比较分析，找出了最优的单跳间距，提出了 优化的多跳配置模型，并通过仿真说明优化配置的有效性。 针对二维静态网络模型节点配置研究，我们提出了多级电量配置策略。策 略的构建是在同质节点配置的次优理论基础之上提出的，并以均衡网络负载， 达到延长网络生存期为最终目标的。模型的构建侧重于应用，我们对不同的应 用情景，采用离散法提出了相应的多级电量配置方案，考虑电池级别有限这一 现实，又进一步分析，提出了渐进法多级电量配置算法。最后的仿真中，我们 强调了配置策略中关键因素对网络生存期的影响。 山东大学硕士学位论文 1 4 内容框架 整篇论文共分为五章： 第一章主要介绍了无线传感器网络的研究背景及课题选题意义； 第二章为课题的展开，阐述了一些知识背景和理论铺垫。首先对无线传感 器网络的基本概念作一介绍，提出了网络评价的关键的性能评价，为后续章节 模型的设计提出优化目标。其次围绕无线传感器网络节点配置涉及的概念、研 究的范畴和相关技术作了说明，为模型构建及分析提供依据。最后针对节点能 耗和生存期的相关模型和优化原则做了详细的说明，提出课题展开涉及的关键 切入点。 第三章主要是针对无线传感器节点线型静态配置算法的能效进行了研究。 针对线型静态网络模型，首次从一位的能量分析着手，对等间距多跳节点配置 和单跳节点配置的能耗进行了比较分析，并提出多跳配置时的优化模型。 第四章在系统能效分析的基础上，提出了具体的节点配置策略。首先，对 问题进行抽象，建立了模型，针对同质节点的配置问题，提出次优理论，并在 此基础上，提出了多级电量配置策略，实现了能量优化配置，均衡网络负载， 延长网络生存期的目的。 第五章进行了全文小结和研究展望。 4 山东大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络节点配置相关的知识背景及研究 无线传感器网络节点配置是设计和规划传感器网络的关键，将在很大程度 上决定无线传感器网络的代价和性能，自然地成为研究的重要课题。本章对无 线传感器网络的基本概念，节点配置的研究范畴做了介绍，然后引入课题展开 的两大切入点：能效研究和生存期研究。 2 1 无线传感器网络概述 2 1 1 无线传感器网络的概念 无线传感器网络是由众多传感器节点以a dh o c ( 移动自组网、多跳网络) 方 式构成的无线网络。其目的是感知、采集和转发网络覆盖区域中感知对象的各 种信息，并发送给观测者。根据以上定义，传感器节点、感知对象和观测者是 无线传感器网络的三个组成部分：无线网络是传感器之间、传感器节点与观测 者之间的通信基础，用于在传感器与观测者之间建立通信路径；协作地感知、 采集、处理、发送感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能有限的传感器 节点协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。 2 1 2 无线传感器网络体系结构 图2 - l 无线传感器网络的体系结构 节点 无线传感器网络体系结构1 1 如图2 1 所示，无线传感器网络系统通常包括 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 ) 和管理节点。大量传感器节点部 署在感测区域( s e n s o rf i e l d ) ，通过自组织的方式构成网络。传感器节点采集的数 山东大学硕士学位论文 据通过其它传感器节点逐跳地在网络中传输，传输过程中数据可能被多个节点 处理，经过多跳路由到达汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中 心。也可以沿着相反的方向，通过管理节点对传感器网络进行管理，发布监测 任务以及收集感测数据。 无线传感器网络主要有两种结构：对等结构( 图2 2 ) 和层次结构( 图2 3 ) 。 对等结构类似于a dh o c 网络，网络中的每个传感器节点在通信中具有相等地 位，节点之间不需要协调者，通过公平竞争的方式抢占信道，任意节点间可以 相互通讯，这种结构的无线传感器网络设计实现简单，但管理困难，网络使用 寿命也较短，只适合于较小规模的无线传感器网络。分层结构是在一定区域内 的传感器节点中选出一个组织协调者，即簇头( c l u s t e r ) 节点，由簇头负责管理本 簇内的节点，协调簇内与簇外通讯，这种结构的网络设计复杂，实现困难，但 网络寿命相对较长，非常适合于大规模的无线传感器网络。 再 j 曼 。q ，j 蝴、，7 。蕊、 、 ， 一。、：j 。、去 ， 、oo oo， l 、 一梦燕 2 1 3 无线传感器网络应用面临的挑战 无线传感器网络除了具有自组织性、健壮性和可扩展性等特征以外，还具 有很多其它鲜明的特点。这些特点也为无线传感器网络的应用提出了一系列挑 战性问题。 1 通信能力有限。 无线传感器网络的通讯带宽有限，通常仅有几百k b p s 的速率1 1 。由于受地 势地貌等自然环境的影响，传感器节点之间的通信断接频繁，经常导致通信中 断。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感测信息的处理与传输，是我 们面临的挑战之一。 山东大学硕士学位论文 2 电源能量有限。 传感器的电源能量极其有限。能量约束是阻碍无线传感器网络应用的严重 问题。如何在网络工作过程中节省能源，最大化网络的生存期，是研究者们面 临的第二个挑战。 3 计算能力有限。 无线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。如何使用大量具有有限计 算能力的传感器进行协作分布式信息处理，是研究者们面临的第三个挑战。 4 传感器数量大、分布范围广。 无线传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千、几 万，甚至更多。此外，无线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，无线传感器网 络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。 5 网络动态性强。 无线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，也可能由于感测节点的死亡需要补充新的传感器 节点。因此，随着网络拓扑结构的动态变化，传感器、感知对象和观察者三者 之间的路径也随之变化。解决无线传感器网络可重构和自调整性。是其面临的 另一挑战。 6 大规模分布式触发器。很多无线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。成千上万的动态触 发器的管理是本课题面临的第6 个挑战。 7 感测数据流巨大。无线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。研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法，是 我们面临的第7 个挑战 7 山东大学硕士学位论文 2 1 4 无线传感器网络的性能评价 传感器网络的性能直接影响其可用性。如何评价一个传感器网络的性能是 一个需要深入研究的问题。下面，讨论几个评价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 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。能源有效性是传感器网络的重要性能指标。到目前为止，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。 2 生存期 传感器网络的生存期一般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。基于课题的需要，我们在2 5 节有详细的论述，在此不作 赘述。 3 时间延迟 时间延迟是指从观察者发出请求到其接收到应答信息所需要的时间。时间 延迟与应用密切相关，直接影响传感器网络的可用性和应用范围。 4 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。 5 可扩展性 传感器网络可扩展性表现在传感器数量、网络覆盖区域、生存期、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，传感器网络必须提供 支持该可扩展性级别的机制和方法。 6 容错性 由于环境或其它原因，维护或替换失效传感器往往是十分困难或不可能的。 这样，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。 上述各传感器网络的性能指标不仅是评价传感器网络的标准，也是传感器 山东大学硕士学位论文 网络设计的优化目标。为了达到这些目标的优化，本课题主要在前两个方面做 了一些的研究工作。 2 2 无线传感器网络节点配置研究 2 2 1 节点配置的基本概念 无线传感器网络的节点配置问题，可以看作是在传感器网络节点能量、无 线网络通信带宽、网络计算处理能力等资源普遍受限的情况下，通过网络传感 器节点放置以及路由选择等手段，最终使无线传感器网络的各种资源得到优化 分配，进而使感知、监视、传感、通信等各种服务质量得到改善。这一点与传 统a d h o c 网络有很大的不同。如何根据不同的应用环境需要，对无线传感器网 络进行不同需求类型的配置优化就成了无线传感器网络中一个基本但亟待解决 的问题。给定一个传感器网络，覆盖控制也可以一般性地总结为通过各个传感 器节点协作而达到对监视区域的不同管理或感应效果。与此同时，无线传感器 网络中还有一些与覆盖控制密切相关的应用属性，它们依旧属于节点配置问题 的范畴，从而，极大地丰富了无线传感器网络配置的“内涵”。总之，受到节 点空间部署影响的网络特性，并且可以从节点配置角度考虑，寻求到解决方案 的均可以列为节点配置的研究范畴。如，最具有代表性的能量有效问题、覆盖 问题、生存期优化问题以及连通问题等等。传感器网络节点配置与现实应用是 密切相关的，并对传感器网络的能量消耗、连通性、容错性和网络成本等诸多 性能要素和服务质量产生直接的影响，是设计和规划传感器网络时必须考虑的 关键问题。一个好的配置方案是传感器网络服务质量( q o s ) 的实现基础，同时也 是各种服务性能因素的折中考盘，这取决于具体应用背景。 在网络体系结构的层次上，它亦可视为网络层的研究范畴。节点配置反映 了网络监测和实现目标跟踪的质量效果，该问题已引起了业界越来越多的关注。 2 2 2 节点配置的研究范畴 目前，对节点配置的研究涉及内容十分广泛，研究方法也各有不同。这里 要强调的一点就是，所研究内容之间存在着极大的关联，他们共同服务于网络 的基本需求。主要工作集中在以下几个方面： 1 节能研究 9 山东大学硕士学位论文 由于节点的能量有限和电池的更换困难，使得节点的能量节省成为节点配 置问题研究的主要内容之一。对此的衡量指标有： 最小能量消耗，使系统总的能量消耗最小： 最长生存期，使网络的生存期提高，延长网络的工作时间； 能量的利用率，在系统无法工作时，所消耗能量和初始能量的比率。 1 ) 组合优化问题求解法 典型的应用就是m i n i m u mp o w e r l h - j 题2 1 。最小能耗的配置，即使得从源节 点产生的数据在各条边上传输所花费能量最小的各节点位置集合。显然，最小 能耗的配置与节点位置和数据量有关。综合建立的节点能量消耗模型，求得最 优解。 2 ) 分布函数法 通过寻找一个节点的位置分布函数，达到能量有效目的。一般可以对比较 规律的配置容易实现，如线型配置、圆型配置等。 3 ) ( 非) 线性规划法 依照能量消耗模型，建立相应的问题模型，利用( 非) 线性规划法实现问题 求解。 4 1 节点休眠调度策略 因为传感器节点的工作状态不同，其能量的消耗率也差别很大。通过冗余 配置，来合理调度节点的工作状态轮换是这种问题研究的核心思想。 2 连通研究 基于连通性的覆盖主要是考虑到传感器网络部署之后，由于能量预留和调 度机制的设置，部分传感器节点可能处于休眠状态，此时基于当前网络的连通 情况，分析其覆盖的范围3 1 。这种情况具有较高的实用价值，因为虽然无线传 感器网络节点几何上覆盖某个区域，但由于部分节点处于睡眠状态或故障状态 时，此时不能保证传感器节点监测范围对该几何区域的完全覆盖。因而研究无 线传感器网络的连通是传感器覆盖问题的关键所在。假定c j ( v ，e ) 为传感器节 点通信图，其中v 为传感器节点集，对任意节点x ，y 之间的边用( x ，y ) 来描述， 当且仅当节点x ，y 2 _ 间的几何距离小于射频通信之间的距离时，边( x ，y ) 属于 集合e 。因而为了实现对某个区域至少有一个节点覆盖时，要求传感器节点之 1 0 山东大学硕士学位论文 间的通信距离不小于两倍的传感器节点能够检测的范围，才能保证通信图q v ， e ) 是连通的，具体证明可以参考文献【4 】 3 覆盖优化研究 1 ) 确定性覆盖 确定性覆盖是指各节点不具备移动能力，通过对应用环境的分析，找到合 理的配置方案，并根据预先确定的方案进行配置才可以保证期望的效果。 2 ) 随机覆盖 主要是考虑节点配置符合某种随机分布，考虑网络的覆盖性能利用比如从 飞机上投撒、以炮弹布控等方式实现节点部署【5 1 。 3 ) 可移动节点覆盖 可移动节点覆盖问题是指传感器节点可以移动，通过一系列算法( 分布或是 集中) 达到理想的覆盖要求。 4 其它相关问题 无线传感器网络节点配置要研究的问题相当广泛，如可移动s i n k 节点的配 置、两层网络结构的节点配置等等。同时，研究的问题也针对不同的应用背景 提出，如异质节点的配置、容错性能研究、监测能力研究等。而且，各个问题 之间也存在密切的联系，例如在研究覆盖的同时我们也要考虑网络的连通或者 是能量有效。 2 3 无线传感器网络节点配置相关技术 2 3 1 传输模式 传感器节点的无线通信范围与无线电发送设备的发送信号强度、无线接收 设备的接收能力、环境的干扰因素有关。在没有任何干扰的理想情况下，传感 器节点的发送信号强度是各向同性的，其通信范围是一个圆形，圆半径为节点 的通信距离。如果节点a 的通信距离为r ，则在以a 为圆心，半径为r 这个圆 内的所有传感器节点都能接收到a 发送的数据包，这些传感器节点被称为a 的 邻居节点。一般情况下，假设无线传感器网络内所有传感器节点的通信距离相 同。因此如果节点a 发送的数据包能被节点b 接收到，则可以推出节点b 发 送的数据包也能被节点a 接收到。 山东大学硕士学位论文 无线电在空间中传输是服从距离指数衰减的，距离衰耗指数为2 - 4 ，由于 节点大多都靠近地面，因此距离衰耗指数可达到4 【6 1 。要增大节点的无线通信 距离，就必须增大无线电发送设备的输出功率，从而增加了传感器节点的能耗。 如果节点a 与节点b 之间的距离为1 0 米，而节点a 以最大发送功率传输可以 到达的距离为2 5 米，则我们可以通过降低节点a 的发送功率缩小节点a 的通 信范围，使其发送的数据包能被l o 米之内的节点接收到，1 0 米之外的节点无 法接收到。这种调节节点发送功率的方法不仅能够减少节点的能耗，还可以减 轻相邻节点间的数据传输冲突，提高通信信道的利用率。此外，还可以通过调 整天线的方向和发送角度来改变传感器节点的通信范围7 儿引。 2 3 2 拓扑结构 无线传感器网络的拓扑结构是协议运行、应用实现的基石，一个良好的拓 扑结构应该确保所有传感器节点的感应区域覆盖整个监控区域的各个角落，确 保节点和节点之间相互连通且可进行信息的通信，并且具有灵活性、容错性和 自组织能力。一般传感器节点的布置有以下几类方法： 1 在飞机上按照某种函数分布( 包括随机分布) 对传感器节点进行投放，但 是由于风向、气候等自然因素的影响，实际传感器节点在监控区域内的位置摆 放并不会完全符合函数的分布，只能是近似函数分布。 2 由发射设备散发，同样也是按照函数分布( 包括随机分布) 对散发节点的 动力进行配置。这两类节点的布置方法适用于环境较为恶劣和偏远的应用场景， 或是节点数较多的大中型无线传感器网络。 3 由人或机器人布置，这种情况对于节点的位置摆放可以相当的精确，适 合节点信息明确，能量预算确定的无线传感器网络。 在研究过程中，经常假设传感器节点遵循某一种函数分布，如p o i s s i o n 分 布，均匀分布，或是假设节点是随机分布的。由于传感器节点的能量有限，并 且无线电通信比较脆弱，易于失效，因此为了保证网络的连通性、感应数据的 精确性以及网络的抗毁灭性，在大多数情况下，网络内传感器节点的密度较大。 一个完整的无线传感器网络由一个或多个基站以及很多传感器节点以无线 a dh o c 方式组成。基站的能量、数据处理能力、内存等资源较为丰富，用于数 山东大学硕士学位论文 据的收集和处理，有时使用能量较为丰富的汇聚节点( s i n k ) 代替基站执行其功 能。无线传感器网络中用于监测环境并产生应用数据包的传感器节点被称为源 节点。根据应用的不同，网络中所有的传感器节点可能都是源节点，也有可能 一部分是源节点，剩下的传感器节点仅用于数据的转发，这类数据转发节点被 称为中继节点。根据应用和监测环境的不同，基站( 或s i n k 节点) 或位于监控区 域的内部，或远离监控区域。根据维度的不同，我们将无线传感器网络所在的 监控区域分为三类： 一维线性区域：如监控区域是河流、矿井、公路； 二维平面区域：如森林和动物栖息地； 三维空间区域：如海陆空联合作战系统。 无线传感器网络根据节点的移动与否可分为两类： 1 静态型网络：网络的拓扑较稳定、变化较小。由于节点能量的耗尽，外 在环境的干扰、噪音或是障碍物导致节点暂时性的不可达，新节点的加入均将 导致网络拓扑的变化。 2 动态型网络：网络拓扑变化较为频繁。除了在静态型网络中对网络拓扑 变化产生影响的多种因素以外，节点的移动性在动态型网络中是导致网络拓扑 变化的首要因素。 2 3 3 通讯模式 传统型的路由协议是通过对节点赋予名称( i d ) 来实现的，当前的互联网就 是采用这一方式，我们称之为以节点为中- 已, ( n o d e c e n t r i c ) 的通信模式 9 1 。然而 这种通信模式并不适用于无线传感器网络，因为传感器节点成千上万，为每个 节点赋予独一无二的i d 比较困难。无线传感器网络中的通信模式是以数据为 中一l , ( d a t a - c e n t f i c ) 的。例如基站向网络内的传感器节点广播一条“哪里的气温超 过3 0 摄氏度的查询信息，所有接收到这条信息的节点都将检查自己感应得到 的数据，如果符合查询要求，就自动将节点的位置信息和气温数据打包发往基 站。而在以节点为中心的通信模式中，由于满足该查询信息的那些节点i d 事 先并不知道，因此必须先在整个网络内进行查找以获取对应节点的i d ，然后再 由基站向这些特定的节点获取相应的数据。 山东大学硕士学位论文 无线传感器网络中数据传递的模式可分为以下四类1 0 】： 1 连续发送型( c o n t i n u o u sd e l i v e r y ) ：传感器节点连续的以某个预先指定的 速率将感应数据包发往基站。采取连续发送模式的节点将周期性地监测，并将 信息以多跳方式传输给基站。天气监测是该类型最典型的例子。 2 事件驱动型( e v e n t d r i v e n ) ：只有当传感器节点感应到特殊事件的发生时， 才向基站发送感应数据包。采用事件驱动的感测节点会对特定事件做出反应， 比如，分布在森林中进行火情监测的传感器，只在烟火发生时才启动感测。 3 查询驱动型( q u e r y - d r i v e n ) ：只有当基站向传感器节点发出询问请求时， 节点才将符合查询信息的感应数据包发往基站。 4 混合型：将上述三类数据传递模式的某两种或是三种混合在一起得到的 传递模式。 2 4 无线传感器网络节点能耗 2 4 1 节点各模块能耗分析及比较 一个无线传感器节点由四个基本模块组成( 图2 4 ) ：感应模块、处理模块、 通讯模块和电源模块。感应模块用来感测各种信息，如湿度、气压、浓度等， 并进行信号转换，感应模块将感测信息交由处理模块进行信息的融合、存储和 处理；通讯模块主要进行通讯，交换控制消息和收发数据信息，同时还负责侦 听通信信道并控制无线电的开关以进入工作或休眠状态。 传感器节点的能耗主要来源于处理模块、感知模块和通讯模块。下面我们 对主要的三个能耗模块作一分析及比较。 静 逛 螽 辎 雹 最 硝 弦 图2 - 4 传感器节点基本结构示意图 1 4 山东大学硕士学位论文 1 感应模块 感应模块的能耗主要来源于：变换器、前端处理与信号调节、a d 转换。 具体能耗要取决于传感器类型，不同的感测信息会有不同的能耗，比如感应温 度、声音和光信号所需消耗差别较大。 根据能耗量，传感器可大致分为三类【1 1 】： 低能耗类：温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、加速度传感器； 中等能耗类：声传感器、磁传感器； 高能耗类：图像传感器、视频传感器； 此外，感应的时间长短不同，传感器所需的能耗也不同；环境的复杂性同 样决定了传感器节点感应外部环境信息所需的能耗；在充满噪音的场景下，探 测的准确性受到影响，探测所得到的数据其不可靠因素增加，为了获得精确的 数据，探测所需的能耗及重复探测的次数加大，因此总体耗能增加。但是从总 体上来说，感应所消