（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络关键技术的研究.pdf

无线传感器网络关键技术的研究 摘要 无线传惑器网络是一种依靠大量部署在恶劣环境受到极端条件限制 ( 比如能量有限并不可恢复，通信能力有限等) 的动态自组织节点的协作 配合来工作的新兴网络技术。无线传感器网络不需要固定的基础设施的支 持，就可以通过极端灵活的方法从其所部署的环境中收集各种感应数据， 从而形成了一个分布式网络系统。无线传感器网络的固有特点使得它在许 多领域有着十分重要的作用，比如，环境监测、战场伺服、家居自动化等。 同样，无线传感器网络在这些领域的应用也带来了许多研究挑战。其中一 个重要方面就是无线传感器网络关键技术的研究，包括路由技术、数据融 合、聚簇协议、时钟同步等。由于无线传感器网络特有的不同于传统有线 和无线网络的特点，适用于传统网络的这些技术并不能直接应用在无线传 感器网络中。 无线传感器网络关键技术是开发任何实际应用的基础。在本文中，我 们尝试解决若干个有关无线传感器网络关键技术的问题，主要是关于路由 协议、数据融合、聚簇协议和o o s 技术。我们根据无线传感器的特点，详 细的分析了多种关键技术之间的相互依赖关系，从而认识到必须全面综合 的考虑多种关键技术，而不是单单考虑其中一个方面。我们根据现有的研 究进展提出了一个路由协议s c b r p ( s p e c i f i cc i u s t e r i n g - b a s e dr o u t i n g p r o t o c o i ) ，它主要是为了本文中的聚簇协议、数据融合方案和q o s 方案提 供服务，并不是单独工作的。为了提高经典聚簇协议l e a c h ( l o we n e r g y i 一 a d a p t i v ec i u s t e r i n gh i e r a r c h y ) 的性能，提出了一个改进过的l e a c h 协 议即i c b p w s n ( i n h e r i t i n gc l u s t e r h e a d s b a s e dp r o t o c o if o rw ir e i e s s s e n s o rn e t w o r k ) 协议，我们使用一个国外流行的仿真软件o m n e t + + 对它 的性能进行验证，在节能、聚簇速度和网络寿命方面优于l e a c h 。数据融合 能够有效的对冗余数据进行处理从而达到节省能量、提高网络数据精度的 目的。为了避免增加硬件的复杂性，消耗更多链量和计算资源，提出了一 个基于一个简单的融合函数的融合方案：基于应用层的数据融合a l b d a ( a p p | ic a t io nl a y e r - b a s e dd a t aa g g r e g a tio n ) 方案，该方案能够灵活、 方便的从传感器节点收集感应数据，实验结果证明该方案能够有效的减少 网络带宽需求、缩短响应时间、节能。在前人大量研究工作基础之上，我 们给出了一个o o s 模型，它基于本文所讨论的路由协议、聚簇协议和数据 融合方案，通过分析和实验证明该方案在能量消耗和灵活性上能够获得更 好的网络性能。 关键词：无线传感器网络路由协议聚簇协议数据融合服务质量 r e s e a r c ho ft h ek e yt e c h n o l o gie s inwir e l e s ss e n s o rn e t w o r k a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sah n do fn e wn e t w o r kt e c h n o l o g yw h i c hb a s e do n c o l l a b o r a t i v ee f f o r t so fm u l t i p l es e l f - o r g a n i z e dd y n a m i cn o d e s ，u n d e rt o t so fe x t r e m e l y c o n s t r a i n t sn a m e l yl i m i t e de n e r g y , a b o m i n a b l ee n v i r o n m e n tw h i c hf i l ed e p l o y e d ，l i m i t e d c o m m u n i c a t i o na b i l i t ya n ds oo n w i t h o u tt h es u p p o r tf r o ma n yf i x e di n f r a s t r u c t u r e ，t h i st y p e o fn e t w o r kc a np r o v i d e sa ne x t r e m e l yf l e x i b l em e t h o df o rc o l l e c t i n ga l lk i n d so fi n f o r m a t i o n f r o mt h ee n v i r o n m e n tw h i c ha r ei nt o t a l l yd i s t r i b u t e dn e t w o r ks y s t e m t h ei n h e r i t e d c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r km a k ei tu s e f u lf o rm a n ya p p l i c a t i o n s s u c h 觞 e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，b a t t l e f i e l ds u r v e i l l a n c ea n dh o m ea u t o m a t i o n ，h o w e v e r , t l l e ya l s o b f i l 玛i nal o to fr e s e a r c hc h a l l e n g e sa tt h es a n l et i m e o n eo ft h ei m p o r t a n ti s s u e si st h ek e y t e c h n o l o g yi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w h i c hi n c l u d i n gr o u t i n gt e c h n o l o g y , d a t aa g g r e g a t i o n , c l u s t e r i n gp r o t o c o l ，c l o c ks y n c h r o n i z ee t c ，s i n c et h ec o n v e n t i o n a l 印p r o a c h e sa d o p t e df o r t r a d i t i o n a ln e t w o r k sa r en o td i r e c t l yu s e di nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb e c a u s eo fi t ss p e c i f i c c h a r a c t e r i s t i e s t h ek e y t e c h n o l o g i e si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r ct h eb a s e m e n tt ot h ed e v e l o p m e n to f a n yr e a la p p l i c a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w ea t t e m p tt or e s o l v es o m ep r o b l e m si ns e v e r a lk i n d o fk e yt e c h n o l o g yw h i c hi n c l u d i n gd a t aa g g r e g a t i o n , c l u s t e r i n gp r o t o c o l ，q o s a c c o r d i n gt o t h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s ss e i l l $ o rn e t w o r k , w ea n a l y z et h ed e p e n d e n c y r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd i f f e r e n tk e yt e c h n o l o g i e sc a r e f i i l l ya n dg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tw e s h o u l dc o n s i d e rt h e s et e c h n o l o g i e sa saw h o l e w ed e v e l o par o u t i n gp r o t o c o ls c b r p ( s p e c i f i cc l u s t e r i n g b a s e dr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) b a s e do t h e r sr e s e a r c hw h i c hm a i n l ys c i v ef o r t h ec l u s t e r i n gp r o t o c o l ，d a t aa g g r e g a t i o nm h e m ea n dq o ss c h e m e i no r d e rt oe n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo fl e a c h ( l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) ，f i l li m p r o v e d c l u s t e r i n gp r o t o c o ln a m e di c b p w s n ( i n h e r i t i n gc l u s t e r h e a d s b a s e dp r o t o c o lf o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k )i s d e v e l o p e d a n di sv e r i f i e d t h r o u g he x p e r i m e n tb ym e a n so f 1 1 1 o m n e t + + , w h i c hi sap o p u l a rs i m u l a t i o ns o f t w a r ei nf o r e i g nc o u n t r i e s i c b p w s nc 锄b e b e t t e rt h a nl e a c hi ns a v i n ge n e r g y , c l u s t e r i n gs p e e da n dl i f e t i m eo f t h ew h o l en e t w o r k d a t a a g g r e g a t i o nc a ne f f i c i e mh a n d l i n gr e d u n d a n c yd a t as ot h a ti tc a ns a v ee n e r g ya n de n h a n c e t h ed a t ap r e c i s i o no fn e t w o r k i no r d e rt oa v o i di n c r e a s i n gt h ec o m p l e x i t yo fh a r d w a r e ， s p e n d i n gm o r ee n e r g ya n dc o m p u t i n gr e s o l l y c e s ，ad a t aa g g r e g a t i o ns c h e m e ，w h i c hu s e sa s i m p l ea g g r e g a t i n gf u n c t i o n , i sd e v e l o p e d t h i ss c h e m ec a n sf l e x i b l e ，c o n v e n i e n tc o l l e c t i n g d a t af r o mt h en e t w o r kn o d e s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n td e m o n s t r a t e dt h a tt h i ss c h e m eh a s s e v e r a la d v a n t a g e s ，i e i tc a l le f f i c i e n t a l l e v i a t eb a n d w i d t hr e q u e s t s ，s a v e se n e r g y , s h o r t r e s p o n s et i m e b a s e do nt h ea d v a n t a g e so ff o r m e rr e s e a r c h , w eg i v ean e wq o ss c h e m e ： a l b d a ( a p p l i c a t i o nl a y e r - b a s e dd a t aa g g r e g a t i o n ) w h i c he x p l o i t so t h e r st e c h n o l o g y d i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n w ea l s op r o v e dt h a tt h i ss c h e m ec o u l dg e tb e t t e rn e t w o r k p e r f o r m a n c et h a nw i t h o u ti ne n e r g ye x p e n d i t u r ea n df l e x i b i l i t 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 , r o u t i n gp r o t o c o l ，c l u s t e r i n gp r o t o c o l ，d a t a a g g r e g a t i o n , q o s 【v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 沃互。刁 学位论文使用授权说明 r f 年b 月b 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： d 即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 盂聊魏蚪母月f 日 - 日大掌硕士掌位论文元瑚t 传感曩l 网络关键技术的研究 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近年来，在微电子机械系统( m e m s ) 、无线通讯、现代网络和数字电子技术方面 取得的巨大成就，为发展成本低、功耗小、体积小、短距离通信的多功能无线传感器提 供了先决条件。2 0 世纪8 0 年代r w e s s o n 等”慑早提出了分布式传感器网络的研究，但 更多的工作开始于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 1 世纪开始，传感器网络引起了学术界、 军事和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计 划。比如欧洲研究项目e y e s ，美国军方的c 4 k i s r 计划等很多关于无线传感器网络在 军事领域的应用研究。无线传感器网络与传统的传感器相比有着巨大的进步，很多方面 有着根本性的区别。它极大的扩展了人们获取信息的能力，改变了人们获取信息的方式， 使得信息更直接、更准确、更及时的提供给人们。1 2 3 1 无线传感器网络是由许多体积较小，不可回收的、嵌入有传感器的无线设备组成的 网络。这种无线设备通常被称为传感器节点。这种灵巧的传感器节点可以部署在空中、 地下、水下、人体中、交通工具上以及建筑物内，可以感应声音、温度、光强、加速度 等物理特征参数。节点在所部署的环境中自组织成容错性、自适应性很强的网络，利用 无线通信技术将感知到的数据或者事件主动的报告给远程控制中心，或者是由控制中心 发出查询任务，经过任务解析部件将任务分解为单个节点的感知任务，从而实现了比较 新颖的人与自然界的交互方式。 无线微传感技术是一项对未来非常重要的技术。如果说键盘、鼠标以及触摸屏改变 了人与计算机的交互方式，自动控制系统改变了机器与机器之间的交互方式，因特网的 出现改变了人与人的交互方式，那么无线微传感技术就改变了人与大自然的交互方式。 因为无线微传感节点通过无线通信技术，就象是人类1 审出的触角一样，感应观察所部署 的一切能感应到的信息，所以，从这个角度来说，无线微传感技术的出现对与人类来说 是极其重要的。1 9 9 9 年，美国商业周刊预测无线微传感技术是2 1 世纪最重要的技术之 一f 4 j 。 无线传感器网络的应用领域十分广阔，能广泛应用于军事、环境检测和预报、健康 广西大掌硕士掌位论文无线传感量网络关键技术的研究 护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械控制、城市交通、空间探索、危险领域的 检测和检查等，这些无一不要求及时，准确、快捷的处理收集到的数据，并高效而准确 的将决策结果提交给用户，课题所涉及的数据融合、聚簇协议、路由协议，都是针对大 多数应用领域里的应用的，因此研究的课题极具应用价值。通过追踪国内外的最新研究 成果，并进一步的进行研究具有重大的研究意义。 1 2 研究的内容及研究方向 1 2 1 研究的内容 学术界已经针对无线传感器网络进行了大量的研究，涉及传感器网络的各个方面 【5 ，6 7 s 9 1 0 , 1 1 1 2 , 1 3 , 1 4 ，目前仍处于研究的发展阶段，有很多瓶颈问题没有得到解决，因此对 于传感器网络的众多领域的研究都具有较强的理论意义和实践意义。它的关键技术包括 网络拓扑控制、网络协议、数据融合、数据管理、q o s 保证、嵌入式操作系统、时间同 步、定位0 、低功耗短距离的无线通信技术、安全等。其它的应用程序或者应用都是建 立在其之上的。关键技术不仅相互之间有一定的约束和联系，而且更多的对传感器网络 所提供的应用服务起关键作用。要想获得好的服务性能，必须对传感器网络的关键技术 进行充分的研究，给出尽可能好的解决方案。 1 2 2 本文研究的主要内容 在充分汲取前人研究成果和思路的基础上，针对无线传感器网络的拓扑控制、路由 协议、数据融合等几种关键技术的不足，本文主要做了如下几方面的工作： ( 1 ) 针对无线传感器网络的特点和应用需求，在能量有限和易出错的条件下，对多 个关键技术相互约束的关系进行分析。 ( 2 ) 针对无线传感器网络的路由管理，我们给出了种特定的基于聚簇的路由管理 方案( s c b r p ) ，并进行了分析。 ( 3 ) 使用s c b r p 路由协议，我们设计了一种基于簇头继承的聚簇协议( i c b p w s n ) ， 分别对于单管理层面和多管理层面进行考虑，并通过仿真实验验证设计思想。 ( 4 ) 针对以上路由和聚簇协议，我们设计了一种基于应用层的数据融合( a l b d a ) 方案，并对其性能进行了验证和分析。 ( 5 ) 针对以上的网络环境，综合以上关键技术，我们设计了一种q o s 模型，并通过 实验进行验证。 j r - 西大掌硕士掌位论文 无线传感嗣l 用辫瞒麓技术的研究 1 3 论文的结构安排 论文从第二章开始正文内容，首先是无线传感器网络的概述，然后对无线传感器网 络的关键技术之间的约束关系进行分析；第3 章内容是为后面章节服务的，第3 章主要 是对基于聚簇的路由管理方案进行了描述。给出了s c b r p 算法和j a q 算法的详细过程； 第4 章主要是对基于簇头继承的聚簇协议( i c b p w s n ) 进行详细的描述，并给出了仿 真实验的结果；第5 章首先讨论了数据融合的相关技术，然后在第3 章的路由和第4 章 的拓扑结构下，描述了基于应用层的数据融合( a l b d a ) 方案，最后给出了仿真实验 和分析的结果；第6 章是针对以上所提供的网络环境，设计了一种q o s 模型，以提供更 好的服务质量的保证；第7 章是总结和展望。 广西大掌司e 士学位论文 元瑚l 传感l - 网群瞒键技术的研究 第二章无线传感器网络 由于无线传感器网络具有极为广泛的应用领域，尤其是在军事和智能家居中的应 用，成为一个在国际上备受关注的，涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研 究领域，有很多技术问题有待进一步研究。许多发达国家都斥巨资资助无线传感器网络 有关技术的研究，并迫不及待的应用于各种领域。 2 1 无线传感器网络体系结构 图2 1 无线传感器网络的体系结构 f i g u r e2 - lt h ea r c h i t e c t u r eo f w i r e l e s s $ e i i s o rn e t w o r k 二二垂口 图2 - 2 传感器网络协议栈 f i g u r e 2 2s g n s o rn e t w o r kp r o t o c o ls t a c k 感器节点 3 - - - 西大掌硕士掌位论文无线传感嗣l 用络关 t 技术的研究 2 1 1 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络是一种无线自组网网络：它有几十到上百甚至更多个传感节点，通 过无线通信连接成的一个动态、移动的多跳对等网络，通常包括传感器节点、汇聚节点 和管理节点。大量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。 具体网络结构如图2 1 所示。传感器节点在监测区域中将感应到的数据以某种方式通过 无线通信方式传输给汇聚节点，然后通过其它通信链路最终到达用户。整个网络的网络 协议栈如图2 2 所示，通过动态路由和移动管理技术在不可靠、不稳定的信道上传输达 到定等级要求的信息流。 在本文中，我，f t j f f l 入图2 3 所示的层次型传感器网络组织，其中的感应层面都是由 只执行感应任务的节点( 小黑点表示) 构成，第1 管理层面是由各个簇头节点( 框中黑 点表示) 组成的，第2 到第i 管理层面表示网络可以在第l 管理层面之上进行扩展。如 无特别说明，后文中所述的都是针对这种网络组织方式。 图2 - 3 多平面的层次型网络结构 f i g u r e2 - 3m u l t i p l a n en e t w o r k a r c h i t e c t u r ei nl e v e l s 2 1 2 无线传感器网络节点 通常传感器节点通过电池组供给能量，节点的结构如图2 - 4 所示。但是节点的能量、 以及各种计算资源的约束，网络拓扑的动态变化，链路的连接状况的不稳定，都使得传 感器网络更具挑战性。 广。西大掌硕士掌位论文无鲤传感嗣l 网络关键技术的研究 图2 4 传巷器节点的组成 f i g u r e2 - 4t h ec o m p o n e n t so f s e n s o r n o d e 2 2 无线传感器网络的特点 2 2 1 资源有限 传感器节点的资源极其有限，详见表2 1 。 表2 1 传感器节点资源有限的表现 受限方面具体表现 能量有限不可回收，纽扣电池供电且不可更换，必须高效使用能量 单个节点只有部分感应能力，如加速度、电磁场、声音、光强度等其中的 感应能力 某几个特征，必须充分利用感应数据 存储器一般小于1 0 0 k b 、主频小于1 0 0 0 m h z ，但也有1 2 8 k 的，比如 计算能力 a t m e g a l 2 8 节点无线电波的覆盖范围小于1 0 0 米，一般只有几十k b p s 的通信带宽还会 通信能力 有不确定的变化 2 2 2 大规模的网络 为了提高网络获取更精确的信息，在监测区域通常会部署大量的传感器节点，它们 广西大掌硕士掌位论文无线传感矗网群 关犍技术的研究 通过无线通信设备连接起来形成网络。大规模体现在两个方面：传感器网络所覆盖的区 域较大，传感器节点所部署的密度较大。这样传感器网络可以获得更加真实全面的信息； 大量节点采集信息可以提高信息的精度，同时又降低了对单个节点感应数据的精度要 求；大规模多节点分布式的部署，冗余节点的存在可以使无线传感器网络具有较强的容 错性。 2 2 3 自组织的动态自适应网络 由于无线传感器网络大部分情况下是被随机的部署( 比如通过飞机撒布、或由动物 携带) 到所要观察的对象环境中，这就要求传感器网络节点具有自组织的能力，能够自 动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成信息传输与协作网络。 此外，无线传感器网络的现有的拓扑结构可能会由于外界干扰( 环境因素、人为破 坏) 或电能耗尽造成的传感器节点失效；环境条件或自身条件造成无线链路的带宽发生 改变；传感器节点、所观察的对象和观察者都可能改变位置；控制中心动态的人工干预 ( 比如军事上为了防止某些传感器节点落入敌军) ；为了有效利用能量延长节点寿命，使 节点动态的加入或退出。这都要求无线传感器网络具有动态的自适应能力【1 5 】。 2 2 4 所处的环境恶劣 无线传感器网络一般都工作在野外，或者至少是没有人照看的状态下，并且通常是 不问断工作的，也可能会受到恶意人为的干预，造成信息泄露，或者发送错误信息( 类 似于b y z a n t i n e 错误【1 6 1 ) 。 2 2 5 以数据为中心的网络 一般的网络，网络设备以及其他资源都是靠网络中唯一的口地址来定位的方式不 同，传感器网络是事件、任务型的网络，脱离传感器网络谈单个节点是没有意义的。无 线传感器网络中的节点编号是否唯一，取决于具体的网络通信协议的设计。无线传感器 网络的上层应用只是告诉网络它所关心所监测的区域是否有某个事件发生，或者由网络 主动的将某个事件的发生通知上层应用，用户不会将某个查询任务给某个节点。这样通 过数据信息来进行查询或交流的方式决定了无线传感器网络是一个以数据为中心的网 络。 广西大掌硕士掌位论文无线传感- i i - 用辫瞒键技术的研究 2 2 6 与应用相关的网络 传感器网络是通过节点的感应模块来感知某些物理量，根据这些物理量的特征来判 断某种事件的发生或某些现象的变化。但是，由于现实中物理量很多，每个传感器网络 的要求不可能都是相同的，而是需要根据特定应用的具体特征来决定使用更好的机制与 手段构筑系统。 2 3 无线传感器网络的应用 传感器网络以其隐蔽、灵巧、价格低廉等一系列特点而具有非常广阔的应用前景， 能够广泛应用于军事、环境检测、物流运输、智能家居、工程监测、各种安全领域的监 测等众多领域。 传感器网络可以用在战场上，用于快速、灵活机动的部署监测网络，极其隐蔽的获 取颇具价值的关键信息，无线传感器在这类应用中具有得天独厚的优势。再加上它具有 较强的容错性、自组织性，可以在战场上顽强的工作，获取各种情报信息，对战争具有 较强的辅助作用。 在民用领域里，无线传感器更是不可或缺。它可以用来监测环境状况，监测农业中 的土壤、气候状况，畜牧业牲畜的各种状态条件；用于监测病人的身体健康状况，在家 居中监测控制各种家用电器的工作状况；用于各种建筑或者其它工程中的现场监测；以 及在基于情况的维护中的应用等等。 2 4 无线传感器网络关键技术之间的关系 无线传感器网络中的关键技术是包括网络拓扑控制、网络协议、数据融合、数据管 理、q o s 保证、嵌入式操作系统、时问同步，定位信息。低功耗短距离的无线通信技术 1 1 7 1 ，安全等。这些关键技术之问，具有一些很具挑战性的关系。 2 4 1 拓扑控制和其它关键技术 无线传感器网络中的拓扑控制就是要在满足网络的覆盖度和连通度的前提下，通过 功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，最后形成一个高效的数 据转发的网络拓扑结构。它和其它关键技术的关系如图2 5 所示。 由于无线传感器网络的规模比较大，节点数目众多，采用平面管理的方法会随着网 络规模的增大而变的很困难，同时为了对传感器节点采集的数据进行数据管理和融合， 3 广西大掌硕士掌位论文 元瑚【传嗣i 嗣i 用络关键技术的研究 因此拓扑控制可分为节点功率控制和层次型拓扑控制结构形成两方面。在层次型拓扑控 制的形成过程中需要有m a c 协议和时问同步协议的支持；反之，当拓扑控制形成以后， 好的拓扑结构也会提高m a c 协议和时间同步协议的效率。也就是说它们之间是双向的 关系。 当一个好的层次拓扑结构形成以后，为了节省能量，每个簇中的感应数据可以等待 下游节点的感应数据然后经过融合，再转发给上游节点，而簇头可以周期性等待簇内所 有成员的感应数据传送到以后经过融合再发回基站。而对于应用层所需的数据管理请 求，可将对应的逻辑层语义映射为相应的物理实体语义，然后由所请求的簇通过簇头对 请求做出最后应答。 对于目标定位也是一样，有了层次型结构之后，当某个节点探测到某事件的发生， 马上就要获得事件所发生的位黄或节点所在的位置，这样就可以由簇协作来获得位置信 息对事件进行定位。拓扑结构对路由协议的影响也是很大的，当形成层次结构以后，节 点只需要知道邻居节点的路由信息，即知道由那个邻居节点中继可以到达簇头节点，对 于簇头节点需要维护到达基站和它的所有成员节点的路由信息。 图2 - 5 拓扑控制和其它关键技术的关系 f i g u r e2 - 5t h er e l a t i o nb e t w e e nt o p o l o g ya n do t h e rk e yt e c h n o l o g i e s 层次拓扑结构形成后，为了节省能量，每个簇中的感应数据可以等待下游节点的感 应数据，融合后，再转发给上游节点，而簇头周期性等待簇内所有成员的感应数据到达 后经过融合发回基站。对于应用层所需的数据管理请求，可将对应的逻辑层语义映射为 相应的物理实体语义，然后由所请求的簇通过簇头对请求做出最后应答。 对于目标定位，有了层次型结构之后，就可以由各簇节点协作来获得位置信息对事 y - - 。冒大掌硕士掌位论文 无线传感i 用崩 关键鍪诛的研究 件进行定位。 2 4 2 路由协议和其它关键技术 传感器网络通过路由和寻址将大量支持不同种类服务的低能耗移动节点在网络层 互连起来，自组无线传感器网络的这些节点由电池供电，然后通过与散布在一定范围内 的其它节点协同联合完成检测或控制任务。因此最重要的一个考虑就是网络的生命周 期：随着网络中的节点能量耗尽，网络的连接性下降，网络就随之逐渐被划分成几个不 相连的区域，原来网络的功能已不能达到。所以说路由协议除了要注意节能以外主要是 怎样能够维持好的路由，即使少数节点能量耗尽，整个网络的功能依然正常。 在考虑网络层以上问题的时候，都是假设节点都有一条双向的路由：从自己到簇头 和从自己到下游邻居节点的路由信息。首先什么样的拓扑结构就会有什么样的路由规 则。对于层次型拓扑结构下，簇内节点只需要知道自己到簇头的数据包发送到那里，以 及来自簇头的感应任务和查询任务该发送给那些下游节点：簇头只需要知道到达子节点 和基站的路由信息。簇头到达基站的方式可以是一跳直接到达，也可以是通过其它簇头 节点中继到基站。而簇内节点也可以是一跳到达簇头，或者是经过其它节点中继到达簇 头。 其次路由协议也决定了数据融合和数据管理的流向和顺序。在数据融合过程中，为 了节省能量，数据一般都是沿数据被路由的顺序和方向，依次和数据所到达的节点进行 融合，将所产生的结果继续送往上层节点；对于数据管理也是同样，无论有什么具体的 管理请求，都要解析为哪一簇的哪些传感器对应的路由上，然后沿着这些路由发布相应 的服务请求。因此，对于具体的应用在考虑路由协议的时候，必须考虑最终应用中数据 融合和数据管理的具体要求，一般都需要进行相应的考虑。 2 4 3 数据融合和数据管理与其它关键技术 数据融合是一种减少传输数据量，节省能量的策略，数据管理是为了针对无线传感 器网络的物理资源受限的特点而采取的特定数据管理措施。它们一样，都是面向具体应 用的，只有面向具体应用需求设计具体的数据融合算法和数据管理策略才可以最大限度 的提高效率、节省能量。但是很明显的一点就是，它们需要有下层的一系列关键技术做 支撑( 如图2 - 6 ) 。 网络协议可以提供数据包和数据请求的流向和顺序，拓扑控制可以优化节点的层次 广西大掌硕士掌位论文无线传感置，网络关 t 技术的研究 便于进行数据的感应和收集，时间同步可以确保感应数据的新鲜性以及协作感应节点的 同步性，q o s 保证策略可以保证不同的感应任务按照承诺提供服务，安全措施可以防止 数据泄露或篡改，保证整个网络的隐蔽性。 具体应用的需求 审渖 依赖i 卜协议l 卜控制lp 砂ii 证l 卜策略等l 图2 - 6 数据管理和数据融合与其它技术的关系 f i g u r e2 - 6t h er e l a t i o n sb e n v e e nd a t am a n a g e m e n t , d a t a a g g r e g a t i o na n do t h e r s 2 4 4 q o s 保证和其它关键技术 q o s 保证的预期目标或者说q o s 系统的目标就是q o s 模型所定义的网络为用户业 务所提供的服务等级，但是，要想完成这个目标就必须要q o s 所有其他的组件，如 q o s 路由 q o s 信令 q o s m a c 协议 需要它们协作来完成。因此，q o s 保证的完成直接就要依靠路由协议，m a c 协议、 时间同步等关键技术，并提出了很多的q o s 路由协议和q o sm a c 协议。 此外，q o s 模型所定义的服务等级一般都是针对具体的应用请求的，而应用请求最 后都是映射为无线传感器网络中的感应数据请求和数据融合业务流了，因此，服务等级 的定义应该是和数据管理和数据融合之间存在着紧密联系。有了q o s 的支持数据融合和 数据管理的请求才可能更高效、准确的完成。 g - 西大掌硪士掌位论文无线传感嚣网l 备关键技术的研究 2 4 5 其它的关键技术之间的关系 其它的关键技术之间的联系也很紧密，比如，时间同步能够形成分布式波束系统， 构成t d m a 调度机制和多传感器节点的数据融合，目标运行速度和方向的确定，声音 的位置的测定等。再比如，安全技术可以保证无线传感器网络各层正常和正确的运行， 对于其它各方面，以至于整个网络都有很重要的作用，其中对于保证数据新鲜性和有效 性方面表现最为明显。 2 4 6 无线传感器网络关键技术的一些考虑 ( 1 ) 资源的受限性首先是能量受限，也就是对于能量高效性的考虑，也即节能的 考虑。其次就是计算能力和存储能力的极其有限，在考虑无线传感器网络的通信、各种 算法和技术时，除了正确性和有效性之外，最需要考虑的就是节能性和对计算资源的需 求，有时候可以牺牲高效性，因为长时间的非精确感应比短时间的精确感应更加实用。 其中节点休眠机制【矧是一种十分有效的节能策略。 ( 2 ) 容错性由于无线传感器网络节点是动态易出错的，并且无线通信通常会受到 各种天气或环境的影响，造成各种错误，因此整个系统设计都必须考虑容错性。当然针 对不同的应用就有不同的容错性需求，在文献1 2 4 中，提出了一个评估传感器网络容错 效率的模式。文献 2 5 ，2 6 借助于数据融合的功能，使得网络在部分传感器节点发生故 障或者失效时，整个网络仍然能够得到正确的感应结果。 ( 3 ) 可伸缩性也可称之为可扩展性。无线传感器网络中的节点是动态的：在休眠 机制中，节点在休眠一段时间后，会唤醒自己重新加入网络；节点由于故障或者通信受 到干扰会暂时的失效，在此之后可能会重新恢复正常，又要加入网络。此外，在某些应 用中，当发现节点数目不够，或者另外又有新的需求，需要增加节点让它们共同协作进 行监测任务。这种情况下，就需要无线传感器网络的各种技术和算法能够具有可伸缩性， 也就是说节点可以动态的加入和退出网络，网络仍然正常运行。 ( 4 ) 自适应性也可以称为启发性。自适应性通常是指节点能够根据具体情况使用 不同的工作模式来适应不同的需求。比如，对于事件驱动网络中，节点的拓扑控制就可 以使用自适应的节点唤醒和休眠机制，当无事件发生时，只保留少数节点，运行一种拓 扑构造方法形成拓扑结构，负责侦听，其余节点进入休眠状态：当有事件发生时，唤醒 所有节点，运行另外一种拓扑形成算法形成新的拓扑结构，进行事件的监测1 。 无线传感嚣网辫l 关键技术的研究 2 5 本章小结 对无线传感器网络及其特点进行简单介绍，并通过分析无线传感器的关键技术之间 的关系，从而得出一些关键技术之间相互制约、相互联系的关键点，以便在考虑无线传 感器网络关键技术一个方面时，同时也要考虑到对其它方面的影响，实现综合考虑，使得 无线传感器网络的性能达到最优，节能效果达到最好。 广西大掌司| 士掌位论文 元茸t 传感嚣网络关 t 掣沸的研究 第三章基于聚簇的传感器网络路由协议 大部分传统无线网络的主要目标都是在移动的环境下提供尽可能高的服务质量和 高带宽利用率；对有线网而言始终以提供高质量服务为主要目标，并且为此可以牺牲资 源的利用率。但是无线传感器网络不同，能量对于无线传感器网络来说有着极其重要的 意义，它决定了网络的连通性、网络的生命周期。无线传感器网络是一个以数据为中心 的网络，数据的传输自然就是整个网络的主要任务，而路由选择又是传输的前提，因此， 如何选择一条节能的路由对整个网络起着至关重要的作用【2 8 】。 3 1 研究背景及现状 资源受限的无线传感器网络，具体应用在无人照看的状态下( 或者是因为一些不可 达的地方，比如深海，原始森林，核反应堆里) 这样自适应性要求它必须有容错性，( 当 有新的应用或者节点的增加) 可扩展性。加上经济上的考虑，节点一般要求大规模部署， 所以不可能配备充足的资源，因此所运行的协议不能太复杂。另外，无线传感器网络拓 扑结构动态变化，网络资源也在变化。因此就要求必须有健壮的自适应的各层通信协议 来保证网络的鲁棒性。 无线传感器网络不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均衡消耗， 同时传感器网络是一个以数据为中心的网络，在路由协议里每个节点没有必要采用全网 统一编址，更关心的是数据到汇聚节点之间的路径。目前有多种路由协议，i e t f 提出 的基于请求的路由协议a o d v 和d s r 2 9 1 ，它们能够较好适应部分a d h o c 网络，但是在 节能和层次化网络结构的支持明显不足。而基于查询的路由协议1 3 0 1 ：定向扩散路由协议 的时间和能量开销都比较大，在层次化结构中时间开销将会更大：谣传路由只适用于数 据传输量较小的传感器网络，存在路由环路并且传输路径不是最优。以数据为中心的网 络层协议【3 l l 为了考虑数据管理和分布导致能量消耗比较大，对于能量和传输距离考虑较 少。大量基于地理位置的路由协议【3 2 】一般需要节点的地理位置信息，这是以能耗等代价 为基础的，对于动态性较强的层次化网络代价会难以接受。s p e e d 和r e l n f o r m 等支持 q o s 的路由协议【3 3 j 能够获得可靠性路由，但是能量开销和复杂度也是需要考虑的问题。 为了改进这些缺点和不足之处，针对层次化网络组织结构，我们结合前人的研究 广西大掌硕士掌位论文 无埘【传感嚣用群瞒 t 技术的研究 3 4 , 3 5 3 6 , 3 7 , 3 8 ，在本章中给出一种基于聚簇的路由管理方案和协议：s c b r p ( s p e c i f i c c l u s t e r i n g b a s e dr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) ，可以和数据融合技术结合使用，并考虑了对q o s 的 支持。使用时间开销敏感的路由选择策略，从而近似获得传输速度最快的路由，相应就 减少了能耗。 3 2 s c b r p 路由算法 针对层次化网络组织方式，为了形成第4 章的层次型的管理结构，我们提出了 s c b r p 路由算法。该算法的优点是不需要基站的干预，不需要簇头的协助，对于单个 节点来说，不需要知道整个网络的拓扑，只需要局部拓扑知识。 s c b r p 协议要求节点具有数据结构( 此处只列出关键数据结构的主要部分) 有： l a s t h o p n o d e p a r e n t n o d e l d ； h e l l o t i m e s t a m p ； t i m e s p e n d n e x t h o p n o d e s