（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络数据收集算法研究.pdf

河南大学研究生硕士学位论文第1 页 摘要 无线传感器网络是一种由大量的集成传感器、数据处理单元和短距离无线通 讯模块的节点组成的以数据为中心的无线自组网络，其目的是协作感知、采集和 处理网络覆盖区中各种环境或监测对象的信息，并发布给观察者。无线传感器网 络与效用计算、塑料电子、人体仿生一起被称为全球未来四大高科技产业。作为 新一代测控系统的无线传感器网络，网络中感知数据的收集聚合是无线传感器网 络系统最基本最重要的功能，其性能的优劣直接影响网络能量资源的节约。 本文针对无线传感器网络数据收集及网中节点调度机制进行研究，在对现有 数据收集机制及网络节点调度机制进行系统分析的基础上，结合最大限度节约网 络能量资源的目标，提出新的网络数据收集及节点调度机制，完善了传感器网络 数据收集机制。所作工作如下： 1 总结了无线传感器网络数据收集机制，基于数据收集中能耗模型，论文详 细分析了数据收集聚合树的构建及聚类集嚣数据收集模型，同时，分析数据收集 中网内数据聚合机制和基于节点数据关联属性的网内数据收集预测机制。 2 为实现s i n k 节点收集到来自网络监测区不同位置的数据，提出了关联数据 分类预测收集机制，机制基于网络节点数据的关联属性，映射节点数据的分类到 网络监测区节点子区的划分，通过代表性节点的选择和网络数据预测机制完成网 络数据的收集。理论分析和仿真实验验证了机制的优越可靠性。 。 3 分析了数据收集中节点调度机制，基于对时间片选择和节点感知数据调度 机制的分析，结合传感器网络中能量均匀模式，提出了基于节点数据监测概率和 能量均衡的传感器网络节点调度机制，机制应用二进制退避模型避免了调度冲突， 通过计算节点数据监测概率和平衡节点能耗实现数据收集中的节点调度。理论分 析和仿真实验证明了算法的有效性。 关键词：无线传感器网络；数据收集；节点调度；数据关联 第l i 页河南大学研究生硕士学位论文 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 k s ( w s r oc o n s i s t so fal a r g en u m b e ro fs e n s o rn o d e s w h i c hi n t e g r a t es e n s o r ，t h eu n i tf o rd a t ap r o c e s s i n ga n dt h em o d u l ef o rt h es h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h en e t w o r k si sak i n do fw i r e l e s ss e l f - o r g a n i z i n g n e t w o r k sw i t had i s t i n c td a t a - c e n t r i cp r o p e r t y , a n dt h eo b j e c t i v eo fs e n s o rn e t w o r k si s t os e n s e ，c o l l e c ta n dp r o c e s st h ei n f o r m a t i o no ft h ev a r i o u se n v i r o n m e n t so rt h e d e t e c t e do b j e e t si nt h ec o v e r a g ea r e ao ft h en e t w o r k s ，a n dt h e ns e n dt h es e n s i n g i n f o r m a t i o nt ot h eu s e r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，t o g e t h e rw i t hu t i l i t yc o m p u t a t i o n ， p l a s t i ce l e c t r o n i c sa n db e d yb i o n i c s ，i sc o n s i d e r e da st h ef o u rh i g h - t e c hi n d u s t r i e si n t h ef u t u r ea r o u n dt h ew o r l d a san e wg e n e r a t i o no ft h ed e t e c t i n ga n dc o n t r o ls y s t e m , t h ed a t ag a t h e r i n gi n8 e n s u rn e t w o r k si st h em o s tf u n d a m e n t a la n di m p o r t a n tf u n c t i o n i nt h en e t w o r ks y s t e m ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed a t ag a t h e r i n gm e c h a n i s m d i r e c t l y i n f l u e n c e st h ee n e r g yc o n s e r v a t i o ni ns e n s o rn e t w o r k s t h er e s e a r c ho ft h e d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nd a t ag a t h e r i n ga n dn o d es c h e d u l i n g m e c h a n i s mi ns e n s o rn e t w o r k s b a s e do nt h es y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ep r e s e n td a t a g a t h e r i n ga n dn o d es c h e d u l i n gm e c h a n i s m si ns e n s o rn e t w o r k s ，t h en e wd a t ag a t h e r i n g a n dn o d es c h e d u l i n gm e c h a n i s m sa r ep r e s e n t e dw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fs a v i n gt h e e n e r g yr e s o u r c e i nn e t w o r k st ot h el a r g e s te x t e n t a n dt h em e c h a n i s m sw o u l dp e r f e c t d a t ag a t h e r i n gr e s e a r c hi ns e n s o rn e t w o r k s t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t , t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ed a t ag a t h e r i n gm e c h a n i s m si nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，a n db a s e do nt h em o d e la b o u tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni ns e n s u rn e t w o r k s ， a n a l y s e st h em e c h a n i s m so nt h et r e e - b a s e dl e v e la n dt h ec l u s t e r - b a s e dg r o u pd a t a g a t h e r i n gi nd e t a i l t h ed i s s e r t a t i o na l s oa n a l y s e sd a t aa g g r e g a t i o ni nt h ec o u r s eo ft h e d a t ag a t h e r i n ga n dd a t ap r e d i c t i o no nt h eb a s i so fd a t ac o r r e l a t i o ni ns e n s o rn e t w o r k s s e c o n d , i no r d e rt om a k et h es i n kn o d eg a t h e rt h ed a t af r o md i f f e r e n tl o c a t i o n s w i t h i nt h ed e t e c t e da r e ao ft h en e t w o r k s ，t h ed i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dt h ec l a s s i f y i n g a n dp r e d i c t i v ed a t a g a t h e r i n ga l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do nt h ep r o p e r t yo fd a t a 河南大学研究生硕士学位论文第l ii 页 c o r r e l a t i o ni nn e t w o r k s t h ea l g o r i t h mm a p sd a t ac l a s s i f i c a t i o nt o p a r t i t i o no ft h e s u b 一8 t e ai nd e t e c t e da r e aa n dc o m p l e t e st h ed a t ag a t h e r i n gb ym e a l l so fs e l e c t i o no f t h e r e p r e s e n t a t i v en o d e sa n dd a t ap r e d i c t i o nm e c h a n i s m i ns e n s o rn e t w o r k s t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o nt e s tt h ea d v a n t a g e sa n dr e l i a b i l i t yt h ea l g o r i t h m t h i r d ，t h ed i s s e r t a t i o n8 i l a l y s e sn o d es c h e d u l i n gm e c h a n i s m si ns e n s o rn e t w o k s b a s e do nt h em o d e l so ft h es e l e c t i v es c h e d u l i n gi nt i m es l o t sa n dt h es e n s i n gd a t a s c h e d u l i n g , t h ep a p e rp u t sf o r w a r dn o d es c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nd e t e c t e d p r o b a b i l i t yo ft h es e n s i n gd a t aa n de n e r g y - b a l a n c eo ft h en o d e s t h ea l g o r i t h ms o l v e s t h es c h e d u l i n gc o n f l i c tb yi n e d u c i n gt h eb a c k - m o v i n gm e c h a n i s mo f t h eb i n a r ys y s t e m a n dr e a l i z e st h en o d es c h e d u l i n gb yt h ec o m p u t a t i o no ft h et h ed e t e c t e dp r o b a b i l i t yo f t h es e n s i n gd a t aa n dr e s i d u a le n e r g y t h ev a l i d i t yo ft h ea l g o r i t h mh a sb e e nt e s t e db y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o n 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 ；d a t ag a t h e r i n g ；n o d es c h e d u l i n g ；d a t ac o 玎e l m i o n 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大擎提出硕士学位中请。本人鄂重声明：所呈交酌学位论文是 本人在导师酌指导下独立完成酌，对所研究酌课题有新的见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢酌地方外，论文中不包括其他人已经发袁或撰 写过酌研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉器保密内睿酌学位论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 釜名耋垡镬 学位论文指导教师签 河南大学研究生硕士学位论文第1 页 1 1 问题提出 第1 章绪论 随着传感器技术、嵌入式技术以及低功耗的无线通信技术的发展，生产具备 感应、无线通信以及信息处理能力的微型无线传感器已成为可能，这些廉价的、 低功耗的传感器节点共同组织成无线传感器网络，通过节点间的相互协作，将其 监测和感应的多秘环境信息( 如湿度、湿度等) 传送到基蛄实现甄络数据收集功能。 数据收集是无线传感器网络的主要研究课题之一，利用无线传感器网络进行数据 收集可以应用到许多重要领域，如国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、 医疗卫生、制造业、反恐抗灾等。 无线传感器网络是比较新兴的领域，国际上对无线传感器网络的研究仅有数 年的历史。随着科技的发展和应用的需要，无线传感器网络成为近几年来的研究 热点之一，有大量关于无线传感器网络的研究成果出现。然而这些研究成果还处 于起步阶段，距离实际需求还楣差甚远。针对无线传感器网络的数据收集问题的 研究还不成熟、不系统，有诸多有待改进的地方。 本文从传感器网络数据收集角度出发，系统地研究了无线传感器网络的数据 收集问题，分析传感器网络数据收集和网内数据聚合机制及节点调度机制，提出 了一些改进之处，以达到高效利用无线传感器网络进行收集数据的目标 1 2 论文主题研究现状 随着科技的发展及应用的需要，无线传感器网络成为近几年来的研究热点之 一，有大量关于无线传感器网络的研究成果出现，然而这些研究成果还处于起步 阶段，距离实际需求还相差甚远。关于无线传感器网络中数据收集问题的研究还 不成熟、不系统，存在诸多有待改进的地方 目前，传感器网络中数据收集的研究主要集中在三个方面，一是基于网内数 据聚合机制的数据收集算法研究，如文献 1 ，2 ，3 ，3 3 ，3 6 ，3 9 ，5 4 ，5 5 等，在这类数 据收集算法中，多数基于网中数据收集聚合树或数据收集链的构建以及聚类集群 网络拓扑的形成，以传感器网络能量模型为基础，讨论网中数据收集聚合机制， 如此节约网络能量，最大网络生命期。另一类是基于网络数据间的关联属性，研 第2 页河南大学研究生硕士学位论文 究有效的传感器网络数据收集机制，如文献 4 ，5 ，5 6 ，5 7 ，7 2 等，这类数据收集机 制基于传感器网络数据间的关联性，引入数据编码机制实现网络数据传输收集。 第三类为结合传感器网络节点调度模型的数据收集机制，如文献 6 ，7 ，4 0 ，4 1 ，4 2 等，在这些数据收集中，通过获取网络一定覆盖度下，减少网络数据传送量，节 约网络能耗。网中数据收集的大部分研究工作都是以延长系统生命期为目标，其 它方面还包括减少延迟、提高容错性，提高安全性等等。对于延长系统生命期方 面的研究，在设计数据收集协议时主要考虑减少侦听节点数以减少侦听的能量消 耗，而没有考虑减少传输数据、接收数据的能量消耗及平衡节点之间的能量，这 会降低系统生命期。 传感器节点调度的现有研究工作较多，大部分研究工作是以得到保持原始覆 盖区域或近似保持原始覆盖区域的最小覆盖集为目标，其中包括集中式算法和局 部式算法，另外还有关于最小节点调度量的覆盖集研究。然而现有的最小覆盖集 的局部式近似算法的性能不是很好，得到的覆盖集较大，并不能最大限度地延长 系统生命期。 国内对于无线传感器网络研究起步较晚，在无线传感器网络方面的研究工作 还很少。目前，己有若干科研机构开始了该领域的研究工作，大部分工作还处于 起步阶段，因此，无线传感器网络的研究任重而道远。 1 3 论文研究意义和研究内容 数据收集是无线传感器网络的主要应用之一，在大型传感器网络中，大量的 传感器节点组成多跳无线自组网，传感器节点采集本地感应数据，并将处理结果 传输给基站，基站再将数据转发给外界用户。在这一过程中，涉及到传感器网络 许多重要机制，如：数据收集机制、数据收集中节点的调度机制以及数据收集中 网内数据聚合机制等。而数据收集机制是其中重要部分，其性能的优劣直接影响 到网络能量的节约，数据收集机制涉及到数据收集树的构建、数据的传输路由、 数据的网内聚合机制以及节点的调度时延等重要内容。因此，传感器网络数据收 集的研究将推动其它研究内容的深入。 论文主要集中在传感器网络数据收集机制的研究，分析了数据收集中传输能 耗和基于数据为中心的数据收集能耗状况，详细描述了基于集合覆盖模式的网内 数据收集聚合机制，分析了现有代表性的传感器网络数据收集机制，特别对树型 河南大学研究生硕士学位论文第3 页 数据收集机制和聚类集群数据收集机制进行详细分析，并将两种方法结合起来描 述了基于超级传感器的数据收集机制，给出了基于能量信息的数据收集聚合树的 构建过程；基于数据偏移量角度分析了传感器网络中节点数据间的时空关联属性， 基于网络数据关联性，分析传感器网络中数据预测机制，作为描述后续数据收集 机制的基础，分别讨论适用于传感器网络的三种典型预测模型。基于上述数据收 集机制和网络节点数据特性的分析，详细描述传感器网络中关联数据分类预测收 集机制，在对机制进行详细描述基础上，分析机制的性能优越性，同时进行了仿 真分析，以此完善传感器网络数据收集机制 论文同时分析了传感器网络数据收集中节点调度机制，简要描述了传感器网 络数据收集中节点调度机制的研究状况，详细分析基于时间间隔的节点轮流调度 机制和基于节点感知数据的休眠概率调度机制。重点分析基于节点数据监测概率 j f 珏能量平衡的节点调度机翻，分析了机制的性能优越点，并结合仿真进行讨论。 1 4 论文组织安排 论文的具体安排如下： 第二章简要介绍了无线传感器网络基础知识，重点介绍了传感器网络数据收 集的概念、数据收集机制、数据收集中的网内数据聚合、数据收集的应用及数据 收集的研究现状。 第三章阐述无线传感器网络数据收集中节点调度机制，分析现有典型调度机 制，详细描述基于节点数据监测概率的能量均衡节点调度机制，机制考虑了节点 调度冲突和网络节点能量均匀消耗，节约了网络能量同时，显著延长了网络存活 时间 ， 第四章详细分析传感网络数据收集中的能耗模型和网内数据聚合机制，分析 现有典型数据收集机制，即树型数据收集机制、链式数据收集机制及聚类集群数 据收集机制，基于数据偏移量分析了传感器网络中节点数据的时空关联性。描述 了传感器网络中的数据预测机制，分析线性趋势数据预测机制、基于l m s 的线形 预测机制和时间序列预测机制；最后，重点分析了基于节点数据关联性的关联数 据分类预测收集机制，并对机制进行详细的性能及仿真分析。 最后，对论文工作进行总结和展望。 第4 页河南大学研究生硕士学位论文 1 5 本章小结 本章首先简要介绍数据收集的背景知识，然后介绍数据收集的研究现状；结 合研究背景指出传感器网络中数据收集研究的意义并给出本文的研究内容；最后 给出了本文的组织结构。 河南大学研究生硕士学位论文第5 页 2 1w s n 简介 第2 章w s n 数据收集概述 无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ) 及基于无线传感器网络的自 主智能系统是涉及微机电系统、计算机、通讯、自动控制、人工智能等多学科的 综合性技术。微电子机械系统( i v l e m s ) 的迅速发展奠定了设计和实现片上系统( s o o 的基础，使得将多种传感器集成一体，制造小型化、低成本、多功能的传感器节 点成为可能。大量的m e m s 传感器节点通过低功耗的无线通讯技术连成网络发挥 其整体的综合作用；更小、更廉价的低功耗计算设备代表的“后p c 时代”冲破了 传统台式计算机和高性能服务器的设计模式，普及的网络化带来了难以估量的计 算处理能力辨。 无线电、红外、声等多种无线通讯技术的发展为微传感器间的通讯提供了多 种选择，尤其是以i e e e 8 0 2 1 5 4 为代表的短程无线通讯标准的出现，为无线传感 器网络的发展奠定了坚实的基础。同时，自动控制和人工智能领域中群体智能自 治系统行为和控制的研究，为无线传感器网络的智能性提供了有力的技术支挣。 上述技术的高度发展孕育出了新的信息获取和处理模式无线传感器网 络。一种随机分布的、集成有传感器、数据处理单元和通讯模块的微小节点通过 自组织方式构成网络，借助节点中内置的形式多样的传感器感知所在环境中的热、 红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压 力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多用户感兴趣的物理现象，通 过无线通讯方式进行信息传送，由此构成无线传感器网络。 2 1 1w s n 特点及其与传统无线自组网区别 无线传感器网络中节点数量众多，采用随机投放方式布设，节点的位置不能 预先确定；在任意时刻，节点问通过无线通信自组织形成网络；节点间具有很强 的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交换完成全局任务。 因此，无线传感器网络是一种无中心节点的全分布式的集成监测、控制以及无线 通信的网络系统，其自身具有独特特点。 传感器网络具有以下主要特点1 9 1 ： 第6 页河南大学研究生硕士学位论文 ( 1 ) 大规模网络 为完成对物理世界的高密度感知，以获取精确信息，在监测区域通常部署大 量传感器节点，其数量可能达到成千上万，甚至更多。无线传感器网络主要不是 依靠单个节点能力的提升，而是通过大规模、冗余节点的协同工作来提高系统的 可靠性和工作质量。网络的大规模性体现在：传感器节点分布在很大的地理区域 里；传感器节点部署很密集，在一个面积较小的空间内，密集部署了大量的传感 器节点。 ( 2 ) 自组织网络 在传感器网络中，节点通常被随机布置在没有基础设施的地方，节点的位置 及节点间的相互邻接关系无法预先确定。同时，在传感器网络使用过程中，经常 有部分传感器节点因能量耗尽或环境因素而失效，也有一些节点为了弥补失效节 点、增加监测精度而补充到网络中，如此网络中的节点个数动态地增加或减少， 网络拓扑结构也随之动态变化，这要求传感器网络中节点具有自组织能力，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转发监测数据的多 跳无线网络系统。 ( 3 ) 动态性网络 传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗尽造成 传感器节点出现故障或失效；环境条件变化造成无线通信链路带宽变化，甚至时 断时通；传感器网络中的传感器、感知对象和观察者三要素都可能具有移动性； 新节点的加入。如此要求传感器网络能够适应这种变化，具有动态的系统可重构 性。 ( 4 ) 可靠的网络 传感器网络通常部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工 作在露天环境中，极容易遭受破坏，这要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适 应各种恶劣环境条件。同时，由于监测区域环境的限制以及节点数目巨大，网络 维护十分困难甚至不可维护，另外，传感器网络的通信保密性和安全性也十分重 要，这要求传感器网络的必须具有鲁棒性和容错性。 ( 5 ) 应用相关的网络 传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物 理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此，传 河南大学研究生硕士学位论文第7 页 感器网络的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求 不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别，不能象h t e r n e t 有统 一的通信协议平台。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网 络设计不同于传统网络的显著特征。 ( 6 ) 以数据为中心的网络 在传感器网络中人们只关心某个区域某个观测指标的值，而不会去关心具体 某个节点的观测数据，这就是传感器网络以数据为中心的特点。而传统网络是以 坤地址为中心的网络，传统网络中传输的数据是和节点的物理地址联系起来的， 以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的 组织起各个节点的信息并聚合提取出有用信息直接传送给用户。 无线传感器网络与无线自组网络有许多相似之处，如：无中心和自组织性、 动态变化的网络拓扑、受限的无线带宽、多跳路由和安全毪较差等属性但二者 有一些本质的区别。首先，应用目标不同。无线自组网络在不依赖任何基础设施 的前提下，为用户提供高质量的数据传输服务为主要目标。无线传感器网络以监 控物理世界为主要目标。因此，无线自组网络是一种数据网络，而无线传感器网 络是一种测控网络。其次，无线传感器网络具有一些区别于无线自组网络的独特 特点，如：超大规模、无人值守和易受物理环境影响的动态性强等特点。因此， 无线传感器网络不同子一般的无线自组网络t e l 2 1 2w s n 体系结构 传感器网络由大量传感器节点组成，它们被密集地放置在监测环境中或非常 接近要测量的环境中，节点无需经过工程处理或预先定位，随机放置在人类难以 到达的地形或灾难区域，节点中运行的传感器网络协议和算法具有自组织特性。 传感器节点另一特征是节点间相互协作，节点上都装有小型处理器，因此节点不 是把大量的原始数据传送给汇聚节点，而是仅把需要处理的部分数据发给汇聚节 点。 传感器节点的基本组成见图2 - 2 所示，包括电源、传感器、a d 转换接口，处 理器单元、存储器单元、数据发送接收的传输单元。个别的功能更强大的可能还 包括定位系统、运动或执行机构、电源再生装置。单个传感器节点集微电子技术， 低功耗信号处理，低功耗位运算和廉价无线网络等各种性能于一体l l o 。 第8 页河南大学研究生硕士学位论文 图2 2 传惑器网络节点组成模块 网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所 应完成功能的定义和描述，无线传感器网络体系结构【l i m j ( 图2 - 3 示) 不同于传统 的计算机网络和通信网，图2 - 3 网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络 管理以及应用支撑技术三部分组成。它不仅起到了将相关研究内容集成到统一框 架和体系下的作用，而且清晰地阐明了传感器网络研究的主要内容和组成逻辑关 系。 互三困区盈 应用层 传输层 网络层 数据链 路层 i 时间同步il 节点定位i 传输控制 能一 安 拓扑量 路由 全 管理 管 q o s 一机 一理一 信道 拓扑 制 辖入毕成 图2 - 2w s n 体系结构 ( 1 ) 分层网络通信协议 分层的网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 河南大学研究生硕士学位论文第9 页 物理层的功能包括信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等。传 感器网络采用的传输媒体主要有无线电、红外线、光波等，其目标是尽可能少能 量损耗以获得较大的链路容量。主要的物理层协议包括窄带、扩频和超宽带技术c 切。 。数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络显现 为一条无差错链路f 1 1 ，其可分为媒体访问控制( m a c ) 子层和逻辑链路控制( l l c ) 子 层，m a c 层规定了不同用户如何共享可用的信道资源。l l c 层负责向网络提供统 一服务接口。目前对w s n 数据链路层的研究主要集中在m a c 层，m a c 协议目 标为自组网络和共享信道接入 网络层的主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等。 传输层负责数据流的传输控制，提供可靠的、开销合理的数据传输服务 ( 2 ) w s n 管理 能量管理：在传感器网络中，电源能量是各个节点最宝贵的资源。失了使传 感器网络的使用时间尽可能的长，必须合理有效利用能量。网络的能量管理部分 控制节点对能量的使用。 拓扑管理：在传感器网络中，为了节约能量，某些节点在某些时刻按照某种 调度规则进入休眠状态，导致网络拓扑结构不断变化，为了使网络能够正常运行， 必须进行拓扑管理，控制节点的状态转换，因此拓扑管理的目的就是在保持网络 畅通，数据能够有效传输前提下，协调传感器网络中各节点的状态转换。 网络管理：负责网络的维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口，通常 包含数据收集、数据处理、数据分析和故障处理等功能。需要根据w s n 能量受限、 自组织、节点易损坏等特点设计新型全分布式网络管理机制。 q o s 支持：网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与 共享的质量的约定。为满足用户的要求，w s n 必须能够为用户应用程序提供足够 的资源使它们以用户可以接受的性能指标工作。 网络安全机制：w s n 多用于军事、商业领域，安全性是其重要研究内容。由 于w s n 中节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全 机制无法适用。因此需借鉴扩频通信、接入认证鉴权、数据加密等技术设计新的 网络安全机制。 移动控制：某些应用环境中，一部分节点可以移动，移动控制负责监测及控 制节点的移动，维护到s i n k 点的路由，同时可使传感器节点能够跟踪它的邻居。 第1 0 页河南大学研究生硕士学位论文 远程管理：对于某些应用环境，w s n 处于人不易访问的地点，借助远程管理 实现对w s n 的管理，完成修正系统的b u g 和系统升级及监控环境的变化等。 ( 3 ) w s n 应用支撑技术 w s n 应用支撑技术为用户提供了各种具体的应用支持。包括时间同步、节点 定位，以及向用户提供协同应用服务接口。 时间同步1 1 5 “】：w s n 的通信协议和应用要求各节点的时钟保持同步。在w s n 中，单个节点的能力有限，整个系统所要实现的功能需要所有节点相互配合共同 完成，因此时间同步在w s n 节点协调操作中起着非常重要的作用。其研究主要包 括：时间同步算法对时间服务器及信道质量的依赖，缩短可能引起同步误差的“关 键路径”；从能量角度研究高效节能的同步算法。 节点定位1 1 7 , 1 | | ：节点定位是指依靠有限的位置己知节点，按照某种定位机制确 定监测区中其它节点的位置，建立起节点间的空间关系，即确定传感器节点在w s n 系统中的相对位置或绝对地理坐标在多数情况下，只有结合位置信息，传感器 获取的数据才有实际意义。许多w s n 协议的研究需要节点的位置信息，在网络层， 因为w s n 节点无全局标志，可设计基于节点位置信息的路虫算法，在应用层，根 据节点位置信息，w s n 系统可智能选择一些特定的节点来完成任务，从而降低整 个系统能耗，延长w s n 系统存活时间。 分布式网络服务接口 1 ，】：传感器网络的应用是多种多样的，分布式网络服务接 口屏蔽了w s n 的网络规模动态变化、拓扑结构动态变化、无线信道质量较差等特 点对用户应用的影响。为适应不同应用环境，人们提出了各种应用层协议，已经 提出的协议有：任务安排和数据分发协议t a d a p 、传感器查询和数据分发协议 s q d d p 等。 分布式网络管理接口：主要是传感器管理协议s m p 嗍，在满足区域覆盖度前 提下优化网络中传感器资源的使用，调节传感器工作状态和感知参数实现将数据 传输到应用层。 2 1 3w s n 应用及发展 无线传感器网络可包含大量的由震动、地磁、热量、视觉、红外、声音和雷 达等多种不同类型传感器构成的网络节点，用于监控温度、湿度、压力、土壤构 成、噪声、机械应力等多种环境参量，完成连续的监测、目标发现、位置识别和 河南大学研究生硕士学位论文第”页 执行器的本地控制等任务节点的随机布设、自组织、环境适应等特点使其在军 事、环境、医疗、家庭和其它商用领域有广阔的应用前景和很高的应用价值彻。 ( 1 ) 军事领域 无线传感器网络具有快速部署、自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，使其 非常适合于军事应用。无线传感器网络将会成为c 4 i s r t 系统不可或缺的一部分。 无线传感器网络由密集的、低成本、随机分布的节点组成，在无任何基础设施支 持下，能够自组织迅速配置成网络，较高的容错能力使其不会因为某些节点的损 坏而导致整个系统的崩溃。这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，如其在目 标跟踪与监测中的应用口- 捌。 ( 2 ) 环境监测和预报 随着人们对环境的日益关注，无线传感器网络逐渐被广泛应用于环境监测领 域，无线传感器网络在环境监铡方面可应用于土壤空气状况和大面积的地表监测， 以及用于行星探测、气象地理研究、洪水和森林火灾监测等，还可以通过跟踪鸟 类、小型动物和昆虫进行生物种群复杂性勘测等 ( 3 ) 医疗应用 传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段无线 传感器的医疗应用于患者的综合监测、诊断，医院的药品管理，以及对人类生理 数据的无线监测和对医护人员和患者的追踪和监控 无线传感器网络还可应用于空间探索、智能家居、建筑物状态监控以及商务 应用等广泛领域。 无线传感器网络是- - i 新兴的科学技术，芷如当今世界人们利用互联网可以 获得大量文字、图像、声音等数字信息，将数量巨大的传感器组建成网络可使探 测感知技术延伸到更广阔的领域。传感器网络是集成传感器、微机电系统m e m s 和网络三大技术而形成的一种全新的信息获取和处理技术，随着无线通讯技术的 飞速发展与广泛应用，传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、 无线化的方向发展。无线传感器网络将成为传感器技术发展的一个趋势。 无线传感器网络将在协同信号处理技术唧、功能可剪裁的灵活可重构的无线传 感器网络协议体系结构、跨层协议设计、网络标准制定方面取得较好的发展。 第12 页河南大学研究生硕士学位论文 2 2w s n 数据收集概述 数据收集是无线传感器网络的主要研究课题之一，近几年对数据收集问题的 研究也很广泛，数据收集是研究外界用户如何通过无线传感器网络从监控区域收 集感知数据。 无线传感器网络的每个传感器节点采集本地的感知数据，处理这些感知数据， 将有用的信息传送给基站。由于传感器节点的无线通信距离比较小，通常无线传 感器网络是多跳传输的，即传送数据给基站通常要经过中间其它传感器节点的转 发。在无线传感器网络中，通常传感器节点既是数据产生节点，又是路由节点， 这与传统的网络是不一样的。基站从无线传感器网络中收集有用的信息，通过无 线卫星、互联网或其它方式将这些信息传送给外界信息系统，经过信息系统的分 析处理将结果展现给用户。根据不同的应用要求，用户可以依此对监控区域进行 实时监控，亦可以对数据分析处理以作研究基站同时也可以将外界用户的反馈 提交给无线传感器网络，如布置新的任务、修正一些程序等。 数据收集通常有时间驱动和事件驱动两种类型。事件驱动数据收集是指监控 区域内的传感器节点监视区域中的某种事件，如某目标的出现、移动等，如果探 测到事件，则将该事件的相关参数记录下来，如类型、发生地点、时间等，将这 些信息传送给外界。时间驱动数据收集是指监控区域内的传感器节点定时地采集 区域中的相关数据，如温度、湿度、水位等，并将这些信息发送给外界。 数据收集问题通常有一个重要目标延长系统生命期，延长系统生命期可以 节省重新布置无线传感器网络的巨大开销 z 4 - z l l 。由于传感器节点由能量受限的电池 供电，且数目众多，有可能布置在比较危险或比较远的区域，更换传感器节点的 电池并不容易，能量成为系统生命期的制约因素，因此节省能量以延长系统生命 期对无线传感器网络至关重要。 延长系统生命期的方法很多，主要可以从两点考虑：减少能量消耗和平衡节点 能量。减少能量消耗使得网络的可用能量能持续更长的时间，从而延长网络生命 期，平衡节点能量可以增加系统生命期内的可用能量，从而延长系统生命期。论 文中数据收集机制通过减少网络数据传输量，减少了数据收集中节点的能量消耗， 在节点调度机制中，应用能量模型，使得网络节点能耗均匀分布。 河南大学研究生硕士学位论文第1 3 页 2 3w s n 数据收集机制 w s n 数据收集的研究包括很多方面，如：数据收集协议、数据传输路由协议 和传感器节点的调度等。本文主要围绕数据收集协议和数据收集中节点调度机制 进行研究。 数据收集协议是路由层协议，研究传感器节点如何将数据传送给基站。传感 器节点的能量消耗主要集中在通信设备上，包括传输数据、接收数据及侦听，路 由节点要比非路由节点消耗更多的能量。有效的数据收集协议可以使得数据收集 过程中用于传输数据、接收数据及侦听的能量最小化，并且使得各节点的能量消 耗达到一致，从而延长系统生命期。 传感器节点的调度是应用层协议，研究调度哪些节点工作。传感器节点密集 地分布在监控区域内，多个节点可能将同一事件的探铡结果传送给基站。造成不 必要的能量浪费。在保证网络性能的前提下，通过调度传感器节点，仅将少量一 部分节点投入工作，而其它节点保持低功耗的休眠状态，以延长系统生命期。传 感器节点调度算法的目标是得到监控区域的最小覆盖集，从而让最少数量节点工 作，最大限度地延长系统生命期。 由于传感器网络是多跳传输的，各区域数据流密度是不一致的距离基站越 近的区域，需要转发的数据越多，数据流密度越大，能量消耗越快。因此在数据 收集机制中应确保节点能量消耗的均匀性，使得各区域传感器节点的能量消耗速 度达到一致，从而最大限度地延长系统生命期。 2 4w s n 数据收集应用 利用无线传感器网络进行数据收集可以应用到许多重要领域，如国防军事、 国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等。 文献 2 9 ，3 0 ，3 1 。3 2 】中，作者详细描述了在野外动物栖息她布置无线传感器两 络以监控动物作科学研究。利用无线传感器网络进行数据收集是研究动物栖息的 最好选择，相比其它方法，无线传感器网络有价格低廉、布置简单、覆盖区域广 而密、对动物的影响小等优点动物栖息地的传感器节点可以将动物的出没时间、 体温、饮食以及其它活动报告给外界用户以作研究。在森林中布置无线传感器网 络以监控火灾，在边疆布置无线传感器网络以监控过境人员，在战场布置无线传 第14 页河南大学研究生硕士学位论文 感器网络以监控敌我人员。为了长时间的科学研究，有必要设计节省能量的数据 收集方案，以延长系统生命期。 大多传感器网络数据收集应用都有一些共同点：大量静止的传感器节点密集 布置在广阔的区域，基站负责联接无线传感器网络和外界，传感器节点将本地感 知数据传送给外界进行分析，对系统生命期要求较高。除了这些共同点之外，每 个具体的应用还有一些不同点，如对实时性、容错性的要求、数据采集频率等。 2 5w s n 数据收集中网内数据聚合 网内数据聚合作为w s n 数据收集过程中的一重要机制，在w s n 数据收集中 发挥重要作用，表现为：网络监测区中每个节点在每个数据收集轮回中都有采集 到的数据信息闻，网内数据聚合将来自不同节点的感知数据综合为一单一信息， 然后将聚合体数据传送到远处基站。在此过程中，网内数据聚合剔除了冗余数据 的传输，减少网络数据传输量，节约网络能量。同时，网内数据聚合的引入将数 据收集中以地址为中心的路由方法( 端节点间发现路由) 转变为以数据中心的路由 方法( 多数据源到一单一目的地路由) p 删，一些数据收集协议( 如l e a c h 3 ， ， p e g a s i s t u j ，p e d a p p a 哪应用数据为中心的网内数据聚合机制减少了数据收集 中的网络能耗，延长了网络生存时间，完善了w s n 数据收集机制。 2 6 数据收集的研究进展 近年有许多关于无线传感器网络数据收集的研究成果，然而数据收集的研究 还没有成熟的系统化理论，还有许多地方有待改进。 传感器网络的主要任务是将网络中传感器节点收集的数据传送给基站。一种 实现该任务的最简单方法是直接传送跚，即网络中每个节点把收集到的数据直接传 送给基站，然而对于远离基站的传感器节点，节点传送数据消耗大量能量将使节 点很快死亡，为解决如此问题，一系列以节约能量为目的的数据收集算法相继被 提出。下述以几种代表性协议描述传感器网络中数据收集机制的研究。 文献【3 3 】中，提出基于定向扩散路由的传感器网络数据收集机制，在定向扩散 中，汇聚节点采用洪泛方式把查询命令传播到整个网络，即查询请求首先被汇聚 节点传送到其邻接点，然后邻接点再将请求发送到下一级节点，以此类推完成查 河南大学研究生硕士学位论文第15 页 询请求的传播，然后每个节点都反向建立从数据源至汇聚点的数据传输梯度，汇 聚节点根据数据到达的先后选择一条数据传输路径进行加强，随后，节点采集到 的数据沿着加强的路径传向汇聚点，同时，在路径交叉点引入网内数据聚合机