（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络节点调度算法的研究.pdf

硕士论文 无线传感器网络节点调度算法的研究 摘要 无线传感器网络由部署在监测区域的大量节点组成，单个节点的能量极其有限而且 不易补充。因此，节省能耗，最大限度地延长网络的生存时间是设计无线传感器网络算 法和协议的主要目标。网络覆盖控制作为无线传感器网络的核心技术之一，通过节点休 眠调度等手段，在保证网络原始覆盖度和连通性的前提下按照一定的原则使节点轮替工 作，可以有效地减少节点的能量消耗，延长网络的生存时间，达到优化网络覆盖的目的。 本文首先简要地介绍了无线传感器网络的体系结构、主要特征、关键技术以及未来 发展趋势等，接着在深入分析了无线传感器网络覆盖问题相关的理论基础、节点覆盖模 型、典型的节点调度算法以后，本文分别给出了保证覆盖的节点调度算法c p n s 算法和 和基于概率覆盖模型的节点调度算法n s b p 算法。无线传感器网络的节点随机部署后， 产生大量冗余，增加了很多不必要的能量消耗。本文设计的节点调度算法主要目的就是 通过节点调度机制让部分节点进行休眠，均衡节点的负载，在保证网络覆盖的情况下有 效地减少网络的能耗，延长网络的生存时间。c p n s 算法首先给出了保证网络原始覆盖 的冗余节点判定机制，然后在节点调度过程中引入节点的剩余能量值以及节点的邻居节 点信息作为节点执行冗余判定的权值因子，权值最大的最先进行冗余节点的判定，权值 相同时则节点d 大的优先进行冗余节点判定，这样做较好地均衡了节点的能量消耗， 有利于延长网络的生存时间。n s b p 算法首先针对特定的概率模型定义了覆盖点、网络 覆盖率、全覆盖节点，然后结合在概率覆盖模型下判定全覆盖节点是否冗余节点的方法， 在冗余节点判定的基础上进行节点休眠调度。概率覆盖模型相比布尔覆盖模型来说，能 够更合理地反映出传感器节点的探知特性。 仿真结果表明：c p n s 算法具有良好的能量效率和负载平衡性，与s p o n s o r e ds e c t o r 算法相比，在同样大小的区域内能够使用较少的活跃节点保证网络的覆盖，降低了网络 的覆盖冗余度，而且随着节点总数的增多，大大地延长了节点的工作寿命。n s b p 算法 能够更好的反映网络的覆盖能力，在保证网络覆盖的情况下，节能效果良好。 关键词：无线传感器网络，覆盖控制，节点调度，冗余，网络生存时间 a b s t r a c t硕士论文 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 kf w s n ) i sc o m p o s e do fal a r g en u m b e ro fs e n s o rn o d e sl i m i t e d b yf i n i t ee n e r g y , s ot os a v ee n e r g ya n dp r o l o n gt h en e t w o r kl i f e t i m e ，i st h em a i np u r p o s eo f d e s i g n i n ga l g o r i t h m s i nw s n a st h ec o r ei s s u eo fw s n ，n e t w o r kc o v e r a g ec o n t r o l t e c h n o l o g yt h r o u g hn o d es c h e d u l i n ga n do t h e rm e a n st om a k et h er e d u n d a n tn o d e sw o r ki n t u r nw i t h o u ta f f e c t i n gt h eo r i g i n a ln e t w o r kc o v e r a g ep e r f o r m a n c e s oa st or e d u c et h en o d e s e n e r g yc o n s u m e ，e x t e n dt h en e t w o r kl i f e t i m e , o p t i m i z et h en e t w o r kc o v e r a g e t h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h ef l a m e ，a d v a n t a g e s ，k e yt e c h n o l o g i e s a sw e l la u st h e d e v e l o p m e n ta n dt r e n do fw s n i nb r i e fi n i t i a l l y , a f t e rt h a ta n a l y s e dt h et h e o r yb a s i s ，n o d e c o v e r a g em o d e l ，t y p i c a ln o d es c h e d u l i n ga l g o r i t h mt h a tr e l a t e dt oc o v e r a g ep r o b l e mi nw s n t h e nt h ep a p e rp r o v i d e dac o v e r a g e - p r e s e r v e da l g o r i t h mc p n sb a s e do nb o o lc o v e r a g e m o d e la n dan o d es c h e d u l i n ga l g o r i t h mn s b pb a s e dp r o b a b i l i t yc o v e r a g em o d e lr e s p e c t i v e l y m a n yr e d u n d a n tn o d e sa f t e rr a n d o md e p l o y m e n ti nw s nw o u l di n c r e a s eu n n e c e s s a r ye n e r g y c o n s u m e t h em a i np u r p o s eo fa l g o r i t h m sp r o p o s e di nt h i sp a p e ri st or e d u c en o d e se n e r g y c o n s u m ea n de x t e n dt h en e t w o r kl i f e t i m e c p n sg a v eam e t h o dt oj u d g ew h e t h e ran o d ei s r e d u n d a n ti nt h eb e g i n n i n g ，a n dt h e n i n v o l v e dt h ee l e m e n t so fe n e r g ya n dn e i g h b o r i n f o r m a t i o nd u r i n gn o d es c h e d u l i n g , t h en o d ew i t hl o w e s te n e r g ye x e c u t e dt h er e d u n d a n c e j u d g e m e n tf i r s t i fn o d e sh a v et h es a m ew e i g h t ，n o d e sw i t hb i g g e ri dw e n tf i r s t t h u s ，n o d e s e n e r g yc a nb eb a l a n c e db e t t e r n s b pf i r s t l yd e f i n e dt h ec o n c e p t sl i k ec o v e r a g ep o i n t ，n e t w o r k c o v e r a g ep e r c e n t a g e ，t o t a lc o v e r a g ep o i n t ，t h e nt oe s t i m a t ear e d u n d a n tn o d eu n d e rp r o b a b i l i t y c o v e r a g em o d e l a f t e rt h a t ，n o d es c h e d u l i n gb e g a n p r o b a b i l i t yc o v e r a g em o d e lc a nr e s p o n s e t h ew s n sa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n tm o r er e a s o n a b l e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，c p n sh a sag o o dp e r f o r m a n c eo fe n e r g ye f f i c i e n c ya n d l o a db a l a n c i n g c o m p a r e dw i t hs p o n s o r e ds e c t o ra l g o r i t h m ，c p n su s e dl e s sa c t i v en o d e st o g u a r a n t e et h en e t w o r kc o v e r a g e ，r e d u c et h ec o v e r a g er e d u n d a n c eb e t t e r , a n dc p n sg r e a t l y e x t e n d e dt h en o d e sl i f e t i m e n s b ph a dag o o da b i l i t yt od e s c r i b et h en e t w o r kc o v e r a g e ，i t c a l lo b t a i nb e t t e rn e t w o r kc o v e r a g e 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 ，c o v e r a g ec o n t r o l ，n o d es c h e d u l i n g ，r e d u n d a n c y , n e t w o r kl i f e t i m e 硕士论文无线传感器网络节点调度算法的研究 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图4 1 图表目录 无线传感器网络的系统架构5 无线传感器网络节点的一般结构5 传感器节点的能量消耗。6 无线传感器网络的体系结构7 多边形的三角测量法及监视器的位置配置1 2 用7 个圆实现最优覆盖的样例1 2 传感器节点的覆盖模型1 4 s p o n s o r e ds e c t o r 算法赞助扇区及冗余节点1 6 o g d c 中待激活节点的理想位置1 6 p e a s 工作机制示意副1 8 】1 7 无线通信模型2 0 邻居节点示意图2 1 感知圆盘示意图2 1 覆盖空洞的类型2 2 覆盖圆弧和非覆盖圆弧2 2 冗余节点和覆盖空洞2 3 普通交点和覆盖空洞顶点2 3 冗余节点的判定2 4 是否存在非覆盖圆弧的流程图2 5 判断覆盖空洞顶点的流程图2 6 c p n s 算法的节点状态转换图2 6 c p n s 节点调度算法流程图2 9 参数设置图3 0 状态保存图3 0 足= 1 5 m 时活跃节点数与网络节点总数的关系3 1 n = 1 5 0 0 时活跃节点数与节点感知半径的关系3 2 c p n s 算法与s p o n s o r e ds e c t o r 算法的休眠节点数比较3 3 尺。= 1 5 m 时网络生存时间和节点总数的关系3 5 死亡节点数随时间变化关系3 6 c p n s 算法与s p o n s o r e ds e c t o r 算法的覆盖冗余度比较3 7 全覆盖节点和非全覆盖节点4 0 v 图表目录 硕士论文 图4 2网格覆盖示意图4 0 图4 3n s b p 算法流程图4 2 图4 4 布尔覆盖模型和概率覆盖模型的网络覆盖率比较4 3 表2 1i n t e l 进行的典型应用试验情况1 1 表3 1 仿真参数设置。：3 4 v i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：5 月够日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 加哆年6 月西日 硕士论文 无线传感器网络节点调度算法的研究 1 绪论 1 1 课题的研究背景 随着微机电系统( m e m s ，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 ) 、无线通信和数字电子 等技术的日益发展和成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始大量 地出现。这些传感器虽然体积微小，但是却集成了信息采集、数据处理以及无线通信等 多种功能。1 9 8 8 年，m a r kw e i s e r 提出了“u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ( 缩写为u b i c o m p 或u c ) ” 思想，促进了传感器、通信和计算等三项技术的结合，产生了无线传感器网络( w s n ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 。 无线传感器网络的出现引起了世界范围内的广泛关注。对无线传感器网络技术的研 究，已经从最早的军事领域扩展到医疗卫生、环境科学、灾害监测、反恐抗灾等诸多领 域。从国外的研究现状看，美国对无线传感器网络的各项理论和技术进行了比较深入的 研究。美国的许多高校，如加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学等在无线 传感器网络基础理论和关键技术方面的研究已经取得了一定的成果。加州大学伯克利分 校提出了基于相关性的数据编码模式、确定无线传感器网络中节点位置的分布式算法及 重构传感器节点位置的方法等，并研制出基于无线传感器网络的操作系统t i n yo s 。麻 省理工学院从事着超低能耗无线传感器网络方面的研究，著名的s p i n ( s e n s o rp r o t o c o l s f o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) 协议就是出自该机构。康奈尔大学等高校针对无线传感器 网络通信协议的特殊性，提出了基于谈判类协议、定向发布类协议、能量敏感类协议、 多路径类协议、以数据为中心的路由算法等通信协议。此外，意大利、英国、日本等国 家的一些科研单位在无线传感器网络研究方面的投入也在不断加大，并且取得了初步的 研究成果。 从国内的研究来看，国内的许多高校和研究机构在无线传感器网络方面作了大量的 研究工作，在基础理论和关键技术等方面取得了初步的成果，如针对数据融合、时间同 步、路由协议等方面提出了一些建议。中科院计算所已经研发出了具有自主知识产权的 无线传感器网络节点，能够实现节点定位等功能，取得了一定的成果。但是由于我国在 无线传感器网络方面的研究起步较晚，无线传感器网络本身又是一个多学科交叉的研究 领域，所以对于无线传感器网络的研究尚且处于初始阶段，急需进一步地深入与拓展。 无线传感器网络是由大量部署在工作区域内的、具有计算与无线通信能力的微小传 感器节点通过自组织方式构成的，能够根据环境自主地完成指定任务的分布式智能化网 络系统。尽管传统的通信网络技术中已经成熟的解决方案可以被借鉴到无线传感器网络 中，但是由于无线传感器网络是能量受限的自组织网络，加上其工作条件与工作环境和 传统网络的迥异，所以对无线传感器网络的研究要更多地考虑其自身的特点。 1 l 绪论 硕士论文 无线传感器网络的特点和技术要求与传统的无线网络( 如蜂窝移动网络或无线局域 网w l a n ) 不同。传统的无线网络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。它们的目的主要是提供更好 的q o s 和更大的带宽保证，以便能够传输多媒体信息业务。与传统的无线网络不同，在 无线传感器网络中，一方面只有极个别的节点具有移动性，大部分的节点一旦部署后位 置则保持不变；另一方面传感器节点的能量靠电池提供，并且由于环境特殊能量几乎无 法补充，这就需要尽量节省能量，提高能量的利用率，以便保证网络的连通和延长网络 的运行寿命。因此研究高效的、实用的无线传感器网络拓扑结构，开发专用的算法，设 计有效的策略，延长网络的生命周期是目前传感器网络研究的核心课题。 1 2 课题研究的目的和意义 覆盖控制作为无线传感0 善h 络的基本问题和核心技术，成为无线传感器网络研究的 重点。无线传感器网络的应用环境一般是由价格低廉的传感器节点组成的，每个节点采 集、储存和处理环境信息，麦通过无线链路和邻居节点进行通信。传感器节点可能通过 飞机抛撤等方式被任意地投布在目标区域，担负着对该区域进行监视和反馈信息的任 务，因此覆盖问题反映了一个无线传感器网络中某区域被监视和追踪的状况，影响着传 感器网络对配置区域的监控。 无线传感器网络的覆盖可以被看作由处于不同的地理位置的传感器节点提供的探 测感知服务质量的一种总的度量。一般地，覆盖的目标是在保证一定的服务质量( q o s ) 的条件下，合理地配置传感器网络，并用最少数目的节点使得无线传感器网络的覆盖范 围达到最大化。 正如无线传感器网络与应用相关一样，对无线传感器网络覆盖问题的研究也是针对 一定的应用需求。通过对覆盖的相关性能评价指标的计算，如网络的覆盖率，网络的覆 盖冗余度，网络的连通性，能量的有效性等，我们能够了解到网络的覆盖情况是否符合 预期的应用要求，进而可以根据需要对传感器节点的分布进行调整。更为重要的，我们 可以通过控制传感器网络中节点的密度，比如在相对重要的区域部署较高密度的节点， 以保证获取数据的准确性和可靠性。我们还可以通过控制节点的状态，如让覆盖区域有 交叠的传感器节点轮换地工作，从而在保证一定的监测质量的条件下，尽量节约网络的 能量。 目前，一些学者致力于解决传感器网络的部署和监测及覆盖与连接的关系等方面的 问题。另外也有一些研究致力于特定的应用需求，但其核心思想都是与覆盖问题有关的。 研究表明，把高效的覆盖控制策略融入到无线传感器网络中，在保证一定的覆盖率条件 下，不仅可以对目标区域进行更准确的监视和探测，而且可以极大地提高网络性能，减 少网络节点的能耗，延长网络的生存时间。因此，针对无线传感器网络本身的特点，研 2 硕士论文无线传感器网络节点调度算法的研究 究无线传感器网络的覆盖控制技术，具有非常重要的理论意义和现实意义。 1 3 本文的主要工作 本文的具体研究工作包括： ( 1 ) 简要地介绍了无线传感器网络的体系结构，概述了无线传感器网络自身的特点、 关键技术以及其未来发展趋势，为进一步研究无线传感器网络的覆盖控制算法提供研究 背景。 ( 2 ) 较为深入地分析了无线传感器网络覆盖问题相关的理论基础、节点覆盖模型， 并重点讨论了三种典型的节点调度算法，着重阐述了算法的原理和特点，为进一步设计 无线传感器网络的覆盖控制算法提供理论支持。 ( 3 ) 针对无线传感器网络节点能量有限的特点，设计了一种保证网络覆盖的节点调 度算法。该算法首先给出了一种冗余节点的判定方法，然后对一般的节点调度机制进行 优化，在进行冗余节点的判定之前，使网络中的传感器节点根据权值按照一定的优先级 被调度，使得节点间的能量消耗尽量均衡，并通过仿真与经典的s p o n s o r e ds e c t o r 算法 相比，证明了该算法在活跃节点数、网络的覆盖冗余度、网络的生存时间等方面具有更 好的性能。 ( 4 ) 由于布尔覆盖模型的过于理想化，给出了基于概率覆盖模型的节点调度算法， 并对算法进行仿真，验证了概率覆盖模型下的节点调度算法相比布尔覆盖模型在网络覆 盖率等方面的优越性，概率覆盖模型能够更好地覆盖网络。 ( 5 ) 基于v i s u a ls t u d i o n e t 平台实现了对本文所给出的算法的仿真，并对仿真结果 进行分析。 1 4 本文的组织结构 全文结构安排如下： 第一章，绪论。主要介绍本课题的研究背景、课题研究的目的和意义、本文的主要 工作以及本文的组织结构。 第二章，无线传感器网络及其覆盖问题。首先简要地介绍了无线传感器网络，包括 基本概念、主要特征、体系结构、关键技术及其未来发展趋势等，然后概述了无线传感 器网络覆盖的几何理论基础及其节点的覆盖模型，重点分析了三种典型的节点调度算 法，最后对本章进行了简单的总结。 第三章，给出一种保证网络覆盖的节点调度算法，并进行仿真和分析。 第四章，给出一种基于概率模型的节点调度算法，并进行仿真和分析。 第五章，总结与展望。对本文的内容进行了总结，并提出了进一步研究的方向和需 要解决的问题。 3 2 无线传感器网络及其覆盖问题硕士论文 2 无线传感器网络及其覆盖问题 2 1 无线传感器网络概述 随着微电子、计算技术和无线通信等技术的进步，集信息采集、数据处理和无线通 信等多种功能于一体的传感器得到了迅速的发展，从而为无线传感器网络( w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 的进一步推广提供了条件。无线传感器网络是一种自组织的网络， 它具有动态拓扑、多跳通信等特点，部署在目标区域内的大量微型传感器节点通过无线 通信方式协作地工作，它们负责收集、处理并转发监测区域中感知对象的信息，实现对 目标的监测和控制。无线传感器网络将信息世界、物理世界以及人类社会融合在一起， 改变了人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极 大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力【2 】。 2 1 1 无线传感器网络的体系结构 ( 1 ) 无线传感器网络的系统架构 对于一项感知应用而言，无线传感器网络的基本要素包括三部分，即传感器节点、 感知对象和观察者 3 】。传感器节点对目标区域进行监测，数量多、分布广，是构成无线 传感器网络的基础实体。感知对象是被监测和追踪的目标对象，它可以是坦克、动物、 森林、有害气体等。感知对象是应用相关的信号源，一般通过物理、化学等各种现象的 数字量来表征，如振动、红外、温度、湿度等。观察者是无线传感器网络的使用者，接 收和应用网络中的感知信息。观察者可以是人、计算机或者其他设备，它们可以不定期 地对无线传感器网络中的感知信息进行主动查询或收集，也可以根据需要当网络中有感 兴趣的事件发生时才接收报告的信息。观察者在获取到感知信息后，对其进行归纳、推 理，并据此了解网络中发生的事件或者向网络发布任务。 无线传感器网络的典型结构如图2 1 所示 4 1 ，它的一般工作方式如下：无线传感器 网络节点通过人工配置或者飞机随机抛撒等手段大量地部署在监测对象内部或周围，节 点之间通过自组织方式快速地构成一个无线网络。在该无线网络内部，每个节点既要感 知、采集和处理信息，又要转发信息，充当着信息的路由者。节点采集到的数据经过多 跳传递到s i n k 节点( 汇聚网关节点) 。在向s i n k 节点传递感知信息的过程中，中间转发节 点对数据作聚合或融合处理，以压缩需要传输的数据量，提高信息的可信度和精度；或 者对多个原始数据进行统计与分析，将网络中可能发生的事件或出现的现象从更高的信 息层次进行判断。当传感器网络与管理用户网络相距较远时，需要借助其他网络( 如 i n t e m e t 、卫星网络等) 实现二者之间的互相通信。汇聚节点具有较强的存储能力、计算 能力以及通信能力，它可以将传感器网络与互联网等外部网络进行互联。数据最后被传 4 硕士论文无线传感器网络节点调度算法的研究 送至任务管理节点，用户可以通过任务管理节点对网络节点进行实时地监控。 感器节点 图2 1 无线传感器网络的系统架构 ( 2 ) 传感器节点的结构 一个传感器节点通常集成有传感器、处理器、无线通信等主要功能单元，其中，传 感器单元包括传感器件和a c d c 转换模块，前者负责采集监测区域内感知对象的信息， 后者对其进行数据转换；处理器单元是传感器节点的枢纽，在该模块的支持下，节点完 成任务的调度以及数据的存储、计算和融合等；无线通信单元主要是通过无线通信方式 实现传感器节点之间以及传感器节点与任务管理节点、用户节点之间的信息交互，收 发业务数据。图2 2 为无线传感器网络节点的一般结构 4 1 。 传感单元 处理单元无线通信单元 匹塑乎叫回 jl 处理器l 幢堕卜匦巫卜杷堕盈 7 ；l 存储器l 1fj 能量供应模块 图2 2 无线传感器网络节点的一般结构 ( 3 ) 传感器节点的耗能分析 无线传感器网络的传感器节点通常采用微型电池提供能量，它的能量消耗主要集中 在三个部分，分别为传感器单元、处理器单元和无线通信单元( 包括发送、接收、空闲 和休眠等状态) 。然而，现今集成电路工艺的进步使得传感器和处理器模块所消耗的能 量越来越少。 5 2 无线传感器网络及其覆盖问题硕士论文 图2 3 传感器节点的能量消耗 图2 3 描述了传感器节点的各单元消耗能量的情况，该图是由d e b o r a he s t r i n 在 m o b i c o m 2 0 0 2 会议上所做的特邀报告( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，p a r ti v ：s e n s o rn e t w o r k s p r o t o c o l s ) t 5 j 得出。 从图中我们可以看出，在整个传感器节点所消耗的能量中，绝大部分是由无线通信 模块产生的，其中又以发送状态消耗的能量最大，接收状态和空闲状态所占的能耗次之， 而休眠状态所耗的能量最少。因此，可以通过采取以下几个措施减少无线通信模块的能 量消耗： 增加节点的休眠时间：在不需要通信或者节点产生冗余覆盖时，尽快让节点进 入休眠状态，以节约能量； 减少数据的传输量：通过数据融合等方式减少无线通信模块接收和发送的数据 量，降低能耗； 采用多跳通信：无线通信模块的能量消耗e 与通信距离d 的关系为e = k d ”， ( 2 r l 4 ) ，因此尽量减少单跳通信距离，采用多跳通信可减少能耗。 ( 4 ) 无线传感器网络的体系结构概述 无线传感器网络的体系结构由三部分组成，包括分层的网络通信协议、网络管理平 台以及应用支撑平台，如图2 4 所示。 6 硕士论文 无线传感器网络节点调度算法的研究 应用支撑平台 匝亟蟹圃匝堕塑堕口 应用层l 时间同步l l 定位i安 全 传输层 传输控制 拓 服 移 网 网络层 路由 务 动 络 扑 质 管 控 量 能 理 数据链路层| m a c 制 且 里 物理层 声、光、电、磁 网络通信协议网络管理平台 图2 4 无线传感器网络的体系结构 分层的网络通信协议：与传统i n t e m e t 网络中的t c p i p 协议体系类似，无线传 感器网络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【6 】。物 理层负责信号的调制和数据的收发，主要采用无线电、红外线、光波等传输介质，i 数据 成帧、帧检测、介质访问和差错控制是在数据链路层完成的；网络层负责路由的发现和 维护；而传输层则对数据流的传输进行控制。应用层提供各种应用相关的增值业务。 网络管理平台：负责对传感器网络和传感器节点自身的管理，包括拓扑控制、 服务质量管理、安全移动厶皂量管理、网络管理等。拓扑控制调控节点状态的转换，并 要保证网络的连通，使数据能够有效地传输。拓扑控制一方面利用数据链路层、网络层 完成拓扑，另一方面又为它们提供基础信息支持，优化m a c 协议和路由协议，降低能 耗；服务质量( q o s ) 管理在协议层设计队列管理、优先级或者带宽预留等机制，并对特 定应用的数据给予特别处理；能量管理在无线传感器网络中占有重要的分量，因为电源 能量是无线传感器网络节点最宝贵的资源，我们需要合理、有效地控制节点对能量的使 用。因此每个协议层中都需要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配决策； 由于无线传感器网络的节点随机部署、网络拓扑动态变化、无线信道不稳定等因素，我 们必须设计新型的无线传感器网络安全机制，可以采用扩频通信、接入认证鉴权和数据 加密等技术；移动管理用来监测和控制节点的移动，维护到汇聚节点的路由，还可以使 传感器节点跟踪它的邻居；网络管理要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议 运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。 应用支撑平台：建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础之上，包括一 系列传感器网络应用软件系统，通过应用服务接口和网络管理接口为终端用户提供各种 具体应用的支持。 7 2 无线传感器网络及其覆盖问题硕士论文 2 1 2 无线传感器网络的主要特征及主要优势 无线传感器网络与传感器网络、无线自组织通信网络等概念既有区别也有一定的联 系，它并不是简单地利用无线方式对多个传感器进行组网，也不能理解为是无线自组织 通信网络在信息领域的简单推广。下面我们对无线传感器网络自身的一些特征与优势以 及它与无线自组织网络的区别加以分析【3 j 。 无线传感器网络有以下一些主要特征： ( 1 ) 传感器节点微型化无线传感器网络强调节点能够具备功耗低、价格低、体积 微小、集成度高等特征，微机电系统( m e m s ) 技术的提高，为这一需求提供了重要的技 术条件。 ( 2 ) 节点密集部署无线传感器网络的一个重要特征就是在目标监测区域内部署数 目庞大的类型相同或者不同的传感器节点。通过节点密集部署，可以在同一区域内使节 点具有较高的冗余度，从而降低对单一传感器节点精度和可靠性的要求。另外，通过密 集部署节点并对其进行合理的休眠调度，是延长网络寿命的有效途径。 ( 3 ) 协作网络无线传感器网络执行任务通过协作的工作方式进行，一般包括协作 式信息采集、协作式信息处理、协作式信息存储、协作式信息传输等。通过协作，传感 器节点可以共同对目标进行监测，获得更为精确、完整的信息；可以克服节点自身处理 能力和存储能力受限的不利因素，完成相对复杂的任务；可以通过多跳中继转发实现远 距离通信；可以通过多节点协作发射接收机制，延伸通信距离，改善通信质量等。 ( 4 ) 自组织网络无线传感器网络的自组织主要包括自组织通信、网络功能的自调 度以及网络的自管理等。无线传感器网络中，传感器节点经常随机部署，节点位置关系 不能预先确定，再加上由于节点的死亡或者新节点的加入使得网络拓扑往往处于动态变 化之中，因此无线传感器网络必须能够通过节点之间的协调，自动地进行配置和管理， 以适应环境，保持工作的连续性。 ( 5 ) 无线网络传感器节点采用无线方式进行组网，实现传感器节点之间、传感器 节点与网关设备之间的通信，提高了网络部署及应用的灵活性，节省了通信线缆，降低 了整个无线传感器网络的造价。 无线传感器网络通过无线通信方式，采用微小型的传感器节点获取信息。节点之间 具有自动组网和协同工作能力，与传统的传感器手段( 如单一大型传感器、有线传感器 网等) 相比，具有以下几个较为明显的优势： ( 1 ) 精度高大量传感器节点部署在监测区域，对目标进行近距离密集监测，能够 获取精度很高的信息感知度，这是传统单一大型传感器所不可比拟的。 ( 2 ) 灵活性强无线传感器网络的随机部署、网络自组织等特点使节点在部署后不 需要人为干预，能够迅速展开工作，特别适合某些偏、险的应用场合，如战场、沙漠。 无线传感器网络在部署、使用上的灵活性远远强于传统的传感器手段。 8 硕上论文 无线传感器网络节点调度算法的研究 ( 3 ) 可靠性高由于无线传感器网络具有自组织的特点，当网络中的某一节点失效 时，其它节点可迅速代替其执行任务，不会对整个网络的功能造成影响。 在通信方式上，无线传感器网络与无线自组织通信网络( m a n e t 、a dh o e 网络等) 最为接近，它们都可以不依赖任何网络基础设施而展开工作；都可以依靠节点之间的自 组织协调对信道资源的使用；都可以在网络拓扑动态变化的情况下实现多跳路由转发等 功能。但二者也存在着很大的区别，主要体现在： ( 1 ) 网络的目的不同无线传感器网络主要以获取感知信息为目的，是一种信息采 集网络；而无线自组织网络是以解决人与人或者设备与设备之间的信息传输为目的，这 是两者的一个根本区别。无线传感器网络中的通信作为一种保障手段实现各节点之间的 信息传输，传感器节点除了具有通信功能外，还有信息感知、信息处理等功能；而在无 线自组织通信网络中，通信则是其核心功能。 ( 2 ) 网络的形态不同无线传感器网络的规模通常比较大，节点数目可达无线自组 织网络的数十倍甚至数千倍，因此其节点密度也远远高于无线自组织网络。此外，二者 的网络拓扑均是动态变化的，但原因有所不同，在无线传感器网络中网络拓扑变化的主 要原因是传感器节点的休眠激活、失效补充以及可能存在的节点移动性【3 如 等；而无线 自组织网络的动态拓扑的原因主要是节点的移动性。 ( 3 ) 关注问题不同无线传感器网络的节点采用电池供电且能量难以再补充，因此 有效地利用能量是其设计的主要目标之一；另一方面传感器节点功能简单、处理能力较 弱、存储能量较小，无线传感器网络的协议和算法设计都很注重简单高效。而无线自组 织网络仍是一个通信网络，所关注的问题仍然侧重于网络的容量、q o s 保证等方面。 此外，二者在节点的能力、业务特征、设计理念等方面也有一定的差异，所以当前 无线自组织网络的许多协议和算法并不适合直接应用于无线传感器网络。 2 1 3 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络是当前研究的一个热点，一些新的相关技术标准也在广泛应用和协 商制定中：然而，目前该领域仍然存在一些问题和关键技术亟待解决。 ( 1 ) 网络协议由于传感器网络独特的资源限制和应用需求，传统的网络协议不再 适合无线传感器网络应用范例。如对于一个基于基础设施的蜂窝系统，其m a c 协议设 计的基本目标是提供高质量的服务质量( q o s ) 和带宽效率，且主要致力于资源分配策略。 而无线传感器网络没有像基站一样的中央控制机构，且能量的有效使用直接影响网络的 寿命，因此设计无线传感器网络的m a c 协议时，要特别关注t 能量感知和节省、网络 效率、可扩展性。目前对无线传感器网络协议的研究主要是在数据链路层和网络层。 ( 2 ) 拓扑控制拓扑控制是无线传感器网络的核心技术之一。良好的拓扑结构能够 提高m a c 协议和路由协议的效率，能够为数据融合、时钟同步和目标定位等方面提供 9 2 无线传感器网络及其覆盖问题硕士论文 支持，有利于节省能量，延长网络的生存时间。 ( 3 ) 覆盖控制对于无线传感器网络来说，网络的覆盖控制具有重要的意义。无线 传感器网络的节点随机部署、数量巨大且资源极其有限，根据不同的应用监测需求，我 们通过对网络进行不同类型的覆盖控制提高冗余节点的利用率，使传感器网络的各种资 源得到优化分配。 ( 4 ) 节点定位技术确定传感器节点所采集到的数据或者探测到的事件的位置信息 是许多无线传感器网络应用的基础，节点定位技术是无线传感器网络的重要功能之一。 为了提供有效而准确的位置信息，随机部署的传感器节点要能够在部署后确定自身的位 置。而由于传感器节点自身的资源有限、随机部署等特点，定位技术需要满足自组织性、 健壮性、能量高效和分布式计算等要求。 ( 5 ) 数据融合无线传感器网络中的传感器节点部署密集，同一目标往往被多个节 点同时监测，它们对同一事件采集到的数据具有很强的相关性，而监测应用有时并不需 要每个采集到的数据。传感器节点利用自身的存储和计算能力对收集到的数据进行融合 或压缩处理，可以去处冗余信息，减少数据的传输量，节省有限的能量。 ( 6 ) 时钟同步在无线传感器网络中，出于通信、计算以及休眠调度等的需要，在 所有节点之间维护精确一致的时间很必要。但是在传感器节点间建立并维持时间同步面 临许多其他系统所没有的困难，如传感器节点受成本和体积的制约通常采用低端晶振， 导致了较大的时钟漂移和经常发生的时钟跳变；网络的拓扑动态变化，经常出现失效节 点，因此很难使用一个单一的节点一直作为时钟基准等。因此传感器网络中的时间同步 是一个需要深入研究的问题。 另外，无线传感器网络中还有很多其它的关键技术，如数据管理、能量管理、网络 安全等。 2 1 4 无线传感器网络的未来发展趋势 近年来，随着嵌入式计算技术、网络通信技术、节点及电路制造等技术的进步，无 线传感器网络技术也获得飞速发展。 无线传感器网络具有广阔的应用前景，但作为一项前沿技术，在当前情况下，无线 传感器产业的发展与成熟仍然需要具备以下几个前提条件，对于无线传感器网络的研发 工作而言，应努力完善以下几个方面： ( 1 ) 更为成熟的技术技术优势是无线传感器网络优势的核心基础，无线传感器网 络技术的成熟也必然是无线传感器网络产业发展与成熟的重要前提。当前无线传感器网 络技术的研究已经取得了很大进展，但是由于无线传感器网络涉及学科众多，网络形式 相对复杂，节点资源( 如能量、处理、存储等) 相对紧缺，对无线传感器网络相关技术的 解决目前仍称不上非常完善。无线传感器网络的应用中，大都是试验应用系统。因此， 1 0 硕士论文无线传感器网络节点调度算法的研究 无线传感器网络的诸多技术还有待进一步提高，如网络协议技术、定位技术、节点制造 技术等。 ( 2 ) 更为低廉的造价当前，无线传感器网络的研究与应用已经远远超过了最初的 军事应用目的，对于民用而言，造价无疑是制约无线传感器网络发展的重要因素。因此 除了技术成熟度、社会需求的迫切性等因素之外，造价将是制约无线传感器网络大规模 商用的重要因素。无线传感器网络的造价除了与节点制造的技术水平( 如硬件技术、供 电技术等1 相关外，还与产品的应用及市场规模等因素密切相关，相信随着技术的发展 和市场的成熟，这一目标将逐步实现。 ( 3 ) 更为成功的应用模式成功的应用模式对无线传感器网络的大范围市场推广必 然有很大的帮助。无线传感器网络的应用范围广泛，在今后的工作中，针对一些典型的 有较好市场前景的应用领域，结合具体行业的特点和用户需求，积极开展面向典型行业 的示范系统开发与应用，以示范效应带动无线传感器网络产业的发展也是一个需要努力 的方向。一些研究机构( 如i n t e l 公司) 在应用试验方面开展了许多工作，应用领域涉及机 器工作状态监测、桥梁健康状态监测、智能农业、老年人健康监护等，一些典型的应用 试验情况，如表2 1 所列【3 刀】。 表2 1i n t e l 进行的典型应用试验情况 目的传感器类型节点数参与方 大鸭岛微小气候和海燕行为温度、湿度、红外 1 5 0 i n t e l 、b e r k e l e y 公司 监测 老年人健康监护运动、压力、红外 1 3 0 i n t e l 公司 红木丛林微气候监测温度、湿度、光强、气压8 0 i n t e l 、b e r k e l e y 公司 芯片工厂中的设备发动机运振动和转数 7 0 i n t e l 、b e r k e l e y 公司 行状态监测 葡萄园中生长环境与细菌污温度 6 5 i n t e l 公司 染程度监测 ( 4 ) 技术标准化 目前，无线传感器网络的整体标准化水平比较低，常见的只有 i e e e8 0 2 1 5 4 【刀、z i g b e