（仪器科学与技术专业论文）无线传感器网络若干关键技术研究及实验平台设计.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 无线传感器网络是由大量具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的 自组织分布式网络智能系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络区域中的信 息并发送给观察者。无线传感器网络有广阔的应用前景，可广泛应用于军事、环 境、医疗保健、空间探索及各种商业应用。尽管如此，这种网络还存在诸多问题， 比如路由协议、能耗、通信安全、定位等。到目前位置，这项技术还处于研究探 索阶段，因而对无线传感器网络的研究是很有价值的。 本文首先介绍了无线传感器网络的基本原理及特点。随后，重点研究了无线 传感器路由协议，对无线传感器网络中典型的协议进行了研究和比较，在s p i n 协 议模型基础上，设计了传感器网络实验系统路由协议。接着，通过对无线传感器 网络安全问题的分析，对无线传感器网络可能遭受的攻击进行了总结，并提出了 具体的防御措施。针对节点能量局限性问题，分别对无线传感器网络的节点、网 络进行了能耗分析与优化，最后给出了能耗优化在无线传感器网络实验平台上的 实现方法。之后，详细介绍传感器网络实验系统的实现，给出了基于m s p 4 3 0 和 n r f 9 0 5 的传感器节点、基站的硬件电路设计和控制软件设计。最后，着重研究了 超声测距方法，结合应用背景要求，研究了利用超声波测距实现节点定位的解决 方案。 关键字：无线传感器网络路由协议网络安全低功耗定位技术 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t p a c t t h em a s s i v e l yt i n ys e n s o rn o d e sw h i c hh a v et h ew i r e l e s sc o r r e s p o n d e n c ea n dt h e c o m p u t a t i o na b i l i t yc o n s t i t u t et h es e l f - o r g a n i z i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n t e l l i g e n c e s y s t e m t y p i c a l l y , t h e s en o d e sc o o r d i n a t et op e r f o r mac o m m o nt a s k t h e yp e r c e i v e ， c o l l e c ta n dc o m p u t et h ei n f o r m a t i o no ft h eo b j e c t s ，t h e nt r a n s m i tt h ea g g r e g a t e dd a t at o t h eo b s e r v e r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a sw i d ea p p l i c a t i o n s i n c l u d i n gi n t h e f o r e g r o u n d so fm i l i t a r y , e n v i r o n m e n t ，m e d i c a lt r e a t m e n t ，s p a c ee x p l o r i n ga n dv a r i o u s b u s i n e s s n e v e r t h e l e s s ，t h e r ea r es t i l ls e v e r a lp r o b l e m s ，s u c ha st h eo n e sc a u s e db yn o d e m o b i l i t y , c o n s t r a i n to fe n e r g yc a p a c i t a n c ea n dc o m p u t i n ga b i l i t yo fn o d e s ，c o m p l e t e l y d i s t r i b u t e de n v i r o n m e n ta n de t c u pt on o w , t h i st e c h n o l o g yi ss t i l li nt h ee x p l o r i n g p e r i o d ；t h e r e f o r ei t sv a l u a b l et od or e s e a r c ho n i t i nt h i s p a p e r , t h eb a s i cp r i n c i p l e s a n dc h a r a c t e r i s t i c sa r ef i r s ti n t r o d u c e d s u b s e q u e n t l y ，t h ep a p e rm a k e sf o c u so nt h ew i r e l e s ss e n s o rr o u t i n gp r o t o c o l ，a n dt h e t y p i c a lp r o t o c o l si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r es t u d i e da n dc o m p a r e d o nt h eb a s i so f t h es p i nm o d e le x p e r i m e n t a ls y s t e mr o u t i n gp r o t o c o li sd e s i g n e d t h e n ，t h r o u g ht h e a n a l y s i so ft h ei s s u eo fn e t w o r ks e c u r i t y ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sm a yb es u b j e c tt oa s u n l n l a r yo fa t t a c k s ，a n dt h ep a p e rp u tf o r w a r ds p e c i f i cm e a s u r e s b e c a u s eo fe n e r g y l i m i t a t i o n sa g a i n s tn o d e s ，t h ep a p e rr e s p e c t i v e l ya n a l y s i st h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e sa n dt h en e t w o r k ，a n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h ee n e r g y c o n s u m p t i o ni sg i v e ni nt h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r ke x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo nt h e m e t h o d a f t e rad e t a i l e di n t r o d u c t i o no fs e n s o rn e t w o r k st oa c h i e v ee x p e r i m e n t a l s y s t e m ，h a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dc o n t r o ls o f t w a r ed e s i g no ft h es e n s o rn o d e sa n dt h e b a s es t a t i o na r ep r e s e n t e db a s e do nt h em s p 4 3 0a n dn r f 9 0 5 f i n a l l y ，t h ep a p e rm a k e s f o c u so nt h eu l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n tm e t h o dc o m b i n e dw i t hb a c k g r o u n d r e q u i r e m e n t s a n dm a k e sr e s e a r c h e si n t on o d el o c a l i z a t i o ns o l u t i o no ft h eu s eo f u l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n t 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 ，n e t w o r ks e c u r i t y ，l o w e n e r g yc o s gl o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g y 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签型弩 日期：励7 年，月彩日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目 学位论文作者 作者指导教师 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 集成了传感器、微机电系统和通信网络技术而形成的无线传感器网络，可用 于布线和电源供给困难、人员不易到达的区域及一些临时场合，是一种全新的信 息获取和处理技术，在军事、环境、工业、医疗和空间探索等领域有着广阔的应 用前景【l l 。无线传感器网络将逻辑信息世界和客观物理世晃融合在一起，将改变人 类与物理世界的信息交互方式，拓展人类认识物理世界的能力【2 】。 1 1 1 研究背景 1 1 研究背景和意义 本文所要讨论的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w s n ) 是指由部署在 检测区域内的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 跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知 对象的信息并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三 个要素【3 1 。传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科 技产业。 无线传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术方面向科 技工作者提出了大量的挑战性研究课题： l 、由于传感器网络中的传感器节点分布密集，所以需要大范围的管理技术， 同时传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络路由协议 提出了更高的要求。 2 、由于传感器网节点多，覆盖范围大，对于电池供电系统通过更换电池来延 长网络寿命不容易实现，必须充分考虑节能的问题，使得整个网络消耗较少的能 量完成较多的任务。 3 、位置信息是传感器节点采集数据缺少的部分，没有位置信息的监测消息通 常是毫无意义的。 4 、传感器网络作为任务型的网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数据 采集和融合、任务的协同控制等，如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠 性以及数据传输的安全性，就成为传感器网络安全问题需要全面考虑的内容【l 州。 1 1 2 研究意义 无线传感器网络集数据采集、处理、传送于一身，大量的无线传感器网络节 点分布在被检测区域或被监控对象之上，通过自身的路由协议进行自组网，传感 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 器根据最佳的路由选择被转发到网关节点，最终被传送到几公里甚全几千公里外 的监控终端上。可以说无线传感器网络技术将有限距离的传感器应用扩展为无处 不在，种类丰富的网络应用，在客观世界对象与人之间建立了种有效的沟通方 式，成为一项有着广阔发展空间与美好发展前景的应用技术【4 】。 概括起来，课题的研究意义主要有以下几个方面： 1 追踪国际前沿技术，研究无线传感器网络关键技术，为无线传感器网络的推 广应用奠定基础。 2 研制无线传感器网络节点，构建无线传感器网络实验平台，对于研究无线传 感器网络具有很重要的现实意义，为下j 步研制实用的传感器节点作技术储备。 3 对各种具体的路由协议进行详细的分析，用仿真软件进行比较。选择最适 合自己开发的传感器的路由协议，并设计高效率、低能耗、高可靠性、高安全性 的路由算法，为无线传感器网络路由协议的研究设计提供参考。 4 对于大多数应用，不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。针对节点 定位问题的研究设计，能够使传感器节点明确自身位置，还可提高路由效率。 5 对无线传感器网络节能机制的研究能够最大化网络生存时间。 1 2 无线传感器网络简介与军事应用 1 2 1 无线传感器网络体系结构 在无线传感器网络中，节点通过飞机布撒，人工布置等方式，大量部署在感 知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感 知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时 间的采集，处理和分析。这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数 据传回s i n k 节点( 接收发送器) ，最后借助s i n k 链路将整个区域内的数据传送 到远程控制中心进行集中处理。一个典型的无线传感器网络的体系构建包括分布 式传感器节点( 群) 、接收发送器、互联网和用户界面掣引，如图1 1 所示。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 1 无线传感器网络体系结构 1 2 2 传感器网络的基本特征 传感器节点具有传感、信号处理、通信部件，自动动作，相互通信，共同协 作完成感知世界的任务。因此，传感器网络可以成为一种新型的网络系统，它与 传统系统相比，具有许多新的特征 6 1 ： 与物理世界紧密耦合 传感器网络部署在物理世界中，在无人看守的情况下感知环境状况( 如温度、 空气质量、震动等) ，相互通信，对感知数据进行处理并实时作出反应。 节点资源受限 由于受成本和物理环境的限制，传感器节点的处理能力、存储空间、通信带 宽都极为有限。节点一般由电池驱动，而且在大多数应用环境中采用更换电池的 方式以补充能源是不现实的，使能源成为系统最宝贵的资源。 大规模密集部署 传感器网络中节点数量庞大，如果将多个系统连接起来，就可能产生具有数 百万节点的传感器网络系统。不仅如此，传感器节点的分布密度也非常大。 并行密集运作( c o n c u r r e n c y i n t e n s i v eo p e r a t i o n ) 网络传感设备基本的运作模式是将信息从一个地方传送到另外一个地方并且 进行适当的处理。另一方面，通常信息流的大量低层事件中混有高层处理信息， 这些高层处理信息可能延伸符合( m u l t i p l e ) 实时事件( r e a l - t i m ee v e n t s ) 。 高度动态的系统行为 传感器网络的节点易于失效( 可能发生故障，能源耗尽或通信受到干扰) ，而 且节点的增加、删除或移动现象也时常发生，导致网络拓扑变化频繁。加之物理 环境不确定性的影响，使整个系统呈现高度的动态性。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 以上这些特点中，相对于传统无线网络和i n t e m e t 网络，无线传感器网络的特 征有所不同，归纳起来如表1 1 所示。 表1 1 无线传感器网络与其它无线网络的区别 无线传感器网络其它无线网络 与物理世界关系紧密松散 节点标识统一寻址开销大，基于属性寻址统一寻址 数据流处暑模式源节点采集的数据流向s i n k ( 多对一)组播( 一对多) 对等( 一对一) 或多对多 节点能量节点自身能量有限，计算能力弱依设备而定 节点移动性多数静态，少数可移动节点可自由移动 应用场合面向特定应用，随具体应片j 需求变化通 j 性更强 时效性要求较高一般 1 2 3 无线传感器网络的军事应用 无线传感器网络在军事领域的应用十分重要，军方可以通过飞机空投等方式 在预定区域散布大量微型廉价的传感器节点，通过这些传感器节点实时监测周围 环境的变化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发送回基地，这样就可以方 便地监控我军布防地阵地是否有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以 隐密的方式监控敌方阵地和敌军活动情况。 灵巧传感器网络( s s w ) “灵巧传感器网络”( s s w ：s m a r ts e n s o rw e b ) 是美国军方提出的针对网络中心 战的需求所开发的新型传感器网络。其基本思想是在战场上布设大量的传感器以 收集和中继信息，并对相关原始数据进行过滤，然后再把那些重要的信息传送到 各数据融合中心，从而将大量的信息集成为一幅战场全景图，当参战人员需要时 可分发给他们，使其对战场态势的感知能力大大提高。s s w 系统作为一个军事战 术工具可向战场指挥员提供实时或近实时的战场信息，包括通过有人和无人驾驶 的地面车辆、无人驾驶飞机、空中、海上及卫星中得到的高分辨率数字地图、三 维地形特征、多重频谱图形等信息。系统软件将采用预先制定的标准来解读传感 器的内容，将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等前后相关信息，以及由 其它传感器输入的信息相互关联，从而为交战网络提供诸如开火、装甲车的行动 以及爆炸等触发传感器的真实事件的实时信息。s s w 系统是关于传感器基于网络 平台的集成，这种集成是通过主体交互作用来实现的。例如，一个被触发的传感 器主体可能会要求在其范围内激活其它传感器，达到对前后相关信息的澄清和确 认，该要求信息同来自气候或武器层的s s w 中的信息相结合，就生成一幅有关作 战环境的全景图。 目标定位网络嵌入式系统技术 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 目标定位网络系统技术( n e t w o r ke m b e ds y s t e mt e c h n o l o g y ) 战场应用实验是由 美国国防高级研究计划局主导的一个项目，它应用了大量的微型传感器、先进传 感器融合算法、自定位技术等各方面的成果。2 0 0 3 年该项目成功验证了能够准确 定位敌方狙击手的传感器网络技术，它采用多个廉价音频传感协同定位敌方射手 并标识在所有参战人员的个人计算机中，三维空间的定位精度可达到1 5 米，定位 延迟达到2 秒，甚至能显示出敌方射手采用跪姿和站姿射击的差异。 防核生化袭击 美国c y r a n os c i e n c e s 公司已将化学剂检测和数据解释组合到一种专有的芯片 技术中，称为c y r a n on o s e c h i p 。基于这一技术可创建一个低成本的化学传感器系 统，捕获和解释数据，并提供实时告警，以应付恐怖分子使用化学武器进行的攻 击。该系统在前端使用一个c 3 2 0 手持传感器负责收集有关化学剂的数据，该传感 建有与后方笔记本电脑的无线连接，电脑上运行着远程监控和服务器程序。该系 统使用i b m 公司的无线通信设备w e b s p h e r em qe v e r y p l a c e 传输数据，这个手持 设备还可以小型化为微小结点，部署到监测环境中去，形成自主工作的无线传感 器网络1 4 2 j 。 1 3 国内外研究现状 无线传感器网络是面向物理世界的一种崭新信息处理系统，是一种新的计算 模型，涉及网络的组织、管理和服务框架，信息传输路径的建立机制、面向需求 的分布式信息处理模式等问题。无线传感器网络从最初发展到现在，已经成为i t 领域的研究热点之一，吸引了众多的学者进行各方面的研究，每个领域都已经有 许多的研究成果，并有新的不断涌现 7 1 。到目前为止无线传感器网络的发展已经经 历了三个阶段【8 】： ( 1 ) 点对点。只是简单取代了有线网络，各个设备之间只是直接联系，只有 有限通信能力。 ( 2 ) 点对多点。传感器网络中有一个路由和控制的中央节点，所有数据流动 必须通过基站。 ( 3 ) 多跳网状结构。完全的r f 冗余，具有多数据通道，自我建构，自我调 整，智能分布式。 1 3 1 国外研究现状 ( 1 ) 智能尘埃( s m a r td u s t ) s m a r td u s t 是美国d a r p a m t om e m s 支持的研究项目，其目的是结合m e m s 技术和集成电路技术，研制体积不超过l m m 3 ，使用太阳能电池，具有光通信能力 第5 页 圜防科学技术人学研究生院学位论文 的自治传感器节点。由于体积小，重量轻，该节点可以附着在其他物体上，甚至 在空气中浮动。 s m a r td u s t 有被动和主动两种通信模式。被动模式中节点本身不发光，而是通 过反射来自基站收发器的光完成信息传递。这简化了节点复杂度，而且降低了节 点功耗。不能主动发送消息，只能等待主站查询，所以响应速度比较慢。主动模 式在节点上增加激光，校准透镜和光束调节微镜等装置，在有数据需要发送的时 候可以主动向周围的节点或者主站发送，这种方式增加了节点功耗，但减少了响 应延迟。 被动方式的传感器节点依赖基站完成通信，只能够建节点直接与基站通信的 集中式网络；主动方式在解决多方向激光发射方面也有困难。这些技术上的难点 在一定程度上限制了s m a r td u s t 的应用。 ( 2 ) m i c a 系列节点 m i c a 系列节点是加州大学伯克利分校主持开发的低功耗无线传感器节点。处 理器芯片采用a t m e l 公司的a v r 系列( t i 公司的m s p 4 3 0 也是不错的选择) ，无 线电收发模块采用t r l 0 0 0 或c c l 0 0 0 0 ，外加相应传感器接口，实现了无线传感器 节点。节点间通过无线电方式进行通信，协作完成指定任务；节点自身通过a d c 通道来感j m j l - 界数据。 m i c a 系列节点包括w e c ，r e n e e ，m i c a ，m i c a 2 ，m i c a 2 d o t 和s p e c 等。如图1 2 所示。 其中m i c a 2 和m i c a 2 d o t 节点已经由c r o s s b o w 公司包装生产。 融罄 w e c ( 1 9 9 9 )r e n e ( 2 0 0 0 ) d o t ( 2 0 01 ) i n t e g r a t i o no fs e n s i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，a n dc o m p u t a t i o n l o w - p o w e r ，w ir e l e s s “m o t e s ”w i t hc p u ，s e ns o r s ，l o w - b i t r a t er a di o m i c a ( 2 0 0 2 )s p e c k ( 2 0 0 3 ) t e t o s ( 2 0 0 4 ) 图1 2m i c a 系列节点实物图 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 3 ) t e l o s 节点 t e l o s 节点是美国国防部d a r p a 支持n e s t 项目的一部分，与m i c a z 节点相 比，它在设计结构上作了一些改变，使用了i e e e 8 0 2 1 5 4 通信协议，2 5 0 k b p s 的数 据收发速率可以使节点更快完成通信事件的处理，快速休眠，节省系统能量。而 且标准化的通信协议有利于实现节点之间的互通。使用u s b c o m 的桥接口，可 以直接通过u s b 接口供电、编程和控制，进一步简化了外部接口。该节点已经被 m o t e v 公司产品化。 ( 4 ) 大鸭岛生物监测 项目开始于2 0 0 2 年春。远端利用m o t e 形成的网络观察动物的栖息地环境。 网络节点是“自治”的，m o t e 构成了多跳的网络( s e n s o r p a t c h ) 。每个网关m o t e 节 点利用外向天线将数据转发到基站( b a s es t a t i o n ) ，基站是3 5 0 英尺外的一台笔记本， 对数据进行存储并转发到i n t e r n e t 上。 图1 3 大鸭岛生物监测项目 ( 5 ) 英特尔公司关于家庭护理的无线传感器网络系统 2 0 0 4 年3 月英特尔公司演示了该系统。该系统通过在鞋、家具以及家用电气 等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏患者以及 残障人士的家庭生活，利用无线通信将各种传感器联网可高效传递必要的信息从 而方便接收护理。 1 3 2 国内研究现状 国内，关于传感器网络的研究起步晚，这方面的工作也很少，但目前已越来 越受重视。国家发展改革委办公厅下发的“关于组织实施下一代互联网示范工程 2 0 0 5 年研究开发，产业化及应用实验的通知”中已将传感器网络( i p v 6 无线传感 器网络节点等) 及家庭网络( 面向数字家庭的网络处理器芯片及家庭网关等) 列为 第7 页 国防科学技术人学研究生院学何论文 支持的重点。我国的一些高校与研究机构业已积极开展无线传感器网络的相关研 究工作，主要有清华大学，中科院计算所，浙江大学，哈尔滨工业大学，困防科 技大学等【8 j 。 图1 4 中科院计算所研制的g a i n s 一31 ，点 目前国内研究热点主要集中在感知环境、智能教室等领域，对路由协议，网 络安全，定位技术等关键技术不断涉及。随着无线传感器网络应用的同益发展与 不断深入，支持无线传感器网络的无线通信网络技术、数据融合技术、超微型嵌 入式实时操作系统等若干关键技术的研究将成为未来无线传感器网络应用的发展 趋势和热点。 1 4 论文主要内容 普遍网络化孕育的无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术，它有着 传统技术不可比拟的优势，在军事领域有着广泛的应用自，景。为了实现无线传感 器网络的实际部署应用，本文以军事应用为背景针对无线传感器网络的若干关键 问题进行了探讨，并设计实现了小规模无线传感器网络实验平台。论文的研究内 容安排如下： 第一章绪论。主要介绍了研究背景、意义及军事应用，并介绍了国内外研究 现状，由此引出了其后的具体研究内容。 第二章无线传感器网络路由协议研究与设计。分析了无线传感器网络路由协 议面临的问题与挑战，对几种典型的路由协议进行了对比研究，在此基础上，设 计了无线传感器网络实验平台的路由协议。 第三章无线传感器网络中的安全问题分析。分析了无线传感器网络面临的安 全问题，总结了无线传感器网络可能遭受的攻击，提出了防御措施。 第四章超低功耗技术研究。对无线传感器网络进行了能耗分析及能耗优化， 并在无线传感器网络实验平台上实现能耗优化。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学何论文 第五章无线传感器网络实验平台设计。论述了无线传感器网络总体设计方 案，详细介绍各个模块的电路设计，节点与基站的底层程序设计，p c 机界面设计 等。 第六章无线传感器网络节点定位技术研究。论述了定位技术的研究现状与意 义，研究了实验平台节点定位解决方案，提出了定位算法并进行了仿真。 第七章总结与展望。总结全文，并展望未来的研究工作。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章无线传感器网络路由协议研究与设计 设计高效的、自组织的路由协议是传感器网络最具挑战性、最重要的工作之 一。合理的路由通讯协议设计是保证可靠有效的数据传输的基础，本章首先对传 感器网络路由协议进行了研究，然后给出了无线传感器网络实验平台路由协议具 体的设计方案。 2 1 传感器网络路由协议所面临的问题与挑战 无线传感器网络路由协议的目的是将分组从源节点( 通常为传感节点) 发送到 目的节点( 通常为汇聚节点) ，只要完成两大功能：一是选择适合的优化路径，一是 沿着选定的路径正确转发数据。尽管传统的无线局域网络或者移动a dh o e 网络基 于提高服务质量q o s 和公平性提出了很多路由协议，但这些协议的主要任务不是 考虑网络能量消耗，而是追求端到端的延迟最小，网络利用率最高以及避免通信 拥塞和均衡网络流量的最优路径。而无线传感器网络节点又具有能量限制，且考 虑网络节点数目通常很大，节点只能获取局部拓扑信息来构建路由，再加上无线 传感器网络较强的应用相关性和考虑到数据的融合处理，因此不仅传统无线网络 路由协议不再适合，而且也很难设计一个适合无线传感器网络的通用路由协议。 其中，无线传感器网络路由协议设计的一个主要目标就是在执行数据通信功能前 提下尽可能延长网络的寿命，并通过积极的能量管理技术避免网络连接性因节点 能量不足而造成的恶化。 针对无线传感器网络的特点，为了实现有效的通信，传感器网络路由协议应 面临和克服一些设计问题和技术挑战。 l 、保证精度前提下的能耗问题。由于通常无线传感器网络节点数量较大，这 种无线环境下为了确保监测或跟踪定位精度等，部分节点可以用光所有能量来执 行计算和传输信息的任务，但由于节点采用有限能量电池供能，当一些节点电池 寿命终结后直接导致网络拓扑发生变化，从而要求网络的重新组织和重新路由数 据分组信息。 2 、网络节点的配置。无线传感器网络节点的配置是依赖于应用且影响网络路 由协议的性能。通常配置有两种方式：确定配置和随机分布两种。前一种方式下 传感器节点是通过人工布置的，且数据是通过预先定义的路径传播的。然而，在 随机配置情况下，节点随机分布，通过a dh o e 自组织方式建立基础通信设施。如 果随机产生的节点分布不均匀，如要考虑网络连接性和有效节能运作的话，则很 有必要采用优化分簇的策略。由于能量和带宽的限制，传感器节点间的通信通常 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 都在较短的通信传输距离之内。因此，一条路由很可能包括多跳组成。 3 、以数据为中心的数据报告模型。无线传感器网络数据发送和报告依赖于应 用和时间响应特性。数据报告模型可分为时间驱动、事件驱动、查询驱动和混合 驱动四种。时间驱动模型适合于需要周期数据监控的应用。正因为如此，节点需 要周期切换它们的感应和发射模块，以固定时间周期间隔来感知环境和发送需要 的数据。对于事件驱动和查询模型，当某种事件发生或基站发起查询，节点会立 即响应感知属性值的大的突发变化，因而比较适合时刻紧急应用。上述几种模型 的组合就构成了混合模型。数据报告模型严重影响路由协议的路由稳定性和能耗。 4 、节点或链路的异构性。通常很多研究中，都假定传感器节点是同构的，如 在计算、通信和能量都是相同的容量。然后，由于应用的不同，传感器节点可能 担当不同的角色和执行不同的功能。异构传感器的存在提出了很多与数据路由相 关的难题，如一些应用可能需要多种混合的传感器来监测温度、压力和周围环境 的湿度，利用声音信号监测移动性，捕获移动物体的视频或图像等。另外，特殊 的传感器要么独立配置，要么同一传感器集成了不同的功能。及时数据采集或报 告由于多种服务质量需求都可能以不同速率传输，而且可能遵循多种数据报告模 型。如分级协议就指定了不同于一般感应节点的簇头节点，从配置的节点中选出 的簇头可能在能量、带宽和存储能力方面都比其他传感器节点功能更强大些。 5 、容错能力和鲁棒性。一些节点可能会由于能量用尽、物理损坏或环境干扰 等因素造成故障或失效。节点失效不应当影响网络总的任务的执行。如果很多节 点都失效了，则m a c 和路由协议必须保证新的链路产生，并且将数据路由到数据 采集基站。这可能要求节点主动调节发送功率和信号速率以减少能耗，或者通过 网络能量更充足的区域重新路由分组。因此，在一个要求有容错能力和鲁棒性的 无线传感器网络中有必要考虑多层次的冗余配置。 6 、网络动态和扩展性。尽管大多数传感器网络应用都是假定节点为静止的， 仍然存在很多应用要考虑感应节点或基站的移动性。来自于移动节点的路由消息 更具有挑战性，因为路由的稳定性直接影响路由消息的可靠传输。另外，感应现 象也可能是动态的或者静态的，取决于具体应用，如动态目标跟踪和静态森林火 灾预警监测等。对于不同感应现象路由协议设计时可以采用按需或主动模式的事 件报告机制。由于监测区域范围或节点密度不同，配置的网络规模大小也不同， 路由协议还必须适应在大量节点参与的环境条件下的正常工作。节点加入或撤出 以及节点的移动，都会使网络拓扑发生变化，这就要求路由机制具有扩展性，能 够适应网络结构的变化。 7 、路由相关的传输介质问题。通常，传感器网络数据业务要求的带宽较低， 大致在1 1 0 0 k b p s 数量级。设计路由时应当考虑下面的( 如i e e e 8 0 2 1 1 ) m a c 层协 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 议设计，一般来说，基于t d m a 机制的协议相比基于竞争的c s m a 机制的协议要 更节能一些，如蓝牙技术。 8 、连接性和覆盖问题。通常传感器网络配置较高的节点密度以增强节点间的 强连接性，尽管如此，由于节点故障或失效，整个网络拓扑的变化或网络规模大 小不可避免要发生变化，从而影响原有的连接性，并且网络连接性跟节点分布( 有 可能是随机分布的) 有关。此外，由于感应距离和精度的局限，无线传感器网络中 每个节点感知的环境视图( e w ) 都有限，因为它们只覆盖了有限的物理环境区域。 因此，物理配置区域也是路由协议应该考虑的一个至关重要的因素。 9 、数据汇聚或融合问题。由于传感器网络节点产生大量冗余数据，多个类似 的分组可以汇聚以便减少传输分组的数量。所谓数据汇聚就是根据某种汇聚功能， 如双倍压缩、取最小化和最大化以及平均等处理，将不同源节点发来数据进行综 合。数据融合通常是指采用信号处理方法，如利用波束形成技术综合接收的各种 信号以减少信号的噪声，来产生一个更精确的信号。大量的无线传感器网络路由 协议都采用了数据汇聚或融合技术来实现有效节能和数据传输优化的目标。 1 0 、面向应用和服务质量( q o s ) 。无线传感器网络应用环境千差万别，需要针 对每一应用的具体要求设计相应的路由协议。服务质量问题，如一些时间受限的 应用要求数据传输必须有限定的延迟。然而某些应用，考虑能量的节省( 因为关系 到网络的寿命) 比数据传输质量更为重要。为了减少能耗和延迟网络寿命，不得不 降低对传输数据质量的要求。 1 1 、算法的快速收敛性。由于网络拓扑的动态变化，节点能量和通信带宽资 源的限制，因此要求路由协议算法能够快速收敛，以适应拓扑的动态变化，减少 通信协议的开销，提高消息传输的效率【4 3 j 。 2 2 传感器网络路由协议对比研究螂妇 通过对当前无线传感器网络路由协议的研究，选取了以下较为重要的路由协 议，对其核心路由机制、特点和优缺点进行了分析。 ( 1 ) f l o o d i n g 协议和g o s s i p i n g 协议。这是两个最为经典和简单的传统网络路 由协议，可应用到无线传感器网络中。在f l o o d i n g 协议中，节点产生或收到数据 后向所有邻节点广播，数据包直到过期或到达目的地才停止传播。该协议具有严重 缺陷：内爆( 节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据) 、交叠( 节点先后收到监控 同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据) 、资源利用盲目( 节点不考虑自身资 源限制，在任何情况下都转发数据) 。g o s s i p i n g 协议是对f l o o d i n g 协议的改进， 节点将产生或收到的数据随机转发，避免了内爆，但增加了时延。这两个协议不需 要维护路由信息，也不需要任何算法，简单但扩展性很差。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 2 ) s p i n ( s e n s o rp r o t o c o lf o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) 协议是一种以数据为 中心的自适应路由协议。s p i n 协议的目的是：通过节点之间的协商，解决f l o o d i n g 协议和g o s s i p i n g 协议的内爆和重叠现象。s p i n 协议有3 种类型的消息，即a d c 、 r e q 和d a t a 。a d c 用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用 其进行数据信息广播。r e q 用于请求发送数据，当某一个节点希望接受d a t a 数 据包时，发送a z q 数据包。d a t a 为传感器采集的数据包。 在发送一个d a t a 数据包之前，一个传感器节点首先对外广播a d v 数据包， 如果某一个节点希望接受要传来的数据信息，则向发送a d v 数据包的节点回复 r e q 数据包，因此，便建立起发送节点和接受节点的联系，发送节点便向接受节 点发送d a t a 数据包，s p i n 协议的工作流程如图2 1 所示。 岔分牙 图2 1s p i n 协议的工作流程 ( 3 ) l e a c h ( 1 0 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 ) 是第一个在无线传感器网 络中提出的层次式路由协议。其后的大部分层次式路由协议都是在它的基础上发 展而来的。l e a c h 算法主要通过随机选择簇头节点，平均分担中继通信业务来实 现。l e a c h 定义了“轮 ( r o u n d ) 的概念，每一轮由初始化和稳定工作两个阶段 组成：在初始化阶段，随机选择节点为簇头节点，簇头节点向周围广播信息，其 他节点根据接受到广播信息的强度来选择它所要加入的聚类，并发送信息至相应 的簇头节点。在稳定工作阶段，节点持续采集监测数据，转发到簇头节点，由聚 类节点对数据进行必要的聚集之后，发送到终端节点。下一轮工作周期重新选择 簇头节点。 簇头节点的建立过程是：节点从0 到1 的随机数中任意选择一个数值，若当 前轮中这个数值小于设定的阀值t ( n ) ，则该节点成为簇头节点。其中阀值t ( n ) 的 设定能充分保证选择的簇头节点在网络中的分布呈随机状态。 l e a c h 协议能使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多 跳路由协议和静态聚类算法相比，l e a c h 可以将网络寿命延长1 5 。但是l e a c h 假设所有的节点都能直接与簇头节点和终端节点通讯，采用连续数据发送模式和 单跳路径选择模式，因此在需要监测面积范围大的应用中不适用，而且动态分簇 带来了拓扑变换和大量广播这样的额外开销。 ( 4 ) d i r e c t e dd i f f u s i o n 是以数据为中心的路由协议发展过程的里程碑。其他 的以数据为中心的路由协议都是基于定向扩散改进或者采用类似的关键思想来提 出的。d i r e c t e dd i f f u s i o n 算法的主要思想是对网络中的数据用一组属性对命名， 第1 3 页 对某事件发出查询命令时开始一个新的定向扩散过程，它由查询扩散，初始梯度 建立和数据转发三个阶段构成：在查询扩散阶段，s i l l k 节点采用和目标数据相似 的一组属性对来命名它发出的查询信息，并将查询信息通过洪泛逐级扩散，收到 查询信息的节点缓存信息，并进行局部数据聚集，最终查询信息遍历全网，找到 所有匹配的目标数据。初始梯度建立阶段实际上和查询扩散阶段是同时进行的， 当节点从邻接点接收到新的查询信息时，将在查询缓存中加入新记录，记录中包 含了邻接点指定的数据发送率也就是“梯度”。在数据转发阶段时，s i n k 节点会 对最先收到新数据的邻接点发送一个加强选择信息( 发送具有更大的“梯度的 查询信息) ，接收到加强选择的邻接点同样加强选择它的最先收到新数据的邻接 点，这样最终会形成一条“梯度 值最大的路径。目标数据能沿这条加强路径以 较高的数据发送率来转发数据，而其他数据发送率停留在较低水平的节点组成的 路径可以作为备选路径以增加网络可靠性。 一一随泓呼s ；晾 d i r e c t e dd i f f u s i o n 采用局部通信的方式来避免维护全局拓扑，采用查询驱 动数据转发模式和局部数据聚集而减少网络数据流，因此是一种高能源有效性的 协议。它的缺点是，不能很好的应用于需要连续数据的应用中；在初始查询阶段 和更新查询信息阶段存在着极大开销的分组洪泛。 ( 5 ) g e a r ( g e o g r a p h i ca n de n e r g ya w a r er o u t i n g ) 是充分考虑了能源有效性的 基于地理位置的路由协议，它能很好的适用于无线传感器网络。g e a r 算法利用 节点的地理位置，直接将分组转发到适当的位置区域中，从而避免分组在整个网 络中洪泛。g e a r 采用查询驱动的分组转发模式。分组转发到目标节点的过程包 括两个阶段：目标域分组转发和域内分组转发。在目标域分组转发阶段，节点接 收到分组后，选择具有最小“发现开销的邻接点作为下一跳节点，其中“发现 开销”是节点消耗能量和离目标域距离的组合。在域内数据转发阶段，通过递归 目标域分组转发方式将分组转发至目的节点。 g e a r 利用节点地理位置避免了分组在网络中洪泛，并通过“发现开销 使 节点能耗在网络中均匀分布，从而降低了分组转发的能源开销，有效的延长了网 络寿命。他的缺点是g p s 信息的连续发送带来了额外花销。 ( 6 ) t t d d 是一种典型的混合式路由协议。它利用传感节点对地理位置的可 知性和节点处于静态的特点，建立并维持一种网格结构，由网格顶点进行分组转 发，并引入两层