（信号与信息处理专业论文）基于分簇的无线传感器网络拓扑控制算法研究.pdf

8z 0 j v ! i - 。一 独创性声明 j i i i r lrliiif i l l lf l l f l l1 flr lf i l lji u l y 1718 4 5 8 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技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。 签名：王国窖茎立亟日期：舢l 。年f 月3 1 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：秘卜年 一日 摘要 摘要 无线传感器网络是当今世界广受关注的，高知识密度，多学科交叉的热点研 究领域，被列为将对人类未来的生活产生深远影响的新兴科学技术之首，是新一 代的传感器网络，具有广阔的应用前景，将对人类生产和生活的各个方面产生积 极和深远的影响。 能量有效是无线传感器网络所以设计的首要目标。拓扑控制是其中的关键技 术，是无线传感器网络研究的核心问题之一，对提高网络生命周期、降低节点间 的通信干扰、提高m a c 和路由协议的效率、保证网络的连通性和覆盖度、保证 网络服务质量等都具有及其重要的作用。 本文在现有拓扑控制算法的基础上提出了两种基于能量有效的拓扑控制算法 改进。本文的研究工作和创新点包括以下方面： 1 、分析现有的节点调度拓扑控制机制，提出基于l e a c h 的能量有效的配对 拓扑控制改进算法。算法针对传感器网络节点能量有限的特点，在一般的节点调 度机制的基础上，提出基于邻接节点配对的拓扑控制改进算法。一般节点调度机 制通过节点间相互协作调度，轮流选取部分节点作为活动节点，其他大部分节点 停止活动，选择切换到休眠状态。通过这种减少活动节点的方式，降低网络的整 体能耗，从而提高网络的能量有效。节点调度算法往往不能完全保证原有网路的 连接度和覆盖度。改进算法在不破坏原网络的连接度和覆盖度的前提下，提出通 过配对机制，调度配对的节点轮流传递信息，不同于一般的节点调度算法，改进 算法选择将不发送信息的节点切换到空闲状态，保证节点传感器模块的工作。同 时将数据融合引入到单个节点的连续周期。算法在保证原有网络覆盖度和连通性 的前提下通过降低网络的信息传递，有效减少网络能耗，从而达到延长网络寿命 的目的。 2 、在现有分簇算法的基础上引入局部控制节点控制，提出基于局部控制的分 簇算法。分析一般的分簇算法，以l e a c h 为例，算法将这个网络划分为回合， 通过周期性的分簇和簇重构推进算法，这种机制在保证数据传递等网络功能的前 提下，需要消耗大量的额外能量，不利于优化网络能耗。改进算法以这个作为出 发点，引入控制节点机制，通过控制节点的局部控制，实现不断簇重构过程。引 入局部控制节点控制网络选举簇头、成簇等过程，减少簇重构产生的能耗。从而 仿真，并分析仿真结果。仿真结果表 网络寿命，改进算法具有良好的能量 控制，节点配对，能量有效 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) h a sa r o u s e dw i d ec o n c e r na n dh a s r e c e i v e di n t e n s i v er e s e a r c ha t t e n t i o ni nt h ew o r l dd u et oi t sa p p l i c a t i o np o t e n t i a li n m a n ya r e a s w i r e l e s s $ e n s o rn e t w o r ki sak i n do fn e t w o r kc o m p o s e do ft e n so f t h o u s a n do fs e n s o rn o d e sw h i c hu s ew i r e l e s se o m m u n i c a t i o nl i n kt oc o m m u n i c a t ea n d c o h e r e 、衍t l le a c ho t h e rt op e r f o r ms p e c i f i cs e n s i n go p e r a t i o n s w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sa r ean e wt y p eo fw i r e l e s sn e t w o r k s ，ak i n do ft h ee m e r g i n gi n t e r d i s c i p l i n a r y s c i e n c ef i e l d , i nr e c e n ty e a r s ，t h ea d v a n c e m e n to fm i c r o - s e n s o rt e c h n o l o g y ，e m b e d d e d t e c h n o l o g y ，l o w - p o w e rm i c r o - i n t e g r a t e d c i r c u i t t e c h n o l o g y a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sg r e a t l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , a n dh a sm a d ei tp o s s i b l et op r o d u c et h em i c r ow i r e l e s ss e n s o r n o d e sw i t ht h ec a p a b i l i t yo fs e n s i n g ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r ean e wg e n e r a t i o no fs e n s o rn e t w o r k sw i t haw i d er a n g e o fp o t e n t i a la p p l i c a t i o np r o s p e c t si n c l u d i n go b j e c tt r a c k i n g , e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g , t r a 伍cc o n t r o la n de t c nw i l la f f e c th u m a nb e i n g si na l la s p e c t so fp r o d u c t i o no rd a i l y l i f e c o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，h a s m a n yp a r t i c u l a rf e a t u r e s ：s e n o rn o d e so ft h en e t w o r ka 北a l w a y sd e n s e l yd i s t r i b u t e d a n dw i t hah u g en u m b e r ；s e n s o rn o d e sa r co fs m a l lb u l k , i nt h et e r mo fe n e r g y ， c o m p u t i n gc a p a b i l i t ya n ds o m eo t h e rr e s o u r c e ss u c ha ss t o r a g es p a c ea r eo fg r e a tl i m i t ； a n dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw i t ht e no ft h o u s a n do fs e n s o rn o d e sa r ea l w a y sd e p l o y s i ni n a c c e s s i b l ee n v i r o n m e n t , t h er e c h a r g eo rr e p l a c eo ft h eb a t t e r yo ft h es e n s o rn o d e s i sa l m o s ti m p o s s i b l e t h e r e f o r e , h o wt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n de n h a n c e e n e r g ye f f i c i e n tt e n dt ob et h ep r i m a r yp r i n c i p l ed u r i n gt h ed e s i g no fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s t o p o l o g yc o n t r o li so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s ，p l a y i n gag r e a tr o l ei nt h i s a r e a t o p o l o g yc o n t r o li nt h en e t w o r kw i l lb a l a n c et h en e t w o r kl o a da n di n c r e a s et h e s c a l a b i l i t yo ft h en e t w o 比t h et o p o l o g yc o n t r o la l g o r i t h m sn e e dt ob ed e s i g n e dt ob e e n e r g y - e f f i c i e n tt om a x i m i z et h en e t w o r kn e t w o r k s i i i 3 ，f i n a l l y ，w ew i l lt r yt od os i m u l a t i o nb a s e do nm a t l a bp l a t f o r mf o ri m p r o v e d a l g o r i t h m sw h i c ha r ep r o p o s e da b o v er e s p e c t i v e l y ，t h e na n a l y z es i m u l a t i o nr e s u l t s t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m sc a ne f f e c t i v e l yr e d u c en e t w o r k e n e r g yc o n s u m p t i o na n dp r o l o n gt h el i f e t i m eo f t h en e t w o r k s ，c o m p a r i n gw i t hg e n e r a l t o p o l o g yc o n t r 0 1 g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ei m p r o v e da l g o r i t h m i so f g r e a t e n e r g y e f f i c i e n c y 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 ，c l u s t e r i n ga l g o r i t h m , l o c a lc o n t r o lp a i r i n gm e c h a n i s m , e n e r g ye f f i c i e n c y i v 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 课题研究的意义2 1 3 课题研究现状3 1 3 1 国外研究现状3 1 3 2 国内研究现状4 1 4 论文的主要研究工作4 1 5 论文组织结构5 第二章无线传感器网络概述6 2 1 传感器网络的特点6 2 2 无线传感器网络体系结构8 2 2 1 无线传感器网络硬件体系9 2 2 2 无线传感器网络协议体系和协议栈。1 1 2 3 无线传感器网络的应用。1 2 2 4 无线传感器网络研究技术1 4 2 5 本章小结1 5 第三章无线传感器网络拓扑控制研究1 6 3 1 拓扑控制概述1 6 3 2 拓扑控制在协议栈的位置1 7 3 3 拓扑控制机制设计目标和要素1 8 3 4 传感器网络的图表示方法1 9 3 5 典型拓扑控制算法分析2 2 3 5 1 基于功率控制的拓扑控制2 3 3 5 2 基于层次拓扑控制算法2 4 3 5 3 拓扑控制算法比较2 6 3 6 本章小结2 7 第四章基于l e a c h 的节点配对拓扑控制算法研究2 8 4 1 算法的提出2 8 4 2 协议分析2 9 4 2 1 改进算法流程3 0 4 2 2 能量分析3 2 v 目录 4 3 试验仿真和改进算法结构对比3 4 4 3 1 仿真环境和参数设置3 4 4 3 2 仿真结果和算法性能分析3 5 4 4 本章小结3 9 第五章w s n 基于局部集中控制的拓扑控制算法研究一4 0 5 1 问题的提出4 0 5 2 改进算法。4 1 5 2 1 算法基本步骤分析4 1 5 2 2 改进算法详细设计4 3 5 3 仿真结果4 5 5 4 本章小结4 7 第六章结论和展望4 8 致谢：5 0 参考文献5l 在学期间的研究成果5 6 v i 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线传感器网络( w s n ：w n e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ) 1 1 是当今世界广受关注的， 多学科交叉，高知识密度的新兴信息科学技术，是当今信息技术的热点研究领域， 被列为将对人类未来的生活产生深远影响的新兴科学技术之首。w s n s 是新型的 无线通信网络，属于多学科交叉的新兴的研究领域。无线传感器网络无线通信采 用当今主流的无线通信网络技术通信标准，即8 0 2 1 5 4 标准。近年来，微型传感 器技术、嵌入式技术、低功耗微型无线通信技术以及集成电路技术的飞速发展和 日臻成熟，极大的促进了无线传感器技术，使数量巨大的、低成本的微型传感器 节点通过无线通信链路，自组织地组成无线通信网络，具备信息检测，数据处理， 无线通信等功能的应用成为现实。 无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展 和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。美国等发达国家都 非常重视无线传感器网络的发展，i e e e 为推进无线传感器网络的应用和发展而努 力，波士顿大学( b o s t o nu n i v e r s i t y ) 还于最近创办了传感器网络协会( s e n s o r n e t w o r kc o n s o r t i u m ) ，期望能促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学，该协 会还包括b p 、h o n e y w e l l 、i n v e n s y s 、i n e t c os y s t e m s 、l 一3c o m m u n i c a t i o n s 、m i l l e n n i a l n e t 、r a d i a n s e 和s c n s i c a s ts y s t e m s 等。国内近年来也越来越关心w s n 方面技术 的研究，有越来越多的国家自然科学基金委员会资助的有关w s n 的重点开发项 目，涉及民用、军用等各个方面无线传感器网络的出现和应用是信息世界的一场 革命，被认为是本世纪最具影响力的技术之一，它与仿生人体学、效用计算和塑 料电子学被商业周刊并称为未来全球的四大高新技术产业【2 】。美国技术评 论杂志更是将无线传感器技术列为未来十大新兴技术的第一项技术。 无线传感器网络在军事国防、救灾抢险、环境检测、医疗救治、交通体系等 领域有着广阔的应用前景。可以预计，无线传感器网络在人类生产和生活各个方 面的广泛应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。 电子科技大学硕士论文 1 2 课题研究的意义 无线传感器网络由大量体积微小，价格低廉的传感器节点通过一定的方式部 署于指定区域，自组成网，通过节点间的相互合作，完成数据的采集和传递。传 感器节点实际上是微型的嵌入式系统，通过电池供电，能量有限，而且由于传感 器应用通常在复杂、危险、人力很少涉及的环境，一般能难进行电池的更替或再 补充，所以，只有提高网络能量的有效利用，才能充分延长网络寿命，这也是传 感器网络设计首要的设计目标。为达到这一目的，无线传感器网络拓扑控制是其 中的关键技术。 网络的拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一，有着十分重要的意 义。主要表现在以下方面： 1 降低网络能耗，延长网络寿命 传感器网络的网络节点一般都是有电池供电，降低能耗是传感器网络设计的 首要问题，拓扑控制的一个主要目标就是在保证网络的连通性和覆盖度的前提下， 合理的降低节点能耗，从而延长整个网络的生存时间。 2 降低网络的计算复杂度，为网络的有效路由提供保证 无线传感器网络的拓扑控制通过改变节点的通信功率，改变节点之间的邻接 关系，从而改变网络的路由转发方式。在网络中只有通信范围内的节点才能作为 数据转发节点。拓扑控制在一定程度上保证了通信链路的对称性，避免了单向不 对称通信链路引起的复杂性。 3 降低通信干扰和碰撞，提高网络通信效率 传感器网路中的节点通常是密集分布的，所有节点都通过最大功率进行通信， 会加剧节点之间信道的竞争和干扰，降低通信效率，增加能耗。拓扑控制就是在 保证网络的连通性和覆盖度的前提下，通过合理的设计，降低节点的传输功率， 减少网络节点的单跳邻居节点的数目，降低信道竞争，减少通信干扰，从而提高 通信效率。 4 提高网络的健壮性和稳定性 无线传感器网络的很多应用都在环境相对恶劣的条件，例如军事应用，部分 节点可能遭到破坏或因其他原因提前失效，这就要求网络的拓扑结果具有鲁棒性。 一个良好的拓扑控制机制，能形成一个鲁棒性高、可靠性好的链路网络，能有效 的降低网络中部分节点的失效对数据传输的影响。 2 第一章绪论 5 减少数据冗余，提高数据质量 数据融合是指网络节点将数据转发给骨干节点，通过节点对数据进行融合。 骨干节点和骨干网络的选择是拓扑控制的重要内容。 无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，技术方面尚不完善和成熟，但已 经体现出了巨大的应用价值，相信随着相关技术的继续推进和发展，一定会得到 更大的应用。 1 3 课题研究现状 无线传感器技术发展时间较短，但发展迅速，其研究大致经过了两个阶段： 第一阶段主要利用m e m s 技术设计小型化的节点设配，例如s m a r td u s t ， p i c o r a d i o ，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 ) ，g a m p s ，s c a d d s ； 第二阶段的研究重点是关注传感器网络本身。在这个阶段，已经取得了一些 初步的研究和成果技术。 1 3 1 国外研究现状 最先开始传感器技术的研究是美国军方，无线传感器网络技术很早就引起了 美国军方的注意。美国国防部于1 9 9 8 年提出了s m a r td u s t 即智能微粒的概念，用 于在不被发现的情况下对敌方活动进行监控，除s m a r td u s t 项目外，还有其他很 多项目，例如c e c ，s e n s o ri t ，c e c 的等研究项目。美国国防部远景研究部门投 资数千万以帮助大学参与传感器网络技术的研究。 0 3 年，美国科学基金委员会，提出w s n s ( 无线传感器网络) 研究计划，计 划决定每年数千万的投资，以支持w s n s 相关项目的研究工作，计划支持的项目 涵盖用于检测有毒化学、生物攻击的传感器节点、传感器网络在分布环境下的特 点以及利用数据进行分析，以做最终的判决或决策。2 0 0 5 年制定新的计划，着重 对下一代可编程的无线通信网络和无线传感器网络性质和特点作深入的研究。随 后几年，美国其他政府部门和研究机构相继开始了传感器网络相关的研究项目。 世界其他国家对无线传感器网络也给予了同样的关注和重视，英国、加拿大、 德国、芬兰、日本等研究机构都有传感器网络技术方面的研究。国际上的各种学 术组织也对无线传感器网络技术投来越来越多的关注，近年来，关于w s n s 技术 的问题的探讨不断升温，各学术数据库上可检索的关于无线传感器网络技术的文 3 电子科技大学硕士论文 献数量逐年递增。 1 ，3 2 国内研究现状 国内在无线传感器网络研究方面并不落后与发达国家，我国的关于无线传感 器网络技术的研究的启动时间与世界上其他国家基本同步。 2 0 0 1 年，微系统研究和发展中心成立，这是中国科学院为在中科院开展无线 传感器网络的研究，通过依托上海微系统所而成立的，该所在国内最早开始了关 于现代意义的无线传感器网络方面的研究；在此基础上，国内如清华、哈工大、 沈阳自动化所等大学或科研单位从0 2 年开始分别在传感器数据管理系统、时间同 步与定位等方面展开研究。0 4 ，0 5 ，0 6 年，中国国家自然科学基金委员会连续3 年陆续将“面向传感器网络的分布式自治系统关键技术和协调控制理论”项目、 无线传感器网络基础理论和关键技术以及“面向水下移动传感器网络关键技术 项目列为重点研究项目。国家发展和改革委员会也将无线传感器网络技术纳到下 一代互联网计划( c n g i ) 发展计划中。 有关部门曾做过专门的调查，预测中国未来2 0 年的关键技术，报告显示有多 达7 项技术与w s n 直接相关。国家的中长期科学技术发展规划纲要定义的三个 前沿科研方向中，有两项是和传感器技术直接相关的，包括自组网技术和智能感 知技术。2 0 1 0 年国家“十五计划和远景计划，已将传感器网络技术的研究和发 展作为重点科研方向。 1 4 论文的主要研究工作 ( 1 ) 无线传感器网络基础理论的学习和研究 无线传感器网络不同与传统的无线网络，自身具有鲜明的特点：比如能量有 限、计算和存储能力有限、通信能力有限、多跳通信、自组织、以数据为中心以 及高密度的节点分布等。这些特点直接决定了网络中各种协议、算法的要求和特 点。通过这部分研究，对无线传感器网络协议和算法的特点有一定的把握。 ( 2 ) 无线传感器网络拓扑控制机制和现有拓扑控制算法的研究 拓扑控制是无线传感器网络的关键技术。在保证设计要求的连接度和覆盖度 的前提下，通过一定的算法机制，优化数据转发网络拓扑结构，以达到提高网络 能量有效性，延长网络寿命，提高网络服务质量的目的。现有拓扑控制机制主要 4 第一章绪论 有层次拓扑控制机制和功率控制机制。 ( 3 ) 提出基于l e a c h 的配对控制算法，并做相应的仿真 在节点控制调度机制的基础上，提出基于配对的的拓扑控制算法，并作相应 的仿真实现，最后将结果与l e a c h 协议作对比。 ( 4 ) 提出局部集中控制算法，进行仿真 针对现有分簇算法，周期执行、不断分簇重构的问题，提出算法改进，引入 控制节点，局部控制簇的形成，减少因不断簇重构消耗的能量。最后在m a t l a b 仿真平台实现仿真。 ( 5 ) 对论文研究工作做最后的总结，并对未来研究方向提出展望。 1 5 论文组织结构 第一章首先介绍本论文的研究背景，分析论文的研究目的和意义 第二章详细介绍传感器网络的基础知识 第三章介绍拓扑控制的基础原理和相关理论，然后对现有各种拓扑控制机制 进行细致比较分析。 第四章分析现有的节点调度拓扑控制机制，提出基于l e a c h 的能量有效的 配对拓扑控制改进算法，对改进算法做理论论述，并作相应仿真试验( 基于 m a t l a b 仿真) 。 第五章介绍分析目前广泛流行的基于层次拓扑控制的分簇算法，提出基于分 簇算法的改进算法，然后对算法详细论述，并与原算法作对比，最后同样基于 m a t l a b 做仿真，对协议效果作证实。 第六章本章对论文研究工作做最后的总结，并对未来研究方向提出展望。 电子科技大学硕士论文 第二章无线传感器网络概述 无线传感器网络是传感器随机分布，通过自组织的方式构成网络，独立于基 站或其他基础通信设施，通过分布式的控制和协议自组成网。文献网对传感器网 络给出了另外的一种定义：无线传感器网络是大量传感器节点以a d h o c 的方式组 网的无线通信网络，主要通过节点间的协作，监测、采集和处理网络覆盖范围内 感知对象的数据信息，并最终将信息传递到用户。 2 1 传感器网络的特点 无线传感器网络由于其面向的应用的特殊性，决定了它相比传统的无线网络 和自组织网络具有很多独有的特点，其独特性主要可以归纳为下面几个方面： l 、资源有限 无线传感器网络由大量的传感器节点通过一定的方式部署，然后通过自组织 的方式连接构成网络，传感器节点是微型的嵌入式系统，体积较小，价格低廉， 结构相对简单，其通信能力，计算能力以及存储能力都相对有限。另外，传感器 节点通常是微型电池供电，由于传感器网络应用的特殊性，电池一般很难充电或 实现更换，只要电池能源耗尽，相应的传感器节点就失去作用，因此，节能成为 无线传感器网络所有设计所要考虑的首要因素，任何网络设计都以能耗最小化、 网络寿命最大化为目标。 2 、节点数量大、分布密集 在实际应用中，为使系统具有较强的抗毁性和容错性，传感器节点的部署通 常密度较高，往往同时向一个检测区域投放成千上万的传感器节点，可能每平方 米区域内数百个节点，在这种情况下，节点之间的连接度高，采集数据存在较高 的关联性和冗余。同时，所有传感器节点采用相同的硬件条件，独立采集、处理、 存储数据，具有一定的路由功能。 3 、多跳路由 网络节点只能与通信范围内的节点直接通信，传感器网络节点的通信能力有 限，一般几十到几百米。传感器应用中，节点需要同较远的节点通信，需要通过 6 第二章无线传感器网络概述 其他节点中转。传感器网络不同于传统网络，没有专门的路由设备，由网络节点 承担了路由和转发的功能。 4 、网络结构具有较强的动态性 实际应用中，传感器节点会因能量耗尽而提前失效或战争，灾害等恶劣环境 的影响遭到破坏，先于网络生命退出网络：传感器节点也可能因某种需求而加入 网络，因此，传感器网络是个动态网络。网络拓扑结构不是一成不变的。在运行 过程中，对拓扑结构的变化，网络通过协议和算法，节点之间协调合作，对动态 的拓扑变化做出反应，保证网络稳定。 5 、围绕数据为中心 与传统的网络比如i n t e r n e t 网络相比，传感器网络的重要特定是以数据 为中心，传统的网络中，每个节点分配一个唯一独立的标识符，而传感器网络， 大量的节点的部署，每个节点维护一个唯一的标识符，将产生巨大的开销，而且 也不是传感器网络实现的焦点，就传感器网络，重要的是数据的成功传递，网络 致力与如何将采集数据成功的传递到收集站点，相对网络标识而已，数据才是无 线传感器网络的中心。 表2 1 无线传感器网络和传统网络之间对比 无线传感器网络其他网络 与现实世界的联系紧密松散 数据传输源节点流向基站( s i n k ) 节点组播一对多方式 多对一方式 对等一对一或多对多 节点能量 节点能量有限，计算能力弱不同设备具有不同的能力 节点标识属性寻址统一寻址 节点移动性 静态，很少移动 自由移动 应用场合面向具体需求，需求性强通用性好 时效性较高普通 无线传感器网络的这些特点，为网络设计提出了不同与传统网络的特殊要求。 主要体现在以下几个方面： l 、低功耗 无线传感器网络应用通常传感器节点的大规模、密集分布，且节点通常部署 与环境相对险恶、人力极少涉及的环境下，很难为所有节点做能量的补充或供电 设备的更替。因此，低能耗涉及传感器网络很多关键技术，是传感器网络设计的 7 电子科技大学硕士论文 低成本是大规模应用的前提，网络节点的单价和网络部署和维护的成本都是 网络应用必须考虑的问题，将在一定程度上决定传感器网络的应用前景。 3 、通用性 通用性同样是传感器能广泛应用的重要保证，传感器网络的通用性要求建立 世界范围内统一的技术标准，用于大规模的工业生产，使不同的传感器设备能在 世界上不同的地方。 4 、网络负载均衡 网络优化过程中，要注重全网的负载均衡，如果仅仅采取少数指标，可能导 致网络的数据集中到个别节点或通信链路上，致使这些节点或链路因过度使用， 消耗过多的能耗，早与网络的生存时间失效。如此，网络将被不断分割，直接影 响网络性能。 5 、安全性 无线传感器网络的很多应用对网络的安全性有一定的要求，如军事应用、工 业控制领域等。无线传感器网络由于本身的各种资源等的限制，比较容易受到攻 击或侵入，能否解决网络安全性的问题直接决定了无线传感器网络在这些领域的 应用前景。 7 、扩展性 传感器网络节点大规模分布，节点只能保存局部信息等特点，使传感器网络 具有较好的扩展性。 2 2 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络典型体系结构如图所示，一般包括传感器节点、汇聚节点( 骨 干节点或基站s i n k ) 、管理节点、通信卫星或计算机网络( i n t e m e t ) 、用户或用户 界面( 即用户管理节点) 等。大量的传感器节点需要根据具体应用的不同通过一 定的方式，例如飞机撒播或其他方案，部署在指定检测区域内，在不依赖任何现 有的网络基础设施的情况下，自组织地构成网络，网络节点通过相互合作，检测、 采集、处理检测信息，然后将采集到的数据通过多单跳或多跳路由的方式汇集到 s i n k 节点或基站。相对与普通的网络节点，s i n k 节点或基站可以认为具有足够的 8 第二章无线传感器网络概述 能量，且一般具有较强的通信和数据处理能力，同时还会负责连接卫星通信网络 或计算机网络( i n t e r n e t ) 等外部网络，节点在收到传感器网络汇聚的数据信息后， 通过与基站或s i n k 节点相连的这些外部网络将数据最终传送到用户管理节点，由 用户对接收到的数据进行分析、处理。为保证大部分节点间的相互通信，网络通 常需要分布相当的节点密度。 监测区域传謦器节点 图2 1 典型网络体系结构 2 2 1 无线传感器网络硬件体系 无线传感器网络是由大量部署在检测区域的微型传感器节点组成，无线传感 器节点是个集成的微型嵌入式系统，无线传感器节点最大的特点是将传感器、无 线通信、数据处理以及存储功能集成在一起，有别与传统的传感器，一般分为传 感器模块，处理器模块，无线通信模块和供能模块。传感器模块由传感器和a d 转换器组成，主要负责应用数据的采集，并将采集的数据通过a d 模块转化为数 字信号，不同的传感器节点传感器模块的传感器有所不同；处理器模块包括处理 器和存储器是传感器节点的核心模块，负责采集数据的处理( 包括数据的融合、转 发和存储) ，代码执行和整个节点的控制和管理，并负责节点状态以及信号传输功 率的调节；无线通信模块通过无线射频模块负责网络节点间的通信，实现检测数 据的接收和发送以及控制信息的相互传递，同时，传感器节点的工作状态实际上 就是无线通信模块的工作状态，分为发送、接收、空闲、休眠四种状态，休眠状 态，无线通信模块关闭，传感器模块和处理器模块仍可以使用；空闲状态，无线 接收模块处于接收状态，等待接收数据分组，在空闲状态下，大部分接收电路处 于工作状态，只有小部分可以断电；接收状态，接收模块处于工作状态，节点接 9 电子科技大学硕士论文 收其他节点的数据分组；发送状态，节点通过天线辐射能量，向其他节点发送数 据分组。能源供应模块为传感器、处理器和无线通信模块提供能源供应，一般有 电池供电，能量有限。三个模块中，无线通信模块的能耗远大与其他两个模块， 通信距离越大，能耗越大，是传感器节点能耗的主要部分。典型的组成结构如图 所示： 传感器模块处理器模块无线通信模块 处理嚣 网络h 眦1 收发嚣 传感器 一 a d 存储器 中t ll 能量供应模块 图2 - 2 传感器网络节点的硬件结构 无线传感器节点硬件设计需满足如下条件： 小型化：具有较小的体积，小型化是无线传感器网络根据应用需求在设计节 点是所追求的目标。 低成本：传感器网络要适合大规模的部署，低成本是高密度、大规模部署的 前提，节点设计必须降低成本。 低功耗：低功耗是节点设计的首要目标。 无线传感器网络的无线通信采用z i g b e e t 4 l i e e e8 0 2 1 5 4 t 5 】标准，无线传感器 网络设计以低功耗作为首要目标，而z i g b e e 标准最大的特定就是低功耗、低成本。 在低耗电的模式下，2 节五号电池通常可以支持一个节点6 2 4 个月持续工作。 z i g b e e 标准能在低成本的设备间以低速率传递，为无线传感器网络提供了互联互 通平台，满足了低功耗、低成本的无线网络的要求，基于该标准的无线传感器技 第二章无线传感器网络概述 网络节点数 7 3 26 5 0 0 生命周期数天小时 数月 通信范围 1o m l o o m 1 0 0 1 4 0 m2 0 0 m 传输速率 3 m b p s lm b p s 11 5 5 f b o s 2 0 4 0 2 5 0 k b i t s 安全性 6 4 b 12 8 b i ts s d m a c , n w k , 安全分级，a e s 2 2 2 无线传感器网络协议体系和协议栈 随着传感器网络的发展和传感器技术研究的深入，研究人员提出了很多应用 与无线传感器嵌入式系统的协议栈。协议栈是传感器网络节点软件部分的重要组 成部分，传感器网络协议负责通过协调网络中部署的网络节点，形成连通的数据 通信网络。图2 3 是最早提出的一种协议栈，包括物理层、数据链路层( m a c ) 、 网络层、应用层和传输层。协议各层具有不同的网络功能：物理层负责数据信号 的调制，编解码和同步控制，传感器节点要求物理层就有简单、低成本的特定， 且提供稳定、健壮的服务：数据链路层负责媒体介入，差错控制和信道竞争冲突 控制，其中m a c 子层，负责通信过程中，控制或协调分组，差错控制则负责保 证数据的完整和正确性；网络层负责路由发现，维护和数据的融合以及拓扑控制， 在网络中处于极为重要的地位，一定程度上是网络设计成功与否的关键所在。传 输层负责不同协议网络互联，是保证通信服务质量( q o s ) 的重要组成部分；而 应用层则是针对无线传感器网络应用设计的软件，针对不同的网络组网的目的， 需要在应用层上开发不同的软件系统。 图2 - 3 无线传感器网络协议栈 电子科技大学硕士论文 如图所示，协议栈还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台，这些管理平 台主要负责在传感器节点环境下实现对各种资源的管理，同时为各种上层的应用 提供一个集成的网络环境。管理平台通过监测传感器网络的能量利用、任务管理 和节点移动等状态，使传感器节点能够在高效的能量有效的原则下协同工作，实 现网络节点数据转发，并支持网络资源的共享和多任务系统。 应用层 传输层 网络层 m a c 层 物理层 匝垂圆 】塑口 时钟 同步 定位 - - 传输控制 赠移远 路由 能 拓扑 q o s络 安 动 程 量 管理 管 全 管 管 ： 堡 理 理 卜质访问il 拓扑l 射频i i 线外i f 兀汉i 图2 - 4 无线传感器网络协议栈 参考文献【5 】在图2 3 协议栈的基础上，提出了更为细化的多层网络体系协议 【6 】，如图2 - 4 所示，细化的协议栈将很多控制机制融入到原分层协议，用于优化 和管理协议流程，例如，拓扑管理通过利用利用物理层、数据链路层、网络层等 资源，生成拓扑结构，控制节点能量，为节点制定休眠机制，并保证网络的畅通， 反过来优化m a c 协议和路由协议：q o s 为各协议层的队列设计管理和优化机制 等，提供支持，并为特定应用提供处理；网络管理则通过定时搜集各层协议运行 状态信息，协调网络各层协议组件工作。 与传统网路类似，无线传感器网络各层间的边界已经没那么明显了。 2 3 无线传感器网络的应用 由于技术发展和研究以及其他方面的限制，无线传感器网络大规模工业生产 和大范围的应用还有待时日，但是，近年来，嵌入式处理器的越来越小型化，以 及计算成本的不断下降以及计算能力的不断提高，无线传感器网络已经开始在很 1 2 第二章无线传感器网络概述 多实际应用领域发挥积极的作用。目前，无线传感器网络的应用主要集中在以下 几个方耐6 】： 1 、军事应用领域 无线传感器网络的性质决定无线传感器网络具有密集型、随机分布等特点， 这些特点使无线传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境等其他军事环境，包 括监控兵力、侦察敌情、装备和物资等多方面用途。早在上世纪9 0 年代，美国就 开始无线传感器网络军事应用的研究。为支持美国大学和美国高校学生积极参与 智能尘埃( s m a r td u s t 传感器节点) 的研究，美国国防部远景计划研究局投资累 计数干万美元。哈伯公司研究的预测报告显示：2 0 1 0 年，智能尘埃式传感器及有 关的技术销售可能将增加到数十亿美元。 2 、环境保护领域 近年来，环境问题已经受到越来越多的关注，对环境问题和环境数据的监控 或检测方面的应用的需求也越来越多。无线传感器网络在环境检测领域的应用包 括生化监测、动植物的生长和活动环境、森林火灾监控、洪水监控等【6 】。无线传 感器网络在环境检测和监控方面具有其他技术所没有的显著优势，无线传感器网 络的特性决定了其监测和数据收集过程不会给被检测的环境带来侵入式毁坏，利 于随机性研究数据的获得。以大鸭岛案为例，英特尔研究实验室曾在岛上部署过 一个由3 0 多个无线传感器节点构成的小型无线传感器网络，网络最终接入i n t e m e t 网络，实验室尝试通过这个网络检测岛上的气候信息，根据收集的信息对各种海 燕巢的条件做判断。此外，传感器网络也可以应用于如农作物害虫监测、土地状 态( 酸碱度，水分和施肥状态等) 和农业气候条件监测以及其他现代精细农业生 产领域。 3 、家庭护理和医疗领域 在医疗和家庭护理领域，无线传感器网络，同样具有相当的应用空间和前景。 通过微型传感器节点的互联，可以有效的传递数据信息，方便实时检测