（计算机科学与技术专业论文）无线传感器网络中分层簇类数据融合算法的研究.pdf

硕i ：学位论文 摘要 无线传感器网络作为传感器技术、微电子技术和无线通信技术相结合的产物， 成为计算机科学领域一个活跃的研究分支，在军事和民用中得到广泛的应用。无线 传感器网络由大量低成本、低能耗、体积小且具有一定计算能力和组网能力的传 感器节点组成。传感器节点一般依靠电池供电，其能量有限并且由于工作环境等因 素的限制难以更换，因此，如何高效节约能量最大化网络生命周期是无线传感器网 络设计的重要问题。 目前的分簇算法大都基于分层网络模型，在某一层单独设计节能算法，忽略了 不同层之间的协同工作的重要性，导致其分簇算法执行效率低下和资源浪费严重。 传感器节点在能量、计算能力上有限，因此冗余数据的传送在一定程度将消耗过多 的能量，而数据融合技术能够减少数据冗余，降低传输次数，从而减轻网络带宽的 负担及成千上万的数据包处理所带来的能量损耗。 本文研究分层路由及数据融合技术。首先提出了一种基于通信范围约束的多层 簇类算法，该算法基于单层次的数据融合结构，给出了多层次的数据融合，然后根 据不同通信范围对每一层簇头选择父节点，减少数据包传输次数。在仿真平台 o m n e t + + 上进行仿真实验，将提出的分层节能算法与e e u c 算法进行了性能比较， 仿真结果表明，该协议能显著减少整个无线网络能量消耗，保证能量消耗少、网络 拓扑结构可变的条件下，具有较好的实用性和鲁棒性。 其次，提出了一种基于能量的分层融合树的构建算法。该算法采用多跳路由， 选取源节点到目标节点问共享路径最长的最短路径，使得每个节点都可以节约能 量。与传统l e a c h 路由方式的性能进行了比较分析，较好地改善了协议的性能。 关键字：无线传感器网络；数据融合；分层；簇；融合树 i l a b s t r a c t 舡m er e s u l to fc o m b i n a _ t i o no fs 伽s o r m i c r 0 一e l e c 仃d 1 1 i c s 锄dw 油l e s sc o 衄啪c a t l o n t e c l l i l o l o g i e s ，w h l e s ss e n s o rn e m o r kh a sb e c o m e 觚a c t i v eb r 锄c ho fc o 州) u t e rs c i e i l c e i t h 勰b 蝴埘d e 1 ya p p l i e dt 0m i l i t a r ya i l dc i 啊la p p l i c a t i o 璐nc o i l s i 啦o fal a r g e 伽m b e ro t l o w c o s t ，1 0 w p o w e r 锄dt i n ys e l l s o rn o d c s ，、1 1 i c hh a v es o m ec o m p u t i i l g 锄ds e l f o 唱a m z m g c a p a b i l i t i 既s e i l s o rn o d e s 璐u 甜l yc a r 叮1 i m i t e dp o w e rs o u r c e s ，w l l i c ha r ed i 伍c u l tt or 印1 a c e o w i i l gt 0t l l e i rw o 订d n ge r r v 曲d i 髓e nt h e r e f o r e ，m ep r i m a 巧p r o b l e mf o rw i r e l e s ss 即s o r n e 帆r o r ki sh o wt od 鲫e n i l i n em em o s te 伍c i e n tw a yo fc o n s e 州n gt l l ee n e 唧o fp o w e r s o u r c e t om a x i l l l i z ei t sl i t j r e t i m e m o s to fr e c e n te n e r g yc o n s e m ga l g o r i m m sa r eb a s c d o nl 删n e t 、) l r o r km o d e l ，、h i c h o m yf o c 吣0 n 1 ei n d i v i d m ll a y c ri s s u e sa 1 1 di 印o r cm ei n l p o f t a l l c eo fi n t e n o r k i n gb e 帆e e l l d i 侬贯e n tl a v e r si i law i r e l e s ss e n s 0 rn c t w o r k s u c hs i n 酉el a y 贸印p r o a c h r e s u l t si i li n e 伍c a c y 锄dw a s t e ss o u r c e s e n s o rn o d ei nt l l e e r g y 缸l e l i m i t e dc o m p u t i n gp o w s ot l l e 缸觚s m i s s i o no fr e d 邶d a n td a t at oac e n a i ne x t e n t ，e x c e s s i v ee i l e r 斟c o n s u i n p t l o n ，a n dd a t a a g g r e 鲥o nt e c m o l o g yc a n d e c r e a s e d a t ar c d l i n d 觚c ya n d 同u c et h en 啪b e ro f 仃a i l s m i s s i o n s ， s o 嬲t 0r e d u c et l l eb u m e l l0 nn e t 、) l ，o r kb a j l d w i d t h a 1 1 dm em o u s a n d s0 nm i l l i o np a c k e t p r o c e s s i n gb r o u g h ta b o u tb ye 1 1 e r g yd 印l 撕o n i i lt h i sp 印w er c s e a 谳ll l i 删i c a lr 0 1 l t i n g a l l dd a t aa g g r e g 撕0 nt e c h n o l o 踽w e p r e s e n tal l i e r a r c h i c a la l g o r i t h i nb a s e do nc 0 m m u n i c a t i o nr 觚g cr c 如a i n i n gd u s t 嘶n g nj e i 做 s t i l d ys i n 西e 1 e v e lp r o t o c o lb a s e do nc o i i l 】眦血c a t i o n 舢g er e s 俩n i n gc l u s t e i 证ga n dt h e i l f a l h e rn o d ei ss e l e c t e di ne v e 秽l a y c ri nt e m l so fc o m m l 吼i c a t i o nr 锄g er e s 妇1 m n gt o 删u c e m e 删l b e ro fd a t ap a c k a g et r a n s m i s s i o n t h eh i e r a r c h i c a la l g o r i m mb a s e do nc o m m u m c a t l o n r a n g er e s t r a i l l i n gd u s t 耐n ga l g o 酬 l i i li sc o m p a r e dw i me e u cb ys i m u l a t i o ni no m n e t + + t h es i 】【i l u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a tt h ep r o t o c o ls i g n i 矗c a n t l yr e d u c em ee n e r g yc o n s u m p t l o n t - o r d a t ac o l l e c t i o ni nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，d 锄o n s t r a t em a tt h cf e a t u r e sg o o dp r a c t i c a b i l i t y ， r o b u s t n e s sa 1 1 dc i l s u r e sl o we n e r g yc o n s u m p t i o na n dv 撕a b l en e 铆o r kt o p o l o 西c a ls t l l j c m r e s e c o n d l y ，as 仃a t i f i c a t i o nb a s e do ne 1 1 e r g ya g g r e g a t i o ni no r d e rt ob u i l da 讹em e t l l o d ， t h ea l g o m h mu s e sm u l t i - h o pr o u t i n 舀s e l e c tt l l es o u r c en o d et 0 t 1 1 et a 唱e tp a mo fn o d e s s h 撕n gt h el o n g e s ts h o r t e s tp a t ha l l o w se a c hn o d ec a l ls a v e 饥e r 醪t h i sp r o t o c o l a n dt h e p e 墒珊a n c eo fr o u t i n gl e a c h ac o m p a r a t i v ea 1 1 a l y s i sh a s铲e a t l yi m p r o v e dt h e p e 一! i o m i a n c eo ft _ h ep r o t o c 0 1 1 l i 硕一f ：学位论文 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 aa g g r e g a t i o n ；h i e r a r c h i c a i ；c l u s t e r i n g ； a g g r e g a t i o nt r e e i v 无线传感器网络中分层簇类数据融合算法研究 插图索引 图2 1 无线传感器网络的典型体系结构6 图2 2 无线传感器的体系结构7 图2 3a c 路由和d c 路由1 6 图3 1o m n e t + + 中的简单模块和复合模块2 4 图3 2 基于o m n e t + + 的传感器节点模拟结构2 5 图3 3 无线发射模型2 6 图3 4o m n e t + + 消息传送2 7 图4 1 局部网络拓扑3l 图4 2 改进后的局部网络拓扑3 2 图4 3 单层能量消耗3 4 图4 4 多层次能量消耗3 5 图4 5 网络能量消耗3 5 图4 6 每轮节点存活的数量3 6 图5 1 数据融合树3 8 图5 2 融合树的层次结构4 0 图5 3 初始能量与网络寿命4 l v i l 硕 = 学位论文 附表索引 表3 1m i c a 2 d o t ( m p r5 0 0 ) 节点能耗表2 8 表3 2 仿真参数表2 8 表4 1 簇头节点最优比例3l 表4 2 实验参数列表3 4 v i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名群乐六日期：妒月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：翱 导师签名：丐嘲 日期：沙锋6 月乙日 日期：m 。年6 月2 日 硕f ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 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 ) 是一种新型的科学技术网络， 最早的研究来源于美国军方。传感器网络的发展主要经历了4 代： 第一代：上世纪7 0 年代，就出现了具有简单模拟信号传输功能的传统传感器所 组成的点对点输出的测控系统网络。该网络具有简单信息获取能力，只是初步实现 了信息的单向传递，其缺点是布线复杂、抗干扰性差。 第二代：随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络具有了获取多种信息的 综合处理能力，并通过采用串并接口与传感控制器的相联，组成了有信息综合和 处理能力的传感器网络。 第三代：2 0 世纪9 0 年代后期，出现了基于现场总线技术的智能传感器网络。现 场总线是连接智能化现场设备和控制室的全数字、开放式的双向通信网络，智能传 感器的通信技术进入局域网阶段，其局部测控网络通过网关和路由器可以实现与 i n t e m e t i n t r a n e t 连接。 第四代：大量多功能传感器被运用，并采用无线通信机制，因此也称为w s n ， 正处于研究与开发阶段。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型 传感器节点组成，通过各类集成化的微型传感器互相协作的实时监测、感知和采集 各种环境或监测对象的信息( 如温度、湿度、地质状况等) ，这些信息在网络内可以 通过无线电广播的方式被传感器节点发送和接收【l 】，在源节点监测到的信息以自 组多跳的网络方式传送到s i n k 节点，s i n k 节点通过卫星网或因特网将这些信息传送 到用户终端，使人们能够实时准确地获取监测区域的详细信息。无线传感器网络综 合了传感器技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、微电 子制造技术和软件编程技术等，不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域 有巨大的运用价值，而且在许多新兴领域如家用、保健、交通等领域也有广阔的应 用前景和很高的应用价值1 2 0 】。美国商业周刊技术评论在预测未来技术发展的报告 中，分别将无线传感器网络列为2 l 世纪最有影响的世纪技术和改变世界的1o 大技 术之一，并且在未来十大新兴技术之中名列第一。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【引。2 0 0 4 年i e e es p e c t r u m 杂志 发表一期专集传感器的国度，论述了w s n 的发展和可能的广泛应用。可以预 计，w s n 的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和 产生巨大的推动【5 】。有专家预计，w s n 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。 无线传感器网络中分层簇类数据融合算法研究 目前围绕无线传感器网络这一领域的研究内容很多，主要可分为节点层面和 网络层面两大部分。在节点层面的研究内容主要包括传感器技术、低功耗芯片技 术、无线通信技术等，网络层面的研究内容主要包括低能耗路由技术、低能耗m a c 协议、协同定位技术、时钟同步技术、数据融合技术等1 6 】。无线传感器网络与传 统的无线a dh o c 网络有很多不同，这些不同导致了传统的无线a dh o c 网络路由协 议不能直接用于无线传感器网络中，许多新的适用于无线传感器网络的路由协议 得到提出，它的研究已经成为无线传感器网络研究中的热点。无线传感器网络的路 由协议也由于w s n 的独特内部结构而面临巨大的挑战，而现在路由协议的研究集 中在解决如何节省能量而使网络的生存时间最长，这是因为无线传感器网络是由 电池能量、通信能力、计算能力都有限的微型传感器节点组成的，另外网内节点数 量众多且通常运行在人类无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，使得无法充电 或更换电池，所以相对于其他方面节能是一个迫切需要解决的问题，既要设计高能 效的路由协议提高能量利用效率，降低节点能耗以延长网络使用寿命。 研究表明，节点无线通信模块的能量开销占节点总能耗的9 0 以上，而通信模 块处于发送状态、接收状态、空闲状态和休眠状态的功耗比达到了2 0 0 0 ：4 0 0 ：4 0 0 ：l ， 因此降低能耗的关键是降低网内通信流量和使更多节点进入休眠状态【_ 7 1 。在传感 器网络中主要有两种通信量：从用户到网络的查询和从传感器节点到用户的感知 数据。每一个传感器节点都有可能对环境进行感知或作为对其他节点产生的数据 进行转发的中继节点。这些节点产生的数据有可能使网络发生拥塞。 然而，传感器网络大规模密集部署的特点导致这些数据中的大部分是无效的， 因此可以在传送过程中处理数据，减少无效数据，从而出现了网内数据融合的概 念。网内数据融合的主要思想是：删除冗余、无效和可信度较差的数据，同时将来 自不同节点的信息结合起来进行融合处理，达到减少网络传输的数据量目的。这与 传统的多传感器数据融合技术有所不同，传统的多传感器数据融合是对不同的知 识源和传感器采集的数据进行融合，以实现对观测现象更好的理解。而无线传感器 网内数据融合主要是为了减少网络内的数据传输量，达到减少能源的消耗，延长网 络生命周期的目的【8 】。所以降低网内的通信流量可以通过数据融合的方法解决， 数据融合应用于路由协议有效的减少了数据流在网络中的传输。采用基于簇的分 层路由模式可以通过簇首对簇内节点问的相关信息融合及转发机制减少数据的传 输量和距离，进而降低通信能量消耗。 1 2 国内外研究现状及趋势 无线传感器网络的研究起步于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、军界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 硕十学位论文 感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入 巨资支持传感器网络技术的研究。在军事领域：美国陆军2 0 0 1 年提出了“灵巧传感 器网络通信 计划，并在2 0 0 卜一2 0 0 5 财政年度期问批准实施。美国陆军近期又确立 了“无人值守地面传感器群 项目，其主要目标是使基层部队指挥员具有在他们所 希望部署传感器的任何地方灵活地部署传感器的能力。美国海军最近也确立了“传 感器组网系统”研究项目。2 0 0 2 年5 月，美国s a n d i a 国家实验室与美国能源部合作， 共同研究能够尽早发现地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范 对策的系统，该系统集检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体。在民用领域： 美国交通部1 9 9 5 年提出了“国家智能交通系统项目规划 ，预计到2 0 2 5 年全面投入 使用。英特尔公司在2 0 0 2 年l o 月2 4 日发布了“给予微型传感器网络的新型计算发 展规划一，计划宣称，英特尔致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林 火灾乃至海底板块调查、行星探测等领域的应用。 a dh o c 网络( m a n e t ) 是一种多跳的自组织网络，每个节点既是主机又是路由 器，因此无法直接通信的节点可以借助其他节点进行转发通信。最初m a n e t 的体 系结构是平面式的，每个节点在网络中的地位和作用是对等的，网络比较健壮，但 这种模式可扩展性差。随着网络中节点的增多，出现节点处理能力弱，路由开销增 加，路由经常中断等问题，降低了网络的性能。这种平面式体系结构明显不能满足 大规模通信需求，而层次型路由算法克服了以上不足，可扩充性好，网络中控制信 息相对较少，因此开发分层簇类路由协议已成为m a n e t 网络研究的重点和难点之 一【9 】 o 由于传感器节点分布密集，同一事件可能被多个传感节点同时感知并捕获处 理，导致了数据采集的冗余性。因此，在选定的传感器节点将一定区域内节点的数 据进行汇聚或者融合，然后再将结果传送出去，不但可以提高事件，数据监测的可 靠性，也可有效降低通信流量，从而减少能量消耗。 在网络中引入分层结构，划分到不同层的节点担负着不同的功能。分簇式 m a n e t 网络具有减小控制信息的开销、容易控制拓扑变化、减小重路由开销和增 加网络容量等优点【3 j 。 但是分层簇类算法本身会带来计算、通信和维护开销，为了减少分层簇类算法 的负面影响，必须提高分层簇类算法的性能，特别是减少通信和维护开销。 目前，在天气预报、交通管制、战场态势估计、目标分类与跟踪等民用及军事 领域中，传感器数据融合技术得到了广泛的重视和应用。由于传感器信息的冗余 性、互补性、时效性和低代价，使得多传感器信息融合系统具有较强的鲁棒性。从 实质上说，数据融合不仅仅是一种处理数据的方法，同时它也是认识和改造世界的 方法学。e 、l t z 和j l i n a s 在其著作中阐述了发展数据融合的重要性：增强了系统 的可靠性与健壮性。 无线传感器网络中分层簇类数据融合算法研究 w s n 数据融合主要有两个融合层次，即数据包级和应用级【3 】。数据包级上的 融合操作有两种方法：无损的和有损的。在无损融合中，所有有效的信息将会被保 留。在各个结果之间有非常大的相关性的情况下，会存在许多冗余数据，数据融合 的基本原则就是减少这些冗余信息。与无损融合不同，有损融合是以减少信息内容 或降低信息质量的方法来减少数据传输量，从而达到节省能源的目的。应用级上融 合操作是用整个网络作为对数据信息进行处理的计算平台，数据信息能够在将数 据传送给用户进行分析前在网络内进行预处理。 目前的许多研究工作仍属于试探性、仿真性的工作。投入正式使用的数据融合 系统较少，因此i 数据融合系统的设计实施还存在许多实际问题。而数据融合研究 发展方向将集中在数据融合基础理论的建立、对兼有稳健性和准确性的融合算法 和模型的研究，同时将模糊数学、神经网络、进化计算、小波变换、专家系统等智 能技术有机地结合起来，是一个重要的发展趋势。 1 3 研究内容 在无线传感器网络中，路由协议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，这样才能延长整个网络的生命周期。由于传感器节点分布密 集，同一事件可能被多个传感节点同时感知并捕获处理，导致了数据采集的冗余 性。因此，在选定的传感器节点将一定区域内节点的数据进行汇聚或者融合，然后 再将结果传送出去，不但可以提高事件数据监测的可靠性，也可有效降低通信流 量，从而减少能量消耗。 本文首先建立起一套基于o m n e t + + 的无线传感器网络仿真结构模型，并考 虑到一般的数据压缩及能量模型，根据特定的应用在单层次数据融合基础上提出 一种基于通信范围约束的多层簇类算法，基于单层次的数据融合结构，给出了多层 次的数据融合，然后对每一层簇头通过通信范围选择父节点，减少数据包传输次 数。该算法较好提高了分层数据融合的效率，实现更加理想的能量优化，在满足应 用需要的前提下最大限度地延长无线传感器网络的生存周期。 接着介绍数据融合树的概念及其分类，提出了一种基于能量的分层融合树的建 立过程以及程序中一些参数的确定，并且还将这个协议与l e a c h 传输路由方式的 性能进行了比较分析，极大地改善了协议的性能。 1 4 论文结构 本章章节安排： 第1 章绪论，首先介绍了本论文选题的背景及研究的意义，然后又介绍了现在 国内外对无线传感器网络的研究概况及未来的发展方向，最后介绍了本文的主要 硕一l ：学位论文 工作及结构安排。 第2 章介绍无线传感器网络的相关研究综述，介绍传感器网络中的数据融合算 法的意义与分类，及数据融合的研究现状。然后主要介绍了基于数据融合路由协议 的分类，将路由协议分成基于数据融合的平面路由协议和分层路由协议，介绍了几 种典型的路由协议，并且分析了这些协议的优缺点。 第3 章介绍无线传感器网络的仿真工具，重点介绍了o m n e t + + 仿真软件，本章 针对无线传感器网络的特点，在o m n e t + + 基础提出了一套无线传感器仿真模型， 并且针对无线通信发射模型与实际无线传感器节点的能耗参数，完善仿真模型中 关于传感器能耗模块的设计，该模型也是本文实验部分的仿真基础。 第4 章分析多级数据融合同步协议及通信能量消耗模型，针对其存在的问题， 提出了基于通信范围约束的多层簇类算法( h c r c 算法) 。 第5 章首先介绍了数据融合树的定义以及它的分类，接着介绍了一种基于能量 的分层融合树的建立过程以及程序中一些参数的确定，并且还将这个协议与 l e a c h 路由方式的性能进行了比较分析，极大地改善了协议的性能。 最后总结全文。 无线传感器网络中分层簇类数据融含算法研究 第2 章无线传感器网络的节能和数据融合算法 2 1 无线传感器网络 微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器 的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功 能【1 0 】。无线传感器网络就是由部署在监测区域内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各种监测对象的信息，这些信息再通过无线方式传送 到数据处理中心或基地站，并最终发送给观察者，从而实现物理世界、计算世界以 及人类社会三元世界的连通。 如果说i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么， 无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变 了人类与自然界的交互方式。作为一种全新的信息获取和处理技术，传感器网络具 有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、 抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值。 2 1 1 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管 理节点，如图2 1 所示【10 1 。 图2 1 无线传感器网络的典型体系结构 大量传感器节点随机部署在被监测区域( s e n s o rf i e l d ) 内部或附近，这一过程是 通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的。传感器节点具有传感、信 号处理和无线通信功能，它们既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。通过网 硕十学位论文 络自组织和多跳路由，将数据向网关发送。网关可以使用多种方式与外部网络通信， 如i n t e m e t 、卫星或移动通信网络等，最终将数据发送到管理节点，大规模的应用可 能使用多个网关。用户可以通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发布 监测任务以及收集监测数据。 在不同的应用中，传感器节点的结构不尽相同，但一般都由传感器模块、处理 器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图2 2 所示【1 0 】。传感器模块 负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的 操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据：无线通信模块负责与 其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收集采集数据；能量供应模块为传 感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。 。掣引蕈陋兰圆 i 能屉供膨模块 图2 2 无线传感器的体系结构 2 1 2 无线传感器网络的特点和挑战 目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络和a dh o c 网络 等，与这些传统的无线网络相比，无线传感器网络具有以下特点【1 ： 1 传感器节点体积微小、成本低廉、计算能力有限 无线传感器网络是在微电子技术、数字电路技术基础上发展起来的，传感节点 各部分集成度很高，因此具有体积小的优点，当然从应用角度讲，减小节点尺寸也 是必须考虑的设计要素。传感器网络是由大量的传感节点组成的，单个节点的成本 直接影响到网络的总体成本，如果总体成本比使用传统传感器的成本高，势必会影 响无线传感器网络的竞争力。由于体积、成本以及能量的限制，因此传感器节点通 常是一种微型嵌入式设备，其计算和存储能力有限。为了完成各种任务，传感器节 点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请 求和节点控制等多种工作。这就决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复 杂。 2 电源能量有限 无线传感器网络通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源 无法替代，只能选择纽扣式电池供电，电源能量极其有限，一旦电池能量用完，这个 节点也就失去了作用。因此，降低和平衡节点能耗，延长网络的生命周期就成为传 无线传感器网络中分层簇类数据融合算法研究 感器网络研究中的一个关键领域，在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使 用都要以节能为前提。 3 节点数量众多，分布密集 根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到成千上万，甚至更多。由于无线 传感器网络通常工作在人难以接近或者危险的区域内，为了对一个区域执行监测 任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域，外界的不确定性使得必须布置大 量的传感器节点并使之协同上作才能完成信息收集等任务，同时利用节点之间的 高度连接性来保证系统的容错性和健壮性。 4 通信半径小，带宽很低 无线传感器网络是利用“多跳 来实现低功耗下的数据传输，因此其设计的通 信覆盖范围只有几十米。和传统无线网络不同，传感器网络中传输的数据大部分是 经过节点处理过的数据，因此流量较小。根据目前观察到的现象特征来看，传感数 据所需的带宽很低。 5 面向应用 不同的应用背景对无线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。所以无线传感器网络不能像i n t e m e t 一样，有统一的通信 协议平台。对于不同的无线传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在实际应用 时更关心其差异。只有在设计网络体系时更加贴近应用，才能更加有效地利用资源， 做出最高效的目标系统。 6 以数据为中心 无线传感器网络是任务型的网络，每个节点没有统一编址的i p 地址，采用节点 编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节 点随机部署，构成的无线传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为 节点编号与节点位置没有必然联系。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户， 选择路径时一般根据感兴趣的数据建立数据源到s i n k 节点之间的转发路径，并充 分运用数据融合降低数据的发送量。 对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。例如，在应 用于目标跟踪得无线传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣 的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。以数据为中 心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心。把数据库技 术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件两个方面实现一个高性能的以数据 为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样 自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。 无线传感器网络的上述特点决定了其与传统无线网络有着不同的设计目标【l2 1 ， 后者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 - 8 一 硕士学位论文 时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动 以外大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的 远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器 网络的核心问题。 另外，无线传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求，前者以数据为中 心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端 到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间 节点仅仅负责数据分组的转发，对于无线传感器网络，这未必是一种合理的选择。 一些为自组织的a dh o c 网络设计的协议和算法未必适合无线传感器网络的特点和 应用的要求。无线传感器网络的特点为无线传感器网络的研究提出了新的技术问 题。 2 1 3 无线传感器网络的性能评价指标 无线传感器网络的性能直接影响其可用性，如何评价一个无线传感器网络的 性能是一个需要深入研究的问题。下面将讨论几个评价无线传感器网络性能的标 准，这些标准还没有达到实用的程度，需要迸一步地模型化和量化【1 3 】。 1 能源有效性 无线传感器网络的能源有效性是指该网络在有限的能源条件下能够处理的请 求数量，能源有效性是无线传感器网络的重要性能指标，到目前为止，无线传感器 网络的能源有效性还没有被模型化和量化，还不具有被普遍接受的标准，需要进行 深入研究。 2 生命周期 无线传感器网络的生命周期是指从网络启动到不能为观察者提供需要的信息 为止所持续的时间，影响传感器网络生命周期的因素很多，既包括硬件因素也包括 软件因素，需要进行深入研究。在设计传感器网络的软、硬件时，我们必须充分考 虑能源有效性，最大化网络的生命周期。 3 时间延迟 无线传感器网络的延迟时间是指当观察者发出请求到其接收到应答信息所需 要的时间，影响无线传感器网络时间延迟的因素也有很多。时间延迟与应用密切相 关，直接影响无线传感器网络的可用性和应用范围，目前的相关研究还很少，需要 进行深入研究。 4 感知精度 无线传感器网络的感知精度是指观察者接收到的感知信息的精度。传感器的 精度、信息处理方法和网络通信协议等都会对感知精度有所影响。感知精度、时 无线传感器网络中分层簇类数据融合算法研究 间延迟和能量消耗之间具有密切的关系。在无线传感器网络设计中，我们需要权衡 三者的得失，使系统能在最小能源开销条件下最大限度地提高感知精度、降低时间 延迟。 5 可扩展性 无线传感器网络可扩展性表现在传感器数量、网络覆盖区域、生命周期、时 间延迟和感知精度等方面的可扩展极限，给定可扩展性级别，无线传感器网络必须 提供支持该可扩展性级别的机制和方法。目前不存在可扩展性的精确描述和标准， 还需要进步的深入研究。 6 容错性 无线传感器网络中的传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等原因而失效， 由于环境或其他原因，物理地维护或替换失效传感器常常是十分困难或不可能的。 因此，无线传感器网络的软、硬件必须具有很强的容错性，以保证系统具有高健壮 性。当网络的软、硬件出现故障时，系统能够通过自动调整或自动重构纠正错误， 保证网络正常工作。无线传感器网络容错性需要进一步地模型化和定量化，容错性 和能源有效性之间存在着密切关系，我们在设计无线传感器网络时，需要权衡两者 的利弊。 2 1 4 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络作为当今新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有非常 多的关键技术有待发现和研究，下面就列举部分关键技术： 1 网络拓扑技术 对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通 过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和m a c 协议的效 率，可为数据融合和时间同步等多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网 络的生命周期。网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度 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无线通信链路， 产生一个高效的数据转发的网络拓扑结构。 拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面l m 】。功率控 制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的 发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目。层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一 些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干 网节点可以暂时关闭通信模块，进入体眠状态以节省能量。 2 网络协议 由于传感器节点携带的能量都十分有限，尽量节约能量消耗，以延长网络的生 硕上学位论文 命周期成为无线传感器网络的首要设计目标。另外，传感器节点的计算能力、存储 能力和通信能力都相对较弱，使得无线传感器网络的协议设计不能太复杂。无线传 感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的 重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输路 径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信 过程和工作模式f ”】。 在无线传感器网络中，路由协议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，这样才能延长整个网络的生命周期。同时，无线传感器网络是 以数据为中心，每个节点没有统一编址的i p 地址【l6 1 ，采用节点编号标识，选择路径 时应当充分运用数据融合降低数据的发送量。 m a c 协议首先要考虑节省能源和可扩展性，其次才考虑公平性、利用率和实时 性等。在m a c 层的能量浪费主要表现在空闲侦听、接收不必要数据和碰撞重传等。 为了减少能量的消耗，m a c 协议通常采用“侦听睡眠 交替的无线信道侦听机制， 传感器节点在需要收发数据时才侦听信道，没有数据需要收发时应尽量进入睡眠 状态。 3 数据融合技术 无线传感器网络节点的资源十分有限，主要体现在电池能量、处理能力、存储 容量以及通信带宽等几个方面。邻近节点的信息存在冗余，各个节点传感器节点单 独传送数据到网关节点会浪费通信带宽；同时，传输大量数据会使整个网络消耗过 多的能量，减少网络的生命周期【l j 。另外，多个传感器节点同时发送数据会增加数 据链路层的调度难度，造成频繁的冲突和碰撞，降低通信效率，从而影响了信息收 集的实时性。因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算 和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于传感 器节点的易失效性，无线传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提 高信息的准确度。 4 时间同步技术 时间同步是需要协同工作的无线传感器网络系统的一个关键机制。如测量移 动车辆速度需要计算不同传感器检测事件时问差，通过波束阵列确定声源位置节 点问时间同步。j e r e m ye l s o n 和k a yr o m e r 在2 0 0 2 年8 月的h o t n e t s i 国际会议上首 次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的研究课题，在无线传感器网 络研究领域引起了关注。r b s ，t i n y m i n i s y n c 和t p s n 被认为是目前已提出的 多个时问同步机制中三个基本的同步机制【1 7 】。 5 网络安全技术 无线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 无线传感器i 旬9 络中分层簇类数据融合算法研究 性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全问题需 要全面考虑的内容【i 引。 为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感器网 络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新 鲜性、认证广播和安全管理。除此之外，为了确保数据融合后数据源信息的保留， 水印技术也成为无线传感器网络安全的研究内容。无线传感器网络受到的安全威 胁和移动a dh o c 网络所受到的安全威胁不同，所以现有的网络安全机制不适合此 领域，需要开发针对无线传感器网络的专门协议。 2 2 数据融合的重要意义 无线传感网络中另外一个重大的局限在于传感节点的低能耗需求，传感节点 一般携带有限的、不可替换的能源，通过更换数量众多的传感节点的电池来维护传 感节点能量的做法显然是不可取的。因此，当传统的网络致力于获得高质量网络服 务时，传感网络协议则更多关注传感节点能量的保持方面。对于传感网络中能量的 耗费主要有计算和通信两个方面。相关实验表明【1 9 】，在1 0 0 m 的通信线路上传输l k b 的数据包和执行3 m b 的指令所消耗的能量几乎是相同的，因此，传感器节点应注重 于本地的数据处理而减少远距离的数据传输，从而可以减少通信所带来的能量耗 费这一巨大的负担。 无线传感器网络感兴趣的是具有特定属性的感知数据，信息的传送是以数据 为中心的【2 0 1 。由于传感器节点数量大且随机分布，相邻的传感器对同一事件进行 监测所获得的数据具有相似性，而传感器节点在能量、存储空间与计算能力上有限 1 2 ，因此冗余数据的传送在一定程度将消耗过多的能量，缩短整个网络的生存期。 节能的一个重要实现方案就是尽量减少冗余数据的发送，这包括在查询请求的发 布阶段和感知数据往汇聚节点的送回阶段。 与此同时，在监测应用中，用户一般也并不需要网络所采集的所有数据，这是 因为： 1 来自相邻节点的数据是高度相关的，从而造成