（检测技术与自动化装置专业论文）矿山井下无线传感器网络多径路由协议的研究.pdf

iqltlli i l l l l 1 1 1 1 1 1i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l l l l l l l lq l l l y 17 8 0 9 6 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一繇岛鸢 签字日期：乒9l 汐年占月f 岔日 导师签名： 巧呵印卜 签字日期：训移年6 月c y 日 。 l 、，illll 中图分类号：t p 2 1 2 u d c ：6 2 l 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 矿山井下无线传感器网络多径路由协议的研究 r e s e a r c ho nm u l t i p a t hr o u t i n g o fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sf o ru n d e r g o u n dm i n e 作者姓名：高莺 导师姓名：万里冰 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 9 3 5 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：检测技术与自动化装置研究方向：智能化测控技术 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 在论文即将完成之际，对那些曾教导我的师长、帮助我的朋友、支持我的亲 人，表示诚挚的感谢。 首先要感谢直接关心我论文选题、研究和撰写的导师，在此向万里冰老师表 示深深的感谢和崇高的敬意。万老师渊博的专业知识、严谨求实的治学态度以及 。孜孜不倦的科研精神一直激励着我前进，不论在学业还是做人上，老师的言传身 教都将使我终生受益。 其次要感谢中科院计算技术研究所的刘强老师，感谢刘老师让我加入计算所 无线传感器网络的研究，一年多来，老师在科研上给予我很大的帮助，正因为他 的指导让我顺利完成了课题的研究。 还要感谢实验室的老师们：王爽心老师、田颖老师、杨江天老师、刘如九老 师，谢谢你们在我求学过程中给我的关怀和帮助，你们的教诲将成为我人生中的 宝贵财富。 再要感谢百思论坛的网友，感谢你们无私提供的资料和解答帮助，使我在n s 的学习和使用中少走了很多的弯路，顺利完成了仿真的需要。 最后，我要感谢我的父母。感谢他们对我生活上无微不至的关怀和学业上无 怨无悔的支持，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业，谨以此文 献给他们! 一 中文摘要 煤矿环境复杂多变，造成了煤矿开采过程中的不安全性，经常导致恶性事故 的发生。目前，我国的煤矿安全生产形势十分严峻，特别是近年来重大矿难时有 发生，造成了巨大的生命和财产损失。现有的煤矿安全监控系统因为存在各种不 足，已经无法满足日益严格的安全生产需求，迫切需要对其进行改善。 跟踪定位技术是提高煤矿安全生产的主要方法之一，在发生矿难时，通过人 员的跟踪定位能够及时准确地制定营救计划，使伤亡程度降到最低。其中如何从 多径路由角度提高“矿山井下人员与搜救通信系统”的可靠性是本文研究的重点， 为此本文主要开展了以下研究工作： 1 本文对现有数据可靠传输方法和路由算法进行分析，总结出各自优缺点和 需要改进的地方，为设计性能更好的路由算法提供理论基础。在多径路由算法理 论研究方面，本文做了如下两方面工作：首先，利用可靠性理论对两种多径路由 类型的可靠性进行了分析，计算结果表明：在无线链路不稳定的情况下，相交多 路径路由算法可以提供更多的路径冗余，因此具有更高的稳定性，而且无线链路 越不稳定，相交多径路由算法的可靠性越高。其次，本文对多径条数及路径跳数 进行了最优值分析，通过理论计算及仿真分析得出：基于“最短路径”的多径路 由算法，具有更高的数据传输可靠性。 2 在a o d v 路由思想的研究基础上，本文提出了一种基于最小跳数的相交多 径路由算法( m h b m p ) 。首先，通过建立距离汇聚节点的最小跳数场，控制路由 请求消息( r r e q ) 的广播方向，避免了泛洪协议( f l o o d i n g ) 造成的信息爆炸。一 其次，m h b m p 算法设计了节点接收路由请求消息的延迟机制，节点能够根据自身 的剩余能量和当时的负荷情况，决定加入路由的延迟时间，通过这种方法可以使 网络中的能量消耗更平均，负载更均衡。最后，在路由选择过程中，本文提出了 一种针对路径节点关键能量的计算方法，节点依据关键能量比值选择最优路径来 传输数据，实现了均衡节点能耗，构建可靠且能量平衡网络的目的。此外，本文 还设计了适用于该算法的局部修复机制，最大程度地增强了数据传输的可靠性。 3 本文详细描述了m h b m p 路由算法的实现过程，并利用网络仿真工具n s 2 对该算法的性能进行评估。从传输可靠性和能量有效性两个角度，以及投递率、 时延、路由开销和节点生存时间等四个方面，将m h b m p 算法与现有的路由协议进 行了比较，验证了本文所设计算法的有效性和可靠性。 关键词：无线传感器网络：多径路由；m h b m p 算法；能量消耗：可靠性 分类号：t p 2 1 2 a bs t r a c t i t i sk n o w nt h a tt h ee n v i r o n m e n to fu n d e r g r o u n dc o a lm i n ei sv e r ys o p h i s t i c a t e d a n dc h a n g e a b l e ，w h i c hl e a d st oi n c r e a s i n g l yi n s e c u r ea n ds o m e t i m e sf a t a la c c i d e n t si n t h e c o u r s eo f m i n ee x p l o i t a t i o n a tp r e s e n t , t h es i t u a t i o no fs a f ep r o d u c t i o no f c o a lm i l l e i sv e r ys e r i o u si no u rc o u n t r y ，a n dm i n i n ga c e i d e n t so c c u rf r e q u e n t l yi nr e c e n ty e a r s w h i c hc a u s ev e r ye n o r m o u sl o s so fl i f ea n dp r o p e r t y t h ee x i s t i n gc o a lm i n es e c u r i t y m o n i t o r i n gs y s t e mi su r g e n tt ob ei m p r o v e dw i t ha l ls o r t so fi n s u f f i c i e n c i e sw h i c hc a n t m e e tt h ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n td e m a n do fm f e t y t r a c k i n ga n dp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g i e si so n e o ft h ep r i m a r ym e t h o d st oi m p r o v e c o a lm i n es a f e t y i nt h ee v e n to fam i n i n ga c c i d e n t ，ar e s c u ep l a nc a l lb ed r a w nu p t i m e l ya n da c c u r a t e l yt h r o u g hl o c a t i n ga n dt r a c k i n gt h et r a p p e dw o r k e r s ，s ot h a tt h e c a s u a l t i e sw i l lb e k e p t t oab a r em i n i l n u n l h o wt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ft r a c k i n ga n dr e s c u i n gf o ru n d e r g r o u n dm i n e ( c s t r ) b yt h e a p p l i c a t i o no fm u l t i - p a t hr o u t i n gi st h em a i nr e s e a r c hp o i n to ft h i st h e s i s t h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ee x i s t i n gm e t h o d so fr e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o na n dr o u t i n gp r o t o c o l sh a v e b e e na n a l y z e di no r d e rt og i v et h ea d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n dp e r f o r m a n c eo ft h e m , w h i c hi su s e f u lt od e s i g nab e t t e rr o u t i n gs t r a t e g y t op r o v i d i n gat h e o r e t i c a lb a s i sf o r a l g o r i t h md e s i g n , i nt h i st h e s i st h ef o l l o w i n gt w os t u d i e sw e r em a d e ：o no n eh a n d ，t h e r e l i a b i l i t yt h e o r yw a su t i l i z e d t oa n a l y z et w ok i n d so fd i s j o i n t a n dn o n - d i s j o i n t m u l t i p a t hr o u t i n gm e t h o d s t h er e s u l t so ft h ea n a l y s i sh a v es h o w nt h a tm o r er o u t i n g r e d u n d a n c i e sc o u l db ep r o v i d e db yt h en o n - d i s j o i n tm u l t i p a t hr o u t i n gu n d e rt h es t a t eo f u n s t a b l ew i r e l e s sn e t w o r kl i n k , w h i c hm a d et h em e t h o dm o r er e l i a b l e i na d d i t i o n , t h e r e l i a b i l i t yo fn o n - d i s j o i n tm u l t i p a t hr o u t i n gc o u l db ei m p r o v e dm o r ew i t hl e s su n s t a b l e o ft h ew i r e l e s sn e t w o r kl i n k o nt h eo t h e rh a n d ，t h ev a l u eo ft h en u m b e ro fp a t h sa n d h o p sw a so p t i m i z e dt h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n 2 o nt h eb a s i so fa o d va l g o r i t h m , am u l t i - p a t hr o u t i n ga l g o r i t h mb a s e do n m i n i l n u mh o pw a sp r o p o s e d ( m h b m p ) i nt h i st h e s i s f i r s t l y ，i no r d e rt oa v o i dt h e i n f o r m a t i o ne x p l o s i o nc a u s e db yf l o o d i n g ，t h ed i r e c t i o n so fb r o a d c a s t i n gm 也qw e r ei n m b t b m pc o n t r o l l e dt h r o u g he s t a b l i s h i n gt h em i n i n l u n lh o p sf r o mt h es i n k s e c o n d l y ，a s ap r o t o c o lo fe n e r g ye f f i c i e n ta n dl o a db a l a n c e d ，t h ed e l a yo fan o d ew a sd e t e r m i n e db y i t sc u r r e n te n e r g yl e v e la n dl o a d ，s ot h en o d e s 诵n lm o r er e s i d u a le n e r g ya n df e w e r v l o a d sc o u l db es e l e c t e dq u i c k l y ，a n de n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h en e t w o r kc o u l db e r e a s o n a b l e ，a n dn o d el o a d sc o u l db em o r eb a l a n c e d t h e s er e s u l ti nt h a tt h ed a t af l o w c o u l dn o tb ec l o g g e di ns o m es e c t i o n t h i r d l y ，i nt h ep r o c e s so fp a t hs e l e c t i o n , c r u c i a l e n e r g yo fe v e r yn o d e sw a sc a l c u l a t e di no r d e rt oc o n s t r u c ta ne n e r g y - b a l a n c e d n e t w o r k , a n dt h e na c c o r d i n gt o c r u c i a le n e r g yr a t i oe n e r g y b a l a n c e da m o n gt h en o d e sw a s a c h i e v e d i na d d i t i o n , l o c a lr e p a i rm e c h a n i s mw a sp r o p o s e d ，w h i c ha t t e m p t e dt oe n h a n c e t h er e l i a b i l i t yo ft h ep a t hi nt h i st h e s i s 3 i nt h i st h e s i s ，t h ep r o p o s e dp r o t o c o lw a sd e s c r i b e di nd e t a i la n das i m u l a t i o n e x p e r i m e n tw a sm a d eo nt h en s 2p l a t f o r m f r o mt h ev i e wo ft r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y a n de n e r g ye f f e c t i v e n e s sa n dt h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n go t h e rm e t h o d si np a c k e t d e l i v e r y ，d e l a y ，r o u t i n go v e r h e a d ，n o d el i f e t i m e ，a l g o r i t h mm e n t i o n e di nt h i st h e s i s p r o v e dt ob em o l ee f f e c t i v ea n dr e l i a b l e 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 ；m u l t i p a t hr o u t i n g ；m h b m p ；e n e r g y c o n s u m i n g ；r e l i a b i l i t y c l a s s n o ：t p 2 1 2 。jij；ill：一 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t v 插图目录) 【i 表格目录x i i i 1 绪论。1 4 1 1 课题研究背景和意义1 4 1 1 1 课题来源。1 4 1 1 2 研究背景及意义。1 4 1 2 无线传感器网络概述1 4 1 2 1无线传感器网络的概念及体系结构1 4 1 2 2 无线传感器网络的特点及存在的不足1 4 1 2 3 无线传感器网络的应用1 4 1 2 4 无线传感器网络的关键技术1 4 1 2 5 矿山井下人员跟踪与搜救通信系统介绍。1 4 1 3 无线网络数据可靠传输的研究现状1 4 1 3 1 链路重传机制1 4 1 3 2 纠错编码机制o 一1 4 1 3 3多路径路由机制1 4 1 4 本文的主要工作。1 4 1 5 论文的组织结构1 4 2 无线传感器网络多径路由协议结构特性研究。1 4 2 1 无线传感器网络路由技术1 4 2 1 1 无线传感器网络路由特点1 4 2 1 2 无线传感器网络路由分类1 4 2 1 3 无线传感器网络经典路由协议1 4 2 2 无线传感器网络多径路由协议1 4 2 2 1多径路由的相关概念1 4 2 2 2 多径路由的分类判断1 4 2 2 3 单径路由协议与多径路由协议的比较1 4 2 3多径路由可靠性分析1 4 2 4 最优路径跳数及条数的研究1 4 2 4 1判断依据二1 4 2 4 2 仿真结果分析。1 4 2 5 多径路由算法数据可靠传输方法的设计准则1 4 2 6 本章小结1 4 3m h b m p 路由算法的设计1 4 3 1 基本路由算法的描述1 4 3 1 1 基本路由算法的工作原理。1 4 3 1 2 a o d v 协议存在的不足一1 4 3 2 最小跳数场的建立。1 4 3 2 1 网络特征定义1 4 3 2 2 最小跳数场基本概念1 4 3 2 3 最小跳数场建立的步骤1 4 3 2 4 时间延迟处理1 4 3 2 5 最小跳数场算法的分析。1 4 3 3 路由请求消息接收与转发的延时设计。1 4 3 3 1节点剩余能量的路由选择1 4 3 3 2 节点负荷的路由选择。1 4 3 3 3 路由接入延迟算法1 4 3 4 数据转发过程的路由选择设计一1 4 3 4 1 相关概念的定义。1 4 3 4 2 关键能量的计算1 4 3 4 3数据的转发策略1 4 3 5m h b m p 路由算法的实现过程。1 4 3 5 1 m h b m p 协议中源节点路由发现过程一1 4 3 5 2中间节点及目的节点的路由发现过程。1 4 3 5 3 路由恢复消息r r e p 的产生。1 4 3 5 4 路由回复的处理过程一1 4 3 5 5 节点路由表设计1 4 3 5 6 路由维护及自动修复过程1 4 3 6 本章小结一1 4 4m h b m p 协议的仿真研究及性能分析1 4 4 1 n s 2 简介1 4 4 1 1n s 2 的优点1 4 4 1 2n s 2 网络构件层次结构。1 4 - p ；= - 一 4 1 3n s 2 的基本无线模块。1 4 4 2n s 2 网络仿真1 4 4 2 1n s 2 网络仿真流程。1 4 4 2 2o t c l 实现仿真的过程1 4 4 3m h b m p 算法仿真程序设计。1 4 4 3 1 模拟平台的建立1 4 屯3 2 定义网络参数1 4 4 3 3生成仿真对象1 4 4 3 4 生成仿真场景1 4 4 3 5 场景文件及业务文件的调用1 4 4 3 6 仿真退出设计1 4 4 4m h b m p 算法仿真结果的显示与分析。1 4 4 4 1 调用t r a c e 文件1 4 4 4 2 对t r a c e 文件的分析1 4 4 4 3n a m 文件的使用1 4 4 4 4 x g r a p h 图形绘制：1 4 4 5 无线传感器网络路由协议的评价标准。1 4 4 6m h b m p 算法的性能评价与分析1 4 4 6 1 平均数据投递率的比较与分析1 4 4 6 2 平均端到端时延的比较与分析1 4 ， 4 6 3 平均路由开销的比较与分析。1 4 4 6 4 节点生存时间的比较与分析1 4 4 7 本章小结1 4 5结论。1 4 参考文献。1 4 附勇匙a 。1 4 附录b 。1 4 附录c 。1 4 作者简历1 4 独创性声明1 4 学位论文数据集j 1 4 图1 1 图 图 图 图 2 - 3 - 4 5 图2 1 图2 2 图2 了 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 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4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 插图目录 无线传感器网络典型协议结构 3 井下人员跟踪与应急搜救系统示图 8 纠错编码机制示意图1 1 分层多路径路由。一1 2 缠绕多路径1 3 f l o o d i n g 协议1 8 g o s s i p i n g 协议1 9 定向扩散路由 1 9 s p i n 路由协议一 2 0 多径路由类型 2 2 相交与不相交的多径路由算法示意图2 4 相交与不相交多径路由算法的可靠性分析2 5 路径条数及跳数对路由发现周期的影响2 8 最小跳数网络拓扑结构图3 5 最小跳数路由算法流程图3 6 节点的剩余能量值4 0 能量更新过程4 1 源节点的路由发现流程图4 3 中间节点的路由发现流程图4 5 路由回复过程流程图4 7 多径路由示意图4 8 节点b 失效情况4 9 节点c 失效的情况5 0 n s 2 网络构件层次结构5 2 无线节点结构示意图5 4 n s 2 仿真流程图5 5 应用层程序与传输层代理之间的关系5 9 g a w k 计算流程图6 3 图4 6 图4 7 图4 - 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 n a m 显示6 4 路由算法延时比较6 5 平均数据投递率6 8 平均端到端时延7 1 平均路由开销。7 3 平均节点生存时间7 5 表2 一l 表3 。1 表3 2 表3 3 表3 - 4 表3 。5 表4 1 表4 2 表4 3 表4 _ 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 - 8 表4 - 9 表4 1 0 表格目录 无线传感器网络路由协议分类1 7 路由请求消息r r e q 的格式4 2 路由回复消息r r e p 的格式4 6 节点的路由表格式4 8 路由错误消息r r e r 的格式4 9 r r e r 消息的具体内容5 0 仿真参数设置5 7 t r a c e 文件格式一6 2 网络节点增加时的投递率数据表6 7 数据发送率增加时的投递率数据表6 7 网络节点增加时的端到端时延数据表7 0 源节点个数增加时的端到端时延据表7 0 网络节点增加时的路由开销数据表7 2 源节点个数增加时的路由开销数据表7 2 源节点增加时的节点生存时间数据表7 4 数据发送率增加时的节点生存时间数据表7 5 ，口 t 。1li：f：一 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 课题来源 1 绪论 本课题来源于中国科学院计算技术研究所无线传感器网络组，为“煤矿 安全监控系统”中“矿山井下人员跟踪与搜救通信系统”项目的子课题。 1 1 2 研究背景及意义 矿山尤其是煤矿安全是我国安全生产工作的重中之重，做好煤矿安全生产的 意义重大。当前我国煤矿安全生产形势仍然十分严峻，由于受煤炭供应紧张、煤 矿超负荷能力生产、管理基础薄弱、安全监管措施不到位等因素影响，重特大煤 矿事故时有发生。国家安全生产监督管理总局提出了煤矿安全生产三个重要系统： 人员定位、瓦斯监测和产量监测，其中“人员跟踪定位 和“瓦斯监测 是最重 要的两个方面。通过人员定位与通信系统，保障矿山安全生产和及时救援，是人 与自然和谐相处，构建和谐社会的一项重要内容。 我国是世界第一产煤大国，煤矿近3 万多个，其中大中型煤矿5 0 0 多个，小 煤矿2 万多个，井下工作人员超过1 0 0 万人。据国家安全生产监督管理总局统计， 我国煤炭行业平均每天有1 6 人死亡，其事故的发生率远远高于发达国家的采矿业， 且煤矿工人死亡率长期居高不下。随着对煤炭需求量的不断增大，煤矿安全状况 令人担忧，分析近期几个煤矿发生的特大事故可以发现，最主要的原因是地面与 井下人员的信息沟通不及时，以致井上人员难以及时动态掌握井下矿工的分布及 作业情况，难以进行精确人员定位；同时井下地形复杂，给井下矿工撤离和事故 抢救带来了极大的困难。若能及时准确确定井下人员所处的位置，会给营救工作 带来极大的方便，同时节省大量的时间，将人员伤亡程度减少到最小。 在2 0 0 8 年举行的“安全生产监督及井下人员管理高层论坛 中提n - “煤矿 井下人员定位系统用无线技术跟踪人员或设备，不仅可实时观察井下施工情况， 还能及时发现隐患和风险。一旦发生事故，可快速统计井下人员数量、准确指出 井下人员位置，争取宝贵的抢险时间。同时，在我国的“十一五安全生产 科技发展规划中提到：针对矿井瓦斯等突发性灾害，应大力开展人员定位和搜 救等应急救援技术与装备研发工作，以增强应急救援能力。精确跟踪定位和信息 获取技术已被列入“十一五期间国家优先发展的安全生产科研方向【1 。3 】。 中科院计算技术研究所就该问题承担了国家重大自然基金项目“煤矿井下人 员跟踪与搜救通信技术的研究 。无线传感器网络是一种新兴的无线自组织网络， 它具有以数据为中心、多对一通信和多跳传输等特点，适用于本课题的研究。但 是无线传感器网络中不可预测因素较多( 如矿井环境恶劣、节点能量有限等) ，极 易出现节点破坏或无线链路断开等现象，从而导致路径失效及数据丢失，不能保 证信息及时准确地传输到网关节点，使得无线数据传输变得极不可靠。z h a o 及 g o b i n d a n 通过实际观测得出【4 】：在无线传感器网络中，超过1 0 的链路是非对称 链路，其中三分之一的链路丢包率超过3 0 。 因此，对“跟踪定位和信息获取 过程的可靠性研究已经成为目前的热门课 题。本文从多径路由角度对矿山井下无线传感器网络的数据传输可靠性进行深入 研究，使矿山井下人员定位技术整体可靠性得到优化，以达到提高煤矿安全监测 系统的稳定性能，实现矿井无线传感器网络能量高效利用的目的，从而使整个人 员跟踪通信系统的功能更加完善。 1 2 无线传感器网络概述 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 ) ，属于a dh o c 网络( 自组 织分组无线网络) 的范畴，但有别于常见的一些无线网络，它的本质是无线对等 网络。本节将对其结构、特点、关键技术、应用和研究现状等方面做简要介绍。 1 2 1 无线传感器网络的概念及体系结构 无线传感器网络是由部署在监测区域内的各种集成化的微型传感器节点组 成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统，其目的是协作地实时监 测、感知、采集和处理网络覆盖区域中的对象信息，并发送给用户终端【5 】。因此， 传感器节点、感知对象和观测者是无线传感器网络的三个基本组成部分；其中， 无线网络是传感器节点之间、传感器节点与观测者之间的通信基础，用于在节点 与观测者之间建立通信路径；而协作地感知、采集、处理、发送信息是无线传感 器网络的基本功能。 在传感器节点和网络汇聚节点中使用的网络协议栈一般包括物理层、数据链 路层、网络层、传输层、应用层以及能量管理平台、移动管理平台和任务管理平 台，如图1 1 所示。它把路由协议和能量有效利用结合起来，把数据和网络协议结 2 合起来，通过无线介质传输数据信息，提高了传感器节点的协作能力。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 匣巫固 时间同步、节点定位 传输控制 路由 信道接入、拓扑生成 无线电、红外线、光波 ；能 i 量 ；管 ；理 ? ： ；移l ；动i i 管； i 理i f 任 务 管 理 图1 - 1 无线传感器网络典型协议结构 f i g 1 - 1r e p r e s e n t a t i v ep r o t o c o ls t r u c t u mo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 物理层的主要任务是选择合适频率、生成载波、检测信号、调制解调和对数 据的加密等，业界广泛建议无线传感器网络采用9 1 5 m h zi s m 频段【6 l ；数据链路层 负责数据流的多重复用，检测数据帧、媒体访问控制和差错控制，由于周围环境 恶劣，且传感器节点可移动，因此m a c 层( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议必须对 能量敏感并且能够减少与邻居广播的冲突；网络层以通信网络为核心，实现节点 与节点、节点与观测者之间的通信，支持多传感器协作完成大型感知任务；网络 层与数据链路层协同工作，使所有节点采用自组织的方式构建网络，并确定网络 拓扑结构，随后在给定的网络拓扑结构基础上进行有效路由；传输层则是用来维 持数据的流向，在w s n 与i n t e r n e t 互联时，传输层就显得尤其重要，由于节点的 能量和存储能力都非常有限，所以传输层协议仍然处于探索阶段；根据传感任务 的不同，应用层中会有不同类型的应用程序，目前各国学者正在深入研究的应用 层协议有：s m p ( s e n s o rm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 、t a d a p t 7 j ( t a s ka s s i g n m e n ta n dd a t a a d v e r t i s e m e n tp r o t o c 0 1 ) 和s q d d p i s ( s e n s o rq u e r ya n dd a t ad i s s e m i n a t i o n p r o t o c 0 1 ) 。 另外，能量管理、移动管理和任务管理三个平台能够监视无线传感器网络中 的能量情况、移动情况和任务分配情况，可以更好地协调传感任务和低功耗之间 的关系。能量管理平台管理节点如何使用能源：移动管理平台监测并记录节点的 移动情况，随时关注路由回用户的路径；任务管理平台平衡和调度传感任务，并 非所有在该区域的节点都要进行信息监测，根据能量的不同，有些节点可能比其 他节点执行更多的任务。有了这些管理平台，传感器节点就能够更有效的利用能 量、传输数据和分享资源。 j e 立交道太堂亟堂僮i 金塞 1 2 2 无线传感器网络的特点及存在的不足 无线传感器网络是一种特殊的无线网络。网络中所有节点的地位平等，无需 设置任何的中心控制节点，节点不仅具有普通终端的数据采集功能，而且具有报 文转发( 路由) 能力。无线传感器网络主要具有以下几方面特点【9 4 2 】： ( 1 ) 网络规模大。为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点， 传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。 ( 2 ) 自组织网络。无线传感器网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设 施，节点用分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后可以快速自动地 组成一个独立的网络。 ( 3 ) 多跳路由。当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要有中间节 点参与多跳转发。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器 网络中的多跳路由是由普通的网络节点完成，没有专门的路由设备。 ( 4 ) 以数据为中心。传统网络是以p 为中心的网络，每个节点拥有全网唯一的 i p 地址，数据转发以目的节点的转发为依赖。在无线传感器网络中没有严格的控制 中心，所有节点的地位平等，是以数据为中心的网络，它关心的是数据本身，如 事件、时间和地点，而并不关心数据是由哪个节点采集的。 然而，无线传感器网络也存在着不足： ( 1 ) 无线传输不稳定且通信能力有限。 无线通信的能量消耗与通信距离的关系为： e = d k ” ( 1 一1 ) 其中，参数n 满足关系2 刀 m ，由于传输过程中会出现数据 丢失，将导致得到的数据块n m ，解码机制就能够用其中任 意m 个子文件块对原文件进行恢复1 4 3 , 4 4 1 。 1 0 nn t 图1 - 3 纠错编码机制不意图 f i g 1 - 3m e c h a n i s mo f e r a s u r ec o d e 一般来说，提高抗干扰能力( 降低失真或错误概率) 往往是以降低信息传输 率为代价的，反之，要提高信息传输率就会使抗干扰能力减弱。编码实质上是对 信源的原始符号按照一定的数学规则进行的一种变换，纠错码的目的是引入剩余 度，在传输的信息码后增加一些多余的码元( 称为校验元) ，以使信息损失或错 误后仍能在接收端被恢复。如果拧与丢失率相比足够有效，那么就可以通过纠错码 来获得可靠性，而不需要通过重传。 q i l i a nl i a