（模式识别与智能系统专业论文）无线传感器网络多层分簇路由算法.pdf

l ， 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学模式识别与智能系统 研究方向：人工智能理论及其在通信中的应用 作者：2 0 0 7 级研究生付东阳 指导教师：李雷教授 题目：无线传感器网络多层分簇路由算法 鼎嬲y 1 7 5 4 7 6 8 英文题目：m u l t i - h i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n gr o u t i n ga l g o r i t h m f o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 主题词：无线传感器网络；路由协议：分簇；簇头；能量高效：网络生命周期 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 ；r o u t i n gp r o t o c o l ；c l u s t e r i n g ；c l u s t e r h e a d ；e n e r g y - e f f i c i e n t ；n e t w o r kl i f e t i m e 摘要 无线传感器网络( w i r e l e s sn e t w o r ks e n s o r ，简称w s n ) 是由部署在监测区域内大量的微 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。 本论文主要对无线传感器网络的路由协议进行研究。分簇算法是无线传感器网络路由 所采用的重要方法，尤其是传感器节点受到能量和带宽的严重制约。如何合理、有效地利 用分簇算法使得网络中节点的能量分布趋于一致，从而延长网络的生命周期，成为当前无 线传感器网络研究领域内的热点问题之一。 本文首先分析了现有路由协议的优缺点，对经典的无线传感器网络分簇路由协议 l e a c h ( l o w e 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 ，低功耗自适应分簇协议) 进行了深入 的研究。借鉴其中的优秀思想，提出了一种新的能量高效的路由算法一多层分簇算法 ( m u l t i h i e r a r c h i c a la l g o r i t h mb a s e do nc l u s t e r i n g ，m h a c ) 。仿真结果显示m h a c 算法能 有效的均衡能量负载，延长网络生命周期。 论文工作的创新点主要体现在如下方面： ( 1 ) 在簇的形成过程中，根据网络能耗最小化原则，选择合适的簇头选举概率，优化网络 簇头数目，使网络中的簇头分布均衡。 ( 2 ) 在选举第一层簇头的基础上逐层选出其它上层簇头，从而形成多层分簇的网络结构。 ( 3 ) 在进行簇内路由时，根据节点的通信范围计算出节点间传输数据的最优跳数，实现簇 内的多跳传输。 ( 4 ) 最后最底层的簇头将融合后的信息通过每层的对应簇头发送至汇聚节点，即簇间也是 采用多跳通信。 关键字：无线传感器网络；路由协议；分簇；簇头；能量高效：网络生命周期 直塞蛏皇盔堂亟硒塞生堂僮迨塞 丛! ! ! 鹜! 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 k sc o n s i s to fl o t so fm i c r os e n s o rn o d e sd e p l o y e di nm o n i t o r e da r e a ， t h r o u g hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw a y ，w h i c hb u i l dam u l t i h o pa n ds e l f - o r g a n i z a t i o n a ln e t w o r k s y s t e m w s n sd e s t i n a t i o ni st oa p p e r c e i v e ，c o l l e c ta n dp r o c e s si n f o r m a t i o no fa p p e r c e i v e d o b j e c ti no v e r l a ya r e a , t h e nt os e n dt h i si n f o r m a t i o nt oo b s e r v e r t h i sd i s s e r t a t i o n m a i n l ys t u d i e s t h ed e s i g no fr o u t i n gp r o t o c o li n w s n c l u s t e r i n g a l g o r i t h m sa r et h em o s ti m p o r t a n tm e t h o df o rr o u t i n gi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；e s p e c i a l l yt h e s e n s o rn o d e sa r el i m i t e db yp o o r e n e r g ya n db a n d w i d t h i ti st h ec r u c i a lp r o b l e mt h a th o wt ou s e t h er a t i o n a la n de f f e c t u a lc l u s t e r i n ga l g o r i t h m st om a k et h eu n i f o r me n e r g yd i s t r i b u t i o na n d p r o l o n gt h el i f e t i m ei nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l ya n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e e x i s t i n gr o u t i n g p r o t o c o l s t h ec l a s s i c a ll e a c h ( l o 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 ) p r o t o c o lo f h i e r a r c h i c a ls e n s o rn e t w o r k si sa n a l y z e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h e ni t p r e s e n t san e w e n e r g y - e f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o lo fw s n ：m u l t i - h i e r a r c h i c a la l g o r i t h mb a s e do nc l u s t e r i n g ( m h a c ) s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm h a cc a nb a l a n c ee n e r g yl o a da n dp r o l o n g st h el i f e t i m e 0 f w s n t h em a i ni n n o v a t i o n si nt h ed i s s e r t a t i o na r eo u t l i n e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) i nt h ec l u s t e rf o r m a t i o np r o c e s s ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so ft h en e t w o r kt om i n i m i z e p o w e rc o n s u m p t i o n , s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t ec l u s t e rh e a de l e c t i o np r o b a b i l i t y , a n do p t i m i z a t i o n o ft h en e t w o r kt h en u m b e ro fc l u s t e rh e a da r et ob a l a n c et h ed i s t r i b u t i o no ft h en e t w o r ki nt h e c l u s t e rh e a d ( 2 ) i tf i r s ts e l e c t so ft h ec l u s t e rh e a do ft h ef i r s tl a y e r , a n dt h e nl a y e rb yl a y e rs e l e c t st h ec l u s t e r h e a d so fo t h e rl a y e r st of o r ma m u l t i l a y e rs u b - c l u s t e ra r c h i t e c t u r e ( 3 ) c a r r y i n go u tt h er o u t i n gw i t h i nac l u s t e r , i na c c o r d a n c ew i t ht h es c o p eo fc o m m u n i c a t i o n n o d e st o c a l c u l a t e t h e o p t i m a ln u m b e ro fh o p sb e t w e e nn o d e s ，i tc a na c h i e v em u l t i h o p t r a n s m i s s i o nw i t h i nac l u s t e r ( 4 ) f i n a l l yt h ec l u s t e rh e a do ft h eb o t t o mw i l lb ef u s i o no fi n f o r m a t i o na n ds e n di tt ot h es i n k n o d et h r o u g ht h ec l u s t e r1 1 e a do ft h ec o r r e s p o n d i n gc l u s t e ro ne a c hl a y e r , w h i c hi sa l s oa m u l t i h o pi n t e r - c l u s t e rc o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ；r o u t i n gp r o t o c o l ；c l u s t e r i n g ；c l u s t e rh e a d ； e n e r g y e f f i c i e n t ；n e t w o r kl i f e t i m e l l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 课题研究背景及发展现状1 1 2 课题研究的目的及意义。2 1 3 本文主要内容和结构组织3 第二章无线传感器网络概述4 2 1 无线传感器网络体系结构4 2 1 1 无线传感器网络结构4 2 1 2 无线传感器网络节点结构和特征4 2 1 3 无线传感器网络协议栈7 2 2 无线传感器网络关键技术8 2 3 无线传感器网络性能指标1 0 2 4 无线传感器网络的应用1 l 2 5 本章小结1 2 第三章无线传感器网络路由协议1 3 3 1 无线传感器网络路由协议概述1 3 3 1 1 无线传感器网络路由协议与传统路由协议的不同1 3 3 1 2 无线传感器网络路由协议的性能指标1 4 3 2 无线传感器网络路由协议的分类。1 4 3 2 1 典型的平面路由协议1 5 3 2 2 典型的分层路由协议1 9 3 3 典型路由协议比较。2 1 3 4 本章小结。2 3 第四章基于分层的无线传感器网络分簇路由协议2 4 4 1l e a c h 协议算法过程。2 4 4 1 1 系统网络模型2 4 i l l 4 1 2l e a c h 算法描述2 5 4 1 3l e a c h 协议优缺点2 8 4 2 一种改进的层次分簇算法简介2 8 4 3 单层的分簇路由算法2 9 4 3 1 最优簇头选举概率3 0 4 3 2 成员节点到簇头的最大跳数3 1 4 4 多层的分簇路由算法3 2 4 4 1 算法描述3 3 4 4 2 算法的最优参数值：3 3 4 4 3 数据传输3 5 4 5 本章小结3 5 第五章多层分簇路由算法性能分析及仿真3 7 5 1 无线传感器网络仿真系统体系结构3 7 5 2n s 2 简介3 8 5 2 1n s 2 特点3 9 5 2 2n s 2 仿真原理3 9 5 3 仿真结果及分析。4 l 5 3 1 仿真场景及参数4 1 5 3 2 仿真结果分析4 2 5 3 3 与l e a c h 协议的仿真比较4 3 5 4 本章小结4 6 第六章总结与展望4 7 6 1 论文工作总结4 7 6 2 下一步的工作4 7 至j 谢4 9 参考文献。：5 0 攻读硕士学位期间发表的论文5 4 i v 第一章绪论 1 1 课题研究背景及发展现状 随着通信技术、嵌入式技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算 能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的无线传感器 网络引起了人们极大关注，它将成为下一代网络的研究重点。 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信 技术，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理和传 送。它是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统。由于传 感器节点数量众多，部署时只能采用随机投放的方式，其位置不能预先确定；在任意时刻， 节点间通过无线信道连接，形成自组织的网络拓扑结构；传感器节点间具有很强的协同能力， 通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互方式来完成全局任务，并将结果通过多 跳通信方式传送到汇聚节点。 早在上世纪7 0 年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传 感器网络的雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传 感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过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，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现 场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被 运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。第三代传感器网络出现在2 0 世纪 9 0 年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控 制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络：第四代传感器网络正在研究开发，用大量的 具有多功能、多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制 器连接构成无线传感器网络。 进入2 1 世纪以后，无线传感器网络的研究在多种应用方面取得了重大进展，各种技术评 论杂志也一致看好无线传感器网络蕴藏的巨大应用潜力和商业价值。同时传感器网络也引起 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感器网络的研 究计划，特别是美国通过国家自然基金委员会、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络 技术的研究。2 0 0 3 年，美国国家自然基金会投资3 4 0 0 多万美元资助美国加州大学洛杉矶分 校的c e n s 计划，该计划由美国加州大学洛杉矶分校牵头，美国南加州大学、加州理工学院、 加州大学河滨分校等多所大学合作，计算机、电子工程、生物工程、环境工程等多领域专家 共同参与，研究无线传感器网络在环境保护、灾害监测与预警、城市监控等领域的应用。美 国s a n d i a 国家实验室与美国能源部于2 0 0 2 年5 月合作研究的反恐系统，该系统能够尽早发 现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策。与此同时，无线i e e e 正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，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 rn 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 、霍尼韦尔( h o n e y w e l l ) 、i n e t c os y s t e m s 、i n v e n s y s 、l 3c o m m u n i c a t i o n s 、 m i l l e n n i a ln e t 、r a d i a n s e 、s e n s i c a s ts y s t e m s 及t e x t r o ns y s t e m s 。美国的技术评论杂志在 论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，商业周刊预 测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中【l 】。现在已经有一些致力于无线传感器 网络的公司，如美国的c r o s s b o w 公司和d u s t 公司，其中c r o s s b o w 公司已经推出了m i c a 系 列传感器网络产品，到现在已经有了m i c a ，m i e a 2 ，m i e a 2 d o t 三种产品【2 】。可以预计，无线 传感器网络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。 我国也非常重视无线传感器网络的发展，近几年来，国家发改委、科技部、信息产业部 等均启动了无线传感器网络及自组织网络领域的研究项目。国内很多高校及科研机构都已在 无线传感器网络领域投入力量，从事相关的学术科研。如哈尔滨工业大学、北京交通大学、 中科院、北京邮电大学等高校和研究机构对无线传感器网络各领域展开了研究，相信在几年 之内，国内在这一领域会产生一个质的飞跃，这对于我国真正在这一新技术领域迎头赶上， 把握这一技术潮流进而提高科研以及实际竞争力都具有重要的意义。 1 2 课题研究的目的及意义 与一般的计算机网络不同，无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系 统，节点数目很庞大，节点的分布密集；由于环境影响和能量耗尽，节点很容易出现故障， 环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不 动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力都非常有限。对于传 统的无线网络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络) 的首要设计目标是提供高服务质量和高效率的 带宽利用。其次才考虑节约能源；而无线传感器网络的很重要的设计目标是能源的高效利用， 这也是无线传感器网络与传统网络的重要区别之一。正是由于能量严重受限，所以提高能源 2 效率，延长网络生命时间是研究无线传感器网络的关键问题。而好的路由协议对于延长网络 生命时间至关重要。 现有的无线传感器网络路由协议从网络拓扑结构的角度可以分为平面路由协议和分簇路 由协议。平面路由协议，协议结构简单，在小规模传感器网络易于实现其可扩展性，但它不 适合信息传输延迟较大的大规模传感器网络。而分簇路由协议更利于提高无线传感器网络的 能量利用及网络的可扩展性。本文通过研究无线传感器网络中能量均衡的分簇路由算法，以 达到能量高效利用，延长网络生命周期的目的。 1 3 本文主要内容和结构组织 论文共分为六个章节，内容组织如下： 第一章绪论部分介绍了本文的课题研究背景及发展现状，阐述了本课题的研究目的及意 义，明确了本文的工作。 第二章是对无线传感器网络的概述，介绍了无线传感器网络的概念、体系结构、协议栈 的分层模型，并由其特点引出了无线传感器网络的关键技术，性能指标及其应用领域，从整 体上认识了无线传感器网络。 第三章介绍了无线传感器网络路由协议特点及其标准，并对常用的路由协议进行分类， 详细研究了每一类典型路由协议的思想、流程及优缺点。最后通过对各种路由协议的特性进 行比较，得出无线传感器网络的路由协议是与应用相关的，没有绝对的好的路由算法，只能 在具体的应用环境中，决定应用那一种路由算法。 第四章首先详细介绍了经典l e a c h 协议的能量模型，算法描述，然后针对l e a c h 协议 的缺点，给出了一种改进的多层分簇算法m h a c 。在此算法中我们首先以最小化网络能耗为 原则，求出最优簇头选举概率，优化网络簇头数目，使网络中的簇头分布均衡；然后选举出 第一层簇头，再逐层选出其它上层簇头，从而形成多层分簇的体系结构：最后簇内及簇间都 使用多跳通信来完成网络数据传输任务。 第五章首先介绍了网络仿真平台n s 2 的特点及工作原理，然后对m h a c 算法进行性能 分析和仿真测试，并与同类路由协议l e a c h 算法进行了比较分析，证明了m h a c 算法的正 确性和更优异的性能。 第六章，总结本文的工作，并对未来的研究工作进行了展望。 第二章无线传感器网络概述 2 1 无线传感器网络体系结构 2 1 1 无线传感器网络结构 传感器网络系统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 ，或称基站) 和 管理节点。大量的传感器节点通过飞机布撒，人工布置等方式随机部署在监测区域( s e n s o r f i e l d s ) l 勾部或附近，能够通过自组织方式构成网络。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汇聚节点，最后借助s i n k 链路将整个区 域内的数据通过互联网络或卫星传送到远程控制中心进行集中处理【3 】。传感器网络结构如图 2 1 所示。 倍感区域 点 图2 1 传感器网络结构 2 1 2 无线传感器网络节点结构和特征 节 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较 弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能来看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的 终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理之外，还要对其它节点转发来的 数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如 4 图2 2 所示。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它节点发来的数据；无线通信模块负 责和其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；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。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连结传感器网络与i n t e m e t 等外部网络，实现两种通信协议的转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转 发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能力供给和 更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备 3 1 。 定位模块移动模块 处理器模块无线逼信梗块 传感器a c 力d cl 处理器网 1 卜一收按器 r 7 络一姒c l l 存储器 i 能量供应梗块 t 能量生成梗块 图2 - 2 传感器节点体系构成 一个典型的无线传感器网络是“由大量同构的、微小的、资源受限的、基本不动的传感器 节点随机分布在被测量区域而形成的大规模的、自组织的、多跳的网络”。可见，无线传感器 网络的重要特征是大量微型节点的广泛分布，其优点和局限性都与此有关，具体总结如下： 1 电源能量有限 传感器节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特殊应用领域决定了在使用过程 中，不能经常给电池充电或者更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。因 此在传感器设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。 传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块，处理器模块和无线通信模块。随着集成电 路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。 无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块一直监听无线信道的使 用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。如何让网络通信更有 效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是无线传感器网络协议 设计需要重点考虑的问题。 2 多跳路由 无线传感器网络中节点通信距离有限，节点只能与它的邻居节点直接通信。如果希望与 其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。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则由普通节点完成的，没有专门的路由设 备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。 3 节点多，规模大 无线传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。利 用节点之间的高度连接性可以保证系统的容错性、抗毁性。 4 通常环境较为恶劣 传感器网络经常分布在条件比较恶劣的地方，如军事边界或者一些人员难以进入地区。 节点容易受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响。 5 计算和存储能力有限 由于节点体积小，成本低，因而选用的嵌入式处理器和存储器的计算能力和存储能量都 较为有限。如何使用大量具有有限计算能力的节点进行协作分布式信息处理，完成应用任务， 是无线传感器网络研究的一个重要课题。 6 通信能力有限f 3 】 无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：e = 材“，其中参数以满足关系2 n 4 。n 的 取值与很多因素有关，例如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多干扰大，1 1 的取值就大； 天线质量对信号发射质量的影响也很大。考虑诸多因素，通常取以为3 ，即通信能耗与距离 的三次方成正比。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提 下应尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的通信半径在l o o m 以内比较合适。 7 网络的动态性 无线传感器网络可以分为准静态的和动态的网络。准静态的网络中，一般节点部署后不 再移动。而动态网络中的节点则可以移动。即使是准静态的网络，由于资源有限的节点在恶 劣的外部环境中容易失效，因而网络组织结构仍然是需要动态更新的。动态网络中的节点运 动可以分为节点运动而汇聚点不动，节点不动而汇聚点移动，节点和汇聚点都运动等情况。 不同的情况有不同的优化方法。 8 网络有自组织性 6 无线传感器网络中的节点之间的联系通常通过自组织的方式。没有固定的基础设施作为 网络骨干。 2 1 3 无线传感器网络协议栈 无线传感器网络的通信协议栈 3 1 除了具有传统网络的物理层、数据链路层、网络层、传 输层和应用层，另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。如图2 3 所示。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感 器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。 下面对各层协议和平台分别作介绍： 1 物理层 它着眼于信号的调制，发送与接收。物理层的主要工作是负责频段的选择，信号的调制 以及数据的加密等等。对于距离较远的无线通信来说，从实现的复杂性和能量的消耗来考虑， 代价都是很高的。 2 数据链路层 它用于解决信道的多路传输问题。数据链路层的工作集中在数据流的多路技术，数据帧 的监测，介质的访问和错误控制，它保证了无线传感器网络中点到点或一点到多点的可靠连 接。 3 网络层 它关心的是对传输层提供的数据进行路由。大量的传感器节点散布在监测区域中，需要 设计一套路由协议来供采集数据的传感器节点和基站节点之间的通信使用。 4 传输层 它用于维护传感器网络中的数据流，是保证通信服务质量的重要部分。当传感器网络需 要与其他类型的网络连接时，例如基站节点与任务管理节点之间的连接就可以采用传统的 t c p 或者u d p 协议。但是在传感器网络的内部是不能采用这些传统协议的，这是因为传感器 节点的能源和内存资源都非常有限，它需要一套代价较小的协议。 5 应用层 根据应用的具体要求的不同，不同的应用程序可以添加到应用层中，它包括一系列基于 监测任务的应用软件。 管理平台包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台用来监控传 7 感器网络中能量的利用、节点的移动和任务的管理。它们可以帮助传感器节点在较低能耗的 前提下协作完成某些监测的任务。管理平台可以管理一个节点怎样使用它的能量。例如，一 个节点接收到它的一个邻近节点发送过来的消息之后，就把它的接收器关闭，避免收到重复 的数据。同样，一个节点的能量太低时，它会向周围节点发送一条广播消息，以表示自己已 经没有足够的能量来帮它们转发数据，这样它就可以不再接收邻居发送过来的需要转发的消 息，进而把剩余能量留给自身消息的发送。移动管理平台能够记录节点的移动。任务管理平 台用来平衡和规划某个监测区域的感知任务，因为并不是所有节点都要参与到监测活动中， 在有些情况下，剩余能量较高的节点要承担多一点的感知任务，这时需要任务管理平台负责 分配与协调各个节点的任务量的大小，有了这些管理平台的帮助，节点就可以以较低的能耗 进行工作，可以利用移动的节点来转发数据，可以在节点之间共享资源。 图2 3 无线传感器网络协议栈结构 2 2 无线传感器网络关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及许多学科交叉的领域，大量的关 键技术尚待进一步发现和研究，以下列出部分关键技术3 】【4 】： 1 网络拓扑控制 对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有重要的意义。通过拓扑控制自 动生成的良好网络拓扑结构，能提高路由协议的效率，有利于降低传感器节点的能量消耗， 延长网络的生命周期，为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础。拓扑控制主 8 要目标就是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制骨干网节点的选择，剔除节 点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的网络拓扑结构【5 】。拓扑控制通常分为节点功 率控制和层次型拓扑控制两个方面【6 1 。除此之外，对于启发式的节点唤醒和体眠机制7 】也成了 关注的热点，但是不能独立作为一种拓扑结构控制机制，需要与其他拓扑算法结合使用。 2 数据融合技术 传感器网络存在能量约束，通过减少传输的数据量能有效地节省能量，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。传感器节点易失效，故传感器网络也需要利用数据融合技术对多 份数据进行检测，提高信息的准确度【8 】。 数据融合技术可以在传感器网络的多个协议层次进行。在应用层设计中，可以利用分布 式数据库技术，对采集到的数据进行处理，逐步达到融合的效果；在网络层中，很多路由协 议均结合了数据融合机制，来减少数据传输量；此外，还有研究者提出了独立于其他协议层 的数据融合协议层，通过减少m a c 层的发送冲突和头部开销达到节省能量的目的，同时又 不损失时间性能和信息的完整性。数据融合技术己经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到 了广泛的应用。在传感器网络的设计中，只有面向应用需求设计针对性强的数据融合方法， 才能最大限度的获益。 3 路由协议 路由协议的任务是在传感器节点和基站节点之间建立路由，可靠地传递数据。由于传感 器节点资源有限，因此设计路由协议时不能执行太杂的计算，不能在节点中保存太多的状态 信息、节点间不能交换太多的路由信息等。为了实现这些任务，已提出的路由协议采用了数 据融合、根据数据的属性寻址、节点间多跳通信等措施。 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。这样才能延长网络的生命期。同时，无线传感器网络是以数据为中心的。这在路 由协议中表现最为突出。每个节点必须采用全网同意的编址。选择路径可以不用根据节点的 编址。更多的是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚点之间的转发路径。目前提出多种类型 的网络路由协议，如多个能量感知的路由协议，定向扩散和谣传路由等基于查询的路由协议， g e a r 和g e m 等基于地理位置的路由协议。 4 覆盖控制 无线传感器网络的覆盖控制问题，可以看作是在传感器络节点能量、无线网络通信带宽、 网络计算处理能力等资源普遍受限情况下，通过网络传感器节点放置以及路由选择等手段， 9 最终使w s n 的各种资源得到优化分配，进而使感知、监视、传感、通信等各种服务质量得 到改善。近年来，已有一些学者开展了w s n 优化覆盖控制方面的研究工作，并取得了一定 的进展。 5 其他关键技术 无线传感器网络的其他关键技术有时间同步、定位技术、数据管理以及嵌入式操作系统 等。这些技术设计学科交叉的研究领域，对于无线传感器网络的性能都有很大的影响，也是 当前传感器网络研究的热点。 2 3 无线传感器网络性能指标 无线传感器网络的性能直接影响到网络设计的有效性和实际应用的范围，是网络设计中需 要重点考虑的问题吲。 ( 1 ) 能源有限性：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。 ( 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。影响无线传感器网络生命周期的因素很多，包括硬件因素和软件因素， 需要进行深入研究。由于传感器节点能量有限，所以尽可能降低能耗、最大化网络生命周 期是我们设计的首要目标。 ( 3 ) 感知精度：无线传感器网络的感知精度是指观察者接受到的感知信息的精度。传感器的 精度、信息处理方法、网络通信协议等均能影响感知精度。感知精度、时间延迟和能量消 耗之间具有密切的关系。 ( 4 ) 时延性：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受到应答信息所需要 的时间。影响无线传感器网络时间延迟的因素有很多，与应用场景密切相关，直接影响网 络的可用性和应用范围。 ( 5 ) 可靠性和容错性：传感器节点经常会由于周围环境或电源耗尽等原因而失效，而人工维 护或替换失效的传感器节点对于无线传感器网络来说常常是十分困难或不可能的。这样， 可靠性的性能指标就要求无线传感器网络在部分节点无法进行工作时仍能保证整个网络 的有效进行。同时，无线传感器网络的软、硬件也必须具有很强的容错性，以保证系统具 有高强壮性。当网络出现故障时，系统能够通过自动调节来纠正错误，从而保证网路正常 运行。 1 0 ( 6 ) 可扩展性：在实际应用中，当网络环境变差，大量节点失效，这就需要无线传感器网络 的设计能够满足动态扩展的需求，能够使得大量的传感器节点协同工作。 2 4 无线传感器网络的应用 由于无线传感器网络具有自组织、微型化和对外部世界的感知能力的三大特点，决定了 其具有广泛的应用前景。概括起来可应用于以下方面： 1 军事应用【3 】 无线传感器网络快速部署、自组织、抗摧毁性的特点使它非常适合应用于军事领域。无 线传感器网络可以在战场上完成诸如部队态势监控、战场监测、战场侦察、破坏效能评估、 目标定位、核生化武器的监视预警等高度危险性的工作。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的阵地是 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。现代战争越来越表现出信息战的特点。战争中信息的及时获取和反应对整个战局的影响 至关重要，利用传感器网络的特点可以给指挥部门提供及时准确的信息，这对增强国家的国 防军事力量是非常重要的。 2 环境监视 对环境的监测是一个长期而艰苦的过程，为了取得对某一地区环境的变化对周边的影响， 需要经年累月的长期观察，同时，需要监测的地区一般人迹罕至，工作条件异常艰苦。由于 无线传感器网络可以以无人值守的方式长期工作，因此可以作为对环境变化进行长期有效观 察的有效手段。无线传感器网络可以应用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家 禽的环境情况和大面积的地表监测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等，还 可以跟踪小鸟、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等各种领域。 3 医疗救护 无线传感器网络在医疗研究、护理领域也具有广泛应用。利用无线传感器网络可以提供 诸如药物控制、诊断辅助、医院内医生护士的跟踪定位、病人状态监控等服务。 4 家居安全 在家庭网方面，无线传感器网络可以作为家庭网的组成部分，实现家居环境的智能化、 自动化，传感器节点可以集成在真空吸尘器、冰箱、电视机等家用电器中。在智能社区方面， 可以利用无线传感器网络实现能源的自动化管理，达到节能的目的，同时可以利用无线传感 器网络加强社区的安全建设，使人们的居住环境更加友好安全。 5 其他用途 无线传感器的特点决定了其在其他商业领域也有不少的应用。文献【4 】描述的城市车辆监 测和跟踪系统中成功的应用了无线传感器网络；德国某研究机构正在利用无线传感器网络技 术为足球裁判研制一套辅助系统，以减少足球比赛中越位和进球的误判率。此外，在灾难拯 救、仓库管理、交互式博物馆、工厂自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都会孕育出 全新的设计和应用模式。 2 5 本章小结 本章首先介绍了无线传感器网络的体系结构，再介绍了传感器网络的关键技术、性能指 标及应用。从上面的介绍我们可以看出，无线传感器网络是一种新型的a dh o c 网络，各传感 器节点以一种自组织的形式构成网络，通过多跳路由方式将监测数据传到汇聚节点处理。正 是由于传感器网络的不同于传统计算机网络各种特性，使它广泛用于军事、环境、健康、家 居等各种领域。但是仍然存在大量的问题使得目前的无线传感器网络处于理论研究阶段和实 验阶段，大规模的应用有待于它的进一步发展和成熟。下一章我们将介绍本论文的主题一无 线传感器网络路由协议。 1 2 第三章无线传感器网络路由协议 无线传感器网络是一个多跳的、动态的自组织网络，路由协议是节点相互通信的基础， 是网络层的