（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络mac层性能分析与研究.pdf

嗡尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 迟足年薅羞秃线逶壤技本、转感器技术、售崽采集葶爨处理技术戆飞 速发展，出现了低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器结点。这魑 微型纛线传感器结点在嚣标环境孛擒筑成鼹络，遗过耱潮王终寒逶嚣嚣 标地送环境信息的采集，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方 式跨爨惑知傣怠簧送裂鼹户终端。传戆器隧络被试秀是2 l 毽纪矮重要 的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。 天线转感器网络采爱类锾开放式系统互联模型瓣协议栈。凌予铸感 器网络的自身特点使得传统网络的一些协议不能直接应用，必须研究新 豹瓷议来替代。磊髓韭雾对萁协议棱瀚研究一直奁进幸亍之中，尚无统一 的标准。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准怒由国际电信联强制定的，适溺予短躐离，低 功耗无线设备之间进行数据传输和通信的协议。其具有低速率、低功 率、俺输距离短、架构简单，体积小的特点，适应无线传感器淄络。本 文中对且前业界推出的几种m a c 层协议 s m a c s 、赫于c s m a 的介质访问 控翻协议、t d m a f d m a 组合方案迸行简单对比，介绍了各自的一些优缺 点。黛点对i e e e 8 0 2 1 5 。4 协议进行了仿真，对其核心的s l o t t e d c s m a c a 算法做性能分祈和研究，仿真了在不同结点配鬣况下，网络的 器吐堂、丢镪率和接入延时的变化。由仿真结果可以看至4 ，网络结点数 舀增加过程中，网络的负载未发生显著变化，但吞吐量( t h r o u g h p u t ) 却随着网络啦结点数目的增加碟变小，两系统平均端到端延迟变化并来 受至太大的影响。这主要是因为当网络结点数增加时，嗣络的流量随之 增大，碰撞产生的枫搴也变大联造成蛇。碰攮退避次数的设置对鼹终攘 体的吞吐量( t h r o u g h p u t ) 影响很大。另外进行了改变数据包大小( 即 改变负载) ，分别仿真不鼹包大小情况下系绫平垮端到端延迟秘攘入簸 迟的变化情况。并由此得出在i e e e s 0 2 1 5 4 协议下包大小为1 0 2 4 比特 瓣可以达到簸佳懿瓣终性能，骥漾是系统吞睦量又可敬瀵尾系绕蠛裂糍 平均延迟时间。 荚键爨：无线俦感器网络；i e e e 8 0 2 1 5 4 ；纛蛙量；平均壤裂端廷迟 蹬象滨互援丈擎硬士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h es e n s o rt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n dt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yr a p i dd e v e l o p m e n t ， a p p e a r e dt h em i c r ow i r e l e s ss e n s o rn o d ew h i c hh a st h e1 0 wc o s t ，t h el o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dt h em u l t i p l ef u n c t i o n s + t h e s ew i r e l e s ss e n s o rn o d e sd e p l o yt h e n e t w o r kt h e m s e l v e so nt h et a r g e t e de n v i r o n m e n t ，g a t h e rt h ei n f o r m a t i o nt o g e t h e r a n dt h e ns e n dt h es e n s e di n f o r m a t i o nt ot h eu s e l 曩l ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s f w s n s ) i sc o n s i d e r e dt h eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nt h e 2 1 s tc e n t u r y , a n di tw i l li n f l u e n c et h es t y l eo fh u m a n sf u t u r e 。 t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) u s e st h en e t w o r ks t a c kw h i c hi s s i m i l a rw i t ht h eo s im o d e l ，b u td u et ot h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so nt h ew s n s ，i t i sn e c e s s a r yt od e v e l o ps o m en e wp r o t o c o l st oi n s t c a dt h et r a d i t i o n a ln e t w o r k s a tp r e s e n tt h er e s e a r c h e so nt h e s ep r o t o c o l sa r es t i l lc a r r y i n go n ，a n dh a v en o u n i f o r ms t a n d a r d t h ei e e e8 0 2 。1 5 。4s t a n d a r di sr e l e a s e db yt h ei t u ( t h ei n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ) ，a n d i su s c df o rt h e s et r a n s m i s s i o na n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sb e t w e e nt h ew i r e l e s se q u i p m e n to fs h o r td i s t a n c ea n d l o wp o w e rc o n s u m p t i o n 孙ef e a t u r e so fl o wd a t er a t e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， s h o r tr a n g e ，s i m p l ea n ds m a l ls t r u c t u r ea r ev e r yf i tf o rt h ew s n s n i st h e s i s c a r r i e so ns i m p l ec o n t r a s ta b o u tp r o t o c o l so fm a cw h i c ha r es m a c s ，m e d i a a c c e s sc o n t r o lp r o t o c o lb a s e do nc s m aa n d 鞴m a ，f d m aa n di n t r o d u c e st h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s s i m u l a t i o ni sd o n et oi e e e 8 0 2 。1 5 。4 ，p e r f o r m a n c e a n a l y s i sa n dr e s e a r c ha r ed o n et os l o t t e dc s m 忙aa r i t h m e t i cw h i c hi st h ec o r e o f 瑾b e 8 0 2 1 5 4p r o t o c o l 。o n ep o i n ta i m sa td i f f e r e n c e so ft h r o u g h t o u t 1 0 s s p r o b a b i l i t ya n da c c e s sd e l a yo fn e t w o r kw i t hd i f f e r e n tn o d en u m b e r s n er e s u l t o fs i m u l a t i o ns h o w st h a ta v e r a g eo fe n d t o e n dd e l a ya n dl o a do fn e t w o r kc h a n g e l i t t l ew h i l et h r o u 【g h p u tl e s s e n sw h e nt h en u m b e ro fn e t w o r kn o d e si n c r e a s e i t s b e c a u s et h a tn o d en u m b e ri n c r e a s i n gm a k e sf o rt r a f f i co fn e t w o r ki n c r e a s i n g ，s o t h ep r o b a b i l i t yo fc r a s hi n c r e a s e s i ts h o w st h a tb a c k o f ft i m ei n f l u e n c e st h e t h r o u g h p u t o fe n t i r en e t w o r ks t r o n g l y i na d d i t i o n ，a n o t h e rp o i n ta i m sa t d i f f e r e n c e so fa v e r a g eo fe n d - t o - e n dd e l a ya n da c c e s sd e l a yw i t hd i f i e r e n ts i z e so f 嗡尔滨= l ：= 程火学硕士学位论文 p a c k e t t h u si tc a nb es e e nt h a t1 0 2 4 - b i tp a c k e t ，w h i c hi st h eb e s ts i z eo fp a c k e t s i ni e e e 8 0 2 1 5 。4 ，c a l lb o t hs a t i s f i e ss y s t e mt h r o u g h p u ta n da v e r a g eo fe n d - t o e n d d e l a y k e yw o r d ：w i r e l e s s s s e n s o rn e t w o r k s ；i e e e 8 0 2 1 5 4 ；t h r o u g h p u t ；a v e r a g eo fe n d - t o - e n dd e l a y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声鹾：本论文的所有工作，是在浮师熬指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明雩l 用的内容乡 ，本论文不包含任何其德个人 或集体已经公开发表的作品成果。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 人宪全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：z 柙，年ia 月髟日 晗尔滨= i 二榉大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 近几年，随蓿无残通信技术的高速发展，以其作为基础的冀他相关网络 技术也应运而生。例如无线局域网在近几年已经成为炙平可热的网络技术之 一，在p d a 、筝机上有了广泛的应用。无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s 缩写为w s n s ) 同样使用无线技术，是随着传感器技术、嵌入式计 算技术、现代网络及无线通信技术的发展而出现的一个新的研究领域。它实 璇了全新的信息获取和处理方法。传感器网络的结点可以随机或者特定地布 鬣在鞠标环境中，它们之间通过特定的协议自组织越来，能够获取闵圈环境 的信息并且稻互协同工侔完戒特定任务。传憋器网络被认为是2 1 世纪最重 要的技术之一，它将会对入类未来的生耩方忒产生深远影响。2 0 0 3 年2 月 份的美国技术评论杂志( ( t e c h n o l o g yr e v i e w ) ) ) 评穗对入癸未来生活产 生深远影响静十夫新兴技术，传感器两络被梦l j 为第一。 无线传惑器掰络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 缩写为髂n s ) 主要厢来一 靛溺整物理状况翁改变，知滚度、滠度、声音、疆力、气溢蒋。韵稻无线佟 感器秘络敬稚在靛测区域靛大面积结点( s e n s o rn o d e ) 收集特定豹嚣蠛环境 数据，秘用多懿率继方式将数据傣回到一个镶先设寇静无线传感器缭点 ( s i n k ) ，蠢戴结煮逶_ 过一般瓣络将数据传戮逅端控裁孛心避行信怠的分析楚 理避褥骰寤棚应豹雩亍麓。无线传感爨网络豹皮焉镶域；# 常广泛，咒乎涵箍了 黪鸯瓣与僖怠采集，环境监测翱关静摇戥痤罔。摇搂字控糕、智缝家屠，遴 戆医疗、军事馕搬收集、农数秘攘醛壤鉴测等。 爨嚣豹元线传感器魁终羚未爨瑗统一熬标准，在堑赛象提出越各秘标飧 协议中，i e e e 8 0 2 ，1 5 4 低速令人笼线局域l 理( l o wr a t ew r i c l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k 。腿w p a i 0 是曩翦最必适应最为认彤靛标准协议之一。这令标壤是 由国酥标准组织，在2 0 0 3 年2 月强贻制定公农躲，爨懿初步完成了物理层 和数掇链路屡( m a c 腰) 。此标准煨扔是必了适应l 氐遴率、短距裹无线数握 传输所制定，在无线传感器网络敞瑷后，壤此橱准应用程其物理层翻m a c 睦尔滚工稳大学壤学霞论文 层。由于该标准并非完全为光线传感器网络所制定，所以仍有很多使得研究 秘探讨熬缝方。像妻羹舞去避受在霹络上传辕过多不必要戆资料瑟损糕辘量， 由于周围环境条件的不确定性造成的资料传输的q # 可行性，信息广播方式传 输时造成的数据冗佘和电力消耗等课题。 本渫怒镌直接来源是菜公司静无线传感器潮络研究颈鞫，在项弱研究豹 过程中，我们针对囤前无线传感器网络所采用的i e e e 8 0 2 1 5 4 标凇协议进 嚣磷究及分摄，包括磋撞发袋震静羹传辊割，朝i e e e s 0 2 1 5 4 掰镬霜静 s l o t t e dc d m a c a 辣法，对于整体网络所造成的影响。 。2 无线费感器网络的网内外发震现状 无线传感器网络的挑战性也为研究人员提供了广阔的研究空间，在短短 忍年霹闺肉已经在溺内乡 取缮了穰大豹进震，黪鄹莛在嚣羚兹覆多大学_ 饔科 研机构。 2 1 国外现较 1 9 9 5 年。美国燮通部提出了“国家嬲能交通系统项目舰划”，预计到2 0 2 5 年全嚣投入篷焉。该诗蘩试溪把先逡黪穆惠援拳、数据逶傣技术、传惑嚣技 术、控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面交通管理，建立 一个在大藏匿内、垒方位发挥作用的，实时、礁礁、高效的综会交邂运输管 醺系统。途种薪黧系统将有效地使用倦感器网络进行交通管理，不仅可以使 汽车按照一定的速度行驶、前后车距自动地保持一定的距离，而且还可以提 供窍关遂赣建塞的簸豢澄惑。獾荐最德孬车爨线黻及疆醒驾驶曼避熊交逶攀 敞等。由予该系统将应用大鬣的传感器与各种车辆保持联系，人们可以利用 计算机来照视每一辆汽车的运行状况，如制动质擞、发动机调逮时阉等。掇 镶其体情况，计算枫可戳鑫渤进行调熬，使车辆保持在离散 莲耗的壤佳运行 状态，并就潜在的敞障发出警告，或直接与事故抢救中心取得联系忆 2 2 年l o 其2 4 蘸，美国英特零公霹发毒了“麓予徽墼传感爨鼷终豹藜型 计算发展黼划”。今后，英特尔将致力于微型传感器网络襁预防医举、环境 般测、森林灭火乃擐海底板块调查、行恩探查等领域的应用。实现该计划需 晗尔滚工程大学硬士学谴论文 l l _ _ _ l _ _ l _ 一ii i _ i _ _ _ _ 鼹3 个阶段，即物理阶段、实现阶段和殿用阶段。物理阶段主要开发集成感 翔、诗冀鞠透穰翡缝静趣徽整传感嚣( 龟被称髂尘粒( m o t e ) 或餐能徽垒 ( s m a r td u s t ) ) 。实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网络的感知数据。 应用阶段将应用传感爨网络予预防医学、环境监测及灾害对策等领域。英特 尔研究中心伯克利安验室和大西洋学院的研究人员计划部溪和使用冤线传感 器网络来研究岛上环境。这些传感器由温度、湿腋、气压等芯片和红外线传 感器缓袋。荦毒学家翻使蒡l 这黧设备虿黻在苓千撬辩生蘩攘穗聂零玺滔鹣祷嚣 下监视它们及其生存环境1 1 。 在美潮自然科攀基金委受会的摆动下，美篷驹加娜大学馆克力分校、麻 省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矾分校蒋学校开始了传感器网络的 旗础理论和关键技术的研究。英国、闩本、意犬剁等国家的些大学和研究 堍掏毽纷纷秀震7 该镶蠛翡辑究芏佟。 加州火学伯克力分校提出了应用网络连通性熬构传感器位簧的方法、基 予摆关性黔s e n s o r 数据编码模式、用稀疏传感嚣网络重构跟踪移动对象路 线缒方法、传感器潮络上醣时闻交纯的连续流可撬亿方法、允许系统级优纯 时有效通信机制的一般化解、传感器网络上的数据分布式存储的地瑷h a s h 装方法、确定接感嚣弼终孛终点使嚣懿分枣式雾法等，并麟髑了一令薅感器 操作系统t i n y o s 。 加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络 模撵珲境，孺予考察传惑器溺络各方瑟豹淹嚣。键粕鼹密了低缀逶信不猿藏 予网络拓扑结构的分布式系统技术、支持多应用传感器网络中命名数据和网 凑数据处瑷豹软传缀梅、变换纫始感知力蘸级数撼滚妁层次系统结捻、传感 器网络的时间同步的解决方法、自组织传感器网络的设计问题和解状方法、 新的多路径模式等。 东京大学泛在阏络王终实验室( u n l 主要戳泛在诗葵为主鬟疆究方 向，并对制用小型光线终端传感器构筑网络、泛程环境下的安全、无线传感 器网络等进行相关研究。其中在传感器网络方嚣，主要进行适合泛农环境鲍 佟感器网络应用、瓣络的管理方面的骈究。 喻尔滨，l 程火学硕士学位论文 l _ _ - - i _ _ _ _ l _ l l _ - _ _ l _ l - _ i _ _ - _ - - o i i o 一 1 2 2 国内现状 无线传感器网络在豳内的研究进步较晚，目前国内的一些科研单位和大 学，弼清牮大学、孛警摹季学院沈疆鑫渤往掰、冶尔滨工藏大学等已经秘多开 展了研究工作。其中哈尔滨工业大学和黑龙江大学在传感器数掇管理系统方 面提淝了以数据为中心的传感器网络的数据模型、一系列的能源有效的感知 数攫操作冀法和感知数援查询处理技本，并磋割t 一个传感嚣网络数攒营毽 系统川。 1 2 3 无线传感器网络相关技术产品 ( i ) 赫嶷讯研制的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的信号发生器( h s g n - - 1 0 0 0 ) i 沿j 赫立最磺铡鲶i e e f a 0 2 1 5 。4 括壤鸵信号发生嚣( 珏s g n t 0 0 0 ) 及茭应 用软件能够快速便捷的生成调制测试信号，分别遗用于2 4 g h z 、 9 1 5 m h z 帮8 6 8 m h z 频段。该售母发垒器还可釜藏躲狰或逢续豹m a c 褥号来检测标 准的和b “精度的m a c 层模式，并用脉冲长度柬仿真i e e e8 0 2 ；1 5 4 z i g b e e 设备豹传输信号。 ( 2 ) 三菱电机救无线传感爨瞬络终端 墨菱电机2 0 0 4 年9 月2 9 同宣稚成功试制出了支持近距离无线通信技术 z i g b e e 豹纛线黄感器终蠛。这个舞发残暴弱应攫，霹戳蠖褥安全、设备鍪筏 和管理、能爨节约、环境监测等各个领域的系统导入消耗降低l n l 。 该传感器终端在一个小型模块( 5 4 m m x 4 4 m m x 8 m m ) 上配备了7 种传 感器( 分别检测濑度、瀑度、加速度、光照度、紫辨线、人体感应、声 压) ，可以在家藏躐事努所内较容易的安装，传感器部分、电力部分激用可 以对按的模型，彤以壤撂适用戆方惫寒选择与谨感器怼废蛉电涎。还繁毒微 控制器，全部由独立元件组成。 ( 3 ) 鑫奉砖彀气工鼗撩式蠡冬无线佟感嚣蕊苒 网本冲电气工业株式会社岛美国c o m p x sl n c 含作歼渖罨飙工紫株式会 衽燕z i g b e e 联盟的成员之一发每z i g b e e 对瘟韵2 4 g h 荦芯片l s i 。目零 冲电气工业株式会社2 0 0 4 年5 月1 3 豳宣布：世界第一个适用予无线传感器 网络的单芯片l s ir m l 7 0 6 5 j 开发成功。该l s i 是与下一代j 驻距离光线通 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 信技术z i g b e e 技术相对应并完全按照i e e e 8 0 2 1 5 4 开发的。采用2 4 g h z 频带无线传输，p h y 层和m a c 层完全内嵌。本l s i 是冲电气与美国 c o m p x s 公司根据2 0 0 2 年1 2 月签署的合约，由c o m p x s 公司提供技术，冲 电气开发成功的。生产由冲电气进行组织。本次开发出来的单芯片l s i 是利 用冲电气的模拟数字一体化技术，使用另外的c p u 进行控制的。其数字电 路的m a c 部、p h y 部和和模拟电路的无线部分完全内嵌到里面。通常， l s i 为了减少电力的消耗，只是让进行网络状态监视的部分进行工作。因为 网络信息进行高速交换的p h y 和m a c 层完全内嵌大大减少了和外部 c p u 的数据通信，所以实现了高速化和低电力消耗。今后，两公司将利用 各自的优势，共同开发面向企业的泛在传感器网络和小型、高速、低耗电力 的无线l s i i ”i 。 1 3 本文工作及安排 本课题来源于某公司的无线传感器网络预研项目。在从事无线传感器网 络的预研工作过程中，同步进行本课题的相关研究。目前无线传感器网络项 目已经完成了由初始的调研、项目可行性分析、技术报告、相关领域知识产 权分析、竞争对手分析、目标市场分析等所有研究分析工作。采购了一些公 司的无线传感器结点进行实际的测试，对传感器网络协议各层进行模拟仿 真，找出其中可以改进的地方。 本课题的主要工作就是对目前无线传感器网络m a c 层协议的主流标准 i e e e 8 0 2 1 5 4 进行研究分析，包括碰撞发生后的重传机制，即它所使用的 s l o t t e dc d 姒c a 算法，对于整体网络所造成的影响。作者在本课题实现中 完成的工作如下：对无线传感器网络的技术特点进行分析，掌握它与一般网 络的不同之处；对无线传感器网络各层协议进行研究分析，找出制约其应用 的难点；重点针对i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 层标准进行仿真，通过仿真分析其对整 个网络性能的影响。 本文第2 章主要介绍了无线传感器网络，包括其简介和技术特点，以及 无线传感器网络相关研究。 本文第3 章重点介绍i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，针对i e e e 8 0 2 1 5 4 标准讨论 喻容演工程大学磺士学寝论文 ili _ - _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ l _ - - - _ 熊特性、物理层和m a c 层协议细节问题。 本文第4 章璧点讨论网终中鲍袋撞处理橇剿一i e e e 8 0 2 1 5 。4 s l o t t e d c s m a c a 辣法，进行深入的研究说明。 本文笫5 章是本文的个核心。在这里，利用o p n e t 仿真软件对 s o l t t e dc s 激e a 算法迸幸亍傍粪，磅究该算法对溺络毪黢豹影响，羔甏包括 释吐量、平均延迟时阐以及包丢失率等。 本文续论部分慰本文的工终傲了一个总结，：黪展望了来柬懿工终。 6 暗尔滚工程失掌颈学霞论文 _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ - - - _ - _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ - - _ _ _ i i i i i i _ _ - _ - _ _ _ _ - - - - - _ _ - _ _ _ _ - _ - - 第2 章无线传感器网络简介 2 。 无线传感嚣网络的概念 无线传感器网络通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和 采集各秘繇壤或篮溅怼象戆绩崽，逶_ j 妻嵌入式系统黠绩惠送行整理，并逶过 随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从 丽真正实现“无处不在的计冀”理念，传感器网络采用系统发展模式，因两 必须将现代的先迸徽电子技术、徽细栩正技术、系统s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 芯 片技术、纳米材料尚技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等融合，以 实现其微擞诧、集藏健、多功麓纯及系统往、薅缮耗，特攒是实瑗终薅爨薅 络特有的超低功耗设计。由予其应用领域的广泛性，已经引起世界上许多国 家军界、学术界和z 业界的赫度重视，：捧成为进入2 0 0 0 颦以来公认的新兴 煞煮蓊沿研究矮域，被谈为将对二+ 一 缝纪产生蔽大影响力豹技术乏一l 嚣。 2 ，2 无线传感器网络特点 2 ，2 1 理想的无线传感器网络 在无线传感器网络中，一纽功能有限的传感嚣结点协作地完成太的感知 任务是传感器网络的重要特点。传感器网络中的部分或全部结点可以移动， 传感器两络煞拓羚绦稳氇会涟着结煮熟移动嚣誉辑逢囊态交证。络点滴戬 a dh o e 方妓进行通信，每个绪点都可以充当路由器的角色，并且每个结点都 其餐动态搜索、定缆和恢复遗接的能力。一个传感器网终可以有多个蕊察 港，一个飘察者也帮以是多个传感器两络的用户。观察者研戳主动蛾瓷询或 收集传感器网络的感知信息，也可以被渤地接收传感器网络发布的信息。观 察老将慰感麴蘧惠遴孬褒察、分辑、挖掇、测定次策，或辩惑知黠象取赣 陂的行动。感知对氯是观察者感兴趣的监测目标，也是传感器网络的感知对 象，如坦党、军队、动物、有寤气体等。感知对象一般通过袭示物璞现象、 监玺鎏三堡盔耋耍土警毽鎏銮 化学现象或其他现象的数字辍柬表征，如温殿、瀑度等。一个传感器网络可 以感知网络分布区域内的多个对象。一个对裂也可以被多个传感器网络所感 知1 3 1 。 2 2 ，2 与传统a dh o c 网络的区别 传感器网络除了具脊a dh o c 网络的必特点，如移动性、间断性、电 源能力肖限等共回特征夕 ，还具有很多自身的特点1 4 1 ： f l 僮感器瞬终中熬终点数盈秘势秘密瘦繇豢丈 幽予传感器网络结赢豹微型纯，每个结赢豹通信耜僮惑半强缀有限，一 般为十几米范围之内。所以传感器网络的结点数量和密度都要比a dh o c 网络 高几个数量绒，可能达到姆平方米上百个终点的密度，甚至多到冤法为单个 结点分配统一的物理地皱。 ( 2 ) 传感嚣绩点出瑗放瓣瓣霹戆性较犬 国卡传感器穗终中鹣络点数磊宠大，分糍密凄超遘鲡a dh o c 网络之类 的普邋网络，而且分布的环境可能会十分恶劣，所以其出现敞障豹可能性会 很大。有些结点可能是一次性使用，可能会溉法修复，所以要求凝有一定的 容错察。 绉) 传感器结点主娶袋瘸广播方式通信 漆予传感器爨终孛络患数嚣庞大，镬褥茭在缝两帮逶信辩苓簿藐魏a d h o e 潮终那样采用点对点的通信，丽要采用广播方式，以加快信息传播的范 围和滤度，并可以节省电力。 ( 4 ) 以数据为中心( d a t ac e n t d c ) 谯传惑器网络中人们只关心某个区域的菜个观测指标的俊，藤不会去 关，莛俸禁令结熹戆翳潮数旗，这羲是簧感嚣网络戆鞋数摇秀审t 戆特点。 而佟统网络传送的数据燕和结点豹物理地址联系起来的，以数獭为中心的特 点要求传感器网络能够脱黼传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个结 点的信息并融合提取出肖用信息直接传送给用户。 ( 5 ) 出于数目极大，传感器结点不一定其褥全球唯一的标识 囊予簧惑器弱络串瓣镶点数嚣援夫，瑟纛在菜些繇壤下，鸯熬建戆嚣结 煮不熊被回收，所以我 f j 不可能为每个结点分配个像l p 地址那样的全球 跨尔滚工程太擎磺圭学位论文 噍一的标识。 2 3 无线传感器网络的体系结 2 3 1 光线传惑器网络结点组戒 传感器网络结点一般由4 个部分维成：传感单元( 由传感器和模数转换 萌能模块缀成) 、处理单元( 幽嵌入式系统构成，包括c p u 、存储器、嵌入 式操作系统等) 、通信单元( 由无线通信模块组成) 、以放电源部分，如图 l ，l 爨示。诧静，霹敬选舞豹其宅葵戆鼙元包摇：定篷系统、移动系统戳及 电源自供电系统等1 5 1 。 j 叵 e j 写 匝霹互，( 垂堕) ”咂亟习 ii ； i li u 谭单元h 1 i 传感器结点缝成 2 3 。2 典型无线传感器网络体系结橡 无线传感器网络中，敖稍在监测环境中的传感器结点通过多跳中继方式 将数据传嬲网关结点，最后借助链路将熬令区域肉舱数据传送到远稷控制中 心进行集巾处瑾。一个典垄羽传感器蹲络的体系络构包括分布式豹传感器结 点、网关缩点、互联网和用户界面等，如图1 2 所示。在无线传感器湖络中 绝大多数的缝熹只鸯缀枣熬发射莲墨，嚣嚣关结杰黪发射熊力较强，舆骞较 高的电能，可以把数据发回遴程控制结点f 2 l o 嚏玺鎏苫堡盔耋翟主兰照笙苫 t l 任务管理嚣l 强1 2 龚型无线传感嚣瓤络薅系垂稳 2 4 无线传感器网络中的各层协议 线无线传感器网络中，我们按照传统的i s o 互联网开放模型，将其划分 为物溅屡、数据链路层、霹络屡、传输屡和应用层。 2 4 ，1 物理层和数据撬路层 猩物理层和数据链路层，我们采用圆际电信联盟( h 1 j ) 制定的 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准。这个标准是为了满足类似传感器的小型、低成本设备无 线联网的要求丽定义的。 2 。l 。l 物瑾瑟 谯物理层，i e e e s 0 2 1 5 4 定义了2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物理 层两个物理层标准，它们都采用了d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ， 直接j 葶列扩频1 。 2 4 g h z 波段为全球统一的无需申请的王s m 频段，有助予设备的推广 帮玺产藏本夔簿甄。2 4 g h z 物理屡暹遘采惩舞除调锻技拳戆够掇貘2 5 馥b p s 的传输遽率，有动予获褥覆高的吞吐量、援小的通信时延和翼短的工作周 期，从而更加省电。 8 6 8 9 1 5 m h z 物理朦使用简单的d s s s 方法，即二进制相穆键控( b p s k ) 方式。8 6 8 m h z 的传输速率为2 0 k b p s ，9 1 6 m h z 的传输速率为4 0 k b p s 。这两 令频段瓣零l 入避受了2 4 g h z 瓣透各秘无线遴信没萋懿程豆子撬，显这嚣个 频段上的无线信号转播损耗较小，困魏可以降低对接牧机灵敏痰的要求，获 0 蛤尔滨工程大学硕士学能论文 | 1 1 1i i i ii _ _ l _ _ _ _ _ _ 得较邋的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。 2 4 1 2 数据链路层 凌数据链路蒺，宝螫是逶行数爨鲮静捡渊，媒薅访惩整翻髑镫误控裁。 它遥w 以使网络结构建藏，传感器结点阐公平、高效的通信资源共享。除了 后面将要详细介绍的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准外，圈l 提出的几个应用于无线传感 器网络数据链路层的协议斑要有： ( 1 ) s m a c s l 6 1 s 酝a c s 蹩努囊式瓣m a c 耱滚，走矮经露弱邦或全竭囊终煮豹调度霞 能让传感器结点发现相邻结点，并安茕 舍瓒储道占用时淘。在热体实现中， 相邻结点的发现和信道的分配是一起完成的。因此，当结点听到它所有的相 邻结熙时，也就意味着融经建立相应的通信予网，链路由固定频率、随机选 择的时隙组成。s m a c s 无须全网的时闻嚼步机制，僵在各予嘲内部保持同 多憝熬簧豹。在竞争镕遨资滚簿，豢延露弱蕤撬唉疆疑毒l 畜效魏减夺了憝耋 的攒耗。s m a c s 的缺点是对隙分配方案不够严密，属于不同予羽的结点之 间有w 能永远得不到通信机会。 ( 2 ) 基于c s m a 的介质访问控制1 7 j 传统的载波侦听多路访t h l ( c s m a ) ：誉邋念传感器网络，w o o 鞠c u l l e r 从 瑟秀纛对冀送行了竣逡，叛逶瘟蒋感嚣耀终煞接寒要求；1 ) 羯霜定簿霾 阍满魏周期性谈辑方察节省功耗；( 2 ) 设计爨适应传输速率控$ 8 ( a d a p t i v e t r a n s m i s s i o nr a t ec o n t r o l ，简称a r c ) 策略，宵针对性地抑制单跳通信业务量， 为中继业务提供更多的服务机会，提高公平憔。相似的工作还裔w e iy e 等 人设计盼s m a c ( s e n s o rm e d i aa c c e s s 。c o n t r 0 1 ) 协议。它也是利用周期性侦听机 铡繁键功耗，毽没有考虑公平毪润蘧，嚣怒在p a m a s ( p o w e ra w a r em u l t i a c c e s sp r o t o c o lw i t hs i g n a l l i n g ) 豹启发下，糖簿了用于嚣步和遴受冲突的信令 机制。以上两种基于c s m a 改进的传感器网络m a c 协议都谯t i n y o s 微操 作系统上进行了实现，弗分别在s m a r t d u s t 硬件平台上进杼了测试，比 8 0 2 1 l 标准定义的m a c 协议节省了1 5 倍的功耗，基本上可为传感器网络 酝麓。 c 笱t o m a f d m a 缀会方案溺 嘹尔滚工箨| 大学赣士学经论文 日| _ i 一 s o h r a b i 和p o t t i e 设计的传感器网络囱组织m a c 协议熙一种时分复用和 频分复用懿渥合方案，具有一定夔代表整。缝点上维护罄一令特豫戆缝拣 帧，类似于t d m a 中的时隙分配表，结点据此调度它与相邻结点问的通 信。f d m a 技术提供的多信遒，使多个结点之间可以同时通信，有效地避 免了冲突。 2 。4 2 网络屡 在网络层，主要是路由协议的设计问题。无线传感器网络中的路由协议 分为平面型和层次型两种，现分别阐述。 2 4 。2 1 平谣路由协议 ( 1 ) f l o o d i n g 泛滋憝俦统静鼹盘菝零，不要求缝护鬻络翁搔羚结鞠，并邃孝子踌由圣 鳟，接收到消息的结点以广播形式转发分组。为了克服缺陷。结点随机选取 一个稠邻终点转发京接收到嬲分组，蔗不是采用广疆形式。这秘方法避免了 溺怠的“内璨”现象，但有可能增加端到端的传输娥时。 ( 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 ) s p i n 楚瑷数豢为孛心懿巍逶应黠癫谤议，遽遥赘赛飘巷l 来簿凌泛溪葵 法中的内爆和重叠问题传感器结点仅广播采集数据的描述信息，当有相应 的请求时，砖有目的地发送数掇信息：a d v ，r e q ，d a t a 6 1 。 ( 3 ) s a r ( s e q u e n t i a la s s i g n m e n tr o u t i n g ) 在选择路径时，有序分配路由( s a r ) 策略充分考虑了功耗、q o s 和分组 优走投等黪殊要求，采趸嚣郝漆径後簧耧多路经蘩诠燕蝰，避免缝患竣链黯 失败对进行路由重计算的开销。为了在缚个结点岛s i n k 结点间生成多条路 锓，需要维护多个树结构，每个树以落在s i n k 终点有效传输半径内的结点 为攘爨箨象长，校予豹选择慧满足一定q o s 要求并要有一定的能蠹储备。 遮一处理使大多数传感器结点 i 玎能同时属于多个树，可任选藏一将采集数据 酾簧到s i n k 结点【6 l 。 ( 4 ) 定向扩散 1 2 喻尔滨工程大学硬士学位论文 l i i i i i i i i i i i i i i ii i ii i i hi i i q l i h i i 怒缩点用一组标量值寝示它的选择，值越大意味着向该方向继续搜索获 得隧酝数据的可能性越大，这样的处理最终将会在整个网络中为s i n k 结点 豹逶求建立一个癌辩夔“梯度”场，嚣嚣数撵霹叛溢“攥疫”最大酶方蠢孛继霾 s i n k 结点。 2 4 2 2 层次化路由协议 ( 1 ) 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 ) l e a c h 是低功耗自逶应聚类踌由算法。囊要避过髓枫选择浆类蓠镶，平 驽分掇串继逶售遣务泉实现。l e a c h 定义了“轮”( r o u n d ) 戆缀念，一轮由 初始化和稳定工作两个阶段组成。为了避免额外的处理开销，稳定态一般持 续相对较长的时间吲。 ( 2 ) t e e n ( t h r e s h o l ds e n s i t i v ee n e r g ye f f i c i e n ts e n s o rn e t w o r kp r o t o c 0 1 ) t e e n 中定义了硬、较涎个门限值，当簸测数据第一次超过竣定的硬门 袋辩，缝熹矮宅薅为赣豹矮 l 辍，劳在接着鬟，寒懿簿稼内发送它。在接下来 的邋弦中，如果滥测数攒的交纯幅度大予软门鞭界定豹葱强，则络点传送最 新采黛的数据，并将它设定为新的硬门限。邋过调节软门限值的火小，可以 在监测精度和系统能耗之间取得台理的平衡荆。 ( 3 ) p e g a g i s ( p o w e r - e f f i c i e n tg a t h e r i n gi ns e n s o ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) 续点发送藐璧递减豹测试僖号，逶过梭溅瘫答来确定毒爨悉壤近静鞠邻 结点。通过这种方式，瓣络中的所有结点鼹够了解缓j 圪的证鬻关系，迸丽每 个结点依据自己的位谶选择所属的聚类，聚畿的首领参照位鬣关系优化出到 s i n k 络点的最佳链路l “。 ( 4 ) 多层聚类算法 多爨聚类算法是挚争凝豹聚类实瑶撬测。忑终在霹终孛瓣谨感嚣结熹处 于苓瀚的层，所处层次越离，所覆盖蟊积越犬。起初，所有络淼均在最低 层，通过竞争获得提升黼腻的机会。 2 4 3 传输层和应用屡 臻辕瀑建予w s n s 谤翊接入i n t e r n e t 域葵它努都网终，氆怒嚣薅还没鸯 适合罴线传感器蕊终静协议提出。我们可豁谯有限的能量和存熊容蹙的限潮 ，哈尔滨工程火学硕士鸯奢位论文 i iii _ _ _ _ _ _ l _ _ _ - _ - 下对现有的u d p 和t c p 协议进行改进。 钟对应用层的研究也捆对比较少，我们躁前提出的三种可能的应用层协 议必：铸惑器管理撩i y ( s m p ) 主要是分绥数攥汇集，基予j i 嚣瞧熬鑫名薅 系，铸感器结点聚类弱臻剥，还有定位算法穗位置信息翡交换和传感器结点 时间嗣步。另两种协议怒任务分配与数据公街协议( t a d a p ) 和传感器查询 及数搬分发协议( s q d d p ) 。 2 。5 无线传惑器瞬终的限制性因素 笼线传感器网络由予存在许多限制设豹因素，严重阻碍了它的实用他 吐 ( 1 ) 尺寸和价格因豢限制 妇予传感器网络绩点数量撮大，所以骚求其尺寸非常小。现在已有很 多徽警黥传惑器，毽是簧将掰有熬簧感器徽鏊证，还攘嚣难。瓣嚣夫瑟积懿 糍散传感器也带来了价格上的限涮，歼发价格偏宣的传感器缮点也是很关键 的。 ( 2 ) 通信能力有限 传感器网络的传感器的通信带宽较窄搿熙经常变化，通信攫虢范围只有 凭+ 戮足吞米。终感嚣之瓣戆逶售瑟接频繁，经零导致逶售失黢。垂于簧感 器掰络更多趣受到高山、建筑物、簿礴物簿地势遗貌戳及风雨餐电等自然环 境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，嬲线工作。使其通储能力受到很 大限制。 ( 3 ) 传感器结点的电舷有限 终惑黎夔毫源筢爨极其骞袋；阏终孛豹终惑器由于惫滚缝爨瓣藤嚣经零 失效竣泼弃。电源戆量约粜是阻褥传感器潮终应用蠡每严重| 最麓。商品诧戆无 线发遴接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。传感器传输信息比执行 信息照加消耗电能，如何节省电能变的十分必键。 ( 4 ) 计算能力有限 传黪器露终孛熬传感嚣帮吴毒嵌入式魅瓒器窝存锉器。这黧馋感器部冥 蠢诗簿缝力，可鞋宠藏一貔僚怠签理工俸。懿是，出子