（计算机软件与理论专业论文）基于移动代理的无线传感器网络路由技术研究.pdf

南京邮电火学顾 ：研究生学位论文 中文摘要 中文摘要 随着通信技术，微电子技术和计算技术的发展，无线传感器网络逐渐成为无线网络研 究的热点【i 】。其在国防、工业、农业，城市管理，医疗、环境等诸多领域具有非常广阔的 应用前景 2 1 。无线传感器网络有区别于其他传统无线通信网络的特点，如数据中心，应用 相关，资源严格受限等。这些特点也对无线传感器网络各项技术研究提出新的课题。 无线传感器网络路由技术决定了网络数据收集传输的模式，对整个网络的可用性和效 能有很大影响。由于无线传感器网络自身的特殊性，其路由协议的研究和设计有别于传统 有线和无线数据网。目前已有的适用于该网络的路由协议主要有平面数据为中心的路由， 分层结构多层级路由和基于地理位置的路由。而如何在保证应用目标的情况下，最大限度 地降低网内通信量，延长整个网络的生存期，也是当前路由技术研究的重点。 作为计算机网络与人工智能发展的必然结果，移动代理技术是一种全新的分布式计算 模式。和传统的计算模式相比，它具有减少网络流量、服务动态定制、便于负载均衡和容 错、便于进行分布式开发、适合实时处理等特点【3 】。将移动代理机制引入无线传感器网络 路由技术，利用移动代理智能、主动等特点，可以有效地降低以往路由协议的通信开销， 均衡网内负载，达到延长网络生存期的目的。 本文在对无线传感器网络路由协议分析的基础上，提出了一个基于位置的定向扩散改 进协议l d d ，并给出其与一般定向扩散协议的仿真性能对比。然后，引入了移动代 理技术，介绍了移动代理用于无线传感器网络的数据传输模型。并提出了一种新的基于移 动代理的无线传感器网络能量感知分层路由技术叫a r m a c 。利用分簇网络结构和能 量感知的移动代理自主迁移，达到降低网络通信量的目标。同时，通过基于n s 2 的u b i s i m 仿真平台对e a r m a c 进行了仿真分析，证明其有效性。最后文章给出支持移动代理的无 线传感器网络仿真平台u b i s i m 的设计与实现。 关键词：无线传感器网络，路由技术，移动代理，仿真平台 南京邮电大学硕l ：_ i p f 究生学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n ，m i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t i n gt e c h n o l o g y , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i sb e c o m i n gt h eh o t p o to ft h er e s e a r c ho nw i r e l e s sn e t w o r k s i th a sg r e a tp o t e n t i a li na p p l i c a t i o ni n m a n yd i f f e r e n ta r e a s ，s u c ha sm i l i t a r y , i n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，u r b a nm a n a g e m e n t ，m e d i c a lc a r ea n de n v i r o n m e n t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw s n a r e d i s t i n c tf r o mt r a d i t i o n a lw i r e l e s s n e t w o r k s ，l i k ed a t a c e n t r i c ，a p p l i c a t i o n r e l a t e d ， r e s o u r c e - l i m i t e d ，e t c ，w h i c hr a i s en e ws u b j e c t sf o rt h er e s e a r c hi nw s n r o u t i n gt e c h n o l o g yd e t e r m i n e st h ed a t ac o l l e c t i n ga n dt r a n s m i t t i n gp a t t e r ni nw s n ，w h i c h m a y h a sg r e a ti n f l u e n c et ot h en e t w o r ku s a b i l i t ya n de f f i c i e n c y d u et ot h es p e c i a l i t yo fw s n ， t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fr o u t i n gp r o t o c o l sa r ed i f f e r e n tf r o mf o r m e rn e t w o r k s t h ee x i s t e d m u t i n gt e c h n o l o g yf o rw s n i n c l u d e sf l a td a t a - c e n t r i cr o u t i n g ，c l u s t e r i n gm u l t i l a y e rr o u t i n g a n dg e o g r a p h i cr o u t i n g t h ei s s u eo fm i n i m i z i n gt h en e t w o r kt r a f f i ca n dp r o l o n g i n gt h e n e t w o r kl i f ew i t ht h en e t w o r ka p p l i c a t i o ng o a l sb e i n ga c h i e v e di sak e yp o i n to fc u r r e n t r e s e a r c h a st h e c o n s e q u e n c eo ft h ed e v e l o p m e n to fb o t hc o m p u t e rn e t w o r ka n da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，m o b i l ea g e n tt e c h n o l o g yi sab r a n dn e wd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gp a t t e m c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lo n e s ，i th a sa d v a n t a g e sl i k el e s sn e t w o r kt r a f f i c ，d y n a m i cc u s t o m i z a t i o no f s e r v i c e ，l o a de q u i l i b r i u m ，e r r o rt o l e r a n c e ，c o n v e n i e n c ef o rd i s t r i b u t e dc o m p u t i n ga n da d a p t a t i o n t or e a l t i m ep r o c e s s i n g b r i n g i n gt h em o b i l ea g e n tm e c h a n i s mt ot h er o u t i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c ho fw s n ，c a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o m m u n i c a t i o no v e r h e a d ，b a l a n c et h et r a f f i cl o a d a n dp r o l o n gt h en e t w o r kl i f e t i m e ，t h r o u g hu s i n gt h el o n gs u i t so ft h em o b i l ea g e n ts u c ha s i n t e l l i g e n c ea n dp r o a c t i v i t y b a s e do nt h ea n a l y s i so nt h ee x i s t e dr o u t i n gp r o t o c o l si nw s n ，t h i sp a p e rf i r s t l yp r o p o s e d al o c a t i o nb a s e dd i r e c t e dd i f f u s i o np r o t o c o l m l d d ，w i t hs i m u l a t i o nc o m p a r i s o na n da n a l y s i s b e i n gp r e s e n t e d s e c o n d l y , m o b i l ea g e n tt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ，a n dad a t ad i s s e m i n a t i o n m o d e lb a s e do nm o b i l ea g e n ti nw s nh a sa l s ob e e np r e s e n t e d m o r e o v e r , an e we n e r g y - a w a r e r o u t i n gb a s e do nm o b i l ea g e n ti nc l u s t e r i n gw s n - - e a r m a c h a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hu s e l l 南京邮电人学硕l 研究生学位论文a b s t r a c t t h ec l u s t e r i n gn e t 、o r ka r c h i t e c t u r ea n dt h ep r o a c t i v em o v i n ga b i l i t ya n di n t e l l i g e n c eo fm o b i l e a g e n tt or e d u c et h en e t w o r kt r a f f i c m e a n w h i l e ，t h ee f f e c ta n de f f i c i e n c yh a v eb e e na n a l y z e d a n dv e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o no nt h eu b i s i mp l a t f o r m a tl a s t ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fu b i s i m ，am o b i l ea g e n ts u p p o r t e dw s n s i m u l a t o r , h a v eb e e ni n t r o d u c e d 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 ，r o u t i n gt e c l m o l o g y ，m o b i l ea g e n t ，s i m u l a t o r i i i 南京邮i u 人学倾一l ：研究生学位论文 缩略词 缩略词 缩略词英文全称译文 w s n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k无线传感器网络 m e m sm i c r o - e l e c t r o n i cm a c h i n es y s t e m 微电机系统 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 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 a s p i n 信息协商传感器协议 n e g o t i a t i o n d dd i r e c t e dd i f f u s i o n 定向扩散 g e a r g e o g r a p h i c a la n de n e r g y - a w a r er o u t i n g地理能量路由 l e a c hl 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 低功耗自适应分层 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序列分配路由 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 r传感器信息系统能量有 p e g a s i s i n f o r m a t i o ns y s t e m s 效收集 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 r门限敏感能量有效传感 t e e n n e t w o r kp r o t o c o l器网络协议 s m a l lm i n i m u me n e r g yc o m m u n i c a t i o n s m e c n 小型能耗最小通信网 n e t w o r k g b rg r a d i e n t - b a s e dr o u t i n g基于梯度的路由 c a d rc o n s t r a i n e da n i s o t r o p i cd i f f u s i o nr o u t i n g受限异构扩散路由 a c t i v eq u e r yf o r w a r d i n gi ns e n s o r a c q u i r e主动查询转发 n e t w o r k s t h ea d a p t i v et h r e s h o l ds e n s i t i v ee n e r g y可适应门限敏感能量有 a p t e e n e f f i c i e n ts e n s o rn e t w o r kp r o t o c o l效传感器网络协议 g a f g e o g r a p h i ca d a p t i v ef i d e l i t y地理适应可信度 l d dl o c a t i o nb a s e dd i r e c t e dd i f f u s i o n 基于位置的定向扩散 第9 5 页 南京邮i 乜人学颀【：研究生学位论文 缩略词 m o b i l ea g e n tb a s e dd i s t r i b u t e ds e n s o r基于移动代理的分布式 m a d s n n e t w o r k 传感器网络 e n e r g y a w a r er o u t i n g b a s e do nm o b i l e 基于移动代理的能量感 e a r m a c知无线传感器网络分层 a g e n ti nc l u s t e r e dw s n 路由 c ic l u s t e ri n f o r m a t i o n 簇头信息 n c t n e i g h b o r i n gc l u s t e rt a b l e 邻居簇表 n s 2n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 网络模拟器版本2 t c lt o o lc o m m a n dl a n g u a g e工具命令脚本语言 o t c l o b j e c tt c l对象化t c l 脚本 第9 6 页 南京邮电人学颀j ：o f 究生学位论文 图表清单 图表清单 图2 1 传感器网络节点结构4 图2 2 无线传感器网络体系结构5 图2 3 聚类分层的传感器网络体系结构5 图2 4 无线传感器节点协议栈6 图3 1 “内爆 问题1 5 图3 2 “重叠”问题1 5 图3 3s p 矾协议1 6 图3 4 定向扩散的简单示例1 7 图3 5r u m o r r o u t i n g 2 0 图3 - 6 融合节点的查询策略2 2 图3 7p e g a s i s 链式结构2 4 图3 - 8 基于二进位的链结构数据收集策略2 5 图3 - 9 传输转发节点对( i ，r ) 的中继区域2 8 图3 1 0g a f 的虚拟网格2 9 图3 1 lg a f 中节点状态迁移一3 0 图3 1 2g e a r 中迭代地理转发3 1 图3 1 3 节点接收到兴趣的处理流程3 3 图3 1 4 兴趣泛洪的一般情况3 4 图3 1 5 算法直观过程示例3 6 图3 1 6 兴趣区域内进行泛洪3 6 图3 1 7 改进定向扩散协议中对兴趣的处理流程图3 7 图3 1 85 0 传感器节点随机分布| 3 8 图3 1 9 信息包数量与节点数关系3 8 图3 2 3 任务区域对改进定向扩散协议性能的影响3 9 图4 1 客户机，服务器模型的通信方式4 l 图4 2 移动代理离线计算模式4 l 图4 3 一种简单的基于移动代理的传感器网络数据传输模型4 5 第9 7 页 南京邮l 乜人学硕i ： 0 f 究生学位论文 图表清单 图4 - 4 传感器节点收发模型4 8 图4 5 分层的网络拓扑5 l 图4 6 簇头节点接收到c i 数据包后的处理流程5 2 图4 7 任务移动代理迁移示例5 5 图4 8 任务移动代理到达簇头节点的逻辑5 5 图4 - 9 任务移动代理收集数据处理逻辑5 6 图4 1 0 任务移动代理在目标区域簇头间的迁移复制5 7 图4 1 1 传感器节点能量消耗情况5 9 图4 1 2l e a c h 在2 0 0 * 2 0 0 场景下节点剩余能量分布6 1 图4 1 3e a r m a c 在2 0 0 * 2 0 0 场景下节点剩余能量分布6 2 图4 1 4 在不同网络规模下两种路由技术能耗比较6 2 图5 1n s 2 仿真器用户视图6 6 图5 2c h _ o t c i 对象层级6 6 图5 3n s 2 体系结构6 7 图5 4 分裂对象模型联系6 7 图5 5n s 2 中对象创建过程6 8 图5 - 6u b i s i m 仿真无线传感器节点结构模型7 2 图5 7u b i s i m 模拟节点基本静态类图7 3 图5 8 移动代理的结构7 4 图5 - 9 移动代理的静态u m l 7 5 图5 1 0 移动代理的扩展7 5 图5 1 ln s 2 中p a c k e t 类的扩展7 6 图5 一1 2 配置m a e 的仿真传感器节点结构图7 7 图5 1 3u b i s i mm a e 部分静态结构7 9 图5 1 4m a e 运行时序8 0 图5 1 5f l e x 词法分析流程8 1 图5 1 6 脚本运行界面8 4 图5 1 7n a m 命令窗口8 4 图5 1 8 范例1 场景窗口( a ) 8 7 图5 1 9 范例1 场景窗r e ( b ) 8 7 图5 2 0 范例2 场景窗口8 8 第9 8 页 南京邮i 乜人学硕士磺究生学位论文 图表清单 表4 1 多任务代理示例4 5 表4 - 2 簇头节点维护的n c t ( n e i g h b o rc l u s t e rt a b l e ) 5 2 表4 3 任务移动代理的任务描述5 3 表4 4 仿真参数设置6 l 表5 1u b i s i m 指令集分类8 2 表5 2u b i s i mm a e 指令列表8 2 表5 3u b i s i m a p p 指令集列表8 2 表5 4 范例l 仿真环境配置8 6 表5 5 范例2 仿真环境配置8 8 第9 9 页 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垄笸皇 日霸矍：生! 三 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生始羔 血导师签名剔幽魄丛 _ 扩州 南京邮电火学硕“i ：研究生学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 随着传感器、微电机系统( m e m s ) 和无线通信技术的发展，无线传感器网络成为了 一种全新的信息获取和处理技术。它可以应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到 达的区域( 如受到污染、环境不能被破坏或敌对的区域) 和一些临时场合( 如发生自然灾 害，固定通信网被破坏) 等。因此，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 多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工 业界的高度重视。并成为进入2 0 0 0 年以来公认的新兴前沿热点研究领域。2 0 0 3 年2 月的 美国技术评论杂志认为传感器网络是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一【l 】f 2 】1 4 】。 w e i s e r 等人于1 9 8 8 年提出了“普适计算 ( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 1 5 】的概念，旨在随 时随地提供所需要的信息。普适计算是一门计算，通信，感知技术交叉的学科。由于传感 器节点同时具备了计算，通信和感知的能力，因此无线传感器网络必将是实现普适计算的 有利工具。利用传感器网络，可以使人们在任何时间、地点和环境条件下获取大量详实可 靠的信息，真正实现w e i s e r 所提出的“普适计算”。传感器节点可以集成多种传感器，能 测量所在周边环境的热、红外、声纳、雷达和地震波等不同信号，从而探测包括温度、湿 度、噪声、光强度、移动物体的大小、速度和方向等众多物理现象。在通信方式上，传感 器节点之间可以采用无线、红外等多种形式，在密集性的传感器网络里，相邻节点间的距 离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离 无线通信易受外界噪声干扰的影响。所以一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传 感器网络使用，为明确起见一般将采用无线通信技术的传感器网络称作无线传感器网络。 从9 0 年代初期开始，美国和欧洲等发达固家先后开展了有关无线传感器网络方面的 研究工作。近几年来在美国国防部高级规划署( d a r p a ) 、美国自然科学基金委员会和其 它军事部门的资助下，美国科学家对无线传感器网络所涉及的各个方面进行了深入的研 究。欧洲于2 0 0 3 年初在德国首都柏林举行了第一届“无线传感器网络论坛”，有1 2 0 名微 电子、机械电子和信息传输方面的专家出席论坛。 第l 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 目前无线传感器网络尚处于研究阶段，国外建立了许多演示系统，并有部分投入实际 使用。近年来，国内部分高校和科研院所也开展了无线传感器网络的理论和应用研究，但 基本还处于起步阶段。作为无线传感器网络中的关键技术，路由协议是当前研究的重点之 一，也对无线传感器网络的实用化进程起着至关重要的作用。 1 2 课题简介 以往大多数无线传感器网络的路由技术都是基于传统的客户机朋艮务器计算模型，即每 个传感器节点将自己感知到的数据通过各种数据传输方式，传送给一个处理中心或s i n k 节 点。由于无线传感器网络在很多地方有别于有线网络和传统无线网络，这些数据收集技术 并不能从根本上适应无线传感器网络低功耗，低流量等特殊要求。近年来，出现了基于移 动代理的数据收集和数据融合方法，利用移动代理自身的技术优势和特点，完成无线传感 器网络数据收集和融合的任务，起到很好的效果。 移动代理技术的诞生和发展是分布式人工智能技术和网络技术发展的结果，是在传统 人工智能的基础上发展起来的基于网络的分布式人工智能技术，本质是采用人工智能等技 术，研究一组分散的、松散耦合的智能结构如何在分布式环境下实现专家群体间高效率地 相互协作联合求解，解决多种协作策略、方案下的冲突和矛盾。 国外已有研究者提出并实现了一些移动智能代理系统，如a g l e t 、g r a s s h o p p e r 、v o y a g e r 、 j a d e 、j a c k 、m a d k i t 、f i p a o s 、a g e n t b u i l d e r 等。但是以上的代理系统、工具或平台 对运行资源的要求较高，不适合当前的无线传感器网络。a g i l l a 是一个专门面向无线传感 器网络的移动代理中间件，用于快速部署自适应的无线传感器网络应用。a g i l l a 允许用户 在网络节点中嵌入移动代理，这些代理通过元组空间( t u p l e s p a c e ) 协调工作，智能地在网 络中迁移完成特定的任务。这个代码和状态的流动性将使无线传感器网络成为一个共享 的、通用的计算平台，每次都能够运行自治的应用例程，因而充分发挥了无线传感器网络 的潜能。a g i l l a 证明了移动代理应用于无线传感器网络的可行性和优越性能，但对基于移 动代理的无线传感器网络协议，特别是路由协议，缺乏深入的分析和研究，离真正在无线 传感器网络中应用移动代理技术还有一定距离。 综上所述，本论文旨在探索和研究基于移动代理的无线传感器网络路由技术，在充分 分析和了解当前无线传感器网络路由技术的基础上，找出一种新型的基于移动代理的适用 于无线传感器网络路由方法，使其满足无线传感器网络的主要特性，达到节能，健壮，分 布式等特性，从而为移动代理技术和无线传感器网络的进一步结合和有效应用提供新的方 第2 页 南京邮l u 人学硕l ：研究生学位论文 第一章引言 法。同时，也为无线传感器网络的路由协议研究提出新的思路。 1 3 本文结构 根据本文的研究内容，文章主要包括以下几个部分： 第一章，引言部分，主要介绍了本课题的研究背景，国内外研究现状，以及本文重点 研究的对象和目标。 第二章，介绍无线传感器网络基本概念，体系结构，应用领域，特点及研究应用所面 临的挑战。 第三章，按类别详细介绍分析各种已有无线传感器网络路由技术，并对在定向扩散 ( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 协议基础上实现基于位置的定向扩散( l o c a t i o n b a s e dd i r e c t e d d i f f u s i o n ) 协议，并给出详细的性能对比。 第四章，引入移动代理概念，阐述移动代理用于无线传感器网络路由技术的优势。提 出一种新的基于移动代理的无线传感器网络路由方法，并给出实验分析。 第五章，介绍基于移动代理的无线传感器网络仿真平台u b i s i m 的体系结构，设计框架 及应用示例。 第六章，对整个课题和毕业设计进行了总结，并对下一步的研究工作做出展望和设想。 第3 页 南京邮l 乜人学硕i 二研究生学位论文 第二章无线传感器网络概述 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 无线传感器网络与传统无线网络的分布及应用方式有着比较大的区别，因此体系结构 是介绍网络特点概念的基础，本小结将首先介绍无线传感器节点的通用结构，再介绍无线 传感器网络的通用结构。 2 1 1 无线传感器节点结构 无线传感器网络节点是无线传感器网络的基本组成部分，在不同的应用中，节点的组 成不尽相同，但基本组成和功能包括如下几个单元 6 1 ：传感单元( 由传感器和模数转换功 能模块组成) 、处理单元( 由嵌入式系统构成，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) 、以及电源部分，如图2 1 所示。此外，可以选择的其 它功 传感单元处理单元通信单元 处理器 传感器- - a c ，d c 。 _ 无线通信模块 存储器 图2 1 传感器网络：肖点结构 2 1 2 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络典型的体系结构【7 】【8 1 如图2 2 所示。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。节点通过飞机布撒，人工布置 等方式，大量部署在感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，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 第4 页 堕室堕! ! 叁堂堡：! ：堕塑生兰堡垒奎塑三里垄垡堡壁登堕竺塑垄 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( s i n k ) ，最后将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。一个典 型的传感器网络的体系结构包括分布式传感器节点( 群) 、汇聚节点、互联网和用户界面 等。在传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围，而汇聚节点的发射能力较强， 具有较高的电能，可以把数据发回远程控制节点。 图2 - 2 无线传感器网络体系结构 当网络规模很大的时候，这种基本的平面式的体系结构不能满足通信需求，因此可以 采用聚类分层( c l u s t e r - b a s e d ) 的管理模式，如图2 3 。在这种体系结构下，一个区域内节 点间的通信通过簇头实现，区域间通过簇头进行路由，将信息传送给汇聚节点。这种模式 便于对大规模大面积的传感器网络进行管理，在此基础上也容易实现数据融合等技术。 ( c 1 图2 3 聚类分层的传感器网络体系结构 第5 页 南京t t g l g 人学硕= 1 ：研究生学位论文 第二章无线传感器纠络概述 2 1 3 无线传感器网络协议栈 通常，传感器节点所使用的协议栈包括5 个层次【9 】1 1 0 l ：物理层、数据链路层、网络层、 传输层和应用层。与互联网协议栈类似。此外协议栈还包括三个平台：能量管理平台、移 动管理平台、任务管理平台。如图2 - 4 所示。 图2 - 4 无线传感器节点协议栈 协议栈各个部分的功能分别是： 物理层，根据实际需要，确定无线工作频段、调制技术和扩频技术为上层信号传输提 供基础支持。 数据链路层，主要负责介质访问控制，在相互竞争的用户之间分配信道资源，并进一 步实现低能耗，低延时和可扩展等新要求。 网络层，负责路由生成及路由选择，建立数据传输路径，解决无线传感器网络中资源 受限，无全局信息，拓扑不稳定和信息冗余等新问题。 传输层，控制网内传输数据流，保证q o s 。 应用层，负责实现一系列无线传感器网络可以实现的应用逻辑，使传感器网络具备应 用价值。 能量管理平台，在每个层都采取一定的措施实现对能量消耗的控制，尽最大可能降低 能耗。 移动管理平台，实现网络拓扑的动态维护，确保传感器节点在移动以后，网络拓扑的 重新建立。 任务管理平台，对区域内分布的节点进行任务调度，监测，负载平衡等。 第6 页 南京邮电大学硕：l 研究生学位论文第二二章无线传感器网络概述 2 2 无线传感器网络特点 在无线网络领域，无线a dh o c 网络是新兴的研究热点，该种类型的网络可以由不依 赖任何基础设施的节点在短时间内互联。与传统无线网路相比，a dh o c 网络具有一些明显 的特点【11 】： 无中心自组织： 拓扑结构动态变化； 无线传输带宽窄； 移动终端能力受限； 多跳路由； 易受干扰，攻击； 2 2 1 无线传感器网络特点 无线传感器网络在组织方式，体系结构等方面与无线a dh o c 网络有很多相似之处， 因此，有文献将无线传感器网络作为一种特殊的无线a dh o e 网络研究。然而，这两种网 络又存在着一些关键的区别。从本质上看，无线传感器网络是所有网内的传感器节点协同 工作，整个网络作为一个整体，为外部提供用户所需的信息，如环境数据，目标物体位置 等。而无线a dh o c 网络目标是在没有外部基础设施的情况下，为每个终端用户提供高质 量的数据传输服务。因此无线传感器网络具有如下一些特点： ( 1 ) 硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和 内存空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次 不能太复杂。 ( 2 ) 电源容量有限。网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特殊的应用 领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也 就失去了作用( 死亡) 。因此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 ) 无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对 等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具 有很强的抗毁性。 ( 4 ) 自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议 第7 页 南京邮i u 人学倾+ i j 硐f 究生学位论文第二章无线传感器网络概述 和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 ( 5 ) 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻 居直接通信。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多跳路由是 由普通网络节点完成的，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。 ( 6 ) 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可 能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被 添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组 织功能。 ( 7 ) 节点数量众多，分布密集。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。无线传感器网络主要不是依靠单个设备能力提升，而是通过传感器 节点密集分布，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。 2 2 2 无线传感器网络研究应用所面临的挑战 无线传感器网络区别于传统无线网络和无线a dh o c 网络的这些特点，决定了对无线 传感器网络关键技术的研究面临着众多新的关键问题和挑战【1 2 】，主要包括： ( 1 ) 低能耗。无线传感器网络长期在无人值守的环境中运行，且节点都是通过电池供 电。要为所有节点定期更换电池或者给电池充电，几乎是不可能完成的任务。因此，要求 在对无线传感器网络各项关键技术研究的过程中，充分考虑最小化能量消耗的问题，获得 较长的工作时间。 ( 2 ) 低成本。由于无线传感器网络的绝大多数应用需要传感器节点大规模密集分布， 因此单个节点的价格将决定着无线传感器网络的应用前景。需要设计符合需求的简单硬件 系统，以及较简单的软件协议。此外需要一定的自适应网络管理和维护功能，以取代传统 的人工干预的网络管理和维护。 ( 3 ) 通用性。要使一套传感器网络设备能在世界不同地区工作，方便大规模，批量生 产，需要建立全球通行的技术标准。否则将极大地局限无线传感器网络的应用。 ( 4 ) 均衡的网络负载。如果只采取某一项指标最优化的数据收集策略，往往导致网络 数据流集中在某几条路径上，从而使这几条路径上的节点过度被使用，能量将大大早于平 均时间耗尽。这样，网络在运行了不长的时间以后，就被分割成几块，性能大大下降。因 第8 页 塑皇! ! ! ! ! 生盔堂堡主堕塞生兰垡笙苎茎三童垄垡堡壁墨塑竺燮堕 此，对于无线传感器网络而言，数据收集传输的策略一定要注意能量感知( e n e r g y a w a r e ) 的概念，保证网络负载在全网内的均衡，以延长整个网络的生存期。 ( 5 ) 安全性。无线传感器网络的众多应用对安全性要求很高，如军事应用，工业控制 等。同时，无线的环境和传感器节点本身资源受限的客观事实，使得传感器节点比较容易 受到攻击，或者被俘获。因此提高无线传感器网络的安全性决定了这项技术是否能够良好 的应用在这些领域。 ( 6 ) 可扩展性。传感器节点不可能像传统的网络终端设备一样具有很高的处理，存储 及通信能力，而且由于在一个区域里，节点是大规模分布的，因此传感器节点只能保存局 部的信息，不可能维护全局信息。这样的设计，也带来了可扩展的好处。 2 3 无线传感器网络应用领域和前景 无线传感器网络有着众多其它无线网络所不具备的特点，而且随着传感器技术和网络 技术的不断发展，使得传感器节点能够拥有更多更强大的感知，处理和通信能力，从而完 成连续环境监测，目标跟踪，位置辨别等不同任务。无线传感器网络也为“普适计算”提 供了良好的手段和工具，让用户能够更好的了解和把握周围世界，使其在众多领域都有非 常广阔的应用前景和实用价值【8 】。 ( 1 ) 工业控制和设备监视。在工业生产中，一些大型的设备需要对一些关键部件的技 术参数进行监控，以掌握设备运行情况。在很多情况下，对设备的监控很难通过有线的方 式实现，或者用有线的方式成本相当的高，布线相当繁琐，因此通过无线的方式将传感器 组成网络，可以很好的满足工业控制设备监视的需求。 ( 2 ) 军事应用。和许多其他技术一样，无线传感器网络最早是面向军事应用的。由于 其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，在军事应用中，无线传感器