（计算机科学与技术专业论文）传感器网络三维拓扑组织及分簇算法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 无线传感器网络是由低成本、低功耗、具备感知、数据处理、存储和无线通 信能力的微型传感器节点通过自组织方式形成的网络系统。拓扑组织和能量消耗 是无线传感器网络的两个核心问题。无线传感器网络的拓扑结构决定了覆盖和连 通性等网络基本特性，而能量消耗则决定了无线传感器网络的生存时间。本文针 对无线传感器网络在三维空间的拓扑组织问题和传感器节点的高能效分簇问题进 行了深入的研究。 目前大多数无线传感器网络研究采用的二维平面假设，并不能完全满足实际 应用的需求。在现实世界中存在着大量三维无线传感器网络应用，例如空间、水 下和地下传感器网络系统。然而，由于三维空间中求解问题的复杂性，现有的二 维无线传感器网络的研究成果大部分不能直接应用于三维无线传感器网络。三维 无线传感器网络的发展要求新的理论和方法。 本文首先讨论了随机三维无线传感器网络中的相变现象。针对经典概率分析 工具过于复杂的问题，利用箱覆盖技术，推导了随机三维无线传感器网络的临界 感知半径。 接着本文将代数格理论引入无线传感器网络的三维拓扑结构研究。首先面向 理想空间环境，提出三种规则对称的立方格结构无线传感器网络，根据格的生成 矩阵给出节点部署位置的计算方法，并分析了网络覆盖和连通的条件。这种确定 部署的规则空间结构无线传感器网络具有很多优点，如可以保证对目标空间的完 全覆盖，易于形成连通的稀疏网络，节点数一定的条件下可以最大化覆盖范围， 减少节点间的通信量等，适用于空间、地下和建筑物内部等网络应用。 确定部署的规则空间结构无线传感器网络虽然特点突出，但是对于大规模的 无线传感器网络，确定部署会带来很大的开销，而且在很多应用领域，由于环境 的限制，可能无法进行确定部署。所以本文针对随机部署的三维无线传感器网络， 提出一种基于虚拟立方格v o r o n o i 单元的三维无线传感器网络空间组织策略。空 间中随机分布的传感器节点通过计算距离自己最近的虚拟立方格格点，确定自身 所在虚拟v o r o n o i 单元的i d 。同一单元内的节点可以通过一定的选举算法，周期 性的选举一个活动节点代表单元工作，从而实现在满足覆盖和连通要求的同时， 减少节点能耗，延长网络寿命的目的。 水下监视传感器网络是一种典型的三维网络应用系统。本文针对水下监视应 用的特点，提出一种新颖的三维水下传感器网络拓扑生成算法e t g 。算法通过控 制传感器节点在垂直方向上的移动，由随机部署在海平面上的传感器节点自动生 成近似体心立方格结构的空间传感器网络。e t g 算法将节点的部署和调度相结合， 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学何论文 在高节点密度的条件下，可以快速形成一个由活动节点构成的覆盖目标空i 刈的三 维监视网络。仿真实验表明，与现有的完全随机部署策略和基于立方体覆盖的深 度调节策略相比，e t g 算法不但可以提高网络覆盖效率，而且能够通过少量节点 的移动覆盖较大的空间，从而有效减少网络初始建立阶段由于节点移动带来的系 统能耗开销。 最后本文研究了两种类型的无线传感器网络高能效分簇算法。第一类算法基 于虚拟单元划分网络覆盖空间，一个单元一旦确定，在网络生存期内成员将不再 变化，所以称为静态分簇算法。本文分析了现有单元内随机簇首选举算法存在的 缺陷，提出一种自适应的随机簇首选举算法s a i u e ，通过大量的仿真实验对 s a r l e 的性能进行了评估。第二类是动态分簇算法，网络随机选举簇首并周期性 的重新选举，通过簇首和簇成员间角色的不断变化，将能量开销分配到整个网络。 l e a c h 是最著名的无线传感器网络动态分簇算法之一。本文利用随机过程的方法 指出l e a c h 协议中存在分簇个数不稳定的问题，提出一种改进的分簇方案 i l e a c h ，并通过大量的仿真实验说明i l e a c h 的有效性。 主题词：无线传感器网络三维空间格拓扑部署高能效分簇算法 第i i 页 嚣防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t w 妇l e s ss e n s o rn e 批o r k s ( w s n s ) c o n s i s to fl o w - c o s t ，l o w 巾o w e rt i n ys e n s o r n o d e sm a tc a nc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rt op e r f b r ms e n s i n g 舭l dd a t ap r o c e s s i n g c o o p e r a t i v e l y 。n e 觚o r kt o p o l o g ya i l de n e r 蹦c o n s 硼：l p t i o na r e t 、) l ，op r i m a 巧p r o b i e m si n 、 ，i r e l e s ss e n s o rn e t 、v o r k s 1 1 1 ec o v e r a g ea l l dc o n n e c t i v 时o fas e n s o rn e t 、v o r kd e p e n d s t oal a 娼ee x t e n to nm en e t w o r kt o p o l o g y t h ei i f e t i m eo fas e n s o rn e t v 旧r ki s d e t e r m i n e db yi t se n e 唱yc o n s 啪p t i o n 1 k st h e s i sf o c u s e so nt h et h r e e - d i m 她s i o n a l ( 3 d ) t o p o l o g yo 糟a n i z i n gi n 埘r e l e s ss e n s o rn 弧v o r k sa n dt h ee n c 嘲，- b a l a n c e dc l u s t 积n go f s e n s o rn o d e s ，n l e 似。一d i m e n s i o i l a l ( 2 d ) a s s 啪p t i o nw h i c hi sa d o p t e db ym o s to ft h ee u r r e n t r e s e a r c h e r so fw i r e l e s ss e n s o rn e t v r k sc a l l n o ts a t i s 匆越ld e m a n d so f 骶f e a ll i f e a l a l 謦en 姗b e ro fw i r e l e s ss e n s o fn ：t 、f k se m b e d d e di nt h ep h y 蠡e 越w o 蠢d 、蕊l lb e3 d ， e g s p a c es e n s o rn c t 、旅s ，瑚d e 獭蕊e fs e n s 甜浆柳呔s 黼d 谢e f g 羚孺ds 强s o f n e 撤。慕s h o w e 垤r ，d u e 幻壤es 唧砖s i 端式缳e u l t i e so f3 dp 羚b l e 隆s o m 鹪，鼬蛙嘏 斑ea l g o f i l 妇l s s i 韶甜f o f2 d 谢潮e s ss e 蕤s o f 辩撕。呔se a 魏跌b ee x 纶n d 甜t o3 d d i 辩c t l y n e w 耀e 芝量l 幽a 醴瓣w 抛c 弧i 唾聪sa 愆袋e d 甜幻s o l v e 娃l ed i 爨c u l lp r o b l e 琏l s 撖 3 d 诹靶l e s s 辩n s 钟n e 、阳嫩s t h e 曲a s e 螂i l i o np h e n o m e n a o ff 粕d o m3 dw i f e l e s ss e 薹l s o rn e t w o r l ( sa 糙f i r s t l y d i s c u s s e di n 必st h e s i s 。s i n c ep r e v i o u s 、r k so nm d o ms t m c t u r e dw i r e l e s sn e t w o f k s u s e ds o p b i s t i c a t e dp r o b a b i l i s t i ct o o l st od e r i v em e i rb o u n d s ，as i m p l e ra 1 1 a l y s i s t e c h m q u e ，c a l l e db i n c o v e r i n g ，i sa p p l i e dt og e tt i 曲tt h r e s h o l df o rc o v e r a g ep r o p e r t i e s o fr a n d o ms t l l l c n ”e d3 ds e n s o rn e t w o r k s t h i st 1 1 e s i s p r o v i d e s an e wl a n i c e 书a s e d t e c h n i q u et os t l j d ym et o p o l o g y c o n s t r u c t i o nm3 dv v i r e l e s ss e n s o rn e t 、o r k s f i r s t ，t h r e es p a t i a ls 皿h n e 仃i cc u b i cl a t t i c e s t r u c t u r e sa r ep r o p o s e df o rd e t e r m i 僦s t i cd e p l o y m e n to f3 dw i r e l e s ss e n s o rn e t 、v o r k s t h ef o n n u l a so fs e n s o rn o d e sp o s i t i o ni nm e s es t 】t l | r e sa p f o v i d e db a s e do nm e g e n e r a t o rm a t r i xo fc u b i cl a ：t t i c e sa n dm ec o v e r a g ea n de o n n e c t i v i 锣o ft h e ma 糙 a n a l y z e d 确e s es y n l 】m e t 血s t r u c t u r en e 讯。矗sp o s s e s s 黻a n yi n t ；f e s t i n gp r o p c 砖e s t k y c a i lg u a r a n t e e 蠊e 黼le o v e 髓g eo ft h e 钮g 髓s p a c e 西l e ya r es p a f s e 鞠de o n 酣e t 。d 。 f o fa 昏v e n d ed e g 辩e ，t h e ye a 娃m a x i m i z c 氆ec o v e 掇g e 黜g e 勰d 参e d 城e 娃搀 m m u n i e a 圭i o 程讹爱i e 羽藏。蘸g 鹅d e s t h e s ee 珏b i el 缀i c es 蚀f e sa f es u i l a b l e f3 d 蛾f e l o s ss e 璐o fn 翩呔s i n 也e 采攫。印h e f e ，腿d e 耀妁珊d ，o fi 珏也eb u i l d i f 毽。 w h i l es e n s o f 辩搬7 0 呔s 谢饿s y m 璎e 照es 锻比组r eh a v ep m i l l e 燃f e 龇s ，f o ra l 鹕es c a 薹es c 潞联船。出，i ti 皴te o 蜘e 懿c t i v e 协d e p l o ys e n s o fn o d e so b yo n e m o o v e f ，i 芏lm a n yc a s e ss e n s o rn o d e sc a n n o tb ed e p l o y e dm a n u a l l yd u et ot h e 王i m i t a i o no ft h ee n v i r o 蚴e n t 。i l l 嫩i st h e s i s - as e r i e so fv i r n j a lv o r o n o ic e l l _ b a s e d t o p o l o g yo r g a n i z i n gs t 豫t e g i e sf o rr a n d o m3 dw i r e l e s ss e n s 0 rn e t 、o r k sa r ep r e s e n t e d 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 b a s e do nn l el a n i c et h e o r y i nm e s es t r a t e g i e s ，d i s t r i b u t e da l g o r i t sf o r6 n d i n gt 量l e n e a r e s tl a t t i c ep o i n ti nd i f f e r e n tv i r f u a lc u b i c1 a t t i c e sa r cd e s i g n e d u s i n gm e s e a l g o 喇脑s ，as e 娃s 致o d ee 越曩嬲w h i c hv o 涮喊e d li tb e l o 魏g s 论b y 懿e l 强 s e n s o rn o d e sw i t hs a m ec e l li dc a nu s es o m el e a d e rs e l e c t i o na l g o r i t st od e r i o d i c a l l y c h o o s eal e a d e ra m o n gt h e m 砸l e s el e 碉e r sa c ta st h ea c t i v en o d eo f 协ec e nt om a i n t a i n t h en e t w o r ke o v e f a g ea n dc o n n e c t i v i t y b e c a u s eo ne v e r yd u t ye y c l eo n l y 鑫s m a l l n u m b e ro fn o d e sa r ea c t i v e ，t h en e t w o r k1 i f e t i m ei s _ p r o l o n 职e d a 珏髓纛e f w 鑫戋e rs 翻e i l l 越猃es e f 薹s o fn e 强沁瘟i sa 帮p i e a l3 d 黼觏。戒s an o v e l e x p a n s i o nt o p o l o g yg e n e r a t i o na l g o r i t ( e t g ) i s p f o p o s e da c c o r d i n gt 0 t h e r e q u i 粥m e n to ft h eu n d e r w a t e rs u l n e i l l a n c es y s t e m t h ep r i n c i p l eo fe t g i st oc o n s t r u c t 鑫3 ds e 珏s o rl 搀l 、粥戒懿辍2 d 潮d o 辩l yd e p l o y e ds 睨s o fd e v 呈e e s 赢i e he 鑫nl 建o v eo 堇l l y v e r t i c a l l y e t gi n t e 伊a t e st h ed e p l o y m e n to fd e v i c e sw i t has c h e d u l i n gm e c h a n j s m 。 w h e ns e n s o rd e v i c e sa l d e n s e l yd e p l o y e do nt h es e as u r a c e ，a3 du n d e r 、a t e rn e t 、v o r k i sl 冀n e f l t e db ya e l 主v ed e v i c e sw i 也l e s sd e v i c el n o v 它攫毽e l 瞧i nas h o 曩d u 斌i o 狂e x l e n s i v e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt 1 1 a te t gc a nn o to n l yi m p r o v et h ei n i t i a ls e n s o rf i e l dc o v e r a g e a t e ，b 墩蠢s oa c 量l i e v el a f g e rc o v e r a g es p a c e 越l o w e 薹e o s to fa v e r a g ed e v i c em o v e m e n t d i s t a n c et h 纵t h er a l l d o md e p l o y m e n ts t r a t e g ya n dm ec u b i c - b a s e dc o o r d i n a t i o 珏s c h e m e 。 r h u st l l ee n e r g yc o s ta tt 1 1 en e 咖d ( s e t u pp h a s ei sr e d u c e de f 五e c t i v e l y f i n 越l y ，瓤s 糖e s i se o 珏s i d 粥觏ok i 砖蠡o f 勰se l 潞钯番n g 采鼬f i 矗擞s 强e 蠡r s 毫 o n ei st h es t a t i cc l u s t e r i n ga l 炉r i t h mw h i c hd i v i d e sm e 、 ，h o l ec o v e r a g ea r e ao fs e n s o r n e t w o r k si n t ov i r t u a lc e l l s o n c eac e l li sf o n n e di t 、忻nn o tc h a n g ed u r i n gt h en e t w o r k l i 是t i 壤e 。e v e 姆d 毽yc y c l ea 藏o d ei se l e c 钯d 稔w o 呔鑫sal e 麓e f c 氍瓣盛糍羚蠢。爨l e 鑫d 嚣 e l e c t i o na l g o r i t h m sc a n n o te n s u r et h eb a l a n c e de n e 蝎yc o n s u m p t i o na l n o n gn o d e si na c e l l 。as e l 暑越a p t i v e 瑚d o ml e a d e re i e c t i o na i g o r i t h m s ( s 触u e ) w a sp r o p o s e dt os o l v c t h i sp r o b l e m a c c o 越i n gl ot h e 两粥磷eo fe v e 嫩so fe x t r e 黻e l yl o wp 猢b a b i l i t y ，s a r l e t u n e st h e1 1 l n n i n gp f 毗u l l e t e r sb a s e do nt h eh i s t o r yi n f o 肺a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w l h 基s a r l ee a nb a l a 薹l c et 玲e n e f g ye 6 n s 懈p i o n s 盈麓o n gn o d e sm o f ee 蠢i e e t i v e l y + t h es e c o n do n ei st h ed y n 弧i cc l u s t c r i n ga l g o r 熏t h mw h i c hr a n d o m l ys e l e c t saf e w n o d e sa sc l u s t e rh e a d sa n dr o t a t e s 戗1 i sr o l et oe v e n l yd i s t r i b u t et 1 1 ee n e r g yl o a d 锄o n g 穗es e 稳s o f s 法趣e 藏e l w o 呔。毛e a c 鞭主so 辩o f 斑e 燃o s 专p o p u l 黻a l 鼬r 主侥攒so fi t 。n l 主s m e s i ss p o tt h a tt h e r ee x i s t sas l i 曲ti n a c c u r a c yi nt h ec o m p u t a t i o no ft h en o d e s e l o s e l e c t e dp r o b a b i l i t yi 1 1l e a c h ，、沛i c hc a u s e st 1 1 ee x p e c t e dn u i n b e ro fc l u s t e rp e r 强di s 珏o ll ko 辨i 磁砖v a l 辩。a 魅i 毽p v o da l g o 蠢也藤( 1 一l 嚣a c 秘) i sp 鼯p o s e d 谂 c o r r e c tt h i si n a c c u i a i c v e x t e n s i v es i m u l a t i o nr c s u l t ss h o wt h a ti l e a c hc a l le n s u f ea m o r es t a b l en u m b e ro fc l u s t e r s yw o s ： w l 羚l e s ss e n s o fn e 舣o f k st h 陀e d l 豳e 秘s l o 稳凌ll a 崩 t o p o i o g yd e p i o y m e n te n e r g y e f f i c i e n tc i u s t e f i n g 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表3 1 第一组实验中，、，和刀的取值3 1 表3 2 第二组实验中，、，和力的取值3 1 表4 1 堆积半径、覆盖半径和v o r o n o i 单元体积的关系4 1 表4 2 立方格的堆积密度和覆盖厚度4 1 表4 3r 跗扑尺概、西与尺的关系4 3 表4 4 堆积半径、覆盖半径和层间距的关系4 5 表4 5 保证局部连通和覆盖的条件5 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图 目录 图1 1无线传感器网络示意图1 图1 2 传感器节点硬件结构2 图1 3m i c a 系列传感器节点。3 图1 4 无线传感器网络体系结构4 图1 5 无线地下传感器网络7 图1 6 三维水下传感器网络结构8 图1 7 二维三角剖分和三维四面体剖分9 图2 1有限立体空间c 19 图2 2p = 6 时传感器节点的最优放置2 l 图3 1网络属性随节点半径的变化2 6 图3 2 箱覆盖示意图2 9 图3 3 第一组实验中网络覆盖率的变化3 2 图3 4 第二组实验中网络覆盖率的变化。3 2 图4 1正方形格结构和六边形格结构3 8 图4 2 立方格的直观结构。3 9 图4 3 立方格的v o r o n o i 单元4 0 图4 4 体心立方格部署。4 6 图4 5 面心立方格部署4 6 图4 6 简单立方格部署4 6 图4 7 体心立方v o r o n o i 单元的相邻形式5 2 图5 1三维水下监视传感器网络模型。5 7 图5 2 体心立方格空间结构5 9 图5 3体心立方格格点的平面投影。6 0 图5 4 体心立方格与正方形格间的数值关系图解。6 1 图5 5 监视设备的状态转换图。6 3 图5 6 网络覆盖率与节点总数的关系。6 6 图5 7 形成拓扑的活动节点数。6 6 图5 8 节点移动的平均能耗之差一6 7 图5 9网络覆盖率与节点总数的关系。6 8 图5 1 0 形成拓扑的活动节点数。6 9 图5 1 1 节点移动的平均能耗之差。6 9 图6 1虚拟f 方形单元划分示意图。7 1 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 2r a n d o m 算法的伪码描述7 3 图6 3r a j l d o m 算法的簇首选举结果7 4 图6 4 单元的工作过程7 5 图6 5s a r l e 算法伪码7 6 图6 6肌= 5 0 、口= 1 0 0 时节点担任簇首的次数7 9 图6 7口= 朋= 1 0 0 时节点担任簇首的次数7 9 图6 8所= 1 5 0 、口= 1 0 0 时节点担任簇首的次数7 9 图6 9 节点担任簇首次数的平均值8 0 图6 1 0 节点担任簇首次数的均方差。8 0 图6 1l 选出一个簇首所需的平均循环次数8 1 图7 1簇首个数的分布。8 4 图7 2 簇首个数的比较。8 7 图7 3 簇首个数的均值8 8 图7 4 簇首个数的差异系数。8 8 图7 5 不同最优值下每轮选举的平均能耗8 9 图7 6 不同最优值下的系统生存时间8 9 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导蜘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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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 中律了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：塑! 竺堕器期：彦p 7 年垆月乡旨 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阗；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， 可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适耀本授权书。) 学位论文作者签名：塑堡堕 作者指导教烬签名：篁二生垫 鐾期：踟参7 年铲月多霉 基期：聊年哆月多墨 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 徽电子技术、传感器技术、无线通信技术以及分布式信息处理技术的飞速发 展和日益成熟，极大的推动了集信患采集、数据处理、无线传输等功熊于一体的 无线传感器网络的发展。无线传感器网络在逻辑信息世界和客观物理世界的融合 中起到桥梁的作用，它将改变人类认识物理世界的方式，增强人类改造物理世界 的能力。 l 。l 无线传感器网络简介 1 。1 1 基本概念和特点 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e 似d r l ( s ，w s n ) 是由大量无处不在的，具 有通信与计算能力的微小传感器节点密集部署在无入值守的监测区域而构成的能 够根据环境自主完成指定任务的自治测控网络系统【l j 。 图1 1 是无线传感器网络系统的概念性示意图【2 】。传感器节点以随机的或确定 的方式部署在监测区域，通过自组织形成个多跳的无线网络。传感器节点采集 监测对象的信息，并沿某条路径通过其他节点将数据逐跳传递到网关节点。网关 节点通过地e m e t 或卫星网络将数据传送到管理节点。网关节点通常具有较强的处 理、存储和通信能力，能量般不受限制，它是传感器网络与k t e m e l 等外部网络 的连接点。用户通过管理节点完成数据收集、任务发布和传感器节点配置等网络 管理任务。 ， l 一_ 、- p 鼍毒= = 篡爿 l 管理节点l 、- 。，一 用户 图1 1 无线传感器网络示意图 传感器节点是一个微型嵌入式系统。一个无线传感器节点的基本硬件结构如 第l 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图1 2 所示。节点主要由感知模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块四部 分组成。感知模块负责监测区域内信息的采集和执行指定动作；处理模块负责数 据转换、存储和处理本身采集的或其谴节点发来的数据；通信模块负责与其健传 感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集到的数据：能量供应模块为节 点提供运行所需的能量1 3 】。 图l ，2 传感器节点硬件结构 传感器节点的软件系统一般可以分为三个层次：操作系统层、系统服务层、 应用层。操作系统层提供硬件访问接口和任务执行环境。系统服务层包括网络通 信协议、能量管理、定位与时间管理等，主要为应用提供所需的系统服务。应用 层实现特定应用所需的功能，例如对来自多个传感器节点的数据进行融合i 稍。 图1 3 展示了加州大学伯克利分校和c s s 沁w 公司联合开发的m l c a 系列传 感器节点产品。m i c a 2 节点的体积为5 8 3 2 x 7 m m ，采用两节a a 电池供电， m i c a 2 d o t 节点的直径为2 5 m m ，采用片状电池供电。两者运行u cb e r k e l e v 开 发的t i 姆o s 嵌入式操作系统，带有多通道无线电收发器，中心频率为8 醯h z 、4 3 3 h z 或3 1 5 h z ，户外最大通信半径5 0 0 或l o o o 英尺，可配备光、声、磁等多种传感 器。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 ( a ) m i c a 2 图1 3m i c a 系列传感器节点 ( b ) m i c a 2 d o t 无线传感器网络体系结构根据涉及到的关键技术，自下而上可以分为三层： 通信与组网、管理与基础服务、应用系统。如图1 4 所示【。通信与组网层主要研 究无线传感器网络的通信协议，包括： 物理层：负责数据的调制、发送和接收。无线传感器网络主要基于无线电 通信，其中需要解决的关键问题是无线频段的选择、调试技术和扩频技术。 物理层是决定无线传感器节点体积、成本和能耗的关键环节。 数据链路层：负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制。介质访问控 制( m a c ) 是数据链路层研究的重点，其主要功能是在相互竞争的用户 之间分配信道资源。传统m a c 协议的目标是在用户公平使用信道资源的 条件下，提高吞吐率和带宽利用率。无线传感器网络向m c 协议提出了 新要求，包括低能耗、低通信延迟和动态可扩展等。 网络层：负责数据的路由转发。路由协议的主要功能是在网络中任意需要 通信的两点间建立并维护数据的传输路径。与传统网络相比，无线传感器 网络以下特点会影响到路由协议的设计：资源严格受限、无全局统一的逻 辑地址、变化的网络拓扑结构和网络存在大量冗余信息。 传输层：负责数据流的传输控制，为应用提供一个可靠的、高质量的数据 传输服务。无线传感器网络以下特点会影响到路由协议的设计：在未知环 境工作、多跳通信机制、以数据为中心的工作模式和资源有限。 管理和基础服务层屏蔽底层网络细节，使用户可以方便的对无线传感器网络 进行操作。主要研究内容包括： 系统管理：无线传感器网络长期在无人值守的条件下工作，因此，需要实 时监测各项网络性能指标，对节点功能失效、能量耗尽等情况进行预警， 为及时排除网络故障提供帮助。 时间同步：无线传感器网络系统的一些功能要求网络中所有的节点相互配 第3 页 嗣防科学技术大学研究生院博士学位论文 合共阕完成，因此需要实现节点阎的时闲同步。但是，无线传感器网络的 通信带宽低、节点长期休眠、网络拓扑结构动态变化等特点，使得传统的 时间同步机制难以适用，所以需要设计具有一定同步精度的低功耗、可扩 展的时间时闻同步机制。 定位：无线传感器网络依靠有限的位箕已知节点，确定其他节点的位置， 在节点间建立起一定的空间关系。许多情况下，只有结合位置信息，传感 器获墩的数据才有实际意义。所以无线传感器网络需要具有一定定位精度 的低开销、低成本的分布式定位算法。 应用层受责为用户提供通用网络服务和面向不同领域的增强网络服务。 f 。+ + 。+ + 。+ 。+ 。+ 。 - ：厂 、 ： ；应用系统厂 分布式信息处理l 一一一i； i。2。：!j：ij：ij：ij：ij：ij：j：ij：i；：；：刹一i一； ：。王一。t ： 理与 ! 逶信与缀隧 。二j 图1 4 无线传感器网络体系结构 目前无线网络研究的一个热点领域是移动自组网( m o b i l ea d h o cn e m o r k s ， m a n e t ) 。移动自组网是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式、 动态组网的多跳移动性对等网络。其目的是通过动态路幽和移动管理技术，传输 具有服务质量要求的多媒体信息流。 无线传感器网络虽然与移动自缀网有相似之处，但通过比较可以发现二者存 在本质的区别。移动自组网以为用户提供高质量的数据传输服务为主要目标，无 线传感器网络以监控物理世界为目标。从这种意义上讲，移动自组网是一种数据 网络，悉无线传感器网络是一种测控网络。 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 无线传感器网络与移动自组网的具体区别主要包括： 规模大：为了完成对物理世界的感知，无线传感器网络系统可以由成千上 万个微小的传感器节点组成，比移动自组网的规模高出几个数量级。无线 传感器网络不是依靠单个设备能力的提升，而是通过大规模、冗余的嵌入 式设备的协同工作来提高系统的可靠性和工作质量。 能量受限：移动自组网的首要设计目标是提供高服务质量和高带宽利用， 其次才考虑节约能源。而无线传感器网络系统由于规模巨大，不可能以人 工的方式控制每个节点，所以系统一般在无人值守的状态下工作。每个节 点只能依靠自带或自主获取的能源供电。能源受限成为无线传感器网络系 统最主要的约束。因此，无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效使 用。 易受外部环境影响：物理环境对无线传感器网络的性能有重要的影响。例 如，低功耗的无线通信容易受到气候的影响；外界激励的变化会导致网络 负载的动态变化；随着能量的消耗，系统工作状态产生变化等。这些都要 求无线传感器网络系统具有对动态环境变化的适应性。 1 1 2 应用领域 无线传感器网络随机部署、自组织、适应环境等特点使其在军事、环境、医 疗、家庭和其他商用领域有广阔的应用前景和应用价值。 ( 1 ) 军事应用：由于无线传感器网络可以快速部署、自组织和容错的特性，它 将成为c 4 s r ( c o n u l l a n d ，c o n t r o l ，c o n 瑚l u l j c a t i o n s ，c o i n p u t i n g ，h l l ， 缸e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c ea n dr e c o 皿a i s s a i l c e ) 系统不可缺少的一部分。 c 4 s r 系统的目标是利用高科技技术，为未来战争设计一个集命令、控 制、通信、计算、打击、情报、监视和侦察于一体的战场指挥系统，受到 军事发达国家的普遍重视。无线传感器网络在战场环境的具体应用包括： 战场侦察、敌占区监测、战斗损失评估、核、生化武器攻击探测等。 ( 2 ) 环境应用：包括精细农业，海洋、陆地、大气环境探测，森林火灾预警， 生物多样性勘测和洪水监测等。 ( 3 ) 医疗应用：无线传感器网络为远程医疗提供了更加方便快捷的技术实现手 段，包括：患者的监测和诊断、药品管理、对医护人员和患者的追踪、定 位和监控等。 ( 4 ) 家庭应用：主要表现在家电自动化方面。家电中的传感器节点可以彼此交 互或通过i n t e m e t 与外部网络交互，使用户可以方便的远程监控家电。 ( 5 ) 商务应用：范围十分广泛，包括监测物质疲劳程度、商品清单管理、产品 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 质量检测、智能建筑、互动博物馆、车辆防盗系统等等。 1 1 3 研究现状 无线传感器网络的基本思想起源于2 0 世纪7 0 年代，研究重点主要放在国防 项目上。1 9 7 8 年美国国防部高级研究计划局( d a ) a ) 在卡耐基梅隆大学成立 了分布式传感器网络工作组，拉开了无线传感器网络研究的序幕。2 0 世纪9 0 年代 中期以后，在军方、学术界以及工业界的极大关注下，无线传感器网络开始快速 发展。 d a i 冲a 在l9 9 8 年开展s e n s i t ( s e n s o ri n f o m a t i o nt e c l u l o l o g y ) 研究计划。 该计划共有2 9 个研究项目，分别在2 5 个研究机构完成。s e n s i t 的研究主要集中 在两个方向：适应战场动态环境、可快速分配和查询任务的反应式网络技术；发 挥网络化观测优势的协作信息处理技术。2 0 0 1 年美国陆军提出“灵巧传感器网络 通信”计划，美国海军也确立了“传感器组网系统”研究项目。美国自然科学基 金委员会2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研究计划，投资三千四百万美元，支持相 关基础理论的研究。当前美国许多大学和研究机构都在从事无线传感器网络研究， 比较著名的实验室和项目包括：加州大学洛杉矶分校的c e n s 实验室【5 j 和w i n s 项卧刚，加州大学伯克利分校的b 、状c 研究中心【7 j 和w e b s 项引引，麻省理工的 n m s 项目【9 1 和a m p s 项目【l o 】，南加州大学的r e s l 实验室【1 1 1 和s c a d d s 项引1 2 1 ， 哈佛大学的c o d e b l u e 项引1 3 】，耶鲁大学的e n a l a b 实验室【1 4 】，普度大学的e s p 项目等【”】。i b m 、i n t e l 以及m i c r o s o r 等公司也在从事无线传感器网络研究。欧盟 国家、日本、澳大利亚和加拿大等国家也在积极进行无线传感器网络的相关研究。 迄今为止，已经开放出一些实际可用的传感器节点和面向无线传感器网络的操作 系统。比较有代表性的传感器节点包括加州大学伯克利分校和c r o s s b o w 公司联合 开发的m i c a 系列节剧1 6 】，加州大学洛杉矶分校开发的m e d u s