（通信与信息系统专业论文）基于iruwb的无线传感器网络研究.pdf

中国科学技术大学博士论文 摘要 摘要 无线传感器网络集成了传感器、微机电系统和网络通信三大技术，由于其巨大的应用 前景而备受学术界和工业界的广泛关注。能耗和成本问题一直制约着无线传感器网络的发 展和大规模的应用。脉冲超宽带无线技术具有高空间频谱效率、高测距精度、低截获概 率、抗多径干扰、以及低功耗、低成本等诸多优点。这些优点使超宽带无线传输技术和无 线传感器网络形成天然的结合，也为无线传感器网络的研究注入了新鲜的血液。 本文以简单、低能耗、低成本，具有自适应能力的脉冲超宽带无线传感器网络为主 线，研究内容主要包括：低功耗、低成本的无线传戆器网络物理层设计及其干扰共存研 究，速率自适应的脉冲侦听多址接入协议基于能量筛选的定向扩散路由协议以及脉冲超 宽带信号的测距方法和无线传感器网络定位技术。在这四个研究领域内，本论文的研究成 果和主要贡献如下： 通过介绍无线传感器网络物理层研究现状和需要解决的问题，分析了传统无线传感器 网络物理层的局限性，并通过三种不同的超宽带物理层解决方案的对比，提出了适合于无 线传感器网络的脉冲超宽带物理层设计方案。通过对1 r o u w b 系统和i e e e8 0 2 ，l l a 系统的 仿真，对二者的干扰共存进行评估，并提出了有效的提高抗干扰性能的解决手段。 针对于无线传感器网络的应用，并结合脉冲超宽带的特性作者提出了一种分布式的 速率白适应m a c 协议速率自适应脉冲侦听多址接入( r a p s m a ，r a t ea d a p t i v ep u l s e s e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 。协议面向传感网中低速应用，利用全双工收发，脉冲侦听等技术， 从功耗和网络性能的角度出发，在传统的8 0 2 ，1 ld c f 的基础上做出了一定的简化和修改， 实现了整个系统的低复杂度，低功耗，并具有一定的自适应能力。作者利用了排队论和 m a r k o v 链等数学工具，分析了网络中节点的发送概率、分组冲突概率等相关性能参数。并 分别在隐藏节点拓扑和随机拓扑下通过仿真，对该协议和带退避机制的c s m m c a 以及带 速率自适应的c s m a i c a 协议进行对比，仿真结果表明r a p s m a 协议在在网络吞吐量上具 有一定的优势，并在性能，功耗和设计复杂度等方厦达到了一个较好的权衡，具有一定的 实用性。 从无线传感器网络路由协议的特点和需要解决的问题出发归纳总结了目前无线传感 器网络路由协议的研究现状，分析了受群体智能理论启发的定向扩散协议的基本概念和原 理，并且针对平衡网络中节点能量消耗、延长网络生命周期上的优化目标。提出了一种基 于能量筛选的改进型定向扩散路由协议。仿真结果表明，基于能量筛选的改进方案在网络 平衡能耗，延长生命周期等方面具有很好的效果。 从脉冲超宽带信号的测距技术出发。着重分析了基于t o a 双向测距方法的误差源，并 对多径信道下t o a 估计进行了克拉姆劳分析。在满足无线传感器网络节点设计简单的要求 下，介绍了低复杂度的t o a 估计方法。最后。在获得测距测距信息的基础上，提出一种基 于r b - m d s 的无线传感器网络定位方法，该方法采用集中式和分布式相结合的策略，把网 络中的节点分层考虑，针对不同应用实施不同的定位步骤，提高了定位的效率。与全分 第1 页共1 2 1 页 中国科学技术大学博士论文摘要 布式和全集中式的算法相比，该定位机制的计算复杂度与平均连接度无关。只与节点总 数有关，所以适合于高连接度的阿络。而且，该定位机制能快速获得网络骨架的雏形， 这是其他定位算法所没有的功能。 本文的相关研究内容在国绕简单、低成本以及低能耗设计的主线下，兼顾考虑了无线 传感器网络的跨层设计方法。在本文的最后作者对无线传感器网络的跨层设计的研究目 标和思路做了进一步的探讨，本文的相关研究成果将为下一步探索适合无线传感器网络的 整体跨层实现方法，简化协议栈设计，提出较为完整的脉冲超宽带无线传感器网络的体系 结构奠定基础。 第1 i 页共1 2 1 黄 中国科学技术大学博士论文 a b s t r a c t 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 ( w s n ) i n t e g r a t e st h es e n $ o r , m i c r o - e l e c t r o m e c h , a l l i c a ls y s t e ma n d c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i n c r e a s i n gn u m b e ro f a c a d e m i cr e s e a r c h e r sa n di n s i d e r sa r ee t l g a 霉e di n d e v e l o p i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sd u et ot h e i rb r i g h tf u t u r ew i t hv a r i o u sa p p l i c a t i o n sh o w e v e r , t h ep o w e ra n dc o s tp r o b l e m sc o n s t r a i n st h e i rd e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o n sb a d l y w h i l e i r - u w bt e c h n o l o g yp o s s e s ss o m ea t t r a c t i v ea d v a n t a g e ss u c h h i 曲s p a c es p e c t m me f f i c i e n c y ， h i g l ir a n g i n gp r e c i s i o n , l o wp r o b a b i l i t yt ob ei n t e r c e p t e d ，a n t i i n t e r f e r e n c et om u l t i p a t h ，l o wp o w e r c o n s o m p t i o n ，l o wh a r d w a r ec o s t s ，a n ds oo n t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sc o m b i n ei r - u w bt e c h n o l o g y a n dw s nn a t u r a l y ，a n d 叫e c tf r e s hb l o o dt ot h er e s e a r c ho f w s n ， t h et h e s i sa d d r e s s e ss i m p l e , p o w e r - s a v i n g , l o wc o s t , a d a p t i v c1 r - u w b b a s e dw s na s b a c k b o n e n cc o n t e n t sc o n s i s ti n ：l o wp o w - c o n s u m i n g 1 0 wc o s tw s np h yd e s i g na n dt h e c o e x i s t e n c eb e t w e e ni r - u w ba n do t h e rs y s t e m s ；r a t e - a d a p t i v em a cp r o t o c o ls u i t a b l ef o ri r - u w b b a s e dw s n ；e n e r g ys e l e c t i o n - b a s e dd i f f u s i o nr o u t i n gp r o t o c o l ；a n dt h er a n g i n gm e t h o do f l r u w ba l o n gw i t ht h ep o s i t i o nt e c h n i q u ei nw s n t h ec o n t r i b u t i o n so f t h o s ef o u ra r e a sl a yo u t a sf o i l o w s ： t h ea u t h o ra n a l y z e sc o n s t r a i n t so ft r a d i o n a lw s np h yo nt h eb a s i so fr e a s e a r c ho ns t a t e - o f - a r ta b o u tw s np h y 勰w e l ia sp r o b l e m st os o l v et h e na ni g - u w bp h ys c h e m em a t c h i n gw s n i sp r o p o s e dt h r o u 曲t h ec o m p a r i s o na m o n gt h r e ed i f f e r e n ti r - u w bp h ys c h e m e s mc o e x i s t e n c e b e t w e e ni r - i ，w ba y s t e ma n di 既8 0 2ll as y s t e mi sa l s os i m u l a t a da n de v a l u a t e as ot h a ts o m e p r o p o s a l st oi m p r o v et h es y s t e m sa n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya r em a d e i nt h ec o n s i d e r a t i o n so ft h eu n i q u ec h a r a e t e r i s t i c so fi g - u w b ，t h ea u t h o rp r o p o s e sa d i s t r i b u t e dr a t ea d a p t i v em a cp r o t o e o li nw s n r a p s m a1 h ep r o t o c 0 1 s p e c i a l i z e df o r l r t - 1 m ，bb a s e dw s n m a k e su s eo ft h ea b i l i t i e so ff u l l d u p l e xa n dp u l s e - s e n s ep r o v i d e db y u w bp h y ，a n dd o e ss o m es u b t l em o d i f i c a t i o no nt h eb a s i so f8 0 21 1d c f ，f o rt h es a k eo fl o w c o m p l e x i t y ，p o w e r - s a v i n g ，a n da d a p t a t i o n t h ea u t h o ra n a l y z c st h en e t w o r kp e r f o r m a n c es u c ha s n o d et r a n s m i s s i o np r o b a b i l i t ya n dp a c k e tc o l l i s i o np r o b a b i l i t , ，w i t ht h ea i do fq u e u et h e o r ya n d m a r k o vc h a i nm o r e o v e r , s i m u l a t i o n so fo u rp r o t o c o li nt h eh i d d e n - n o d et o p o l o g ya n dr a n d o m t o p o l o g yh a v eb e e ni m p l e m e n t e d a n dt h es b m et oo t h e rt r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e dp r o t o c o l ss u c ha s c s m a ，c ab a s e dm a ca n db a s i cr a t e - a d a p t i v ec s m a c ah a s e dm a c ，i u s tf o rc o m p a r i s o n1 1 r e s n i t sp r o v e dt h a tt h er a p s m ap r o t o c o l p e r f o r m sb e t t e ri nt h r o u g h p u ta n da c h i e v e sa n a p p r o p r i a t eb a l a n c ea m o n gp e r f o r m a n c e ，p o w e rc o n s u m p t i o na n dd e s i g nc o m p l e x i t y c o n s i d e r r i n gt h er o u t i n gp r o t o c o l sc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e l a t e di s s u e si nw s n t h ea u t h o rd o e s s o m ec l a s s i f i c a t i o na n dc o n c l u s i o ni nt h es t a t e o b a r la n da l s os o m ea n a l y s i si nt h ed i f f u s i o n r o u t i n gp r o t o c o lo r i g i n a t e df r o ms w a r mi n t e l l i g e n c e i no r d e rt 0c o n q u e rt h e s h o r t c o m i n go f d i r e c t e dd i f f u s i o n ，w h o s eb e h a v i o ro fa l w a y su s i n gl o w e s te n e r g yp a t h sm a yn o tb eo p t i m a lf r o m t h ep o i n to fv i e wo fn e t w o r kl i f e t i m ea n dl o n g - t e r mc o n n e c t i v i t y ，a ni m p r o v e dr o u t i n gs t r a t e g y b a s e do nd i r e c t e dd i f f u s i o ni sp u tf o r w a r d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l te o m p a r a dw i t ht h eo r i g i n a l p r o t o c o ls h o w e st h ei m p r o v e ds t r a t e g yg r e a t l yb a l a n c ee n e r g yd i s s i p a t i o na n dp r o l o n gt h el i f eo f n e t w o r k ， 第m 页共1 2 1 页 中茸科学技术大学博士论文 a b s t r a c t a tl a s t , c o m m e n c i n gf i o mu w br a n g i n g t e c h n i q u e t h ea u t h o re m p h a s i z e si nt h ea r r o r p e r f o r m a n c eo ft e ab a s e dt w o - w a y - r o u n dr a n g i n gm e t h o d ，a n da n a l y z e sc r l bo ft e a e s t i m a t i o n i n t h e m u l t i p a t h c h a n n e l ，o n t h ep r e m i s e o fs i m p l i c i t y o f w s nn o d ed e s i g n s o m e l o w - c o m p l e x 曲t e ae s t i m a t i o nm e t h o d sa r ei n t r e d u c e dt h e n , o l lt h eb a s i so fa c q u i s i t i o no ft h c s e d i s t a n c e sb e t w e e nn o d e s ，ah i e r a r c h i c a ll o c a l i z a t i o nm e t h o d ，b a s e do nr b m d sp o s i t i o nm e t h o di n w s n ，i sp r o p o s e d ，w h i c hc l a s s i f i e sn o d e si n t of r a m e w o r kn o d e sa n dn o r m a ln o d e s ，c e n t r a l i z e da n d d i s t r i b u t e dm e t h o d sa g eu s e dt oc o m p u t et h ef r a m e w o r kn o d e sl u c a t i o na n dt h en o r m a ln o d e s l o c a t i o nr e s p e c t i v e l ys i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h em e t h o dp e r f o r m sw e l li nr e g l l i a r l y - s h a p e da n d p a r t i a li r r e g u l a r l y s h a p e dn e t w o r k s ，c o m p a r e dw i t ht h ee x t a n tm e t h o d s ，t h ep r o p o s e dm e t h o dh a sa f l e x i b l ei m p l e m e n t a t i o nf o rv a r i o u sa p p l i c a t i o n s ，a n dh a sl o w e rc o m p u t i n gc o m p l e x i t yu n d e rt h e s a m el o c a t i o na c c u r a c y i nc o n c l u s i o n ，t h et h e s i se n c i m l e st h et r u n ka b o u ts i m p l e ，l o wc o s ta n dl o wp o w e r - c o n s u m i n g d e s i g no f w s na n dc o n s i d e r sc r o s s q a y e rd e s i g nm e t h o d o l o g y ，a sw e l li nt h ee n d ，t h ea u t h o rm a k e s af a r t h e rd i s c u s s i o na b e u tt h er e s e a r c hg o a l sa n di d e a so f c r o s s 1 a y e rd e s i g ni nw s nt h eh a r v e s to f t h i st h e s i sl a y saf o u n d a t i o nf o rd e e p e re x p l o r a t i o n sa b o u tw s ni ns u c ha s p e c t s ：t h ec r o s s l a y e r m e t h o d so ft h ew h o l ep r o t o c o ll a y e r s ，t h es i m p l i f i c a t i o no fp r o t o c o ld e s i g n ，a n dt h ei n t e g r a t e d s y s t e c u s a n d f r a m e w o r k so f i r - u w b b a s e d w s n 第页头1 2 1 页 中国科学技术大学博士论文插图目录 插图目录 图l - l 无线传感器网络系统结构3 图l 心网络体系结构3 图l 3 各种低功耗无线传输技术传输每b i t 信息所消耗的能量【7 】7 图2 - 1 等间隔高斯二次微分脉冲序列1 5 圈2 - 2i r - u w b 系统发射机基本结构框图2 0 图2 - 3 传统载波系统发射机结构框图2 0 图2 - - 4 相关接收基本构成框图 匿 5 正交正弦相关接收机2 l 图6 非相干接收机基本构成框图2 2 图2 ，7 峰值检波的i r u w b 接收机结构框图，2 2 图2 墙基于i r - u w b 的无线传感器网络节点模型2 3 图二9f c c 的u w b 商用频谱规定2 3 图2 1 0 佩- u w b 物理层仿真模型2 5 圈2 1 1s 0 2 物理层仿真模型2 5 图2 一1 2 在u w b 系统干扰下的i e e e 8 0 2 i i a 系统性能2 7 图2 1 3 在i e e e 8 0 2 ，1 1 a 系统干扰下的i r u w b 系统性能2 8 图厶1 48 阶8 阶切贝雪夫带阻滤波器的幅频相应特性2 9 图2 1 5 增加带阻滤波器后的i r - u w b 系统性能2 9 图2 - 1 6 具有带限频谱的脉冲波形，3 0 图2 - 1 7 具有带跟频谱的脉冲信号频谱3 0 图2 一1 8 脉冲设计方法示意图3 i 图2 一1 9 工作在3 ，l g h z 5 g h z 频段间的脉冲波形及频谱3 2 图2 - 2 0 工作在6 g 也- 1 06 g h z 频段问的脉冲波形及额谱3 2 图2 - 2 i 线性叠加后的脉冲波形及频谱3 2 图3 一l 系统全双工接收结构，4 1 图3 - 2 基于峰值检测的脉冲超宽带非相干脉冲侦听系统框图4 2 图3 3 多信道方式工作4 4 图3 - 4 组合后的帧结构示意图4 6 图3 5r a p s m a 协议流程图4 7 图3 - 6 协议的m a r k o v 分析模型4 9 第页共1 2 1 页 中国科学技术大学博士论文插图目录 图3 7 子信道个数与冲突概率的关系5 2 图3 8 不同节点数下，r a p s m a 与单信道m a c 的冲突概率对比5 2 图3 - 9 仿真所采用的u w b 信道的归一化p d p 5 3 图3 - 1 0 冲突概率的理论曲线和仿真曲线“ 图3 1 l 典型的隐藏节点拓扑结构- 5 4 图3 1 2 隐藏节点拓扑下的吞吐量对比，5 5 图3 1 3r a p s m a 和o a r o b a s e dc s m a c a 的吞吐量比较5 6 圈4 - i 定向扩散的基本操作 5 7 】，6 0 图4 2 改进型定向扩散协议模块6 3 图4 - 3 能量筛选器流程图“ 图4 4 节点能量消耗分布图6 6 图4 5 不同规模下d d 和改进方案的生命周期6 6 图4 - 6 不同源节点数下d d 和改进方案的生命周期6 7 图5 - l 基于a o a 的定位方法7 0 图5 - 2t o a f r w r 原1 1 1 7 9 1 一九 图5 3 平方率检波7 6 图5 - 4 基于能量样本的t o a 估计7 8 图5 5 松弛迭代m d s 示意图 图5 - 6 单点迭代m d s 示意图8 0 图5 - 7 逐层定位示意图3 2 图5 8 均匀网络定位示意图8 5 图5 - 9 均匀网络定位仿真结果嘶 图5 - 1 0 t 型拓扑结构网络定位示意图昭 图5 - i i t 型拓扑结构网络定位仿真结果8 s 圈5 - 1 2 0 型拓扑结构网络定位示意图s 9 图5 - 1 3 0 型拓扑结构网络定位仿真结果8 9 图5 - 1 4c 型拓扑结构网络定位示意图9 0 图5 1 5 c 型拓扑结构网络定位仿真结果9 0 图5 1 6 几种m d s 算法比较z 9 l 第x 页共1 2 1 页 中国科学技术大学博士论文表格目录 表格目录 表1 i 无线传感器阿络的应用前景6 表二ld s c d m a 技术方案要求1 6 袭2 2m b o a 方案技术要求1 7 表2 - 3 三种超宽带无线传输技术的对比1 8 表2 - 4 三种方案设计复杂度对比1 9 表2 5 i e e e8 0 2 ，“a 物理层参数2 4 表3 1m a r k o v 链分析模型中的变量一览4 9 表3 2 平均吞吐量对比5 5 袁4 1 定向扩散协议和改进方案的性能比较6 5 第页共1 2 1 页 中国科学技术大学学位学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有 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。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 咖7 年月乡日 ， 中目科学技术大学博士论文 第1 章绪论 _ - _ | 目e 目e = e ! 目_ _ | 自日e e _ _ e _ _ _ 目- _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - e _ j e e # _ _ = ，_ _ _ _ _ _ _ 目_ - 目j _ j 骨i 第1 章绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是当前国际上备受关注的、由多学 科交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线 网络通信技术、分布式信息处理技术以及微机电技术等，能够通过各类集成化的微型传感 器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行 处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户，从而实现 “无处不在的计算”理念。2 0 0 3 年，美国t 技术评论杂志论述未来新兴十大技术时，无 线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。美国今日防务杂志更认为无线传感器网络 的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预计，无线传 感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大 的推动。 无线传感器网络节点的一个重要特征就是低功耗、低成本和小体积。传统的正弦载波 无线传输技术由于存在中频、射频等电路和一些固有组件的限制难以达到无线传感器网络 的要求。超宽带通信技术是一种非传统的、新颖的无线传输技术，它通常采用极窄脉冲 ( 脉宽在r l s 至p s 量级) 或极宽的频谱( 相对带宽大于2 0 或绝对带宽大于5 0 0 1 v l h z ) 传 送信息。相对于传统的正弦载波通信系统，脉冲超宽带( i r - u w b ) 无线通信系统具有高 传输速率、高空间频谱效率、高测距精度、低截获概率、抗多径干扰、与现有系统频谱共 享、低功耗、低成本、易于全数字化等诸多优点。这些优点使超宽带无线传输技术和无线 传感器网络形成天然的结合。也为无线传感器网络的研究注入了新鲜的血液。基于i r u w b 技术的无线传感器网络研究和开发也得到了越来越多的关注。 1 1 传感器网络概述 传感器是数据采集、信息处理的关键部件，它可以将物理世界中的一个物理量映射到 一个定量的测量值，使人们对物理世界形成量化认识。目前，传感器技术已经广泛应用于 航空、航天、机械、电力、能源、交通，生物、农林、家电等诸多领域。随着徽电子、计 算机和网络技术的发展，传感器技术正向着微型化、智能化、网络化、集成化的方向发 展。只有网络化的智能传感器技术才能适应各种控制系统对自动化水平，复杂性以及环境 适应性越来越高的要求。 传感器网络技术的发展大致经历以下四个阶段： 通常我们将具有简单点到点信号传输功能的传统传感器所组成的测控系统称为第一代 传感器网络。第一代传感器网络通信采用二线制的4 2 0 m a 电流或1 5 v 电压标准，只是 初步实现了信息的单向传递，其缺点是布线复杂抗干扰性差。随着传感器网络的发展。 该技术将渐渐的被淘汰。 第1 页共1 2 l 页 中目科学技术大学博士论文第1 章绪论 第二代传感器网络是由智能传感器和现代控制站组成的测控网络。传感器与现场控制 站间的信号传输方式与第一代传感器网络基本相同，依然采用模拟电流或电压信号实现传 感器的信号传递。现代控制站间的通信是数字化的，串行数据接口标准r s - 2 3 2 、r s - 4 8 5 等 被广泛应用。 通常第三代传感器网络是指基于现场总线的智能传感器网络。现场总线是连接智能化 现场设备和控制室之间的全数字、开放式的双向通信网络。现场总线的不断发展和基于现 场总线通信协议的智能传感器网络的广泛应用，使智能传感器网络的通信技术进入局部测 控网络阶段，且该局部测控网络通过网关和路由器可以实现与因特网相连。 随着微机电技术、低能耗的模拟和数字电路技术，低能耗的模拟和数字电路技术、低 能耗的无线电射频技术和传感技术的发展使得开发小体积、低成本、低功耗的微传感器称 为可能。与传统的大型传感器相比，微传感器节点成本低廉，但覆盖范围小、功能单一、 测量精度不高。因此。在实际的应用中，通常需要成千上万的微传感器协同工作。在这种 需求的驱动下，第四代传感器网络无线传感器网络孕育而生。由于规模较大，无线传 感器网络很难像前三代传感器网络那样，由人工进行精确的布设和管理，而更多的是表现 出一种自主完成任务的智能性，同时其应用领域也发生了较大的变化。 1 2 无线传感器网络的概念、发展和前景 1 2 1无线传感器网络的基本概念 自m a r kw e i s e r 在1 9 9 1 年首次提出普适计算( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 【l 】思想以来， 普适计算作为2 l 世纪的计算模式，日益受到人们的关注和重视。其中无线传感器网络技术 作为普适计算研究中的一个典型的应用，因其在军事侦察、工业生产控制、森林火灾监 控、医疗监护、农业养殖和太空探索等领域的巨大的应用价值得到了各国政府、军方、跨 国公司和科研机构的关注与重视成为当今世界工业界与学术界的研究热点。 无线传感器网络是一种特殊的a d h o e 网络，可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区域) 和一些临时场合( 如发生 自然灾害时，固定通信网络被破坏) 等。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性 强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通，环保等领域，引起了人们广泛关注。 无线传感器网络的典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点抛撤到感兴趣区 域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者。也充当信息 的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关( - - 些文献也称为s i n kn o d e ) 是一个 特殊的节点，可以通过i n t e m e t ，移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可以利用无人 机飞越网络上空，通过网关采集数据。 图1 1 给出了一个典型的无线传感器网络的系统结构，包括分布式传感器节点 ( 群) ，接收发送器( s i n k ) ，互联网( 或卫星等) 和任务管理界面等。其中传感器网 络节点基本组成包括4 个基本单元：传感单元( 由传感器和模数转换功能模块组成) 、处 第2 页共1 2 1 页 中国科学技术大学博士论文 第l 章绪论 理单元( 包括c p u 、存储器和嵌入式操作系统等) 无线通信单元以及电源。另外，可以 选择的其他功能单元有：电源自供电系统以及定位系统等。 圈1 1 无线传感器同络系统结构 闰1 吨网络体系结构 对于无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络。图卜2 给出了一 种无线传感器网络的体系结构，由分层的网络通信协议和传感器网络管理模块组成。分层 的网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。网络管理模块包 括能量管理、拓扑管理、q o s 控制、移动性管理和网络安全等。 1 2 2无线传感器网络的基本特点 目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络，a dh o e 网络等，与这 些网络相比。无线传感器网络具有以下特点。 ( 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。 第3 页共1 2 1 页 中国科学技术大学博士论文 第1 章绪论 ( 2 ) 电源容量有限。同络节点由电池供电，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。从而延长节点的生命周期，使得整个网络更加稳定。如何有效的使用能量是一 个最具挑战的问题，而通信是个最消耗能量的过程。为了减少冗余的通信局部算法有 很大优势，它只通过网络中局部节点的信息交互来达到全局的最优通信。 ( 3 ) 无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心。所有结点地位平等，是一个对 等式网络。结点可以随时加入或离开网络，任何结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 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。传 感节点，无论是动态的或是静止的，由于数量庞大，很难按照预先设计的网络结构分布。 此外，由于环境影响和能量耗尽，节点容易出现故障，这就使得传感网络是动态的。因 此。传感器网络节点需要以自组织的方式工作，能够自己协调彼此的行为无需固定的网 络支持，在任何时候任何地方迅速展开并自动组网来提供监控和目标追踪信息。 ( 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。传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的 容错性和抗毁性。 无线传感器网络因为上述的特点及其与现有网络的区别，导致已有网络中的许多技术 并不能直接应用到无线传感器网络中，无线传感器网络的研究领域存在着许多新的挑战。 1 2 3无线传感器网络的研究进展和应用前景 在军方，国家自然科学基金和一些跨国企业的支持下，美国在9 0 年代初便开展无线传 感器网络领域的研究和开发。其中，具有代表性的项目包括：1 9 9 3 1 9 9 9 年问由美国国防高 第4 页共1 2 1 页 中国科学技术大学博士论文 第1 章绪论 级研究计划署( d a r p a ) 资助，加州大学洛杉矶分校( u c l a ) 承担的w i n s 项目：1 9 9 9 2 0 0 1 年问由d a p r a 资助，u cb e r k e l e y 承担的s m a r td u s t 项目；1 9 9 8 - - 2 0 0 2 年d a r p a 资助，加州大学伯克利分校等2 5 个机构联合承担的s e n s i t 计划；1 9 9 9 - - 2 0 0 4 年问海军研 究办公室的s e a w e b 计划等目前为止，已开发的无线传感器网络节点有：b e r k e l e y m o t e s ，s e m o f i aw i n s ，b e r k e l e yp i c o n o d e s ，m i tu a m p s - s m a r tm e s hd u s tm o t e , i n 钯l i z v l o t e 以及i n t e lx s c a l en o d e s 等。不同的节点设计针对不同的应用场合，硬件大小、功耗、 设计代价也不尽相同，但大部分的节点都支持t i n y o $ 操作系统。日本、德国、英国、意 大利等科技发达国家也对无线传感嚣网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究 工作。近年来，在国家自然科学基金、8 6 3 计划等基金的