（计算机应用技术专业论文）传感器网络中定向扩散技术的研究.pdf

辽宁科技大学硕士论文 摘要 摘要 无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。它由部署在监测区域内 的大量廉价微型的传感器节点组成，是通过无线通信方式形成的多跳啻组织网络 系统。无线传感器网络的随机布设、自组织等特点，使它在国家安全、国民经济 等方面都拥有广泛的应用前景。 无线传感器网络中节点的布置规模大、能量受限以及拓扑结构动态变化，这 些特点使得传统无线网络的路由协议不再适用于它，因此针对无线传感器网络的 特点设计合适的路由协议非常必要。本文着眼于无线传感器网络中的路由技术， 将其中的定向扩散技术作为主要的研究内容进行研究。主要工作包括以下两个方 面：一方面分析和理解定向扩散技术的整个过程，具体包括分析兴趣传播、梯度 建立、数据传播、路径加强等基本过程，然后通过仿真实现定向扩散；另方瑟， 针对定向扩散技术的不足提出改进方案。首先通过理论证明获知适当地限制参与 转发数据的邻居节点的数目有利于节省节点平均耗能，然后依据此结论在定向扩 散的基础上提出改进方案。通过控制探测数据的扩散范围限制参与转发的邻居节 点的数量，使定向扩散协议在能量消耗方藤有所改善。最后将节点的剩余能量以 及第一个失效节点的发生时间作为性能参数，通过仿真模拟器n s 2 实现定向扩散 同改进方案在多种情况下的性能比较。仿真结果表明改进方案节省了网络能量， 延长了节点的工作寿命。 关键字：无线传惑器网络，路由协议，定向扩散，探浏数据 辽宁科技大学硕士论文 a b s h 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 ki san o v e lt e c h n o l o g ya b o u ta c q u i r i n ga n d p r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n i ti sc o n s t r u c t e db yl a r g en u m b e r so fs m a l l a n d c h e a ps e n s o rn o d e sd e p l o y e di no b s e r v a t i o n a le n v i r o n m e n t ，a n di ti sak i n d o fm u l t i h o ps e l f o r g a n i z e dn e t w o r ki nw i r e l e s sm u l t i h o pm o d e t h e c h a r a c t e r ss u c ha ss t o c h a s t i cd i s p o s a la n ds e l f o r g a n i z a t i o nm a k ei tb e u s e di nm a n yf i e l d st h a ti n c l u d es e c u r i t ya n de c o n o m y w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sl a r g ei ns c o p e ，a n di t i so fl i m i t e d r e s o u r c e sa n dd y n a m i ct o p o l o g y t h ec h a r a c t e r so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k m a k ei ti m p o s s i b l et oa d o p tr o u t i n g p r o t o c o l si nc o n v e n t i o n a lw i r e l e s s n e t w o r k ，s oi ti 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 s t h ep a p e rf o c u s e s o nr o u t i n gp r o t o c o l si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n dd i r e c t e dd i f f u s i o ni s t h ep r i m a r yr e s e a r c hp o i n t t h e r ea r et w op a r t so fw o r k si nr e s e a r c h ：o n o n eh a n d ，i t a n a l y s e st h ep r o c e s so fd i r e c t e dd i f f u s i o nw h i c hi n c l u d e s d i f f u s i o no fi n t e r e s t ，e s t a b l i s h m e n to fg r a d i e n t ，d a t at r a n s m i s s i o n ，a n d r e i n f o r c i n gp a t ha n ds oo n a n dt h ea l g o r i t h mi si m p l e m e n t e di nn e t w o r k s i m u l a t o r o nt h eo t h e rh a n d ，t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o wt h a ti t i su s e f u l f o rs a v i n ga v e r a g ee n e r g yo fn o d e st op r o p e r l yc o n t r o lt h en u m b e ro fn o d e s t r a n s m i t t i n gd a t a a c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o n ，t h ep a p e rp r e s e n t sa n i m p r o v e dr o u t i n gp r o t o c 0 1 t h ei m p r o v e d p r o t o c o lr e d u c e st h en u m b e ro f n o d e st r a n s m i t t i n gd a t at os a v em o r ee n e r g yb yc o n t r o l l i n gt h ed i f f u s i o n s c o p eo fe x p l o r a t o r ym e s s a g e b yn e t w o r ks i m u l a t o r ( n s 2 ) ，t h ei m p r o v e dw a y c o m p a r e sw i t h d i r e c t e d d i f f u s i o ni n m a n yk i n d so fs i t u a t i o n ，r e s i d u a l e n e r g yo fn o d e sa n dt i m ea tw h i c ht h ef i r s td i s a b l e dn o d eh a p p e n sa r ea s t h ep a r a m e t e r so fp e r f o r m a n c e t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti m p r o v e dp r o t o c o l a c h i e v e sa v e r a g ee n e r g ys a v i n ga n dp r o l o n g st h e1 i f e t i m eo fn o d e s k e y w o r d s ：w ir e i 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 i ，d ir e c t e d d i f l u s i o n ，e x p i o r em e s s a g e i i 独创性声明 本人声明所呈交的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 获得辽宁科技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。 签名：蒸蛰宴日期：鳓童 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：基因皇 导师签名： ! 霞兰! 巨 日期：之竺2 至 辽宁科技大学硕士论文第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着信息技术应用领域的不断扩大，传统的单一传感器已经无法满足人们对 信息获取的要求。人们希望通过对监测区域内的各种环境变量以及被监测对象详 尽信息的综合处理和传输使用户最终获取所需要的信息。于是传感器网络的概念 被提出。 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 ) 最早来源于军事领域。1 9 7 8 年卡 内基一梅隆大学在美国国防高级研究项目署( d a r p a ) 的资助下成立了分布式传感器 网络工作组，专门研究以无线传感器网络为基础的军事监视系统。当时的无线传感 器网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，是通过无线通信方 式形成的多跳自组织网络系统。但是由于技术条件的限制，当时的研究以及应用 的范围都十分有限。近年来，随着微电子、计算机和网络技术的发展，传感器技 术正向微型化、智能化、网络化、集成化的方向发展。1 。强大的数据获取能力令无 线传感器网络的应用已由军事领域扩展到许多其他领域，例如工业、商业、医疗、 家庭、办公环境等。它通过临时组网的方式可以在恶劣的环境中支持移动节点之 间数据的无线传输，使人们在任何时间、地点和任何环境下都能获取大量详实、 可靠的信息。可以预见，随着无线传感设备性价比的提高以及相关研究的不断深 入，无线传感器网络将给人们的工作和生活带来更多的方便。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪9 0 年代末在美国发展了现代意义的无线传感器网络技术。随后，在美 国的移动计算和网络国际会议上，提出无线传感器网络足下一个世纪的发展机遇。“ 。1 9 9 9 年，美国商业周刊又将无线传感器网络列为2 1 世纪最具影响的2 1 项技术 之一：2 0 0 3 年，美国麻省理工学院学刊 在预测未来技术发展的 报告中将无线传感器网络技术列为改变世界的十大新技术之一。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。 辽宁科技大学硕士论文 第1 章绪论 进入到2 l 世纪，无线传感器网络的研究和开发已成为信息领域的研究热点之 一，相关的研究工作在越来越多的研究机构和公司中开展起来。国# k f b 多大学和组 织都在对无线传感器网络进行积极探索，并且取得了一定的研究成果。例如，美 国加州大学伯克利分校研制了一个包括超过8 0 0 个小型传感器节点的测试床。其 中的传感器节点可以感知光线的强度、温度、电池能量和信号强度，并能将上述 信息及时地反映在屏幕上。此外，他们还专门为无线传感器网络开发了一种嵌入 式实时操作系统t i n y o s ，它是基于部件的事件驱动的操作系统，能满足无线传 感器网络平台的各种资源约束，较好地完成传感器数据采集、处理和通信组网、 数据传输等任务。除此之外，国际上的一些大型研究项目还包括：麻省理工大学的 l a m p s 项目；哈佛大学研究传感器网络通讯的理论基础等。一些信息产业的跨国公 司，如：英特尔公司、微软公司等，也丌始了无线传感器方面的研究。同美国、 德国、英国等发达国家一样，我国也对无线传感器网络表现出极大的兴趣，并且 非常重视无线传感器网络的发展。例如，“传感器网络系统的基础软件及数据管理 关键技术的研究”就已经被列为国家自然科学基金委员会信息科学部与微软亚洲 研究院正式签署的第二期联合资助项目之一；国家“十五”科技攻关项目也把传 感器网络列为重大研究项目；2 0 0 5 年，国家发展和改革委员会授予电子科技大学、 九州电器集团等研究机构进行下一代互联网应用示范项目的研究，同时部署了无 线传感器网络相关的课题；2 0 0 6 年2 月发布的国家中长期科学和技术发展规划 纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中在突出位置再次体现了国家对传感器网络的密切关注。 同时国内的一些科研单位和大学，如清华大学、中国科学院沈阳自动化所、哈尔 滨工业大学、国防科技大学、浙江大学等也都丌始了对传感器网络的跟踪研究并 且取得了一些成果。例如，2 0 0 4 年中国科学技术大学的马祖长和孙怡宁就提出了 一种新的节点定位算法。该算法对每跳节点的计算不仅有利于解决节点的故障问 题，而且提高了节点的探测性能。总体来讲，国内关于传感器网络的研究目前还 处于b l j 冈l j 起步的阶段，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究， 对国防及国家的经济发展将有重大的战略意义。 1 3 课题的研究意义 无线传感器网络具有广泛的应用前景，但是它的研究还很一i 成熟。能量消耗、 处理能力和存储能量等方面的限制决定了传统的路由协议无法适用于无线传感器 网络。开发专用的通信协议和路由算法已经成为无线传感器网络研究领域内的热 点之一。从1 9 9 9 年起，针对无线传感器网络节点能量受限、网络拓扑结构动态变 辽宁科技大学硕士论文 第1 章绪论 化等特点，国外科研人员已经设计了多种面向无线传感器网络的路由协议。其中， 最具有代表性的是2 0 0 0 年美国u c l a 大学的e s t r i n 等人提出的定向扩散“” ( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 路由策略。该策略的提出为以数据为中心的传感器网络 路由设计指出了发展的主流方向，奠定了传感器网络路由设计的重要基础，成为 以数据为中心的网络路由设计的一个重要的里程碑。其后针对无线传感器网络路 由协议的设计都或多或少受到这种思想的影响”3 。因此要着手传感器网络路由设计 的研究，就应当深刻地了解定向扩散法，掌握定向扩散法的设计思想。只有这样 才能更好地把握住无线传感器网络路由设计的要点和特殊性。 由于无线传感器网络中的节点依靠电池提供有限的能量，因此如何节省节点 的耗能成为了设计无线传感器网络路由协议时首先要考虑的问题。定向扩散策略 周期性进行兴趣扩散、数据传播和路径加强三个阶段的操作，导致了能量开销比 较大。所以，在课题的研究过程中，最关注的是定向扩散在能量消耗方面的情况。 工作的主要目的就是在理解并实现定向扩散的基础上提出的改进方案，改善定向 扩散在能耗方面的不足，延长网络的工作时间。 1 4 论文的组织 本文共分为六章： 第一章介绍课题的研究背景以及国内外的研究现状，阐述课题的研究意义。 第二章对无线传感器网络进行概述。其中，包括介绍无线传感器网络的体系 结构、特征、应用领域以及面临的问题和挑战，并且对无线传感器网络中的主要 路由协议进行分类介绍和比较。 第三章详尽分析了定向扩散协议的整个过程，介绍定向扩散中采用的数据命 名和数据融合两种机制。其中，分析的过程包括兴趣的广播、梯度的建立、数据 传播、路径加强等几个方面。 第四章针对定向扩散在能源利用方面的不足提出的改进方案，并且提供理论 证明。 第五章介绍仿真工具n s 2 生成仿真对象、场景以及处理和分析仿真结果的方 法，并且利用n s 2 实现定向扩散协议以及改进方案。通过对仿真结果的分析，证 明改进方案有利于节省网络能量，延长节点的工作寿命。 第六章对整个研究工作进行总结，阐述下一步的研究工作。 3 辽宁科技大学硕士沦文第2 章无线传感器网络概述 第2 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 传感器节点结构 无线传感器网络中节点的构成和具体的应用要求密切相关。针对不同的实际 应用，节点的设计各不相同。但基本上都是由传感器模块、处理器模块、无线通 信模块和能量供应模块四部分组成。如图2 - 1 所示，其中，传感器模块负责监测 区域内信息的采集和转换，当传感器收集到环境的参数，便经过模拟数字转换器 ( a c d c ) 将模拟信号转成数字信号提供给处理器进行处理；处理器模块负责控制 整个传感器节点的操作、存储、处理采集的数据以及其他节点转发的数据；无线 通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据； 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。此外，对 于不同的应用，传感器节点还可能包括定位模块，能源补给模块或者移动模块。 传感器模块处理器模块无线通信模块 虱丽睢雠 一一5 1 一下一一一 能辅供应楼块 2 1 2 无线传感器网络结构 图2 - 1 传感器节点结构 如图22 所示，无线传感器网络结构通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、 汇聚节点( s n kn o d e ) 和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或者 附近，采用自组织方式构成网络。通过监测获得的数掘首先沿着其他传感器节点 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络概进 经过多跳路由到汇聚节点，然后再通过互联网或卫星到达管理节点。在这个过程 中，传感器节点负责在监测区域内对监测对象进行探测并采集相关数据；汇聚节 点负责连接传感器网络与i n t e r n e t 等外部网络，实现两种协议栈之闻通信协议的 转换；同时它还负责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；用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监 测数据。 图2 - 2 传感器网络结构 2 1 3 无线传感器网络协议栈 图2 3 所示的是早期提出的一个无线传感器网络协议栈。这个协议栈除了包 括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，还包括能量管理平台、移动 管理平台以及任务管理平台。其中，能量管理平台负责管理节点如何使用能量。 例如，调节节点的发送功率，控制开机和关机，决定是否转发数据和参与路由计 算等；移动管理平台负责跟踪节点的移动，并且通过邻居节点的协调来平衡节点 之间的功率和任务：任务管理平台负责为一个给定区域内的所有传感器节点合理 地分配任务。任务的划分基于节点的能力和位置，从而使节点能够以能量高效的 方式协调工作。 以下是协议栈中各层协议的具体介绍： ( 1 ) 物理层：物理层负责数据的调制、发送与接收，为无线传感器网络提供 简单且健壮的信号调制和无线收发技术。它是决定无线传感器网络的节点体积、 成本以及能耗的关键环节，是无线传感器网络的研究重点之一。在实际的应用中， 无线传感器网络物理层的设计根据实际需要两定。 ( 2 ) 数据链路层：数据链路层负责数据成帧、帧监测、介质访问和差错控制。 5 辽宁科技太学硕士论文第2 章无线传感器网络概述 它的研究重点是介质访问控制( m e d i u ma c c o s sc o n t r o l ，m a c ) ，它的主要功能是 在相互竞争的用户之问分配信道资源。传统m a c 协议的主要目标是在用户公平使 用信道资源的前提下，提高吞吐量和带宽利用率。而无线传感器阋络系统的特点 给m a c 协议提出了一些耨要求，包括低能耗、低通信延迟和动态可扩展等。 ( 3 ) 网络层：网络层路由协议的功能是在网络中任意需要通信的两点间建立 并维护数据传输路径。传统无线网络的路由协议设计以避免网络拥寨、保持网络 的连通性和提供高质量网络服务为主要目标。而无线传感器网络由于资源受限因 诧要求路赢协议的设计尽量简单并且在网络整体上能够节能，达到延长网络生存 时间的目的。同时，网络中存在大量的冗余信息又要求中间节点在转发信息时能 够剔除冗余，降低网络负载。 ( 4 ) 传输层：传输层的主要功能是负责数据流的传输控制，在网络层的纂础 上为应用层提供一个可靠、高质量的数据传输服务，它是保证通信服务质量的重 要部分。与传统网络相比，无线传感器网络长期在未知环境中工作，以数据为中 心的工作模式等特点都会影响到传输层协议的设计。 ( 5 ) 应用层：应用层包括一系列基于监测任务的应用软件。 图2 - 3 无线传感器丽络协议棱 2 2 无线传感器网络的特征 霹前常见的无线网络包括移动通信网、蓝牙网络、无线自组网等”。其中，无 线传感器网络与无线是组网最为相似。但二者仍存在若一些本质的区别。首先， 他们的应用目标不同。无线自组网在不依赖于任何基础设施的前提下，以向用户 提供高质量的数据传输服务为主要目标。而无线传感器网络则以监控物理世界为 辽宁科技大学硕士论文第2 章无线传感器网络概述 主要目标。其次，与无线自组网相比，无线传感器网络还具有以下独有的特点”1 ： ( 1 )节点数量大，分布更为密集 由于无线传感器网络节点的微型化以及通信和传感半径有限，所以它具有的 节点数量和密度都要比一般的无线自组网络高几个数量级，可达到每平方米上百 个节点的密度。 ( 2 )节点能力有限 传感器节点体积微小，携带的电池能量十分有限“。在环境复杂甚至人员不 能到达的区域，不可能通过更换电池来补充能源。因此，高效利用能量是无线传 感器网络设计过程中面临的首要挑战，有时甚至可以牺牲其他网络性能( 时延和 带宽) 来延长网络寿命。同时，因为传感器节点有限的计算、通信、存储能力， 所以无线传感器网络设计时还要考虑如何利用有限的资源完成诸多的协同任务。 ( 3 )以数据为中心的网络 与以地址为中心的传统通信方式不同，由于网内节点数量大以及布设随机等 特点，无线传感器网络中的传感器节点不需要使用全局唯一的标识或地址“”。例 如，在某个与温度相关的无线传感器网络应用中，用户并不关心第2 7 号传感器的 温度，而是关心诸如“当前温度超过3 0 度的区域位置”内多个传感器采集的综合 数据信息。 ( 4 )易受物理环境影响 无线传感器网络与所在的物理环境密切相关，它会随着环境的变化而不断地 变化。例如，环境条件变化可能造成无线通信链路带宽的变化；外界过激变化会 导致网络负载和运行规模的变化；环境因素还可能造成传感器节点出现故障或失 效。这些变化要求无线传感器网络具有对动态环境变化的适应性以及可重构性。 ( 5 )应用相关的网络 传感器网络的应用环境千差万别，不同的应用背景对传感器网络的要求不同， 硬件平台、软件系统和网络协议也会有很大差别。因此，需要针对每一个具体应 用来研究传感器网络技术。这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。 2 3 无线传感器网络的应用 无线传感器网络随机布设、自组织等特点使其在军事、环境、医疗、家庭、 空间探索以及其他的商用领域有广阔的应用前景和很高的应用价值“2 1 ”1 。 ( 1 ) 军事应用 无线传感器网络由密集型、低成本、随机分布的节点组成。自组织性和容错 7 辽宁科技大学硕士论文第2 章无线传感器网络概述 能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃。正是这 一点，使无线传感器网络非常适合应用于恶劣的战争环境中。军方可以通过飞机 空投等方式向预定区域内散布大量微型廉价的传感器节点，通过传感器节点实时 监测周围环境的变化，方便地监控布防的阵地是否有敌军入侵；也可以将网络布 真在敌方阵地上，以隐密的方式监控敌方阵地和敌军活动情况；它还可以完成定 位攻击目标，评估损失，侦察和探测核生物和化学攻击等工作。传感器网络已经 成为军事c 4 i s r t 系统必不可少的一部分，受到军事发达国家的普遍重视。 ( 2 ) 环境观测 随着人们对环境的日益关注，无线传感器网络的应用已由军事领域扩展到环 境监测领域。通过跟踪候乌和昆虫的迁移，实现了对动物栖息地的生态监控；通 过监测大气成分变化，实现了对空气污染的实时监控；通过监测土壤成分的变化， 为农作物培育提供了依据；基于传感器网络的a l e r t 系统利用数种传感器监测降 雨量、河水水位和土壤水分，并依此实现了爆发山洪可能性的预测“。类似地， 传感器网络还可实现对森林环境监测和火灾的报告。 ( 3 ) 医疗护理 无线传感器网络可以为未来的远程医疗提供更加方便、快捷的技术实现手段。 例如，在医疗系统和健康护理方面，可以在住院病人身上安装用于实时监测患者 心律、血压等生命指标的传感器，这样就方便医生随时了解被监护病人的病情， 能够及时进行处理“”；无线传感器网络还可以长期地收集人体的生理数据，这些 数据对了解人体活动和研制新药品非常有用。 ( 4 ) 家庭应用 无线传感器网络在家庭应用中也发挥着很大的作用。嵌入家用电器中的传感 器节点可以彼此交互或通过i n t e r n e t 与外部网络交互，使用户能够方便地对家电 进行远程监控。同时传感器网络也为人们提供了方便的智能家居环境。例如，通 过嵌入到空调中的传感器，可以将屋内温度、湿度信息通知给中央服务器，服务 器收到信息后反馈相应的指令自动调节空调。 ( 5 ) 空间探索 借助于航天器在外星体上散播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长 时间的监测。美国国家航空航天局的j pl ，( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 实验室 研制的s e n s o rw e b s 就是为将来的火星探测进行技术准备。该系统已在佛罗里达 宇航中心周围的环境监测项目中心实施测试和完善。 ( 6 ) 商务应用 无线传感器网络的一些商务应用包括：工，1 的过程控制与自动化、智能楼宇、 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络概述 设备诊断、车辆防盗系统、车辆的追踪与监控等。文献 1 6 中描述的城市车辆监 测和跟踪系统就是无线传感器网络商务应用的成功案例。通过将传感器安装到货 物上，货主与货运公司可以随时了解货物的当前位嚣，甚至物品在运送过程中的 状态。除此之外，在仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具等众多领域，无线传 感器网络也将孕育出全新的设计和应用模式。 2 4 无线传感器网络需要解决的主要问题 近年来无线传感器网络的研究已经取得了一些进展，例如英特尔与加利福尼 亚州大学伯克利分校成功创建的全功能传感器，虽然只有瓶盖大小，但却可以执 行计算、检测与通信等功能；加州大学洛杉矶分校、佛罗里达大学、犹他大学和 海军研究实验室用微机电系统技术开发出三维形状的微型电池，不仅突破了传统 锂薄膜电池不能提供大容量的限制，而且缩小了电池的体积，大大延长了传感器 节点的寿命。但是，无线传感器网络仍存在以下几方面的问题需要解决： ( 1 ) 硬件的设计和制造 无线传感器网络由成千上万个节点构成，单个节点的价格将极大地影响系统 的成本。因此为了降低成本，需要尽可能地降低单个节点的成本。克尔斯博科技 ( 北京) 有限公司的首席执行官m i k eh o r t o n 曾表示，在2 0 0 3 至2 0 0 4 年这一时 期，无线传感器网络处于试用阶段，每个传感器节点的成本为1 0 0 至3 0 0 美元： 随着无线传感器网络的使用量持续的增长，2 0 0 5 至2 0 0 6 年每个节点的成本为1 0 到1 0 0 美元；他预计2 0 0 7 至2 0 1 0 年为无线传感器网络的起飞期，出货量将会高 速增长，每个节点的成本应该降至l 到1 0 美元甚至到1 美元以下。所以，目前对 传感器节点的期望目标为：体积尺寸小于1c n 3 ，重量小于l o o g ，功耗小于5 0 0 “w ， 而成本低于1 美元“”。 ( 2 ) 数据管理 从用户的角度，整个无线传感器网络看起来更像是一种数据库，可以从里面查 询需要的信息。以数据库的方法在传感器网络中进行数据管理，虽然在一定程度 上会影响网络的执行效率，但可以显著增强无线传感器网络的易用性。因此，面 对无线传感器网络巨大的数据量，研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析 和挖掘法成为了一个研究热点“。 ( 3 ) 定位问题 无线传感器网络的节点定位可以表述为依靠有限的位置即已知节点，确定布 设区中其他节点的位置，在传感器节点间建立起一定的空间关系。大多数情况下， 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络概述 只有结合了位嚣信息传感器获取的数据才有实际意义。许多对目标定位与跟踪应 用的研究更是将节点位置已知作为一个前提条件。目前，根据定位过程中是否实 际测量节点间的距离和角度，把无线传感器中的定位分类为基于距离的定位和距 离无关的定位“。其中重点关注的是距离无关的定位机制。研究的难点问题是如 何充分利用节点提供的冗余信息，在满足定位精度的前提下，设计低开销、低成 本的分布式定位算法。 ( 4 ) 时间同步 时间同步是无线传感器网络系统最重要的基础服务之一，是节点协同工作的 基础。无线传感器网络系统的通信带宽较低，大部分节点长期休眠，网络结构动 态变化，这些特点使传统的时间同步机制难以适用。当前研究的难点问题是需要 设计具有一定同步精度的低通信开销、动态可扩展的时间同步机制。 ( 5 ) 路由协议 由于传感器节点能量有限、网络中存在大量的冗余信息，因此传统网络的路 由协议已经不适应于无线传感器网络，需要通过设计新的路由协议来减少网络中 的计算量和通讯量，均衡节点间的能量消耗，延长网络的工作时问。如何实现简 单高效的路由机制成为了无线传感器网络的研究重点。 ( 6 ) 网络安全 无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，但 同时也会带来严重的安全问题。无线传感器网络资源的严格受限以及节点问自组 织协调工作的特点使其难以实现严密的安全防护。如何利用较少的能量和较小的 计算量完成数据加密、身份认证，保证数据传输的可靠性以及安全性，成为无线传 感器网络安全问题需要全面考虑的内容“。 5 无线传感器网络的路由协议 2 5 1 无线传感器网络路由协议需要解决的问题 在无线传感器网络中，由于网络内节点资源有限，数据包的传送需要采用多跳 通信的方式到达目的端。因此，路由协议成为网络层设计的一个主要任务。“。与 传统网络相比，无线传感器网络的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；频繁变化的网络拓扑结构；网络中存在 大量冗余信息。因为传统网络路由协议设计的首要目标是提供高质量的服务以及 1 0 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络概述 高效利用网络带宽，其次才考虑能量的节约，所以传统路由协议不适合在无线传 感器网络环境中运行，需要提出新的适合无线传感器网络的路由协议。新的路由 协议必须以节约能源为首要目标。同时，采用折中机制使用户在延长网络存活时 间和提高网络吞吐量、降低通信延迟之间做出选择。以下是设计无线传感器网络 路由协议时的具体要求。“： ( 1 ) 能量高效：传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的信息传输路 径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。 ( 2 ) 可扩展性：在无线传感器网络中，监测区域范围或节点密度不同，会 造成网络规模大小的不同；节点失败、新节点加入以及节点移动等，会使得网络 拓扑结构动态发生变化。这些情况的出现要求无线传感器网络中的路由机制具有 可扩展性，能够适应网络结构的动态变化。 ( 3 )鲁棒性：无线传感器网络具有不可靠的特性。例如，能量耗尽或者硬 件故障都有可能造成传感器节点失效；周围物理环境的变化也有可能影响无线链 路的通信质量。在这神情况下，要求无线传感器网络的路由机制具有一定的容错 能力，保证数据的可靠传输。 如何提供有效的节能策略是无线传感器网络路由协议需要解决的首要问题， 可扩展性和鲁棒性则是路由协议应满足的基本要求。在解决了主要问题和满足基 本要求的基础上，能够很好地利用节点的位置信息，提供安全性和q o s 支持的路 由协议将有良好的发展前景。 2 5 2 无线传感器网络路由协议的分类 针对无线传感器网络节点能量受限、拓扑结构动态变化等特点，从1 9 9 9 年开 始，国外科研人员已经设计了多种面向无线传感器网络的路由协议。3 。如图2 - 4 所示，根据网络的拓扑结构，可以将现有的无线传感器网络的路由协议分为两类 。：平面式路由协议和层次式路由协议。 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络概述 图2 4 无线传感器网络的路由协议 2 5 2 1 平面式路由协议 在平面式路由协议中，所有节点具有相同的地位和功能，通过局部操作和反 馈信息生成路由。它的优点是网络中没有特殊的节点，结构简单、鲁棒性较好， 路由算法易于实现。缺点是缺乏对通信资源的优化管理，对网络动态变化的反应 速度较慢，并且维护动态变化的路由需要大量的控制信息。 典型的平面式路由协议有：f l o o d i n g 、g o s s i p i n g “、s p i n ( s e n s o rp r o t o c o l f o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) ”。“，d d ( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 8 1 “r u m o r r o u t i n g 。”等。下面简单地介绍几种路由方案： ( 1 ) 洪泛法( f l o o d i n g ) 是一种最简单的平面路由算法。它不要求维护网络 的拓扑结构以及相关的路由计算，仅要求节点将接收到信息以广播的形式转发给 其他的邻居节点。洪泛方法的缺点是存在信息内爆问题，即出现一个节点可能得 到一个数据的多个副本的现象，如图2 5 所示；还可能出现部分重叠现象，即当处 于同一监测环境的两个相邻同类传感器节点同时对一个事件做出反应，且二者采 集的数据性质相同，数值相近，则这两个节点的邻居节点就将收到双份数据副本； 洪泛广播的另一个缺点就是不考虑节点能量的可用状况，盲目使用资源。 辽宁科技大学硕士论文第2 章无线传感器网络概述 图2 - 5f l o o d i n g 的信息爆炸问题 ( 2 ) 为了克服f l o o d i n g 的缺陷，s h e d e t n i e m i 等人提出了闲聊法 ( g o s s i p i n g ) 。根据闲聊法的思想，传感器节点不再采用广播形式转发信息，而 是随机选取一个相邻节点转发接收到的数据副本。虽然闲聊法避免了消息的“内 爆”现象，但是有可能增加端到端的传输延时。 ( 3 ) s p i n 是一组基于协商并且具有能量自适应功能的信息传播协议。其目标 是通过节点阃的协商制度和资源自适应机制，解决f l o o d i n g 算法中的“内爆”和 “重叠”问题。s p i n 的协商过程采用三次握手方式。首先，数据源节点向相邻节 点广播包含数据描述机制的a d v 信息；然后，需要该数据信息的邻居节点向数据 源发送r e q 请求信息；最后，数据源节点根据收到的r e q 信息，有选择地将数据 信息发送给相应的邻居节点。收到数据后，该邻居节点又可以作为信息源将数据 传播到网络中的其他节点。 s p i n 协议组中包含了多种不同防议： s p i n p p 协议采用点到点的通信模式，并假定两节点间的通信不受其他节点的 干扰，分组不会丢失，功率没有任何限制。要发送数据的节点首先通过a d v 向它 的相邻节点广播消息，在感兴趣的节点通过r e q 发送请求后，准备发送数据的节 点向请求者发送数据。接收到数据的节点再向它的相邻节点继续广播a d v 消息， 如此重复，使所有节点都有机会接收到任何数据。 s p i n e c 协议在s p i n p p 的基础上考虑了节点的功耗，只有能够j i m 矛i j 完成所有 任务并且能量不低于设定阂值的节点才可以参与数据交换。 s p i n b c 协议设计广播信道，使所有在有效半径内的节点同时完成数据交换。 为了防止产生重复的r e q 要求，节点在听到a d v 信息以后，设计一个随机定时器 来控制r e q 请求的发送，若有其他节点听到该请求，则主动放弃请求权利。 s p i n r l 协议是对s p i n b c 的完善，主要考虑如何恢复无线链路引入的数据包 差错与丢失，汜录a d v 信息的相关状态。如果在预定时间间隔内接收不到请求数 据，则发送重传请求，并且重传请求的次数有一定限制。 辽宁科技大学硕士论文第2 章无线传感器网络概述 s p i n 的缺点是该机制不能保证数据的可靠传递。如果对数据感兴趣的节点远 离源节点或者在源节点和目的节点间的节点对数据不感兴趣，那么数据就不可能 被传递到目的地。 ( 4 ) d i r e c t e dd i f f u s i o n 即定向扩散法，它是以数据为中心路由协议的一个 重要里程碑。以数据为中心的路由协议主要是将来自于不同数据源节点的数据聚 合起来，通过减少数据冗余，缩减数据传递的大小和次数，达到节省网络能量， 延长网络生命周期的目的。该协议是本文讨论的重点，以后的章节将详细论述。 ( 5 ) 基于定向扩散协议，b o u l i s 等人提出了谣传路由( r u m o rr o u t i n g ) 。它 的基本思想是：事件区域中的传感器节点产生代理消息，代理消息沿随机路径向 外扩散传播，同时汇聚节点发送的查询消息也沿随机路径在网络中传播。当代理 消息和查询消息的传输路径交叉在一起时，就形成一条汇聚节点到事件区域的完 整路径。该路由机制克服了定向扩散在建立转发路径时使用洪泛广播带来的能量 开销过大问题，适用于数据传输量较小的传感器网络。 2 ，5 2 2 层次式路由协议 在层次式路由协议中，网络节点按照不同的分簇算法分成相应的簇，每个簇 由一个簇首和多个簇成员组成，多个簇首形成高一级的网络。在高一级网络中又 可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。其中，簇首节点不仅负责所 在簇内的信息收集和融合处理，还负责簇间的数据转发。为了防止簇首节点过快 地耗尽能量，分簇算法应尽可能将簇首角色均等地分配到所有节点中，并且分簇 算法需要的开销较少。层次式路由协议具有很多优点。例如，簇首节点担负数据 融合的任务，减少了数据通信量；路由信息分层传播，降低了全局广播的次数； 不需要维护复杂的路由信息，具有较好的可扩展性。缺点是簇首节点的可靠性和 稳定性对网络性能影响较大，可能会成为网络的瓶颈节点。 典型的层次式路由协议有：l e a c h ( 1 0 we n e r g ya d a p t i r ec l u s t e r i n g h i e r a r c h y ) 。”1 、t e e n ”、g a f ( g e o g r a p h i c a la d a p t i v ef i d e l i t y ) 洲等。 ( 1 ) l e a c h 是c h a n d r a k a s a n 等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应分层 路由协议”。它的基本思想是：通过循环的方式随机选择簇首节点，将整个网络 的能量负载平均分配到每个传感器节点，达到降低网络能源消耗，提高网络整体 生存时间的目的。l e a c t l 算法能够保证各节点等概率地担任簇首，使网络中的节点 相对均衡地消耗能量。但是，由于该协议假定在最初的簇首选择中所有的节点都 携带相同的能源，并且每个成为簇首的节点都消耗大致相同的能量。因此该协议 1 4 主王宁科技太学硕士论文 第2 章无线传感器网络概述 不适合节点能量不均衡的网络。 ( 2 ) t e e n 协议与l e a c h 算法相似，只是在数据发送方面作了修改。t e e n 使 用自定义的硬阈值和软阈值( 硬闽值是被监测数据不能逾越的阈值，软阈值则规 定被监测数据的变动范围) ，决定当前收集的信息是否需要发送。采用这种方法可 以对一些突发事件和热点地区进行监视，不仅具有实时性而且减小了网络内信息 包的数量。t e e n 协议的主要缺点是不适合应用在需要周期性采集数据的应用系统 中，这是因为如果网络中的节点没有接收到相关闽值，那么节点就不会与汇聚节 点进行通信，用户也就完全得不到网络的任何数据。 ( 3 ) g a f 算法是以节点地理位置为依据的分簇算法。该算法把监测区域划分 为若干个虚拟单元格，节点按照位置信息被划入相应的单元格中。在每个单元格 里定期选举一个簇首节点，且只有簇首节点保持活动，其他节点进入睡眠状态。 虽然g a f 算法存在一些不足，但是它提出的节点状态转换机制和按虚拟单元格划 分簇的思想具有一定意义。 2 5 3 路由协议的比较 理想的无线传感器网络路由协议在设计上首先应充分考虑节点能量有限性的 特点，注重能量的使用效率。此外，还应该根据应用的具体特点满足以下方面的 性能：以数据为中心、支持数据融合、基于节点定位，具有可扩展性、鲁棒性和 安全性，提供o o s 支持。 依据上述性能指标，对2 5 2 节描述的主要路由协议进行对比的结果见表 2 - 1 。 表2 - 1 无线传感器网络路由协议比较 辽宁科技大学硕士论文 第2 章无线传感器网络概述 辽宁科技大学硬士论文第3 章定向扩散算法分析 第3 章定向扩散协议分析 3 1 定向扩散协议概述 定向扩散法是一种以数据为中心的信息传播协议，是e s t r i n 等人专门为无线传 感器网络设计的路由策略。如图3 - i 所示，定向扩散协议在运行过程中包括兴趣扩 散、梯度建立和数据传输三个基本阶段。首先，汇聚节点根据不同应用需求定义 兴趣消息，通过洪泛的方法广播兴趣消息启动路由建立过程。在兴趣消息发布的 过程中，中闻传感器节点建立了从数据源到汇聚节点的数据传输梯度( g r a d i e n t ) ， 自动形成数据传输的多条路径。然后，按照路径优化的标准，定向扩散协议采用 路径加强机制确定一条优化的数据传输路径。最后，数据源将采集到的数据沿优 化路径传输到汇聚节点。 所示。