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东北大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络中的数据约减设计与实现 摘要 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和 无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，经 处理后，将结果传送给用户。由于具有巨大的应用前景，无线传感器网络受到了学 术界和工业界越来越广泛的关注。遗憾的是，由于传感器节点能源有限且不易补充， 网络的生存时间受到限制。因此，如何降低能耗成为无线传感器网络面临的首要挑 战。 研究表明，无线传感器网络的能量主要消耗在通信过程中，即数据包的接收和 发送。针对无线传感器网络中数据冗余度较高的特点，本文采用数据约减的思想， 通过减少网络中的数据包传输，达到降低无线传感器网络能耗的目的。数据约减的 实现主要包括数据传输路径的建立以及数据约减功能实现两个部分。为便于在无线 传感器网络中实现数据约减，采用多播树的方式建立数据传输路径。传输路径。t 的 节点通过对收到的数据包进行过滤、合并、拆分、转发等措施，完成数据约减工作。 本文在开源无线传感器网络操作系统t i n y o s 上对数据约减进行了实现。具体实 现包括路由模块与数据约减模块两个新的组件，分别完成路由建立与数据约减功能。 最后，本文对改进后的通信协议栈进行测试分析，通过比较网络能耗，验证了 数据约减的性能。 关键词：数据约减；多播树；通信协议栈；t i n y o s ；无线传感器网络 i i 东北犬学硕士学位论文a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fd a t ar e d u c t i o ni nw s n a bs t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sa l l i n t e g r a t i o n o fs e n s o r t e c h n o l o g y ，e m b e d d e d c o m p u t a t i o nt e c h n o l o g y ，d i s t r i b u t e dc o m p u t a t i o nt e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i te a r lb eu s e df o rt e s t i n g ，s e n s i n g ，c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o no f m o n i t o r e do b j e c t sa n dt r a n s f e r r i n gt h ep r o c e s s e di n f o r m a t i o nt ou s e r s w i t ht r e m e n d o u s a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a sg o taw i d ea t t e n t i o no fa c a d e m ea n d i n d u s t r y h o w e v e r ，t h en o d e se n e r g ys o u r c ei sl i m i t e da n d h a r dt or e f u e l i tm e a n st h a tt h e s u r v i v et i m eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s u r v i v a li sr e s t r i c t e d i nt h i st h e s i s ，h o wt or e d u c e t h ec o n s u m p t i o no fe n e r g yt u r n si n t ot h ec h i e fc h a l l e n g et ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a st h er e s e a r c hi n d i c a t e s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o n s u m e sm o s to fi t se n e r g y d u r i n gt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hm e a n sr e c e i v ea n ds e n dd a t ap a c k a g e s a c c o r d i n gt oh i g hr e d u n d a n c yo fd a t ai n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，t h ea u t h o rp u t f o r w a r dad a t ar e d u c t i o nm o d e l t h em o d e li st oc u td o w nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f n e t w o r k ，b yd e c r e a s i n gt h et r a n s m i s s i o no fd a t ap a c k a g e s g e n e r a l l y ，i ti n c l u d e st w o p a r t s o n ei sd a t at r a n s m i t t i n gr o u t i n g ，a n o t h e ri sd a t ar e d u c t i o nf o rt h ec o n v e n i e n c eo f d a t ar e d u c t i o ni nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，t h i sm o d e li m p l e m e n t st h ed a t at r a n s m i t t i n g r o u t i n gw i t hm u l t i c a s tt r e e t h en o d e so nd a t at r a n s m i t t i n gr o u t i n gh a v eal o tt od o ，s u c h a sf i l t r a t e ，c o m b i n e ，s p l i ta n dt r a n s m i td a t ap a c k a g e si no t h e rw o r d s ，t h e yc a ni m p l e m e n t t h ed a t ar e d u c t i o n b a s e do nt i n y o s ，w h i c hi sa no p e n s o u r c e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko p e r a t i n g s y s t e m ，a u t h o re s t a b l i s h e sam o d e lo f d a t ar e d u c t i o n i ti sc o m p o s e do far o u t i n gm o d u l e a n dad a t ar e d u c t i o nm o d u l e t h er o u t i n gm o d u l ei su s e dt oe s t a b l i s hr o u t i n g ，t h el a t e r o n ei sa i mt od a t ar e d u c i n g i nt h ee n d ，a u t h o rt e s t st h ei m p r o v e dc o m m u n i c a t i o ns t a c k c o m p a r e dw i t ht h e o r i g i n a lo n e ，t h en e w m o d e lm a k e sd a t ar e d u c t i o nb et r u e k e yw o r d s ：d a t ar e d u c t i o n ；m u l t i c a s tt r e e ；c o m m u n i c a t i o ns t a c k ；t i n y o s ；w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：赫d 笋 ，l ， 日期：饧砌6 寸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签 学位论文作者签名：删- 岜 签字日期： 劢6 7 、脚 导师签 签字日 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论帚一早 三百t 匕 1 1 无线传感器网络的产生及应用前景 信息技术的发展使我们实现了对信息的海量存储、高速传输和快速处理。但是， 对新信息的获取却仍未达到自动化的水平，这就大大限制了人们对外部世界的实时 反应能力。随着集成电路技术的发展，我们可以在很小的面积上，集成大量的电子 元件。芯片越做越小、功能越来越强，这就为我们能够生产出大量廉价的、体积很 小的、具有多种功能的器件提供了保证。 在无线通信技术及芯片制造技术的双重作用下，同时伴随着各种实际应用的需 求，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 ，简称w s n ) 的产生也就很自然了。 这是一种新型的无线通信架构。最早的对无线传感器网络的讨论见于1 9 9 8 年的一些 论文档中。现在，美国的d a r p a 和n s f 都已经设立了专项的基金对无线传感器网 络的研究进行资助。美国的许多大学都有对无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 的研究小组，而其中又以u c b ，u c l a ，u c s 1 5 i 的研究最为领先。 简单的讲，无线传感器网络就是由大量的能够与物理环境进行交互，同时具有 数据处理功能和无线通信功能的新型传感器构成的互连的系统。该系统可以完成复 杂的监控任务。这里的传感器并不是传统意义上的单纯的对物理信号进行感知并转 化为数字信号的传感器，而是将感应模块，数据处理模块和无线通信模块集成在一 块很小的物理单元上。它比传统的传感器在功能上要强很多，不仅能够对环境信息 进行感知，而且具备数据处理及无线通信的功能。我们将这类传感器节点高密度的 散布在某个环境里，通过无线通信进彳亍连接，构成的一种特殊的网络。每个节点都 有自己控制的一个区域，通过感知设备，如声学设备、光学设备，化学分析装置和 电磁感应装置等，对它周围的物理环境进行监控。当然，也可以通过配黄一些功能 单元来实现特定的与环境交互的功能。 虽然由于技术等方面的制约，大规模的无线传感器网络商业应用还有待时日， 但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积的减小，无线传感器网络开 始投入使用，并展示出了非凡的应用前景。它在军事国防、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 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的科研价值和巨大实用价值【2 】，已经引起了世界许多国家的军界、学术界以及工业 界的高度重视。 1 2 课题的提出 既然无线传感器网络有着如此广阔的应用前景，是什么阻止了它现在没有得到 普及呢? 答案就在无线传感器网络自身。 无线传感网络所使用的传感节点一般都是低成本、低功耗和多功能的嵌入式设 备，传感器的电源能量极其有限，网络中的传感器节点因此经常失效或者废弃。电 源能量的约束成了阻碍无线传感器网络普及应用的严重障碍。因此，每个节点的功 耗对于整个无线传感网络的生命周期起着很重要的作用。能否保证无线传感器网络 的生命周期，是无线传感器网络能否得到实际应用的前提，这也是无线传感器网络 现在仍无法得到大规模商业普及应用的主要原因。 通过研究可以看到无线传感器网络的能量消耗主要是用在收发数据包上，传感 器传输信息要比执行计算更消耗电能，传感器传输1 比特信息所需要的电能可以执 行上千条计算指令。而且通信的能耗与传送距离有关，大约为距离的三次方1 3 1 ，为 此，无线传感器网络与传统网络不同，采用多跳传输方式进行数据传输4 1 。很明显， 如果能够用某种方法有效地减少不必要的数据传输，就可以节约整个传感网络的能 量消耗，提高传感器网络的生命周期。 本文以无线传感器网络中的数据传输为出发点，研究并实现了一种数据约减方 案，以此减少网络中的数据流量。研究中选用的操作系统为美国加州大学伯克利分 校开发的t i n y o s ，这是一种开源的基于事件驱动的无线传感器网络操作系统。通过 对t i n y o s 原有的通信协议栈进行分析改进，结合无线传感器网络拓扑、路由等特 点，以实现数据约减的思想。具体做法为首先在t i n y o s 多跳路由模式基础上实现 一种无线传感器网络反向多播树的构建，随后以此作为数据传播路径，在数据收集 过程中对冗余数据进行网内约减处理，通过数据包的过滤、合并、拆分抑制冗余数 据传输，减少无线传感器网络传输中的能量损耗，以此延长传感器网络生存时间。 1 3 论文的组织 本文共分为七章，以下是各章的简要介绍： 第一章是绪论，主要介绍了本课题的背景和课题的提出。 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第二章是相关技术背景，主要介绍了无线传感器网络的相关概念及关键技术。 包括介绍无线传感器网络的体系结构、i e e 8 0 2 1 5 4 标准协议及z i g b e e 技术。对w s n 的网络层进行分析，最后对w s n 中的数据管理进行介绍划分。 第三章是介绍课题的硬件平台和软件平台，并对其特点进行分析。 第四章通过对网络中数据传输的分析，提出利用数据约减的思想降低无线传感 器网络中的数据流量。对数据传输路径的建立进行分析设计并对t i n y o s 通信协议 栈进行改进，以实现数据约减。 第五章是数据约减的具体实现。实现方案为在t i n y o s 原有通信协议栈基础上 加入路由模块以及数据约减模块。本章具体讲述了模块的功能及实现，给出具体的 数据约减实现流程。 第六章通过对改进后的通信协议栈进行实验评估，验证数据约减的性能。 第七章是对全文的总结以及对未来的展望。 3 东北大学硕士学位论文 第二章无线传感嚣网络理论度关键技术 第二章无线传感器网络理论及关键技术 2 1 无线传感器网络相关概念 概念1 ：无线传感器网络( w s n ) 无线传感器网络是由一组传感节点以无线连接构成的网络，以实现协作地感 知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信恩。并发布给观察者。一般南上 千个传感器节点( s e n s o n o d e ) 和一个( 或几个) 用户节点( d a t as i n k ) 组成，传 感器节点收集数据，对数据实行在网计算( c o m p u t i n gi nn e t ) 后，经多跳通信 ( m “t i h o p ) 传输给用户节点进行再处理。传感器节点、感知对象和观察者是传感 器网络中的三个基本要索。 概念2 ：传感器节点 传感器节点是由电源部件、感知元件、嵌入式处理器、收发部件、移动部件和 嵌入式软件这几部分构成。其中感知元件一般是指能感受指定的被测量，并按照一 定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由直接感受( 或响应) 被测量的敏 感元件和转换元件组成。传感器网络的感知元件一般为各种状态信号量感知元件( 如 温度传感器、压力传感器、湿度传感器、震动传感器、高度传感器、亮度传感器等) ， 般不包含声音、视频等高带宽的传感元件。 概念3 ：感知对象 感知对象是观察者感兴趣的监测目标，电是传感器网络的感知对象，如车辆、 设备、动物、有害气体等。感知对象一般通过表示物理现象、化学现象或其它现象 的数字量来表征，如温度、湿度等。一个传感器剐络节点可以感知网络分布区域内 的多个对象，一个对象也可以被多个传感器节点网络所感知。 概念4 ：观察者 观察者是传感器网络的用户，是感知信息的接收者和应用者。观察者可以是人， 也可以是计算机或其他设备。一个传感器网络可咀有多个观察者，一个观察者也可 以是多个传感器网络的用户。观察者可以主动地查询或收集网络的感知信息，也可 以被动地接收网络发布的信号。 以被动地接收网络发布的信号。 东北大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络理论及关键技术 2 2 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络是传感器向微型化、智能化和无线通信化的延伸。在无线传感 器网络中，节点通过飞机布撒，人工布置等方式【5 】，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的信息在任意时间的采集，处理和 分析。这种以自组织形式构成的网络，所有的节点都有能力采集数据并采用多跳的 路由方式将数据返回给汇聚( s i n k ) 节点，最后借助s i n k 经过某些途径，如i n t e r n e t 或卫星通信等等，将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。+ 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) 、s i n k 节点、互联网和用 户界面等1 6 j 。图2 1 展示了目前大家比较认同的无线传感器网络架构。 图2 1 无线传感器网络组成架构 f i g 21 a r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 根据传感器节点在使用中是否移动，可进一步将无线传感器网络分为静态网络 和动态网络，其中大多数是静态网络。在静态网络中，传感器节点被随机地或按一 定要求布置在监测区域内，并根据用户的要求，可对温度、湿度、噪声、光强度、 压力等环境参数进行测量，或对物体的运动速度和方向等进行感知。在动态网络中， 传感器节点一般被安置在可移动的物体上，如车辆或被监测的动物，它可以随物体 的移动而移动。 5 东北大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络理论及关键技术 2 3 传感器节点的基本组成及特点 传感器网络节点包括如下几个功能单元：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、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 2 所示。此外，可以选择的 其它功能单元包括有定位系统、施动系统以及电源自供电系统等。 图2 2 传感器网络节点的组成 f i g 2 2c o m p o n e n t si nn o d eo fs e n s o rn o d e 传感器节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或簇头节点 ( c l u s t e r h e a dn o d e ) 的角色。作为数据采集者，数据采集模块( 传感单元) 收集 周围环境的数据( 如温度、湿度) ，通过无线通信直接或间接将数据传输给远方基站 ( b a s e s t a t i o n ) 或汇聚节点( s i n kn o d e ) 。作为数据中转站，节点除了完成采集任务 外，还要接收邻节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻节点或者直接转发到基 站或犯节点；作为簇头节点，节点负责收集该簇内所有节点采集的数据，经数据融 合后，将数据发送到基站或汇节点。 传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数众 多、部署密集、成本低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域人员不 能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式补充能源是不现实的。由于电源能量 的限制，传感器节点的无线通信、计算以及存储能力都受到限制。因此，如何高效 使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。 节点绝大部分的能量消耗在无线通信模块上( 7 1 。无线通信模块存在发送、接收、 空闲和睡眠四种状态。不同的状态对应不同的能量消耗水平：发送状态的能量消耗 6 东北大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络理论及关键技术 最大；空闲状态和接收状态的能耗接近，略少于发送状态的能耗；睡眠状态的能耗 最少。因此，可以利用工作状态的转换，在网络正常运作下尽快进入睡眠状态，关 闭通信模块，达到高效使用能量，延长网络的生命周期。 2 4 无线传惑器网络特性分析 无线传感器网络综合了传感器技术、工业实时控制技术、嵌入式计算技术、现 代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术8 1 。与其它网络相比( 如有线网络、 无线a dh o c 等) ，无线传感器网络具有以下的明显特征： ( 1 ) 规模大 w s n 中可能包含多达上千个甚至上万个节点。 ( 2 ) 高冗余 为了保证网络的可用性和生存能力，w s n 中通常具有较高的节点和网络链路以 及采集数据的冗余。 ( 3 ) 拓扑易变化 除了节点移动带来的网络拓扑变化外，传感器节点的功率控制和剩余电量下降 等因素也会导致网络拓扑变化。另外，根据应用需要，网络中有些节点可能进入休 眠状态，从而引起工作节点在数目和分布上的变化，导致拓扑改变。 ( 4 ) 空间位置寻址 w s n 一般不需要支持任意两个传感器节点之间的点对点通信，传感器节点不必 具有全球唯一的标识，不必采用i n t e r n e t 的i p 寻址。用户往往不关心数据采集于哪 个结点，而关心数据所属的空间位置，因此可采取空间位置寻址方式。 ( 5 ) 自组织 网络的建立和节点间通信不依赖固定的通信基础设施。w s n 通过分布式网络协 议实现组网，且网络能够自动调整以适应节点的移动、加入和退出的变化等。 ( 6 ) 流量不均衡 传感器网络中流向处理中心的数据量往往远大于反方向的流量。数据流向处理 中心并在处理中心集中，会出现离处理中心越近，节点负载越重的现象。 ( 7 ) 节点数据融合 传感器网络在数据传输过程中，通常要求中间节点能将来自多个传感器的相关 数据进行融合，再传送给处理中心。数据融合可以减少冗余数据，节省通信所带来 7 东北大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络理论及关键技术 的电能消耗，延长网络生存时间，减轻处理中心的负载。 ( 8 ) 节点能力有限 由于低成本、低能耗、体积小、野外部署等要求，传感器节点在供电、计算、 存储、通信等方面的能力比较受限。 ( 9 ) 专用性 实际应用中，w s n 是针对某种数据采集需求而专门建立的，。 2 5 网络协议研究 早期的研究中，人们曾认为a dh o e 网络协议稍加修改甚至无需修改就可以直接 应用于无线传感器网络。但w s n 自身的能源受限等特点决定了这是不可行的。下 面对i e e e8 0 2 1 5 4 协议、z i g b e e 及网络层做一个简要介绍。 2 5 1i e e e8 0 2 1 5 4 与z i g b e e 技术 2 5 1 18 0 2 15 4 协议架构及其技术特点 i e e e 无线个人区域网( p a n ) 工作组的i e e e8 0 2 1 5 4 技术标准是z i g b e e 技术的 基础。8 0 2 1 5 4 标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在1 0 米左右的低速 连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。传感器网络是 其主要市场对象。 i e e e 8 0 2 1 5 4 满足国际标准组织( i s o ) 开放系统互连( o s i ) 参考模式。它定义了 单一的m a c 层和多样的物理层，如图2 3 所示： z i g b c e p r o f i l e s 网络应用层 数据链路层 i e e e s 0 2 1 5 4l l c8 0 2 2 l l c i e e e 8 0 2 】5 4m a c 8 6 8 9 15p h y2 4 0 0 p h y 图2 3 1 e e e s 0 2 15 4 分层结构 f i g 23h i b e r a r c h yo f i e e e 8 0 2 1 54 i e e e s 0 2 1 5 4 的m a c 层能够支持多种l l c 标准，并允许这些l l c 标准直接使 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章无线传感器网络理论及关键技术 用i e e e 8 0 2 15 4 的m a c 层服务。 1 e e e 8 0 2 1 54 的m a c 协议主要功能： ( 1 ) 设备间无线链路的建立，维护和结束确认模式的帧传送和接收。 ( 2 ) 数据包的顺序传输。 ( 3 ) 信道接入控制帧校验。 ( 4 ) 预留时隙管理。 ( 5 ) 广播信息管理。 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h 物 理层。它们都基于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 ，直接序列扩频) ，使用 相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速 率。2 ，4 g h z 波段为全球统一的无需申请的i s m 频段，有助于z i g b e e 设备的推广和 生产成本的降低。2 4 g h z 的物理层通过采用高阶调制技术能够提供2 5 0 k b s 的传输 速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省 电。8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段，9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，这两个频段的引入 避免了2 4 g h z 附近各种无线通信设备的相互干扰。8 6 8 m h z 的传输速率为2 0 k b s ， 9 1 6 m h z 是4 0 k b s 。这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机 灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而实现用较少的设备覆盖给定的区域。 2 5l2 z i g b e e 技术概述 z i g b e e 是一组基于i e e e 批准通过的8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的，有关组网 安全和应用软件方面的技术标准。而不仅只是8 0 2 1 5 4 的名字。i e e e 仅处理低级 m a c 层和物理层协议，z i g b e e 联盟对其网络层协议和a p i 进行了标准化。完全协 议用一次可直接连接到一个设备的基本节点的4 k 字节或者作为h u b 或路由器的协 调器的3 2 k 字节。每个协调器可连接多达2 5 5 个节点，而几个协调器则可形成个 网络，对路由传输的数目则没有限制。z i g b e e 联盟还开发了安全层，以保证这种便 携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。 完整的z i g b e e 协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和 物理层组成。网络层以上协议由z i g b e e 联盟制定，i e e e s 0 2 1 5 4 负责物理层和链路 层标准。 z i g b e e 制定功能包括： ( 1 ) 应用层将主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，具体而言包括 9 东北大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络理论及关键技术 1 ) 安全与鉴权： 2 ) 多个业务数据流的会聚： 3 ) 设备发现； 4 ) 业务发现。 ( 2 ) 网络层包含以下功能 1 ) 通用的网络层功能：拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻 址、路由和安全； 2 ) 同i e e e s 0 2 1 5 4 标准一样，非常省电； 3 ) 有自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。 相对于常见的无线通信标准，z i g b e e 协议套件紧凑而简单，其具体实现的要 求很低，下面是z i g b e e 协议栈的需求标准 ( 1 ) 8 位处理器； ( 2 ) 协议套件软件需要3 2 k b y t e s 的r o m ； ( 3 ) 最小协议套件软件大约4 k b y t e s 的r o m ； ( 4 ) 网络主节点需要更多的r a m ，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据 包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。 二二三三二二 二三三三三二 ! 竺竺竺竺：竺一j 二二三三二二 二二三三三二 1 1 1 。- 。1 。1 。1 。1 。1 。一 竺! 竺 二二三三二二 e ! 区三 图2 4z i g b e e 协议构架 f i g 2 4h i b e r a r c h yo fz i g b e e z i g b e e 协议构架 在标准制定的分工上，由z i g b e e a l l i a n c e 与i e e e8 0 2 1 5 4 的任务小组共同制定 1 0 东北大学硕士学位论文第二章无线传感器网络理论及关键技术 其中物理层、m a c 层、数据链路层，以及传输过程中的数据加密机制等发展由i e e e 所主导，并共同针对z i g b e e 协议栈的发展进行研讨，而未来还能够依系统客户的 需求，为不同应用修正其所需之应用层。协议栈构架如图2 4 所示： 2 5 2 网络层 网络层负责路由的发现和维护，一个无线传感器网络设计的成功与否，路由 协议非常关键。无线传感器网络中，大多数节点无法直接与网关通信，需要通过 中间节点采用多跳形式和s i n k 节点之间建立连接。a d h o c 网络中已有的多跳路 由协议，如a o d v ( a d h o cd e m a n dd i s t a n c ev e c t o r ) 和t o r a ( t e m p o r a l l yo r d e r e d r o u t i n ga l g o r i t h m ) 等，但都不适合w s n 的特点和要求。无线传感器网络中的大部 分节点不像a d h o c 网络网络通信协议的其他部分中的节点一样快速移动，因此 没有必要花费很大的代价频繁地更新路由表信息。 无线传感器网络路由协议按照最终形成的拓扑结构，可以划分为平面路由协 议和层次路由协议。在平面路由协议中，所有节点的地位是平等的，原则上不存 在瓶颈问题。其缺点是可扩充性差，维护动态变化的路由需要大量的控制信息。 在分层结构的网络中，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息。这 大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性，其缺点是簇头节 点可能会成为网络的瓶颈。 2 5 2 1 平面路由协议 ( 1 ) f l o o d i n g f l o o d i n g 是一种传统的路由技术，不要求维护网络的拓扑结构，并进行路由 计算，接收到消息的节点以广播形式转发分组。对于自组织的传感器网络，该路 由是一种较直接的实现方法，但消息的“内爆”( i m p l o s i o n ) 和“重叠”( o v e r l a p ) 是其固有的缺陷 9 1 。 ( 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 ) 1 0 l s p i n 是以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制来解决泛洪算法中的 “内爆”和“重叠”问题。传感器节点仅广播采集数据的描述信息，当有相应的 请求时，才向目的地发送数据信息。s p i n 协议中有3 种类型的消息，即a d v 、 r e q 和d a t a 。节点用a d v 宣布有数据发送，用r e q 请求希望接收数据，用 d a t a 封装数据。s p i n 协议有4 种不同的形式： 1 】 东北大学硕士学位论文 第二章无线传感嚣网络理论及关键技术 1 ) s p i n - p p ：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，功率没有任何何限制。要发送数据的节点通过a d v 向 它的相邻节点广播消息，感兴趣的节点通过r e q 发送请求，数据源向请求者发 送数据接收到数据的节点再向它的相邻节点广播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。 2 ) s p i n e c ：在s p i n - p p 的基础上考虑了节点的功耗，只有能够顺利完成 所有任务且能量不低于设定阈值的节点才可参与数据交换。 3 ) s p i n - b c ：设计了广播信道，使所有在有效半径内的节点可以同时完成数 据交换。为了防止产生重复的r e q 请求，节点在听到a d v 消息以后，设定一个 随机定时器来控制r e q 请求的发送，其它节点听到该请求后主动放弃请求权利。 4 ) s p i n r l ：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分 组差错与丢失。记录a d v 消息的相关状态，如果在确定时间间隔内接收不到请 求数据，则发送重传请求，重传请求的次数有一定的限制。 ( 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 ) 1 1 1 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 和分组优先 权等特殊要求，采用局部路径恢复和多路径备份策略，避免节点或链路失败时进 行路由重计算需要的过量计算开销。为了在每个节点与s i n k 节点间生成多条路 径，需要维护多个树结构，每个树以落在s i n k 节点有效传输半径内的节点为根向 外生长，枝干的选择需满足一定q o s 要求并要有一定的能量储备。这一处理使大 多数传感器节点可能同时属于多个树，可任选其一将采集数据回传到s i n k 节点。 ( 4 ) 定向扩散( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 2 1 定向扩散模型是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，与已有 的路由算法有着截然不同的实现机制。节点用一组属性值来命名它所生成的数据， s i n k 节点发出的查询业务也用属性的组合表示，逐级扩散、最终遍历全网以找到 所有匹配的原始数据。有一个称为“梯度”的变量与整个业务请求的扩散过程相 联系，反映了网络中间节点对匹配请求条件的数据源的近似判断。更直接的方法 是节点用一组标量值表示它的选择，值越大意味着向该方向继续搜索获得匹配数 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 节点的请求建立一个 临时的“梯度”场，匹配数据可以沿“梯度”最大的方向中继回s i n k 节点。 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络理论及关键技术 2 5 2 2 层次路由协议 ( 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 1 3 1 l e a c h 是m i t 的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聚 类路由算法。与一般的平面多跳路由协议和静态聚类算法相比，l e a c h 可以将网 络生命周期延长l5 ，它主要通过随机选择聚类首领，平均分担中继通信业务来实 现。l e a c h 定义了“轮”( r o u n d ) 的概念，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。 在初始化阶段，聚类首领是通过下面的机制产生的。传感器节点生成0 ，1 之 间的随机数，如果大于阈值t ，则选该节点为聚类首领。一旦聚类首领被选定，它 们便主动向所有节点广播这一消息。依据接收信号的强度，节点选择它所要加入的 组，并告知相应的聚类首领。基于时分复用的方式，聚类首领为其中的每个成员分 配通信时隙。在稳定工作阶段，节点持续采集监测数据，传与聚类首领，进行必要 的融合处理之后，发送至u s i n k 节点，这是一种减小通信业务量的合理工作模式。持 续一段时间以后，整个网络进入下一轮工作周期，重新选择聚类首领。 ( 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 ) 依照应用模式的不同，通常可以简单地将无线自组织网络( 包括无线传感器网 络和a d - h o c 网络) 分为主动( p r o a c t i v e ) 和响应( r e a c t i v e ) 两种类型。主动型无线传感 器网络持续监测周围的物质现象，并以恒定速率发送监测数据；而响应型无线传感 器网络只是在被观测变量发生突变时才传送数据。相比之下，响应型无线传感器网 络更适合应用在敏感时间的应用中。t e e n 和l e a c h 的实现机制非常相似，只是 前者是响应型的，而后者属于主动型无线传感器网络。在t e e n 中定义了硬、软两 个门限值，以确定是否需要发送监测数据。当监测数据第一次超过设定的硬门限时， 节点用它作为新的硬门限，并在接着到来的时隙内发送它。在接下来的过程中，如 果监测数据的变化幅度大于软门限界定的范围，则节点传送最新采集的数据，并将 它设定为新的硬门限。通过调节软门限值的大小，可以在监测精度和系统能耗之间 取得合理的平衡【1 5 l 。在n s 2 平台上的仿真研究结果表明：t e e n 协议e g l e a c h 更有 效。 ( 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 ) 1 1 6 p e g a s i s 由l e a c h 发展而来。它假定组成网络的传感器节点是同构且静止 的。节点发送能量递减的测试信号，通过检测应答来确定离自己最近的相邻节点。 1 3 东北大学硕士学位论文 g - 章无线传感器网络理论及关键技术 通过这种方式，网络中的所有节点能够了解彼此的位置关系，进而每个节点依据自 己的位置选择所属的聚类，聚类的首领参照位置关系优化出至l j s i n k 节点的最佳链 路。因为p e g a s i s 中每个节点都以最小功率发送数据分组，并有条件完成必要的 数据融合，减小业务流量。因此，整个网络的功耗较小。研究结果表明，p e g a s i s 支持的无线传感器网络的生命周期是l e a c h 的近两倍。p e g a s i s 协议的不足之处 在于节点维护位置信息( 相当于传统网络中的拓扑信息) 需要额外的资源 ( 4 ) 多层聚类算法 多层聚类算法是e s t r i n 为传感器网络设计的一种新的聚类实现机制。工作在网 络中的传感器节点处于不同的层，所处层次越高，所覆盖面积越大。起初，所有节 点均在最低层，通过竞争获得提升高层的机会。新的工作周期开始时，每一个节点 都广播自己的状态信息，包括储备能量、所在层次和首领的i d ( 如果有) 等。然后进 入等待状态以便相互了解信息，等待时间与所在层次成正比。处在最低层的节点如 果没有首领，等待状态结束后会立刻启动一个“晋升定时器”，定时时间与自身能 量以及接收到同层其他节点广播消息的数目成反比，目的是为能量较高且在密集区 的节点获得较多的提升机会。一旦定时时间到，节点升入高层，将有发给自己广播 消息的节点视为潜在的子节点，并广播自己新的状态信息；低层节点选择响应这些 准首领的广播消息，最终确定惟一的通信关系。选择了首领的节点，自己的“晋升 定时器”将停止工作，也就意味着本轮放弃了晋升机会。 在每个工作周期结束以后，高层节点将视自己的状态信息( 如有无子节点， 功率是否充足) 决定是否让出首领位置。上述的多层聚类算法具有递归性，e s t r i n 等 人用两层模型验证了它在传感器网络中的有效性。 2 6 无线传感器网络中的数据管理 2 6 1 数据管理的意义 基于无线传感器网络的任何应用都离不开感知数据的管理和处理技术旧。不言 而喻，感知网络的数据管理和处理技术是确定感知网络可用性和有效性的关键技术， 关系到感知网络的成败。对于观察者来说，无线传感器网络的核心是感知数据1 8 】， 而不是网络硬件：观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。 因此，无线传感器网络是一种以数据为中心的网络 19 1 。其基本思想是：将传感 一1 4 东北大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络理论及关键技术 器视为感知数据流或感知数据源；将无线传感器网络视为感知数据空间或感知数据 库1 2 0 j ；将