（电子科学与技术专业论文）高数据率wsn节能策略与qos机制研究.pdf

浙江人学博士学位论文 本文对高数据率无线传感器网络0 0 s 新机制的研究主要包括两部分：基于 群蚁算法的新型q o s 路由协议和跨层q o s 优化设计。本论文探讨了高数据率无 线传感器网络q o s 多约束路由问题的数学模型，提出了一种高数据率无线传感 器网络中q o s 约束路由问题的具体表现延时约束最大剩余能量率路径问题， 并提出一种利用启发式蚁群算法对q o s 约束路由问题进行分布式求解的 a c o q o s r ( a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o nb a s e dq o sr o u t i n g ) 协议。仿真结果表明， a c o q o s r 协议提高了路径的残留能量率，同时严格满足路径的延时约束。跨 层优化没计是一种崭新的无线网络协议设计哲学，本论文将跨层0 0 s 优化设计 引入到高数据率无线传感器网络领域中，提出了一种基于中间件的高数据率无线 传感器网络跨层q o s 优化设计模型，从整体协议栈的角度优化各层协议。然后， 本论文提出了一种解决在高数据率无线传感器网络中传输多描述编码( m d c ) 视 频的跨层多径路由协议。跨层多径路由协议以最大化应用层视频峰值信噪比 ( p s n r ) 作为优化目标，由物理层和m a c 层联合决定多径路由的属性，将多描述 编码的各个描述分别映射到链路独立多径路由的不同路径上进行独立传输。仿真 结果表明，跨层多径路由协议与k = 2 最小跳数路由协议相比，提高了多描述编 码视频多径传输的0 0 s 性能。 最后，本论文探索了高数据率传感器节点的设计原型，提出一种基于口v 6 的图像采集传感器节点设计框架。基于嵌入式a r m 9 设计开发的传感器节点和 s i n k 节点拥有i p v 6 地址并能以i p v 6 协议进行高速w i f i 通信，s i n k 节点还具有 双通道c d m a 无线通信模块。图像采集无线传感器网络能够对环境或事件进行 图像拍摄、编码处理并无线传输到s i n k 节点和终端用户，能进一步开发成目标 识别用途的高数据率无线传感器网络系统。 关键词：高数据率无线传感器网络；节能策略；q o s 机制；跨层优化设计 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 r l s o rn e t w o r k ( w s n li ss e l f - o r g a n i z e dd i s t r i b u t e dm u l t i h o pn e t w o r k c o m p o s e do fl a r g en u m b e r so fu b i q u i t o u sm i c r o s e n s o r sw i t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a n dc o m p u t a t i o na b i l i t y , a n dw s n i sa ni n t e l l i g e n tc o o p e r a t i v es y s t e mt oa c c o m p l i s h a p p o i n t e dt a s k si n d e p e n d e n t l ya c c o r d i n g t ot h es i t u a t i o n s e n s o rt e c h n o l o g y , m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e mt 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 nt e c h n o l o g y a r ei n t e g r a t e di nw s n ，t h e r e f o r e ，w s ni sab r a n d - n e wi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n di st h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r ks y s t e m w i t ht h e d e v e l o p m e n to fw s na n dt h ei n c r e a s eo fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，h i g h d a t ar a t ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( h d r w s n ) e m e r g e sa s t h et i m e sr e q u i r e h d r w s ns y n e r e t i z e st h e1 0 百c a li n f o r m a t i o nw o r l da n dt h ea c t u a lp h y s i c a lw o r l d ， a n di tw i l lc h a n g ei n t e r a c t i v em a n n e r so fh u m a nw i t hn a t u r e s i n c eh d r w s nh a s m a n yd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lw s n ，t h er e s e a r c ho f h d r w s ni sv e r yi m p o r t a n t i nt h i st h e s i s ，t h r e ek e yt o p i c si n c l u d i n ge n e r g ys a v i n g s t r a t e g y , q o sm e c h a n i s ma n dm u l t i m e d i as e n s o rn o d e sd e s i g na r ei n v e s t i g a t e dd e e p l y f i r s t l y , n o v e le n e r g y s a v i n gs t r a t e g i e sf o rh d r w s na r ei n v e s t i g a t e d i t i s s u p p o s e dt h a tt h et r a f f i cl o a do fw s n i sv e r yl o wi nt h em o s tr o u t i n gp r o t o c o l sa n d e n e r g yc o n s t r a i n ti st h eo n l yf a c t o rt ob ec o n s i d e r e d ，b u ti ti sn o tt r u ef o rh d r w s n a c c o r d i n gt ot h ee n e r g ye f f i c i e n tr e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fh d r w s n ，a l o a db a l a n c e da n de n e r g ya w a r er o u t i n g ( l b e a r ) p r o t o c o lc o n s i d e r i n gb o t he n e r g y c o n s u m p t i o ns t a t u sa n dl o a dc o n g e s t i o nl e v e l so fs e n s o rn o d e sh a sb e e np r o p o s e d l b e a rp r o t o c o le q u i p o i s e sn e t w o r ke n e r g ya n dl o a dd i s t r i b u t i o n ，t h e r e f o r e ，i tc a l l p r o l o n gt h el i f e t i m eo fh d r w s nt h r o l ：i g hr e s o u r c ee q u i l i b r i u m f u r t h e r , m s t - b a s e d c l u s t e r i n gt o p o l o g yc o n t r o l ( m c t c ) a l g o r i t h m t o a d j u s t t h es e n s o rn o d e s t r a n s m i s s i o np o w e ro ft w o - t i e rs t r u c t u r e dh d r w s nh a sb e e np r o p o s e d m c t c a l g o r i t h m i sah y b r i dt o p o l o g yc o n t r o l a l g o r i t h mw i t hc l u s t e r i n g c o n t r o la n d t r a n s m i s s i o np o w e rc o n t r 0 1 m a x i m u me n e r g ya n dm i n i m u md i s t a n c e c l u s t e r i n g a l g o r i t h mi su s e di nm c t ct od i v i d eh d r w s ni n t ot w o - t i e rs t r u c t u r ea n dc l u s t e r h e a d sc a np e r f o r md a t aa g g r e g a t i o nf o ra l lt h ec l u s t e rm e m b e r s t h ei n t r a c l u s t e ra n d i n t e r - c l u s t e rt o p o l o g yc o n t r o ls c h e m eu s e sm i n i m u ms p a n n i n gt r e e ( m s nt od e c i d e 浙江大学博士学位论文 t h et r a n s m i s s i o nr a d i u so fc l u s t e rm e m b e ra n dl t l et r a n s m i s s i o nr a d i u so fc l u s t e rh e a d r e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e i l f yt h a tm c t ca l g o r i t h mc a nr e d u c en e t w o r k e n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ep e r f o r m a n c eo f m c t ca l g o r i t h mi sn e a rm s ta l g o r i t h m m o r c o v e r , n o v e lq o sm e c h a n i s m sf o rh d r w s na r es t u d i e d s i n c eq o s m u l t i c o n s t r a i n e d r o u t i n gh a sn o tb e e ns t u d i e dp r e v i o u s l y , i nt h i sp a p e r , t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rq o sm u l t i - c o n s t r a i n e dr o u t i n gp r o b l e mi si n v e s t i g a t e d , a n da p a r t i c u l a rd e l a yc o n s t r a i n tm a x i m u me n e r g yr e s i d u a lr a t i op a t h ( d c m e r r p ) p r o b l e m f o rh d r w s ni sp r o p o s e d h e u r i s t i ca n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ( a c o ) m e t h o di su s e d t os o l v eq o sc o n s t r a i n t sr o u t i n gp r o b l e mi naf u l l yd i s t r i b u t e df a s h i o n t h e s i m u l a t i o n sv 鲥矽t h a ta c o q o s rp r o t o c o lc a ni m p r o v et h es e l e c t e dp a t h s e n e r g y r e s i d u a lr a t i ow i t hp a t hd e l a yc o n s t r a i n t , s oa st oi m p r o v et h eq o sl e v e lo f h d r w s n c r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n i sab r a n d n e wp m l o s o p h yf o rw i r e l e s sn e t w o r k p r o t o c o ld e s i g n i nt h i st h e s i s ，an o v e lc r o s s l a y e r q o so p t i m i z a t i o nd e s i g n f r a m e w o r kb a s eo nm i d d l e w a r ef o rh d r w s nh a sb e e np r o p o s e d ，w h e r ea l lp r o t o c o l l a y e r sa r ec o n s i d e r e dt o g e t h e ra n dh d r w s np e r f o r m a n c ei sj o i n t l yo p t i m i z e d a f t e r w a r d s ，i nt h i st h e s i sac r o s s - l a y e rm u l t i p a t hr o u t i n gp r o t o c o lf o rm u l t i p l e d e s c r i p t i o ne n d i n gv i d e ot r a n s m i s s i o no nh d r w s nh a sb e e ni n v e s t i g a t e d i nt h e p r o p o s e dc r o s s l a y e rm u l t i p a t hr o u t i n gd e s i g n , t om a x i m i z ev i d e op s n ro f a p p l i c a t i o nl a y e ri s t h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v ea n de a c hd e s c r i p t i o no fm u l t i p l e d e s c r i p t i o nc o d i n gi sm a p p e dt od i f f e r e n tl i n k - d i s j o i n tp a t h sd e c i d e db yp h ya n d m a cl a y e r sf o rt r a n s m i s s i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e i l 母t h a tt h ec r o s s 1 a y e r r n u l t i p a t hr o u t i n gp r o t o c o li m p r o v e st h ev i d e ot r a n s m i s s i o nq o so v e rh d r w s n f i n a l l y , a l li p v 6b a s e dh d r w s nd e s i g np r o t o t y p eh a sb e e np r o p o s e d ，t h e s e n s o rn o d ew i t hi p v 6a d d r e s si sd e v e l o p e dw i t ha r m 9e m b e d d e ds y s t e ma n dh a st h e a b i l i t yo f t a k i n gp h o t o sf o re n v i r o n m e n t sa n de v e n t s ，a n dt h e nt r a n s m i t t i n gd a t at ot h e s i n ka n dt h et e r m i n a ll i s t si nt h el p v 6r a p i dw i f ic o m m u n i c a t i o nf a s h i o na f t e r c o l l e c t i n g ，c o d i n ga n dp r o c e s s i n g t h es i n kn o d eh a st h ea d d i t i o n a la b i l i t yo fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nu s i n gc d m a t h i si p v 6b a s e dh d r w s nf r a m e w o r kh a st h ea b i l i t y o fi m a g ec o l l e c t i o n ，a n di tc a nb ed e v e l o p e df u r t h e rt ob eu s e di nt h eo b j e c t i v e r e c o g n i t i o nh d r w s ns y s t e m k e yw o r d s ：h i g hd a t ar a t ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；e n e r g y - s a v i n gs t r a t e g y ；q o s m e c h a n i s m ；c r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景 微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感 器的快速发展，使其能够在微小体积内集成信息采集、数据处理和无线通信等多 种功能。在无线通信领域，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 s ) 1 1 1 ，作为一 种新型的信息采集工具和处理手段应用而生。无线传感器网络是由部署在监测区 域内大量的微型传感器节点组成，通过无线多跳通信方式形成的一个自组织网络 系统，其目的就是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内的环境和事件。在无 线传感器网络中，传感器节点被任意地放置在自由环境中，在没有任何先验网络 拓扑知识的前提下，传感器节点必须在网络初始化阶段自配置地逐步建立网络。 在这种网络的支持下，多个节点能够相互配合、协同完成远程控制站的信息查询、 与物理环境和与其它传感器节点之间的信息交互、传感信息的中继传送等多种任 务。无线传感器网络利用大量自组织的传感器节点的协同工作来完成复杂的任 务，从而能够被应用于各种类型的智能环境中。 无线传感器网络的一个较为普遍的定义是：无线传感器网络是由大量无处不 在的( u b i q u i t o u s ) 、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布 式网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的“智能”协同系统。无线传感器 网络与无线a d h o e 网络类似，是一种自治的无线多跳网，整个网络没有固定的 基础设施，也没有固定的路由器，所有传感器节点既是路由器又是终端节点，并 且都能以任意方式动态地保持与其它节点的连通性。在这种环境中，由于终端节 点的无线覆盖范围有限，两个无法直接进行通信的终端节点可以借助于其它节点 进行分组转发，完成对等( p e e r t o p e e r ) 通信。每一个终端节点既是一个监测传感 器，又是一个转发路由器，能够完成发现和维持到其它节点路由的功能。 典型的无线传感器网络由三类基本实体组成：目标( t a r g e t ) 、传感器节点 ( s e n s o rn o d e ) 和观测用户( o b s e r v e ru s e r ) ，其中传感器节点又包括普通传感器节 浙江大学博士学位论文 点( s e n s o rn o d e ) 和汇聚节点( s i n kn o d e ) ，如图1 1 所示。目标是指监测区域中应用 相关的信号源；传感器节点是目标信息的监测者，被随机或者固定布置在整个监 测区域中，一般数量众多但资源有限，传感器节点之间以无线多跳的无中心方式 连接，节点除了完成数据采集任务外，还要接收和转发邻居节点的数据；汇聚节 点通过数据处理和信息融合将多个传感器节点的数据通过卫星信道或者有线网 络传送给观测用户和服务器：观测用户又称为控制者( c o m m a n d e r ) ，监听和处理 网络事件和网络消息，同时向网络发布查询请求或派发任务。通常，网络中目标 和观测节点可以是1 个或多个，可以静止或运动；传感器节点数量众多，通常为 静止状态，其中有效节点( 采集到目标有价值信息的传感器节点) 是有限的，且在 时域和空域上连续变化。 图1 - i 典型无线传感器网络结构 如果说i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式， 那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一 起，将改变人类与自然界的交互方式【2 j 【3 1 ，是构成普适智能i q u i t o i l si n t e l l i g e n c e ) 和智能世界( s m a r tw j r l d ) 的一种重要手段。人们可以通过无线传感器网络直接感 知客观世界，从而极大地扩展了现有网络的功能和人类认识世界的能力。所以说 无线传感器网络是继i n t e m e t 之后，将对2 1 世纪人类生活方式产生重大影响的 i t 热点技术。 目前无线传感器网络研究的一个主要方向是在能量严重受限的传感器节点 上如何实现简单的环境数据( 如温度、湿度、光强等) 采集、处理和传输。然而， 2 第一章绪论 随着监测环境的日趋复杂多变，由这些传统无线传感器网络所获取的简单数据愈 加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频甚 至视频等媒体引入到以无线传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒 度、精准信息的环境监测。由此，高数据率无线传感器网络m i g hd a t ar a t e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，h d r w s n ) 应运而生。 高数据率无线传感器网络突破了无线传感器网络只能传输简单低速率的少 量数据的传统观念，而认为无线传感器网络也应该具有采集、处理和传输大数据 量传感信息的功能，例如在高数据率无线传感器网络中传输视频等多媒体信息， 同时还能够对网络中的各种数据流提供q o s 保障机制。高数据率无线传感器网络 的研究相对于传统无线传感器网络存在着更为严峻的挑战，需要考虑更为苛刻的 能耗约束和q o s 保障机制，所以具有重要的研究意义。本论文将研究对象锁定为 高数据率无线传感器网络，主要从高数据率无线传感器网络的特点来提出本论文 的研究出发点。 1 2 论文研究意义 随着无线传感器网络研究的深入，无线传感器网络系统逐渐进入实用阶段， 由此产生了对环境监测结果可视化、多样化、细粒度的要求，高数据率无线传感 器网络的需求也随之出现，例如新兴的多媒体无线传感器网络【4 】 可以预料，多 媒体无线传感器网络将是未来无线传感器网络发展的一个重要方向。对于传统的 无线传感器网络，目前国外已经开发出了一些演示系统，在相关理论研究上也呈 现出繁荣多样的局面，虽然在一些关键技术上仍然有很多的问题需要解决，但已 经成为目前网络研究领域的最大热点。对高数据率无线传感器网络的研究才刚刚 开始，而传统无线传感器网络中能量约束问题在高数据率无线传感器网络中更加 严峻，高数据率无线传感器网络还额外需要考虑网络q o s 保障机制等问题，这 些问题都是阻碍高数据率无线传感器网络发展的重要问题。目前，具有简单传感 数据采集功能的无线传感器网络已经开始在现实生活中使用，但是高数据率无线 传感器网络还处于理论研究阶段，一些基本的概念性理论也没有提出，有很多基 础问题亟需解决。 在我国，无线传感器网络系统方面的研究起步较晚，近两三年才受到广泛关 浙江大学博j ：学位论文 注，其中清华大学、上海微系统研究所等单位处于国内研究的前沿，浙大也取得 了很多前沿性的研究成果。对无线传感器网络系统信息获取与处理相关技术的研 究，符合我国的整体科技发展计划，对国防科学技术和国家经济建设具有重要的 战略意义。因此，对无线传感器网络的理论和应用的研究有着十分重要的意义。 随着无线传感器网络的应用背景逐渐从军用转向民用，对于高数据率无线传感器 网络的需求更为迫切，而这方面的研究国外也刚刚开始，所以对高数据率无线传 感器网络的研究，有助于提升我国在传感技术研究和应用领域的水平。 通过与传统低数据率无线传感器网络相比可以发现，高数据率无线传感器网 络存在着下列三个主要问题： ( 1 ) 网络节能策略。与传统无线传感器网络相比。由于网络中存在大数据量 的传感信息，导致网络能耗特别明显，同时对大数据量传感信息的采集、处理也 会消耗更多能量，因此高数据率无线传感器网络的节能问题尤为重要，节能策略 是下一代实用型高数据率无线传感器网络的技术基础。 ( 2 ) 网络q o s 机制问题。在高数据率无线传感器网络中存在着多种数据流， 并不只是传统无线传感器网络中的简单数值数据，而各种不同类型的数据流对于 网络的q o s 需求各不相同，因此要求网络提供q o s 保障机制，满足各类数据流 的应用需求。 ( 3 ) 传感器节点的设计问胚。传统低端的传感器节点只能采集简单数据，处 理和传输能力也非常弱，不能满足多媒体无线传感器网络等高数据率无线传感器 网络的需求，所以必须对传感器节点进行重新设计，研发高端的传感器节点以满 足高数据率采集、处理和传输的需要。 本论文主要从高数据率无线传感器网络的节能策略和q o s 机制出发，通过 研究现有机制的不足，在能量高效拓扑控制算法、能量高效和q o s 约束路由协 议和跨层q o s 优化设计等几方面开展了研究工作。能量高效的拓扑控制算法可 以减少节点间的通信干扰，提高整个网络的通信效率，节省网络通信能耗；高效 的路由协议可以使网络能量资源和流量负载均衡分配，同时满足用户对传感数据 传输q o s 保障机制的需求；跨层优化设计可以从整体协议栈的角度优化各层协 议状态，系统地提升高数据率无线传感器网络的性能。无线传感器网络的节点采 用能量有限的电池供电，节能是网络设计中最关注的问题之一，高数据率无线传 感器网络中节能机制的作用更加明显，面对规模庞大的数据流，如何减少采集、 4 第一章绪论 处理和通信过程中的能耗对于高数据率无线传感器网络延长网络生存周期、提高 网络的可靠性和健壮性都有着举足轻重的作用。同时，高数据率无线传感器网络 提供了q o s 保障机制，可以满足各类数据流的不同q o s 需求，提高网络的q o s 水平，在资源限制的前提下最大化网络性能。随着无线传感器网络的发展，对于 网络数据传输的实时性、可靠性等要求也不断提高，所以满足q o s 约束的路由 协议也是一个重要的研究方向。由于高数据率无线传感器网络的特殊要求和限 制，所以要求无线传感器网络q o s 多约束路由协议比一般有线网络和无线 a d h o e 网络的q o s 约束路由额外更多地考虑节点能源、节点计算资源等限制条 件，q o s 测度值也由普通的带宽、时延、丢包率转变为节点剩余能量、节点计算 能力、时延等。目前高数据无线传感器网络中q o s 多约束路由的研究刚刚起步， 一些概念性的理论也刚刚被提出，对于q o s 多约束路由的求解算法更有待深入 研究。总之，这几方面的研究对于高数据率无线传感器网络的理论研究和实际应 用都有重要的意义。 1 3 论文主要内容 本论文主要着眼于高数据率无线传感器网络的通信协议研究，以提高网络能 量效率和网络o o s 性能为目的，通过对网络拓扑结构的控制、对路由协议的分 析和改进、对网络协议栈的跨层优化设计来提升网络q o s 性能。通过对高数据 率无线传感器网络特点的研究，本论文提出了高数据率无线传感器网络的新型节 能策略和高数据率无线传感器网络的q o s 新机制，然后探讨了一种基于i p v 6 的 图像采集传感器节点设计方案，为高数据率无线传感器网络中高端节点的设计研 发提供了一种参考原型。 本论文的第一部分提出了高数据率无线传感器网络的两种新型节能策略：基 于负载均衡和能量感知的路由协议l b m e r ( l o a db a l a l l c e da n de n e r g ya w a r e r o u t i n g ) 和基于最小生成树的分簇拓扑控制算法m c t c ( m s t - b e dc l u s t e r i n g t o p o l o g yc o n t r 0 1 ) 。首先，根据无线传感器网络中能量感知路由协议的研究特点， 分析最小化能量路由的特征并改进了其线性规划数学模型。然后提出了一种基于 负载均衡和能量感知的l b m e r 协议，目前无线传感器网络的能量感知路由一般 只考虑了如何节约和均衡网络能量，并没有考虑负载均衡，还局限在无线传感器 浙江大学博士学位论文 网络中负载率非常低的假设，而这种假设随着应用需求的增长被逐渐突破。 l b e a r 协议通过监测节点数据链路层的缓存队列长度获得节点的拥塞状况，然 后网络层根据数据链路层当前的状态做出节点拥塞程度的正确判断，从而将网络 的局部状态与全局状态相结合，提高了网络负载的均匀性。同时l b e a r 协议将 负载均衡与能量均衡联系起来，在考虑节点负载状况的同时考虑了节点的能量使 用率水平。通过能量均衡和负载均衡，将网络资源和负荷均衡地进行分配，最终 最大化网络的生存周期。其次，通过研究分簇控制和发射功率控制策略各自的优 缺点，提出了一种结合两者优点的基于最小生成树的分簇拓扑控制算法m c t c f m s t - b a s e dc l u s t e r i n gt o p o l o g yc o n t r 0 1 ) 。m c t c 算法采用“最大能量最小距离” 分簇算法( m a x i m u me n e r g y & m i n i m u md i s t a n c ec l u s t e r i n ga l g o r i t h m ) 将高数据 率无线传感器网络拓扑分成两层结构：簇头节点集合和簇成员节点集合。簇头节 点之间使用全局m s t 建立最优簇头节点链，决定簇头节点之间数据传输最后传至 基站的多跳链路；在每个簇内使用分布式m s t 建立簇成员的最小生成树，决定簇 成员发送数据到簇头节点的多跳链路。m c t c 算法继承了分簇算法的优点，使得 网络层次清晰，便于管理；也继承了节点发射功率控制的优点，使得网络整体能 耗降低。理论和仿真结果都表明了m c t c 算法能够降低节点的平均度数、降低节 点的平均发射功率、延长网络生存周期，其性能与全局最优的m s t 算法相近。通 过降低节点的发射功率可以降低网络传输数据的能耗，同时簇头节点可以利用网 络的分簇结构进行簇内数据融合，从而大大减少需要传输的数据量，综合这两种 机制，可以增强高数据率无线传感器网络的能量有效性。 在第二部分，本论文提出了高数据率无线传感器网络的两种q o s 新机制： 基于蚁群算法的高数据率无线传感器网络q o s 约束路由协议a c o q o s r ( a n t c o l o n yo r , t i m i z a t i o nb a s e dq o sr o u t i n g ) 和高数据率无线传感器网络的跨层q o s 优化设计模型。目前对于无线传感器网络的路由协议基本局限在能量约束，很少 考虑到q o s 约束，其中有一些研究在考虑能量约束的同时也关注了一些传输可 靠性等约束，但是还没有提出一个系统级的q o s 多约束路由协议的数学模型。 本论文研究了高数据率无线传感器网络q o s 多约束路由的数学模型和满足库恩 塔克条件的拉格朗日松弛算法求解方法，并提出了一个具体问题延时约束最 大剩余能量率路径问题的数学描述。然后采用一种启发式的蚁群算法来求解高数 据率无线传感器网络中延时约束最大剩余能量路径问题，采用分布式的方法求解 第一章绪论 复杂q o s 约束路由问题，并具有很好的可扩展性。仿真结果证实了a c o q o s r 协议在满足路径延时约束的前提下提高了路径平均剩余能量率，同时路由协议的 附加开销也比较小。在无线传感器网络领域中研究跨层优化设计才刚刚开始，由 于无线传感器网络的特殊性存在着很多研究难点，本论文将跨层优化设计的思想 引入到高数据率无线传感器网络领域，提出了一种针对高数据率无线传感器网络 的跨层q o s 优化设计的通用框架，同时对高数据率无线传感器网络中视频传输 的跨层q o s 优化设计方案进行了研究。本论文综合考虑了跨层优化设计的方法 和无线传感器网络的特点，提出了一种高数据率无线传感器网络中跨层q o s 优 化设计的通用框架，其中主要包括三个部分：q o s 本体、q o s 代理和节点q o s 协议栈，节点q o s 协议栈又可以分为三个模块：贡献参数抽象模块( c o n t r i b u t i o n f a c t o r sa b s t r a c t i o nm o d u l e 。c f a ) ，限制参数反馈模块( r e s t r i c t i o np a r a m e t e r s f e e d b a c km o d u l e ，r p f ) ，跨层反馈控制模块( c r o s s 1 a y e rf e e d b a c kc o n t r o lm o d u l e ， c f c ) 。c f a 模块主要负责抽象和组织各层可能的信息，r p f 模块通过对贡献参 数的联合优化确定各层的自适应调节参数，c f c 模块主要负责如何根据贡献参 数自适应地确定限制参数。该框架借鉴了中间件的方法，并且采用一个共享数据 库将整个协议栈的贡献参数和限制参数通过跨层反馈控制模块联系起来，从整体 协议栈的角度优化各层协议的工作状态。对于高数据率无线传感器网络中视频传 输机制目前还没有相应的研究成果，本论文研究了一种高数据率无线传感器网络 中视频传输的跨层q o s 优化设计方案。本论文改进了多描述编码视频多径传输 失真率的理论模型，然后根据跨层q o s 优化设计的思想提出一种跨层多径路由 协议。物理层和m a c 层向网络层通告通信链路的带宽和丢包率，应用层向网络 层通告视频编码信息，由物理层和m a c 层联合决定多径路由的属性，路径映射 模块将多描述编码视频的各个描述进行多路径映射，分别选择不同的链路独立路 径进行传输。通过对一个两描述编码视频的传输性能仿真，发现跨层多径路由协 议与j r ( _ 2 最小跳数路由协议相比，可以提升高数据率无线传感器网络环境下的 多描述编码视频的传输质量，视频的平均峰值信噪比大概可以提高3 d b 。 多媒体无线传感器网络是高数据率无线传感器网络中最典型的一种类型。随 着多媒体无线传感器网络逐渐成为无线传感器网络领域的研究热点，具有图像、 音频和视频采集、处理和传输功能的多媒体传感器节点设计也成为一个研究热 点。本论文最后探讨了一种基于i p v 6 的图像采集无线传感器网络系统设计原型， 浙江大学博七学位论文 包括整个网络系统的构架和主要的软、硬件模块设计，提出了一种图像采集传感 器节点和s i n k 节点的设计方案。本论文提出的图像采集传感器节点基于删9 嵌入式开发平台，采用具有i p v 6 网络协议的l i n u x 内核为操作系统，并用无线 u s bw i f i 网卡作为无线通信模块，具有高速无线传输的能力，s i n k 节点还具有 双通道c d m a 远程通信功能，主要功能包括图像采集、编码处理、无线联网通 信等，能够应用于环境探测、安防等场合。本论文提出的传感器节点设计原型属 于探索性研究，但可扩展性较好，能够进而开发成目标识别无线传感器网络系统 和低帧率需求的视频监控无线传感器网络系统。 1 4 论文研究方法 理论分析、计算机仿真与真实物理测试是研究与分析无线传感器网络的三种 主要技术手段。本论文的研究主要采取了理论研究的方法，采用仿真手段验证新 提出协议的正确性和有效性，同时准备将理论研究移植到实际的硬件平台中去验 证。因为无线传感器网络特别是高数据率无线传感器网络的研究成果目前还不是 太丰富，首先通过广泛了解国内外的最新研究进展，对先前的研究成果做一个总 结；然后提出了自己的研究方向，弥补前人工作的不足，同时对高数据率无线传 感器网络一些新的研究方向做一些开创性的研究；最后用软件仿真等实验手段来 比较分析新协议的性能。通过这样的个过程，加深对无线传感器网络的各个研 究领域的理解，同时对一些研究热点和研究新方向提出自己的创新性观点。 纵观目前无线传感器网络研究的特点，发现对其各个协议层次的研究比较零 碎，集中研究的领域涉及面较狭窄，尤其是成型的试验系统比较少。高数据率无 线传感器领域的研究目前还处于初级阶段，由于其独有的特点和严格的限制性。 使得传统口网络的各层协议并不能直接被采用。本论文的工作主要着眼于高数 据率无线传感器网络协议的研究，主要包括高数据率无线传感器网络的节能策略 和o o s 机制，提出了适合高数据率无线传感器网络的负载均衡和能量感知路由 协议、o o s 约束路由协议和多媒体无线传感器网络中高效的视频q o s 传输机制， 这几方面的研究都具有一定的创新性。同时本论文运用凸分析中的最优化理论和 排队模型对研究的问题建立了数学模型，应用蚁群算法等理论对高数据率无线传 感器网络的性能和协议进行分析，同时探讨基于i p v 6 的多媒体无线传感器网络 第一章绪论 试验平台，拟将理论成果用仿真研究和真实物理试验两个方面一起验证。由于无 线传感器网络的算法非常复杂，纯粹采用数学分析十分困难，同时大规模无线传 感器网络试验床却很少见，所以本论文的研究主要采用了计算机仿真的办法，主 要使用了m a t l a b 6 5 和n s 一2 两种仿真工具软件。m a t l a b l 5 】是目前使用最为 广泛的科学研究工具，是由美国m a t h w o r k s 公司开发的集数值计算、符号计算 和图形可视化三大基本功能于一体的，功能强大、操作简单的科研工程辅助工具， 这边不再赘述。n s 一2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r - 2 ) 1 6 1 是由u cb e r k e l e y 开发的基于事件驱 动的网络性能模拟软件，可用于模拟不同的i p 网络。n s - 2 采用离散事件驱动的 模拟机理( d i s c r e t ee v e n td r i v e n ) ，其中“事件”是指网络状态的变化，即只有网络 状态发生变化时，模拟机才工作，网络状态不发生变化的时间段不执行任何模拟 计算。因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。 选用n s 一2 作为本论文路由协议的仿真平台是因为n s 2 具有一些良好特性：免 费获取，便于扩充，使用灵活，参考资料多等。使用n s 2 进行仿真的主要流程 如下图所示： 图1 - 2 n s - 2 仿真流程 n s 2 对无线a d h o e 网络的支持基于卡内基一梅隆( c a r n e g i e m e l l o n ) 大学的 m o n a r c h 项目【7 】对n s 一2 的扩充。该扩充部分包括一套移动a d h o e 网络的路 由协议、b s d 机制的a r p 协议实现、i e e e8 0 2 1 1 协议实现以及两个无线信道传 播模