（计算机科学与技术专业论文）设备监控无线传感器网络路由协议的设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络是由数目众多资源有限的微小传感器节点自组织构成地多跳 无线网络。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，如环境监测、医疗护理、 空间探索等。设备状态监控是无线传感器网络的重要应用领域。本文面向设备监 控应用，进行了针对设备监控的无线传感器网络路由协议的设计与实现工作。 无线传感器网络中，路由协议主要负责管理与维护传感器节点与s i n k 之间信 息传递的路径，对传感器网络中信息的高效传递起着至关重要的作用。由于传感 器节点资源极其有限、无线通信环境干扰等特定条件约束，无线传感器网络中路 由协议设计时必须考虑节能、鲁棒性等因素。本文对现有的主流的无线传感器路 由协议进行了总结、分类与比较，并对协议评价参数与模拟仿真工具进行了简要 的介绍。 t i n y o s 是目前广泛应用的一个开源无线传感器网络专用操作系统。m i n t r o u t e 是t i n y o s 中自带的默认路由协议，它通过传统的最短路径优先机制实现了一套简 单、高效的路由协议。本文对m i n t r o u t e 路由协议的组件模型、核心路由算法进行 了详细的分析，并针对其在能量有效性和流量均衡分布上的不足，通过增加选择 性发送更新、等价父节点轮选的机制，在m i n t r o u t e 基础上提出并实现了一种新的 能量有效路由协议m i n t r o u t e e e 。实验结果表明，与m i n t r o u t e 协议相比，在 不影响路由性能的前提下，m i n t r o u t e e e 路由协议表现出了良好的节能特性。 针对设备监控类应用的特点，本文设计并实现了一种高可靠、能量高效的流 量控制路由协议t c r 。t c r 根据节点距s i n k 的跳步数将网络划分成不同的层 次，层内没有调度管理者，每个节点独立完成数据接收与转发。t c r 提供了简单 却有效的机制应对节点失效带来的路由更新、路径变化等问题。同时，t c r 还在 网络层提供了对数据传输的可靠性支持，有效保证了重要数据的持久性。t c r 提 供了两种感知数据回馈方式供用户选择，下层节点轮发的方式能够在网络内均衡 流量分布，延长网络生命周期，而最优路径优先的方式进一步提高了数据的回馈 速度，适合查询响应这类出现不频繁但对实时性要求极高的应用。 经m i e a z 节点实际部署实验表明，t c r 设计的路由建立和维护、轮发机制、 可靠性支持等机制均能有效应对网络生命周期内出现的各种问题，并在节能及延 长网络生命周期上有突出表现，基本达到了设计目标。 主题词：无线传感器网络，路由协议，能量有效性，可靠性，设备监控 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t aw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ( w s n ) i st y p i c a l l yas y s t e mc o n s i s t i n go f r e s o u r c e - c o n s t r a i n e dm i c r os e n s o rn o d e st h a ts e l f - o r g a n i z ei n t oam u l t i h o pw i r e l e s s n e t w o r k w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v ew i d ea p p l i c a t i o n ss u c h 弱e n v i r o n m e n t m o n i t o r i n g ，m e d i c a lc a r e ，s p a c ee x p l o r a t i o n , e t e e q u i p m e n t sm o n i t o r i n gi sa l li m p o r t a n t a p p l i c a t i o na r e ao fw s n t l l i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ni s s u e s o f r o u t i n gp r o t o c o l si nw s n s f o ra p p l i c a t i o n so f e q u i p m e n t sm o n i t o r i n g i nw s n s ，r o u t i n gp r o t o c o l sa r ew i t hr e s p o n s i b i l i t yf o rm a n a g i n ga n dm a i n t a i n i n g t h ep a t h sw h i c ha r eu s e dt ot r a n s f e rd a t ab e t w e e ns e n s o rn o d e sa n ds i n kn o d e ，a n dp l a y a l li m p o r t a n tr o l ei nh i g h - e f f i c i e n ti n f o r m a t i o nt r a n s f e ri nw s n s c o n s l r a i n e db ys e v e r a l l i m i t a t i o n s 。s u c ha sl i m i t e dr e s o u r c e so ns e n s o rn o d e sa n dt h ei n t e r f e r i n gi nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t , d e s i g na l le f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o l sf o rw s n si sn o te a s y ， i t sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rm a n yf a c t o r ss u c h 够e n e r g y - c o n s e r v i n g , r o b u s ta n ds oo n i n t h i sp a p e r , w ef i r s ts u r v e yt h em a i nr o u t i n gp r o t o c o l si nw s n s ，t h e ng i v ea b r i e f l y c l a s s i f i c a t i o na n dc o m p a r i s o nt ot h e s ep r o t o c o l s ，a n dw ei n t r o d u c e st h ee v a l u a t i o n p a r a m e t e r so f p r o t o c o l sa n ds i m u l a t i n gt o o l s t i n y o s ，w h i c hi ss p e c i f i c a l l yd e s i g n e df o rw s n s ，i so n eo ft h em o s tp o p u l a r o p e n - s o u r c eo p e r a t i n gs y s t e m m i n t p o u t ei st h ed e f a u l tr o u t i n gp r o t o c o li nt i n y o s i t i m p l e m e n t s as i m p l eb u th i g h - e f f i c i e n t r o u t i n gp r o t o c o l w i t ht h et r a d i t i o n a l s h o r t e s t - p a t h f i r s tm e c h a n i s m 1 k sp a p e ra n a l y z e st h ec o m p o n e n tm o d e la n dt h ec o r e r o u t i n ga l g o r i t h m b ya d d i n gn e wm e c h a n i s m ss u c ha ss e l e c t i v eu p d a t es e n d i n ga n d e l e c t i n ge q u i v a l e n tf a t h e r si nt u r n , i ti m p l e m e n t sa n e w e n e r g y e f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o l c a l l e dm i n t r o u t e e e 。w h i c ho v e r c o m e st h el a c k so fe n e r g y e 伍c i e n c ya n dt r a f f i c u n i f o r md i s t r i b u t i o ni nm i n t r o u t e 耵l er e s u l t so fe x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a t 埘mn o a f f e c t i o no nr o u t i n gp e r f o r m a n c e ，m i n t r o u t e e ed o e sb e t t e ri nc o n s e r v i n ge n e r g y c o m p a r i n g t om i n t r o u t e a g a i n s t t h et r a i t so ft h ee q u i p m e n t sm o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n d i m p l e m e n t sat r a f f i cc o n t r o lr o u t i n gp r o t o c o lc a l l e dt c w h i c hf e a t u r e s 、；l ，i t i lh i 曲 r e l i a b i l i t ya n dh i g he n e r g y - e f f i c i e n c y ，t c rd i v i d e st h en o d e si nt h en e t w o r k si n t o d i f f e r e n tl e v e l sa c c o r d i n gt ot h e i rd i s t a n c e sf r o ms i n kn o d e t h e r ei sn om a n a g e ri na l e v e la n de v e r yn o d eu n d e r t a k e st h es a m ew o kn a m e l yd a t ar e c e i v i n ga n dr e l a y i n g t c rp r o v i d e ss i m p l eb u te f f e c t i v em e c h a n i s mt oc o p ew i t ht h ep r o b l e m ss u c h 豁 r o u t i n gu p d a t e ，p a t hf a i l u r e ，w h i c ha r ec a u s e db yn o d e sf a i l u r e t c ra l s op r o v i d e s r e l i a b l et r a n s m i s s i o ni nn e t w o r kl a y e r , w h i c hg u a r a n t e e st h ep e r s i s t e n c eo f t h ei m p o r t a n t d a m t c rp r o v i d e st w od a t ad e l i v e r ym o d e l st ot h es i n k o n ei ss e n d i n gt ot h eu p l e v e l n o d e si nt u r n sw h i c hc o u l db a l a n c et r a f f i cd i s t r i b u t i o na n dm a x i m i z et h en e t w o r k l i f e t i m e n l eo t h e ri st h eb e s tp a t hf i r s t , w h i c hc o u l dc n h a n c et h es p e e do fs e n d i n gb a c k 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 l h es e c o n dm o d es t a t st h ea p p h c a t l o ns u c ha sq u e r y - r e s p o n s ew h i c hs e l d o ma p p e a r s b u tn e e d sr e a l - t i m e i no u rl a b ，w eh a v ed e p l o y e da l le x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n tc o n s t r u c t e db ym i c a z n o d e s ，a n dd i ds e v e r a lt e s t sf o rt c r w eh a v ev a l i d a t e dt h a te a c hm e c h a n i s mo fo u r d e s i g ns c h e m ei nt c rc o u l dc o p ew i t ht h ec o r r e s p o n d i n gp r o b l e m s e s p e c i a l l y , t h e p r o t o c o lh a sp r o m i n e n tp e r f o r m a n c ei nc o n s e r v i n ge n e r g ya n dm a x i m i z i n gt h en e t w o r k l i f e t i m e t h er e s u l ts h o w st h a tt c rc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h ep r o j e c t k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko n s n ) ，r o u t i n gp r o t o c o l e n e r g y e f f i c i e n c y ，r e l i a b i l i t y e q u i p m e n t sm o n i t o r i n g 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 袁j r 就发模式下中继节点接收报文数比较4 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图2 1 无线传感器网络体系结构4 图2 2 传感器节点体系结构5 图2 3 无线传感器网络协议栈。 图2 4d i r e c t e dd i f f u s i o n 算法流程1 2 图2 5 数据漏斗算法感知数据回馈模型1 3 图3 1t m y o s 系统网络协议栈模块结构1 8 图3 2m i c a z 平台t i n y o s 协议栈模块结构 图3 38 0 2 1 5 4 物理层数据帧结构 图3 4t i n y o s 消息报文结构和长度分配 1 9 2 0 2 0 图3 5t 奶，v i z - t o s s d v i 的可视化模拟环境2 3 图3 6m i n t r o u t e 组件结构图 图3 7 选择性周期发送应对邻居表失效问题 图3 8 平均更新报文数目 2 6 2 8 图3 9 总更新报文数目2 8 图4 1 设备监控系统布局图 图4 2 c o m m 模块结构图 3 0 。3 4 图4 3 路由广播报文结构3 6 图4 4 查询广播报文结构。 图4 5 数据报文结构。 图4 6 数据接收应答报文结构 图4 7 邻居表结构 图5 1 路由广播测试拓扑结构 图5 2 路由维护测试 图5 3 轮发机制验证拓扑结构 3 6 ，3 6 图5 4 网络层可靠性验证拓扑结构4 5 图5 5 可靠性验证实验4 6 图5 6m o s 与m i n t r o u t e e e 路由收敛速度对比4 7 图5 7m o s 与m i n t r o u t e e e 在l 号节点拓扑响应速度对比 图5 8m o s 与m i n t r o u t e e e 在2 号节点拓扑响应速度对比4 8 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师指导下进行的研究工作及取得的研 ：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巴 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 或证书面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 ，作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：亟查监控五缉篮盛墨圜釜整由址这鲍盗i 土墨塞趣 学位论文：f # 者签名：二l 盘 日期：枷6 年f 二月f 。日 学位论文版权使用授权书 本人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 扩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 午论文被查阕和借阅；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用本授权书) 学位论文题目：盗釜监控丕绫篮盛墨圜釜整由谜这数遮盐主塞煎 学位论文作者签名：l 盖 日期：硼巧年1 ，月j o 日 作者指导教师签名：- 二鹚一轧 日期：嘭年l 月，口日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 早在上世纪7 0 年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制 器而构成传感器网络雏形，通常把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的 的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力， 并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是 第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络， 人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连 接，无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，简称w s n s ) 逐渐形成。 无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、 生物医疗、环境监测、抢险救灾、区域远程控制等诸多领域都具有潜在的实用价 值，因此无线传感器网络被认为是2 1 世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来 的生活方式产生巨大影响。美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未柬技术发展的 报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响力的2 1 项技术和改变世界 的l o 大技术之- - t ”。传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来 的三大高科技产业。 1 , 1 课题背景 现代机电设备变得越来越复杂，使德健康监控、预测和故障诊断的需求越来 越迫切。而状态特征信号的有效测试和传输，是复杂设备监控，诊断和维修管理 中必须解决的重点和难点问题之一。为解决这一问题，大量传感器被安装到设备 上或设备内部，以感知关键部位的温度、振动、压力等物理信息和工作过程参数。 当前，为了对测量的信号进行处理，这些物理参数一般通过多组导线或电缆传输 到中心处理单元，以实现设备状态监测、故障诊断或健康预测。 但是使用有线系统会给检测工作带来许多困难，目前设备健康监控系统就存 在以下几个主要问题： ( 1 ) 测试性设计不足，有效的监控和故障预测需要增加新的测点。 ( 2 ) 大量传感器的安装往往受连接电缆重量和费用的限制。 ( 3 ) 大量布线对原系统的潜在危险和工作量严重影响了监控系统的可实现性。 ( 4 ) 难以接近的位置，如旋转机械转动部分、危险区域及运动的设备，无法对 传感器进行有线连接。 ( 5 ) 无冗余监控系统传感通道的丧失将严重影响系统的可信性。 面对上述问题，一个可实现的解决方案就是使用无线传感器网络替代传统的 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 有线设备。无线传感器网络具有规模大，造价低，网络自组织，可多角度高精度 采集冗余信息，动态性可重构和以数据为中心等特点【2 】引入无线传感器网络有望 解决复杂系统健康监控中特征信号难以获取的问题，提高监控系统的可用性。然 而，无论在国内还是国外，无线传感器网络都是一个新兴的技术，具有应用特定 性。虽然众多科研学者针对该网络特点做出了大量的研究，但要实现一个可用的 面向设备监控的无线传感器网络仍然有许多工作要细化。不仅要选取合适的硬件 设备构建系统的底层平台，更要设计相应的软件保证网络的可靠有效运作。 1 2 课题研究内容 本课题目的主要瞄准船舶动力装置健康监控与故障诊断的技术需求，以传动 系统转子为具体检测对象，在实验室构建一个2 0 个左右节点的无线传感器网络监 控诊断演示系统，并在其上设计实现一套完整的路由协议。由于无线传感器网络 具有许多不同于传统有线网络的特点，如：通信带宽低、通信距离短、计算存储 能力低、能量有限等，因此传统有线网络中的路由协议并不完全适用于无线传感 器网络，需要重新设计实现目标应用下的传感网路由协议，并实现与下层m a c 层 的协同工作。具体研究内容包括： ( 1 ) 现有无线传感器网络路由协议的分类研究。主要研究现有的各种无线传感 器网络路由协议，包括核心路由算法、工作模式、适用节点规模的分析工 作等，并对这些路由协议做出合理的归类划分。 ( 2 ) 实验平台特点与路由协议设计需求研究。主要研究分析本实验平台所在的 应用环境下数据传输的特点和需求，根据( 1 ) 的研究结果确定所需路由协议 的类型，参考该类型下现有路由协议的特点设计自己的路由协议。 ( 3 ) 基于m i c a z 节点硬件平台【5 】和t i i l y o s 【3 】操作系统平台的路由协议的设计 研究。主要研究m i c a z 节点的硬件结构和基于该硬件平台的操作系统 t m y o s 下的网络协议栈和软件开发环境，初步改良实现一个路由协议。 ( 4 ) 基于m a n t i so s ( m o s ) 【4 】操作系统平台的路由协议研究。主要以自主 设计的节点硬件平台为目标，以m o s 系统为基础设计开发一套适用于设 备监控的无线传感器网络路由协议。 1 3 课题研究主要成果 在本课题的研究中主要取得了以下成果： ( 1 ) 完成了对现有无线传感器网络路由协议的分类工作，根据实验平台的特点 选择了平面型路由协议作为开发原型，并提出了平面型路由协议的分类标 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 准以及路由协议性能评测标准。 ( 2 ) 通过研究m i c a z 平台特点改进t i n y o s 下的m i n t r o u t e 路由协议，提出并 实现了一种具有能量有效性的路由协议m i n t r o u t e e e ( m i n t r o u t e e n e r g y - e f f i c i e n t ) ( 3 ) 以自主开发节点为目标运行平台，针对m o s 系统特点设计实现了一种名 为t r a 瓶c c t l r o u t e ( t c r ) 的具有流量控制机制的路由协议。 1 4 论文组织结构 第一章介绍课题的研究背景、研究内容以及课题研究主要成果。 第二章介绍无线传感器网络的相关工作。包括无线传感器网络体系结构及特 点、无线传感器网络研究进展、无线传感器网络通信协议栈、无线传感器网络路 由协议设计的难点和挑战、无线传感器网络路由协议分类与典型协议分析、协议 评价参数以及评测工具介绍。 第三章介绍设备监控的无线传感器网络系统的架构和设计需求。包括系统的 整体方案和实现功能，设备监控与故障检测系统下路由设计目标分析，系统开发 环境。 第四章介绍t i n y o s 系统和开发环境以及其下的一种改进型路由协议 n m r o u t e e e 。 第五章介绍m o s 系统下的一种带流量控制机制的路由协议t c r 。 第六章给出了t c r 的测试结果。 最后是结束语和致谢。 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章相关工作 2 1 无线传感器网络体系结构及特点 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信 能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节 点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处 理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他 节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是无线传感器网络研 究的重点。 2 1 1 无线传感器网络体系结构 图2 1 展示了一种无线传感器网络的体系结构。如图所示，无线传感器网络系 统通常包括传感器节点、汇聚节点( s i n k n o d e ) 和管理节点。成千上万的传感器节 点被部署在目标区域，节点问协同工作每个节点都具有执行数据采集、数据路 由以及数据无线发送的功能。当目标事件发生或监控对象出现后，感知节点就将 采集的数据经网内节点中继发往一个外部的s i n k 节点。s i n k 节点是一个固定的或 者可移动的节点，它可以是个普通节点，也可以具有更多的能量，更强大的处理、 存储能力，更繁多的通讯手段以及更长的通信距离。当数据到达s i n k 节点后，s i n k 节点或将数据通过有线网络( 如互连网) 传输给用户，或通过卫星中继发回远方 的地面基站。 监测区域传感器节点 图2 1 无线传感器网络体系结构 针对不同的应用，无线传感器网络节点的组成不尽相同，一般都由传感器模 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，此外还可以根据任 务需要选择添加定位和移动装置，如图2 2 所示。传感器模块负责监测区域内的信 息采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理自 身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进 行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；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；定位系统的部件用来确定节点的位置信息， 移动装置提供了节点的移动能力，二者均为可选配置。 图2 2 传感器节点体系结构 2 1 2 无线传感器网络的特点 同样以无线方式通信，无线传感器网络与现有无线网络有相似之处，但同时 也存在很大的差别。 无线传感器网络与传统无线网络的区别：无线传感器网络与传统的无线网 络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络) 有着不同的设计目标，后者在高度移 动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用 户提供一定的服务质量保证。而在无线传感器网络中，除了少数节点需要 移动之外，大部分节点都是静止的。通常传感器网络工作在人无法接近的 恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，因此设计有效的延长网络的 生命周期成为无线传感器网络的核心问题。 无线传感器网络与无线自组网( a d - h o e ) 的区别：无线自组网是一个由几 十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性 对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求 的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。而无线传感器网络是集 成了监测、控制以及无线通信的网络系统。节点数目更为庞大( 上千甚至 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 上万) ，节点分布更为密集，由于环境影响和能量限制，节点更容易出现 故障，造成网络拓扑结构的变化。 总而言之，传统无线网络的首要设计目标是提高服务质量和高效的带宽利用， 其次才考虑节约能源：而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这也是 传感器网络和传统网络最重要的区别之一。 2 2 无线传感器网络研究进展概述 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 l 世纪开始，传感器网络 引起了学术界、军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线 传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投 入巨资支持传感器网络技术的研究。 2 2 1 国内研究进展 国内中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电子 所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、 北京邮电大学、西北工业大学，天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展 了传感器网络的研究。 哈尔滨工业大学主要进行数据管理和无线图像传感器方面的研究。中科院上 海微系统所已研制出多种通信方式的无线监控网络，并建立了宁波北仑区的综合 传感网工程，其中市政监控传感网、环保传感网、水利传感网已建成并投入使用， 嘉兴航运传感网系统示范工程已投入使用，上海浦东机场二期电子围界建设项目 已在规划中。中科院沈阳自动化所主要从事水下传感器网络的研究。 2 2 2 国外研究进展 传感器网络的挑战性也为研究人员提供了广阔的研究空间。虽然美国很早就 开始这方面的研究，但直到近几年，这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬勃 开展起来。美国政府也斥巨资支持这方面的研究。例如，美国自然科学基金委员 会2 0 0 3 年制定了传感器网络研究计划，投资3 4 0 0 万美元，支持相关基础理论的 研究。美国国防部在无线传感器网络方面的研究投入更为巨大，美国国防部和各 军事部门较早开始启动传感器网络的研究，在c 4 i s r 的基础上提出了c 4 k i s r 计 划，强调战场情报的获取能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网 络作为一个重要研究领域，设立了一系列军事传感器网络研究项目。特别是在2 0 0 6 年，美国陆军研究实验室和英国国防部授予m m 公司一份1 3 5 亿美元的合同，为 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 美英两国军方之间的通信研发安全的无线技术和传感器网络技术。此外，美国的 很多大学都已开展传感器网络的研究。美国英特尔公司、美国微软公司等信息工 业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，设立或启动了相应的行动计划。日本、 英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现了极大的兴趣，纷纷展开了该领 域的研究工作。有代表性的应用如下： 1 军事领域 美国海军确定的“传感器组网系统”研究项目。传感器组网系统的核心是一 套实时数据库管理系统。利用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息 进行管理，管理工作只需一台专用的商用便携机，无需其他专用设备。该系统以 现有带宽进行通信，并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信 息。该系统可部署到各级指挥单位。 美国国防部高级研究计划局d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t s a g e n c y ) 推动的网络嵌入式系统技术n e s t ( n e t w o r ke m b e d e ds y s t e m t e c h n o l o g y ) 。目前正在进行城市作战试验，包括利用传感器网络定位敌方射手等 内容。 2 民用领域 无线传感器网络在民用领域的应用主要有2 0 0 2 年伯克利的研究人员在大班岛 上部属的用于监测风暴海燕( s t o r mp e t r e l ) 的传感器网络g d i ( g r e a td u c k i s l a n d ) 系统；由美国国家气象局开发，用于监测气象、水文信息，并进行洪水预 报的a l e r t ；用于人造视网膜的s s i m ( s m a r t s e n s o r s a n d i n t e g r a t e d m i c r o s y s t e m s ) 工程等等。 2 3 无线传感器网络通信协议栈介绍 分层的无线传感器网络通信协议栈由物理层、数据链路层、网络层、传输层 和应用层组成，如图2 3 所示。物理层实现信道的选择、无线信号的监测、信号的 发送与接收等功能。数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能， 使之对网络显现为一条无错链路。该层又可细分为媒体访问控制( m a c ) 子层和 逻辑链路控制子层。其中媒体访问控制层规定了不同的用户如何共享可用的信道 资源。逻辑链路控制子层负责向网络提供统一的服务接口。网络层的主要功能包 括分组路由、网络互联、拥塞控制等。传输层负责数据流的传输控制，提供可靠 的、开销合理的数据传输服务，即如果应用层需要，传输层起到协作维护数据流 的作用。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据 传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持， 如基于时分复用的m a c 协议，基于地理位置信息的路由协议等，因此图2 3 中用 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 倒l 型描述这两个功能子层。 厂l 上层应用 i 姗层l 赢蒜丁鬲i：时间同步： 定位 ： 传输层 l 臣登习ii 网络层i；厂1 确r ：i 数据链路层l ii 厂i 蕊石网 ； i - - 一l 1 - - - - - - - - - - - - - - - - j l - - - - - 、- - - - j l 锻层l 二 卫 图2 3 无线传感器网络协议栈 2 4 无线传感器网络路由协议设计的难点和挑战 无线传感器网络自身存在许多缺陷，如能量有限、计算资源有限、通信带宽 有限、通信距离有限、通信串扰等。因此在设计路由协议时，需要考虑很多因素。 下面将着重介绍路由协议设计中需要解决的问题以及影响协议性能的因素。 能量有效性( e n e r g y e f f i c i e n t ) ：路由协议设计时首先应该考虑能量有效性 【日问题，目的是节能。可以通过减少通信开销和提高能量利用效率实现。 如由于无线信号传送消耗的能量和传送距离的平方成正比( 当出现干扰时 可能更高) ，当网络规模庞大时，网内数据传输可以采用多跳转发，但多 跳转发会带来拓扑管理，传输控制的额外开销；当网络规模不大时，可以 考虑感知节点直接与s i n k 通信。 部署方式：部署方式可分为预先设定和自组织两类。在预先设定方式下， 节点由人工部署，采集到的数据按照设计好的路径传输，这种方式简单， 可靠性较高，不需要复杂的路由维护机制。比如楼房或城市监控系统就可 以采用预设定网络。在自组织方式中，节点被抛撤在目标区域附近。节点 间自组成网，协同工作，网内数据多采用多跳方式转发。 感知模式：无线传感器网络可以应用于目标监测任务。目标事件根据应用 的不同可划分为两类：动态事件和静态事件。比如，在运动目标追踪中， 被监测事件是动态的；而在森林火灾监控预警应用中，被监测事件就是静 态的。监测动态事件要求感知节点周期性地报告并持续性地向s i n k 节点发 送数据。监测静态事件则允许网络工作在反应激活模式。当目标出现后， 启动报告机制。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 数据回馈模型：所谓数据回馈模型，即是指节点将感知数据发回s i n k 节点 的数据传输方式。数据回馈模型分为四种：连续型、事件驱动型、查询驱 动型和混合型【8 】。连续型模型中，感知节点周期性的回馈数据；在事件驱 动模型和查询驱动模型中，当且仅当目标事件出现或s i n k 节点产生查询时， 感知节点回馈数据；混合机制则混合使用了连续，事件驱动和查询驱动三 类模型。传感器网络的应用决定数据回馈模型的选用。而数掘回馈模型则 决定路由协议的设计。 节点标识：用具体的节点位置信息作为节点标识符进行路由，一方面可以 解决i d 分配问题，另一方面也可以满足要求精确定位目标事件的部分监控 应用需求。实现上，为节点硬件平台增加g p s 组件，不仅快捷，而且精确， 但是会增加成本和硬件复杂度。目前出现了几种替代方案，如 9 】提出了一 种基于信号强度地测量进行定位的算法；【1o 】同时使用可移动机器人和信 号强度测量完成定位；而 1 1 】则组织了一套完善的虚拟极坐标，使整个路 由得以摆脱物理位置的束缚。 数据融合( d a t a a g g r e g a t i o n ) ：在监测感知任务中，如不增加特殊机制， 目标事件附近的节点均会感知并回馈数据。回馈数据大量近似从而形成冗 余。对冗余数据进行筛选、整合、压缩等操作就构成了数据融合机制。采 用数据融合机制能有效降低通信量，从而减少通信开销，实现节能。 节点类型异构：早期的研究认为【1 2 】【埘，传感器网络由于部署的节点不同而 具有不同的功能，但同一网络内的节点功能上是同构的。随着技术的进步， 更多功能被整合到了一个节点之上。使用整合节点可以提升传感器网络的 功能，但是能耗也将大幅增加。实际应用中，将分别具有中继、感知、数 据融合等不同功能的节点统一部署，协同工作，在能量利用效率上将会比 使用整合节点更高。但是随着部署节点种类的多样化，不同节点采集的数 据不同、通信所需带宽不同、数据发送的速率和频率不同、对延时的要求 也不同，从而引发了q o s t l 4 增一系列问题。此外，如何部署多种类节点也 是一个问题。 网络的鲁棒性：大多数无线传感器网络应用中，传感器节点是静止的，但 在某些时候，部分节点( 如s i n k ) 可能要求具有一定的移动性。而对于部 署在野外的传感器网络，节点可能因为地理变化( 如地震) 等原因“失踪” 或因为能量耗尽“死亡”。一旦数据传输主干路径上出现节点消失，路由 协议则必须具有处理这种突发情况的能力。当前已出现的路径恢复技术有 1 1 5 1 6 1 7 等。 网络的安全性：军事领域的应用对无线传感器网络提出了安全性的要求 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 1 1 s 【1 9 1 1 2 0 1 。限于无线传感器网络自身的条件制约，安全策略不应给协议增加 过大的额外开销，但是简陋的机制又无法保证网络的安全。因此，如何平 衡安全与能量效率之间的关系也是路由面临的挑战。 数据存储方式：传感器网络主要有三种存储监测数据的主要方式，分别是 本地存储( 1 0 c a ls t o r a g e ) 、外部存储( e x t e r n a ls t o r a g e ) 和数掘为中心存储 ( d a t a - c e n t r i es t o r a g e ) j 。本地存储方式中，节点首先将监测数据保存在 本地存储器中，并在收到查询命令后，将相关数据发送给s i n k 节点。在外 部存储方式下，节点在获得监测数据后，不论s i n k 节点目前是否对该数据 感兴趣，都主动地把数据发送给s i n k 节点。在数据为中心存储方式下，首 先对可能的监测事件进行命名，然后按照一定的策略将每一个事件映射到 一个地理位置上，距离这个位置最近的节点作为该事件的负责节点。节点 在监测到事件后，把相关数据发送到映射位置。负责节点接收数据，进行 数据融合并存储在本地。 2 5 无线传感器网络路由协议分类与典型协议分析 2 5 1 无线传感器网络路由协议分类 文献 2 2 1 根据网络的体系结构，将无线传感器网络路由协议主要分为三大类： 平面型( f l a t - b a s e d ) ，层次型( 或称为分簇型h i e r a r c h i c a l b a s e d ) 和基于位置信息 ( 1 0 c a t i o n - b a s e d ) 。平面型网络结构中节点同构，网内所有节点工作时扮演相似的 角色，具有相似的功能。平面型网络结构可以为应用提供