（计算机科学与技术专业论文）无线传感器网络系统可靠性保证技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 摘要 无线传感器网络因其极低的功耗 无线自组织通信等优点 在环境监测 交 通管理 国防安全等民用和军事领域有着广泛的应用前景 由于部署环境恶劣 节点能力受限等原因 可靠性成为目前无线传感器网络系统设计中所面临的重大 挑战 针对此挑战 本文从网络和系统两个层面对无线传感器网络系统可靠性保 证技术进行研究 在网络层面 首先 传输可靠性保证 应用层数据量变化等原因导致传感器 节点传输工作量频繁发生改变 从而形成异构汇聚传输 因此要求m a c 协议能 够根据节点工作量调整其时间调度 针对此问题 开展支持跨层调度优化的无线 传感器网络m a c 协议研究 提出了面向异构汇聚传输的工作量感知m a c 协议 w m a c 设计了基于子树工作量收集的无冲突时间片调度方法和低开销快速调 度调整机制 从而在异构汇聚传输中最小化节点功耗并达到极低的数据传输延 时 其次 开展网络组织和数据传输可靠性保证技术研究 一方面 针对现有无 线传感器网络在修复因节点变动 通信故障等原因导致的网络组织错误时功耗较 高的缺点 提出了工作周期自适应的低功耗网络组织修复方法 e n o r s 通过 动态调整控制包监听占空比 有效平衡了网络组织修复的功耗和速度 另一方面 针对现有f e c 方法无法有效保证端到端数据传输可靠性的缺点 提出了逐跳自适 应f e c 数据传输可靠性保证方法 r a h 该方法将端到端数据传输可靠性需求分 配到数据传输链路上的每一跳 并令每跳节点通过基于2 级p i d 控制的f e c 码率 调整策略优化f e c 码率 从而在保证端到端数据传输可靠性的前提下 最小化冗 余数据传输开销 在系统层面 为预防故障并在故障发生时修复系统 在无线传感器网络生命 周期的各个阶段 包括测试 部署和维护中 需要进行大量的人机交互操作 不 同的操作要求传感器节点具备不同的行为表现来配合 其中某些行为表现要求甚 至是相互冲突的 为解决此问题 通过对生命周期中人机交互操作的行为特性进 浙江大学博士学位论文摘要 行抽象 引入工作模式的概念 并采用此概念 设计了基于行为模式分组的无线 传感器网络中间件 m e a n 在不同工作模式中管理节点上各种应用程序的执行 与挂起 并控制节点行为 以满足人机交互和数据采集操作的需求 该中间件所 提供的应用程序组织和切换基础策略 服务和模块 可有效提高节点软件的开发 效率和可扩展性 最后 应用上述网络组织可靠性保证和中间件等技术 开发了敦煌莫高窟微 气象环境监测系统 根据应用需求 设计了多层次的网络架构和各种软硬件设备 通过2 年以上时间的长期运行 验证了系统设计和所提出技术的有效性 未来的研究方向包括 优化e n o r s 中动态间歇工作周期调整机制 优化 r a h 中数据传输可靠性需求分配机制 联合路由层优化 在保证数据传输可靠性 的同时 进一步延长网络寿命以及进一步在应用中验证已提出的技术 关键词 无线传感器网络 可靠性保证 m a c 协议 网络组织修复 可靠数据 传输 中间件 a b s t r a c t l e s ss e 璐0 rn 帆o r k s w s n s h a v eb e e na n d w i l lc o n t i n u et ob ea p p l l e dt oa w i d em n g e0 fc i v i la n dm i l i t 叫a r e a s m n g m gf r o me n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g 仃a i t l c m a n a g e m e n t t on a t i o n a ld e f e n s ea n ds e c u r i t y f o rt h e i rl o w e n e r g yc o n s u m p n o na n d s e l f o r g 碰z e dc h a r a c t e r i s t i c s b e c a u s e o ft h eh a r s hd e p l o y m e n te n v l r o n m e n ta n d l i m i t e dn o d ec a p a b i l i t y r e l i a b i l i t yh a s b e c o m eag r e a tc h a l l e n g ei nw s n s y s t 锄d e s l g n 1 0a d d r e s st h i sc h a l l e n g e t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so ni n v e s t i g a t i n gt e c h m q u e st 0 e n s u r et h er e l i a b l eo p e r a t i o no fw s n s y s t e m sa tb o t hn e t w o r k i n g a n ds y s t e ml e v e l s a tt h en e 觚o r k j n gl e v e l f u s t l y b o t ht r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya s s u r a n c e s c h e m ea n d a p p l i c a t i o nd a t at r a f f i cv a r i a t i o nw i l lc a u s e t h ew o r k l o a do fn o d et oc h a n g e 丘e q u e n t l y w h i c hr e s u l t si nh e t e r o g e n e o u sc o n v e r g e c a s t t oa l l e v i a t et h ep r o b l e m m a c p r o t o c o l s h a l la d i u s ti t so p e r a t i o n a ls c h e d u l e a c c o r d i n gt o t h en o d e s w o r i l o a d i n 也1 s d i s s e r t a t i o n m a cs c h e m es u p p o r t i n gc r o s s l a y e rs c h e d u l eo p t i m i z a t i o n w a ss t u d i e d a n dw m a c aw o r k l o a d a w a r em a cp r o t o c o lf o rh e t e r o g e n e o u sc o n v e r g e c a s t w a s 何0 p o s e d c o l l i s i o n f r e et i m es l i c es c h e d u l i n gm e c h a n i s m b a s e do l ls u b t r c ew o r k l o a d c o l l e c t i 呱a n dl o w o v e r h e a dh i g h s p e e d s c h e d u l i n ga d j u s t m e n t m e c h 觚1 s mw 哦 d e s i g n e dt 0m i n i m i z et h ep o w e rc o n s u m p t i o no fn o d e s a n da c h i e v e u l t r a l o wd a t a 仃a n s m i s s i o nl a t e n c yi nh e t e r o g e n e o u sc o n v e r g e c a s t a f t e ri n v e s t i g a t i n g t h em a c s c h e d u l i n n e t l o r k0 r g a n i z a t i o na n d d a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya s s u r a n c es c h e m e s w e r es t u d i e d 0 no n eh a n d e x i s t i n gm e t h o d sr e p a i rn e t w o r k o r g a n i z a t i o ne r r o r sc a u s e d b vn o d eo rc o 仃m l u n i c a t i o nf a i l u r e sa tt h ec o s to f h i g he n e r g yc o n s u m p t l o n t oa d d r e s s t h i si s s u e e n o r s a ne n e r j g y e f f i c i e n tn e t w o r ko r g a n i z a t i o nr e p a i rs c h e m e b a s e do n a d a p t i v ew o r k i n gc y c l e w a sp r o p o s e d e n o r sa c h i e v e s ag o o db a l a n c eb e 押e e n d o w e rc o n s u m p t i o na n dr e p a i rs p e e db yd y n a m i c a l l y a d j u s t i n gt h e 蛳c y c l em c o n 仃0 lp a c k e tl i s t e n i n g o nt h eo t h e rh a n d e x i s t i n gf e c s c h e m e sc a nn o te n 眦t n e e n d t 0 一e n d 讹m s m i s s i o nr e l i a b i l i t y t oa c h i e v er e l i a b l et r a n s m i s s i o n r a h a 批 仃a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya s s u r a n c es c h e m eb a s e do nh o p b y h o pa d a p t i v e f e c w a s p r o p o s e d r a hd i s t r i b u t e st h ee n d t o e n d d a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y 陀q u i r 锄e n tt o v 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t e a c hh o po nt h ed a t ad e l i v e r yp a t h a n dl e t se a c hn o d eo nt h ep a t ht oo p t i m i z ei t sf e c r a t eb ye m p l o y i n gaf e cr a t ea d j u s t m e n tm e c h a n i s mb a s e do i lt w o l e v e lp i dc o n t r 0 1 t h e r e f o r e t h ee n d t o e n dd a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yi se n s u r e d a n dt h eo v e r h e a do f r e d u n d a n td a t at r a n s m i s s i o ni sm i n i m i z e d a tt h es y s t e ml e v e l i no r d e rt or e d u c et h ec h a n c eo fs y s t e mf a i l u r e sa n dt or e s t o r e t h es y s t e ma f t e raf a i l u r eo c c u r s m a n yh u m a n n o d ei n t e r a c t i o no p e r a t i o n sa r er e q u i r e d t h r o u g h o u tt h ef u l ll i f ec y c l eo faw s ns y s t e m w h i c hi n c l u d e st e s t i n g d e p l o y m e n t a n dm a i n t e n a n c e d i f f e r e n to p e r a t i o n sr e q u i r et h en o d et ob e h a v ed i f f e r e n t l y a n dp a r t o ft h er e q u i r e m e n t se v e nc o n f l i c tw i t he a c ho t h e r t os o l v et h i si s s u e t h ec o n c e p t i o no f w o r k i n gm o d e w h i c hp r o v i d e sa na b s t r a c to nt h eb e h a v i o rp a t t e m so fh u m a n n o d e i n t e r a c t i o no p e r a t i o n si nt h el i f ec y c l eo faw s n s y s t e m w a si n t r o d u c e d a d o p t i n gt h e c o n c e p t i o no fw o r k i n gm o d e m e a n aw s nm i d d l e w a r et h a tg r o u p sa p p l i c a t i o n p r o g r a m sb a s e do i lb e h a v i o rp a r e r n s w a sd e s i g n e d t h ep r o p o s e dm i d d l e w a r e m a n a g e st h er u n n i n ga n ds u s p e n d i n go fa p p l i c a t i o np r o g r a m si nd i f f e r e n tw o r k i n g m o d e s a n dc o n t r o l st h eb e h a v i o ro fan o d e t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh u m a n n o d e i n t e r a c t i o na n dd a t ac o l l e c t i o no p e r a t i o n s a tt h es a m et i m e t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m o r g a n i z a t i o n a n d s w i t c h i n gs t r a t e g i e s s e r v i c e sa n dm o d u l e sp r o v i d e db yt h e m i d d l e w a r ew i l lg r e a t l yi n c r e a s et h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c ya n dt h ee x t e n s i b i l i t yo f n o d es o f t w a r e a tl a s t b ya p p l y i n gt h ep r o p o s e dt e c h n i q u e s i n c l u d i n gt h en e t w o r ko r g a n i z a t i o n r e l i a b i l i t y a s s u r a n c es c h e m ea n dt h em i d d l e w a r e aw i r e l e s ss e n s o rs y s t e mf o r l o n g t e r m m i c r o c l i m a t em o n i t o r i n ga tm o g a og r o t t o e sw a sb u i l t t om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fh e r i t a g em o n i t o r i n g at i e r e dc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r ea n ds p e c i f i c h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ed e v e l o p e d t h ed e p l o y e ds y s t e mh a sb e e nr u n n i n gf o r m o r et h a n2y e a r s w h i c hv e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g no ft h es y s t e ma n d p r o p o s e dt e c h n i q u e s f u t u r ed i r e c t i o n s i n c l u d e o p t i m i z i n gd y n a m i cw o r k i n gc y c l ea d j u s t m e n t m e c h a n i s mi ne n o r s o p t i m i z i n gt h ed a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t d i s t r i b u t i o nm e c h a n i s mi nr a h t a k i n gr o u t i n gi n t oc o n s i d e r a t i o nt op r o l o n gt h e n e t w o r kl i f e t i m ew h i l ee n s u r i n gd a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y a n de v a l u a t i n gt h e 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t p r o p o s e ds c h e m e sf u r t h e ri na p p l i c a t i o n s k e y w o r d s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s r e l i a b i l i t ya s s u r a n c e m a cp r o t o c o l n e t w o r k o r g a n i z a t i o nr e p a i r r e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n m i d d l e w a r e 浙江大学博士学位论文图目录 图目录 图1 1 无线传感器网络生命周期 6 图1 2 论文研究内容关系图 9 图2 1 数据转发中断问题 18 图2 2p s f q 逐跳重传 2 4 图2 3f e c 码率调整 2 5 图3 1w m a c 调度顺序 31 图3 2 控制时间调度 3 3 图3 3 单汇聚传输数据时间调度 3 5 图3 4 多汇聚传输数据时间调度 3 6 图3 5 节点时间片计算和时间池分配过程 3 7 图3 6 节点数据量变化调度调整 3 9 图3 7 数据时间调度性能对比 4 2 图3 8 采用数据分组打包时w m a c 的性能 4 3 图3 9l l m a c 与w m a c 控制开销对比 4 4 图3 1 0m s t n 与w m a c 调度调整开销对比 4 5 图4 1 网络组织修复节点状态模型 4 8 图4 2e n o r s 中的时序关系 5 0 图4 3e n o r s 中的修复延时 5 0 图4 4 动态e n o r s 中的 c 调整 5 2 图4 5 长时间网络组织错误场景下e n o r s 修复寿命k 和修复延时么r 对比 5 4 图4 6 长时间网络组织错误场景下e n o r s 修复寿命厶测试床测试结果 5 4 图4 7 静态和动态e n o r s 的平均修复延时山对比 5 6 图4 8 静态和动态e n o r s 的修复效率r 对比 5 7 图4 9r a f p 原理示意图 一6 0 图4 1 0r a f p 输入输出隶属度函数 6 0 图4 1 lr a f p 输出信号 6 2 图4 1 2r a t p 原理示意图 6 3 图4 1 3 在不同数据传输可靠性需求下的平均编码后数据包数量 c 6 4 图4 1 4 逐跳自适应f e c 数据传输可靠性保证方法 6 5 图4 1 5 不同p e r 下各种f e c 码率调整策略对比 6 7 图4 1 6 不同跳数下各种可靠数据传输方法对比 6 9 图5 1m e a n 中间件设计思路 7 4 图5 2m e a n 中间件架构示意图 7 5 图5 3m e a n 中间件工作流程 7 6 图5 4m o d e s w i t c h i n g c o m m a n d s l i s t 结构 7 8 图5 5 基本工作模式切换流程 一8 3 i v 浙江大学博 上 学位论文 图目录 图5 6 洞窟c 1 4 8 与c 3 3 2 中传感器节点部署 8 8 图5 7 图形化系统运行状态报告 部分 8 9 图6 1 莫高窟代表建筑 9 3 图6 2 莫高窟8 5 窟 c 8 5 中壁画病害情况 9 4 图6 3 莫高窟地形 一9 5 图6 4 洞窟c 1 4 8 与c 3 3 2 的结构 9 5 图6 5 系统通信架构示意图 9 7 图6 6 传感器节点设计 9 9 图6 7 传感器节点部署 1 0 0 图6 8 系统测试和诊断工具 1 0 1 图6 9s e n s o r m a t e 用户界面 1 0 1 图6 1 0 网关节点内部构造和典型部署 1 0 2 图6 1 l 汇聚节点部署 1 0 2 图6 1 2 部署系统 部分 1 0 3 图6 1 3 一天内窟外 c 4 2 8 窟内 c 3 2 0 窟内温 湿度变化对比 1 0 5 图6 1 4 一天内c 3 2 0 窟内 c 6 1 窟内温 湿度变化对比 1 0 6 图6 1 5 一天内c 3 2 8 中微气象环境变化与游客数量的关系 1 0 7 图6 1 6 洞窟c 3 3 2 中无线传感器网络稳定性分析 1 0 8 图6 17 温 湿度传感器节点电池寿命与温度对比 10 9 图6 1 8c 0 2 传感器节点电池寿命 1 1 0 v 浙江大学博士学位论文表目录 表目录 表4 1r a f p 模糊规则表 6 1 表4 2r a f p 与r a t p 效果对比 6 3 表5 1 工作模式 系统功能以及对应的系统生命周期阶段 7 9 表5 2 工作模式与应用程序组织 8 0 表5 3 通用逻辑模块与工作模式和应用程序之间的关系 8 5 表5 4 系统测试和部署中每个任务的时间开销 8 6 表5 5 远程诊断 9 0 v 1 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 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 也不包含为获得逝姿盘堂或其他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 并表示谢意 学位论文作者签名 致1 峨 签字日期 矽 年 月卅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交 本论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权逝姿盘堂可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播 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适用本授权书 学位论文作者签名 夏邮 导师签名 签字日期 沙1 年1 1 月砷日 砌 n 签字日期 弘 7 年j1 月冲日 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 值此论文定稿之际 我要深深地感谢我的导师鲁东明教授三年多来在我的学 习和生活中所给予的精心指导和悉心关怀 鲁老师的心血和汗水 贯穿于课题研 究和论文撰写的整个过程中 鲁老师严谨求实的治学作风 精益求精的工作态度 和诲人不倦的高尚品德 深深地感染和激励着我 认真完成本论文的工作 在此 向鲁东明教授表示由衷的感谢 衷心感谢课题组董亚波副教授的关心和帮助 我博士期间研究工作中的诸多 问题都是在与董老师的讨论中得到解决 衷心感谢u n i v e r s i t yo fs o u t hc a r o l i n a 的徐文渊助理教授和i l l i n o i si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 的李向阳副教授 在论文成文中给我的大量建议和指导 衷心感谢课题组魏蔚博士 林楠博士 何杰博士 曾波博士 孙培梁硕士 蒋巍巍硕士 彭超硕士 姚伟斌硕士 廖雪梅硕士 潘涌硕士 李锐华硕士 靳 帅召硕士 周建仁硕士 谢晶硕士 黄明科学士等的支持和帮助 相互间的友好 合作使得课题顺利完成 衷心感谢实验室的许端清教授 邢卫副教授 刁常宇博士后 袁庆曙博士后 赵磊博士后 孙刚博士 占志峰博士 刘建明博士 魏平博士 石洗凡博士 林 志洁博士等老师和同学们的鼓励和帮助 大家融洽相处 伴我度过了珍贵而又难 忘的求学时光 衷心感谢敦煌研究院的王旭东院长 苏伯民所长 孙洪才老师 刘刚老师 罗瑶主任 田鹏老师 薛平老师 张国斌老师 张正模老师 侯文芳老师 俞天 秀老师 在敦煌莫高窟微气象环境监测系统的设计 实现 部署和维护中给予的 大量帮助 深深感谢时刻关心着我的父母 长辈和兄弟姐妹 感谢他们给予我的理解和 支持 使我能够专心完成学业 衷心感谢所有支持 理解和帮助过我的亲人 师长 同事 同学和朋友们 浙江大学博士学位论文致谢 最后 谨向百忙中抽出宝贵时间评审本论文和参与答辩的各位专家 学者致 以最诚挚的谢意 夏明 2 0 0 9 年冬于求是园 浙江大学博上学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文背景 1 1 1 无线传感器网络简介 无线传感器网络 w s n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k l 一般包括大量低成本 低功耗的传感器节点 s e n s o rn o d e 这些传感器节点采集数据 并通过无线自组 织网络协作地将数据传输到汇聚节点 s i n kn o d e 最后通过互联网 卫星等通 信手段报告给用户 传感器节点所采用的低功耗无线通信技术使得其可使用电池 供电长期工作 且不需要在监测现场部署通信电缆 因此 其部署不依赖于任何 基础设施 同时 自组网的能力使得其能够自动形成多跳数据转发网络 从而方 便地通过大量传感器节点协同工作实现极大规模的实时监测 无线传感器网络因以上优点而在国防安全 反恐抗灾 环境监测 交通管理 医疗卫生等领域有着广泛的应用前景 其出现极大地拓宽了人们在任何时间 地 点和环境条件下获取所需信息的能力 如果说i n t e m e t 的出现掀起了一场人与人 之间交互方式的革命 那么 无线传感器网络将掀起一场人与物 人与自然界之 间交互方式的革命 美国 商业周刊 和 m i t 技术评论 在预测未来技术发展 的报告中 分别将无线传感器网络列为2 l 世纪最有影响的2 1 项技术之一和改变 世界的1 0 大技术之一 2 1 无线传感器网络巨大的应用前景使得它引起了世界上许多国家军事部门 工 业界和学术界的广泛关注 美国国防部和各军事部门较早开始进行无线传感器网 络的研究 启动了包括s e n s i t s e n s o ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y 3 1 灵巧传感器 网络 s s w s m a r ts e n s o rw e b 4 无人值守地面传感器群 u g s u n a t t e n d e d g r o u n ds e n s o r s 5 在内的多个项目 以提高美军战场信息获取的能力 其他美国 军方支持的著名项目还有 加州大学洛杉矶分校和r o c k w e l l 研究中心的w i n s w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s 项引6 1 主要以建立分布式传感节点网络 并与i n t e m e t 互联为目标 加州大学伯克利分校的 智能尘埃 项目 7 1 尝试实现能 够如尘埃般悬浮在空气中的微型传感器节点 以及随后启动的n e s t n e t w o r k 1 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 e m b e d d e ds y s t e m st e c h n o l o g y 项目 8 形成了包括t i n y o s 操作系统 9 1 在内的一批 杰出研究成果 美国自然科学基金委员会于2 0 0 3 在南加州大学设立 嵌入式智能 传感器研究中心 c e n s c e n t e ro fe m b e d d e dn e t w o r k e ds e n s i n g 研究 通过嵌 入式网络化的传感器系统将物理世界连接到互联网来揭示以往不可见却又对社 会有重大影响的现象 1 0 美国自然科学基金委员会于2 0 0 4 年推出了 网络技术 与系统 n e t s n e t w o r k i n gt e c h n o l o g ya n ds y s t e m s 研究项目 其中一个重要的 子项目就是 网络化传感器系统 n o s s n e t w o r k i n go f s e n s o rs y s t e m s 1 1 1 该项 目的主要目标是探索可靠的无线传感器网络架构 工具 算法和系统以将不同的 传感器网络连接起来 国内无线传感器网络研究起步较晚 但获得了国务院 国家自然科学基金委 员会 科技部 工业和信息化部等的广泛重视 近几年发展迅速 国务院在制定 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 时将 传感器网络及智 能信息处理 列为未来信息产业及现代服务业的重点方向之一 1 2 国家自然科学 基金委员会于2 0 0 6 年启动了 无线传感网络的基础理论及关键技术研究 项卧 该项目联合了上海交通大学 浙江大学 南京大学 哈尔滨工业大学 中国科学 技术大学 中国科学院软件研究所等在内的多所国内著名高校和研究机构 以解 决 低耗自组 异构互联和泛在协同的复杂系统及资源优化的自组织网络 问题为 核心 研究新一代无线传感器网络的基础理论和关键技术 经过1 0 余年的快速发展 无线传感器网络技术获得了很大突破 并已基本 形成了传感器节点硬件平台和网络通信协议框架 传感器节点硬件受低功耗 低成本要求的控制 构成一般比较简单 主要可 分为电源供应 数据获取 数据处理和数据传输四个部分 电源供应部分一般多 采用电池作为电力来源 数据获取部分主要指传感器 根据应用不同 传感器节 点可配备光 温 湿度 气体 震动 磁场 红外线 声音甚至图片 图像等各种 不同的传感器 数据处理部分则主要由微控制器和存储器构成 该部分从数据获 取部分获取监测对象的信息 对其进行必要的处理 并将处理后的对象信息交给 数据传输部分进行发送 目前 国内外的研究机构和产业界已经开发了多种型号 2 塑鋈奎兰堡主堂垡笙奎墨 兰丝丝 的传感器节点 如美国c r o s s b o w 公司开发的m i c a 系列节点和t e l o s b 节点 1 4 1 国内深联科技开发的g a i n z 节点 1 5 等 无线传感器网络通信协议的架构与互联网协议架构相似 从下到上主要包 括 物理层 主要实现简单强壮的信号调制 无线收发等 以低功耗 低速率 低成本为目标设计的无线个人区域网络 w p a n w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k 协议i e e e 8 0 2 15 4 嗍所提出的物理层规范目前被广泛采用 数据链路层 主要负责低功耗的媒体访问 m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 链路层组帧 帧检测等 无线传感器网络中的链路层协议的主要优化目标包括最 小化节点功耗和数据传输延时等 s m a c e l 7 1 是一种典型的低功耗无线传感器网络 m a c 协议 其主要通过周期性唤醒 休眠的低占空比工作方式减少节点的活动时 间 从而降低节点功耗 并通过流量自适应侦听等机制 降低数据传输延时 网络层 主要负责自组织路由发现 在设计无线传感器网络路由协议时 主 要考虑全网能量均衡消耗 路由失败容错等 定向扩散 d i r e c t e dd i f f u s i o n 1 9 1 是一种典型无线传感器网络路由协议 其中 汇聚节点在网络内广播兴趣消息 传感器节点如有符合汇聚节点兴趣的数据 则将数据报告到汇聚节点 这种多对 一的数据传输形式在无线传感器网络中非常普遍 被称为汇聚传输 传输层 负责传输控制 是保证通信服务质量的重要部分 差错控制是此层 主要的研究重点之一 差错控制用于防止因通信错误而导致数据丢失 无线传感 器网络中差错控制的主要目标是以尽可能低的代价实现尽可能高的传输成功率 比如 为降低传统t c p 协议中端到端差错控制带来的高开销问题 无线传感器网 络中多采用逐跳差错控制技术 1 9 应用层 主要包括支持数据采集任务的应用层软件 在无线传感器网络中还有三类位置较为特殊的协议 时间同步 节点定位和 数据融合 时间同步用于保证不同节点的时钟始终保持一致 是分布式系统协同工作的 关键机制之一 与传统的时间同步协议如n t p n e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 2 0 1 相比 3 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 无线传感器网络中的时间同步更注重减小信息交换开销 如基于延时测量的时间 同步协议 d m t s d e l a ym e a s u r e m e mt i m es y n c h r o n i z a t i o n 2 1 通过节点间同步延 时估计 仅需一次信息交换即可完成节点间时间同步 节点定位协议用于节点自动确定自身地理位置 从而保证监测事件发生位置 报告的正确性 其一般根据少数已知位置的节点 按照某种定位机制 如根据本 节点到其他节点通信的接收信号强度 r s s i r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r 估 计节点间距离 并依此确定自身位置 2 2 1 时间同步协议和节点定位协议往往需要依赖于网络协议各层建立的数据传 输通道进行定位和时间同步信息交换 但同时又为各层提供支持 如时间同步为 基于时分复用 t d m a t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 的m a c 协议提供支持 节 点定位为基于地理位置的路由协议提供支持等 数据融合通过在数据传输过程中对来自多个传感器节点的数据进行处理 消 除冗余 形成更准确和有效的数据 其可在无线传感器网络协议栈的多个层次中 实现 如可在应用层仅提取用户关心的内容 2 3 或在网络层进行分簇或组链 并 将本簇或链中成员的数据进行融合后转炭2 4 2 5 2 6 也可在链路层将多个数据分组 打包以减小分组头部数据传输开销阳 还可在网络层和链路层之间实现独立的数 据融合子层 避免在各层协议内部对数据进行融合导致协议完整性受到破坏 2 8 1 与时间同步和节点定位相似 数据融合依赖于网络协议各层建立的数据传输通 道 但同时又会对各层协议的实现产生影响 比如 融合后数据量减小 则需调 整m a c 协议 减少节点活动时间以充分发挥数据融合的优势 1 1 2 无线传感器网络可靠性问题 无线传感器网络往往需要在缺乏基础设施 条件恶劣的环境中长期工作 如 洪水预警 火山监测 野生动物跟踪 野外文化遗址监测等 在这些场景中 部 署范围广大 且地理环境复杂 如洪水监测中可能需要沿流域长距离部署 在野 生动物跟踪中需要在动物的活动范围内广泛部署 并且 可能面临恶劣的自然气 候条件 如很多野外文化遗址位于沙漠中 其年温差可高达7 0 以上 4 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 另一方面 由于低成本和低功耗的限制 传感器节点的能力相对很弱 首先 节点多采用电池供电 电源能量有限 其次 通信能力有限 由于节点电源能量 有限 因此无法采用大功率的通信设备 而一般使用极低功耗的无线通信芯片 因此 每个节点的通信范围受限 目前 一般传感器节点的通信能力多在一百至 数百米的范围内 最后 节点的计算和存储能力有限 受限的电源能量和成本使 得传感器节点多使用价格低功耗小的处理器和存储芯片 这必然导致其处理能力 较弱且存储容量较小 在恶劣的部署环境中长期工作的应用需求和受限的节点能力对无线传感器 网络系统的可靠性形成了很大的挑战 主要包括以下两个层面 1 网络层面 复杂的地理环境和节点较低的通信能力往往会导致节点间很高的通信失败 率 而自组织网络则进一步加剧了多跳通信后的数据包丢失问题 首先 这很容 易导致网络组织 如路由发现 时间同步等出现异常 其次 还会导致传感数据 在传输过程中丢失 2 系统层面 受限的节点能力和恶劣的部署环境等问题同时还影响着系统的稳定性 例 如 恶劣的气候可能导致传感器精度快速劣化 甚至节点损坏 并导致网络连通 度受损 并且 大范围部署导致无线传感器网络系统往往需要容纳大量的节点 这进一步提高了系统故障的发生概率 如不及时处理 系统功能将受损 甚至发 生系统瘫痪的情况 为预防故障并在故障发生时修复系统 需要在无线传感器网络系统的整个生 命周期中进行大量的人机交互操作 一个长期运行的无线传感器网络系统的生命 周期可划分为4 个阶段 开发 n 试 部署 网络运行和维护 如图1 1 所示 为 保证系统长期可靠运行 在除网络运行阶段外的其他三个阶段中都需要进行大量 的工作 如在开发i n 试阶段 需要在前往部署地点之前 对系统中每个设备进行 详细的测试 以确保硬件功能正常 在部署阶段 需要对当前的传感器节点放置 进行详细测试 以确保位置合理 网络拓扑稳定 从而有效避免系统早期失效 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 在长期数据采集过程中 需要在出现系统故障时及时发现故障 快速判断故障的 精确位置和具体原因 并修复系统 另外 还需要进行周期性的常规系统维护以 保证系统功能正常 如传感器标定 以保证获取数据的精度等 图1 1 无线传感器网络生命周期 综上所述 无线传感器网络系统中的可靠性包括网络和系统两个层面 在网 络层面 首先必须保证网络组织的可靠性 比如 节点能够找到正确的路由 保 持和其他节点正确的时间同步关系等 以确保数据上传链路可用 在数据上传链 路可用的基础上 保证数据传输可靠性 即在通信质量不稳定的无线传输信道上 保证数据不丢失 或尽量少丢失 另一方面 低功耗是大多数无线传感器网络系 统的本质需求之一 因此在提高可靠性的同时 还必须保证网络的低功耗特性 在系统层面 为降低预防故障和在故障发生时修复系统所需的人机交互操作的开 销和要求 需要无线传感器网络系统具有良好的可维护性 即能够提高人机交互 操作的效率和正确性 具体而言 主要包括两点 1 降低操作时间开销 2 由 于无线传感器网络专家往往无法一直在现场进行操作 而现场操作人员往往并不 具备无线传感器网络背景知识 因此 需要降低操作要求 使得非无线传感器网 络领域专家亦能正确完成操作 6 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 1 2 国内外现状 本节将简要介绍国内外在无线传感器网络系统可靠性保证技术上的研究进 展 并探讨其不足 在实现高可靠网络组织方面 与传统的有线或无线网络不同 无线传感器网 络组织错误不仅包括路由错误 还包括时间同步错误 在网络以低占空比运行时 时间同步错误会导致已有的路由修复技术 难以正常运作 目前 已有研究者提 出了能够在低占空比网络中同时修复路由和时间同步的技术 3 0 1 但是 这些技术 能耗较高 在出现较长时间的网络组织错误时 容易导致传感器节点能量快速耗 尽而失效 为提高数据传输可靠性 研究者己在多个层次上提出了相应的解决方案 如 在物理层上采用支持错误恢复的帧格式 3 1 1 在网络层上采用多路径同时传输数据 3 2 从而提高数据到达目的节点的概率 其中 在传输层上采用可靠传输技术如自 动重传请求 a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 前向纠错 f e c f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n 等 3 3 1 因其独立性较强 不破坏其他层次协议的完整性 可重用性较 佳而得到广泛应用 在传输层可靠数据传输技术中 f e c 通过在原始数据中添加冗余数据以