（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络leach协议的探讨及改进.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 朴尹一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塾! 垂二导师签名：p 童：丝：日期：! 竺! ：丝! 对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。它相对于移动 通信网、无线局域网、蓝牙网络、a dh o e 网络等常见的无线网络具有很多新的特 点，有很多的研究热点 无线传感器同络由能量有限的节点组成。其应用无线通信来从特定区域采集， 处理有用的数据，因此以能量有效的方式来采集，处理数据来保证网络的最大化 生存时间是w s n 的一个研究重点，即能量问题。本文将能量问题与无线传感器网 络的另一研究热点通信协议结合，研究能量有效的通信协议，主要探讨了低能量 自适应聚类( l e a c h ) 协议及可行的改进。 近年来，提出了很多针对无线传感器网络的无线通信协议，其中之一就是 l e a c h 协议，l e a c h 协议是一种自组织的、自适应的、能量有效的、聚类网络 协议考虑无线传感器网络的网络特性。有效的延长了网络的生存时间。 但l e a c h 协议的随机类首选择机制并不能做到最优，无法保证类首处于恰当 的位置，并未能考虑类首的剩余能量水平，可能导致类首过早耗尽能量，减少网络 整体生存时间。另一方面在聚类建立过程中，由于无线信道特性，可能出现消息 丢失，从而导致部分节点的数据不可得并加大能量消耗。并且l e a c h 协议仅限于 于单跳通信，所以有必要扩大其应用范围，这也有利于降低能量消耗。为此，本 文在下面几方面对l e a c h 协议进行了改进： 1 ) 在选择类首对考虑节点的位置及剩余能量水平及聚类之阃的负载平衡，仿 真证明这项改进能够明显的提高网络的生存时间。第一个电量耗尽节点出现时间 ( 孙d ) ，最后一个存活节点电量耗尽时间( l n d ) 都有较大提高 2 ) 在聚类的建立过程中，将一些新的机制加入c s m a c d 中，来避免消息的 冲突及节点数据的丢失，而不是使用较复杂的m a c 协议 山东大学硕士掌位论文 3 ) 在类首之间采取多跳通信，有效地减低了类首的能量消耗，并均衡了类酋 的能量且避免了远离s i l l k 点的类首的能量过早耗尽与l f _ a c h 协议相比，我们 的改进在能量有效性和网络生存时间上都有所提高 综上所述，我们对l e a c h 协议的改进有效的提高了w s n 的生存时间，并增 加了协议的应用范围。 通信 2 关键词：无线传感器网络；l e a c h 协议；w s n 生存时间：类首选择机制；多跳 w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt 0c o l l e c ta n d p r o c e s su s e f u ld a t af i o map a r t i c u l a ra r e a s o i t i sai m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ct oc o l l e c ta n dp r o c e s sd a t ai n 锄e n e r g y - e f f i c i e n tm a l x l l f f ft o g u a r a n t e et h em a x i m u ml i f e - t i m eo f w s n ，w h i c hi sn a m e d 罄e n e r 9 7 m ) b _ l e m s i nt h e p a p e r , w ec o m b i n ee n e r g yp r o b l e m sw i t hc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sw h i c hi sa n o t h e r r e s e a r c h h o t s p o t o fw s n o u rr e s e a r c h l a y se m p h a s e s 0 1 1 e n e r g y - e f f i c i e n t c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s , w h i c hm a i n l yi n c l u d es o m ei m p r o v e m e n t so i ll o w e n e r g y a d a p t i v ec l u s t e r i n gh i m a r c h y ( l e a c h ) p r o t o c 0 1 i nr e e e a a t y e a r s ，t h e r e 眦al o tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sw h i c ha 聆 p r e s e n t e df o rw s n l e a c hp r o t o c o li so n eo ft h e m , a n di ti sas e l f - o r g a n i z e d 、 a d a p t i v e 、e n e r g y - e f f i c i e n t 、c l u s t e r i n gn e t w o r kp r o t o c 0 1 w h i c ha c c o u n t sf o rp r o p r t i e s o f w s na n dp r o l o n g st h el i f e - t i m eo f w s n e f f i c i e n t l y b u tt h em e c h a n i s mo fs t o c h a s t i cc l u s t e r - h e a d s ( c h s ls e l e c t i o ni nl e a c h p r o t o c o l i m to r d i n a l ，w h i c hc a n tg u a r a n t e et h ep r o p e rp o s i t i o no fc h sa n dd o e s n ta c c o a n tf o r e n e r g yo fc hl e f t s oi tw o u l dl e a dt ot h ee 1 1 c r g yo fc he x h a u s t e da n dr e d u c et h e l i f e - t i m e o f n e t w o r k w h o l l y o n t h eo t h 盯h a n d , d u r m g t h ep e r i o d o f s e t - u p p h a s e ，d u e t o t h ep r o p e r t i e so fw i r e l e s sc h a n n e l , 锄em e s s a g e sm a yb el o s t w h i c hw o d dl e a d st o l o s so fd a t ao fs o m en o d e sa n de n l a r g et h ec o n s u m p t i o no f e n e r g y a n dl e a c h 山东大学硕士学位论文 - _ l _ _ l i _ _ l l _ _ l _ _ _ i _ i _ - - i _ i i _ _ _ _ p r o t o c o li sl i m i t e dt os i n g l e - h o pc o m m u n i c a t i o n , t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a ut oe n l a r g et h e s c o p eo fa p p l i c a t i o n so fl e a c hp r o t o c o la n dr e d u c eh ec o n s u m p t i o no fe n e r g y s o ，i n t h ep a p e rw ep r e s e n ts o m em o d i f i c a t i o n so f l e a c h p r o t o c o la sf o l l o w s ： 1 ) w h e nw ec h o o c i - i s ，w et a k et h ep o s i t i o no fc h s ，e n e r 幻, o fc hl e f t 、 ， 1 0 a d b a l a n c e do fn e t w o r ki n t oc o n s i d e r a t i o n ms i m u l a t i o nr e v e a lt h a t m o d i f i c a t i o n 啪p r o l o n gt h el i f e - t i m eo fn e t w o r k 强em e t x i c so ff i r s tn o d e d i e s ( 玲d ) a n dk 吼n o d ed i e s ( l n d ) i m p r o v eal o t 2 ) d u r i n gt h ep e r i o do f s e t - u pp h a s e ，i n s t e a do f s o m es o p h i s t i c a t e dm a cp r o t o c o l s ， w ea d ds o m em e c h a n i s m st oc s m a c dt oa v o i dt h ec o l l i s i o no fm e s s a g e sa n d t h el o s so fd a mo fs o m en o d e s 3 、w et a k em u l t i - h o pc o m m u n i c a t i o nb e t w e c nc h si n s t e a do fs i n g l e - h o p c o m u n i c a l i o 啦w h i c hr e s u l t si nt h er e d u c t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o no fc h s 、 t h eb a l a n c eo fe n e r g yo fc h s 、a v o i d a n c eo ft h ee n e r g yo f8 0 m e 托m o t ec h s e x h a u s t e d c o m p a r e dw i t hl e a c hp r o t o c o l ，o u tm o d i f i c a t i o n sh a v es o m e i m p r o v e m e n to nt h em e t r i co f e n e r g y - e f f i c i e ma n d l i f e - t i m eo f w s n t os u n lu p o u gm o d i f i c a t i o n so fl e a c hp r o t o c o l 啪h e l pp r o l o n gt h el i f e - t i m eo f w s n e f f i c i e n t l ya n de n l m g et h es c o p eo f a p p l i c a t i o n so f l e a c hp r o t o c 0 1 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 ；l e a c hp r o t o c o l ；l i f e - t i m eo f w s n ； t h em e c h a n i s mo fc hs e l e c t i o n ；m u l t i - h o pc o m m u n i c a t i o n 山东大学硕士学位论文 前言 信息的获取是信息技术产业链和应用环节的第一步，没有它就没有信息的传 输、处理和应用，就没有信息化传感器技术是信息获取的最重要、最基本的技 术从目前的进展看，所有现存的事物，状态，过程和演进，都可以用物理量来 描述，这个量就含有信息，都可以用传感器来获得。传感器信息获取技术从单一 化到集成化，微型化，进而智能化、网络化，成为信息获取的新手段，从而出现 无线传感器网络技术和相应的应用 无线传感器网络作为未来新兴技术之一，可广泛应用于军事、工业、交通、环 保等领域，引起了人们广泛关注有众多的研究熟点，其中包括无线传感器网络的 通信协议和模式的研究和能量有效性的研究，所以能量有效的无线传感器通信协 议是一个研究重点，无论对于无线传感器网络的理论研究还是实际应用都具有重 要意义 l e a c h 协议是一种自组织的、自适应的、能量有效的、聚类网络协议考虑 无线传感器网络的网络特性，有效的延长了网络的生存时间，是一种典型的聚类 协议，但仍有可改进之处，本文从多个方面对其进行了改进有效的增加了无线 传感器网络的生存时间和l e a c h 协议的应用范围 ， 山东大学硕士学位论文 第一章无线传感器网络的介绍 1 1 无线传感器网络的简介 更小、更廉价的低功耗计算设备代表的“后p c 时代”冲破了传统台式计算 机和高性能服务器的设计模式；普遍的网络化带来的计算处理能力是难以估量的： 微机电系统( 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 m ，简称m e m s ) 的迅速发展奠定了设计 和实现片上系统( s y s t e mo nc h i p ，简称s o c ) 篚j 基础以上3 方面的高度集成又孕育 出了许多新的信息获取和处理模式，传感器网络就是其中一例。 f 1 1 无线传感器网络是一种特殊的a d - h o c 网络，可应用于布线和电源供给困难 的区域、人员不能到达的区域( 如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域) 和一 些临时场合( 如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏) 等。它不需要固定网络 支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保 等领域，引起了人们广泛关注。 1 2 无线传感器网络的兴起及历史 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现在1 9 9 9 年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上， 提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇 z , 3 1 。2 0 0 3 年，美国技术评 论杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。 同年，美国商业周刊未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也 列入其中。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。2 0 0 4 年( i e e es p e c t r u m ) ) 杂志发 6 山东大学硕士学位论文 表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可 以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带 来极大的影响和产生巨大的推动。 无线传感器网络的发展历史： 19 8 6d a r p ap a c k e tr a diop r o g r a m 1 9 9 3w 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 ( w i n s ) 一f i n i s h e di n 1 9 9 9 1 9 9 4l o wp o w e rw i r e l e s si n t e g r a t e dm i c r o s e n s o r l w i mn o d e sb u i l ta r o u n d1 9 9 6 1 9 9 6 蝴l m p sd a r p a m i t 19 9 8d a r p as e n si tp r o g r a m 。1 9 9 9u cb e r k e l e yp i c o r a d i o 。1 9 9 9u cb e r k e l e ys m a r t d u s t 一1 9 9 9w e cm o t e 分流 1 9 9 9 海军研究办公室s e a w e b 计划 2 0 0 0u cb e r k e l e ym o t e t i n y o s 平台 2 0 0 2n e s t 建立实际的m i c a 平台一为2 0 0 个研究机构所采用 2 0 0 3m i c a 2 与m i c a 2 d o t 2 0 0 4z i g b e e l 。3 无线传感器网络的体系结构 l 3l 节点组成 在不同的应用中，传感器节点设计也各不相同，但是它们的基本结构是一样 的。节点的典型硬件结构如下图所示，主要包括电池及电源管理电路、传感器、 信号调理电路、a d 转换器件、存储器、微处理器和射频模块等。节点采用电池 7 一 当耋奎兰竺圭兰竺兰兰 供电- 一旦电源耗尽，节点就失去了工作能力为了最大限度的节约电源，在硬 件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电 源；在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其他 的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。如下图： 传感嚣 无线传感器节点结构图 1 3 2 网络体系结构 综合了传感器技术，嵌入式计算技术，并行信息处理技术及无线通信技术的 w s n 是一组传感器以a d h o c 的方式构成的无线网络，其目的在于协作的感知， 采集，处理网络覆盖区域内对象的信息，并传递给观察者典型的网络体系可以 由传感器节点、数据会聚点( s i n k ) 、h 锄喊或通信卫星、任务管理节点等部分构 成。w s n 可以由散布在一广阔区域数以千计的传感器节点组成，这些节点直接或 通过其它节点中继通信构成网络，其中一个或多个节点充当数据汇聚点( s i n k ) ， 它的数据通信主要是由节点到s i n k 点的多到一的数据流，s i n k 点也可以用同样的 方式将信息发送给各节点。s i n k 点直接与i n t o n e r 或通信卫星相连。通过i n l e m e t 或 山东大学硕士学位论文 通信卫星实现任务管理节点( 即观察者) 与传感器之间的通信网络体系如下图： 1 4 无线传感器网络的应用及前景 1 4 1 无线传感器网络的应用 m e m s 支持下的微小传感器技术和节点问的无线通信能力为传感器网络赋 予了广阔的应用前景，主要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域当然， 在空间探索和灾难拯救等特殊的领域，传感器网络也有其得天独厚的技术优势 1 4 1 1 军事应用 在军事领域，传感器网络将会成为c 4 1 s r t ( c o m a m c lc o n t r o l ， c o m m u n i c a t i o n , c o m p u t i n g , i n t d l i g c n c e , s u r v e i l l a n c e ，r o n n a i s s a a c ea n dt a r g e t i n g ) g t 统不可或缺的一部分c 4 1 s r t 系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现 代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体 的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重视。因为传感器网络是由密集型、 低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错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，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的， 也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我军兵 力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和 探测核、生物和化学攻击在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备 和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据 9 山东大学硕士学位论文 送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态 势图。在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺设传感器网络， 以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防；当然，也可以直接将传感器节点撤向敌 方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息，传感器网络也可以为 火控和制导系统提供准确的目标定位信息。在生物和化学战中，利用传感器网络及 时、准确地探测爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤 亡传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中在军事应用中， 与独立的卫星和地面雷达系统相比，传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面： ( 1 ) 分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比，这一直是卫星和 雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一 ( 2 ) 传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力 ( 3 ) 传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响。 ( 4 ) 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。 ( 5 ) 多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域。 ( 6 ) 借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除 探测区域内的阴影和盲点 1 4 1 2 环境科学 随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛通过传统 方式采集原始数据是一件困难的工作传感器网络为野外随机性的研究数据获取 提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海 洋、大气和土壤的成分等a l e r t l 系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水 水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性吲类似地，传感器网络对森林火灾 i o 山东大学硕士学位论文 准确，及时地预报也应该是有帮助的此外，传感器网络也可以应用在精细农业中， 以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等 1 4 1 3 医疗健康 如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用 传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理i 1 还可以利用 传感器网络长时闻地收集人的生理数据。这些数据在研制新药品的过程中是非常有 用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不 便此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用总之，传感器网络为未 来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段 1 4 1 4 空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撤的传感器网络节 点实现对星球表面长时间的监测。应该是一种经济可行的方案n a s a 的j p l ( j e t p 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 t 1 就是为将来的火星探测进行技 术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监铡项目中进行测试和完普 1 4 1 5 其他商业应用 自组织，微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特点 决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会比如，嵌入家具和家电中的 传感器与执行机构组成的无线网络与i n t e r n e t 连接在一起将会为我们提供更加舒 适、方便和具有人性化的智能家居环境；文献i 1 中描述的城市车辆监测和跟踪系统 中成功地应用了传感器网络；德国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判 研制一套辅助系统，以减小足球比赛中越位和进球的误判率此外，在灾难拯救、仓 应该看到，无线传感器网络才刚刚兴起，它的技术、网络和应用都还不十分成熟， 有待研究开发。无线传感器终端要达到希望的要求还会有很长一段发展历程，可 以由易到难，利用现有通信技术和系统( 如无线市话) ，逐步演进升级。无线传感 器网络业务和网络应用也需要不断开发，形成新兴应用领域。 l5 无线传感器网络的特点及关键技术 1 5 i 无线传感器网络的特点 目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、a d h o c 网络 等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点m ”i ： ( 1 ) 硬件资源有限节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间 和内存空间比普通的计算机功能要弱很多这一点决定了在节点操作系统设计中， 协议层次不能太复杂 t 2 山表大学硕士学位论文 1 i _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 ( 2 ) 电源容量有限网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大其特殊的应 用领域决定了在使用过程中，不能绘电池充电或更换电池，一旦电池能量用完， 这个节点也就失去了作用( 死亡) 因此在传感器网络设计过程中。任何技术和 协议的使用都要以节能为前提，牺牲q o s 等要求达到最大化网络生存时间。 ( 3 ) 无中心无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一 个对等式网络。结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网 络的运行，具有很强的抗毁性 ( 4 ) 自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层 协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独 立的网络 ( 5 ) 多跳路由网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它 的邻居直接通信如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过 中间节点进行路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感 器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备这样每个 节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者 ( 6 ) 动态拓扑无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节 点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工 作的需要而被添加到网络中这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网 络应该具有动态拓扑组织功能。 ( 7 ) 节点数量众多，分布密集为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万 传感器节点空投到该区域传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性 来保证系统的容错性和抗毁性 山东大学硕士学位论文 _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ l _ - i _ l _ l l l_ l _ ( 8 ) 基于属性寻址，而不是基于i d ，相邻的节点之间数据融合均要考虑 ( 9 ) 以数据为中心，为非对称的多点对一点的数据流 ( 1 0 ) 传感器网络是随应用而变化的，网络拓扑不同，路由协议也不同 1 5 2 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络研究中的关键技术包括： ( 1 ) 硬件平台和系统研究 基于微机电系统( m e m s ) 的微传感器技术研究； 低功耗、低价格、低尺寸的无线传感器节点硬件平台开发： 高度模块化、微内核、高效节能的嵌入式操作系统和开发环境研究； 针对大规模无线传感器网络的高保真度、高可扩展性的分布式仿真平台的开发： ( 2 ) 无线传感器网络的通信协议和模式研究 物理层：研究在实际环境频繁变化和节点密集时，低功耗通信的复杂行为特征， 积累经验数据； m a c 层：避免冲突的信道分配和调度机制研究：节省能耗的节点休眠机制研 究和多指标折衷的分布式m a c 协议研究； 路由层：高效、鲁棒的拓扑形成和控制协议研究；自适应网络覆盖算法研究： 低功耗、实时、自组织的信息传输路径的建立机制研究；面向数据的传感网通信 模式研究； ( 3 ) 无线传感器网络的信息处理和应用支撑技术研究 。 、 信息处理技术包括：查询优化和处理、信息融合和网内处理、数据压缩和分 布式存储、协同信号处理等技术的研究； “ 山东大学硕士学位论文 应用支撑技术包括：低开销、可扩展、高精度的时问同步机制；低开销、低 成本的定位机制；资源和能耗受限的传感器网络安全问题( 入侵检测，攻击避免， 加密认证) ； ( 4 ) 无线传感器应用层研究 分布式传感器网络中的对象探测，分类和跟踪研究：特别是多移动目标系统 的跟踪问题： 一基于无线传感器网络的分布式协调控制应用研究：传感器网络中的追踪问题， 反馈控制调度在传感器网络中的应用； 基于应用的任务调度和动态资源分配问题研究：根据动态目标，进行任务分 配和行为序列生成； 本文主要是针对无线传感器网络的通信协议的研究，主要涉及网络层和m a c 层的通信协议 第：章无线传感器网络通信协议的研究进展 2 1 无线传感器网络通信协议的分层体系 过去的几年中对于无线传感器网络提出了很多新的通信协议，结合无线传感 器网络的特性与o s i 七层协议模型，我们可得下面的无线传感器网络的协议堆栈； 藏据健蘑层 f 物理层 这种协议堆栈应该充分考虑无线传感器网络的网络特性，充分考虑能量问题、数 据的融合问题，无线信道的特性及节点间的区域化合作我们将无线传感器网络 的协议堆栈分为物理层，数据链路层，媒体接入层( m a c ) 层，网络层，传输层， 应用层每层功能描述如下； 物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作； 数据链路层负责媒体访问和错误控制媒体访问协议保证可靠的点对点和点对 多点通信，错误控制则保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点； m a c 层协议要在节点之间建立链路，保证所有的节点可以公平、有效的利用有 限的带宽。传统的无线网络内，主要的评价指标有吞吐量、带宽利用率、公平性 和延时等，但是对于无线传感器网络来说，电源效率是第一位的，有时甚至不惜 牺牲其他方面，来获得更高的电源效率； 网络层协议负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素，一个网络设 计的成功与否，路由协议非常关键； 传输层通信协议依据应用要求维持数据流； 1 6 2 2 1 无线传感器网络通信协议的设计目标 传感器网络的性能直接影响其可用性，至关重要如何评价一个传感器网络的 一性能是一个需要深入研究的问题。下面，我们讨论几个评价传感器网络性能的标准 这些标准还没有达到实用的程度，需要进一步地模型化和量化 ( 1 ) 能源有效性传感器网络的能源有效性是指该网络在有限的能源条件下能够 处理的请求数量能源有效性是传感器网络的重要性能指标到目前为止，传感器 网络的能源有效性还没有被模型化和量化，还不具有有被普遍接受的标准，需要进 行深入研究。 ( 2 ) 生命周期传感器网络的生命周期是指从网络启动到不能为观察者提供需要 的信息为止所持续的时间影响传感器网络生命周期的因素很多，既包括硬件因素 也包括软件因素，需要进行深入研究。在设计传感器网络的软、硬件时，我们必须 充分考虑能源有效性，最大化网络的生命周期 ( 3 ) 时间延迟传感器网络的延迟时间是指当观察者发出请求到其接收到回答信 息所需要的时间影响传感嚣网络时间延迟的因素也有很多时间延迟与应用密 切相关，直接影响传感器网络的可用性和应用范围目前的相关研究还很少。需要 进行深入研究 ( 4 ) 感知精度传感器网络的感知精度是指观察者接收到的感知信息的精度传 感器的精度、信息处理方法、网络通信协议等都对感知精度有所影响感知精度、 1 7 山东大学硕士学位论文 时间延迟和能量消耗之问具有密切的关系在传感器网络设计中，我们需要权衡三者 的得失，使系统能在最小能源开销条件下最大限度地提高感知精度、降低时间延迟 ( 5 ) 可扩展性传感器网络可扩展性表现在传感器数量、网络覆盖区域，生命周 期、时间延迟，感知精度等方面的可扩展极限。给定可扩展性级别。传感器网络必 须提供支持该可扩展性级别的机制和方法目前不存在可扩展性的精确描述和标 准，还需要进一步的深入研究 ( 6 ) 容错性传感器网络中的传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等原因而失 效由于环境或其他原因，网络正常工作传感器网络容错性需要进一步地模型化 和定量化容错性和能源有效性之间存在着密切关系我们在设计传感器网络时， 需要权衡两者的利弊。 上述6 个传感器网络的性能指标不仅是评价传感器网络的标准。也是传感器网 络设计的优化目标为了达到这些目标的优化，有大量的研究工作需要完成。 2 2 2 设想 尽量灵敏的传感器，尽量简易的信号收发，尽量节省的信息处理和尽量持久使 用的电源，是无线传感器终端的希望和要求，也是实现无线传感器终端的技术关 键。其中，尽量持久使用的电源技术，涉及高能电池电池无线充电技术是特别 引人关注和可能发展的方向极低功耗传感收发技术，要省能省电，要自适应休 眠和唤醒，要突发工作超宽带( u w b ) 传输技术是很有希望的，低功耗的p h s 技术 经过适应改造也很有应用前景 无线传感器网络对协议结构的期待是：尽量简化协议层次，尽量简练信令方式， 尽量利用广播信息，尽量避免交互应答用简洁的协议栈支持无线传感器网络的 有效运行区域覆盖和路由协议很重要。到处存在的接入可能，节省系统开销的 山东大学硕士学位论文 路由选择，都是值得研究开发的极大量无线传感器终端的识别和管理、极大量 采集数据的集中处理和应用，也是无线传感器网络面临的值得解决的课题。 2 3 m a c 层协议 链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路，主要由介质访问控制 ( m a c ) 组成就实现机制而言，m a c 协议分3 类：确定性分配、竞争占用和随机访 闯i i l l 前两者不是传感器网络的理想选择因为t d m a 固定时隙的发送模式功 耗过大。为了节省功耗，空闲状态应关闭发射机；竞争占用方案需要实时监测信道状 态，也不是一种合理的选择；随机介质访问模式比较适合于无线传感网络的节能要 求蜂窝电话网络、a d - h o c 和蓝牙技术是当前主流的无线网络技术，但它们各自的 m a c 协议不适合无线传感器网络g s m 和c d m a 中的介质访问控制主要关心 如何满足用户的q o s 要求和节省带宽资源，功耗是第二位的；a d - h o c 网络则考虑如 何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接，同时兼顾一定的q o s 要求。 功耗也不是其首要关心的；而蓝牙采用了主从式的星型拓扑结构，这本身就不适合 传感器网络自组织的特点。基于以上两个方面的原因，需要为传感器网络设计新的 低功耗m a c 协议下面我们简单介绍几种已有的典型方案 一2 3 is m a c s t 1 2 l s m a c s 是分布式的m a c 协议，无须任何局部或全局主节点的调度便能让传 感器节点发现相邻节点，并安排合理信道占用时间在具体实现中，相邻节点的发现 和信道的分配是一起完成的，因此，当节点听到它所有的相邻节点时，也就意味着已 经建立相应的通信子网，链路由固定频率、随机选择的时隙组成s m a c $ 无须全 山东大学硕士学位论文 _ i _ _ _ _ l _ _ - _ - _ l _ _ l _ _ - _ l _ - _ _ i _ l i i _ _ l l _ _ i i l _ i _ _ _ i _ l l 网的时间同步机制，但在各子网内部保持同步是必要的在竞争信道资源时，带延时 的随机唤醒机制有效地减4 , t 能量的损耗。s m a c s 的缺点是时隙分配方案不够严 密，属于不同子两的节点之问有可能永远得不到通信机会 2 3 2 基于c s m a 的介质访问控制l i ，l 传统的载波侦听多路访n ( c s m a ) 机制不适合传感器网络的原因有二：其一。 持续侦听信道的过量功耗；其二，倾向支持独立的点到点通信业务，这样容易导致临 近网关的节点获得更多的通信机会，而抑制多跳业务流量，造成不公平为了弥补这 些缺陷，w o o 和c u l l e r 从两个方面对传统的c s m a 进行了改进，以适应传感器网络 的技术要求：( 1 ) 采用固定时间间隔的周期性侦听方案节省功耗；( 2 ) 设计自适应传 输速率控制( a d a p t i v ei r a n s m i s s i o nr a t ec o n t r o l ，简称a r c ) 策略，有针对性地抑制单跳 通信业务量，为中继业务提供更多的服务机会，提高公平性。相似的工作还有w d y c 【i l 等人设计的s m a c ( s e m o rm d l i aa c c c 鹃c o n u u l ) 协议它也是利用周期性侦听机 制节省功耗，但没有考虑公平性问题，而是在p a m a s ( p o w e ra w a r em u l t i - a c c e s s p r o t o c o lw i t hs i g n a i t i u g ) t ”1 的启发下，精简了用于同步和避免冲突的信令机制以上 两种基于c s m a 改进的传感器网络m a c 协议都在t m y o s 微操作系统上进行 了实现，并分别在s m a r t d u s t 硬件平台上进行了测试，比8 0 2 i i 标准定义的m a c 协议节省了i 一5 倍的功耗，基本上可为传感器网络所用 2 3 3t d m a f d m a 组合方案i l l s o h r a b i 和p o e t i c 设计的传感器网络自组织m a c 协议是一种时分复用和频 分复用的混合方案，具有一定的代表性节点上维护着一个特殊的结构帧，类似于 t d m a 中的时隙分配表，节点据此调度它与相邻节点问的通信f d m a 技术提供 的多信道，使多个节点之间可以同时通信，有效地避免了冲突只是在业务量较小的 山东大学硕士学位论文 传感器网络中，该组合协议的信道利用率较低。因为事先定义的信道和时隙分配方 案限制了对空闻时隙的有效利用 2 4 路由协议 网络层协议负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素，一个网络设 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，需要通过中间节点进行多跳路由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分级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 s 动态变化的路由需要大量的控制信息在分级结构的网络中，聚类成员的功能比 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，其缺点是类首节点可能会成为网络的瓶颈 2 4 1 平面路由协议 平面路由协议主要有连续分配路由协议( s a r ，s e q u e n t i a la s s i g n m e n t 射 r o u t i n g ) 1 7 1 、基于最小代价场的路由协议、通过协商的传感器协议( s p i n ， s e n s o rp r o t o c o l sf o ri n f o r m a t i o nv i a n e g o t i a t i o n ) 【1 引 ( 1 ) 连续分配路由协议( s a r ) s a r 算法产生很多的树，每个树的根节点是网关的一跳邻居。在算法的启动阶 段，树从根节点延伸，不断吸收新的节点加入在树延伸的过程中，避免包括那 些服务质量( q o s ) 不好的节点、电源已经过度消耗的节点在启动阶段结束时刻， 大多数节点都加入了某个树，这些节点只需要记忆自己的上一跳邻居，作为向网关 发送信息的中继节点在网络工作过程中，一些树可能由于中问节点电源耗尽而断 开，也可能有新的节点加入网络，这些都会引起网络拓扑结构的变化所以网关周 山东大学硕士学位论文 期性的发起“重新建立路径。的命令，以保证网络的连通性和最优的服务质量 ( 2 ) 基于最小代价场的路由协议 采用基于最小代价场的路由算法，每个节点只需要维持自己到接收器的最小代 价，就可以实现信息包路由。最小代价的定义是沿着最优路径，从一个节点到网 关的最小代价。这样的代价可以有多种形式，如跳数，消耗的能量或者是延时等 等最小代价场的建立过程如下：在算法开始之前，所有的节点都将自己的代价 设为无穷大。网关广播一个代价为0 的广告信息，其他节点接收到广告信息后， 如果信息中所表示的代价小于节点自己的代价，则使用这个新的代价作为自己的 代价，并将新的代价广播出去：如果信息中所表示的代价比自己的估计代价大， 则丢弃该信息。这样的广告信息在网络内传播，最终每个节点都获得了自己距离 网关的最小代价代价场建立起来，信息包就可以沿着最小代价路径