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带状无线传感器网络若干技术研究 浙江理工大学硕士学位论文目录摘要?IAbstract?II第一章绪论?111j；I言?112课题背景及意义?l13无线传感器网络研究内容及现状?3131研究内容?3132国内外研究现状?614本文研究内容和组织结构?7第二章无线传感器网络基础?821引言?822无线传感器网络体系结构?8221传感器节点体系结构?8222无线传感器网络物理体系结构?10223无线传感器网络协议栈?一l l23无线传感器网络的关键技术?14231网络拓扑控制?14232路由传输机制?14233数据融合机制?一15234时间同步机制?16235节点定位机制?1624无线传感器网络特点?一1725本章小结?18第三章带状无线传感器网络拓扑控制研究?一1931引言?1932相关研究及其局限性?1933带状网络拓扑结构?2234基于数据梯度分布的链式多簇头分簇算法?25341带状网络拓扑模型?25342MCADGD算法描述?27343MCADGD节点分布策略?28344MCADGD网络分簇策略?一30345MCADGD算法实现?3535本章小结?36第四章带状无线传感器网络数据融合研究?一3741引言?3742相关研究及其局限性?3743基于MCADGD的数据融合策略?41431带状网络数据融合模型?41Iv浙江理工大学硕士学位论文432SDFAM算法描述?42433SDFAM理论推导?44434SDFAM算法实现?4644本章小结?。 47第五章仿真实验与分析?一4851NS2仿真环境建立?4852网络拓扑控制仿真?一48521最外层节点数最优值选取?48522MCADGD性能验证及分析?4953数据融合机制仿真?52531t的最优值选取?52532SDFAM性能验证及分析?。 5354本章小结?54第六章总结与展望?5561总结?5562展望?56参考文献?57致谢?6!攻读学位期间发表的学术论文目录?63V浙江理工大学硕士论文第一章绪论11引言无线传感器网络(Wi reless SensorNetwork，WSN)1-21是由大量具有数据感知、信息处理和无线通信能力的传感节点，通过可控分布或随机部署方法组成的自组织网络。 传感器技术、数字处理技术、现代无线通信技术以及网络技术的高速发展和同益成熟，为以信息获取、处理和传输为基础的WSN提供了强有力的技术支持。 WSN是一种全新的信息处理平台，将传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、网络化、智能化的方向发展，并且具有快速展开、抗毁性强等特点。 作为物联网最重要的基础技术之一，WSN成为了沟通客观物理世界和主观感知世界的载体与桥梁，WSN以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知技术的一场变革。 因此，WSN在军事、民用和工业生产等领域具有广阔的应用前景，特别是在高危和无人等特殊环境的应用中发挥着无可替代的作用。 美国商业周刊在预测未来技术发展的报告中，将WSN列为21世纪最有影响力的重大技术和改变世界的十大技术之一【31。 正如Intemet改变了人与人的交互方式，WSN也将扩展未来人与自然的交互能力。 也正因为无线传感器技术有着如此广阔的应用前景和深刻的生产方式变革，目前许多国家正在积极地对其进行相关研究。 12课题背景及意义WSN是一种应用相关的网络，在不同应用场合，对其技术要求也不尽相同。 按照网络分布区域的拓扑结构划分，本文把分布在狭长区域内的WSN称为带状无线传感器网络。 带状无线传感器网络作为一种特定应用环境下的传感器网络，在许多方面不同于一般二维区域内的WSN，需要着重考虑和解决其应用相关下的特殊问题。 正是基于其自身拓扑结构特点，以下介绍几种带状无线传感器网络典型的应用场合1高压输电线实时在线监控【4】高压输电线一般定向长距离延伸，电压等级越高，往往传输距离越长，220kV输电线路一般有几十公里，而特高压输电线路通常在几百到上千公里，邻近高压浙江理T大学硕上论文输电线塔之间平均距在400m到700m左右。 输电网络的安全运行需要监控各种环境和自身的电气量和非电气量，具体包括输电导线线路走廊经过地区的水文、气候、地质情况等，以及输电线本身电流、电磁、温湿度、覆冰、振动等运行环境动态监测，高压输电线路在线监测对保障输电线路的安全运行具有重要意义。 无线传感器网络中，大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互交换信息，协同地完成输电线路上特定功能的实时在线监测任务。 由于无线传感器网络具有可靠性高、扩展性强、运行费用低等特点，因此其日益成为了智能化输电研究的一个重要领域。 2矿井环境在线监型5】矿井下温度高、湿度大、通风不畅、粉尘浓度高、可燃气体和有毒气体浓度高等恶劣生产条件和复杂工作环境，给矿井安全生产带来很大障碍。 传统的单一型传感器无法同时完成有毒气体浓度、温湿度、压力等各种物理环境量的监测，而无线传感器网络异构型的传感器节点不仅可以协同监测各种物理量，而且可以通过信息处理、数据融合以及彼此间的存储转发，来实现实时在线监测任务。 因此，无线传感器网络作为一种新的数据采集传输平台正逐步大量应用于矿井环境监测中，为矿井安全生产管理和事故救援提供可靠的技术支持。 此外，由于矿井巷道一般呈狭长分布，一般长达数十公里，这就决定了应用在矿井监测的无线传感器网络为带状拓扑结构。 3油气管道在线监测【6】在油气输送系统长期运行中，露天状态下的油气输送管道老化、腐蚀难以避免，再加上自然或人为破坏等因素，油气管道泄漏事故时有发生。 传统的油气输送管道安全检查一般采取人工定时巡视的办法，人工巡检不仅造成人力、物力的巨大浪费，由于发现问题不及时，油气输送系统安全运行仍然存在隐患。 目前，油气管道的维护、防漏和检漏成为不可忽视的问题，日益引起业界的高度重视。 随着各种微功耗嵌入式智能仪表的相继出现以及无线通信技术的进一步发展，建立一个以无线传感器网络技术为平台的实时在线监控系统成为可能。 无线传感器网络能够充分发挥其网络布控简单、采集数据可靠、制造成本低廉等优点，在油气输送管道安全监控和检测方面具有重要的现实意义。 一般油气管道绵延数数百甚至上千公里，决定了应用于长距离油气输送管道监测的无线传感器网络也呈带2浙江理1=大学硕论文状分布。 4道路交通实时监控【7】交通安全、交通堵塞已经成为困扰当fjf国际交通领域的重大难题，尤其以道路安全最为严重。 据有关部门研究得出结论采用智能交通技术提高道路管理水平后，每年仅交通事故死亡人数就可以减少30以上，并能够提高交通工具的使用率50以上。 为此，世界各发达国家竞相投入大量人力和财力，进行打规模的智能交通技术研究实验。 智能交通系统(Intel li gentTransportati onSystem，ITS)正是在这种条件下产生和发展起来的。 无线传感器网络技术作为信息获取和处理模式之一，在智能交通方面有着广泛应用前景如交通数据采集、交通信息发布、电子收费、非接触技术及检测、智能交通信号控制、交通安全、停车管理、客货车枢纽交通管理、智能公交与轨道交通、车载导航系统、交通诱导系统、安全与自动驾驶等等很多方面。 5其他应用再如江河堤坝、大型桥梁等区域内部署的无线传感器网络均呈典型的带状分布，尽管在不同的应用下，某些相关技术的要求不尽相同，但其最主要特征在于网络节点静态分布，拓扑控制中的联通与覆盖等相关问题假定已解决，而着重考虑的是如何避免能量空洞、应对网络热区以及数据高效融合的问题。 作为一种特定拓扑结构下的网络，不同领域的带状无线传感器网络应用存在着共同的基础性技术，同时也是其关键技术。 对此进行深入研究有助于将无线传感器网络推广到更广泛的应用中。 13无线传感器网络研究内容及现状131研究内容无线传感器网络作为一种综合了多学科跨领域的高新技术，日益引起了学术界和工业界的高度重视。 其目前研究的内容主要集中在基础理论和工程技术两个层面，其中又包括了微纳米级芯片技术研究、嵌入式软件技术研究、网络协议体系研究、无线传输技术等研究方面。 1微纳米级芯片技术研究这里所讲的硬件研究主要针对微机电系统(Mi croel ectromechanical System，MEMS)，MEMS集微型传感器、执行器、信号处理和控制模块、接口模块、射浙江理工大学硕士论文频模块、电源模块于一体的微型智能机电系统。 MEMS具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等特点。 在过去二十年中，技术的发展促使了MEMS的尺寸指数性的减少，使得无线传感器网络节点从厘米级发展到毫米级甚至小，MEMS的迅速发展奠定了无线传感器网络节点的硬件基础【8。 9l。 “智能尘埃”的概念更是形象地描绘了未来无线传感器网络节点的发展趋势。 所谓智能尘埃是指一些微小的、廉价的传感器，它可以被散落到环境中对各种物体进行监测，其特点是体积小、功耗低、自组织、无线通讯，这也是无线传感器网络节点最主要的特征。 2嵌入式软件技术研究嵌入式软件技术研究主要针对系统软件平台，系统软件平台包括操作系统和编程语言。 操作系统需要支持并行操作，不同数据流同时传递。 操作系统必须提供高效模块化，将硬件和特定的应用组件综合在一起，此外处理开销和存储开销要低。 用户能够从操作系统提供的组件集中选择应用需要的最小组件。 各个组件能够并行执行，同时等待事件最少、资源消耗最低。 当前比较流行的操作系统有Ti nyOStlo11l，国内外很多大学和机构利用这一平台进行相关问题的研究；以及其他公司开发的一些应用相关的操作系统。 目前无线传感器网络程序一般由汇编语言和C语言编写，此外加州大学伯克利分校研发人员开发的nesC语言，专门用于传感器网络编程开发。 nesC语言是一种C语言扩展的编程语言，Ti nyOS就是由nesC编写而成的。 美国科罗拉多大学开发的Manti OS是一个以易用性和灵活性为主要目标的无线传感器网络操作系统112-141。 利用该操作系统可以快速、灵活地搭建无线传感器网络原型系统。 它的内核和API采用标准的c语言编写，提供Li nux和Wi ndows开发环境，易于用户使用。 SOS是由洛杉矶加利福尼亚大学NEL实验室开发的一套无线传感器网络操作系统【l51。 SOS传感器系统是一种新的用于无线传感器网络的操作系统，它将的库程序和应用服务程序都是C语言编写的，SOS可以消除很多操作系统静态的局限性。 它引入了消息模式来实现用户应用程序和操作系统内核的绑定。 SOS提供了通用的内核和动态加载的模块来执行分发消息，装载模块等服务，针对某一个具体的应用，只需要编译用到的模块，没有用到的模块则不需要加入到最终的应用中。 在不更改操作系统内核的前提下，应用程序能够按照模块的形式4浙江理丁大学硕上论文从内核上动态地装载或移除。 这样可以突破传感器节点资源受限的瓶颈，让SOS能够在无线传感器网络上良好地运行。 3网络协议体系研究116】首先，无线传感器网络协议符合开放式系统互联模式，从通信协议角度考察，网络协议栈研究主要涉及到其物理层协议研究、数据链路层协议研究、网络层路由协议研究、传输层以及相关应用层协议研究。 而从无线传感器网络支撑技术方面考察，网络协议栈则主要涉及到网络拓扑控制研究、传感器节点定位技术研究、时间同步技术研究、网络安全技术研究、QoS管理技术研究，以及其他如中间件技术、数据管理技术等方面的研究。 其次，设计简单高效的协议栈是无线传感器网络协议体系研究时的首要问题。 网络能量不可补充、无线带宽不足、计算和存储能有限等诸多方面的限制，要求尽可能地设计简单高效的协议栈，使其在无线传感器网络中稳定有效地运行。 而由于在实际应用中无线传感器网络规模可能比较大，为达到自组织、低能耗的网络特性，模块化、跨层次、自适应、分布式协作、以数据为中心等许多设计思想须有所体现。 最后，无线传感器网络协议、算法的设计和实现与具体的应用场景有着紧密的关联。 面向不同的应用背景的无线传感器网络所使用的路由机制、数据传输模式、实时性要求以及组网机制等都有着很大差异，因而网络性能各有不同。 目前无线传感器网络研究所提出的各种网络协议都是基于某种特定应用而提出的，这给无线传感器网络的通用化设计和使用带来了巨大的困难。 如何设计功能可裁剪、自主灵活、可重购和适应于不同应用需求的无线传感器网络协议体系结构，将是未来无线传感器网络发展的一个重要方向。 4无线传输技术研究【17】无线传输技术通常作为无线传感器网络物理层研究范畴。 不同的传输技术不仅对硬件设计的要求也不同，也对软件协议的设计有着很大影响。 无线传感器网络传输技术的研究一方面关系到无线通信中采用的传输介质，如红外线、超声波、射频段电磁波和超高频电磁波(微波)等；另一方面还涉及到不同的调制技术，如超宽带(UWB)调制技术、直接序列展频(DSSS)调制技术、分组二进制卷积编码(PBCC)调制技术、正交频分复用(oFDM)调制技术和多入多出正交浙江理工大学硕上论文频分复用(MIMO OFDM)调制技术等。 不同的传输介质和调制技术决定了不同的传输技术，因而具有的作用不同，应用的场合也不同。 传输技术从根本上影响着整个无线传感器网络节点链路质量、数据传输速率和带宽以及网络能耗等方面，因此，传输技术也是无线传感器网络研究的一个重要领域。 132国内外研究现状无线传感器网络技术的最初研究起源于美国军方，其研究项目主要包括CEC、I迮MBASS、TRSS、Sensor IT、WINS、Smart Dust、SeaWeb、11AMPS和NEST等18，ol，几乎涵盖了无线传感器网络从信号处理到网络协议各个方面的研究。 美国国防部远景计划研究局已经投资上千万美元，帮助大学进行无线传感器网络技术的研究。 美国国家自然基金委员会(NSF)也开设了大量与其相关的项目，NSF于xx年制定了无线传感器网络研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了无线传感器网络研究中心；xx年对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代高可靠和高安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性。 美国交通部、能源部、国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。 此外，美国所有的著名院校几乎都有研究小组从事无线传感器网络相关技术研究。 如加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学、麻省理工学院和加州大学伯克利分校等都先后开展了传感器网络方面的研究工作。 德国、英国、芬兰、日本和韩国等国家的研究机构也先后开展了无线传感器网络的研究。 欧盟第6个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展的领域之一，其中多处涉及对无线传感器网络的研究。 日本总务省在xx年3月成立了“泛在传感器网络”调查研究会。 韩国信息通信部制订了信息技术839战略，其中就包括IT产业的三大基础设施，即宽带融合网络、泛在传感器网络和下一代互联网协议。 我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，xx年中国科学院依托上海微系统所成立了研究与发展中心，旨在引领中科院无线传感器网络的相关工作。 国家自然科学基金已经审批了与无线传感器网络相关的诸多课题。 xx年将面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论列为重点研究项目。 xx年将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划。 xx年将水下移动传感器网络技术列为重点研究项目。 国家发改委下一代互联网6浙江理工大学硕七论文(GI)示范工程中也部署了无线传感器网络相关课题。 在一份我国未来20年可预见技术的调查报告中，信息领域中157项技术课题中就有7项与无线传感器网络直接相关。 xx年年初发布的国家中长期科学技术发展规划纲要为信息技术定义了三大前沿方向，其中智能感知技术和自组织网络技术与无线传感器网络直接相关。 在此期间，国内的一些知名大学，如清华大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、南京邮电大学、西北工业大学和国防科技大学等院校也相继开展了传感器网络的研究，目前已有越来越多的院校及研究所相继加入其中。 xx年国家提出以“感知中国”为战略，将包括无线传感器网络在内的物联网作为我国引领未来科技制高点14本文研究内容和组织结构第一章绪论。 该章首先阐述了课题的、背景及意义，介绍了无线传感器网络研究的主要内容与目前研究的基本现状，最后概括了本文研究的主要内容和组织结构。 第二章无线传感器网络基础。 该章阐述了无线传感器网络体系结构、关键技术以及主要特点。 从整体上系统地对无线传感器网络技术热点与难点展开阐述。 第三章带状无线传感器网络的拓扑控制研究。 该章首先介绍了目前几种典型的拓扑控制算法；然后从RWSN应用相关性出发，对RWSN的拓扑控制进行了研究，提出了始于RWSN的拓扑控制算法MCANGD，MCANGD主要在节点分布和网络分簇方面予以研究；并结合文字描述和理论推导给出了伪代码实现。 第四章带状无线传感器网络的数据融合研究。 该章首先介绍了目前几种典型的数据融合机制；然后在MCANGD的基础上，进一步研究了适于RWSN的数据融合算法SDFAM，并结合文字描述和理论推导给出了伪代码实现。 第五章仿真实验与分析。 该章首先对仿真环境及其参数配置作了简单介绍，然后分别对MCANGD和SDFAM算法进行了模拟仿真及实验分析。 第六章总结与展望。 对本文的工作进行了总结，并展望了下一步的工作。 7浙江理工大学硕I论文21引言第二章无线传感器网络基础无线传感器网络是由大量廉价、密集的各类集成化的微型传感器节点，部署在监测区域内构成的一种无线自组织网络。 网络通过这种“智能节点”实时地感知和采集各种环境或对象信息，并对收集的相关数据进行进一步处理，然后通过无线传输方式将数据发送给汇聚节点，汇聚节点最终再将数据发送到用户终端或监控平台，从而达到对目标区域的实时在线监测。 无线传感器网络自身的诸多特点，使得其与传统的计算机网络有着很大技术差别，即便较一般的Ad Hoc网络，也存在着诸多不同之处。 因此，本章着重阐述无线传感器网络各方面的重点研究内容。 22无线传感器网络体系结构无线传感器网络的体系结构是一个很大的概念，包括了单节点体系结构、网络物理体系结构和网络协议体系结构等方面，几乎涵盖了整个无线传感器网络。 以下分别对各个方面分别进行说明。 221传感器节点体系结构传感器节点是无线传感器网络的基本组成部分，也是完成包括计算、存储、通信以及传感等任务的执行载体。 一个自组织、健全功能的无线传感器网络系统通常包含普通传感器节点、汇聚节点和网管节点。 目前传感器节点的硬件、软件技术是传感器网络研究的重点，以下分别从硬件和软件两个方面加以说明。 1硬件构成传感器节点硬件部分通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量管理等模块组成【2l】，如图21所示。 从功能角度讲，传感器模块主要负责采集各类信息，如温湿度、化学成分、加速度、振荡频率、电磁信息等，并负责将模拟信息转换为数字信息。 处理器模块负责控制整个传感器节点的运行，包括数据采集、转换、存储、处理、收发等诸多任务。 无线通信模块负责与其它节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；通常以无线电波为传输介质，特殊应用场合也有以红外线和超声波等作为传输介质。 能量供应模为整个传感器节点提供8浙江理工大学硕士论文节点运行所需的能量；一般情况下以便携式一次性微型电池作为电源；随着各种能鼍转化技术的发展，结合具体应用场合可以考虑采用能量可再生策略应对传感器节点能量受限的问题，如光电转换、磁电转换等。 此外，芯片体积、信号调制、网络算法等也在很大程度上与传感器节点的能耗有关。 图21无线传感器节点组成2软件构成软件构成主要是指操作系统。 从应用角度讲，无线传感器网络的操作系统或运行环境必须支持相应的特定节点，因而操作系统的设计侧重点也不同。 如考虑到各种复杂应用，通常无线传感器网络可能需要同时执行多个任务，此时就需要支持并行操作，不同数据流同时传递。 用户能够从操作系统提供的组件集中选择应用需要的最小组件，各个组件能够并行执行，同时等待事件最少、资源消耗最低。 此外传感器节点上网络化的操作系统种系统比一般嵌入式系统更加强调协调性和实时性。 而在事件驱动型的网络中，将事件驱动任务输入到事件队列中，当接收到恰当地触发事件时，才开始执行，否则，使其空闲，只占用极少地处理时间。 需周期性上报数据的网络以预置的速率执行数据上传任务。 有时根据应用需求，可能兼顾多方面性能。 无线传感器网络节点就是一个网络化的分布式嵌入式系统，通过无线信道实现网络的通信。 为了减少通信量，在本地采集的数据在完成必要的融合处理后发送出去，从而可以协作地完成网络任务。 这就要求节点具备一定的计算能力和存储资源。 然而，由于大多数传感器节点都是通过有限能量的一次性电池供电，由于能量受限又不能承载太复杂和繁重计算，所以节点的软件和硬件实现上务必要高效简洁，同时必须将硬件和特定的应用组件综合在一起以提供高效模块化。 通9浙江理工大学硕士论文常传感器节点须在处理能力和生存时间之间寻找最佳平衡的平衡策略221。 222无线传感器网络物理体系结构无线传感器网络物理体系结构是指节点分类以及节点的物理分布状态，其中后者又包括节点的位置分布状态、能量初始值等相关方面。 物理体系结构关系到整个网络拓扑结构和网络生存期。 属于网络拓扑控制范畴。 在布置网络之前，通常要综合考虑节点数量、感知范围及通信半径来确定一定节点部署部署策略，以满足传感器网络连通以及感知可靠性的要求，并能够实现网络节点快速、有效组网，这种情况分布的节点是可控分布的。 相对于可控分布，不可控分布的无线传感器网络更具有一般性。 所有节点地位平等，没有预先指定的中心，各节点通过分布式算法相互协调，可以在无人工干预和其他预置的网络设施的情况下，节点自动组织网络。 正是由于无线传感器网络没有中心，所以网络不会因为单个节点的损坏而提前损毁，使得网络具有较好的鲁棒性和抗毁性。 无线传感器网络根据节点的功能不同，可将节点分为传感器节点和汇聚节点。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它充当与Intemet等外部网络连接的网关，实现两种网络协议之间的通信转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。 汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 而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。 无线传感器网络拓扑可以根据节点是否可移动和部署是否可控分为四类123J节点静态、可控部署。 节点通过人工部署或机器人部署到固定位置，拓扑控制主要是通过控制节点的位置来实现的，功率控制和睡眠调度虽然可以使用，但已经是次要的了。 节点静态、不可控部署节点静态、随机地部署到给定区域，这是大部分拓扑控制研究所做的假设。 对稀疏网络的功率控制和对密集网络的睡眠调度是两种主要的拓扑控制技术。 动节点态、可控部署这类网络中，移动节点能够相互定位。 拓扑控制机制融入到移动和定位策略中。 因为移动是主要的能量消耗状态，所以节点间的高效通信不再是首要问题。 因为移动节点的部10浙江理工大学硕士论文署不太可能是密集的，所以睡眠调度也不重要，而层次型拓扑结构控制是主要的拓扑控制技术。 节点动态、不可控部署。 这样的系统成为移动自组织网络(Mobi le AdHoc Network)。 其难度是无论独立自治的节点如何运动，都要保证网络的正常运转。 223无线传感器网络协议栈无线传感器网络需要根据用户对网络的需求，设计适应自身特点的通信体系结构，为网络协议和算法的标准化提供统一的技术规范，使其能够满足用户的需求。 如图22(a)所示一般而言，无线传感器网络的通信协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。 另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。 这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作。 如图22(b)所示，是协议栈细化并改进的模型。 时间同步和节点定位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。 能源管理、拓扑管理以及网络管理等诸多机制一部分用于优化和管理协议流程；另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。 (a)(b)图22无线传感器网络通信体系结构从网络分层方面剖析无线传感器网络协议栈，主要是按不同的功能划分不同的层，以下则针对一般的网络协议体系结构分别对各层议栈进行说明。 (1)物理层物理层负责数据传输的介质规范，其主要功能是借助能量高效的信号调制解调技术进行无线通信技术收发信号；同时还负责频道选择、信号监浙江理工大学硕上论文听、数据加密、载波生成定时以及时间同步等工作【241。 物理层面临的主要问题有多径传播带来多径衰落和码间干扰，再加上无线信道的广播特性引起的节点间的互相干扰，这些因素造成无线传感器网络的信道质量差、带宽低、容量小；另外，物理层的设计对传感器节点电路的复杂度、节点能耗等方面也有着重要影响。 因此，设计一种适合于无线传感器网络的介质访问控制(Medi umAess Control，MAC)方法，同时使整个网络中各设备互联所必须遵守的底层协议是物理层设计和研究的目标。 (2)数据链路层数据链路层负责介质接入控制、建立节点之间可靠的通信链路、数据流的多路复用、数据帧检测和差错控制【251。 数据链路层主要由MAC层构成，MAC层协议主要负责两个职能其一是组建网络底层基础设施，实现多跳并具备自组织特性的节点无线通信，最终实现网络结构建立。 因为成千上万个传感器节点高密度地分布于监测区域，MAC层需要为数据传输提供有效的通信链路，并为无线通信的多跳传输和网络的自组织特性提供网络组织结构；其二是为传感器节点有效合理地分配资源，以实现平等高效的资源共享，避免点到点之间发生通信冲突。 因此，设计高效的调度机制、低能耗和低复杂性编解码、简捷的差错检测和同步的控制方案与协议是无线传感器网络链路层的关键问题。 (3)网络层作为无线传感器网络核心技术的路由协议就处于网络层中。 网络层协议的主要功能是发现、建立以及维护无线传感器网络节点间数据传输的路由，包括网络寻址，路由选择，连接的建立、保持和撤销等【2引。 路由协议负责将监测到的数据以分组的方式从源节点转发到目的节点，主要包括两大功能建立从源节点到目的节点的路由路径和沿该路径正确发送数据。 路由协议的优劣会对整个网络的性能和工作寿命产生巨大的影响，因此也是研究的热点领域。 由于无线传感器网络具有很强的应用相关性，因此，很难采用通用的路由协议。 和传统的以地址为中心的路由协议不同，无线传感器网络的路由协议是以数据为中心的，一般是基于属性的寻址方式，通常采用按需的被动式路由方式。 因此，设计有效和安全的路由协议来提高通信连通性、降低能量消耗、延长网络生存时间始终是无线传感器网络的核心问题。 (4)传输层传输层主要负责控制数据流的传输，并在网络层的基础上为应用层提供可靠、高效的数据传输服务【27】。 无线传感器网络中，通信是点到点进行12浙江理工大学硕十论文的，同时还需要兼顾能量消耗，这与其他网络传输层协议的要求有所区别，因此对无线传感器网络的传输层协议提出了更高的要求。 当无线传感器网络需要接入Intemet或其它外部网时该层才是特别必需的，工作在ISM频段的设备可能出现较高的数据包错误率，建立一套端到端的传输与阻塞控制协议能够很好地满足无线传感器网络系统需求。 在协议栈的高层采用确认与重传机制明显要比底层复杂的错误处理控制码方式易于实现可靠的数据传输；另外，由于大量传感器节点分布密度可能会高于需求，各传感器节点通过在局部区域内信息属性进行冗余处理，减少和压缩数据量可确保传输数据的高效性。 (5)应用层应用层为无线传感器网络节点和网路提供服务接口，针对不同的应用有着不同的应用层算法【28】。 在无线传感器网络中，一般都包括时间同步、节点定位、数据融合以及网络安全等基础性的应用。 时间同步对采用TDMA休眠机制的节点而言意义重大，时间片的循环需要时间同步支持。 节点定位不仅指定位节点本身的位置，还包括对移动目标的定位和测距等。 对事件的探测往往需要一个或多个节点上多种传感器的协作，例如在火灾探测上需结合烟雾、温度甚至更多种探测现象加以综合评定，数据融合为多种不同信息结合提供了可能数据融合在无线传感器网络的应用层实现，显然传输己融合的信息要比未经处理的数据节省能量。 无线传感器网络利用无线信号发送数据，存在着信息泄露和篡改等风险，而且暴露在无人值守区域的节点还面临着被物理操纵的危险，因此网络安全也十分重要。 从网络管理方面剖析无线传感器网络协议栈，主要是按不同的功能划分不同的管理平台。 如分布式网络接口管理要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行；能量管理中的每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配决策；拓扑管理则利用物理层、数据链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗；QoS管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理；网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。 浙江理工大学硕士论文23无线传感器网络的关键技术231网络拓扑控制拓扑控制技术是无线传感器网络中的基本问题。 动态变化的拓扑结构是无线传感器网络最大的特点之一，因此拓扑控制策略在无线传感器网络中有着重要意义。 它为路由协议、MAC层协议、数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定了基础。 拓扑控制重点强调网络拓扑结构的自适应性和鲁棒性，以提高网络通信效率，最大限度地节省能量来延长整个网络的生存时间。 更确切地说，拓扑控制是从系统的角度来优化整个网络的结构和性能。 目前，在网络协议分层中没有明确的层次对应拓扑控制机制，但大多数的拓扑控制算法是部署于MAC层和路由层之间的。 无线传感器网络拓扑控制主要研究的问题是在网络资源普遍受限的情况下，对于固定或移动特征的无线传感器网络，通过功率控制、骨干网节点选择以及冗余通信链路剔除等措施，来减少网络能量消耗和无线通信干扰，并有效改善整体网络的连通性、吞吐量与传输延时等性能指标。 传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为三类节点功率控制、层次型拓扑结构控制和节点睡眠调度29-30】。 功率控制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，均衡节点的单跳可达邻居数目。 层次型拓扑控制利用结构化机制，让一些节点作为骨干节点，由骨干节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。 而睡H民调度就是控制传感器节点在工作状态和睡眠状态之间的转换。 该机制能够使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。 这种机制重点在于解决节点在睡H民状态和活动状态之间的转换问题，不能够独立作为一种拓扑结构控制机制，因此需要与其他拓扑控制算法结合使用。 232路由传输机制网络路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能一是寻找源节点和目的节点间的优化路径；二是将数据分组沿着优化路径正确转发【311。 目前根据无线传感器网络的拓扑结构、路由协议自身14浙江理工大学硕士论文特点以及应用类型等，将路由协议分为四个类型以数据为中心的路由协议；基于层次结构的路由协议；基于地理位置的路由有协议；基于多路径的路由协议。 由于无线传感器网络资源有限且有高度的应用相关性，高效的路由协议通常具有以下特点针对能量高度受限的特点，高效利用能量几乎是设计的第一策略；针对数据报报头开销大、通信能耗高、节点协作性、数据相关性、节电能量有限等特点，采用数据融合、过滤等技术；针对流量特征、通信耗能等特点，采用通信负载平衡技术；针对节点较少移动的特点，不需维护其移动性；针对网络相对封闭、不提供计算等特点，只在汇聚节点考虑与其他网络互联；针对网络节点不经常编址的特点，采用基于数据或位置的通信机制；针对节点易失效的特点，采用多路径机制等。 总之，无线传感器网络路由协议不仅要考虑节点能量消耗、计算能力、链路间带宽限制的问题，更要从整个网络系统的角度，根据具体应用的背景来考察网络能量均衡使用，最终延长整个网络的生命期。 更多的情况下，无线传感器网络路由协议要结合具体的网络拓扑控制策略来设计的。 233数据融合机制数据融合技术是将多份数据进行处理，去除冗余信息，出更有效、更简洁、更符合用户需求的数据的过程。 数据融合的目的是减少数据传输次数，有效地节省网络能量【32】；减少数据传输冲突碰撞，获取更准确的信息；降低网络拥塞和传输延迟以及提高网络数据传输量，从而提高无线传感器网络整体性能。 从网络协议分层角度考虑，数据融合机制可以与传感器网络的多个协议层次进行结合。 在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量；此外，还有研究者提出了独立于其他协议层的数据融合协议层，通过减少MAC层的发送冲突和头部开销达到节省能量的目的，同时又不损失时间性能和信息的完整性。 针对数据融合在无线传感器网络中的重要性，研究既能在节省能量、提高信息准确度的同时，要以避免过多地牺牲其他方面的性能为代价，