无线传感器网络数据可靠性传输协议研究毕业论文（设计）

1、南京邮电大学通达学院毕业设计（论文）题 目：无线传感器网络数据可靠性传输协议研究专 业：计算机通信学生姓名：裴正龙班级学号：m07003137指导教师：黄辉指导单位：南京邮电大学继续教育学院日期：2010年门月09日至20门年05月26日摘要无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高 度集成的前沿热点研究领域.它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络 及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协 作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式 被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世 界

2、以及人类社会三元世界的连通.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、防恐反恐、危险区 域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和 工业界的高度重视，被认为是对2 1世纪产生巨大影响力的技术之一.论文介绍了无线传感器网络的研究背景和研究内容，并结合例子应用讨论了 无线传感器网络的信息采集过程。可以看到，资源有限是无线传感器网络与生俱 来的限制，尽可能的减少数据在传输过程中出现数据丢失和丢包等现象，是目前 研究无线传感器网络的一个热点。在相关研究成果中介绍了减少冗余信息传输的 网内处理方法一数据融合，但是数据融合不

3、能完美的解决所有问题，所以紧接着 对可靠性问题进行了研究，分析了目前提岀的多点覆盖、多路径传输、数据重传 等方法。第四、五章为本文核心。第四章阐述了所提出的相关性数据可靠传输协 议的原理，从紧急事件上报的应用场景入手，分析了网络模型和信息模型，提出 了信息价值量的概念，研究了邻居节点信息价值量贡献对于信息可靠传输的作用, 具体阐述了可靠传输协议的基本原理，最后还讨论了和其他路由协议的结合。第 五章介绍了相关性数据可靠传输协议在无线传感器网络中的实现，主要包括路由 的建立和维护过程、数据上报过程、数据监听过程、数据转发过程等。关键字：无线传感器网络；数据可靠性传输协议；多路径传输。abstrac

4、tthe wireless sensor network is current internationally receives the attention, to involve the front hot spot research area which multi-disciplinary highly overlapping, the knowledge integrates highly. it synthesized the sensor technology, the embedded computation technology, the modern network and

5、the wireless communication technology, the distributional information processing and management technology and so on, can through the various groups cheng hua miniature sensor cooperation real-time monitor, the sensation and gathers each kind of environment or the monitor object information, these i

6、nformation are transmitted through the wireless way, and by the network way which jumps from the group transmits to the user terminal, thus realizes the physical world, the computation world as well as the human society three yuan world connection. the sensor network has the very broad application p

7、rospect, in the military national defense, the industry and agriculture, the urban management, the biological medical service.the thesis prospects the characteristics and applications of wireless sensor networks (wsns), and discuses the process of information gathering with an example. because wsns

8、are constrained by resources,many researches are trying to economize the limited resources. in the related work,we first analyze the method of in-network processing-data aggregation, which could successfully decrease the redundant information. however, it could not solve all the problems mentioned,

9、so we then study the methods of reliable transmission, including multi-coverage, multi-path and data retransmission.chapter iv focuses on the principle of reliable transmission protocol of coitelation data. beginning with a scenario of emergency reporting, it explores the network model and informati

10、on model, and presents the concept of information value to measure the usefulness of data packets. it also provides the method to compute the neighbor contribution of information value according to data correlation. at last, it discusses the way of reliable transmission using existing routing protoc

11、ols. chapter vdescribes the implementation of the reliable transmission protocol of correlation datajncluding the processes of routing establishment and maintenance, data reporting, data monitoring, data forwarding, etc.key words: wireless sensor networks; data reliability transport protocols; multi

12、-path transmission.目录第一章绪论1第二章阐述无线传感器网络体系结构及特点32. 1无线传感器网络体系结构32.1.1无线传感器网络结构32.1.2无线传感器节点结构42.1. 3无线传感器网络协议栈结构42.2无线传感器网络特点62.3无线传感器的组网模式72.4小结7第三章 数据的融合算法进行分析比较83. 1数据融合算法83. 1. 1数据融合概述83.1.2数据融合算法83.1.3数据融合的局限性93. 2数据上报93.2.1上报数据的格式93.2.2节点存储结构103.2.3吋钟控制与事件发现113.2.4事件上报123.3数据监听123.4数据转发123.5小结1

13、2第四章目前数据的可靠性算法进行分析比较134. 1应用场景134.2可靠性算法134.2. 1可靠性算法概述134.2.2多点覆盖144.2.3多路径传输144.2.4数据重传154.3相关性数据的可靠传输协议164.3. 1基本原理164. 3.2路由协议选择174.4小结19第五章数据的可靠传输进行相关性分析与研究205. 1网络模型205. 1. 1网络拓扑结构215. 1.2节点部署215. 1. 3 mac 层协议215. 1.4节点定位技术215. 1.5信息感知模型225.2信息模型225. 2. 1信息价值量225. 2. 2数据相关性225. 2. 3节点信息价值量贡献23

14、5.3无线传感器的支撑技术235.4节点工作过程总结245. 5小结24第六章 数据的可靠传输方案的具体实现与应用256. 1实现数据的可靠传输256. 1. 1信息价值量256. 1.2节点密度的影响256.2传输时延266.3感知半径的影响276.4收敛性276.5无线传感的应用286.6性能分析总结396. 7小结30结束语31致谢32参考文献33第一章绪论随着科学技术的不断更新与发展，传感器技术本身也在不断地发展、深化和 交叉，从原先的单一的敏感元件发展到混合集成传感器、智能传感器、无线传感 器网络等，真正朝着无所不在的信息获取技术方向迈进。无线传感器网络是一种 独立出现的网络，它的基

15、本组成单位是无线传感器节点，这些节点集成了传感器、 微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块，实现对物理世界的动态智能协同 感知。如果说移动通信联接的是人和人，传感器网络连接的则是物和物，预计物 与物的互联业务将远远超过现在移动通信人与人的互联业务。传感器、微机电系 统、嵌入式系统、智能计算、集成路以及低功耗无线通信等技术的飞速发展，使 得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器网络的大规模应用成为可能，这些 微型无线传感器是集成的光机电一体化系统，具有无线通信、数据收集和处理、 协同工作等功能。成千上万个微型无线传感器节点共同组成了自治的无线传感器 网络，导致了一种全新的信息获取和处理模式，微

16、型传感器节点可以随机或者特 定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成 分布自治系统，相互协同完成特定的任务。无线传感器网络是由大量密集的部署在监测区域的传感器节点组成的，共同 完成信息收集、目标监视和感知环境的任务。无线传感器网络的基本功能和目的 是收集并返回传感器网络节点所在监测区域的信息，对于观察者来说，他们感兴 趣的是传感器节点监测到事件后上报的数据。因此，无线传感器网络的一个重要 任务是能够保证汇聚节点按照观察者期望的可靠性要求接收到传感器节点感知到 的数据。可靠性问题研究目前主要采取多点覆盖、多路径传输、数据重传等方法。 考虑的主要因素是无线传感器网络节

17、点的资源十分有限，主要体现在电源能量、 处理能力、存储容量及通信带宽等多个方面，这些都是制约无线传感器网络寿命 的重要因素。考虑到无线传感器网络的这些特殊性，为了保证整个无线传感器网 络的健壮性和监测信息的准确性，在部署时，大多都刻意的增加传感器节点的数 量来提高传感器节点的密度，传感器节点的监测区域互相交叠，甚至有的传感器 节点本身都在其邻居节点的监测区域内，这使得邻近传感器节点报告的信息存在 一定程度的冗余。大量的兀余信息会浪费大量的通信带宽和宝贵的能量资源，述 会降低信息的收集效率，影响信息采集的及时性。为避免这些问题，人们采用了 一种称为数据融合（或称为数据汇聚）的技术。所谓数据融合是

18、指将多份数据或信息 进行处理，组合出更高效、更符合用户需求的数据的过程。在大多数无线传感器 网络应用当中，许多时候只关心监测结果，并不需要收到大量原始数据，数据融 合是处理该类问题的有效手段。数据融合算法有其不可避免的局限性，比如，需要传感器节点大量的计算， 会消耗有限的能量;高度的融合计算还需要处理时间，影响事件上报的及时性，降 低了传输的效率;对融合后的数据没有相应的可靠性保证，丢失或者误传高度融合 的数据将会带来更严重的错误。数据融合源于数据之间的信息相关性，木文提出 一种直接利用传感器节点上报数据的信息相关性的传输协议，有效的减少无线传 感器网络中传输的冗余信息，保证了监测区域的信息能

19、够可靠的传输到汇聚节点, 满足了实时性的要求。我们来考虑这样的一种具体应用，在森林防火的无线传感器网络中，所有的 节点都在独立的对其监测区域进行监控，对监测到的异常温度进行上报。当某一 个区域有火灾时，周围的传感器节点都会先后监测到有异常情况发牛，它们监测 到的信息可能会有一定的相关性，温度可能接近甚至可能相同，如果它们都独立 的进行上报，对于汇聚节点来说，这些信息的有用性是不一样的，先监测到异常 情况的传感器节点上报的数据将会更加有用，以便能够进行及时的处理，后监测 到该异常情况的传感器节点上报的信息的有用性就减少了，它们在上报数据的时 候就可以较低的概率或者可靠性进行。在能够保证监测区域中

20、数据信息可以可靠 上报的同时减少无线传感器网络冗余信息的传输，节省传感器节点的能量消耗。木文对无线传感器网络中的可靠性问题进行研究，主要完成以下几个方面的 工作：(1) 冗余信息计算问题。对于在一个监测区域中发生的事件，由于部署位置或 者感知能力的不同，不同的传感器节点感知的顺序到有先后的区别，感知到的信 息准确度也是不同的，所以它们对以收集信息为目的的汇聚节点来说的重要程度 就不同。木文对布尔感知模型和一般感知模型进行了分析，研究了不同感知模型 下传感器节点上报数据对汇聚节点收集信息的有用程度，用数据相关性来度量不 同数据之间的冗余信息；(2) 数据信息可靠传输问题。对最终用户来说，期望监测

21、区域发生的异常事件 能够上报到汇聚节点，也期望汇聚节点收集到的信息有一定的准确度。然而在无 线传感器网络的实际传输过程中，不同重要程度的信息就不应该消耗相同的资源。(3) 协议性能分析。在介绍完相关性数据的可靠传输协议原理和实现后对协议 性能进行了分析，主要包括能耗、数据传输量、时延、收敛性等方面。论文全文分为六章，内容组织如下：第一章为绪论部分；第二章阐述无线传感器网络体系结构及特点； 第三章对目前数据的融合算法进行分析比较；第四章对目前数据的可靠性算法进行分析比较；第五章对相关性数据的可靠传输进行相关性分析与研究; 第六章相关性数据的可靠传输方案的具体实现与应用。第二章无线传感器网络体系结

22、构及特点无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技术白组织构成的网络， 它集成了传感器、微机电系统和网络三大技术，目的是感知、采集和处理网络覆 盖范围内感知对象的信息，并转发给观察者，是以数据处理为屮心的系统。2. 1无线传感器网络体系结构网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构，即网络的体系结构就是 网络及其部件所应完成的功能的精确定义。体系结构对于网络协议和各功能模块 的设计起着至关重要的作用，并且在很大程度上决定网络的规划和整体性能。由 于无线传感器网络的独特性，传统的体系结构和现存的大量协议在无线传感器网 络中不再适用。无线传感器网络的体系结构和设计方法应充分考虑网络的特性和

23、特殊的应用环境。2.1.1无线传感器网络结构图(2-1)无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensornod)汇聚节点(sinknode) 和任务管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensorfield)内部或附近， 能够通过自组织方式构成网络。传感器节点采集的数据通过其他传感器节点逐跳 地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后送到汇聚 节点，最后通过互联网或卫星到达任务管理节点。用户通过任务管理节点对传感 器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器网络具有以下 特征：(1) 节点分布极其稠密冃数目很大；(2) 传感器网络中节点能量、存储空间

24、及计算能力等资源非常有限，h能量资源 等无法补充；(3) 在传感器网络中，传感节点在布置完毕后，除了少数节点需要移动以外，大 部分节点都是静止的；(4) 多跳通信。由于低功率射频器件的信号传播范围有限，wsn应该能支持多 跳通信，如下图示意了从节点a (source)到bs (sink)的多跳传输过程。(5) 高度自适应的自治能力。由于应用的特殊性(节点能量较低或节点的移动、 增加、消亡)，wsn必须是能够自我配置的，需要很强的自适应能力和健壮性。2. 1.2无线传感器节点结构传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，由传感器模块、处理器模块、无 线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责

25、监测区域内信息的采集 和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的 数据以及其他节点发来的数据;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，通常采用能量有限的屯池供电。2.1.3无线传感器网络协议栈结构无线传感器网络的一个层次结构的协议栈，这个协议栈包括物理层、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。如图(2-2)：图(2-2)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。各层协 议和平台的功能如下：(1) 物理层功能包括信道的区分和选择、无线信

26、号的监测、调制/解调等。由于多径传播 带来的多径衰落、码间串扰，以及无线传输的空间广播特征带来的节点间的相互 干扰，使无线传感器传输链路的带宽容量较小。无线通讯方式有射频（rf-radio frequency）和红外（ir-infrared）两种。由于红外方 式的方向性限制，使其应用更多的局限在点对点直接通讯，故无线传感器网络倾向 于射频通讯。在通迅频带使用上可参考免中请的ism （industrial security manual,工业安全 手册）（工业、科学和医疗）开放频段2.4ghz （全球）、433mhz （欧洲）和 917mhz （美国）。当通讯网络工作在开放频带时也会受到其它外部

27、系统的影响， 使用时必须采取抗干扰（微波炉、802.11b和蓝牙等设备）措施。（2）数据链路层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 （medium access control，简称mac）组成,mac协议的基木作用是避免点到点通 讯时冲突的发牛。传感器网络的mac协议必须满足两项基本要求:首先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讯;其次是在节点通讯过程中实现平 等高效的资源共享。针对wsn的mac提出了以下三种解决方案，如图（2-3）:图（2-3）基于csma （carrier sense multiple access载波侦听多址接

28、入）法：任何csma框 架由侦听机制和退避机制两个主要部分组成。mac子层规定了不同的用户如何共享可用的媒体资源，即控制移动节点对共 享无线信道的访问。其包括两部分，一是信道划分，即如何把频谱划分成不同的 信道;二是信道分配，即如何把信道分配给不同的用户。信道划分的方法包括频分、 时分、码分或这些方法的组合。逻辑链路控制子层负责向网络提供统一的服务， 屏蔽底层不同的mac方法。具体包括数据流的复用、数据帧的监测、分组的转发 /确认、优先级排队、差错控制和流量控制等。注意：传统的csma是在随机分布传输假设基础上趋向于独立的点对点数据 流，针对传感器的mac协议必须能够提供数量可变的、高度相关的

29、、定期占支配 作用的数据流。一种自适应传输速率控制（arc, adaptive transmission rate control） 的方法被提岀来平衡源发起与数据流通的速率,这种计算特性相比消息握手机制更 为能量高效，而且试图通过不断调整传输速率和改变相位避免冲突的重复发生。(3) 网络层主要功能包括邻居发现、路由牛成与路由选择等功能。邻居发现主要用于收 集网络拓扑信息。路由协议的作用是发现和维护去往目的节点的路由。路由协议 可以在ip层之下或之上实现，前者实现简单，适用于小型网络;而后者屏蔽底层网 络细节，具有较好的可扩展性和互操作性。路由协议包扌舌单播路由和多播路由协 议，此外还可以采用

30、虚电路方式来支持实时分组的传输。传输层主要功能是向应 用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网(下三层的细节)相隔离，并根据网 络层的特性来高效地利用网络资源，当无线传感器网络需要接入玩internet等外部 网络时尤其需要传输层协议的支持。(4) 应用层wsn主要应用于对事件的探测，然而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。这个多种不同信息结合的过程称为数据融合，它有四个显著特点：(1) 冗余处理：同一个激励信号可被不同传感器捕获，剔除重复不必要信息；(2) 补充信息：一种传感器捕获一种特征，多种特征的结合将

31、获得更全面信息；(3) 及时信息：多传感器的并行采集与处理；(4) 低成木信息：为获得准确信息而需单个功能强大但高价的传感器可用多种廉 价的传感器共同实现。数据融合在wsn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。传感器网络的突出特点是针对性太强而限制了其适用范围，倘若wsn 中节点能够釆用多种类别传感器，合理的对采集数据进行融合不但可以改善信息 获取的质量；更可以扩大网络的应用领域。数据融合在wsn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。传感器网络的突出特点是针对性太强而限制了其适用范围；倘若wsn中节点 能够采用多种类别传感器；合理的对采集数据

32、进行融合不但可以改善信息获取的 质量，更可以扩大网络的应用领域。2. 2无线传感器网络特点无线传感器网络是由大量密集的部署在监测区域的传感器节点组成的，它是 集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，具有如下的特点：(1) 传感器节点屯源能量有限对传感器节点而言，电源是系统的关键部分。屯源的获取有两种方式：首先, 传感器节点白身存储电源；其次，从传感器节点外部获取能量。由于传感器节点 个数多，而且通常部署在环境恶劣的地方，比如沙漠、森林等，所以通过更换电 池的方式来补充能源是不现实的。(2) 传感器节点的计算和存储能力有限传感器节点通常是一个微型的嵌人式系统，它的处理能力、存储能力和通信 能力相

33、对较弱。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。汇 聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强。它连接传感器网络和外部网 络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把 收集到的数据转发到外部网络上。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管 理，发布监测任务以及收集监测数据。(3) 传感器节点的通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离的关系为:随着通信距离的增加，无线通信的 能量消耗将急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下应该尽量减少单跳的通 信距离。考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，无线传感器网络采用 多跳路由的传输机制。2. 3无线传感器

34、的组网模式在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后，首先面临的问题是采 用何种组网模式；是否有基础设施支持，是否有移动终端参与，汇报频度与延迟 等应用需求直接决定了组网模式。无线传感器的组网模式主要有：(1) 扁平组网模式所有节点的角色相同，通过相互协作完成数据的交流和汇聚。最经典的定向 扩散路由(direct diffusion)研究的就是这种网络结构。(2) 基于分簇的层次型组网模式节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点，传感节点将数据先发送 到簇头节点，然后由簇头节点汇聚到后台。簇头节点需耍完成更多的工作、消耗 更多的能量。如果使用相同的节点实现分簇，则要按需更换簇头，避免簇

35、头节点 因为过渡消耗能量而死亡。(3) 网状网(mesh)模式mesh模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络，用来收集传感 节点数据，另一方面实现节点之间的信息通信，以及网内融合处理。akyildiz l f 等总结了无线mesh网络的应用模式。(4) 移动汇聚模式移动汇聚模式是指使用移动终端收集目标区域的传感数据，并转发到后端服 务器。移动汇聚可以提高网络的容量，但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹 相关。如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要目标。kim等提岀的 sead分发协议就是针对这种组网模式。bi y等研究了多种sink的移动汇聚模式。 2. 4小结本章首先介绍了无

36、线传感器网络的网络结构、节点结构，然后阐述了网络协 议栈结构，最后分析了无线传感器网络的特点和组网模式。从无线传感器网络的 体系结构和特点可以看出，资源有限是无线传感器网络与生俱来的限制，起码在 现阶段还不能改变这种情况。尽可能的减少浪费资源的因素是目前研究无线传感 器网络的一个热点。在下一章中，将会介绍减少冗余信息传输的网内处理方法一 数据融合，但是数据融合不能完美的解决所有问题，所以紧接着对可靠性问题进 行了研究分析。第三章有关数据的融合算法分析相关研究成果表明数据融合算法对传感器节点感知到的数据进行处理，减少 了兀余信息的传输，但是其可靠性和时效性都不是很好，对高度融合后的信息传 输也没

37、有相应的机制保证。本章首先简要介绍了数据融合的概念，然后列举了它 在无线传感器网络中应用中的优势。然而数据融合方法也有其局限性，需要用可 靠性算法来保证高度融合数据的传输，所以本章后面部分会对数据可靠传输技术 进行介绍。3. 1数据融合算法3.1.1数据融合概述传感器节点的能量有限，而发送和接收数据需要消耗巨大的能量，所以减少 传输的数据量能够有效的节省能量。一个有效的办法是传感器节点在接收到数据 并转发的过程中，利用节点的计算和存储能力进行网内计算，尽可能的去除冗余 信息，减少传输的数据量，达到节省节点能量进而延长传感器网络寿命的目的， 这就是数据融合。数据融合的重要作用有：（1）节省能量由

38、于部署无线传感器网络时，考虑了整个网络的可靠性和监测信息的准确性 （即保证一定的精度），需要进行节点的冗余配置。在这种冗余配置的情况下，监测 区域周围的节点采集和报告的数据会非常接近或相似，即数据的冗余程度较高。 如果把这些数据都发给汇聚节点，在己经满足数据精度的前提下，除了使网络消 耗更多的能量外，汇聚节点并不能获得更多的信息。而采用数据融合技术，就能 够保证在向汇聚节点发送数据之前，处理掉大量冗余的数据信息，从而节省了网 内节点的能量资源。（2）获取更准确的信息由于环境的影响，来自传感器节点的数据存在着较高的不可靠性。通过对监 测同一区域的传感器节点采集的数据进行综合，有效地提高获取信息的

39、精度和可 信度。(3) 提高数据收集效率网内进行数据融合，减少网络数据传输量，降低传输拥塞，降低数据传输延 迟，减少传输数据冲突碰撞现象，可在一定程度上提高网络收集数据的效率。3.1.2数据融合算法数据融合主要有两类:一类是基于树的融合，一类是基于分簇的融合。基于树 的融合会构造一棵以汇聚节点为根节点的融合树，然后数据会沿着融合树从事件 源节点汇集到汇聚节点。比如定向扩散采用的是“抑制副本叩勺方法，即对转发过的 数据进行缓存，发现重复的数据将不予转发，有效的减少了网络屮的数据量。leach和teen都是基于分簇的数据融合路由算法，通过周期性选择的簇头 进行数据融合并与汇聚节点进行通信，使得各个

40、节点尽量均衡地消耗能量，达到 延长网络寿命的目的。pegasis对leach的融合方式进行了改进，它的单链结 构使得每个节点发送数据的距离几乎都是最短的，且最终只有一个节点进行远距 离的数据传输，所以它更能节省能量。3.1.3数据融合的局限性数据融合方法有其不可避免的缺点，比如，仅仅根据少数儿个分散的传感器 节点的数据较难确保得到信息的止确性，需要通过对监测同一对象的多个传感器 所采集的数据进行综合，来有效的提高所获得的信息的精确度和可信度，这样需 要传感器节点大量的计算，会消耗有限的能量；融合计算还需要处理时间，影响 事件上报的及时性，降低了传输的效率；高度融合的数据可能会发生丢失或者误 传

41、，一旦发生错误，监测区域发生的事件将不能准确的上报到汇聚节点，需要相 应的机制保证可靠传输。3. 2数据上报3. 2. 1上报数据的格式上报给汇聚节点的数据有着和路由消息不同的数据结构，除了包含消息数据 外，还附加了事件源节点与事件源中心的位置关系、事件源节点与己发送节点间 的关系、发送时的可靠性等信息，用于邻居传感器节点动态的了解网络中的节点 对事件的上报情况，通过计算上报自己感知到的信息。传感器节点之间是一种松 祸合的关系，每个传感器节点独立的监测其覆盖区域，对监测到的事件进行上报。 按上报的顺序对传感器节点进行编号，第k个传感器节点上报数据包的数据结构 msg 为：字段含义数据包的类型，

42、值为3,代表本数据包是一个传感器节点 感知到事件上报的数据包k事件源节点上报事件的序号residuary jiopjium指明该数据包剩余的距离汇聚节点的跳数，初始值为从事 件源节点到汇聚节点的跳数+冗余跳数，冗余跳数是根据 不同的路由算法确定的。中间节点收到数据包时比较剩余 跳数和该传感器胃点到汇聚打点的跳数大小，如果剩余跳 数更多，那么该数据包还能有有效的传输路径道道汇聚节 点：否则，该数据包不在发往汇聚节点的路径上，直接丢 弃，防止路由回路，浪费网络资源coordinate jr*第个传感器节点的横坐标coordinate第斤个传感器节点的纵坐标coordinate xcos第k个传感器

43、节点监测到的事件源中心的橫坐标coordinately第k个传感器节点监测到的事件源中心的纵坐标len原始数据的长度raw jdata第k个传感器节点上报给汇聚节点的原始数据ak第k个传感器节点倍息价值量衰减系数几第k个传感器节点实际上报数据的可靠性第k个传感器节血和第i(ovi<k)个上报事件的邻居传感器 节点的数据相关性系数。其中i代表取值范围中的任意值， 这里的是阳到必】的k1个值3. 2. 2节点存储结构为了能够利用邻居节点的相关信息，每个传感器节点需要一定的存储空间,记录自身和邻居节点的上报事件的信息。第m个传感器节点的存储结构为:字段含义m该传感器ii点的上报序号，每收到一个

44、邻居节点上报的数 据包就加1time lastevent上一次监测到事件的时间event interval min汇聚节点设定的事件发生的最小时间间隔event interval max汇聚节点设定的事件发生的最大时间间隔has jtewjirrival标识是否有新的邻居节点上报事件，1表示有，需要重新 计算上报数据的可靠性corrdinate jcn该传感器节点的横坐标corrdinate ym该传感器节点的纵坐标hopjium距离汇聚节点的跳数汇聚节点要求的可靠性attrjium汇聚节点要求传感器节点在监测区域监测的属性类型总 数attri第i(o<i<attr num)监测属

45、性的标识符threshold j:eilingi第i(o<i<attr num)监测属性监测值的上限threshold floori第i(o<i<attr num)监测属性监测值的下限以下是第«0么5)个传感器节点上报数据的信息k事件源节点上报事件的序号pmjt.第m个传感器节点和第k个上报事件的邻居传感器节点的 数据相关性系数coordinate jq第斤个传感器节点的横处标coordinate yk第r个传感器节点的纵坐标ak第k个传感器节点信息价值量衰减系数壮第k个传感器节点实际上报数摇的可靠性第k个传感器节点和第i(o<i<k)个上报事件的

46、邻居传感器 节点的数据相关性系数中i代表取值范围中的任意值， 这里的阳是加到必如的甘个值3. 2. 3时钟控制与事件发现时钟控制是无线传感器网络中的基本问题，涉及物理时间和逻辑时间两个概 念，物理时间是绝对时间，任意两个传感器节点的一秒钟的度量应该都是相同的, 逻辑时间在无线传感器网络中用来表示事件发生的先后顺序，是一个相对的概念。 由于传感器节点和无线传感器网络的特殊性，时钟控制存在着不同于传统网络时 钟控制的许多限制，比如:晶体振荡器频率偏差、温度变化和电磁波干扰等引起的 本地时间的偏差，时间同步算法的能耗问题，大量节点z间时间同步的可能性， 同步精度的要求等。我们采用逻辑时间的概念，各个

47、传感器节点z间不进行时钟 同步，釆用自己的本地时钟，可以在不同时间开启。需要确定的是对于传感器节 点持续或者间断的监测到某个属性值超过给定阀值的上限或者下限的情况下，该 节点的上报策略。在路由建立和更新阶段汇聚节点广播了一个参数teven, inte, min,就是用来指定一个很小的时间片，在这个时间区间内监测到的事件就被认为 是同一个事件。3. 2. 4事件上报传感器节点部署在监测区域的最主要任务就是监测这片区域出现的异常情 况，异常情况的鉴定是通过对监测属性的持续监测来判定的，如果在一段时间内 监测值都超过给定的一个范围，那么就认为在监测区域发生了指定的事件，需要 对汇聚节点上报该事件的具

48、体情况。传感器节点充分利用邻居节点上报数据时记 录的信息，计算实际信息价值量，根据实际信息价值量的多少来发送数据。3. 3数据监听传感器节点能够通过无线信号监听到邻居传感器节点上报的数据，所以可以 充分利用这些信息来分析传感器节点之间的关系，得出它们上报数据之间的相关 性，减少冗余信息的传输。监测区域中事件发生都有一个持续时间，如果超过了 某个时间间隔的监听到的数据，就是两次事件，这个时间间隔是通过在路由建立 和更新阶段汇聚节点广播的一个参数来判定的。对监听到的数据，解析数据中的 特定内容，记录数据的信息到存储空间，然后根据消息的内容和网络拓扑结构决 定是转发还是丢弃数据。3. 4数据转发无线

49、传感器网络是多跳的网络，数据必须经过中间节点的传输才一能到达汇 聚节点。对接收到的数据，传感器节点判断是否自己左该数据的传发路径上，如 果是则转发到下一跳节点，否则丢弃该数据。3. 5小结在本章中，首先介绍了网内处理方法数据融合，数据融合方法能够有效的减 少网络数据传输量，但是也有其局限性，比如数据融合处理会消耗能量、增加时 延，对融合后的数据没有相应的可靠性保证，丢失或者误传高度融合的数据将会 带来更严重的错误；所以进而对可靠性问题进行了研究，分析了目前提出的各种 方法，包括多点覆盖、多路径传输、数据重传等，它们从不同角度提供可靠性的 保证，多点覆盖是在网络部署上，增加信息感知的准确度，传感

50、器节点的冗余也 为多路径传输提供了必要前提，多路径传输提供了空间复用的传输可靠保证，数 据可以在同一时间从不同空间进行传输，而数据重传提供了时间复用的传输可靠 保证，数据在不同时间进行传输。第四章相关性数据的可靠传输协议原理本章从分析一个具体的应用场景入手，提出了该类传感器网络应用的网络模 型和信息模型。然后提出并定义了信息价值量，作为信息有用程度的度量，并以 信息价值量的有效获取为目标提出了相关性数据的可靠传输协议。最后讨论了该 协议和其他路由协议的结合，主要是多路径的传输协议relnformo4. 1应用场景处于工作状态的传感器节点周期性的监测其感知范围的区域，对温度、湿度、 光强度、烟雾

51、等进行感知，并采集数据，当监测区域的环境发生变化时，传感器 节点感知到的数据就会发生变化。传感器节点可以根据预先设定的一个阀值(可以 包括上限和下限，根据具体的应用有不同的设置方法)，当监测到数据的值变化超 过这个阀值范围时，就判断出这片区域有界常的事件发生。例如在火灾监测的应 用中，传感器节点会设置一个温度的临界值上限和烟雾的临界值上限，如果在监 测区域有火灾发生，临近的传感器节点就会监测到温度值和烟雾指数的变化，当 这个值比设定的临界值上限述大时，该节点就知道有火灾发生了。事件通常发生 在一个小的区域，比如火灾，总是由一个地方蔓延开来，这个中心点称为事件源 中心。监测到事件发生的传感器节点

52、，称为事件源节点。通常，由于传感器节点 的高密度部署，监测到同一个事件发生的传感器节点会有多个。事件源节点需要 通过多跳的路由把事件上报到汇聚节点，汇聚节点就可以根据接收到的数据进行 相应的处理。实际上，事件源节点选择的转发节点可能也监测到了该事件的发生, 对于同一个事件，不同的传感器节点把监测到的事件上报到汇聚节点。这样，各个传感器节点上报的数据存在着较大的信息相关性。本文后面将会 分析怎样利用这种数据信息的相关性来减少冗余信息的传输。4. 2可靠性算法4. 2. 1可靠性算法概述由于传感器节点通常是由飞机抛洒的，其随机性可能使得某个传感器节点与 其邻近传感器节点之间的距离大于无线信号传输的

53、有效距离，或由于传感器节点 所处地形等因素的干扰，加上传感器节点自身容易损坏等问题，使得该传感器节 点以及该传感器节点转发的信息不能到达汇聚节点，甚至出现死区。如果一味地 使传感器节点密集，无线传感器网络中的信息传输量将增大，传感器节点的能源 将过早耗光，使无线传感器网络寿命缩短。因此在增加传感器节点密度的同时， 有必要多方位的对无线传感器网络的可靠性进行研究。在无线传感器网络中，可 靠性研究的概念有这样几个方而：(1) 首先是监测可靠性问题，对于无线传感器网络覆盖范围内发生的事件，该传感 器网络能够精确的监测出事件。所需的传感器节点覆盖密度取决于传感器网络的 感知范围、感知区域的形状和周围环

54、境。(2) 无线传感器网络己经监测到了事件，但是传感器节点的读数可能是不正确的， 所产生的信息数据不能达到可靠性的要求。为了能够达到信息的准确性，应该结 合基于时间或者基于空间获得更多的读数来消除噪声和监测异常值。(3) 若传感器节点已经监测到了事件，并且读数已经正确，达到了信息可靠性的要 求，那么这些信息必须由感知到事件的传感器节点可靠的传输到汇聚节点。一般 来说，从该传感器节点到汇聚节点是一个多跳的距离。当前的可靠性研究主要包 括以下方法：多点覆盖、多路径传输和数据重传等。4. 2. 2多点覆盖根据覆盖对象的不同，可以将无线传感器网络的覆盖问题分为三大类：点覆 盖(pointcoverag

55、e)、区域覆盖(areacoverage)和栅栏覆盖(bairiercovenige)。点覆盖 考虑的是对若干离散目标点的覆盖；区域覆盖要求目标区域内的每个点至少被一 个节点覆盖；栅栏覆盖关注网络对移动目标的监测能力，要求当某个移动目标沿 任意路径穿越网络部署区域时，目标不被发现的概率最小。(1) 点覆盖在军事应用中，常常将人量节点随机部署在若干个离散目标点附近。如果将 网络节点划分为若干个互不相交的节点集合到每个节点集合能够完全覆盖这些目 标点，那么，通过周期性的调度这些节点集合，在任意时刻只有一个节点集合处 于活跃工作状态，其它节点全部处于睡眠状态，就可以有效延长整个网络的生存 时间。显然

56、，这样的节点集越多，网络生存时间越长。如何构造最大数量的无交 节点集是一个np完全问题。(2) 区域覆盖区域覆盖要求目标区域内的每一点至少被一个节点覆盖，即整个区域都被传 感器节点覆盖，某些重点或关键区域其至要求有多个节点予以监测。区域覆盖是 目前覆盖问题研究的主要方向。例如，在森林防火等应用屮，需要对目标区域内 的每一个点进行监测，以确保监控的全面性。(3) 栅栏覆盖考虑的是当移动目标沿任意路径穿越无线传感器网络的部署区域时，网络监 测到该移动目标的概率问题。例如，在战争屮监测是否有敌军通过边界地带，或 者敌军在监测区域内沿一定路径移动时是否能被节点所察觉。该问题的意义在于, 一方面可以确定

57、最佳网络部署，使得目标监测概率最大；另一方面，当穿越敌方 的监控区域时，可以选择一条最安全的路由。多点覆盖主要解决的是监测可靠性的问题。无线传感器网络传输的数据是传 感器节点感知到的原始数据或者原始数据经过数据融合后的数据，如果原始数据 的有错误或者有误差，汇聚节点接收到的数据准确性就很难保证。多点覆盖通过 多个传感器节点同时独立的监测，监测到的数据直接传输到汇聚节点，降低由于 传感器节点监测带来的误差，从传输的源头提高汇聚节点接收到数据的准确性。3. 2. 3多路径传输在无线传感器网络中，引入多路径传输是为了提高数据传输的可靠性和实现 网络的负载平衡。grab是一种通过多路径传输保证单个数据

58、可靠到达的算法， 它通过给每个节点赋予一个cost值来代表从该节点到汇聚节点发送数据包的开 销，同时给每个从源节点发送的数据包赋予一个credit值来代表该数据包上报到汇 聚节点拥有的预算开销，在传感器节点和传输链路都不可靠的无线传感器网络中 实现可靠传输。在grab协议中，距离汇聚节点越近的传感器节点，它的cost值就越小，这 样根据cost值大小的不同，形成一个梯度方向，这样数据就可以按照梯度方向从 事件源节点传输到汇聚节点。与此同时，数据包中包含的credit值使得数据能够在 发送过程中调节发送的mesh的带宽，既能保证数据能够可靠的传输到汇聚节点， 乂不会因为浪费过宽的带宽而消耗宝贵的资源。relnform首先引入