帶狀無線傳感器網絡若干技術研究 浙江理工大學碩士學位論文目錄摘要?IAbstract?II第一章緒論?111j；I言?112課題背景及意義?l13無線傳感器網絡研究內容及現狀?3131研究內容?3132國內外研究現狀?614本文研究內容和組織結構?7第二章無線傳感器網絡基礎?821引言?822無線傳感器網絡體系結構?8221傳感器節點體系結構?8222無線傳感器網絡物理體系結構?10223無線傳感器網絡協議棧?一l l23無線傳感器網絡的關鍵技術?14231網絡拓撲控制?14232路由傳輸機制?14233數據融合機制?一15234時間同步機制?16235節點定位機制?1624無線傳感器網絡特點?一1725本章小結?18第三章帶狀無線傳感器網絡拓撲控制研究?一1931引言?1932相關研究及其局限性?1933帶狀網絡拓撲結構?2234基于數據梯度分布的鏈式多簇頭分簇算法?25341帶狀網絡拓撲模型?25342MCADGD算法描述?27343MCADGD節點分布策略?28344MCADGD網絡分簇策略?一30345MCADGD算法實現?3535本章小結?36第四章帶狀無線傳感器網絡數據融合研究?一3741引言?3742相關研究及其局限性?3743基于MCADGD的數據融合策略?41431帶狀網絡數據融合模型?41Iv浙江理工大學碩士學位論文432SDFAM算法描述?42433SDFAM理論推導?44434SDFAM算法實現?4644本章小結?。 47第五章仿真實驗與分析?一4851NS2仿真環境建立?4852網絡拓撲控制仿真?一48521最外層節點數最優值選取?48522MCADGD性能驗證及分析?4953數據融合機制仿真?52531t的最優值選取?52532SDFAM性能驗證及分析?。 5354本章小結?54第六章總結與展望?5561總結?5562展望?56參考文獻?57致謝?6!攻讀學位期間發表的學術論文目錄?63V浙江理工大學碩士論文第一章緒論11引言無線傳感器網絡(Wi reless SensorNetwork，WSN)1-21是由大量具有數據感知、信息處理和無線通信能力的傳感節點，通過可控分布或隨機部署方法組成的自組織網絡。 傳感器技術、數字處理技術、現代無線通信技術以及網絡技術的高速發展和同益成熟，為以信息獲取、處理和傳輸為基礎的WSN提供了強有力的技術支持。 WSN是一種全新的信息處理平臺，將傳統的傳感器信息獲取技術從獨立的單一化模式向集成化、網絡化、智能化的方向發展，并且具有快速展開、抗毀性強等特點。 作為物聯網最重要的基礎技術之一，WSN成為了溝通客觀物理世界和主觀感知世界的載體與橋梁，WSN以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知技術的一場變革。 因此，WSN在軍事、民用和工業生產等領域具有廣闊的應用前景，特別是在高危和無人等特殊環境的應用中發揮著無可替代的作用。 美國商業周刊在預測未來技術發展的報告中，將WSN列為21世紀最有影響力的重大技術和改變世界的十大技術之一【31。 正如Intemet改變了人與人的交互方式，WSN也將擴展未來人與自然的交互能力。 也正因為無線傳感器技術有著如此廣闊的應用前景和深刻的生產方式變革，目前許多國家正在積極地對其進行相關研究。 12課題背景及意義WSN是一種應用相關的網絡，在不同應用場合，對其技術要求也不盡相同。 按照網絡分布區域的拓撲結構劃分，本文把分布在狹長區域內的WSN稱為帶狀無線傳感器網絡。 帶狀無線傳感器網絡作為一種特定應用環境下的傳感器網絡，在許多方面不同于一般二維區域內的WSN，需要著重考慮和解決其應用相關下的特殊問題。 正是基于其自身拓撲結構特點，以下介紹幾種帶狀無線傳感器網絡典型的應用場合1高壓輸電線實時在線監控【4】高壓輸電線一般定向長距離延伸，電壓等級越高，往往傳輸距離越長，220kV輸電線路一般有幾十公里，而特高壓輸電線路通常在幾百到上千公里，鄰近高壓浙江理T大學碩上論文輸電線塔之間平均距在400m到700m左右。 輸電網絡的安全運行需要監控各種環境和自身的電氣量和非電氣量，具體包括輸電導線線路走廊經過地區的水文、氣候、地質情況等，以及輸電線本身電流、電磁、溫濕度、覆冰、振動等運行環境動態監測，高壓輸電線路在線監測對保障輸電線路的安全運行具有重要意義。 無線傳感器網絡中，大量具有特定功能的傳感器節點通過自組織的無線通信方式，相互交換信息，協同地完成輸電線路上特定功能的實時在線監測任務。 由于無線傳感器網絡具有可靠性高、擴展性強、運行費用低等特點，因此其日益成為了智能化輸電研究的一個重要領域。 2礦井環境在線監型5】礦井下溫度高、濕度大、通風不暢、粉塵濃度高、可燃氣體和有毒氣體濃度高等惡劣生產條件和復雜工作環境，給礦井安全生產帶來很大障礙。 傳統的單一型傳感器無法同時完成有毒氣體濃度、溫濕度、壓力等各種物理環境量的監測，而無線傳感器網絡異構型的傳感器節點不僅可以協同監測各種物理量，而且可以通過信息處理、數據融合以及彼此間的存儲轉發，來實現實時在線監測任務。 因此，無線傳感器網絡作為一種新的數據采集傳輸平臺正逐步大量應用于礦井環境監測中，為礦井安全生產管理和事故救援提供可靠的技術支持。 此外，由于礦井巷道一般呈狹長分布，一般長達數十公里，這就決定了應用在礦井監測的無線傳感器網絡為帶狀拓撲結構。 3油氣管道在線監測【6】在油氣輸送系統長期運行中，露天狀態下的油氣輸送管道老化、腐蝕難以避免，再加上自然或人為破壞等因素，油氣管道泄漏事故時有發生。 傳統的油氣輸送管道安全檢查一般采取人工定時巡視的辦法，人工巡檢不僅造成人力、物力的巨大浪費，由于發現問題不及時，油氣輸送系統安全運行仍然存在隱患。 目前，油氣管道的維護、防漏和檢漏成為不可忽視的問題，日益引起業界的高度重視。 隨著各種微功耗嵌入式智能儀表的相繼出現以及無線通信技術的進一步發展，建立一個以無線傳感器網絡技術為平臺的實時在線監控系統成為可能。 無線傳感器網絡能夠充分發揮其網絡布控簡單、采集數據可靠、制造成本低廉等優點，在油氣輸送管道安全監控和檢測方面具有重要的現實意義。 一般油氣管道綿延數數百甚至上千公里，決定了應用于長距離油氣輸送管道監測的無線傳感器網絡也呈帶2浙江理1=大學碩論文狀分布。 4道路交通實時監控【7】交通安全、交通堵塞已經成為困擾當fjf國際交通領域的重大難題，尤其以道路安全最為嚴重。 據有關部門研究得出結論采用智能交通技術提高道路管理水平后，每年僅交通事故死亡人數就可以減少30以上，并能夠提高交通工具的使用率50以上。 為此，世界各發達國家競相投入大量人力和財力，進行打規模的智能交通技術研究實驗。 智能交通系統(Intel li gentTransportati onSystem，ITS)正是在這種條件下產生和發展起來的。 無線傳感器網絡技術作為信息獲取和處理模式之一，在智能交通方面有著廣泛應用前景如交通數據采集、交通信息發布、電子收費、非接觸技術及檢測、智能交通信號控制、交通安全、停車管理、客貨車樞紐交通管理、智能公交與軌道交通、車載導航系統、交通誘導系統、安全與自動駕駛等等很多方面。 5其他應用再如江河堤壩、大型橋梁等區域內部署的無線傳感器網絡均呈典型的帶狀分布，盡管在不同的應用下，某些相關技術的要求不盡相同，但其最主要特征在于網絡節點靜態分布，拓撲控制中的聯通與覆蓋等相關問題假定已解決，而著重考慮的是如何避免能量空洞、應對網絡熱區以及數據高效融合的問題。 作為一種特定拓撲結構下的網絡，不同領域的帶狀無線傳感器網絡應用存在著共同的基礎性技術，同時也是其關鍵技術。 對此進行深入研究有助于將無線傳感器網絡推廣到更廣泛的應用中。 13無線傳感器網絡研究內容及現狀131研究內容無線傳感器網絡作為一種綜合了多學科跨領域的高新技術，日益引起了學術界和工業界的高度重視。 其目前研究的內容主要集中在基礎理論和工程技術兩個層面，其中又包括了微納米級芯片技術研究、嵌入式軟件技術研究、網絡協議體系研究、無線傳輸技術等研究方面。 1微納米級芯片技術研究這里所講的硬件研究主要針對微機電系統(Mi croel ectromechanical System，MEMS)，MEMS集微型傳感器、執行器、信號處理和控制模塊、接口模塊、射浙江理工大學碩士論文頻模塊、電源模塊于一體的微型智能機電系統。 MEMS具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產等特點。 在過去二十年中，技術的發展促使了MEMS的尺寸指數性的減少，使得無線傳感器網絡節點從厘米級發展到毫米級甚至小，MEMS的迅速發展奠定了無線傳感器網絡節點的硬件基礎【8。 9l。 “智能塵埃”的概念更是形象地描繪了未來無線傳感器網絡節點的發展趨勢。 所謂智能塵埃是指一些微小的、廉價的傳感器，它可以被散落到環境中對各種物體進行監測，其特點是體積小、功耗低、自組織、無線通訊，這也是無線傳感器網絡節點最主要的特征。 2嵌入式軟件技術研究嵌入式軟件技術研究主要針對系統軟件平臺，系統軟件平臺包括操作系統和編程語言。 操作系統需要支持并行操作，不同數據流同時傳遞。 操作系統必須提供高效模塊化，將硬件和特定的應用組件綜合在一起，此外處理開銷和存儲開銷要低。 用戶能夠從操作系統提供的組件集中選擇應用需要的最小組件。 各個組件能夠并行執行，同時等待事件最少、資源消耗最低。 當前比較流行的操作系統有Ti nyOStlo11l，國內外很多大學和機構利用這一平臺進行相關問題的研究；以及其他公司開發的一些應用相關的操作系統。 目前無線傳感器網絡程序一般由匯編語言和C語言編寫，此外加州大學伯克利分校研發人員開發的nesC語言，專門用于傳感器網絡編程開發。 nesC語言是一種C語言擴展的編程語言，Ti nyOS就是由nesC編寫而成的。 美國科羅拉多大學開發的Manti OS是一個以易用性和靈活性為主要目標的無線傳感器網絡操作系統112-141。 利用該操作系統可以快速、靈活地搭建無線傳感器網絡原型系統。 它的內核和API采用標準的c語言編寫，提供Li nux和Wi ndows開發環境，易于用戶使用。 SOS是由洛杉磯加利福尼亞大學NEL實驗室開發的一套無線傳感器網絡操作系統【l51。 SOS傳感器系統是一種新的用于無線傳感器網絡的操作系統，它將的庫程序和應用服務程序都是C語言編寫的，SOS可以消除很多操作系統靜態的局限性。 它引入了消息模式來實現用戶應用程序和操作系統內核的綁定。 SOS提供了通用的內核和動態加載的模塊來執行分發消息，裝載模塊等服務，針對某一個具體的應用，只需要編譯用到的模塊，沒有用到的模塊則不需要加入到最終的應用中。 在不更改操作系統內核的前提下，應用程序能夠按照模塊的形式4浙江理丁大學碩上論文從內核上動態地裝載或移除。 這樣可以突破傳感器節點資源受限的瓶頸，讓SOS能夠在無線傳感器網絡上良好地運行。 3網絡協議體系研究116】首先，無線傳感器網絡協議符合開放式系統互聯模式，從通信協議角度考察，網絡協議棧研究主要涉及到其物理層協議研究、數據鏈路層協議研究、網絡層路由協議研究、傳輸層以及相關應用層協議研究。 而從無線傳感器網絡支撐技術方面考察，網絡協議棧則主要涉及到網絡拓撲控制研究、傳感器節點定位技術研究、時間同步技術研究、網絡安全技術研究、QoS管理技術研究，以及其他如中間件技術、數據管理技術等方面的研究。 其次，設計簡單高效的協議棧是無線傳感器網絡協議體系研究時的首要問題。 網絡能量不可補充、無線帶寬不足、計算和存儲能有限等諸多方面的限制，要求盡可能地設計簡單高效的協議棧，使其在無線傳感器網絡中穩定有效地運行。 而由于在實際應用中無線傳感器網絡規模可能比較大，為達到自組織、低能耗的網絡特性，模塊化、跨層次、自適應、分布式協作、以數據為中心等許多設計思想須有所體現。 最后，無線傳感器網絡協議、算法的設計和實現與具體的應用場景有著緊密的關聯。 面向不同的應用背景的無線傳感器網絡所使用的路由機制、數據傳輸模式、實時性要求以及組網機制等都有著很大差異，因而網絡性能各有不同。 目前無線傳感器網絡研究所提出的各種網絡協議都是基于某種特定應用而提出的，這給無線傳感器網絡的通用化設計和使用帶來了巨大的困難。 如何設計功能可裁剪、自主靈活、可重購和適應于不同應用需求的無線傳感器網絡協議體系結構，將是未來無線傳感器網絡發展的一個重要方向。 4無線傳輸技術研究【17】無線傳輸技術通常作為無線傳感器網絡物理層研究范疇。 不同的傳輸技術不僅對硬件設計的要求也不同，也對軟件協議的設計有著很大影響。 無線傳感器網絡傳輸技術的研究一方面關系到無線通信中采用的傳輸介質，如紅外線、超聲波、射頻段電磁波和超高頻電磁波(微波)等；另一方面還涉及到不同的調制技術，如超寬帶(UWB)調制技術、直接序列展頻(DSSS)調制技術、分組二進制卷積編碼(PBCC)調制技術、正交頻分復用(oFDM)調制技術和多入多出正交浙江理工大學碩上論文頻分復用(MIMO OFDM)調制技術等。 不同的傳輸介質和調制技術決定了不同的傳輸技術，因而具有的作用不同，應用的場合也不同。 傳輸技術從根本上影響著整個無線傳感器網絡節點鏈路質量、數據傳輸速率和帶寬以及網絡能耗等方面，因此，傳輸技術也是無線傳感器網絡研究的一個重要領域。 132國內外研究現狀無線傳感器網絡技術的最初研究起源于美國軍方，其研究項目主要包括CEC、I迮MBASS、TRSS、Sensor IT、WINS、Smart Dust、SeaWeb、11AMPS和NEST等18，ol，幾乎涵蓋了無線傳感器網絡從信號處理到網絡協議各個方面的研究。 美國國防部遠景計劃研究局已經投資上千萬美元，幫助大學進行無線傳感器網絡技術的研究。 美國國家自然基金委員會(NSF)也開設了大量與其相關的項目，NSF于xx年制定了無線傳感器網絡研究計劃，在加州大學洛杉磯分校成立了無線傳感器網絡研究中心；xx年對網絡技術和系統的研究計劃中，主要研究下一代高可靠和高安全的可擴展的網絡、可編程的無線網絡及傳感器系統的網絡特性。 美國交通部、能源部、國家航空航天局也相繼啟動了相關的研究項目。 此外，美國所有的著名院校幾乎都有研究小組從事無線傳感器網絡相關技術研究。 如加州大學洛杉磯分校、康奈爾大學、麻省理工學院和加州大學伯克利分校等都先后開展了傳感器網絡方面的研究工作。 德國、英國、芬蘭、日本和韓國等國家的研究機構也先后開展了無線傳感器網絡的研究。 歐盟第6個框架計劃將“信息社會技術”作為優先發展的領域之一，其中多處涉及對無線傳感器網絡的研究。 日本總務省在xx年3月成立了“泛在傳感器網絡”調查研究會。 韓國信息通信部制訂了信息技術839戰略，其中就包括IT產業的三大基礎設施，即寬帶融合網絡、泛在傳感器網絡和下一代互聯網協議。 我國無線傳感器網絡及其應用研究幾乎與發達國家同步啟動，xx年中國科學院依托上海微系統所成立了研究與發展中心，旨在引領中科院無線傳感器網絡的相關工作。 國家自然科學基金已經審批了與無線傳感器網絡相關的諸多課題。 xx年將面向傳感器網絡的分布自治系統關鍵技術及協調控制理論列為重點研究項目。 xx年將網絡傳感器中的基礎理論和關鍵技術列入計劃。 xx年將水下移動傳感器網絡技術列為重點研究項目。 國家發改委下一代互聯網6浙江理工大學碩七論文(GI)示范工程中也部署了無線傳感器網絡相關課題。 在一份我國未來20年可預見技術的調查報告中，信息領域中157項技術課題中就有7項與無線傳感器網絡直接相關。 xx年年初發布的國家中長期科學技術發展規劃綱要為信息技術定義了三大前沿方向，其中智能感知技術和自組織網絡技術與無線傳感器網絡直接相關。 在此期間，國內的一些知名大學，如清華大學、哈爾濱工業大學、北京郵電大學、南京郵電大學、西北工業大學和國防科技大學等院校也相繼開展了傳感器網絡的研究，目前已有越來越多的院校及研究所相繼加入其中。 xx年國家提出以“感知中國”為戰略，將包括無線傳感器網絡在內的物聯網作為我國引領未來科技制高點14本文研究內容和組織結構第一章緒論。 該章首先闡述了課題的、背景及意義，介紹了無線傳感器網絡研究的主要內容與目前研究的基本現狀，最后概括了本文研究的主要內容和組織結構。 第二章無線傳感器網絡基礎。 該章闡述了無線傳感器網絡體系結構、關鍵技術以及主要特點。 從整體上系統地對無線傳感器網絡技術熱點與難點展開闡述。 第三章帶狀無線傳感器網絡的拓撲控制研究。 該章首先介紹了目前幾種典型的拓撲控制算法；然后從RWSN應用相關性出發，對RWSN的拓撲控制進行了研究，提出了始于RWSN的拓撲控制算法MCANGD，MCANGD主要在節點分布和網絡分簇方面予以研究；并結合文字描述和理論推導給出了偽代碼實現。 第四章帶狀無線傳感器網絡的數據融合研究。 該章首先介紹了目前幾種典型的數據融合機制；然后在MCANGD的基礎上，進一步研究了適于RWSN的數據融合算法SDFAM，并結合文字描述和理論推導給出了偽代碼實現。 第五章仿真實驗與分析。 該章首先對仿真環境及其參數配置作了簡單介紹，然后分別對MCANGD和SDFAM算法進行了模擬仿真及實驗分析。 第六章總結與展望。 對本文的工作進行了總結，并展望了下一步的工作。 7浙江理工大學碩I論文21引言第二章無線傳感器網絡基礎無線傳感器網絡是由大量廉價、密集的各類集成化的微型傳感器節點，部署在監測區域內構成的一種無線自組織網絡。 網絡通過這種“智能節點”實時地感知和采集各種環境或對象信息，并對收集的相關數據進行進一步處理，然后通過無線傳輸方式將數據發送給匯聚節點，匯聚節點最終再將數據發送到用戶終端或監控平臺，從而達到對目標區域的實時在線監測。 無線傳感器網絡自身的諸多特點，使得其與傳統的計算機網絡有著很大技術差別，即便較一般的Ad Hoc網絡，也存在著諸多不同之處。 因此，本章著重闡述無線傳感器網絡各方面的重點研究內容。 22無線傳感器網絡體系結構無線傳感器網絡的體系結構是一個很大的概念，包括了單節點體系結構、網絡物理體系結構和網絡協議體系結構等方面，幾乎涵蓋了整個無線傳感器網絡。 以下分別對各個方面分別進行說明。 221傳感器節點體系結構傳感器節點是無線傳感器網絡的基本組成部分，也是完成包括計算、存儲、通信以及傳感等任務的執行載體。 一個自組織、健全功能的無線傳感器網絡系統通常包含普通傳感器節點、匯聚節點和網管節點。 目前傳感器節點的硬件、軟件技術是傳感器網絡研究的重點，以下分別從硬件和軟件兩個方面加以說明。 1硬件構成傳感器節點硬件部分通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量管理等模塊組成【2l】，如圖21所示。 從功能角度講，傳感器模塊主要負責采集各類信息，如溫濕度、化學成分、加速度、振蕩頻率、電磁信息等，并負責將模擬信息轉換為數字信息。 處理器模塊負責控制整個傳感器節點的運行，包括數據采集、轉換、存儲、處理、收發等諸多任務。 無線通信模塊負責與其它節點進行無線通信，交換控制信息和收發采集數據；通常以無線電波為傳輸介質，特殊應用場合也有以紅外線和超聲波等作為傳輸介質。 能量供應模為整個傳感器節點提供8浙江理工大學碩士論文節點運行所需的能量；一般情況下以便攜式一次性微型電池作為電源；隨著各種能鼉轉化技術的發展，結合具體應用場合可以考慮采用能量可再生策略應對傳感器節點能量受限的問題，如光電轉換、磁電轉換等。 此外，芯片體積、信號調制、網絡算法等也在很大程度上與傳感器節點的能耗有關。 圖21無線傳感器節點組成2軟件構成軟件構成主要是指操作系統。 從應用角度講，無線傳感器網絡的操作系統或運行環境必須支持相應的特定節點，因而操作系統的設計側重點也不同。 如考慮到各種復雜應用，通常無線傳感器網絡可能需要同時執行多個任務，此時就需要支持并行操作，不同數據流同時傳遞。 用戶能夠從操作系統提供的組件集中選擇應用需要的最小組件，各個組件能夠并行執行，同時等待事件最少、資源消耗最低。 此外傳感器節點上網絡化的操作系統種系統比一般嵌入式系統更加強調協調性和實時性。 而在事件驅動型的網絡中，將事件驅動任務輸入到事件隊列中，當接收到恰當地觸發事件時，才開始執行，否則，使其空閑，只占用極少地處理時間。 需周期性上報數據的網絡以預置的速率執行數據上傳任務。 有時根據應用需求，可能兼顧多方面性能。 無線傳感器網絡節點就是一個網絡化的分布式嵌入式系統，通過無線信道實現網絡的通信。 為了減少通信量，在本地采集的數據在完成必要的融合處理后發送出去，從而可以協作地完成網絡任務。 這就要求節點具備一定的計算能力和存儲資源。 然而，由于大多數傳感器節點都是通過有限能量的一次性電池供電，由于能量受限又不能承載太復雜和繁重計算，所以節點的軟件和硬件實現上務必要高效簡潔，同時必須將硬件和特定的應用組件綜合在一起以提供高效模塊化。 通9浙江理工大學碩士論文常傳感器節點須在處理能力和生存時間之間尋找最佳平衡的平衡策略221。 222無線傳感器網絡物理體系結構無線傳感器網絡物理體系結構是指節點分類以及節點的物理分布狀態，其中后者又包括節點的位置分布狀態、能量初始值等相關方面。 物理體系結構關系到整個網絡拓撲結構和網絡生存期。 屬于網絡拓撲控制范疇。 在布置網絡之前，通常要綜合考慮節點數量、感知范圍及通信半徑來確定一定節點部署部署策略，以滿足傳感器網絡連通以及感知可靠性的要求，并能夠實現網絡節點快速、有效組網，這種情況分布的節點是可控分布的。 相對于可控分布，不可控分布的無線傳感器網絡更具有一般性。 所有節點地位平等，沒有預先指定的中心，各節點通過分布式算法相互協調，可以在無人工干預和其他預置的網絡設施的情況下，節點自動組織網絡。 正是由于無線傳感器網絡沒有中心，所以網絡不會因為單個節點的損壞而提前損毀，使得網絡具有較好的魯棒性和抗毀性。 無線傳感器網絡根據節點的功能不同，可將節點分為傳感器節點和匯聚節點。 匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它充當與Intemet等外部網絡連接的網關，實現兩種網絡協議之間的通信轉換，同時發布管理節點的監測任務，并把收集的數據轉發到外部網絡上。 匯聚節點既可以是一個具有增強功能的傳感器節點，有足夠的能量供給和更多的內存與計算資源，也可以是沒有監測功能僅帶有無線通信接口的特殊網關設備。 而傳感器節點兼顧傳統網絡節點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節點協作完成一些特定任務。 無線傳感器網絡拓撲可以根據節點是否可移動和部署是否可控分為四類123J節點靜態、可控部署。 節點通過人工部署或機器人部署到固定位置，拓撲控制主要是通過控制節點的位置來實現的，功率控制和睡眠調度雖然可以使用，但已經是次要的了。 節點靜態、不可控部署節點靜態、隨機地部署到給定區域，這是大部分拓撲控制研究所做的假設。 對稀疏網絡的功率控制和對密集網絡的睡眠調度是兩種主要的拓撲控制技術。 動節點態、可控部署這類網絡中，移動節點能夠相互定位。 拓撲控制機制融入到移動和定位策略中。 因為移動是主要的能量消耗狀態，所以節點間的高效通信不再是首要問題。 因為移動節點的部10浙江理工大學碩士論文署不太可能是密集的，所以睡眠調度也不重要，而層次型拓撲結構控制是主要的拓撲控制技術。 節點動態、不可控部署。 這樣的系統成為移動自組織網絡(Mobi le AdHoc Network)。 其難度是無論獨立自治的節點如何運動，都要保證網絡的正常運轉。 223無線傳感器網絡協議棧無線傳感器網絡需要根據用戶對網絡的需求，設計適應自身特點的通信體系結構，為網絡協議和算法的標準化提供統一的技術規范，使其能夠滿足用戶的需求。 如圖22(a)所示一般而言，無線傳感器網絡的通信協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，與互聯網協議棧的五層協議相對應。 另外，協議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。 這些管理平臺使得傳感器節點能夠按照能源高效的方式協同工作。 如圖22(b)所示，是協議棧細化并改進的模型。 時間同步和節點定位子層在協議棧中的位置比較特殊，它們既要依賴于數據傳輸通道進行協作定位和時間同步協商，同時又要為網絡協議各層提供信息支持。 能源管理、拓撲管理以及網絡管理等諸多機制一部分用于優化和管理協議流程；另一部分獨立在協議外層，通過各種收集和配置接口對相應機制進行配置和監控。 (a)(b)圖22無線傳感器網絡通信體系結構從網絡分層方面剖析無線傳感器網絡協議棧，主要是按不同的功能劃分不同的層，以下則針對一般的網絡協議體系結構分別對各層議棧進行說明。 (1)物理層物理層負責數據傳輸的介質規范，其主要功能是借助能量高效的信號調制解調技術進行無線通信技術收發信號；同時還負責頻道選擇、信號監浙江理工大學碩上論文聽、數據加密、載波生成定時以及時間同步等工作【241。 物理層面臨的主要問題有多徑傳播帶來多徑衰落和碼間干擾，再加上無線信道的廣播特性引起的節點間的互相干擾，這些因素造成無線傳感器網絡的信道質量差、帶寬低、容量小；另外，物理層的設計對傳感器節點電路的復雜度、節點能耗等方面也有著重要影響。 因此，設計一種適合于無線傳感器網絡的介質訪問控制(Medi umAess Control，MAC)方法，同時使整個網絡中各設備互聯所必須遵守的底層協議是物理層設計和研究的目標。 (2)數據鏈路層數據鏈路層負責介質接入控制、建立節點之間可靠的通信鏈路、數據流的多路復用、數據幀檢測和差錯控制【251。 數據鏈路層主要由MAC層構成，MAC層協議主要負責兩個職能其一是組建網絡底層基礎設施，實現多跳并具備自組織特性的節點無線通信，最終實現網絡結構建立。 因為成千上萬個傳感器節點高密度地分布于監測區域，MAC層需要為數據傳輸提供有效的通信鏈路，并為無線通信的多跳傳輸和網絡的自組織特性提供網絡組織結構；其二是為傳感器節點有效合理地分配資源，以實現平等高效的資源共享，避免點到點之間發生通信沖突。 因此，設計高效的調度機制、低能耗和低復雜性編解碼、簡捷的差錯檢測和同步的控制方案與協議是無線傳感器網絡鏈路層的關鍵問題。 (3)網絡層作為無線傳感器網絡核心技術的路由協議就處于網絡層中。 網絡層協議的主要功能是發現、建立以及維護無線傳感器網絡節點間數據傳輸的路由，包括網絡尋址，路由選擇，連接的建立、保持和撤銷等【2引。 路由協議負責將監測到的數據以分組的方式從源節點轉發到目的節點，主要包括兩大功能建立從源節點到目的節點的路由路徑和沿該路徑正確發送數據。 路由協議的優劣會對整個網絡的性能和工作壽命產生巨大的影響，因此也是研究的熱點領域。 由于無線傳感器網絡具有很強的應用相關性，因此，很難采用通用的路由協議。 和傳統的以地址為中心的路由協議不同，無線傳感器網絡的路由協議是以數據為中心的，一般是基于屬性的尋址方式，通常采用按需的被動式路由方式。 因此，設計有效和安全的路由協議來提高通信連通性、降低能量消耗、延長網絡生存時間始終是無線傳感器網絡的核心問題。 (4)傳輸層傳輸層主要負責控制數據流的傳輸，并在網絡層的基礎上為應用層提供可靠、高效的數據傳輸服務【27】。 無線傳感器網絡中，通信是點到點進行12浙江理工大學碩十論文的，同時還需要兼顧能量消耗，這與其他網絡傳輸層協議的要求有所區別，因此對無線傳感器網絡的傳輸層協議提出了更高的要求。 當無線傳感器網絡需要接入Intemet或其它外部網時該層才是特別必需的，工作在ISM頻段的設備可能出現較高的數據包錯誤率，建立一套端到端的傳輸與阻塞控制協議能夠很好地滿足無線傳感器網絡系統需求。 在協議棧的高層采用確認與重傳機制明顯要比底層復雜的錯誤處理控制碼方式易于實現可靠的數據傳輸；另外，由于大量傳感器節點分布密度可能會高于需求，各傳感器節點通過在局部區域內信息屬性進行冗余處理，減少和壓縮數據量可確保傳輸數據的高效性。 (5)應用層應用層為無線傳感器網絡節點和網路提供服務接口，針對不同的應用有著不同的應用層算法【28】。 在無線傳感器網絡中，一般都包括時間同步、節點定位、數據融合以及網絡安全等基礎性的應用。 時間同步對采用TDMA休眠機制的節點而言意義重大，時間片的循環需要時間同步支持。 節點定位不僅指定位節點本身的位置，還包括對移動目標的定位和測距等。 對事件的探測往往需要一個或多個節點上多種傳感器的協作，例如在火災探測上需結合煙霧、溫度甚至更多種探測現象加以綜合評定，數據融合為多種不同信息結合提供了可能數據融合在無線傳感器網絡的應用層實現，顯然傳輸己融合的信息要比未經處理的數據節省能量。 無線傳感器網絡利用無線信號發送數據，存在著信息泄露和篡改等風險，而且暴露在無人值守區域的節點還面臨著被物理操縱的危險，因此網絡安全也十分重要。 從網絡管理方面剖析無線傳感器網絡協議棧，主要是按不同的功能劃分不同的管理平臺。 如分布式網絡接口管理要求協議各層嵌入各種信息接口，并定時收集協議運行狀態和流量信息，協調控制網絡中各個協議組件的運行；能量管理中的每個協議層次中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統進行能量分配決策；拓撲管理則利用物理層、數據鏈路層或路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎信息支持，優化MAC協議和路由協議的協議過程，提高協議效率，減少網絡能量消耗；QoS管理在各協議層設計隊列管理、優先級機制或者帶寬預留等機制，并對特定應用的數據給予特別處理；網絡管理則要求協議各層嵌入各種信息接口，并定時收集協議運行狀態和流量信息，協調控制網絡中各個協議組件的運行。 浙江理工大學碩士論文23無線傳感器網絡的關鍵技術231網絡拓撲控制拓撲控制技術是無線傳感器網絡中的基本問題。 動態變化的拓撲結構是無線傳感器網絡最大的特點之一，因此拓撲控制策略在無線傳感器網絡中有著重要意義。 它為路由協議、MAC層協議、數據融合、時間同步和目標定位等很多方面奠定了基礎。 拓撲控制重點強調網絡拓撲結構的自適應性和魯棒性，以提高網絡通信效率，最大限度地節省能量來延長整個網絡的生存時間。 更確切地說，拓撲控制是從系統的角度來優化整個網絡的結構和性能。 目前，在網絡協議分層中沒有明確的層次對應拓撲控制機制，但大多數的拓撲控制算法是部署于MAC層和路由層之間的。 無線傳感器網絡拓撲控制主要研究的問題是在網絡資源普遍受限的情況下，對于固定或移動特征的無線傳感器網絡，通過功率控制、骨干網節點選擇以及冗余通信鏈路剔除等措施，來減少網絡能量消耗和無線通信干擾，并有效改善整體網絡的連通性、吞吐量與傳輸延時等性能指標。 傳感器網絡中的拓撲控制按照研究方向可以分為三類節點功率控制、層次型拓撲結構控制和節點睡眠調度29-30】。 功率控制調節網絡中每個節點的發射功率，在滿足網絡連通度的前提下，均衡節點的單跳可達鄰居數目。 層次型拓撲控制利用結構化機制，讓一些節點作為骨干節點，由骨干節點形成一個處理并轉發數據的骨干網，其他非骨干網節點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態以節省能量。 而睡H民調度就是控制傳感器節點在工作狀態和睡眠狀態之間的轉換。 該機制能夠使節點在沒有事件發生時設置通信模塊為睡眠狀態，而在有事件發生時及時自動醒來并喚醒鄰居節點，形成數據轉發的拓撲結構。 這種機制重點在于解決節點在睡H民狀態和活動狀態之間的轉換問題，不能夠獨立作為一種拓撲結構控制機制，因此需要與其他拓撲控制算法結合使用。 232路由傳輸機制網絡路由協議負責將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點，它主要包括兩個方面的功能一是尋找源節點和目的節點間的優化路徑；二是將數據分組沿著優化路徑正確轉發【311。 目前根據無線傳感器網絡的拓撲結構、路由協議自身14浙江理工大學碩士論文特點以及應用類型等，將路由協議分為四個類型以數據為中心的路由協議；基于層次結構的路由協議；基于地理位置的路由有協議；基于多路徑的路由協議。 由于無線傳感器網絡資源有限且有高度的應用相關性，高效的路由協議通常具有以下特點針對能量高度受限的特點，高效利用能量幾乎是設計的第一策略；針對數據報報頭開銷大、通信能耗高、節點協作性、數據相關性、節電能量有限等特點，采用數據融合、過濾等技術；針對流量特征、通信耗能等特點，采用通信負載平衡技術；針對節點較少移動的特點，不需維護其移動性；針對網絡相對封閉、不提供計算等特點，只在匯聚節點考慮與其他網絡互聯；針對網絡節點不經常編址的特點，采用基于數據或位置的通信機制；針對節點易失效的特點，采用多路徑機制等。 總之，無線傳感器網絡路由協議不僅要考慮節點能量消耗、計算能力、鏈路間帶寬限制的問題，更要從整個網絡系統的角度，根據具體應用的背景來考察網絡能量均衡使用，最終延長整個網絡的生命期。 更多的情況下，無線傳感器網絡路由協議要結合具體的網絡拓撲控制策略來設計的。 233數據融合機制數據融合技術是將多份數據進行處理，去除冗余信息，出更有效、更簡潔、更符合用戶需求的數據的過程。 數據融合的目的是減少數據傳輸次數，有效地節省網絡能量【32】；減少數據傳輸沖突碰撞，獲取更準確的信息；降低網絡擁塞和傳輸延遲以及提高網絡數據傳輸量，從而提高無線傳感器網絡整體性能。 從網絡協議分層角度考慮，數據融合機制可以與傳感器網絡的多個協議層次進行結合。 在應用層設計中，可以利用分布式數據庫技術，對采集到的數據進行逐步篩選，達到融合的效果；在網絡層中，很多路由協議均結合了數據融合機制，以期減少數據傳輸量；此外，還有研究者提出了獨立于其他協議層的數據融合協議層，通過減少MAC層的發送沖突和頭部開銷達到節省能量的目的，同時又不損失時間性能和信息的完整性。 針對數據融合在無線傳感器網絡中的重要性，研究既能在節省能量、提高信息準確度的同時，要以避免過多地犧牲其他方面的性能為代價，