无线传感器网络技术与应用现状的研究.docx

1、无线传感器网络技术与应用现状的研究1 绪论1.1 课题背景和研究意义无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术等多种先进技术。其主体是集成化微型传感器，这些微型传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作的功能。无线传感器网络就是由成千上万的传感器节点通过自组织方式构成的网络，它通过这些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，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，使用户完全掌握监测区域的情况并做出反应1。无线传感器网络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

2、统的崩溃，所以传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境，包括监控我军兵力、装备和物资状态；监视冲突区域，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、生物及化学攻击等。在战场上，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据送至数据处理中心，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。也可以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防，或直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集有利于作战的信息。在生物和化学战中，利用传感器网络，可及时、准确地探测爆炸中心，这会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。无线传感器网络是继因特网之后，将对21

3、世纪人类生活方式产生重大影响的IT热点技术。如果说因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式，那么无线传感器网络则将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的方式23。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1999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。2003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，美国商业周刊又在其“未来技术专版”中发表文章指出，传感器网络是全球未来四大高技术产业之一，将掀起新的的产业浪潮。美国今日防务杂志更

4、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。2004年IEEE Spectrum杂志发表一期“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。1.2 国内外研究现状1.2.1 无线传感器网络节点结构在不同应用中，传感器节点的结构不尽相同，但一般都由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成4，如图1.1所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，传感器的类型是由被监测物理信号的形式决定的，如用于温度监测的铂电阻传感器，用于

5、压力传感的电容式传感器等；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送来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池，不过己有公司探索从周围环境取得能量并将其转换成微瓦电能的方法。图1.1 传感器节点结构1.2.2 无线传感器网络协议栈无线传感器网络协议栈包括物理层、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1.3所示。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

6、作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享.各层协议和平台的功能如下5,(1)物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；(2)数据链路层负责数据成帧，帧检测、媒体访问和差错控制；(3)网络层主要负责路由生成与路由选择；(4)传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；(5)应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；(6)能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；(7)移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；(8)任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。图1.

7、2 无线传感器网络协议栈1.2.3 无线传感器网络的拓扑结构无线传感器网络特定的应用环境及其固有的特征，对传感器网络拓扑结构的设计提出了新的要求。在无线传感器网络中，节点需要完全以自组织的形式构成自治型网络，并且能够工作在无人值守的恶劣环境当中。到目前为止，无线传感器网络拓扑结构的研究主要集中在两个方向，即平面型拓扑结构和层次型拓扑结构6。平面型拓扑结构，所有节点的地位平等、作用相同，既采集数据又进行数据通信的中转，网络中不存在集中式控制中心。为了有效地节省能量，远距离节点之间以多跳通信方式，如图1.4所示。平面结构网络比较简单，无需任何的结构维护过程，节点根据预定的路由协议自组织成无线网络。

8、由于随机分布、高密度等特性，源节点和目的节点之间可能存在多条传输路径，如图1.4中节点A和E之间存在两条路径:ACDE和ACFE，既可以使用多条路径实现负载分担，也可以为不同的数据传输需求选择适当的路径。平面结构网络中所有的传感器节点理论上是对等的，不存在瓶颈和单点故障，所以比较健壮，但是网络规模受限，动态扩展性差，难以维护。在平面结构中，源节点为了获得目的节点信息通常需要传输大量的查询消息，而且由于网络的动态性，如节点失效、增加等，维护这些动态变化的路由信息需要发送大量的控制消息.网络规模越大路由维护的开销就越大，当网络的规模增加到某个程度时，网络的所有带宽可能被路由协议消耗掉，所以平面式结

9、构的网络扩展性较差。图1.3 平面型拓扑结构层次型拓扑结构中，网络根据具体应用需求，如地理区域、能源、应用类型等，划分为簇，每个簇由一个簇头节点和多个簇成员构成，多个簇头节点抽象成高一级的网络，在高一级网络中可以继续分簇，形成更高一级网络，最终形成多层次组织结构的传感器网络，如图1.4所示。图1.4 层次型拓扑结构层次型拓扑结构中，不同层次以自己的局部概念进行交互，聚集起来实现期望的全局任务。分层组织结构中，簇内成员节点负责感知任务，以多跳方式将采集的信息发送到簇头节点。簇头节点作为簇类的中心节点，担负着与远程终端通讯、发布簇类管理信息、执行更高层次的数据融合和数据分析等使命。为了有效利用能源

10、和延长网络的生命周期，簇头节点通常依据能量概率分布由网络节点轮流充当。这样可以使簇头节点的高能量消耗平均到网络节点上，同时也避免了固定簇头引起的网络的脆弱性和不稳定性，而且可以通过簇拆分来增加簇的个数或者簇聚合形成更高一级网络来提高整个网络的容量。但缺点是，为了维护层次化结构需要仔细设计簇头选择算法。而且簇间节点为了完成数据通信需要经过簇头转发，因此不一定能使用最佳路由，例如图1.5中的A,B节点，物理距离很接近，在平面结构中可以直接通信，但分簇后需要通过两个簇的簇头中继进行通信。1.2.4 无线传感器网络研究内容由于无线传感器网络涉及信息领域多个研究领域，有非常多的关键技术有待研究.(1)对

11、网络协议有效性的研究。主要是通过各种网络协议的设计与仿真来提高网络的综合性能。传感器网络协议负责使各个独立的节点间形成一条安全可靠的数据传输路径。通过提出适应传感器网络特点的路由协议，提高传输数据的能量有效性；通过研究和改进己有的MAC层协议，来增强节点之间数据传输的可靠性。较经典的MAC协议有近期提出的基于竞争的S-MAC协议，TDMA与FDMA相结合的MAC协议7。(2)对时间同步技术的研究。时间同步用来精准确定来自不同节点的监测事件的先后关系。WSN中的通信协议和应用，比如基于TDMA的MAC协议和敏感时间的监测任务等，都要求节点间的时钟必须保持同步。设计高精度的时钟同步机制是传感网络设

12、计和应用的难点。已有的NTP(Network Time Protocol)就是一种经典的同步策略8。(3)对定位技术的研究。定位技术就是位置未知的节点根据少数信标节点，按照某种定位机制确定自身的位置。节点不能完全依靠GPS来实现定位机制，这就要求相应的机制与算法。已有的定位机制与算法包括两部分:节点自身定位和外部目标定位，前者是后者的基础。通常方法有三边测量法、三角测量法或极大似然估计法。(4)对传感器基础层的软、硬件资源的研究。提高电池的供电能力，接收信号的处理能力和芯片的集成能力。由于传感器节点一方面特点是并发性密集；传感器节点的另一方面特点是高度的模块化。美国加州大学伯克利分校针对无线传

13、感器网络研发了TinyOS操作系统，在科研机构的研究中得到比较广泛地应用。(5)对数据管理和数据融合技术的研究。由于传感器网络感知数据的海量性，因此必须对采集到的数据进行提取、压缩和融合等处理，来保证采集数据的高效性9。在应用层设计中，利用分布式数据库技术对采集到的数据进行筛选，达到融合的效果；在MAC层，通过减少数据发送冲突和头部开销达到节省能量的目的。美国加州大学伯克利分校的TinyDB+71系统和Cornel大学的Cougar18系统就是典型的传感器网络数据管理系统10。(6)对传感器网络安全性的研究。主要包括两方面内容:利用较少的能量和较小的计算量来完成数据加密、解密和身份认证；在受破

14、坏或受千扰的情况下可靠的完成执行任务。由于WSN的工作环境，可能面临着信息被窃听或被伪造的危险。这对该网络的拥有者会造成极大的威胁，因此必须综合考虑网络安全性的影响。1.3 无线传感器网络的应用无线传感器网络具有广阔的应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一己有和潜在的传感器网络应用领域包括:军事侦察、环境监测、医疗监护、空间探索、城市交通管理、仓储管理等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。(1)军事应用在军事领域，传感器网络将会成C41SRT系统不可或缺的一部分。C41SRT系统的目标是利用先进的高科技技术，

15、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，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: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；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；传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了

16、环境噪声对系统性能的影响；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；多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域；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。(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。类似地，传感器网络可实现对森林环境监测和火灾报告，传感器节点背随机密布在森林之中，平常状态下定期报告森林环境数据，当发生火灾时，这些传感

17、器节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地点、火势的大小等信息传送给相关部门。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。(3)医疗健康传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理。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。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称:“在开发

18、家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。还可以利用传感器网络长时间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15。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11。(4)空间探索探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒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。NASA的JPL实验室研制的Sensor Webs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测

19、和完善。(5)智能家居在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与互联网连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控，也可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。(6)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、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域，无线传

20、感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式12。2 无线网络路由协议概述在OSI参考模型中，网络层是通信子网的最高层。在一般的联机系统和线路交换系统中，网络层的功能意义不大。但是，当终端增多时，它们之间就需要有中继设备相连，此时会出现一台终端要求与多台终端通信的情况，这就产生了把任意两台数据终端设备的数据链接起来的问题，即网络路由问题。路由是把信息从源穿过网络传递到目的的行为。路由技术其实是由两项最基本的活动组成，即决定最优路径和传输数据包。路径选择是实现高效通信的基础。2.1 路由的基本概念路由包含两个基本动作:确定最佳路径和通过网络传输信息。在路由的过程中，后者也称为(数据)交换。交换相对来

21、说比较简单，而选择路径很复杂13。2.1.1 路径选择为了帮助选路，路由算法初始化并维护包含路径信息的路由表。路由算法根据目的地址和下一跳地址等诸多信息填充路由表。路由器彼此通信，通过交换路由信息维护其路由表，路由更新信息通常包含或部分路由表，通过分析来自其他路由器的路由更新信息，每个路由器都可以建立一个网络拓扑图。路由器间还发送链接状态广播信息来通知其他路由器发送者的链接状态。链接信息用于建立完整的拓扑图，使路由器可以确定最佳路径。2.1.2 交换交换算法相对而言较简单，对大多数路由协议而言是相同的。多数情况下，某主机决定另一个主机发送数据，通过某些方法获得路由器的地址后，源主机发送指向该路

22、由器的物理地址的数据包，该数据包中的IP协议地址指向目的主机。路由器查看了数据包的目的地址后，确定是否知道如何转发该包.如果路由器不知道如何转发，通常就将之丢弃;如果路由器知道如何转发，就把目的物理地址变成下一跳的物理地址并向之发送。下一跳可能是最终的目的主机或另一个路由器。当数据包在网络中流动时，其物理地址在改变，但其IP地址始终不变。ISO定义了用于描述源系统与目的系统交换过程的分层术语，在该术语中，没有转发数据包能力的网络设备称为端系统(end system,ES)，有数据转发能力网络设备称为中介系统(intermediate system,IS)。IS又进一步被分成可在路由域内通信的“

23、域内IS和可在路由域内又可在域间通信的“域间IS。路由域通常被认为是通过统一的路由策略或路由协议互相交换路由信息的网络，也称为自治系统14。2.2 路由算法及协议路由算法在路由协议中起着至关重要的作用，采用何种算法往往决定了最终的路径结果。通常需要综合考虑以下几个设计指标15(1)能量高效:传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。传感器节点的资源有限，传感器网络的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。(2)可扩展性:在无线传感器网络中，检测区域防卫或节点密度不同，造成网络规模大小不同;节点失败，新节点加入以及节点移

24、动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。(3)鲁棒性:路由算法处于非正常或不可预料的环境时，如硬件故障、负载过高或操作失误时，都能正确运行。由于路由器分布在网络连接点上，所以在它们出故障时会产生严重后果。最好的路由器算法通常能经受时间的考验，并在各种网络环境可靠工作。(4)快速收敛性:收敛是在最佳路径判断上所有路由器达到一致的过程。当某个网络事件引起路由可用或不可用时，路由器就发出更新信息。路由更新信息遍及整个网络，引发重新计算最佳路径，最终达到所有路由器一致公认的最佳路径。收敛慢的路由算法会造成路径循环或网络中断。(5)灵活性:路由算法可

25、以快速、准确地适应各种网络环境。例如，某个网段发生故障，路由算法要能很快发现故障，并为使用该网络段的所有路由选择另一条最佳路径。3 无线传感器网络路由协议研究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:寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。在无线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充，因

26、此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络协议的基础上选择合适的路径。传感器网络具有很强的应用相关性，不用应用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路由协议。此外，传感器网络的路由机制还经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量而节省能量。因此，传统无线网络的路由协议不适应无线传感器网络。3.1 无线传感器网络路由协议需要解决的问题在无线传感器网络中，由于网络内节点资源有限，数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端，因此路由选择算法是网络层设计的一个主要任务。传统无线网络的路由协议设计以避免网络拥塞、保持网络的连通性和

27、提供高质量网络服务为主要目标。在路由实现过程中，首先利用网络层定义的逻辑上的网络地址(即IP地址)来区别不同节点以便实现数据交换，然后通过路由选择算法决定到达目的地的最佳路径。与传统无线网络相比，虽然WSN具有与无线自组网络极为相似的特征，但在网络特点、通信模型和数据传输需求方面却与传统无线网络有着很大的不同。具体体现在以下几个方面:(1)能量受限的无线移动终端WSN的一个重要特征就是能量受限。网络内每个传感器节点通常使用容量有限、不可更换的电源，节点的计算、通信、存储能力也非常有限。(2)以数据为中心的通信方式无线传感器网络是以数据为中心的网络，类似于分布式的网络数据库，要查询的数据分布在全

28、部或部分节点中。在WSN中，与以地址为中心的传统通信方式不同，由于网内节点数量大和节点布设的随机性等特点，每个传感器节点不需要使用全局唯一的标识或地址。举例来说，在某个与温度相关的无线传感器网络应用中，用户并不关心第27号传感器的温度，而是关心诸如“当前温度超过30度的区域位置”等某区域内多个传感器采集的综合数据信息。(3)邻居节点数据的相似性无线传感器网络相邻节点监测的可能是同一个事件，如火灾，从不同监测点得到的数据具有较高的相似性。因此相邻节点的数据存在信息冗余性，采用一定的数据融合方法可以有效地节省网络资源。(4)面向特定的应用传统网络发展的趋势是电信网、计算机网以及电视网的逐步融合，形

29、成通用信息平台以满足各种应用需求。而在无线传感器网络中，传感器节点和物理环境交互密切，WSN的通信构架及其所提供的服务都是针对每个特定的应用而设计的。WSN数据在传输过程中，中间传感器节点需要针对特定应用，对来自其他节点的转发数据以及自身采集的数据进行融合、缓存和转发。(5)频繁变化的拓扑结构在WSN中，由于能量限制、环境干扰和人为破坏等因素的影响，传感器节点会经常损坏。由于节点的移动或损坏，加上无线发射装置发送功率的变化和信号之间的互相干扰等因素，网络拓扑结构将频繁变化。WSN的网络特点和通信需求要求路由协议在设计过程中必须以节约能源为首要目标，并采用折中机制，使用户可以在延长网络存活时间和

30、提高网络吞吐量、降低通信延迟间做出选择。而传统网络路由协议设计的首要目标是提供高的服务质量和高效利用网络带宽，其次才考虑能量的节约。因此传统路由协议不适合在WSN环境中运行，需要对其进行改进，提出适合应用于WSN网络的路由协议。通过对WSN路由协议设计特点和设计目标的分析，不难看出，一个好的WSN网络层路由协议设计应该满足以下条件:为了高效地利用有限的网络资源，尽可能压缩不必要的开销以最大限度的延长网络生存时间，路由协议的设计必须具备简单性和节能性。为了尽可能减少无线传感器网络内冗余信息的发送，节约有限的工作能源。路由协议的设计需要以数据为中心，具备数据融合能力。为了适应拓扑动态变化的网络结构

31、，提高系统的鲁棒性，路由协议应该采用分布式运行方式。为了适应WSN节点数量多、网络规模大和网络易受损的特点，保证传感器节点的随时加入和退出不会影响到全局任务的正常执行，路由协议的设计必须具备鲁棒性和可扩展性。在可能的条件下，使设计的路由协议具有安全性，降低遭受攻击的可能性。3.2 已有无线传感器网络路由协议的分类无线传感器网络路由协议可以从网络结构和协议工作特性两方面划分(如图3.1所示)。图3.1 传感器网络路由协议分类3.3. 基于网络结构划分3.3.1 平面型路由协议在平面型路由协议中，每个传感器节点有着相同的地位和作用，所有传感器节点共同执行收集信息的任务。由于节点数量的庞大，因此不可

32、能为每个节点赋予一个全局的标号。该种路由协议适用于数据中心路由协议，由基站(Base Station)发送查询到特定区域，之后等待该区域的节点收集该种信息。由于数据是通过查询的方式获得的，因此该种方式需要基于属性的命名方法。该种协议比较典型的有洪泛(Flooding)路由协议16、基于协商的路由协议SPIN17(Sensor Pr otocols for Information via Negotiation)和定向扩散协议18(Directed Diffusion)。这三种协议提出的许多设计思想对以后协议的设计具有重要的影响。洪泛(Flooding)路由协议。该协议是最早的一种无线传输协议，它不需要维护网络拓扑结构和计算路由，接收到消息的节点以广播的形式转发数据包给所有的邻居节点。洪泛路由协议实现简单，是目前采用最广的一种路由协议。但是，由于其转发数据的盲目性，带来了“内爆”和“重叠”现象。如图3.2所