（控制理论与控制工程专业论文）基于lq1的无线传感器网络信息可靠传输研究.pdf

学位论文版权使用授权书 | j i i ii ii tirli i i ii ii iiii 18 9 4 6 4 0 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借 阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库 并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生 处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：襦畏补 们f j 年毛月他日 指导教师签名：刁宅胁 少“年6 玛，b 独创性声明 重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：袖夭稍 日期：阳l1 年g 月怕 江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来，无线传感器网络( w s n ) 发展迅速，应用领域越来越广泛，而在许多 应用场合中w s n 的数据传输可靠性要求很高。特别是在工业应用领域，现场环 境很复杂，存在很多干扰，无线传输往往受到复杂环境、节点性能等因素的影响， 容易造成数据传输丢包。因此，w s n 研究面临的一个很重要的问题就是数据可 靠传输。 目前，在w s n 数据可靠传输研究方面取得了一定进展，从节点层、链路层、 路由层等不同层面提出了一系列解决方案，一定程度上解决了单跳，多跳路径的 可靠传输问题，但在评估远距离传输多跳路径方面，都没有考虑多跳路径中存在 瓶颈链路的情况，降低了被选择路径的可靠性。本文通过实验验证了天线方向、 发射功率、通信距离、供电电压以及外界动态环境对l q i 均值和标准差率( c v ) 的影响，构造基于l q i 和c v 的路由度量模型( l q i b m ) ，动态结合l q i 均值和 c v 对多条路径的优劣进行评价，有效降低瓶颈链路出现的概率，提高被选择路 径数据传输的可靠性。通过对经典按需路由协议a o d v 进行修正，结合路由评 价模型l q i b m ，提出了一种可靠路由基于l q i 的多路径a o d v ( l ma o d v ) 。路由发现阶段增加对链路质量和节点电量的监测，将单路径改 为节点不相交多路径，减少由于节点失效导致的路由失败。用l q i b m 对多条路 径进行评价，采用最佳配置主路径和备用路径进行数据传输，综合考虑各方面因 素，最大限度地确保数据传输可靠性。 对路由评价模型l q i b m 进行仿真分析和实验验证，结果表明，与l q i 均值 评价模型相比，l q i b m 可以有效排除存在瓶颈链路的路径，提高了路径的传输 可靠性。在信息可靠传输实验平台上，将可靠路由算法l ma o d v 与其他两种 算法进行对比，结果表明可靠路由l ma o d v 有效提高了数据传输的可靠性， 在实现任务传输的同时，还降低了整个网络的能量消耗。 关键字：无线传感器网络，可靠路由，链路质量指示，路由度量，可 靠性 江苏大学硕七学位论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s v od e v e l o p sr a p i d l ya n di t s a p p l i c a t i o nf i e l db e c o m e sm o r ea n dm o r ew i d e l y h o w e v e r , t h ed a t at r a n s m i s s i o no f w s nr e q u i r e sh i g hr e l i a b i l i t yi nm a n ya p p l i c a t i o n s e s p e c i a l l yi nt h ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o nf i e l d ，t h es i t ee n v i r o n m e n ti su s u a l l yv e r yc o m p l e xa n dt h e r ei sm u c h i n t e r f e r e n c e f u r t h e r m o r e ，t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ni so f t e na f f e c t e db yc o m p l e x n a t u r a le n v i r o n m e n t ，n o d e s p e r f o r m a n c ea n do t h e rf a c t o r s ，w h i c hw i l le a s i l yl e a dt o d a t ap a c k e tl o s s t h e r e f o r e ，r e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n h a sb e c o m eas i g n i f i c a n t p r o b l e mi nt h er e s e a r c ho fw s n p r e s e n t l y ，r e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o nr e s e a r c hi nw s nh a sm a d eac e r t a i n p r o g r e s s as e r i e so fs o l u t i o n sa r ep r o p o s e df r o md i f f e r e n ta s p e c t ss u c ha sn o d el a y e r ， l i n kl a y e ra n dr o u t i n gl a y e r ，w h i c hs o l v e dt h er e l i a b l et r a n s m i s s i o no fo n eh o pa n d m u l t i p l eh o p st oac e r t a i ne x t e n t b u ti ne v a l u a t i n gm u l t i h o pp a t h sf o rl o n g d i s t a n c e t r a n s m i t t i n g ，t h e r ei so nc o n s i d e r a t i o nf o rt h eb o t t l e n e c kl i n ke x i s t i n gi nt h ep a t h ， w h i c hr e d u c e st h er e l i a b i l i t yo ft h ec h o s e np a t h i nt h i sp a p e r ，t h ei n f l u e n c eo fa n t e n n a d i r e c t i o n ，t r a n s m i t t i n gp o w e r ，c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e ，s u p p l yv o l t a g ea n de x t e r n a l d y n a m i ce n v i r o n m e n to nl q im e a na n dc o e f f i c i e n to fv a r i a n c e ( c v ) i sv e r i f i e d t h r o u g he x p e r i m e n t s t h er o u t i n gm e t r i cl q i b mb a s e d o nl q ia n dc vi sc o n s t r u c t e d ， w h i c hd y n a m i c a l l yc o m b i n e sl q im e a na n dc vt oe v a l u a t et h eq u a l i t yo fp a t h s f u r t h e r m o r e ，i te f f e c t i v e l yr e d u c e st h ea p p e a r i n gp o s s i b i l i t yo fb o t t l e n e c kl i n ka n d e n h a n c e st r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yo ft h es e l e c t e dp a t h t h r o u g hm o d i f y i n go nt h e o n d e m a n dr o u t i n gp r o t o c o la o d v ，t h er e l i a b l er o u t i n gp r o t o c o l ，m u l t i - p a t ha o d v p r o t o c o lb a s e do nl q i ( l m _ a o d v ) ，i sp r o p o s e db yc o m b i n i n gt h er o u t i n gm e t r i c l q i b m i nt h ep h a s eo fr o u t i n gd i s c o v e r y ，t h em o n i t o r i n go ft h el i n kq u a l i t ya n d n o d e sp o w e ri sa d d e d t h es i n g l ep a t hi sc h a n g e dt on o d e d i s j o i n tm u l t i - p a t h ，w h i c h w i l lr e d u c er o u t i n gf a i l u r ed u et on o d e sf a i l u r e t h er o u t i n gm e t r i cl q i b mi su s e dt o e v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo fm u l t i p l ep a t h s ，a n dd a t et r a n s m i s s i o ni sa c h i e v e dt h r o u g h m u l t i - p a t hu s i n go p t i m a lc o n f i g u r a t i o no np r i m a r yp a t ha n da l t e r n a t ep a t h t a k i n g i i 江苏大学硕士学位论文 a c c o u n to ft h e s ef a c t o r s ，t h er e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o ni se n s u r e d t ot h eg r e a t e s t d e g r e e s i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no i lt h er o u t i n ge v a l u a t i o n m o d e ll q i b ma lec a r r i e do u ta n dr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hl q im e a n ， l q i b mc a ne f f e c t i v e l y r e m o v e p a t h se x i s t i n g b o t t l e n e c k l i n k ，i m p r o v i n g t h e r e l i a b i l i t y o ft h et r a n s m i s s i o n p a t h i nt h ei n f o r m a t i o n r e l i a b l et r a n s m i s s i o n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，c o m p a r i n gr e l i a b l er o u t i n ga l g o r i t h ml m a o d vw i t ht h e o t h e rt w oa l g o r i t h m s ，t h er e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o ni si m p r o v e db yu s i n gt h e r e l i a b l er o u t i n ga l g o r i t h ml m a o d v w h i l er e a l i z i n gt r a n s m i s s i o nt a s k s ，i ts t i l l r e d u c e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ew h o l en e t w o r k k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，r e l i a b l er o u t i n g ，l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ， r o u t i n gm e t r i c ，r e l i a b i l i t y i i i 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录；i v 第一章绪论1 1 1 本文研究背景l 1 2w s n 特点和应用1 1 2 1 无线传感器网络特点2 1 2 2 无线传感器网络应用3 1 3w s n 可靠传输研究现状5 1 4 论文研究的主要内容与组织结构一7 第二章w s n 可靠传输理论与设计方案9 2 1w s n 的拓扑结构：9 2 2w s n 可靠路由相关理论1 1 2 2 1 典型可靠路由协议分析1 2 2 2 2 单路径和多路径可靠性对比15 2 2 3 多路径路由：16 2 2 4 路由评估机制19 2 3 可靠路由设计方案2l 2 3 1 可靠路由问题分析2 l 2 3 2 具体设计方案2 3 2 4 本章小结2 5 第三章w s n 路由评价模型研究2 6 3 1 链路质量指示l q i 2 6 3 1 1l q i 影响因子研究2 6 3 1 2l q i 与包接收率关系3 3 3 2 基于l q i 的路由度量模型3 4 3 2 1 路由度量模型l q i b m 的提出3 4 3 3 3 4 第四章 4 1 4 2 4 3 第五章 5 1 5 2 5 3 江苏大学硕七学位论文 消耗验证：6 3 6 4 6 1 ； 6 1 ； ；6 1 ； 6 7 7 2 的论文一7 3 7 4 1 1 本文研究背景 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是新时代技术高速发展 的产物，经过多年的发展，它的应用前景进一步扩大。随着应用场合的不断增多， 在许多应用系统中，对数据传输可靠性的要求越来越高，尤其是在工业应用领域， 现场环境通常很复杂，无线传感器网络中节点之间的无线通信很容易受到干扰， 变得不可靠，出现丢包，严重时甚至会中断传输，这很不利于工业现场各种环境 的监测和参数的采集。为了保证无线传感器网络有效运用到实际应用中，必须保 证数据以较高的可靠性传输到目的地。在传输过程中，通信不能被随便中断或者 破坏，否则将产生严重的后果和影响【l ，引。 在无线传感器网络的实际应用中，通常都要进行远距离传输，单跳的传输距 离和准确性并不能满足需求，往往通过多跳来协助实现远距离传输【3 】，但是工作 现场复杂的自然环境，人为因素的干扰或者自身硬件的影响都会使路径中某一跳 或某几跳链路质量变差，进而使多跳路径传输变得极其不可靠，出现不可预知的 丢刨4 ，引，造成未知的危险。因此，研究无线传感器网络数据可靠传输具有重要 的意义，保证在恶劣的环境和一定的硬件条件下，数据由源节点可靠地传输到目 的节点，使现场的数据采集和传输工作能够正常的进行。 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目“温室新型变 结构自组织无线传感网络测控系统研究”，项目号为：2 0 0 6 a a l 0 2 2 5 8 。本课题旨 在研究一种基于链路质量指示( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 的无线传感器网络 信息可靠传输方法，从路由层进行了对信息可靠传输的研究，提出了设计方案。 1 2w s n 特点和应用 无线传感器网络是一种新兴的科学技术网络，由大量的具有数据采集，数据 处理和通信功能的无线传感器节点组成，可以实现自组织网络。无线传感器网络 技术结合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微 江苏大学硕七学位论文 电子制造技术和软件编程技术等，是一种无中心节点的全分布系统们。传感器节 点借助于内置的各种传感器对各种信息进行采集，例如温度、湿度、噪声、光强 度、压力等，采集完成之后将采集到的数据进行优化并传输到控制中心进行监控。 1 2 1 无线传感器网络特点 无线通信网络技术在过去一段时间获得了飞速的发展，主要包括移动通信 网、蓝牙网络、无线局域网、a d h o c 网络。无线传感器网络与这些网络相比有 许多明显不同的技术要求和应用目标，它是一种特殊的网络，通过节点间的相互 协作来实现各种需求，具有以下特殊的特点1 7 ： 1 ) 节点的电源能量，计算能力与存储能力和通信能力有限 由于传感器节点的微型化，在设计中大部分采用电池供电且不方便给节点频 繁更换电池，因此要特别注意传感器节点的能量限制。再者，微型化传感器节点 的处理器计算能力比较弱，其存储器容量也较小，不能进行很复杂的计算和数据 存储。因此，这也给无线传感器网络的设计提出了很大挑战，必须设计简单有效 的路由协议。最后，由于传感器节点体积很小，且通常发送节点和接收节点都贴 近地面，存在很多障碍物，干扰较大，遇到这些问题时会使无线通信变得很不稳 定，可能会缩短通信距离，干扰严重了甚至会使通信中断。 2 ) 无线传感器网络规模大，密度高 在应用无线传感器网络时，为了提高获取信息的完整性和准确性，通常都会 在待监测区域内部署大量的节点。由于传感器节点数目巨大，在网络中并不支持 点对点通信，它是通过大量冗余节点协同工作来提高整个系统的性能。 3 ) 无线传感器网络动态性强，拓扑结构易变 无线传感器网络工作在一定的自然环境中，周围环境的变化往往会影响节点 之间的通信质量。此外，由于传感器节点需要节能，常常要在工作和休眠状态之 间切换，节点随时可能由于某种原因发生故障而失效，或者添加新的节点到网络 中，这些情况都会使无线传感器网络的拓扑结构发生变化。如果节点能够移动， 网络拓扑结构的变化会更加频繁。基于网络拓扑易变的情况，需要无线传感器网 络具有自组织的能力。 2 江苏大学硕士学位论文 4 ) 多跳路由 由于发射功率，周围环境等因素的影响，节点的通信距离是有限的，通常只 能跟它的邻居节点进行点对点通信，如果要与它覆盖范围以外的节点进行通信就 要通过中转节点进行转发。在无线传感器网络中，并没有专门的路由节点，而是 由普通的网络节点协助完成，实现多跳传输。这样，每个节点都可以作为信息传 输的发起者，也可以作为转发者。 1 2 2 无线传感器网络应用 近年来，国内外对无线传感器网络的关注度不断提高，因此它获得了飞速的 发展。随着技术的不断成熟，计算成本的下降，传感器节点的飞速发展，很多无 线传感器网络方案都已经实施到实际应用中，对人类的生活和生产等各个领域带 来了深远的影响。目前，无线传感器网络的应用主要在以下几个方面【7 】： 1 ) 军事应用 在战争中，对军事要地进行监控是至关重要的，通过无线传感器网络，可以 很方便的监控我军布防的领地是否有敌人入侵，也可以将传感节点部署在对敌人 作战的地点，这样就能更加有效的监视敌人作战的情况，迅速收集到有效信息。 战场上的环境通常是非常恶劣的，存在很多干扰因素，这样无线传感器网络正好 发挥它的优势：自组织和较高的容错性，实现对敌军地形和实力的侦查，定位攻 击目标，战场评估和生物化学攻击的检测等功能【8 1 。 2 ) 环境保护 近年来环境问题的不断出现，使得人们越来越关注环境，对于环境的保护也 早已提上日程。无线传感器网络在环境保护中也发挥了它的优势，它可以采集大 量的数据，克服由于环境问题产生的随机性所带来的数据采集的实时性问题，同 时还能避免传统数据采集方式对环境所带来的影响。例如对于森林火灾的检测， 可以将传感器节点提前布设在森林之中，当发生火灾时，这些节点就会协同工作， 第一时间把火源的地点，火势等重要信息传送给有关部门，为救火提供最及时有 效的信息。 3 ) 工业应用 无线传感器网络所具备的白组织，微型化和对世界的感知能力决定了它能够 江苏人学硕：十二学位论文 在工业领域发挥强大的作用。例如工业的工作环境好多都是非常危险的，如煤矿， 石油钻井等，工厂可以运用无线传感器网络对这些现场的安全进行时时监测，及 时发现危险的存在，防患于未然，将损失和伤害降低到最小。采用无线传感器网 络还可以对楼字，桥梁等建筑物的自身状况进行长时间检测，以方便相关部门进 行必要的检修。 4 ) 医疗应用 无线传感器网络微型化，对外界区域的感知能力等特点使其在医疗研究、护 理领域表现出了优势，主要用于检测人体生理数据【9 j ，健康状况，远程医疗【1 o l 及医院药品管理等。病人住院时，可以安装有特殊用途的传感器节点到病人身上， 如心率和血压监测设备，利用无线传感器网络，在远端的医生就可以随时了解被 监护病人的病情，对一些突发状况进行及时处理，以避免发生意外情况，有效保 证病人的生命安全。同时，利用无线传感器网络对病人生理状况的长时间监测所 采集到的数据对原有药品效果分析，研发新的药品具有非常重大的意义。 5 ) 智能家居 随着技术的高速发展，人们的生活和工作方式也发生了革命性的变化。近年 来，智能家居的概念深入人心，无线传感器网络在其中充分的展现了它的特点， 它将住宅中的各种家具设备联系起来，形成一个家庭智能化的网络。用户可以方 便地对家里的家电进行远程监控，如在下班前可以控制家里的电饭锅，微波炉， 电话机，电脑等家电，按照自己的意愿实现煮饭，烧菜，查收电话留言以及下载 网络资料等工作。将无线传感器网络布置在家里不同的房间，根据需求实现对各 个房间温度不同的控制。 6 ) 其他应用 无线传感器网络有着非常广泛的应用前景，它除了在军事、环境保护、工业 应用、医疗、家庭等传统应用领域有着巨大的应用价值，在未来，它将在许多新 兴领域体现其更加强大的优越性，如空间探索、交通等领域。在空间探索领域， 可以用无线传感器网络对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索。在交 通领域，可以对路面状况进行监控，对来往车辆进行跟踪定位等。 4 江苏大学硕十学位论文 1 3w s n 可靠传输研究现状 无线传感器网络应用范围越来越广泛，而很多实际应用场合对数据传输可靠 性提出了很高要求，为传感器网络可靠性研究提供了有效的驱动力。无线传感器 网络传输可靠性涉及面很广，至今都没有一个很明确的概念，近年来，国内外学 者针对w s n 数据传输可靠性做了许多研究，根据研究层面的不同，主要可以总 结为以下几个方面。 1 、节点层 随着传感器技术和微电子制造技术的快速发展，很多科研机构开发了不同的 硬件平台，如克尔斯博公司、m o t e i v 、i n t e l 、c h i p c o n 等。为了满足无线传感器 网络的运行需求，各个公司在硬件模块上也提供了成熟的技术解决方案。无线传 感器网络由大量自组织节点组成，因此研究节点可靠性对于提高网络可靠性和节 点的合理部署具有积极的作用。文献【1 1 1 从节点寿命分布与可靠度、平均寿命和 失效率三个方面对节点的可靠性进行了分析，选择可靠的节点进行通信，保证较 高的通信可靠性。 2 、链路层 传统提高通信可靠性的方法是增加冗余或者重发，保证各链路之间的传输可 靠性。重传在无线传感器网络中有两种应用背景：一种是基站接收到数据给源节 点发送确认帧，在源节点接收到确认帧之后则认为基站已经成功接收数据，整个 数据传输过程结束；否则，表示基站没有成功接收数据，源节点会等待一段时间 后再次向基站发送数据。还有一种应用就是单跳确认机制，即数据在每一跳传送 之后都要进行确认，只要没有收到下一个节点发送的确认帧，则认为数据传输失 败，上一个节点会立即对当前发送的数据进行重发。 这两种应用在一定程度上都可以提高数据传输的可靠性，但这是一种被动提 高传输可靠性的方法，它没有考虑到传输路径链路质量很差的情况，也就是说当 前建立的网络路由路径质量很差，无论进行多少次重传或者是多少冗余，都不能 够成功传送数据，还浪费了大量的能量。h a ow r e n 等人在文献【1 2 】中对冗余和重 发两种方法进行了对比，发现当丢包率很低时，冗余机制性能优于重发机制，而 丢包率很高时，两者性能都大大下降，因此，在高丢包率情况下，链路质量很差， 江苏人学硕十学位论文 大量冗余多次重发都不能保证高可靠性。因此，非常有必要寻找一种主动式可靠 通信路径的判断方式，以避免使用通信质量较差的链路进行数据通信。 3 、路由层 与传统网络相比，无线传感器网络数据传输路由协议需要考虑能量的均衡使 用，尽量延长整个网络的寿命，同时要有容错性，鲁棒性和快速收敛性。特别是 在对信息传输可靠性要求较高的应用场合，路由协议必须具有较强的容错性和鲁 棒性。在路由层来解决数据传输可靠性的研究目前是较多的，相关的论文研究也 取得很多成果【6 】，有的利用最佳配置的节点冗余度构造出多路径传输协议，以保 证通信可靠性，有的则是通过建立路径传输可靠性的评估机制，选择最可靠的路 径进行数据传输，以提高信息传输可靠性。 文献 1 3 o p 提出一种基于节点剩余能量的路由算法，通过判断路径中节点拥 有的最大剩余能量来决定传输路径。该协议采用剩余能量最高的路径作为主路 径，其他的作为备用路径。当主路径的能量一旦低于备用路径时切换到能量最高 的备用路径进行数据传输。通过这种方式，既保证了采用能量较高的路径进行数 据传输来获得较高的可靠性，同时均衡了能量的消耗。b a s t i e nm a i n a u d 等在文献 1 4 提出将经典的按需路由协议扩展为多路径路由，同时通过增加对路径链路质 量的监测，使用路径强度最高的路径作为最佳的路由选择。 通过建立对路径传输可靠性的评估机制来获得高可靠传输路径进行信息的 传输，这方面人们做了许多其他的研究。链路层服务提供的包接收率( p a c k e t r e c e i v er a d i o ，p r r ) ，它能有效地衡量链路质量，选择较可靠的路径进行数据传 输，但计算包接收率要测量大量的样本，浪费很多带宽和能量【l5 1 。文献【1 6 就通 过结合报文接收率p r r 和中间节点与目的节点之间的可靠性来确定路由的建 立，找到最可靠的路由，避免了路径中单向链路的存在，提高了可靠性。 常用的路径评估机制还有以下几种，最小跳数【1 7 1 ( m i n i m u mh o pc o u n t ， m h c ) ，期望发射次数( e x p e c t e dt r a n s m i s s i o nc o u n t ，e t x ) ，平均往返时间【1 8 】 ( p e r - h o pr o u n dt r i pt i m e ，r t t ) 。还有节点可用带宽，缓存队列，吞吐量等也 会作为路径可用性和有效性的评判标准。国内外研究学者将这些路由评估机制运 用到路由协议中的研究很多1 9 啦! ，它们都在不同的角度，根据不同的需要对评估 机制进行了改进，以获得更好的传输可靠性。 江苏大学硕士学位论文 另外还有一些典型的基于评估机制的可靠路由协议，如s p e e d 2 3 j ， r e l n f o r m 2 4 1 ，它们针对于不同可靠性问题提出了相对应的解决方案，在第二章 中有较详细的论述，这里不再赘述。 4 、其他 通过其他方面来获得无线数据可靠传输的研究也取得了一些成果。文献 2 5 】 中，a l it u f a i l 等通过在网络中添加网关节点，由网关节点判断出可靠传输路径， 同时用网关节点之间的有线传输代替一部分无线传输，从而达到端到端的可靠传 输。j e o n g y e u pp a e k 等通过控制传输速率避免信道拥塞以提高数据传输的可靠性， 解决了大量数据由一个或多个节点向汇聚节点传输产生的拥塞问题【2 6 1 。s h o u b h i k m u k h o p a d h y a y 等提出基于模型的数据可靠传输技术，根据时间相关性建立数据 预测模型，并利用模型进行实时误差校正，这种方法可以及时纠正节点和无线频 道出现的瞬时故障，是一种事后修正的处理方法【2 7 】。唐文胜等在文献【2 8 】中研究 了一种基于网络编码的可靠传输算法，该算法能够自适应纠错，使编码的纠错能 力与分组的丢失率相匹配，减少数据重传次数，编码后的数据提高了数据传输和 存储的鲁棒性，在达到相同的可靠性要求下，网络编码方法节约了通信开销，保 证了数据完整可靠地传输到工作节点。 1 4 论文研究的主要内容与组织结构 通过对国内外相关技术的研究，借鉴现有的无线传感器网络可靠传输方法， 从路由层上提高通信路径传输质量的角度出发，提出一种基于l q i 的无线传感 器网络信息可靠传输路由算法，实现工业应用中信息远距离可靠传输。本文通过 对传统按需路由协议a o d v 进行修正，使算法产生从源节点到目的节点的多条 节点不相交路径，提出了基于l q i 的路由评价模型，实现对网络中节点不相交 多路径的准确评价，选择出最优的路径作为主路径，其他的作为备用路径，从而 实现可靠的信息传输，同时可以均衡负载，提高整个网络的生命周期。 论文所做的主要研究和工作分为以下六个章节： 第一章为绪论，论述了本文的研究背景，对无线传感器网络的特点和应用情 况进行了简单描述，分析了国内外无线传感器网络信息可靠传输的研究现状，指 出了本文主要研究内容。 7 江苏大学硕十学位论文 第二章介绍了无线传感器信息可靠传输方案的提出，首先对无线传感器网络 拓扑结构进行了介绍，分析了两种典型可靠路由协议，对比了单路径和多路径的 可靠性，对能够实现高可靠性传输的多路径路由进行了分析，总结了路由评估机 制，最后分析了可靠路由研究中存在的问题，提出可靠路由设计方案。 第三章对影响无线传感器网络信息可靠传输的因素进行了实验研究，分析了 各种影响因子对l q i 的影响特征，研究了丢包率和l q i 均值以及c v 和l q i 均 值之间的关系，最后提出了基于链路质量指示l q i 的路径度量模型l q i b m ，分 析了它的应用场合，并对其进行了仿真分析和实验验证。 第四章设计了无线传感器网络信息可靠传输的具体实验平台，从处理器模 块，无线通信模块，传感器模块，网络模块和电源模块分别对平台中需要的传感 器节点和汇聚节点进行了详细的分析和实现，搭建了实验平台。 第五章对经典按需路由协议( a dh o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ， a o d v ) 的内容和优缺点进行了研究，通过对其修正，提出了可靠路由，基于l q i 的多路径a o d v 协议l ma o d v 。l ma o d v 结合了本文提出的路由评价模型 l q i b m ，可靠准确的对路由进行评价，选择出最优的路径作为主路径，提高数 据传输的可靠性。最后，对提出的可靠路由进行了实验验证。 第六章是总结和展望。 江苏大学硕士学位论文 第二章w s n 可靠传输理论与设计方案 设计路由协议首先要确定无线网络的拓扑结构，根据不同拓扑结构下的不同 需求，设计出有效的路由策略。本文中研究的问题是在工业监控场合，干扰因素 较多的环境条件下，如何将数据从采集节点可靠地传输到目的节点，而采集节点 可能与目的节点距离很远，基于这个需求，结合相关理论提出了可靠路由设计方 案。 2 1w s n 的拓扑结构 1 、星型网络 星型网络拓扑是单跳模型，它是无线传感器网络中最简单的通信模型，实现 了点对点通信，即采集节点直接将采集到的数据传输到目的节点让聚节点， 完成信息传输。相应的这种拓扑结构下的路由协议设计也很简单，但是这种结构 往往会浪费w s n 中采集节点大量的能量，而且通常单跳的通信距离都是有限的。 图2 1 单跳网络模型 f i g 2 1o n e - h o pn e t w o r km o d e l 如图2 1 ，r e m o t es e n s o r 可能并不能与汇聚节点直接通信，即使可以通信， 通信质量也有可能很差，产生大量的丢包或者数据传输错误，导致非常不可靠的 数据传输，这些情况使这种拓扑结构适合短距离通信，并不适用于无线传感器网 络的许多实际应用场合。 9 江苏大学硕士学位论文 2 、网状网络 网状网络拓扑结构是一种多跳网络模型，采集节点不直接与汇聚节点进行通 信，而是通过周围邻居节点的转发，逐跳将信息最终传递给汇聚节点，如图2 2 。 这种通信方式可以有效避免部分节点能量的大量耗尽，均衡各节点能量消耗，延 长网络寿命，同时，采用这种网络模型，能够增加数据传输的可靠性。对应每一 个采集节点可能存在不止一条传输路径通往汇聚节点，这就是多跳网路中的多路 径传输。 s i n kn o d e m u l t i r o u t e r s e n s o r 图2 2 多跳网络模型 f i g 2 2m u l t i h o pn e t w o r km o d e l 如图2 2 中的m u l t ir o u t e rs e n s o r ，存在两条不同的路径通往汇聚节点， r o u t i n g l 和r o u t i n 9 2 。那么m u l t i r o u t e rs e n s o r 可以根据一定的选择标准选择一 条可靠的路径传输数据，或者同时使用两条路径进行传输，对应的就是多路径路 由协议中的备用多路径和并行多路径。 3 、层次网络 在层次网络拓扑结构中，“簇”将整个传感器网络分成若干个部分，通过各 个簇首c u s t e r 与基站通信，如图2 3 所示，信息从一个簇首传输到另一个簇首， 最终传输到基站，这样的层次结构使得网络传输距离更大。在使用这种拓扑结构 时，要合理地选择出各个簇的簇首，既要保证网络的连通度，又要控制簇的个数 和每个簇的规模。在簇内，要选择合适的算法来选择簇首，并且可以实现让簇内 成员轮流充当簇首，以均衡网络负载，尽量增大网络的生命周期。 l o 江苏大学硕士学位论文 s i n kn o d e 图2 3 分层网络拓扑 f i g 2 3h i e r a r c h i c a ln e t w o r kt o p o l o g y 簇内成员和簇首节点的通信是单跳通信，通过链路重传或者是冗余来保证数 据传输可靠性，而簇首与基站之间的可靠通信就不是那么容易实现。各簇首节点 与其他簇首合作，通过多跳通信将数据传输到基站，类似于上面介绍的网状网络 拓扑，那么要保证节点采集的信息有效的传输到基站，必须保证簇首节点能够将 数据通过可靠的多跳通信路径传输出去。 2 2w s n 可靠路由相关理论 通过以上三种网络拓扑结构的分析可以看出，在数据传输中，结合多种因素 考虑，单跳网络模型都不能作为无线传感器网络信息可靠传输的拓扑结构，在第 二种网状网络中，有多条路径通往目的节点，需要选择出一条性能良好的信息传 输路径以达到较高的传输可靠性。在第三种拓扑结构中，各簇首与基站之间的通 信，同样需要确定簇首之间可靠的信息传输路径。由此看来，无线传感器网络可 靠传输的研究非常重要，那么本文下面的内容就开始讨论解决这个问题。 广义上，可靠性定义为产品在规定条件和规定时间内，完成规定功能的能力。 这里涉及到的是网络中由路由协议产生的路径的信息传输可靠性，因此无线传感 器网络信息传输可靠性可以定义为传输路径在一定时间下，使用路径上的各中转 节点，在当前的自然环境下，将数据从源节点传输到目的节点的可靠性。换句话 江苏大学硕十学位论文 说，在这个条件下，传输路径将源节点采集到的数据可靠传输到目的节点的几率 是多少。 随着无线传感器网络被诸多领域应用，许多应用场合对信息传输可靠性提出 了较高的要求，这进一步促进了可靠路由协议研究的步伐。这些协议不仅要将数 据从源节点传输到目的节点，还要达到较高的信息传输可靠性，保证数据传输的 正确性和实时性。无线传感器网络中路由协议根据使用路径的多少可以分为两 种：单路径和多路径。单路径是指在源节点到目的节点之间只有一条传输路径， 多路径指通过一定的约束规则，在网络中找到从源节点到目的节点的多条路径， 然后在这多条路径之间合理地分配负载，从而达到快速路由和增大网络生命周期 的目的。 2 2 1 典型可靠路由协议分析 l 、单路径可靠路由s p e e d s p e e d 是在文献【2 3 】中提出的单路径可靠路由协议，这是一种实时的通信协 议，包含以下几个部分：邻居信标交换，延时估计，无状态非确定地理转发机制 ( s n g f ) ，邻居反馈机制( n f l ) ，反向压力更改路由。下面对它的算法原理进 行简单的介绍。 类似于其他基于地理信息的路由算法，s p e e d 中的每一个节点要向邻居节 点周期的发送信标帧，用来获得自身节点和邻居节点之间的地理信息。s p e e d 还有另外两种信标，一种是延时估计信标，一种是反向压力信标，用来检测网络 中通信量变化。 延时估计评估节点的负载，通过记录节点到邻居节点的通信延时判断网络是 否会发生拥塞。解决了小带宽情况下，不能用信标帧来评估单跳延时的问题，此 时借助于经过这个节点的数据包来完成这个测量。具体的步骤是：在发送节点处 发送数据并且加上时间戳，计算接收节点发送回来确认帧之后的通信延时，以此 作为评估网络是否拥塞的标准。 无状态非确定地理转发机制是用来选择满足通信速率的下一跳，它可以通过 分散数据包到一片更大的通信区域的方法来平衡负载和减少拥塞，这种方法在密 度很大，通信带宽很低的传感器网络中是十分有价值的。理论上，通过s n g f 江苏大学硕士学位论文 的选择可以有效地选择出下一跳节点，如果在这种情况下，拥塞时间仍然相对较 长，那就要通过下面的反向压力更改路由这一阶段来选择下一跳。 在一定的通信范围