（测试计量技术及仪器专业论文）无线传感器网络生命周期延长算法的研究.pdf

t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a e r o s p a c ee n 西n e 缸n g r e s e a r c ho nt h el i f e t i m ep r o l o n g i n g a l g o r i t h m sf o rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s a t h e s i si l l m e a s u r e m e n ta n dt e s t i n gt e c h i l o l o g y & i n s t n 衄e n t s b y a d v i s e d b y p r o d e n gz o n 曲a i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i u n l e n t o fm er e q u i r e m e n t s f o rm e d e g r e eo f m a s t e ro f e n g i i l e e r m g j a n u 哪，2 0 1 0 自 - 一 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 影一 作者签名：全鱼垒 日期： 丝丝冬i 旦丝堡 - _ 南京航空航天大学硕士学位论文 i _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ l - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ 。- _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ i _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - - _ _ - 。- 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ l 人 摘要 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、计算机及无线通信技术、分布式信 息处理技术，能够通过各类集成化的微型传感器以协作方式实时监测、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，并通过自组织无线通信网络将所感知的信 息传送到用户终端，从而对监测区域各参数有整体的把握。 由于监控区域传感器节点个数多、分布区域广、部署区域环境复杂，通过充电或更换电池 的方式来补充能源所消耗的成本比重新布放节点还要高，是不现实的，因此节能是无线传感器 网络研究的重要目标。本文的研究工作和内容主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 不均衡的能耗在很大程度上影响了网络生命周期。本文在正方形网格能量模型的基础 上，对概率传输的算法进行了推导，并用递归的方法找出概率。使传感节点收集的数据以一定 的概率直接传输到基站节点或经过中继节点多跳传输到基站，并进行了相关的计算推导。在 m a t l a b 仿真之后，分析影响某点概率的因素，并从网格边长和网络层数两方面分析他们对概率 的影响，并在此基础上总结出了最优传输距离和最优层数。 ( 2 ) 通过对两种传统的传输策略和概率混合传输策略的能量消耗的不平衡进行分析，总结 每种传输协议的优缺点，有选择的优化组合提出能量平衡的混合传输策略，对概率混合传输策 略的不平衡能量消耗性进行了改进。仿真结果表明，该方法极大的平衡了整个网络的能量消耗， 延长了网络寿命。 关键词：无线传感器网络，能量均衡，网络生存期，传输概率，单跳传输协议，多跳传输协 议，混合传输协议 厂， 无线传感器网络生命周期延长算法的研究 a b s t r a c t w i r e l e s s璐0 rn e t 、7 l ，o r k sc 础i i l es e 璐0 rt e c h n 0 1 0 9 y 锄1 b e d d e d c o m p u t 洫gt e c h n o l o g 蜘 c 唧u t e rt e c l l i l o i o 跚w n l e 鹤c o i 姗u n i c a t i o nt e c l l i l o l o g y 觚dd i 蹦b u t e di i l f 0 玎m t i 舯e s s i f l g t e c h r l o l o g y nc a nc o l l d b o m t co b j e c t si i l f o m 觚o ni i lr e a l - t i i n eb yav a r i e t yo fi l l ：t e 跳di i l i c r 0 - s e 璐吣 m o n i t 硫唱，s e 璐i i 玛a n dc o n e c t i i 唱t h e 洫f b m i a t i o nw i l lb es e mt 0t h eu rt e 棚：l i n a l st h r o u g ht h e p r o c e s s i n go fe i h b e d d e ds y s t e m sa r l ds e l f 0 i 翟叫西n g 疵l e s sc o i n n m 苴l i c a t i o ni 坞t w o f k s ，s o l a tw e c 狮g r a s pn l eo v c r a l l 瑚i l i t o r i n go f t l l e 托垂o n a lp 甜踟e t e 璐 b e c a 璐em ed i s t r i b u t c dr e 西o ni sf h no fs e 璐o r d e s ，t l l ea r e ai sw i d e 觚dt h ed 印l o y m 嘶t 铡l v i r o m n e n ti sc o i l l p l c x ，c h a r g i i l g0 rr 印l a c m gt l l eb a 舵巧t 0s u p p l 锄e n tt h ec o s to fe 鹏r g yc o n s u m e d b yt h en o d ei se v e nl l i g h e rn l a n 您l a y i n g ，s oi ti sm l a l i s 矗c t 1 l e 糟f 0 r ee l l e r g yc o n s e r v a t i 彻i s 锄 i r n p o 枷他s e a r c h9 0 a li i lw i r e l e s ss c n s o rn e t w o r k s t h em 句o r s e a r c hw o 出a n dc o n t e n to ft h i s a i t i c l ei s 肌i i l l yr e n e c t e di i lm ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h e 鹏栅o r kl i f e t i m e 吣s i 印i f i c a n t l ya 毹c t e db ym el l i l b a l 拍c e d 锄g ) ，c o 蚺u l n p t i h l 蛳s p a p as q u a r eg 衄锄e 唱ym o d e lb 弱e d0 nm ep r o b a b i l i t ) ，o f 们璐i i l i s s i o no fm ea l g 嘶t i l i i lw 鹊 d e r i v e d ，w eu t h er e c l 】瞒i v em e t i l o dt of i l l dt h ep r o b a b i l i 哆s e n s o rn o d e sd a t aa 舱曲n s m i t t e d d i l e c t l yt om eb 舔es t a t i o ni nac e 化t i np r o b a b i l i t yo rt 0t h eb 觞es t a t i o nb y 吐l er e l a yn o d e 删l t i h o p 衄l s l i l i s s i o n ，l e nw em a | ，e l er e l e v a n tc a l c u l a t i o n s h lt h em a t l d bs i m u l a l i o n 。w e 锄a l v 窈dt h e f a c t o r st h a ta 彘c tt h ep r o b a b i l i 哆o fan o d c ，锄d 呦n 圮鲥ds i d el e n g m 锄d 鹏t w o r k l a y e r so f 雠i r h n p a c to nm ep m b a b i l i 吼o n l i sb a s i sw ec o n c l u d et l l eo p t i n l a l 位m s i i l i s s i o nd i s 咖a i l dt h eo p t 豳m l ，e 晤 ( 2 ) t i i r o u g he n e r g yc o 璐m n 州o n 锄a l y s i so ft w o 饷m 廿o n a l 臼渤骼m i s s i o ns 仃a t e g i e sa n dt h e p r o b a b i l i t ) ，o fh y 嘶d 蛔n 锄i 姆i s 妇t e g 弘w e 鲫m 印t 1 1 ea d v 锄魄g e s 柚dd i s a d 啪t a g e so fe a c h t r a i i s i i l i s s i o np r o t o c o l ，w bp r o p o s e dm eh y b r i de i l 啷yb a l a i l c e t r a n s 衄s s i s t r a 蜒；) r 、j l ，! l l i c hi s s e l e c 帆e l yo p t i i l l i z e dc o n l b i n a t i o 璐，锄di ti l l l p r o v et 量l eu n b a l 锄c e de n 哪yc o 舾啪p t i o no ft h eh y 晡d 删b a b i l 时p 叩a g 撕0 n 姗e 夥t h es i 枷1 a t i o n 惩s u l 协s h o wt h a t 也em e m o dg r e a t l yb a l a n c et h e e n e 唱yc o 璐珈n p t i o no f t l l ee 删l r en e t w o f kt 0e x l 肋dt l l en e 细o f k1 i f e t i m e k e y w o r d s ：w i i d e s ss e i l s 0 rn e 细o r ! l 【s ，e n e 唱yb a l a i l c e ，m 俩o r kl 彘t i m e ，p m b a b i l i 毋p r 叩a g a 廿o n ， d 证c t 唰s s i o np r o t o c o l ，h 叩t 0h 叩删s s i o np r o t o c o l ，h ) i b r i d 蛔n s i i l i s s i o n p r o t o c o l 走 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 课题背景4 1 3 研究的目的和意义5 1 4 本文做的主要工作5 1 5 本文的组织结构6 第二章无线传感器网络概述7 2 1 无线传感网络体系结构7 2 2 无线传感器网络研究热点8 2 3 无线传感器网络的应用1 l 第三章无线传感网络寿命延长方法2 1 3 1 节点部署2 2 3 1 - 1 方形网格部署2 2 3 1 2 菱形网格部署( 正六边形网格部署) 、2 2 3 1 3 非均匀部署2 3 3 2 节能路由2 3 3 2 1 平面路由协议2 4 3 2 2 层次路由协议2 4 3 3 拓扑控制2 4 3 4 休眠调度机制2 6 3 5 数据融合技术2 7 3 6 小结2 8 第四章基于正方形网格模型的能量均衡算法2 9 4 1 网络能量模型2 9 4 2 两种传统传输策略的比较和能量分析3 0 4 2 1 网络拓扑结构3 0 4 2 2 能量分析3 l 4 3 混合传输协议3 2 4 3 1 时间划分混合传输3 3 无线传感器网络生命周期延长算法的研究 4 3 2 混合概率传输3 4 4 3 2 1 无线传输模型3 4 4 3 2 2 能量及传输概率分析3 5 4 3 2 3 混合传输概率寻找算法3 6 4 3 2 4 网格边长和网络层数对概率的影响3 9 4 3 3 最优传输距离及最优层数4 l 4 4 小结4 2 第五章能量均衡算法的改进4 3 5 1 单跳多跳混合传输策略4 3 5 2 单跳、时间划分、多跳混合传输策略4 4 5 3 单跳、概率传输混合传输策略4 6 5 4 几种混合传输协议的比较4 6 5 5 小结4 7 第六章全文总结和展望4 8 6 1 总结与结论4 8 6 2 未来研究工作与展望4 9 参考文献5 0 致谢5 4 在学期间的研究成果及发表的学术论文5 5 南京航空航天大学硕士学位论文 图、表清单 图1 1 无线传感器网络节点示意图1 图2 1 传感器节点组成结构7 图2 2 无线传感器网络体系结构8 图2 3 远程医疗监护网络体系1 2 图2 4 无线传感器网络应用举例一智能家居1 3 图2 5 用于房屋建筑监测的电缆( 左) 和使用了无线传感器的监测建筑( 右) 1 4 图2 6 无线传感器网络的应用1 4 图3 1 两种均匀部署的网格划分2 3 图3 2l e a c h 算法图2 4 图3 3p e g a s i s 算法图。2 4 图3 4 存在单向链接的u s t 生成拓扑2 5 图3 5d i s t 烈g 算法示意图。2 6 图4 1 网络能量模型3 0 图4 2 单跳传输协议和多跳传输协议3 l 图4 3 采用多跳传输和直接传输策略时的能量消耗率的比较3 2 图4 4 单跳传输、多跳传输、时间划分混合传输协议的比较3 3 图4 5 环面i 中的每个节点消耗的平均能量随着层数的变化曲线3 9 图5 1 混合传输协议能量消耗率随距离的变化情况4 3 图5 2 单跳、时间划分和多跳的混合传输协议能量消耗率4 5 图5 3 单跳传输和混合概率的混合传输协议能量消耗4 6 表4 1r 芦l o o ；l = 1 3 8 ；n = 4 ；净7 4 5 时的概率3 8 表4 2r _ l o o ；l _ 2 0 ；n _ 5 ；净1 9 6 2 时的概率3 8 表4 3r 寻2 0 0 ；l = 2 0 ；n _ 7 ；k 3 2 0 5 时的概率3 8 表4 4r ? 2 0 0 ；l = 1 3 8 ；n _ 1 0 ；净2 7 9 6 时的概率3 9 表4 。5 网格边长采用不同长度对概率的影响4 0 表4 6 网络采用不同层数对概率的影响4 1 v 无线传感器网络生命周期延长算法的研究 网格边长 角频率 发送能耗 无线电收发电路通信能耗 发送接收电路参数 路径损耗指数 无线传感器网络节点密度 单跳传输范围 环面i 的负载 最优网格边长 注释表 网络环数 接收能耗 无线通信阈值 节点平均能耗系数 每个节点消耗的平均能量 第i 层环节电的传输概率 环面i 的面积 多跳传输范围 最优层数 忍耳氐允豆毋墨 珊r 弓 口p 乃o 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 无线传感网络的研究起始于2 0 世纪9 0 年代末期。由于无线传感网络的巨大应用价值，它 已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。从2 0 0 0 年起，国际上开始 出现一些有关无线传感网络的研究报道，美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了传感网络研究 计划，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门也开展了一系列军事无线传感网络 方面的研究工作。 无线传感网络是一种由无线传感器节点( 如图1 1 所示) 构成的网络，能够实时地协作地 监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，提供海量的详细测量数据，如灯光、 温度、湿度、噪音和化学成分的浓度并对这些信息进行处理，发布给观察者。无线传感网络在 军事侦察、生物栖息环境监测、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业 生产控制以及商业等领域有着广泛的应用前景。 图1 1 无线传感器网络节点示意图 近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统( m e m s ) 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的大量生产成为可能，这些微型无线传感器具 有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，无线传感器网络( 以下简称传感器网络) 就 是由许多这些传感器节点协同组织起来的。传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标 无线传感器网络生命周期延长算法的研究 环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完 成特定任务。传感器网络被认为是2 1 世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式 产生深远影响。2 0 0 3 年2 月份的美国技术评论杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十 大新兴技术，传感器网络被列为第一。 传感器网络是由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理的传感器节点组成 的，传感器节点一般由传感单元、处理单元、收发单元、电源单元等功能模块组成。除此之外 根据具体应用的需要，可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等。其中电源单元是最 重要的模块之一，有的系统可能采用太阳能电池等方式来补充能量，但是大多数情况下传感器 节点的电池是不可补充的。定位系统对传感器网络的路由是很重要的，有些传感器节点采用全 球定位系统( g p s ) 进行定位，但是g p s 模块价格昂贵且体积难以减少，所以不可能全部节点 都使用g p s 来进行定位。此外，g p s 定位还受到其他限制，如部分应用于建筑物内部等。通常 情况下是在整个网络中会有某些传感器节点配有( 冲s 系统，其他节点通过局部定位算法得到它 们与配有g p s 的节点之间的相对位置，这样所有节点都能知道各自的具体位置了。除借助g p s 的定位方式外，还有离散梯度法等间接定位方式。在传感器网络中，每个节点的功能都是相同 的，大量传感器节点被布置在整个被观测区域中，各个传感器节点将自己所探测到的有用信息 通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送 的方式传送回基站，然后再通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。传 感器网络与传统网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得传感器网络存在很多新问 题，提出了很多新的挑战。传感器网络的主要特点有： ( 1 ) 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千 上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大 的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传 感器节点：另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大 量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比： 通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求； 大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能：大量节点能够增大覆盖的监测区域，减 少洞穴或者盲区。， ( 2 ) 自组织网络 在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点 的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感 2 南京航空航天大学硕士学位论文 器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器 节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转 发监测数据的多跳无线网络系统。 在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些 节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动 态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应 这种网络拓扑结构的动态变化。 ( 3 ) 动态性网络 传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗尽造成的传感器节点 出现故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；传感器网络 的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；新节点的加入。这就要求传感器网 络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 ( 4 ) 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天 环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用 随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固， 不易损坏，适应各种恶劣环境条件。 由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾 每个传感器节点， 网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监 测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。 ( 5 ) 应用相关的网络 传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样， 不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样 的要求。 不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很 大差别。所以传感器网络不能像h l t e n 坞t 一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网 络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有 让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术， 这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。 ( 6 ) 以数据为中心的网络 目前的互联网是先有计算机终端系统，然后再互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立 存在。在互联网中，网络设备用网络中惟一的i p 地址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、 3 无线传感器网络生命周期延长算法的研究 路由器、服务器等网络设备的i p 地址。如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服 务器p 地址。可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。 传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络 中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。由于传 感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号 与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络， 而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本 身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以 数据为中心的网络。 例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣 的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。事实上，在目标移动的 过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置消息。 目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络等，与这些网络相比无线传 感器网络具有以下特点： ( 1 ) 计算能力、存储空间、能耗、能量供应有限。由于传感器节点的微型化，节点的电池能 量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个传感 器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。另一方面，传感器节点的计算 和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统h i 衙m t 网络上成熟的协议和算法对传感 器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。 ( 2 ) 自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施。 ( 3 ) 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在百米范围内节点只能与它相邻的节点直接 通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。 ( 4 ) 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，点可以随处移动。 ( 5 ) 无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等。 ( 6 ) 节点稠密布置，协作感知。 ( 7 ) 节点具有数据融合能力【l 】。 1 2 课题背景 无线传感器网络具有巨大的应用前景，被认为是将对2 1 世纪产生巨大影响力的技术之一。 2 0 0 3 年2 月份美国的技术评论杂志评选出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术， 无线传感器网络即被列为其中之一。美国商业周刊在2 0 0 3 年8 月的技术评论中已经将无线 传感器网络定位为2 1 世纪高技术领域的四大支柱型产业之一，其潜在的市场需求十分巨大。其 4 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗和建筑物监测等。 无线传感器网络是一门新兴的有广泛应用前景的网络技术。在无线传感器网络中，存在某 些节点因为某些原因( 如传输距离过长、负载过重等原因) 消耗了过多的能量而造成过早死亡 的问题。当这些节点能量消耗殆尽，网络崩溃时，仍然还有许多节点剩余大量能量而不能得到 利用，这就造成了资源的浪费。因此如何高效地利用节点能量延长网络的寿命是无线传感器网 络技术研究的核心内容之一】。 由于传感器节点所携带能量的特殊性：节点电源模块采用只能携带有限能量的电池才能实 现，而且要负责监测、通信的一系列任务，更换节点电池的成本比重新布放节点还要高，这就 决定了无线传感器在使用的过程中不可能更换电池。为了最大化网络生存期的目标，要求最大 化节点的能量利用率，即当网络失效时，节点的能量剩余最少，因而最大化网络生存期的节点 部署问题也可以描述为在成本受限下的最少节点部署问题。节约传感器能量可以从多个不同的 角度入手，如使用适合于w s n 的节能路由，对传感器网络实行分簇管理，并对传感器节点采集 的数据进行融合，以降低通信负载。还可以采用较高的密度播撒节点、利用休眠方式，在保证 网路的覆盖与连通的前提下，结合以数据为中心的路由协议，减少处于工作状态的节点数目， 让部分节点作为其他节点的备份，在适当的时刻将其唤醒，这样可在一定程度上延长网络的生 命周期。如果增加节点的发射功率，可使更多的节点处于休眠状态。而本文主要从能量均衡消 耗方面考虑延长无线传感网络寿命。 1 3 研究的目的和意义 无线传感器网络是一种能量受限型网络，降低能量消耗、延长网络寿命是无线传感器网络 设计的主要目标之一，网络寿命也是评价设计方案性能的重要指标。 不均衡的能耗在很大程度上影响了网络生命周期。能量平衡属性从另一个角度研究了生命 周期延长算法的有效性。能量不均衡就是在无线传感器网络中，存在某些节点因为某些原因( 如 传输距离过氏、负载过重等原因) 消耗了过多的能量而造成过早死亡的问题。当这些节点能量 消耗殆尽，网络崩溃时，仍然还有许多节点剩余大量能量而不能得到利用，这就造成了资源的 浪费。本文就是从能量均衡的角度来延长无线传感网络的寿命的。 以上的研究有的是基于平面的圆形网络模型，有的是研究网络拓扑算法，但是在实际应用 中传感器节点一般是随机均匀部署到监测区域，因此研究基于方形网格网络模型的延长无线传 感网络的生命周期有一定的实际应用意义。 1 4 本文做的主要工作 ( 1 ) 从节点部署、节能路由、拓扑结构、休眠调度机制和数据融合五个方面总结了延长无 线传感网络寿命的方法并对其进行了相关分析。 s 无线传感器网络生命周期延长算法的研究 ( 2 ) 基于方形网格的能量模型，对概率传输的算法进行了推导，并用递归的方法找出寻找 概率。在m a t l a b 仿真之后，分析影响某点概率的因素，并从网格边长和网络层数两方面分析他 们对概率的影响，并在此基础上总结出了最优传输距离和最优层数。 ( 3 ) 在单跳传输协议、多跳传输协议、时间划分的混合传输协议和概率混合传输协议分析 仿真的基础上，对能量均衡的算法有了进一步的改进，采用了将单跳、多跳两种传输协议以不 同的方式组合，有效的避免了单独采用单跳传输协议或者多跳传输协议传输数据造成的能量不 均衡的缺点。 1 5 本文的组织结构 论文共分为六个部分。 第一章介绍了本论文的课题背景，阐述了本课题的研究目的以及意义，并明确了本文所做 的主要工作。 第二章是对无线传感器网络的概述，介绍了无线传感器网络的概念、体系结构、研究热点； 最后总结了无线传感器网络的主要应用以及无线传感器网络的研究态势。 第三章是对延长无线传感器网络寿命方法的分析研究，从节点部署、节能路由、拓扑结构、 休眠调度机制和数据融合五个方面总结了延长无线传感网络寿命的方法并对其进行了相关分 析；并对这些路由算法的优缺点进行了综合比较，明确了研究工作的重点问题。 第四章对传统的能量传输协议单跳传输协议和多跳传输协议进行了比较仿真，提出基于方 形网格能量模型混合概率传输算法，经仿真验证，该算法可以有效节约节点能量消耗，延长网 络生命周期；分析影响某点概率的因素，并从网格边长和网络层数两方面分析他们对概率的影 响，并在此基础上总结出了最优传输距离和最优层数。 第五章在单跳传输协议、多跳传输协议、时间划分的混合传输协议和概率混合传输协议分 析仿真的基础上，总结每种传输协议的优缺点，有选择的优化组合，进一步均衡了无线传感器 网络能量的消耗。 最后是对所做工作的总结以及对未来研究工作的展望。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络概述 2 1 无线传感网络体系结构 传统的无线传感器网络采用“平坦”结构，部署在监测区域中用于数据采集的微型传感器节 点同构，每个节点的计算能力、通信距离和能量供应相当。节点采集的数据通过多跳通信的方式， 借助网络内其他节点的转发，将数据传回到汇聚节点，再通过汇聚节点与其他网络连接，实现远 程访问和网络查询、管理。无线传感器网络包括分布式传感器节点、接收和发送器、互联网以 及用户接口界面等，其中传感器节点是基本核心单元，它由传感单元、处理单元、通信单元和 电源等组成。无线传感器网络一般采用分层体系结构。分层协议由物理层、数据链路层、网络 层、传输层和应用层组成。 ( 1 ) 节点体系结构 传感器节点由处理器( 由嵌入式系统构成，包括c p u 、存储器、嵌入式操作系统等) 、无线 电接收装置、传感器、a d 转换接口和能源供应子系统组成。功能更强大的还包括定位系统、运 动或执行机构、电源再生装置，如图2 1 所示。所有这些单元组装成一个火柴盒大小甚至更小 的模块，各模块相互协作以完成一项共同的任务。 图2 1 传感器节点组成结构 节点设计主要有两种方法：一种是利用市场上可以获得的商业元器件构建传感器节点，如 围绕t i n y o s 项目设计的系列硬件平台；另一种方法是采用m e m s 和集成电路技术，设计包含微 处理器、通信电路、传感器等模块的高度集成化传感器节点，如智能尘埃、无线集成网络传感 器( w i n s ) 等。 ( 2 ) 网络体系结构 传感器节点通过飞机撒播、人工布置等方式，大量部署在感知对象内部或者附近。这些节 7 无线传感器网络生命周期延长算法的研究 点通过自组织方式构成无线传感网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的 信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析，并以多跳中继方式将数据传 回s i n k 节点，s i n l 【节点的发射能力较强，具有较高的电能，可以将整个区域内的数据传送到 远程控制中心进行集中处理。一个典型的传感器网络的体系结构包括传感器节点、s i n k 节点、 互联网和用户界面等，如图2 2 所示【9 】。 图2 2 无线传感器网络体系结构 2 2 无线传感器网络研究热点 ( 1 ) 网络安全 网络安全是网络研究中的一个重要问题，由于黑客、病毒越来越狷撅，网络安全不但成为 一个技术问题，而且也成为一个社会问题。无线网络由于其传输介质的特殊性，网络安全问题 显的更为重要。据一项研究结果表明，8 0 2 1 l 无线协议存在严重安全漏洞。黑客可以利用该漏 洞通过p d a 设备来中断企业的整个无线网络连接。目前无线传感网络的安全研究内容有：物理 层的高效加密算法、数据链路层抗d o s 攻击的安全m a c 协议、网络层的安全路由协议以及运 用层的密钥管理和安全组播方案等等1 0 1 。 安全是系统可用的前提，需要在保证通信安全的前提下，降低系统开销，研究节能的安全 算法。由于无线传感器网络受到的安全威胁和移动与a d - h o c 网络不同，所以现有的网络安全机 制无法应用于本领域，需要开发专门协议。目前存在两种思路：一是从维护路由安全的角度出 发，寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全。另一种是把重点放在安全协议方面，假定无线 传感器网络的任务是为高级政要人员提供安全保护的，提出一个安全解决方案将为解决这类安 全问题带来一个普适的模型。 ( 2 ) 能量管理 传感器节点大多由能量十分有限的电池供电，传感器的电源能量极其有限，电源能量约束 8 南京航空航天大学硕士学位论文 是阻碍传感器网络应用的严重问题。且长期在无人值守的状态下工作。由于传感器网络中节点 个数多、分布区域广、所处环境复杂，网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃， 通过更换电池的方式来补充能源是不现实的，必须对w s n s 进行能量管理，商品化的无线发送 接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。传感器传输信息要比执行计算更消耗电能。传感 器传输1 位信息需要的电能足以执行3 0 0 0 条计算指令。需要研究在网络工作过程中节省能源， 在完成应用要求任务的前提下，采用有效的节能策略降低节点的能耗，尽量延长整个网络系统 的生存期。 ( 3 ) 数据融合 传感器网络是由部署在监测区域内的大量微型的传感器节点组成，如何有效利用节点的有 限能量是传感器网络设计中的重要问题，而减少网络中的数据传输量是降低节点消耗的有效手 段之一。由于每个传感器的监测范围及可靠性是有限的，在放置传感器节点时，必须使传感器 节点的监测范围互相交叠，以增强整个网络所能获得的信息的鲁棒性和准确性。这样，传感器 节点所采集到的数据就存在一定的冗余性。在各个节点将监测数据多跳路由传送给收集数据的 s i l l l 【节点( 或称基站) 的路径中，需要对数据进行融合处理以减少冗余信息。 数据融合是将多份数据或信息进行综合，以获得更符合需要的结果的过程。数据融合技术 应用在传感器网络中，可以在汇聚数据的过程中减少数据传输量，提高信息的精度和可信度， 以及网络收集数据的整体效率。在应用层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；网络层的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m a c 层的发送冲突和头部开销达 到节省能量的目的，同时又不以损失时间性能和信息的完整性为代价。在传感器网络的设计中， 只有面向应用需求设计针对性强的数据融合方法，才能最大程度的获益。 ( 4 ) 移动管理 这个问题实质上就是没有无线基础设施的无线传感器网络中节点查询问题。对于资源有限 的无线传感器网络，最简单的资源查询方式全局泛洪法显然不合适，需要研究寻找更有效的 资源查询方法。 ( 5 ) 扩展性 在无线传感器网络应用中，网络的覆盖区域可能不同，节点的个数也在不同变化，如刚开 始部署时，节点比较密集个数多，随着部分节点的电源耗尽，节点密度和个数都减少，这就要 求网络的机制具有很强的可扩展性，能够动态地适应网络规模和节点个数的变化，保证网络应 用的需求。 ( 6 ) 健壮性 无线传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点的部署往往 9 无线传感器网络生命周期延长算法的研究 是随机部署，如通过飞机或炮弹部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种 恶劣环境条件。因此传感器网络的软硬件必须具有高强壮性和容错性【1 1 1 。 ( 7 ) 无线通信技术 传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。e e8 0 2 1 5 4 标准是针对低速无线个人 域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标，旨在为个人或者家庭范围内 不同设备之间低速联网提供统一标准。由于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的网络特征与无线传感器网络 存在很多相似之处，故很多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。 超宽带技术、b ) 是一种极具潜力的无线通信技术。超宽带技术具有对信道衰落不敏感、 发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，非常 适合应用在无线传感器网络中。迄今为止关于i 照旧有两种技术方案，一种是以f 托e s c a l e 公司 为代表的d s d m a 单频带方式，另一种是由英特尔、德州仪器等公司共同提出的多频带0 f i ) m 方案，但还没有一种方案成为正式的国际标准。 ( 8 ) 定位技术 位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意 义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。为了提供有 效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。 由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位 机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。 根据节点位置是否确定，传感器节点分为信标节点和位置未知节点。信标节点的位置是己 知的，位置未知节点需要根据少数信标节点，按照某种定位机制确定自身的位置。在传感器网 络定位过程中，通常会使用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定节点位置。根据定 位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把传感器网络中的定位分类为基于距离的定位和 距离无关的定位。 基于距离的定位机制就是通过测量相邻节点间的实际距离或方位来确定未知节点的位置， 通常采用测距、定位和修正等步骤实现。根据测量节点间距离或方位时所采用的方法，基于距 离的定位分为基于t