阳媛开题报告

中国矿业大学07级硕士学位研究生

选题报告从原来只能仿真网络逻辑拓扑结构，转变为能够仿真网络的物理拓扑结构选题名称长带状无线传感器网络关键技术研究系部信息与电气工程学院学科专业 信号与信息处理研究生姓名 阳媛指导教师 张申2009年6月1日填长带状无线传感器网络关键技术研究中国矿业大学信电学院硕2007阳媛1、课题的提出、国内外发展现状及选题依据1.1课题提出无线传感器网络［1］的应用区域可以简单的归类为大范围区域、带状区域、不规则区域等。大范围区域为网络布置区域长宽距离大，节点通信路径丰富；带状区域为网络布置区域长宽比较大，通信路径有限、转发跳数较多；不规则区域为网络监测区域不规则，导致网络拓扑不规则，通信特性不同。无线传感器网络的研究一般基于大范围区域，有利于提高环境监控的水平。但是，更重要的是如何将无线传感器网络应用于特殊环境，提高特殊场合的监测通信能力。特殊环境中，如军事战线的监控、长带状道路的监测、油田管道运输、矿井巷道的监测以及建筑的走廊等，这几个应用场所的共同特性就是监测区域为狭长的带状。针对这些重点监控的带状区域的无线传感器网络的研究，将在工业、军事和民用方面具有很高的应用价值，值得推广。所以本文基于带状区域的网络，提出了长带状无线传感器网络定义。长带状无线传感器网络的拓扑与常规研究的无线传感器网络拓扑不同，需要设计特殊的网络布置和路由策略。而且，长带状无线传感器网络的应用大多环境恶劣，决定了其需要具有适合环境特性的组网、能耗等方案，还要满足特殊的工作要求。1.2国内外发展现状及趋势无线传感器网络处于新技术的最前沿，IEEE还没有成立无线传感器网络的标准制定小组，国际上从2000年开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。但是，这些研究成果处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远。总体而言，国内外专家对无线传感器网络进行了大量研究，形成了许多无线传感器网络的路由、定位算法［2］，但是较少涉及特殊环境的应用。随着国内外WSN的研究发展，许多路由协议被提了出来，从网络拓扑结构的角度我们可以大体把它们分为两类：平面路由协议⑶和分簇路由协议[4]。在平面路由协议中，所有网络节点的地位是平等的、不存在等级和层次差异，它们通过相互之间的局部操作和信息反馈来生成路由。平面路由的优点是简单、易扩展，无须进行任何结构维护工作，所有节点的地位平等，不易产生瓶颈效应，因此具有较好的健壮性。平面路由的最大缺点在于：网络中无管理节点，缺乏对通信资源的优化管理，自组织协同工作算法复杂，对网络动态变化的反应速度较慢等。在分簇路由协议中，网络通常被划分为簇(cluster)，每个簇内根据一定的机制算法选某个节点作为簇头，用于管理或控制整个簇内成员节点、协调成员节点之间的工作、负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发。目前应用于无线传感器网络节点定位⑸技术主要有基于测距(Range-based)和无需测距(Range-free)定位技术。前者尽管精度较高，但大都需要额外地增加硬件开销，不适用于常规传感器网络的应用场景；而无需测距定位技术在不需要复杂硬件设备的情况下能提供足够的定位精度，不需知道未知节点到锚。由于传感器节点能源、成本、体积等因素的限制，无需测距定位算法具有更高的实用性。1.3选题依据由于长带状无线传感器网络具有通信路径有限、跳数多、数据量和负载分布不均衡等特点，许多现有的路由协议都不适用于它。在这个背景下，本课题对大规模长带状无线传感器网络路由协议进行了研究，主要集中于如何根据具体应用环境和节点部署基础，设计相关路由算法和管理原则以达到该网络具有最长有效生存时间。而且，一般的定位算法M都是基于大范围区域的，不能适应本文提出的长带状区域。在大范围区域中，锚节点均匀分布在未知节点周围，可以达到较精确的定位效果。但是在带状网络中，锚节点的分布往往分布在一条直线上，严重限制了定位算法在带状网络的定位精度。如果在带状网络中采用高密度锚节点，则造成了网络成本的提高、通信竞争和冲突的加剧，而且也不能明显的提高定位精度。所以，需要在保证成本的条件下，研究适合长带状区域的有效定位算法。所以针对已有算法的缺陷，本文选择了长带状无线传感器网络这一课题进行深入研究。本文提出了新的无线传感器网络部署算法，并在已有路由、定位和融合算法基础上的提出了改进。2、 本课题的研究意义本文对长带状无线传感器网络的研究可实现以下几个意义：1） 、研究了无线传感器网络在长带状区域的应用，对常规无线传感器网络路由、定位协议的进行了分析并改进，扩大了无线传感器网络的研究范围；2） 、考虑了网络应用环境的特性，使无线传感器网络的研究更实际，提高了无线传感器网络的可行性；3） 、讨论了无线传感器网络在矿井巷道、油田输油管线、桥梁等特殊场合的应用，有利于减少这些复杂、高危险区域的监测不足。因此，长带状无线传感器网络的研究，不但紧跟国际前沿学科发展，还可满足特殊行业实际监控的需要，是一项既有理论意义又有实用价值的课题。3、 课题的目标长带状无线传感器网络的研究课题计划最终能完成以下目标：1、 实地测量节点的实际可达的通信距离和丢包率，并对结果进行分析，如随着通信距离变化，干扰对无线数据传输的影响；2、 设计适合长带状区域的网络部署方案；3、 比较已有的路由算法，进行仿真分析并改进，使数据传输更适合长带状无线传感器网络；4、 设计适合长带状区域的定位算法，使网络定位能同时满足成本和定位率的要求；5、 应用数据融合算法，使长带状区域的数据采集传输具有能源有效性;6、 分析应用区域的介质因素，提出变介质概念，分析介质变化对街道和整个网络的影响，并进行改进使无线传感器网络的实际应用更可行4、课题实现关键技术4.1非均匀簇首部署由于数据都是从源节点（远离Sink）传输到Sink，所以转发数据量随距Sink的减少而成倍放大，如图1。图1长带状无线传感器网络的转发量在长带状区域内布置节点，可以不同于大范围区域随机布置节点，长带状区域可粗略的控制节点的间距。本课题采用异构网络分簇［刀［8］结构，成员节点的功能比较简单，无须维护复杂的路由信息.这大大减少了网络中路由控制信息的数量，减少了通信量；分簇拓扑便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对系统变化作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合大规模网络。并提出了一种非均匀［9］［1。］簇首布置策略，如图2,其具有以下优点:①优化了网络中的能耗，解决了“热区”问题；②分簇算法稳定，形成簇的数目波动较小，有效延长了网络的存活时间。105010500 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200图2长带状无线传感器网络的非均匀簇首布置非均匀簇首布置使节点覆盖范围不同，所以需要根据设计节点具有功率调节的节点，通过功率控制［11］调节覆盖，并减少干扰和能耗。4.2路由算法常规路由算法应用于长带状区域的最主要缺陷是不能均衡全局能耗:不能消除长带状网络带来的靠近Sink段的能耗远大于其它部分，导致Sink不能与其他部分通信、网络提前失效。所以长带状无线传感器网络需要设计新的路由协议。常规区域无线传感器网络对路由协议［12］要求正确性、健壮性、公平性、最优性。长带状网络对路由协议也有以上要求，但它更注重以下特殊要求:1） 服务质量（QoS）：长带状网络的跳数多于普通环境中的无线传感器网络，多跳累计后的丢包率使得数据传输可靠性远低于普通网络，所有长带状网络更关系服务质量，要求低丢包率和高信号质量。2） 多路性：无线传感器网络工作在恶劣的环境中，各种情况经常会使得节点失效，所以网络要求路由多路性。普通环境的无线传感器网络拓扑往往能符合多路性，但是长带状网络拓扑为链状，单个节点的失效会导致通信链断裂、影响整个网络的效率，所以要求每个节点尽可能维护多条去往Sink节点的多条路由。3） 能耗均衡：任何节点的死亡可能导致路径的中断，所以要尽可能的保证节点能耗的均衡。由于长带状网络产生的数据量增加，路由还需要带有数据融合功能。从而在网络资源不变的情况下，通过数据融合［13］来减少负载的不均衡性，主要为簇内和簇间融合。1） 簇内：同一簇内采集到的数据具有时间和空间相关性，所以簇头融合了成员节点的数据之后再进行转发。在信源编码中，利用空频变换方法，在簇头节点对簇内数据去除空间上的相关性，从而实现数据融合，并使得SINK节点重构恢复的数据与原始数据质量基本相同。在时域上，可融合不同时间段的簇内数据Ml。2） 簇间：采用分布式数据融合算法［15］簇间数据融合时需要考虑数据延迟机制，因为数据不是同时到达融合节点，所以当一个数据到达融合节点时，必须延迟一段时间来等待其他数据到达。带有数据融合的路由可以减少网络数据传输量、降低传输拥塞、降低数据传输延迟，在一定程度上提高网络收集数据的效率。4.3定位算法现有的绝大多数无线传感器网络节点定位算法，都采取利用锚节点参照定位的方式。在目标区域布设的大量传感器节点中：有一部分为特殊节点，称之为锚节点(beacon)，它们能够通过携带GPS定位设备或人工手段获得自身的精确位置，并具备比一般节点更强的能力，此类节点所占比例很小；其他未知自己位置的节点，称为未知节点(node)，它们通过与邻居节点(通常将传感器节点通信半径内的所有其他节点称为邻居节点)间通信，得到锚节点的位置信息，并使用一定的计算方法得到自己的位置。但在长带状网络中，锚节点的分布往往呈线状，所以不能满足定位精度的要求。本课题拟采用替代锚节点和移动锚节点算法比较在长带状区域的定位效果。替代锚节点定位法：所有节点先根据锚节点进行定位，对于不能定位的节点再进行二次定位。二次定位采用已经定位的节点作为替代锚节点，再进行三角测量法定位。如果需要可增加迭代定位次数。移动锚节点定位法U6]:所有节点先根据锚节点进行定位，移动节点在检测区域内以匀速和一定规律运动并发送信息，不能定位的节点接收移动节点信息。未定位节点在得到移动节点发来信息时，根据接收功率计算与移动节点的距离。移动节点的位置可根据速度和运动规律以及经过的锚节点得出，从而未知节点根据多次与移动节点的通信计算出位置。4.4仿真平台为评价无线传感器网络协议算法的性能，仅通过实验是无法实现的，特别是包含大量节点的大规模无线传感器网络，更是很难通过实验来实现。所以，在无线传感器网技术的研究中，仿真是一种既有效又经济的研究方法。目前的网络仿真工具主要包括：OPNET、NS2、COMNET、MATLAB、SensorSim、EmStar、OMNet、G1oMoSim、TOSSIM等。针对各种仿真软件的优缺点，本文采用应用较广泛、影响力较大、免费的模拟软件MATLAB和NS2。MATLAB"]MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB仿真无线传感器网络的优势：简单易用的程序语言MATLAB语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，并且这种语言可移植性好、可拓展性极强。这是本文运用MATLAB作为无线传感器网络仿真工具的最主要原因，MATLAB能简单易用可以方便的实现论文提出的算法和改进。强大的科学计算机数据处理能力MATLAB包含大量计函数集，包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、复杂函数等。所以使用MATLAB可以很好地解决无线传感器网络节点参数的计算问题，从而使大规模无线传感器网络的仿真可行。出色的图形处理功能MATLAB具有方便的数据可视化和图形处理功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，可用于科学计算和工程绘图。所以MATLAB使无线传感器网络的仿真结果更加直观，便于我们对算法性能的分析。MATLAB虽然在无线传感器网络的仿真方面有一定优势，但也存在缺少仿真模块、代码需要自己编写和运行效率低等缺点。NS2U8][19]NS(NetworkSimulator)使用C++和OTCL两种程序设计语言，NS2(NetworkSimulator-2)里面包括了大量的用于在有线或无线、本地连接或通过卫星连接进行TCP协议、路由算法、多播协议仿真的网络协议、调度器和工具。NS2主要致力于OSI模型的仿真，包括物理层的行为。有一些研究小组对NS2进行了扩展，使它能支持无线传感器网络的仿真，包括传感器模型、电池模型、小型的协议栈、混合仿真的支持和场景工具等。所以NS2可以非常灵活地建立无线传感器网络的拓扑结构，但Tcl语言不能创建图形编辑器，使用起来很不直观和方便。另外，NS2不能进行模型分级、对数据包级进行非常详细的仿真，接近于运行时的数据包数量，使得其无法进行大规模网络的仿真。5、课题的创新性针对无线传感器网络的实际应用，提出了长带状无线传感器网络，并研究了适合长带状区域的以下机制：1） 确定的、非均匀簇首的异构网络布置机制2） 带数据融合的路由算法3） 适合长带状网络的替代锚节点定位算法将以上机制应用于长带状无线传感器网络，可以减少了传感器节点发送数据的冲突和拥塞现象，并均衡整个区域能耗、提高定位率。6、本课题的进度安排2009/3〜2009/4整理已有的资料和研究成果，查找不足部分；查阅国内外相关资料，跟踪最新研究动态2009/5〜2009/6确定选题和论文研究目标，做好开题报告2009/7〜2009/8和改进机制构建论文基本框架和整体理论，建立算法模型2009/9〜2009/12根据需要分别在MATLAB、NS2平台实现算法2010/1〜2010/2对比仿真结果和理论预测，并优化算法和仿真2010/3〜2010/6总结所有研究成果、撰写论文，答辩参考文献ZhangXH.AutomaticCalibrationofMethaneMonitoringBasedonWirelessSensorNetwork[C].InternationalConferenceonWirelessCommunications，NetworkingandMobileComputing，2008:1-4.李宜安.基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络研究[D].东南大学硕士学位论文，2006:22-25.杨珉.无线传感器网络多播路由技术研究[D].复旦大学博士学位论文,2006:20-29.李捷，陈志国，李致远.基于混合分簇的无线传感器网络路由协议[J].计算机科学，2008,35(8):32-34.蒋小兰.无需测距的WSN节点自定位算法研究[D].西南交通大学研究生学位论文，2007:11-32.王晟.无线传感网络节点定位与覆盖控制理论及技术研究[D].武汉理工大学博士学位论文,2006:20-48.张立，霍林.基于簇头继承的传感器网络聚簇协议[J].计算机应用与软件，2007,24(8):134-135.李捷，陈志国，李致远.基于混合分簇的无线传感器网络路由协议[J].计算机科学，2008，35(8):32-34.李成法，陈贵海，叶懋.一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J].计算机学报，2007,30(1):28-3.王毅，张德运，梁涛涛.无线传感器网络分区能耗均衡的非均匀分簇算法[J].西安交通大学学报，2008，42(4):389-393.马娅婕，赵大胜，王玉明，何建华.基于功率控制的传感器网络寿命延长算法[J].计算机工程与应用，2005，21:4-6.HuangCH，C