基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现_硕士学位论文.doc
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1、南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步,推动了低功耗多功能传感器的 快速发展,使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。 无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)就是在这种情况下应运而生,它是由 部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式组成的一个多 跳的自组织网络系统。目前以 Internet 为代表的信息网改变的是人与人之间的沟通方 式,而无线传感器网络则是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起,改 变的是人与自然的交互方式,它将是信息社会不可或
2、缺的重要组成部分。 具有现代意义的无线传感器网络的研究起步于 20 世纪 90 年代末期。从 21 世纪 开始,传感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注,美国和欧洲相继启动了 许多关于无线传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金委员会、国防部 等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。 无线传感器网络的应用前景十分广阔,能够广泛应用军事、环境监测和预报、健 康护理、智能家居、建筑物状态监控、城市交通、空间探索以及安全监测等领域。随 着传感器网络的深入研究和广泛应用,它必将深入到人们生活的各个领域。 1 11 1 无线传感器网络的定义无线传感器网络的定义12 目前已有很多文献给出
3、了无线传感器网络的定义,说法各有不同,但实质上大同 小异。比较通用的定义为:无线传感器网络是指由一组按需随机分布的集成有传感器、 数据处理单元和通信模块的传感器以自组织方式构成的无线网络,其目的是协作地感 知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息,并传送到信息用户。 1 12 2 无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点34 无线传感器网络与无线自组网有许多相似之处,如:无中心和自组织性、动态变 化的网络拓扑、受限的无线传输带宽、移动终端的能力有限、多跳路由、安全性差等。 在此基础之上,无线传感器网络还有下列特点: (1)传感器节点的通信能力有限。传感器网络的传输速率低,通信距离近,一 般只
4、有几十到几百米。大部分工作环境恶劣地区,更多地受到地形、地貌、风雨雷电、 潮湿、水浸等自然环境的影响,一方面造成传感器之间的通信不可行,另一方面可能 使传感器出现长时间故障、甚至损坏。 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 2 (2)能量有限。网络中的传感器一般都由电池供电且需长时间工作,而节点的 电池更换往往又不可行,这样就造成了能源方面突出的矛盾。 (3)计算能力有限。传感器网中的传感器一般采用嵌入式处理器和存储器。这 些传感器都具有计算能力,可以完成一些信息处理工作。但是,由于嵌入式处理器和 存储器的能力和容量有限,故传感器的处理能力十分有限。 (4)网络规模大,拓扑结构复
5、杂。传感器网中传感器节点密集,数量巨大,可 能达到几百甚至几千上万个。此外,传感器网可以分布在很广泛的地理区域。而且, 传感器网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能移动,并且经常有新节点 加入或已有节点失效。因此,网络的拓扑结构不断变化。 (5)数据传输方向性强。在传感器网中数据传输具有很强的方向性。通常,查 询信息是通过广播或多播的方式从观察者向网络内传感器传输,而探测结果信息则是 由分布在各处的传感器节点向查询节点汇聚。 1 13 3 无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用 军事应用:在军事领域,无线传感器网络将会逐渐成为 C4ISRT 系统的重要组 成部分。C4ISRT 系统的
6、目标是利用先进的高科技技术,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。因为无线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,也正是这一点,使无 线传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境,包括监控己方兵力、装备和物资,监 视冲突区,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、生物和 化学武器攻击。在战场,指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资 供给的情况,铺
7、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信息处理 站,再转发到指挥部,最后融合来自战场各个环节的数据形成完备的战区态势图。在 战争中,对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的,通过铺设传感器网络,以更隐 蔽的方式近距离地观察敌方的布防;也可以直接将传感器节点撤向敌方阵地,在敌方 还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息。无线传感器网络还可以为火控和制导系 统提供准确的目标定位信息。在生物和化学战中,利用无线传感器网络及时、准确地 探测爆炸中心,将会为己方提供宝贵的反应时间,从而最大可能地减小伤亡。无线传 感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。 在军事应用中,与独立的卫星和
8、地面雷达系统相比,无线传感器网络的潜在优势 表现在以下几个方面: 南京航空航天大学硕士学位论文 3 (1)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; (2)无线传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能 力; (3)传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响; (4)节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的准确性; (5)多节点联合,形成覆盖面积较大的实时探测区域; (6)借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整,可以有效地消除探 测区域内的阴影和盲点。 环境科学:随着人们
9、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。无线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。ALERT 系统中就有数种传感器来监测降雨量、河 水水位和土壤水分,并依此预测爆发山洪的可能性。类似地,无线传感器网络对森林 火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。此外,无线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。 医疗健康: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,利用无线传感器网络,医生
10、就可以随时了解被监护病人的病情,进行及时的 处理,还可以利用无线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。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,无线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。 空间探索:探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想,借助航天器撒布的无线 传感器网络可实现对星球表面长时间的监测,是一种经济可行的方案。NASA 的 JPL(Jet Propulsion Laboratory)实验室研制的 Sensor Webs 就是为将来的
11、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项目中进行测试和完善。 其他商业应用:自组织、微型化和对外部世界的感知能力是无线传感器网络的 三大特点,这些特点决定了无线传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。比如, 嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与 Internet 连接在一起将会为 人们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。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,无线传感器网络都 将会孕育出全新的设计和应用模式。 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 4 1 14 4 研究进展研究进展 军事领
12、域的研究进展情况:美国陆军 2001 年提出了“灵巧传感器网络通信” 计划,己被批准为 2001 财政年度的一项科学技术研究计划,并在 2001-2005 财政年 度期间实施。美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目,其主要目标是 使基层部队指挥员具有在他们所希望部署传感器的任何地方灵活地部署传感器的能力, 该项目是支持陆军“更广阔视野”的 3 个项目之一。美国陆军最近还确立了“战场环 境侦察与监视系统”项目。该系统是一个智能化传感器网络,可以更为详尽、准确地 探测到精确信息,为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据。它通过“数字化路标” 作为传输工具,为各作战平台与单位提供“各取所需”
13、的情报服务,使情报侦察与获 取能力产生质的飞跃。该系统组由撒布型微传感器网络系统、机载和车载型侦察与探 测设备等构成。美国海军最近也确立了“传感器组网系统”研究项目。该系统可以利 用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息进行管理,而管理工作只需通过 一台专用的商用便携机即可,不需要其他专用设备,并可协调来自地面和空中监视传 感器以及太空监视设备的信息,可以部署到各级指挥单位。2002 年 5 月,美国 Sandia 国家实验室与美国能源部合作,共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为 目标的生化武器袭击,并及时采取防范对策的系统。该研究属于美国能源部反恐对策 项目的重要一环,整个系统融检
14、测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体,传感器 一旦检测到某种有害物质,就会自动向管理中心通报,自动开启引导旅客避难的广播, 并封锁有关入口等。美国海军最近开展的网状传感器系统 CEC(Cooperative Engagement Capability)是一项革命性的技术。CEC 是一个无线网络,其感知数据是原 始的雷达数据。该系统适用于舰船或飞机战斗群携带的电脑进行感知数据的处理,每 艘战船不但依赖于自己的雷达,还依靠其他战船或者装载 CEC 的战机来获取感知数 据,极大地提高了测量精度,进而可以快速准确地跟踪混乱中的敌机和导弹。 民用领域的研究进展情况:1995 年,美国交通部提出了“国家
15、智能交通系统 项目规划” ,预计到 2025 年全面投入使用。该计划试图把先进的信息技术、数据通信 技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面交通管理, 建立一个在大范围内、全方位发挥作用的,实时、准确、高效的综合交通运输管理系 统。这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理,不仅可以使汽车按照一定 的速度行驶、前后车距自动地保持一定的距离,而且还可以提供有关道路堵塞的最新 消息,推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。该系统用大量的传感器与 各种车辆保持联系,人们可以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状况,如制动质量、 发动机运转情况等。根据具体情况,计算机可
16、以自动进行调整,使车辆保持在高效低 耗的最佳运行状态,并就潜在的故障发出警告,或直接与事故抢救中心取得联系。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 2002 年 10 月 24 日,美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展 规划” ,规划中称,今后英特尔将致力于研究微型传感器网络在预防医学、环境监测、 森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。实现该计划需要 3 个阶段,即 物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功能的超 微型传感器(也被称作尘粒或智能微尘),实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网 络的感知数据,应用阶段将应用传感器网络于预防医学、环
17、境监测及灾害对策等领域。 英特尔研究中心伯克利实验室和大西洋学院的研究人员计划部署和使用无线传感器网 络来研究岛上环境,这些传感器由温度、湿度、气压等芯片和红外线传感器组成,科 学家们使用这些设备可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环 境。现在己经有一些从事无线传感器网络开发的公司,如美国的 Crossbow 公司和 Dust 公司等,其中 Crossbow 公司己经推出了 Mica 系列传感器网络产品,到现在已 经有了 Mica、 Mica2、Mica2Dot 三种产品。他们还为 Mica 开发了一套微型的操作 系统。Mica2Dot 的大小和一枚硬币差不多,每个 Mica
18、2 可以分为两个模块,一个是 基本的射频和处理模块 MPR (Mote Processor Radio Board),另一个是可选的传感模块 MDA(Mote Data Acquisition Board)。Mica2 工作在 915MHz 的 ISM 频段上,有两个可 调的工作频率:914.007MHz 和 915.998MHz,它以 AA 电池或钮扣电池作为能源,现 在关于无线传感器网络的大多数科研和演示系统都是以 Mica 为平台的。 学术界的研究进展 在美国自然科学基金委员会的推动下,美国的加州大学伯克力分校、麻省理工学 院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理
19、论和关键技 术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的 研究工作。到现在为止,学术界对无线传感器网络的研究大致经过了两个阶段。第一 阶段主要偏重利用微型机电系统(Micro-Electromechanical Systems, MEMS)技术设计 小型化的节点设备,代表性的研究项目有 Smart Dust 和 WINS(WirelessIntegrated Network Sensors)实验室;对于网络技术和通信协议的关注和研究可以认为是无线传 感器网络研究的第二个阶段,目前正在成为无线网络研究领域的一个热点。从网络分 层模型的角度分析,每一层都有需要结合传感
20、器网络的特点进行细致研究的问题。就 己有的研究而言,主要集中在网络层和链路层。目前的研究工作还处于起步阶段,大 量的问题还没有涉及到,未来的研究工作任重而道远。下面,主要介绍一下目前在网 络技术和通信协议方面的一些研究进展。 (1)无线传感器网络网络技术的研究进展 加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法、基于相关性 的 Sensor 数据编码模式、用稀疏传感器网络重构跟踪移动对象路线的方法、传感器 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 6 网络上随时间变化的连续流可视化方法、允许系统级优化时有效通信机制的一般化解、 传感器网络上的数据分布式存储的地理 Hash
21、 表方法、确定传感器网络中节点位置的 分布式算法等,并研制了一个专门适用于无线传感器网络的操作系统 TinyOS11。 加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境, 用于考察传感器网络各方面的问题,他们提出了低级通信不依赖于网络拓扑结构的分 布式系统技术、支持多应用传感器网络中命名数据和网内数据处理的软件结构、变换 初始感知为高级数据流的层次系统结构、传感器网络的时间同步的解决方法、自组织 传感器网络的设计问题和解决方法、新的多路径模式等。南加州大学提出了在生疏环 境部署移动传感器的方法、传感器网络监视结构及其聚集函数计算方法、节省能源的 计算聚集的树构造算法等。斯
22、坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传感器资源 管理的对偶空间方法以及由无网连接的传感器和控制器构成的闭环控制系统的框架。 麻省理工学院开始研究超低能源无线传感器网络的问题,试图解决超低能源无线 传感器系统的方法学和技术问题。 (2)无线传感器网络通信协议的研究 链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路,主要由介质访问控制 (MAC)组成。就实现机制而言,MAC 协议分 3 类:确定性分配、竞争占用和随机访 问。这三类各有特点,就某一种而言,都不是完全适合无线传感器网络的通信协议, 需要对它们进行融合和改进。通信蜂窝电话网络、Ad hoc 和蓝牙技术是当前主流的 无线网络技术,但它们
23、各自的 MAC 协议也不适合无线传感器网络。GSM 和 CDMA 中的介质访问控制主要关心如何满足用户的 QoS 要求和节省带宽资源,功耗是第二 位的;Ad hoc 网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接, 同时兼顾一定的 QoS 要求,功耗也不是其首要关心的;而蓝牙采用了主从式的星型 拓扑结构,这本身就不适合传感器网络自组织的特点。 1 15 5 课题背景与研究内容课题背景与研究内容 从当前的研究工作来看,无线传感器网络应用受限最大的问题在于传感器节点的 能源有限上。通常,无线传感器网络都是应用于人员不能长期或不能直接控制的区域, 对大量布置的节点进行能源补充也是不切实际
24、的,因此,需要最大限度地利用节点自 身携带的有限能源。节点消耗能源的主要部份在于其无线电收发方面,如何在当前的 节点制作水平上延长节点生存时间,最为主要的是构建高效节能的路由协议,减少数 据收发量,降低其收发、侦听时间。同时,考虑到无线传感器网络的应用是和节点位 置密切相关的,任何采集得来的数据如果不能和地域位置相关,是没有意义的,因此 将节点的位置和路由协议的能源有效性结合在一起是本文的研究重点。为此,本文提 南京航空航天大学硕士学位论文 7 出了一种基于节点位置的无线传感器路由协议,通过节点自组网过程中形成的节点位 置拓扑图,使节点能动态地根据自身剩余能量选择合适的路由,从而达到充分利用每
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