無線傳感器網絡節點部署算法分析.pdf

Ⅳ 揚州大學碩士學位論文collection speed is uni，the author deploy wireless sensor node based on the purposeof avoiding energy hole problem and depressing the data redundancy,and network Canattain sub-balanced energy depletion．Simulation results show that this Carldepress energy holes problem，extend network lifetime．Key Words：wireless sensor network，topology control，node deployment石婷婷：無線傳感器網絡節點部署算法研究 59揚州大學學位論文原創性聲明和版權使用授權書學位論文原創性聲明本人聲明：所呈交的學位論文是在導師指導F獨立進行研究工作所取得的研究成果。除文中已經標明引用的內容外，本論文不包含其他個人或集體已經發表的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律結果由本人承擔。學位論文作者簽名： 歹得弭簽字日期：乃／o年堂月／皇日學位論文版權使用授權書本人完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，即：學校有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和電子文檔，允許論文被查閱和借閱。本人授權揚州大學可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。同時授權中國科學技術信息研究所將本學位論文收錄到<中國學位論文全文數據庫》，并通過網絡向社會公眾提供信息服務。學位論文作者簽名： ．石晦酶 導師簽名：簽字日期：易fD年}月陋日 簽字日期：為J0年上月心El石婷婷：無線傳感器網絡節點部署算法研究1．1無線傳感器網絡第1章緒論隨著信息化時代的到來，信息的獲取成為信息技術產業聯合應用環節的第一步。傳感器作為最重要并且最基本的信息獲取手段，可以直接用于感知外部信息。通過使用傳感器可以將被監測的物理量轉換為與之有確定關系的電量輸出，來滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等其他要求。傳感器技術從單一節點逐漸走向網絡化。隨著傳感器技術、嵌入式技術和低功耗無線通信技術的發展，生產具備感應能力、無線通信能力以及信息處理能力的微型無線傳感器已經成為可能。這些廉價且低功耗的傳感器節點共同組織成無線傳感器網絡，通過傳感器節點間相互協作，把監測到的和感應到的多種環境信息(如溫度、濕度等)傳送到基站進行處理。大規模無線傳感器網絡由成千上萬的微型傳感器組成，由這些傳感器節點對目標進行監測。網絡中的節點可以感知周圍的環境，對感知信息執行簡單的計算，并且與其通信半徑內的鄰居節點進行通信。無線傳感器節點通過自組織的方式構成一個高度靈活的、低能耗的網絡。隨著相關學科的不斷發展和進步，以及與傳感器網絡相關項目取得的進展，無線傳感器網絡應用也從軍用轉向了民用。在森林火災與洪水監測之類的環境應用中，在人體生理數據監測、藥品管理之類的醫療應用中，在家庭環境的智能化應用以及商務應用中都已經出現了它的身影。此時的傳感器網絡具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過連接傳感控制器組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網絡。隨著現場總線技術也開始應用于傳感器網絡，組建智能化傳感器網絡成為可能，大量多功能傳感器采用無線通信技術進行連接，無線傳感器網絡逐漸形成。無線傳感器網絡是由大量傳感器節點通過無線通信技術自組織構成的網絡，它集成了監測、控制以及無線通信的網絡系統，網絡中節點的數目有時很龐大，它們分布密集，節點由于環境影響和能量耗盡很容易出現故障，環境干擾和節點故障容易造成網絡拓撲結構的變化。通常情況下大多數傳感器網絡中節點是固定不動的。此外傳感器節點的能量、信息處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳感器的這些特點使得無線傳感器網絡具有以下這些不同于傳統網絡的特點：(1)無中心和自組網；(2)N絡拓撲動態變化；(3)傳輸能力有限；(4)能量有限；(5)安全性問題；2 揚州大學碩士學位論文(6)應用相關性；(7)以數據為中心。其中，能量有限特性決定著整個網絡的生命周期，由于無線傳感器網絡是任務型的網絡，脫離傳感器網絡來談傳感器節點沒有任何意義，所以如何合理使用網絡能量延長網絡工作時間是無線傳感器網絡研究的基礎問題。1．2無線傳感器網絡的研究意義無線傳感器網絡有著巨大的應用前景，它被認為是對2l世紀將產生巨大影響力的技術之一。已有的和潛在的傳感器應用領域包括軍事偵察、環境監測、醫療、建筑物監測等等。隨著傳感器技術、無線通信技術、計算機技術的不斷發展和完善，各種無線傳感器網絡將遍布人們的生活環境，從而真正實現“無處不在的計算“。目前，無線傳感器網絡的應用主要集中在以下領域。(1)環境的監測和保護隨著人們對于環境問題的關注程度越來越高，需要采集的環境數據也越來越多，無線傳感器的出現為大規模、隨機性的數據獲取和研究數據獲取提供了便利，并且還可以避免傳統數據收集方式給環境帶來的侵入式破壞。比如，加州大學伯克利分校計算機系Intel實驗室和大西洋學院聯合開展的一個名叫“in-situ ’的利用傳感器網絡監控海島生態環境的項目。2002年夏天，研究人員將43個小型傳感器連進互聯網，以讀出大鴨島(Crreat Duck Island)上的氣候，用來進行海燕棲息地的研究。無線傳感器網絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環境變化對農作物的影響，監測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在精細農業中來監測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。(2)醫療護理無線傳感器網絡在醫療研究、護理領域也可以大展身手。羅切斯特大學的科學家使用無線傳感器創建了一個智能醫療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆，如血壓、脈搏和呼吸，睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。Intel公司推出了無線傳感器網絡的家庭護理技術，該技術是作為探討應對老齡化社會的技術項目的一個環節開發的。這個系統通過在鞋、家具以家用電器等設備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默病患者以及殘障人士的家庭生活，利用無線通信技術將所有的傳感器聯網，這樣不僅可以高效傳遞必要的信息，從而使被監控對象方便接受護理，而且還可以減輕護理人員的負擔。Intel公司主管預防性健康保險研究的董事EricDishman稱，在開發家庭用護理技術方面，無線傳感器網絡是非常有前途的領域。石婷婷：無線傳感器網絡節點部署算法研究f3)軍事領域由于無線傳感器網絡的研究起源于軍事，因此它在軍事領域中的應用非常得廣泛。無線傳感器網絡所具有的密集型、隨機分布特點，使其非常適合應用于惡劣的戰場環境。它能提供包括偵察敵情、監控兵力、監控裝備與物資、判斷生物化學攻擊等多方面用途。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行“智能塵埃”傳感器技術的研發。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預測說，智能塵埃式傳感器及有關的技術銷售將從2004年的1000萬美元增加到2010年的幾十億美元。目前西方國家在無線傳感器網絡軍事應用方面的主要研究如下：①智能微塵智能微塵(smart dust)是一個具有計算機功能的超微型傳感器，它由微處理器、無線電收發裝置和使它們能夠組成一個無線網絡的軟件共同組成。將一些“微塵”散放在一定范圍內，它們就能夠相互定位、收集數據并向基站傳遞信息。近幾年，由于硅片技術和生產工藝的突飛猛進，集成有傳感器、計算電路雙向無線通信模塊和供電模塊的“微塵”器件的體積已經縮小到了沙粒般大小，但它卻包含了從信息收集、信息處理到信息發送所必須的全部部件。未來的智能微塵甚至可以懸浮在空中幾個小時，進行搜集、處理和發射信息，它能夠僅依靠微型電池工作多年。智能微塵的遠程傳感器芯片能夠跟蹤敵人的軍事行動，可以把大量智能微塵裝在宣傳品、子彈或炮彈中，在目標地點散落下去，形成嚴密的監視網絡，如此敵國的軍事力量和人員、物資的流動自然一清二楚。②目標定位網絡嵌入式系統技術目標定位網絡(NEST)戰場應用試驗是美國國防高級研究計劃局主導的一個項目，它將實現系統和信息處理融合。項目的定量目標是建立包括10到100萬個計算節點的可靠、實時、分布式應用網絡，這些節點包括連接傳感器和作動物的物理和信息系統部件。基礎嵌入式系統技術節點采用現場可編程門陣列模式。該項目應用了大量的微型傳感器、微電子、先進傳感器融合算法、自定位技術和信息技術方面的成果，項目的長期目標是實現傳感器信息的網絡中心分布和融合，顯著提高作戰動態勢感知能力。2003年該項目成功驗證了能夠準確定位地方狙擊手的無線傳感器網絡技術，它采用多個廉價的音頻傳感器協同定位敵方射手并標識在所有參戰人員的個人計算機中，三維空間的定位精度可達到1．5m，定位延遲達到2s，甚至能顯示出敵方射手采用跪姿和站姿設計的差異。③靈巧傳感器靈巧傳感器網絡(Smart Sensor Web，SSW)是美國陸軍提出的針對網絡中心戰的需求所開發的新型傳感器網絡。其基本思想是在戰場上布設大量的傳感器以收集和4 揚州大學碩士學位論文中繼信息，并對相關原始數據進行過濾，然后再把那些重要的信息傳送到各個數據融合中心，從而將大量的信息集成一幅戰場全景圖，當參戰人員需要時可分發給他們，使其對戰場態勢的感知能力大大提高。SSW系統作為一個軍事戰術工具可向戰場指揮員提供一個大型傳感器矩陣中得來的動態更新的數據庫，并及時向相關作戰人員提供實時或近實時的戰場信息，包括通過有人和無人駕馭的地面車輛、無人駕駛飛機、空中、海上及衛星中得到的高分辨率數字地圖、三維地形特征、多重頻譜圖形等信息。④無人值守地面傳感器群美國陸軍近期確立了“無人值守地面傳感器群”項目，其主要目標是使基層部隊指揮員具有在他們所希望部署傳感器的任何地方靈活地部署傳感器的能力。該項目是美國支持陸軍“更廣闊視野”的3個項目之一。⑤戰場環境偵察與監視系統這個系統是美國陸軍確立的項目，該系統是一個智能化傳感器網絡，可以更為詳盡、準確地探測到精準信息，如一些特殊地形地域的特種信息(如登陸作戰中敵方岸灘的詳實地理特征信息，叢林地帶的地面堅硬度、千濕度)，為更準確地制定戰斗行動方案提供情報依據。它通過“數字化路標”作為傳輸工具，為各作戰平臺與單位提供“各取所需”的情報服務，使情報偵察與獲取能力產生質的飛躍。該系統組由散布型微傳感器網絡、機載和車載型偵察與探測設備等構成。⑥傳感器組網系統這是美國海軍確立的研究項目，傳感器組網系統的核心是一套實時數據庫管理系統。該系統可以利用現有的通信機制對從戰術到戰略級的傳感器信息進行管理，而管理工作只需要通過一臺專用的商用便攜機即可．不需要其他專用設備。該系統以現有的帶寬進行通信，并可協助來自地面和空中監視傳感器以及太空監視設備的信息，該系統可以部署到各級指揮單位。⑦防生化網絡2002年5月，美國Sandia國家實驗室與美國能源部合作，共同研究能夠盡早發現以地鐵、車站等場所為目標的生化武器襲擊，并及時采取防范對策的系統。該研究屬于美國能源部恐怖對策項目的重要一環。該系統融檢測有毒氣體的化學傳感器和網絡技術于一體，安裝在車站的傳感器一旦檢測到某種有害物質，就會自動向管理中心通報，自動進行引導旅客避難的廣播，并封鎖有關入口等。該系統除了能夠在專用管理中心進行監視之外，還可以通過互聯網進行遠程監視。⑧網狀傳感器系統美國海軍最近開展的網狀傳感器系統---CEC(Copperative Engagement Capability)石婷婷：無線傳感器網絡節點部署算法研究 5是一項革命性的技術。CEC是一個無線傳感器網絡，其感知數據是原始的雷達數據。該系統適用于艦船或飛機戰斗群攜帶的電腦進行感知數據的處理，每艘戰船不但依賴于自己的雷達，還依靠其他戰船或者裝載CEC的戰機來獲取感知數據。例如，一艘戰船除了從自己的雷達獲取數據外，還從艦船戰斗群的20個以上的雷達中獲取數據，也可以從鳥瞰戰場的戰斗機上獲取數據。空中的傳感器負責偵查更大范圍的低空目標，這些傳感器也是網絡中重要的一部分。利用這些數據合成圖片具有很高的精度，由于CEC可以從多方面探測目標，極大地提高了測量精度。利用CEC數據可以精確地擊中目標。CEC還可以快速而準確地跟蹤混亂戰爭環境中的敵機和導彈，使戰船可以擊中多個地平線或地平線以上近海面飛行的超聲波目標。因此，即使是今天最先進的反艦巡航導彈也會被實時地監測到并被擊中。⑨沙地直線系統2003年8月，俄亥俄州科研人員開發了“沙地直線系統”(A Line in the Sand)，這是一種無線傳感器網絡系統。在美國國防高級研究計劃局的資助下，這個系統能夠散射電子絆網到任何地方，也就是到整個戰場，以偵測運動者的高金屬含量目標。這種能力意味著一個特殊的軍事用途，例如偵察和定位敵軍坦克和其他車輛。這項技術有著廣泛的應用可能，正如所提及的這些現象，它不僅可以感覺到運動的或靜止的金屬，而且可以感覺到聲音、光線、化學物品，以及動植物的生理特征。似)工業化的應用工業環境下，如大型冶金企業的設備監測系統，如果采用傳統的組網方式，需要鋪設大量的電纜、網線、光纖以構成傳輸網絡，其設備建設和維護成本很高。尤其對于環境要求苛刻的場合，如旋轉部件、油庫等，會限制布線、供電，往往難于實現監測任務。采用無線傳感器網絡技術這種低功耗、自組織、短距離無線傳輸技術，可以方便實現監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境下的檢測對象數據，這些數據通過無線方式被發送，并以自組多跳的網絡傳送方式達到用戶終端，彌補了目前冶金等企業設備監測采用的傳統有線監測系統的缺點。在其他工業領域的應用同樣具有很大的價值。(5)商業化的應用商業化的無線傳感器產品中最常見的就是只能節點。UC Berkeley是無線傳感器網絡研究開展較早的美國大學。基于他們研發成功的無線傳感器網絡器件被稱為Mote，這也是目前最通用的一種無線傳感器網絡產品，是由Crossbow公司生產的。最基本的Mote組建是MICA系列處理器／無線模塊，其中，MICAZ完全符合IEEE802．15．4標準。6 揚州大學碩士學位論文1．3無線傳感器網絡關鍵技術無線傳感器網絡作為當今信息領域新的研究熱點，它是多門學科的交叉科學，因此有很多的關鍵技術尚未解決或者不成熟，有待進一步發現和研究，下面列出傳感器網絡基本的關鍵技術。(1)網絡拓撲控制傳感器網絡是自組織網絡，所以網絡拓撲控制具有非常重要的意義。通過網絡拓撲控制自動生成良好的拓撲結構，能夠提高路由協議和MAC協議的效率，為數據融合、時間同步和目標定位等操作奠定基礎，同時有利于節省節點能量來延長網絡生存期，因此拓撲控制是無線傳感器網絡研究的核心技術之一。目前網絡拓撲控制的主要研究集中于，如何在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網節點選擇，剔除節點間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數據轉發的網絡拓撲結構。(2)網絡協議傳感器網絡協議負責使各個獨立的節點形成一個多跳的數據傳輸網絡。由于傳感器網絡節點的計算能力、存儲能力、通信能力以及節點能量都受限，單個節點只能獲取局部網絡的拓撲信息，網絡中運行的網絡協議也不能太復雜。同時，傳感器網絡除了結構動態變化外，網絡資源也在不斷變化，這些都對網絡協議提出更高的要求。目前傳感器網絡協議研究的重點是網絡層路由協議和數據鏈路層協議。(3)時間同步實現時間同步是網絡系統長期協同工作的一個關鍵機制。無線傳感器網絡的一些固有特征，如受限的能量、存儲、計算、帶寬，結合節點分布的高密度特性，使得傳統的時間同步算法不適用于無線傳感器網絡。因此越來越多的研究集中在設計適用于無線傳感器網絡的時間同步算法。目前，國際上已提出了多個時間同步機制，其中RBS、TINY／MINI．SYNC和TPSN被公認為是三個基本的同步機制。(4)定位技術位置信息是傳感器網絡節點采集數據過程中不可缺少的部分，在有些應用中，沒有位置信息的監測消息通常毫無意義，所以確定事件發生的位置或采集數據的節點位置是傳感器網絡最基本的功能之一。根據無線傳感器網絡的自身特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效性和分布式計算等要求。(5)數據融合數據融合技術能減少網絡中傳輸的數據量，降低網絡中發送數據包沖突，從而石婷婷：無線傳感器網絡：1了點部署算法研究有效節省節點能量。同時，由于傳感器網絡節點的易失效性，傳感器網絡也需要數據融合技術對多份數據進行綜合，以提高信息的準確度。數據融合技術可以與無線傳感器網絡的多個協議層進行結合。因此，在設計無線傳感器網絡時，必須面向需求設計針對性強的數據融合方法，才能使系統最大限度的獲益。(6)網絡安全傳感器網絡通常部署在無人維護以及不可控制的環境中，除了具有一般無線網絡所面臨的信息泄露、信息篡改、重放攻擊、拒絕服務等多種威脅外，還面臨傳感器節點容易被攻擊者物理操控，并獲取存儲在傳感節點中的重要信息，甚至控制部分或全部網絡的威脅。網絡用戶不可能接受并部署一個沒有解決好安全和隱私問題的傳感器網絡，因此在進行傳感器網絡協議和軟件設計時，必須充分考慮傳感器網絡可能面臨的安全問題，并把安全機制集成到系統的設計中。這樣才能促進傳感器網絡的廣泛應用，否則傳感器網絡只能部署在有限、受控的環境中，這和傳感器網絡的最終目標一實現普遍性計算并成為人們生活中的一種重要方式是相違背的。1．4國內外研究現狀與未來發展趨勢1．4．1國內外研究現狀無線傳感器網絡是多學科交叉的新興前沿研究熱點領域，它綜合了傳感技術、嵌入式技術、無線通信技術、網絡技術、分布式信息處理技術以及微機電技術等相關技術，具有低功耗、多節點的分布式協作能力，能夠實時監測、感知和采集各種環境或監測對象信息，通過嵌入式系統對信息進行加工和處理，并通過自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將信息傳送到終端或用戶，從而實現“無處不在的計算”理念。無線傳感器網絡實現了人們在“任何時間、任何地點、任何環境條件下獲得需要信息”的愿望。所以，2003年2月，美國《技術評論》雜志(Techonology Review)將無線傳感器網絡列為深遠影響(Tremendous Influence)人類未來的10大新興技術之首。美國《今日防務》雜志認為，無線傳感器網絡技術的應用和發展將引發軍事技術革命和未來戰爭的劃時代變革。美國陸軍實施的“靈巧傳感器通信”計劃，目標是建設一個通用通信基礎設施，將無人值守式彈藥、智能武器、傳感器和未來戰斗系統所用的機器人系統連成網絡，使作戰指揮員能更好、更快地做出決策，從而改進未來戰斗系統的生存能力。在反恐與安全領域，美國Sandia國家實驗室與美國能源部合作，共同研究能夠盡早發現以地鐵、車站等場所為目標的生化武器襲擊，并及時采取防范對策的系統。此外，無線傳感器網絡在野外環境監測、預防醫學、森揚州大學碩士學位論文林防火、海洋監測和資源探測、高速列車、空間飛行器、道路交通、工業環境監測與控制、物流系統等領域已經取得一定的成績。1．4．2未來發展趨勢無線傳感器網絡作為當前信息技術領域的一項重要前沿技術，其應用和發展前景被普遍看好。但是，在當前情況下，無線傳感器網絡產業的發展與成熟仍離不開以下幾個必要的前提條件：(1)更為成熟的技術技術優勢是無線傳感器網絡優勢的核心基礎，無線傳感器網絡技術的成熟也必然是無線傳感器網絡產業發展與成熟的重要前提。當前，雖然對無線傳感器網絡技術的研究已經取得了很大進展，但是由于無線傳感器網絡所涉及的學科眾多，網絡形式相對復雜，節點資源相對緊缺，對無線傳感器網絡相關技術的解決目前仍稱不上完善。因此，提高無線傳感器網絡諸多技術的成熟度是未來的發展趨勢。(2)更為低廉的造價無線傳感器網絡最初源自軍事應用目的而產生，在軍用和眾多民用領域都具有非常廣闊的潛在應用前景。對于民用而言，投入與產出之前的比值是制約許多應用的重要因素，所以除了技術成熟度、社會需求的迫切性等因素外，造價講師制約無線傳感器網絡大規模商用的重要因素。無線傳感器網絡的造價除了與節點制造水平有關外，還與產品的應用以及市場規模等因素密切相關。(3)更為成功的應用模式無線傳感器網絡的大范圍市場推廣離不開典型的成功應用模式。無線傳感器網絡的應用范圍廣泛，針對一些典型的有較好市場前景的應用領域，結合具體行業應用的特點和用戶需求，積極開展面向典型行業的師范系統開發與應用，以示范效應來帶動無線傳感器網絡產業向前發展，也是未來的發展方向。(4)技術標準化統一的技術標準時規范無線傳感器網絡產品開發，推動無線傳感器網絡產業穩步、有序、良性發展的重要保證。但是目前無線傳感器網絡的整體標準化水平仍比較低，常見的只有IEEE802．15．4【11、Zigbee[21、IEEE 1451標準族、關于無線傳感器應用網絡與IPv6網絡互聯的幾個Draft[3-5]。雖然受無線傳感器網絡應用領域的廣泛性、設計技術領域的多樣性以及工作環境的復雜性等因素的限制，無線傳感器網絡的技術標準化工作具有很大的難度，但是其技術的標準化仍是無線傳感器網絡發展的重要任務。