【正文】 認為是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的第二個階段，目前正在成為無線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一個熱點。從網(wǎng)絡(luò) 分層模型的角度分析，每一層都有需要結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點進行細致研究的問題 。 就己有的研究而言，主要集中在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。目前的研究工作還處于起步階段，大量的問題還沒有涉及到，未來的研究工作任重而道遠。下面， 主要 介紹一下目前在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信協(xié)議方面的一些研究進展。 (1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究進展 加州大學伯克力分校提出了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連通性重構(gòu)傳感器位置的方法、基于相關(guān)性的 Sensor 數(shù)據(jù)編碼模式、用稀疏傳感器網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)跟蹤移動對象路線的方法、傳感器網(wǎng)絡(luò)上隨時間變化的連續(xù)流可視化方法、允許系統(tǒng)級優(yōu)化時有 效通信機制的一般化解、基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 6 傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分布式存儲的地理 Hash 表方法、確定傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點位置的分布式算法等，并研制了一個專門適用 于 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng) TinyOS[11]。 加州大學洛杉磯分校開發(fā)了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境，用于考察傳感器網(wǎng)絡(luò)各方面的問題，他們提出了低級通信不依賴于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的分布式系統(tǒng)技術(shù)、支持多應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)中命名數(shù)據(jù)和網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理的軟件結(jié)構(gòu)、變換初始感知為高級數(shù)據(jù)流的層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步的解決方法、自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計問題和解決方 法、新的多路徑模式等。南加州大學提出了在生疏環(huán)境部署移動傳感器的方法、傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視結(jié)構(gòu)及其聚集函數(shù)計算方法、節(jié)省能源的計算聚集的樹構(gòu)造算法等。斯坦福大學提出了在傳感器網(wǎng)絡(luò)中事件跟蹤和傳感器資源管理的對偶空間方法以及由無網(wǎng)連接的傳感器和控制器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)的框架。 麻省理工學院開始研究超低能源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題，試圖解決超低能源無線傳感器系統(tǒng)的方法學和技術(shù)問題。 (2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的研究 鏈路層協(xié)議用于建立可靠的點到點或點到多點通信鏈路，主要由介質(zhì)訪問控制(MAC)組成。就實 現(xiàn)機制而言， MAC 協(xié)議分 3 類 ： 確定性分配、競爭占用和隨機訪問。這三類各有特點，就某一種而言，都不是完全適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，需要對它們進行融合和改進。通信 蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)、 Ad hoc 和藍牙技術(shù)是當前主流的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但它們各自的 MAC 協(xié)議 也 不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 GSM 和 CDMA 中的介質(zhì)訪問控制主要關(guān)心如何滿足用戶的 QoS 要求和節(jié)省帶寬資源，功耗是第二位的 ； Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)則考慮如何在節(jié)點具有高度移動性的環(huán)境中建立彼此間的鏈接，同時兼顧一定的 QoS 要求，功耗也不是其首要關(guān)心的 ； 而藍牙采用了主從式的星型 拓撲結(jié)構(gòu)，這本身就不適合傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織的特點。 1． 5 課題背景與研究內(nèi)容 從當前的研究工作來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用受限最大的問題在于傳感器節(jié)點的能源有限上。通常，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是應(yīng)用于人員不能長期或不能直接控制的區(qū)域，對大量布置的節(jié)點進行能源補充也是不切實際的，因此，需要最大限度地利用節(jié)點自身攜帶的有限能源。節(jié)點消耗能源的主要部份在于其無線電收發(fā)方面，如何在當前的節(jié)點制作水平上延長節(jié)點生存時間，最為主要的是構(gòu)建高效節(jié)能的路由協(xié)議，減少數(shù)據(jù)收發(fā)量，降低其收發(fā)、偵聽時間。同時，考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是 和節(jié)點位置密切相關(guān)的，任何采集得來的數(shù)據(jù)如果不能和地域位置相關(guān)，是沒有意義的，因此將節(jié)點的位置和路由協(xié)議的能源有效性結(jié)合在一起是本文的研究重點。為此， 本文 提南京航空航天大學碩士學位論文 7 出了一種基于節(jié)點位置的無線傳感器路由協(xié)議，通過節(jié)點自組網(wǎng)過程中形成的節(jié)點位置拓撲圖，使節(jié)點能動態(tài)地根據(jù) 自身 剩余能量選擇合適的路由，從而達到充分利用每個節(jié)點能量的目的，以此延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命。 1． 6 本文的內(nèi)容安排 本文的內(nèi)容共分以下六章： 第一章緒論 ，介紹 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義 、 特點 、 應(yīng)用范圍 以及 研究背景和意義 ；第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ， 主要 分析 無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 和與之相關(guān)的 關(guān)鍵技術(shù) ，并 在 基于 ZigBee 協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計了用于路由協(xié)議驗證的溫度傳感器節(jié)點 ； 第三章節(jié)點定位分析 ，對基于測距和 基于不測距 兩大類型的節(jié)點定位方式作了簡要介紹，提出了基于測距與不測距的復合定位方法。 第 四章 ， 對路由協(xié)議作了分類介紹 ，并對其中一些定位算法作了分析比較 ，詳細討論了 GEM 路由協(xié)議 ， 針對 GEM路由協(xié)議的不足 ， 提出了 相應(yīng)的改進措施， 這 是本文的重點 內(nèi)容 ； 第 五 章 總結(jié)與展望，對全文作了總結(jié)，提出了下一步的工作 目標 。 基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 8 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析 與節(jié)點設(shè)計 2． 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體 系結(jié)構(gòu) [5] 2． 1． 1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，整個傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點群、 匯聚節(jié)點（ 基站 ）、互聯(lián)網(wǎng)及遠程監(jiān)控中心 (用戶 )組成。 監(jiān) 測 區(qū) 域傳 感 器 節(jié) 點匯 聚 節(jié) 點用 戶互 聯(lián) 網(wǎng) 圖 21 傳感器網(wǎng)絡(luò) 體系 結(jié)構(gòu) 部署或 拋撒在感興趣區(qū)域的傳感器節(jié)點以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)之后以多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回 匯聚 節(jié)點，由 匯聚 節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程監(jiān)控中心進行處理。在這個過程中，傳感器節(jié)點既充當感知節(jié)點，又充當轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由器。整個傳感器網(wǎng)絡(luò) 是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點融合的數(shù)據(jù)相當于來自一個分布式的數(shù)據(jù)庫 。 匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它充當傳感器網(wǎng)絡(luò)和Inter 等外部網(wǎng)絡(luò)之間的接口部件，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)中。匯聚節(jié)點既可是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計算資源，也可是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。 2． 1． 2 傳感器節(jié)點構(gòu)成 傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和 通信能力相對較弱，通過能量有限的電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)南京航空航天大學碩士學位論文 9 絡(luò)節(jié)點終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。 傳感器節(jié)點由傳感器模塊、路由協(xié)議管理模塊、系統(tǒng)控制模塊、無線收發(fā)模塊和能量控制模塊五部分組成，如圖 22 所示。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)控制模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，路由協(xié)議管理模塊負責與其他傳感 器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量， 電源 通常采用微型電池。 無 線 收 發(fā) 模 塊 路 由 協(xié) 議 管 理 模 塊 系 統(tǒng) 控 制 模 塊 傳 感 器 模 塊非 易 失 性 存 儲 器R A M電 源能 量 控 制 模 塊用 戶 界 面 圖 22 節(jié)點組成模塊示意圖 2． 1． 3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層 [8] 對于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層， 研究人員提出了一個與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧相對應(yīng) 的 五層協(xié)議棧：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。 在此基礎(chǔ)上，由于定位和時間同步在網(wǎng)絡(luò)的特殊性，又 增加 了定位和時間同步子層。 物理層 ： 物理層負責頻率選擇、載波生成、信號檢測、調(diào)制解調(diào)、編碼、定時和同步 等問題，物理層設(shè)計直接影響到電路的復雜度和傳輸能耗等問題。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點體積小、能量、通信能力和運算能力都很有限，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層設(shè)計比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)要更加節(jié)能， 能 盡量延長節(jié)點的生存時間，目標是設(shè)計低成本、低功耗和小體積的傳感器節(jié)點 數(shù)據(jù)鏈路層 ： 數(shù)據(jù)鏈路層主要負責數(shù)據(jù)幀檢測、介質(zhì)訪問控制 (MAC)和差錯控制等，以保證可靠的點到點和點到多點的通信。介質(zhì)訪問控制方法是否合理與高效，直接決定了傳感器節(jié)點間協(xié)調(diào)的有效性和對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，合理與高效的介質(zhì)訪問控制方法能夠有效的減少傳感器節(jié)點收發(fā)控制 性數(shù)據(jù)的比率，進而減少能量損耗。數(shù)據(jù)鏈路層的 Mac 子層不僅 要 能使成千上萬的傳感器節(jié)點建立起自組織的多跳網(wǎng)絡(luò)，基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 10 還要保證這種多跳自組網(wǎng)的每個節(jié)點都有公平和高效的通信環(huán)境，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點問題之一。 網(wǎng)絡(luò)層 ： 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由層類似，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由層也是負責數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些自身特點，尤其是能耗的極度有限性，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)路由層除了高效的完成路由轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)外，還要 仔細 考慮節(jié)能問題。 傳輸層 ： 傳輸層的作用和數(shù)據(jù)鏈路層在某些方面比較類似，如兩者都有保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)呢熑巍?WSN 對數(shù)據(jù)鏈 路層協(xié)議的要求主要體現(xiàn)在 MAC 層介質(zhì)訪問控制的可靠性和高效性，而由于傳輸層是建立在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)之上的，如果數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)確實是高效可靠的，那么傳輸層就不是必須的。如果需要接入 Inter，也不一定需要專門開發(fā)一個 WSN 的傳輸層協(xié)議，只需將 WSN 中的路由分組封裝成 TCP 或 UDP 報文即可。如果封裝成 TCP 報文，則節(jié)點必須維護滑動窗口和 3 次握手等 TCP 機制，勢必對能力十分有限的傳感器節(jié)點造成很大負荷，因此封裝成 UDP 報文更現(xiàn)實些。如果 UDP 是建立在 WSN 網(wǎng)絡(luò)層的容錯機制和數(shù)據(jù)鏈路 層的差錯控制機制上的，則其可靠性能使有保證的。另一方面，現(xiàn)有 WSN 都是和應(yīng)用相關(guān)的，在 WSN 有了自己的傳輸層協(xié)議之后，這種情況也將大大改善 應(yīng)用層 ： 應(yīng)用層要負責時間同步、節(jié)點定位、 QoS、移動性控制、能量管理、配置管理、安全管理和遠程管理。雖然 QoS、移動性控制、能量管理、配置管理、安全管理和遠程管理可以由多個層次共同完成，每個層次都可以針對相應(yīng)的功能加入自己的實現(xiàn)機制，但由于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層對網(wǎng)絡(luò)的 QoS 屬性、節(jié)點移動性和能耗比較敏感，更加適合實現(xiàn)這方面的特性 。 而應(yīng)用層作為 WSN 的最高層次，處于一種 統(tǒng)觀全局的位置，更適合于網(wǎng)絡(luò)的配置管理、安全管理和遠程管理。 定位與時間同步子層 ： 定位與時間同步子層 既依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商，同時又要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持，如：為基于時分復用的 MAC協(xié)議提供時間同步控制信息，為基于地理位置的路由協(xié)議提供節(jié)點位置信息等 。 除 上文 提到的六層協(xié)議 外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理和任務(wù)管理平臺。這些管理使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。其功能如下： 能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如 何使用能源，在各個協(xié)議層都需考慮節(jié)省能量； 移動管理平臺檢測 傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 任務(wù)管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。 南京航空航天大學碩士學位論文 11 2． 2 傳感器節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn) 為 研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中的有關(guān)問題，驗證協(xié)議算法的有效性， 設(shè)計了基于 ZigBee 技術(shù)的 溫度傳感器 節(jié)點 ，為 下 一步的研究打下基礎(chǔ)。 2． 2． 1 ZigBee 概述 [6][7] ZigBee 是 以 IEEE 規(guī)范作為介質(zhì)訪問層（ MAC）和物理層（ PHY） 協(xié)議的、專 為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。與其他無線協(xié)議相比， ZigBee 提供了低復雜性、縮減的資源要求 和 一組標準的規(guī)范。 另外 它還提供了 IEEE 定義 的 3 個工作頻帶： GHz、 915 MHz 和 868 MHz，以及一些網(wǎng)絡(luò)配置和可選的安全功能。 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)可采用多種類型的配置。星型網(wǎng)絡(luò)配置由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點（主設(shè)備）和一個或多個終端設(shè)備（從設(shè)備）組成。協(xié)調(diào)器是實現(xiàn)了一組很多 ZigBee 服務(wù)的一種特殊的全功能設(shè)備（ Full Function Device， FFD）。終端設(shè)備是 FFD 或簡化功能設(shè)備（ RFD）。 RFD 是最小而且最簡單的 ZigBee 節(jié)點。它只實現(xiàn)了一組最少的 ZigBee 服務(wù)。在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有的終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信。如果某個終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個終端設(shè)備，它會把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標接收器終端設(shè)備。除了星型網(wǎng)絡(luò)之外， ZigBee 還可以采用點對點網(wǎng)絡(luò)、群集或網(wǎng)狀（ mesh）網(wǎng)絡(luò)配置。由于群集和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有在多個網(wǎng)絡(luò)之間路由數(shù)據(jù)包的功能，因而被稱為多跳網(wǎng)絡(luò)，而星型網(wǎng)絡(luò)則被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。和任何網(wǎng)絡(luò)一樣， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)也是多點接入 網(wǎng)絡(luò)， 它主要 有兩種類型的多點接入機制。 一是 在沒有使能信標的網(wǎng)絡(luò)中，只要信道是空閑的，在任何時候都允許所有節(jié)點發(fā)送。 二是 在使能了信標的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點在預(yù)定義的時隙內(nèi)進行發(fā)送。協(xié)調(diào)器會定期以一個標識為信標幀的超級幀開始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點與此幀同步。在這個超級幀中為每個節(jié)點分配了一個特定的時隙，在該時隙內(nèi)允許節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。超級幀可能還含有一個公共時隙，在此時隙內(nèi)所有節(jié)點競爭接入信道。 ZigBee 協(xié)議棧是采用 C語言編寫的，可用 MPLAB