【正文】 e Broadcast Synchronization, RBS)[42][43]、 傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議 (Timingsync Protocol for Sensor Networks, TPSN)[44][45]、延遲測(cè)量時(shí)間同步 (Delay Measurement Time Synchronization, DMTS)[46]等 。 基于不測(cè)距 的定位機(jī)制無須實(shí)際測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離或方位就能夠確定未知節(jié)點(diǎn)的位置，目前提出的定位機(jī)制主要有質(zhì)心算法 [38]、 DVHop[39][40]算法、 Amorphous算法 [41]、 APIT 算法 [36]等。定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計(jì)算等要求。在 MAC 層的能量浪費(fèi)主要表現(xiàn)在空閑偵聽、接收不必要的數(shù)據(jù)和碰撞重傳等。 2． 3． 2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 由于傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、通信能量以及攜帶的能量都十分有限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，其上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復(fù)雜。 目前 ， 傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯康闹饕獑栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的無線通信鏈路，生成一個(gè)高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 通信幀各字段代表的意義如表 2－ 2所示： 時(shí)間 延遲 幀長 度 幀類 型 是否加密 后繼包標(biāo)識(shí) 應(yīng)答 節(jié)點(diǎn) 號(hào) 目的地址句柄 目的地 址 源節(jié)點(diǎn) 句柄 源地址 數(shù)據(jù)類型 信號(hào)接收強(qiáng)度 信號(hào)質(zhì)量 循環(huán)校驗(yàn) T dT Len Type Encr Pnd Ack Seq DstPAN DstAdd SrcPAN SrcAdd Type RSSI LQI FCS . …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. 表 22 通信幀字段說明 圖 2－ 10（見下頁） 所示為 各節(jié)點(diǎn)向上傳送節(jié)點(diǎn)信息 過程 的部分截圖 ， 從圖中可以看出節(jié)點(diǎn)地址為 796F、 4A30 以及 3A58 的孤兒節(jié)點(diǎn)（ Orphan Notification） 在廣播一個(gè)查找上級(jí)節(jié)點(diǎn)信息后（目的地址為 FFFF），地址為 6C18 的節(jié)點(diǎn)向它們分別發(fā)出了響應(yīng)信息，之后，孤兒節(jié)點(diǎn)就與 6C18 節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求建立數(shù)據(jù)鏈路的信號(hào) (Association Request),并報(bào)告自己的節(jié)點(diǎn)信息（如： RFD（簡(jiǎn)化功能設(shè)備）類型，即葉節(jié)點(diǎn)，采用電池供電等），節(jié)點(diǎn) 6C18 繼續(xù)向上傳送尋找更高一級(jí)節(jié)點(diǎn)，直至匯聚節(jié)點(diǎn) (基站 )。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá) 250kbps， 可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng) 該芯片采用 SPI 通信接口，射頻輸出的功率可調(diào)，具有接收信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)器輸出接口，可方便用在基于接收信號(hào)強(qiáng)度的算法 (比如定位 )中信號(hào)強(qiáng)度的獲得。如 圖 2－ 4所示 。它獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)請(qǐng)求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請(qǐng)求。 應(yīng)用層（ APL）模塊提供高級(jí)協(xié)議棧管理功能。如果需要的話，可以修改非易失性存儲(chǔ)器（ NVM）程序來支持任何其他類型的 NVM 而不使用可自編程的單片機(jī)。 二是 在使能了信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點(diǎn)在預(yù)定義的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)送。 RFD 是最小而且最簡(jiǎn)單的 ZigBee 節(jié)點(diǎn)。 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 11 2． 2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 為 研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中的有關(guān)問題，驗(yàn)證協(xié)議算法的有效性， 設(shè)計(jì)了基于 ZigBee 技術(shù)的 溫度傳感器 節(jié)點(diǎn) ，為 下 一步的研究打下基礎(chǔ)。 WSN 對(duì)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(shí)是高效可靠的，那么傳輸層就不是必須的。 數(shù)據(jù)鏈路層 ： 數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀檢測(cè)、介質(zhì)訪問控制 (MAC)和差錯(cuò)控制等，以保證可靠的點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的通信。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。 第 四章 ， 對(duì)路由協(xié)議作了分類介紹 ，并對(duì)其中一些定位算法作了分析比較 ，詳細(xì)討論了 GEM 路由協(xié)議 ， 針對(duì) GEM 路由協(xié)議的不足 ， 提出了 相應(yīng)的改進(jìn)措施， 這 是本文的重點(diǎn) 內(nèi)容 ； 第 五 章 總結(jié)與展望，對(duì)全文作了總結(jié)，提出了下一步的工作 目標(biāo) 。通信 蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)、 Ad hoc 和藍(lán)牙技術(shù)是當(dāng)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)。 (1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究進(jìn)展 加州大學(xué)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(dòng)對(duì)象路線的方法、傳感器網(wǎng)絡(luò)上隨時(shí)間變化的連續(xù)流可視化方法、允許系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化時(shí)有 效通信機(jī)制的一般化解、基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 6 傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)的地理 Hash 表方法、確定傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置的分布式算法等，并研制了一個(gè)專門適用 于 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng) TinyOS[11]。 學(xué)術(shù)界的研究進(jìn)展 在美國自然科學(xué)基金委員會(huì)的推動(dòng)下，美國的加州大學(xué)伯克力分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校等學(xué)校開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。實(shí)現(xiàn)該計(jì)劃需要 3 個(gè)階段，即物理階段、實(shí)現(xiàn)階段和應(yīng)用階段。該系統(tǒng)適用于艦船或飛機(jī)戰(zhàn)斗群攜帶的電腦進(jìn)行感知數(shù)據(jù)的處理，每艘戰(zhàn)船不但依賴于自己的雷達(dá)，還依靠其他戰(zhàn)船或者裝載 CEC 的戰(zhàn)機(jī)來獲取感知數(shù)據(jù)，極大地提高了測(cè)量精度， 進(jìn)而可以快速 準(zhǔn)確地跟蹤混亂中的敵機(jī)和導(dǎo)彈。它通過“數(shù)字化路標(biāo)”作為傳輸工具，為各作戰(zhàn)平臺(tái)與單位提供“各取所需”的情報(bào)服務(wù)，使情報(bào)偵察與獲取能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。 其他商業(yè)應(yīng)用 ： 自組織、微型化和對(duì)外部世界的感知能力是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三大特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)該也會(huì)有不少的機(jī)會(huì)。 在戰(zhàn)場(chǎng)，指揮員往往需要及時(shí)準(zhǔn)確地了解部隊(duì)、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)送至 信息處理站 ，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來自戰(zhàn)場(chǎng) 各 個(gè)環(huán)節(jié) 的數(shù)據(jù)形成完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢(shì)圖。因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化 。 （ 3）計(jì)算能力有限。 1． 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義 [1][2] 目前已有很多文獻(xiàn)給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義，說法各有不同，但實(shí)質(zhì)上大同小異。南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 第一章 緒論 微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和無線通信等技術(shù)的 進(jìn)步 ，推動(dòng)了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用，它必將深入到人們生 活的各個(gè)領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器一般都由電池供電 且需 長時(shí)間工作，而節(jié)點(diǎn)的電池更換往往又不 可行 ，這樣就造成了能源方面突出的矛盾。而且，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、 感知對(duì)象 和觀察者這三要素都可能移動(dòng)，并且經(jīng)常有新節(jié)點(diǎn)加入或已有節(jié)點(diǎn)失效。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的，自組織性和容錯(cuò)能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，這一點(diǎn) 是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無法比擬的，也正是這一點(diǎn)，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，包括監(jiān)控 己 方兵力、裝備和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標(biāo)，評(píng)估損失，偵察和探測(cè)核、生物和化學(xué) 武器 攻擊。 (6)借助于個(gè)別具有移動(dòng)能力的節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整，可以有效地消除探測(cè)區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點(diǎn)。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。 該系統(tǒng)是一個(gè)智能化 傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以更為詳盡、準(zhǔn)確地探測(cè)到精確信息，為更準(zhǔn)確地制定戰(zhàn)斗行動(dòng)方案提供情報(bào)依據(jù)。 CEC 是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)， 其感知數(shù)據(jù)是原始的雷達(dá)數(shù)據(jù)。 20xx年 10 月 24 日，美國英特爾公司發(fā)布了“基 于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃”，南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 規(guī)劃中稱， 今后英特爾將致力于 研究 微型傳感器網(wǎng)絡(luò)在預(yù)防醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林滅火乃至海底板塊調(diào)查、行星探查等領(lǐng)域的應(yīng)用。 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(jìn)展。這三類各有特點(diǎn)，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(duì)它們進(jìn)行融合和改進(jìn)。 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(diǎn) 、 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(jì)了用于路由協(xié)議驗(yàn)證的溫度傳感器節(jié)點(diǎn) ； 第三章節(jié)點(diǎn)定位分析 ，對(duì)基于測(cè)距和 基于不測(cè)距 兩大類型的節(jié)點(diǎn)定位方式作了簡(jiǎn)要介紹，提出了基于測(cè)距與不測(cè)距的復(fù)合定位方法。 2． 1． 2 傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成 傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和 通信能力相對(duì)較弱，通過能量有限的電池供電。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小、能量、通信能力和運(yùn)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(jì)比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)要更加節(jié)能， 能 盡量延長節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，目標(biāo)是設(shè)計(jì)低成本、低功耗和小體積的傳感器節(jié)點(diǎn) 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?zé)任。 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(yuǎn)程管理。任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。終端設(shè)備是 FFD 或簡(jiǎn)化功能設(shè)備（ RFD）。 一是 在沒有使能信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，只要信道是空閑的，在任何時(shí)候都允許所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送。因此，必須使用可自編程的閃存存儲(chǔ)器單片機(jī)。但是，如果需要的話，也可以簡(jiǎn)單地將應(yīng)用程序與其他模塊接口或者根據(jù)需要對(duì)它們進(jìn)行自定義。 網(wǎng)絡(luò)層（ NWK）負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接。 2． 2． 2 基于 ZigBee 協(xié)議的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 比較通用的傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)是由一個(gè)中央處理器模塊、射頻處理模塊以及天線組南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 13 成。 CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。 圖 2－ 10 至圖 2－ 12是部分 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖， 通過對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以 看出， 節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)鏈咱 的建立 是可行的 。所以，拓?fù)淇刂剖菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心技術(shù)之一。這種機(jī)制重點(diǎn)在于解決節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)和活動(dòng)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換問題，不能夠獨(dú)立作為一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制機(jī)制，因此需要與其他拓?fù)淇刂扑?法結(jié)合使用。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 協(xié)議首先要考慮節(jié)省能源和可擴(kuò)展性，其次才考慮公平性、利用率和實(shí)時(shí)性等。由于傳感器節(jié)點(diǎn)存在資源有限、隨機(jī)部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點(diǎn)失效等特點(diǎn)。 由于節(jié)點(diǎn)定位依賴實(shí)際的角度或距離， 通常定位精度相對(duì)較高， 但 對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件也提出了較高的要求?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制往往關(guān)注最小化同步誤差來達(dá)到最大的同步精 度，較少考慮計(jì)算和通信的開銷，因而不適合在傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，需要修改或重新設(shè)計(jì)以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。 此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身的定位還可以在外部目標(biāo)的定位和追蹤以及提高路由效率等方面發(fā)揮作用。錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身位置建立本地坐標(biāo)系，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算出自己在本地坐標(biāo)系里的相對(duì)位置。因此這種方法的主要誤差來源是環(huán)境影響所造成的信號(hào)傳播模型的復(fù)雜性。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的距離較小，采用 TOA 測(cè)距難度較大，同時(shí)節(jié)點(diǎn)硬件尺寸、價(jià)格和功耗的限制也決定了 TOA 技術(shù)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是不可行的。 到達(dá)角定位法 ： 到達(dá)角 (AOA)定位法通過陣列天線或多個(gè)接收器結(jié)合來得到相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)的方向，從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的方位線。 目前比較重要的 基于不測(cè)距 的算法 主要有： 質(zhì)心法、 基于測(cè)距 矢量計(jì)算跳數(shù)的算法 (DV Hop)、無定形的(Amorphous)算法和以三角形內(nèi)的點(diǎn)近似定位 (APIT)算法。 DVHop 算法 ： DVHop 算法是由 和 等人提出的。經(jīng)過計(jì)算，一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)得到網(wǎng)絡(luò)的平均每跳距離，并將此估計(jì)值廣播到網(wǎng)絡(luò)中，稱作校正值，任何節(jié)點(diǎn)一旦接收到此校正值，就可以估計(jì)自己到這個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離。 APIT 算法 ： 在 APIT 算法中，一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)從它所有能夠與之通信的錨節(jié)點(diǎn)中選擇 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)，測(cè)試它自身是在這 3 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形內(nèi) 部還是在其外部；然后再選擇另外 3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同樣的測(cè)試，直到窮盡所有的組合或者達(dá)到所需的精度。同時(shí)， 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，因?yàn)榈匦蔚孛?等環(huán)境因素 的影響， 不可避免 地有 部分節(jié)點(diǎn)可能處于測(cè)距信號(hào)不可達(dá)區(qū)域，但節(jié)點(diǎn)仍能通過多跳路由采集數(shù)據(jù)，如果放棄這部分節(jié)點(diǎn)， 無疑會(huì)縮小探測(cè)范圍，如果不放棄這部分節(jié)點(diǎn)，也會(huì)因?yàn)槿鄙傥恢眯畔⒃斐蓴?shù)據(jù)的不完整 ，降低所采集數(shù)據(jù)的可用性 。 通過時(shí)間差測(cè)距法獲得三個(gè)錨點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離之后，就可對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)定位。 定位過程可分為兩個(gè)階段，即信息廣播過程和節(jié)點(diǎn)應(yīng)答過程。鄰接表建立流程 如圖 32 所示 ：