【文章內(nèi)容簡介】 拓?fù)渚S護算法，還需要做大量的相關(guān)研究。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 體系 通常來說，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括：傳感器節(jié)點（ Sensor nodes），基站節(jié)點（ Base station node，也稱匯聚節(jié)點： Sink node）和管理中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型的體系結(jié)構(gòu)如圖 所示。 XX 大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 通過人工 或者自動化 等方式，將大量傳感器節(jié)點隨機撒布在 目標(biāo) 區(qū)域內(nèi)或者附近，以自組織的方式構(gòu)成 無線通 信 網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)在傳遞過程中可能被多個節(jié)點的處理， 并直接或者間接 傳遞到 BS 節(jié)點，最后通過外部網(wǎng)絡(luò)如衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)或者移動通信網(wǎng)絡(luò)等方式傳遞給管理中心。 普通 傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，通過電池供電，能量有限 ，信息 處理能力、 數(shù)據(jù) 存儲能力和通信能力相對較弱。傳感器節(jié)點 又 擔(dān)當(dāng)著終端和路由的雙重角色，除了監(jiān)測、采集和處理監(jiān)測對象的信息數(shù)據(jù)外，還可能要負(fù)責(zé)對其他節(jié)點傳遞來的數(shù)據(jù) 進行轉(zhuǎn)發(fā)、 信息融合、存儲等功能。 所以 針對不同的應(yīng)用需求，傳感器節(jié)點的設(shè)計也不盡相同， 一般 ，傳感器節(jié)點主要包括傳感器 模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個部分，如圖 [10]。依據(jù)特殊要求， 傳感器 節(jié)點還可能包括定位、能量補給或移動等模塊。 圖 無線傳感器體系結(jié)構(gòu) 圖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型體系結(jié)構(gòu) 第 1 章 緒論 5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的重要 技術(shù) 不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身能量有限、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜且動態(tài)變化、節(jié)點部署密集，以及對數(shù)據(jù)傳遞要求實時性、可靠性等特點，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的挑戰(zhàn)。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：定位技術(shù)、拓?fù)淇刂萍夹g(shù)、數(shù)據(jù)融合 技術(shù) 、路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全、適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件或者硬件設(shè)計等。 （ 1） 定位技術(shù) 定位是指確定傳感器 節(jié)點的相對位置或絕對位置。傳感器節(jié)點一般是由人工或者機械隨機撒布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的，所以其位置是未知的。但是對于大多數(shù)傳感網(wǎng)應(yīng)用來說，不知道節(jié)點位置信息的監(jiān)測數(shù)據(jù)是沒有意義的。節(jié)點只有明確自身的位置才能向管理者準(zhǔn)確傳遞信息詳細(xì)說明 “在什么區(qū)域發(fā)生了什么事件 ”。了解節(jié)點位置信息還可以為拓?fù)淇刂频膶崿F(xiàn)提供信息支持，提高路由效率，向管理者報告網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖耘渲?。而人工在確定 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的位置 或者給節(jié)點安裝 GPS等節(jié)點位置 接收器會受到成本、功耗、 可 擴展性 、復(fù)雜度 等問題的限制，在某些 場合可能無法實現(xiàn)，所以采取一定的 方法 機制或者算法實現(xiàn)節(jié)點定位是必要的。 （ 2） 拓?fù)淇刂萍夹g(shù) 拓?fù)淇刂剖侵冈诰S持拓?fù)淙謨?yōu)化的前提下，通過建立合適的相鄰關(guān)系的方法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，達(dá)到維持網(wǎng)絡(luò)良好的通信能力、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期、提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低網(wǎng)絡(luò)干擾、節(jié)約節(jié)點資源的目的。它是解決網(wǎng)絡(luò)連通性、提高連通可靠性、增強容錯性以及節(jié)省能耗的最有效方法之一。 （ 3） 數(shù)據(jù)融合技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心且面向特定應(yīng)用的，在許多應(yīng)用中，管理者只關(guān)心監(jiān)測的結(jié)果，不需要大量的原始數(shù)據(jù)，如何有效的提取有效的信息給管理者非常重要，數(shù)據(jù) 融合技術(shù)是解決這一問題的重要手段。數(shù)據(jù)融合技術(shù)還可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，達(dá)到節(jié)約能耗的目的。在傳感網(wǎng)中，數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與網(wǎng)絡(luò)中各個協(xié)議層進行結(jié)合，只有面向應(yīng)用需求設(shè)計針對性強的數(shù)據(jù)融合方法，才能最大限度的獲益 [11]。 （ 4） 路由協(xié)議 能耗問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計考慮的重點，其很多特性決定了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是不適用的。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的網(wǎng)XX 大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 絡(luò)，如何尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的最優(yōu)路徑，將數(shù)據(jù)分組沿此路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)是這類網(wǎng)絡(luò)最重要的問題之一。因此，路由協(xié)議問題也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的熱點問題之一。用 于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可分為 :基于查詢的路由、地理位置路由、能量感知路由和可靠路由協(xié)議。 （ 5） 網(wǎng)絡(luò)安全 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過無線 通信 信道進行數(shù)據(jù) 發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)接收 的，因此網(wǎng)絡(luò)安全問題是一個非常重要的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要安全問題 包括： 數(shù)據(jù)本身 的可靠性、數(shù)據(jù) 在節(jié)點間 融合的高效性以及數(shù)據(jù) 發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)接收 的安全性。為了保證任務(wù)的機密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合 ， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)一些最基本的安全機制 ：如 數(shù)據(jù)加 密 特 性 ， 點到點的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性 ，數(shù)據(jù) 認(rèn)證廣播以及安全管理 [12]。 綜上所述，無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)研究中有著大量豐富的挑戰(zhàn)。對于研究者來說，徹底解決所有問題是很難實現(xiàn)的，應(yīng)該針對某個或者某些特定條件或問題進行研究，改善無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能。本課題即是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)淇刂萍夹g(shù)的問題而展開的。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在云南省跨境區(qū)域的應(yīng)用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ wireless sensor works, WSN）是近十年來發(fā)展迅速的一種新型網(wǎng)絡(luò)體系，由于其布置靈活、自組織、成本低廉、實時性強、免維護等特點，在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、減災(zāi)防災(zāi)、物流、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，學(xué)術(shù)界對其體系結(jié) 構(gòu)、通信協(xié)議、電路設(shè)計、操作系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究升溫。若將其作為對邊境地區(qū)幅員廣闊、多民族人口聚集、越境通道分散、地理環(huán)境復(fù)雜、電磁波越界嚴(yán)重條件下的無線電信號監(jiān)測的技術(shù)手段，部署于邊境重點區(qū)域，就可為現(xiàn)有的造價高、數(shù)量有限、覆蓋有限的監(jiān)測網(wǎng)提供有效補充，為國家制定政策、避免國際糾紛、打擊非法活動、維護民族團結(jié)和邊疆穩(wěn)定、主張國家主權(quán)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和證據(jù)支持。 云南省跨境地區(qū)的生態(tài)環(huán)境有四個重要特征：（一）信息量巨大。該地帶是一個長度上千公里（從西到南）、寬度數(shù)十公里（從邊境線向內(nèi)、向外至少各跨20km） ， 自 然環(huán)境類型十分復(fù)雜 ， 可以說其生態(tài)環(huán)境信息為海量信息。（二）空間信息上的多尺度和屬性信息上的多層面疊置特征。具體講，該地帶的空間信息在宏觀上受地帶性分異規(guī)律的影響，從北到南跨越亞熱帶常綠闊葉林帶、熱第 1 章 緒論 7 帶季雨林、熱帶雨林帶等多個自然帶，帶有緯度地帶性和經(jīng)度地帶性的烙印；在中觀上又受非地帶性因素影響，整個地區(qū)涵蓋了山地、谷地、盆地、高原等多種地形區(qū)，多條國際河流出境口均分布在此地帶上，因此具有中尺度的環(huán)境分異和演變規(guī)律；在微觀上，該地帶在陰坡與陽坡、谷底與坡地、高海拔與低海拔等不同情形的對比中，存在著多種多樣的小尺 度生態(tài)系統(tǒng)的變化。 在屬性信息方面，該地帶存在著從大氣 植被 水域 土壤 地質(zhì)體等多層面的屬性疊加特征。（三）該地帶的生態(tài)環(huán)境受自然和人為活動兩種因素的綜合影響，動態(tài)時效性十分明顯。（四）該地帶生態(tài)環(huán)境各要素之間相互關(guān)聯(lián)，往往互為因果，錯綜復(fù)雜 [13]。 對于此地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測，往往需要在大面積監(jiān)測區(qū)域布撒大量的節(jié)點，對此環(huán)境中各個樣本信息進行實時監(jiān)測，為此地區(qū)的生態(tài)研究提供數(shù)據(jù)支撐；而對于監(jiān)測區(qū)域中數(shù)據(jù)的異常變化，環(huán)境的某個特征的改變可能會引起的災(zāi)害，因此對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和傳遞是很重要的。一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约巴?撲機制對網(wǎng)絡(luò)的影響是非常大的，對于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溲芯坑兄匾囊饬x。 由于傳感器節(jié)點的能量供給受限，計算能力有限，通信信號強度較弱，受周邊環(huán)境 的 影響很大，如阻擋、吸收、反射、折射、多徑效應(yīng)等 [14]。所以，跨境地區(qū)的復(fù)雜地形和復(fù)雜電磁環(huán)境，非常容易 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)生變化， 如網(wǎng)絡(luò)中某個或者某些節(jié)點的通訊受到干擾或者破壞進而不能響應(yīng)通信時， 如何 恢復(fù)拓?fù)?或者重建新的拓?fù)洳⒒謴?fù)網(wǎng)絡(luò)通信 顯得尤為重要。 論文的主要研究內(nèi)容 本文 以 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論 為 基礎(chǔ)，閱讀了國內(nèi)外關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 相關(guān) 文獻 ，特別是深入 學(xué)習(xí)了關(guān)于拓?fù)淇刂品矫娴睦碚摷夹g(shù) ，概述 了 無線傳感網(wǎng)絡(luò) 的 體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)特點 、關(guān)鍵技術(shù)和有關(guān) 應(yīng)用 。然后有針對性的 研究 了無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)淇刂萍夹g(shù) ， 以拓?fù)渚S護作為拓?fù)淇刂萍夹g(shù)的主要切入點，提出了層次型拓?fù)淇刂萍夹g(shù)中簇頭失效的解決方案。 本文主要研究內(nèi)容如下： （ 1） 對現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)和拓?fù)渚S護算法進行研究和分類。 （ 2） 根據(jù)地理位置的網(wǎng)格劃分思想，提出用同心圓和象限劃分的環(huán)弧空間XX 大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 的簇頭拓?fù)渚S護算法。 （ 3） 根據(jù)簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的思想，提出了一種基于多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)的簇頭拓?fù)渚S護算法。 （ 4） 分別對提 出的算法進行了理論分析和模擬仿真數(shù)據(jù)上的比較分析，得出相應(yīng)的結(jié)論 。 論文共分五章，結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章， 闡述了本課題的研究目的以及研究意義，分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。主要介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念、特點，特別針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點結(jié)構(gòu)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用做了較詳細(xì)的介紹。 第二章， 概述了拓?fù)淇刂频亩x，研究了現(xiàn)有的拓?fù)淇刂扑惴?，并且對近來新提出的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)進行了綜述，對比總結(jié)了目前文獻中提出的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)生命周期的定義。 第三章， 提出基于同心圓和區(qū)域象限劃分環(huán)弧空間的簇頭拓?fù)渚S護算法。本章 考慮的是 在簇頭失效的拓?fù)渚S護階段之后，根據(jù)環(huán)分象限空間的思想對簇頭進行拓?fù)渚S護，并對算法在不同仿真場景下進行了模擬仿真分析。 第四章， 提出基于多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)的簇頭拓?fù)渚S護算法 。 基于簇頭和匯聚節(jié)點之間路徑模型和基于距離的能量消耗模型，得出最佳中繼轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，并以節(jié)點剩余能量和最佳轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建簇頭選舉的權(quán)值公式，然后對算法實施了模擬仿真，并進行了實驗性能分析。 第五章， 對全文的工作進行了回顧和總結(jié)，對未來的研究工作進行了展望。 第 2 章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)概述 9 第 2 章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)概述 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?work topology）是 指網(wǎng)絡(luò)中各成員之間特定的物理的即真實的、或邏輯的即虛擬的排列方式 [5]。一般來說網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒ㄒ韵缕叻N方式：點對點型、總線型、星型、環(huán)型、 Mesh 型、樹型、鏈狀、混合型 。 拓?fù)淇刂萍夹g(shù)的定義 拓?fù)淇刂萍夹g(shù)主要是用于無線 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的 [14]，是指在滿足網(wǎng)絡(luò)的連通度和覆蓋度前提下，通過調(diào)節(jié)傳感器節(jié)點的發(fā)射功率和 建立合適的相鄰關(guān)系的方法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系 來去除節(jié)點之間冗余的通信鏈路，或者選擇骨干網(wǎng)節(jié)點讓大量冗余節(jié)點進入休眠，從而形成一個數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)均衡的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) [10]，以 維持網(wǎng)絡(luò)良好的通信能力、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期、提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低網(wǎng)絡(luò)干擾、節(jié)約節(jié)點資源 為主要目標(biāo)。 拓?fù)淇刂剖菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信和組網(wǎng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞將直接或者間接影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其他方面。主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1） 節(jié)約節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量來源的局限性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的首要目標(biāo)就是節(jié)約能耗，通過拓?fù)淇刂萍夹g(shù)，可以有效的節(jié)約能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。 （ 2） 保證網(wǎng)絡(luò)的連通度和覆蓋率 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通覆蓋是反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)能力的兩個重要指標(biāo) 。網(wǎng)絡(luò)覆蓋一般看作是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測質(zhì)量的度量，它直接反映了網(wǎng)絡(luò)的感知能力；而網(wǎng)絡(luò)連通體現(xiàn)的則是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信服務(wù)的質(zhì)量。連通是拓?fù)淇刂频幕疽?，其可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率是拓?fù)淇刂频幕締栴}，其反映了網(wǎng)絡(luò)對物理世界“感知”的服務(wù)質(zhì)量。 （ 3） 減少通信干擾，提高通信效率 一般來說，為了有效地監(jiān)測目標(biāo)場景對象，布置于監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點的密度較大。如果節(jié)點的通信半徑太小，沒有辦法保證網(wǎng)絡(luò)的連通，而且對XX 大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 網(wǎng)絡(luò)的通信的可靠性和網(wǎng)絡(luò)的可擴展性也會產(chǎn)生不好的影響；如果節(jié)點的通信半徑過大，節(jié)點之間的 干擾就會加劇，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和通信效率降低，同時也會造成節(jié)點能量的浪費。因此，需要通過拓?fù)淇刂萍夹g(shù)的功率控制來解決這一問題。 （ 4） 為路由協(xié)議提供基礎(chǔ) 有人比喻，拓?fù)淇刂萍夹g(shù)是為網(wǎng)絡(luò)建立“高速公路”，拓?fù)浣⒘艘院舐酚蓞f(xié)議則負(fù)責(zé)“選路”。拓?fù)淇刂拼_定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的關(guān)系及節(jié)點分擔(dān)的角色，對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，為路由協(xié)議奠定基礎(chǔ)。 （ 5） 影響數(shù)據(jù)融合 數(shù)據(jù)融合技術(shù)也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一。為傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇合適的節(jié)點對采集來的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理并發(fā)給管理者是拓?fù)淇刂萍夹g(shù)另一工作，可以減少網(wǎng)絡(luò)不必要的開銷和降低通信量。 （ 6） 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò) 的動態(tài)拓?fù)渥兓? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點的失效或者新節(jié)點的加入、網(wǎng)絡(luò)周圍環(huán)境變化對節(jié)點通信的影響等各方面原因，導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋾r動態(tài)變化的，為了保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作，傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)具有魯棒性來適應(yīng)這種變化。 由此可見，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域具有十分重要的研究意義。 一些拓?fù)淇刂扑惴ňC述 當(dāng)前，對于拓?fù)淇刂频难芯恐饕性谄矫嫱負(fù)浣Y(jié)構(gòu)和層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。大部分平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又基于節(jié)點的功率控制，所謂功率控制，就是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點選擇合適的發(fā)射功率和接收功率，即節(jié)點的 發(fā)送功率和接收功率時可調(diào)的。在功率控制的研究方向，已經(jīng)提出了基于同一功率分配拓?fù)淇刂扑惴–OMPOW，基于節(jié)點度的拓?fù)淇刂扑惴?LINT/LILT 和 LMN/LMA 等，基于鄰近圖近似算法如 CBTC、 LMST、 RNG、 DRNG、 DLSS 等。在層次型拓?fù)淇刂?