【正文】 居、智能辦公環(huán)境等方面都表現(xiàn)出巨大的前景?？梢哉f，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 將是信息感知和采集的一場革命，是 21 世紀(jì)最重要技術(shù)之一。毋庸置疑，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?jié)摿志薮?，也還有很多的地方需要我們?nèi)ヌ剿骱退伎肌? 2 第一章 緒 論 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即 wireless sensor work，簡稱 WSN。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。每一個傳感器節(jié)點都由數(shù)據(jù)采集模塊 (傳感器、 AID 轉(zhuǎn)換器 )、數(shù)據(jù)處理、控制模塊 (微處理器、存儲器 )、通信模塊 (無線收發(fā)器 )和供電模塊 (電池、 AC/DC 能量轉(zhuǎn)換器 )組成。作為數(shù)據(jù)采集者時，數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù) (如溫度、濕度等 )，通過通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸 給遠方基站 (Base Station)或匯節(jié)點 (Sink Node)。 [1] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、噪聲、濕度、光強度、土壤成分、壓力、移動物體的大小、方向和速度等周邊環(huán)境中多種多樣現(xiàn)象。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為 :軍事、航空、防爆、反恐、醫(yī)療、救災(zāi)、環(huán)境、保健、工業(yè)、家居、商業(yè)等領(lǐng)域。 WSN 并不界定網(wǎng)路型態(tài)，就是可以是 star、 mesh、 P2P 或者綜合以上型態(tài)的網(wǎng)路 ， 3 但都一定具備下列的功能： Sensors/microcontroller：偵測、搜集以及處理環(huán)境中包含的資料，例如偵測濕度、溫度等 。 Software：包含在節(jié)點端的嵌入式系統(tǒng)以及使用者端的管理程式，軟體確保資料感測的功能進行流暢及提供容易閱讀的介面。傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳的進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達管理節(jié)點。 匯聚節(jié)點 任務(wù)管理節(jié)點 用戶 互聯(lián)網(wǎng) 和衛(wèi)星 E D 監(jiān)測區(qū)域 傳感器節(jié)點 C B A 4 傳感器節(jié)點處理能力、存儲能力和通信的能力都相對較弱，通過小容量電池供電。 匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力就相對較強，它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Inter 等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)兩種協(xié)議間的相互轉(zhuǎn)換，同時向傳感器節(jié)點發(fā)布來自管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。 [1] 管理節(jié)點是用于動態(tài)地管理整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過管理節(jié)點訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的資源。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧多采用五層協(xié)議： 應(yīng)用層 、 傳輸層 、 網(wǎng)絡(luò)層 、 數(shù)據(jù)鏈路層 、物理層 ，是與以太網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)的。這些管理器使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效方式進行協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)去中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并且支持多任務(wù)和資源共享，如圖 13所示。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為，目前新領(lǐng)域新的研究熱點，是涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，還有很多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和探索，下面就列舉部分關(guān)鍵技術(shù)： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù) 對于無線自組織 的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)具有極其重要的意義。通過拓?fù)淇刂谱詣由闪己玫木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即能提高路由協(xié)議和 MAC 協(xié)議的使用效率，又可以為數(shù)據(jù)融合、時間同步等多個方面奠定基礎(chǔ)，有利于用節(jié)省節(jié)點的能量來延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 路由控制技術(shù) 保證數(shù)據(jù)的傳輸，在源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立可靠的 路由是路由協(xié)議的目的。而 Ad hoe網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的路由協(xié)議，如基于距離矢量的按需路由 (Ad hoc OnDemand Distance Vector， AODV)協(xié)議等，不完全適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要一套新型的適合自身的路由協(xié)議，對我們提出了設(shè)計可靠、講究能量 效率， 7 且能保證網(wǎng)絡(luò)能量消耗平衡的路由協(xié)議要求。傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有一般無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的信息泄露、重放攻擊、信息篡改、拒絕服務(wù)等多種威脅之外，還面臨著傳感器節(jié)點被攻擊者操縱，并獲取存儲在傳感器節(jié)點的信息，從而控制部分網(wǎng)絡(luò)的威脅。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全研究僅僅處于初級階段，要針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點和安全的威脅， 研究新型的安全的優(yōu)化的路由協(xié)議。在 網(wǎng)絡(luò)模型 中的任何地方都可以插入標(biāo)準(zhǔn)的或用戶指定的探頭，以采集數(shù)據(jù)和進行統(tǒng)計。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通常有三個 模塊 組成，能為用戶提供一系列的仿真模型庫，在電信、航天航空、軍事、 系統(tǒng)集成 、大學(xué)、 咨詢服務(wù)、行政機關(guān)等方面被廣泛應(yīng)用。進程模型的基礎(chǔ)是用有限狀態(tài)機 FSM(Finite State Machine)來描述各種協(xié)議。節(jié)點模型由進程模型構(gòu)成，可以組成完整的協(xié)議棧，真實的描繪所建模設(shè)備的特性。 簡單明了的建模方法 Modeler 建模過程分為 3 個層次：過程層次、節(jié)點層次以及網(wǎng)絡(luò)層次。幾個不同的網(wǎng)絡(luò)場景組成項目，用來比較不同的設(shè)計方案。 有限狀態(tài)機 在過程層次使用有限狀態(tài)機來對協(xié)議及其他過程進行建模，在有限狀態(tài)機的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移條件中使用 C/C++語言對任何過程進行模擬。有限狀 態(tài)機加上標(biāo)準(zhǔn)的 C/C++以及 OPNET 本身提供的 400 多個庫函數(shù)構(gòu)成了Modeler 編程的核心。 OPNET 的核心已經(jīng)存儲了眾多協(xié) 議 ，因此對于很多協(xié)議，無需進行額外的編程。 集成調(diào)試器 快速地驗證仿真或者發(fā)現(xiàn)仿真中存在的問題， OPNET 本身有自己的調(diào)試工具 ——OPNET Debugger。 OPNET 的安裝 由于 OPNET 軟件不為眾人所熟悉，筆者在安裝過程也頗為坎坷，所以特此附上 OPNET的安裝的簡單過程： 安裝好 ，并選擇自動配置環(huán)境變量； 圖 14 OPNET 安裝環(huán)境變量的配置 9 下載 OPNET 安 裝 文 件 ， 按 : Windows ,Windows\ 的順序安裝，即可安裝完成。其中，在進程層對每個對象的數(shù)據(jù)進行處理仿真；在節(jié)點層，對進程層的對象進行互連形成設(shè)備；在網(wǎng)絡(luò)層，將設(shè)備通過鏈路連接成網(wǎng)絡(luò)，將多個網(wǎng)絡(luò)場景交織在一起，形成工程，就是我們所說的仿真平臺，具體流程如圖 16所示。盡管它和無線自組織網(wǎng)絡(luò)都是無線自組織多跳網(wǎng)絡(luò)，但二者存在著很大的差異。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議負(fù)責(zé)在匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點間可靠地傳輸數(shù)據(jù)。但到目前為止，還是缺乏一個完整 和清晰的路由協(xié)議分類。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，更要能量均衡消耗，實現(xiàn)簡單而且高效的傳輸，盡可能地延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。具體表現(xiàn)于傳感器的數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)生命周期、網(wǎng)絡(luò)時間延遲和網(wǎng)絡(luò)感知精度等方面。 12 快速收斂性 由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，要求路由協(xié)議能夠快速收斂，以適應(yīng)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，提高帶寬和節(jié)點能量等有限資源的利用率和消息傳輸效率。 廣播式路由協(xié)議 擴散法（ Flooding） 擴散法是一 種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信路由協(xié)議。但是，擴散法存在信息爆炸問題，即能出現(xiàn)一個節(jié)點可能得到數(shù)據(jù)多個副本的情況，并且也會出現(xiàn)部分重疊的現(xiàn)象，另外，擴散法沒有計算各個節(jié)點的能量，不能作出相應(yīng)的自適應(yīng)路由選擇，當(dāng)一個節(jié)點能量耗盡時，網(wǎng)絡(luò)就會消滅。 定向路由擴散 DD（ Directed Diffusion） 它通過泛洪方式給所有的傳感器節(jié)點廣播興趣消息，伴隨興趣消息在整個網(wǎng)絡(luò)中傳播，協(xié)議逐跳地在每個節(jié)點上建立反向的從數(shù)據(jù)源節(jié)點到基站或者匯聚節(jié)點的傳輸梯度。然而，路徑建立時的興趣消息擴散要執(zhí)行一個泛洪廣播操作，時間和能量消耗非常大。數(shù)據(jù)沿著建立好的梯度路徑傳輸。它的基本思想是時間監(jiān)測區(qū)域的感應(yīng)節(jié)點產(chǎn)生代理消息，代理消息沿著隨機路徑向鄰居節(jié)點擴散傳播。當(dāng)查詢消息和代理消息的傳播路徑交叉在一起時就會形成一條基站或匯聚節(jié)點到時間監(jiān)測區(qū)域的 完整路徑。節(jié)點根據(jù)事件列表到達事件區(qū)域的路徑，或者節(jié)點隨機選擇鄰居轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息。該協(xié)議假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都是 Sink 節(jié)點，每一個節(jié)點都有用戶需要的信息，而且相鄰的節(jié)點擁有類似的數(shù)據(jù)，所以只要發(fā)送其他節(jié)點所沒有的數(shù)據(jù)。 具體實現(xiàn)： SPIN 采用了 3種數(shù)據(jù)包來通信： ADV 用于新數(shù)據(jù)的廣播，當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，利用該數(shù)據(jù)包向外廣播； REQ 用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點希望接收數(shù) 據(jù)時，發(fā)送該報文； DATA 包含帶有 Metadata 頭部數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報文；當(dāng)一個傳感器節(jié)點在發(fā)送一個 DATA 數(shù)據(jù)包之前，首先向其鄰居節(jié)點廣播式地發(fā)送 ADV 數(shù)據(jù)包，如果一個鄰居希望接收該 DATA 數(shù)據(jù)包，則像該節(jié)點發(fā)送 REQ 數(shù)據(jù)包，接著節(jié)點向其鄰居節(jié)點發(fā)送 DATA數(shù)據(jù)包。把 GEAR 劃分為廣播式路由協(xié)議有點不合適，但 是由于它是在利用地理信息的基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)發(fā)送到合適的區(qū)域，而且又是基于 DD 提出，這里仍然作為廣播式的一種。如有就選擇離目標(biāo)區(qū)域最近的節(jié)點作數(shù)據(jù)傳遞的下一跳節(jié)點。 坐標(biāo)式路由協(xié)議 GEM（ Graph Embedding） J. Newsome 和 D. Song 提出了建立一個虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng) GEM 路由協(xié)議，用來代表實際的網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu)。每個節(jié)點用距離樹根的跳數(shù)距離和角度范圍兩個參數(shù)表示： 具體實現(xiàn)：首先建立虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)，主要有三個階段：由跳數(shù)建立路由并擴展到整個網(wǎng)絡(luò)形成生成樹型結(jié)構(gòu)，再從葉節(jié)點開始反饋子樹的大小，即樹中包含的節(jié)點數(shù)目，最后確定每個子節(jié)點的虛擬角度范圍。另外，當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，需要及時更新，如節(jié)點加入和節(jié)點失 效。首先確定節(jié)點在坐標(biāo)系中的位置，根據(jù)位置進行數(shù)據(jù)路由。 具體實現(xiàn)： A. Rao 等人提出了 3中策略確定信標(biāo)節(jié)點。在平面情況下，節(jié)點通過鄰居節(jié)點位置的平均值計算 。引入兩個信標(biāo)節(jié)點，并通過邊界節(jié)點交換信息建立全局坐標(biāo)系。 分簇式路由協(xié)議 為了保證網(wǎng)絡(luò)的可擴展性而且不降低服務(wù)質(zhì)量，很多路由協(xié)議的設(shè)計中使用了分簇的思想。 LEACH 協(xié)議是最早的分簇協(xié)議，許多其他層次路由協(xié)議都是基于 LEACH的。簇首的產(chǎn)生是簇形成的基礎(chǔ)，簇首的選取一般基于節(jié)點的剩余能量、簇首到基站或匯聚節(jié)點的距離、簇首的位置和簇內(nèi)的通信代價。與節(jié)點直接與匯聚節(jié)點通信相比，LEACH 協(xié)議降低了 7 倍的能耗，與最小傳輸能量路由相比，其降低了 4到 8 倍的能耗。 具體實現(xiàn)： LEACH 不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，可以分為兩個階段：一是簇的建立，即包括簇首節(jié)點的選擇、簇首節(jié)點的廣播、簇首節(jié)點的建立和調(diào)度機制的生成。每個節(jié)點隨機選一個值，小于某閾值的節(jié)點就成為簇首節(jié)點，之后廣播告知整個網(wǎng)絡(luò)，完成簇的建立。一段時間后，重新建 立簇，不斷循環(huán)。它最初是為移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計的，也可以適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 GAF 算法即關(guān)掉網(wǎng)絡(luò)中不必要的節(jié)點節(jié)省能量，同樣可以達到延長網(wǎng)絡(luò)生存期的目的。網(wǎng)格上同一個點關(guān)聯(lián)的節(jié)點對分組路由的代價是等價的，因而可以使某個特定網(wǎng)格區(qū)域的一些節(jié)點睡眠，而且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目的增加可以極大地提高網(wǎng)絡(luò)的壽命，在可擴展性上有很好的表現(xiàn)。 QoS 是一個提供軟實時端到端速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制及負(fù)載均衡的路由協(xié)議。 SPEED 中的路由模塊 SNGF 和其它四個模塊一起構(gòu)成其協(xié)議的框架，其中信標(biāo)交換模塊主要是搜集節(jié)點的地理位置信息；延遲估計模塊主要計算數(shù)據(jù)包的傳輸延遲并將其發(fā)送給 SNGF模塊；鄰居反饋模塊 NFL主要提供數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)率并將其返回給 SNGF模塊；反向重路由模塊主要通過向源節(jié)點發(fā)送回送消息來避免路由空洞。但是 SPEED協(xié)議在路由過程沒有考慮在多條路徑上傳輸以提高平均壽命 ,傳輸?shù)膱笪囊矝]有優(yōu)先級機制 .[2] 比較與分析 表 21 三種協(xié)議性能比較 經(jīng)過上面的簡單介紹，每個協(xié)議在其設(shè)計的時候都有各自的側(cè)重點和最優(yōu)的方面，按照衡量標(biāo)準(zhǔn)可以把以上協(xié)議做簡略的比較并找出相對較好的一類協(xié)議。依據(jù)上述四個標(biāo)準(zhǔn)，對本文所列舉的路由協(xié)議的比較見表 21。而坐標(biāo)式彌補了廣播式的不足，可以同時達到四個衡量標(biāo)準(zhǔn)。所以，以能量高效、可擴展性、魯棒性和快速收斂性四個基本標(biāo)準(zhǔn)來衡量路由協(xié)議，分簇式是最佳的選擇。 通過對定向擴散路由的模式分析，了解 DD 路由的運做過程，從而進行仿真實驗和分析； 通過對 QoS 路由策略分析，基于 DD 路由（ DirectedDiffusion）對 QoS 路由擴展和改進，比較傳統(tǒng) DD 與 QoS 路由在不同條件的性能，研究 QoS 路由的優(yōu)勢； 通過對分簇路由協(xié)議中 LEACH 協(xié)議研究和算法的分析，將其與另一種簡單的直接傳輸（ Direct Trans）協(xié)議進行比較，從 OPNET 的分析結(jié)果中研究分簇路由的優(yōu)勢。 興趣即對一個具體要求的描述，為了取得數(shù)據(jù)，每一個興趣都包含了某個受傳感器網(wǎng)絡(luò)支持的感應(yīng)任務(wù)的描述。這些數(shù)據(jù)構(gòu)成的感應(yīng)現(xiàn)象的簡要說明為“事件”。感應(yīng)任務(wù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)里是以對被命名數(shù)據(jù)的興趣的形式建立拓?fù)涞摹? (a) 興趣擴散 Sink 節(jié)點 興趣