无线传感器网络路由协议的分析与比较

第36卷　第2期2009年2月计算机科学Computer Science Vo l .36No .2Feb .2009

到稿日期:2008-03-20 本课题得到国家自然科学基金资助(项目编号:60773017)。

赵强利(1973-),男,博士研究生,研究方向为移动计算、信息安全,E -mail :z hao -qiang li @https://www.sodocs.net/doc/1c3089856.html, ;蒋艳凰(1976-),女,讲师,研究方向为高性能计算、机器学习;徐　明(1963-),男,教授,博士生导师,主要研究领域为移动计算、计算机体系结构。

无线传感器网络路由协议的分析与比较

赵强利　蒋艳凰　徐　明

(国防科技大学计算机学院　长沙410073)

摘　要　无线传感器网络的路由协议设计与传统的无线ad -hoc 网络有很多不同,资源高度受限和结点失效频繁是其

面临的两大挑战,相关技术研究已经成为无线传感器网络研究中的热点。对近年来无线传感器网络路由协议的研究成果进行归纳、分析和比较,介绍了无线传感器网络的特点以及影响其路由协议设计的关键因素。根据协议的实现特点将无线传感器网络路由协议分为5类,对每一类涉及的重要协议进行详细阐述与分析,最后对这些协议的特点进行归纳和比较,并展望了未来这一研究方向的发展趋势。

关键词　无线传感器网络,ad hoc 网络,传感结点,汇聚结点,路由协议,能源有效性中图法分类号　T P393 文献标识码　A

Analysis and Comparison of Routing Protocols for Wireless Sensor Networks

Z HA O Qiang -li JI AN G Yan -huang X U M ing

(S chool of Computer S cien ce ,National University of Defens e Techn ology ,C han gsha 410073,China )

A bstract Design of routing pr otoco ls fo r w ireless senso r netw orks becomes a ho t r esear ch directio n no wadays .T here

are many differences between the wireless senso r ne tw o rks and the traditional ad hoc netwo rks ,the challenge of re -so ur ce limitation and f requent node failure led to many r outing pro tocols fo r wirele ss sensor netw orks .T he pape r intro -duced the co mpo nents of w ir eless senso r netwo rks and the key fac to rs influe ncing the ro uting proto co l desig n firstly .T hen divided the routing pro to cols into five ca teg o ries ,analyzed the routing pro tocols belong s to each of them re spec -tively ,a nd co mpa red the characteristics of these pro toco ls .T he pape r concludes with cur rent research trends .Keywords Wireless senso r netwo rks (WSN ),A d hoc ne tw o rk ,Senso r no de ,Sink node ,Routing protocol ,Energ y effi -ciency

1　引言

随着传感器技术和无线通信技术的不断发展,无线传感器网络(W ir eless Senso r Ne two rks ,WSN )备受人们的关注。

无线传感器网络是由一组传感器结点通过无线介质连接构成的无线网络,它采用ad hoc 方式配置大量微型的智能传感结点,通过结点间的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。无线传感器网络在军事监控、环境监测、地震与气候预测、抢险救灾、地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。

无线传感器网络中结点的能量资源、计算能力和带宽都非常有限,使得无线传感器网络的路由协议设计与传统的移动自组织网络(mobile ad ho c ne two rks ,简称M A N ET )有很大不同。无线传感器网络路由设计的重要目标是降低结点能源损耗,提高网络生命周期;而传统M A N ET 路由协议设计的首要任务是提供移动条件下高质量的服务。由于设计目标的不同,导致了M AN ET 路由协议不能直接应用于无线传感器网络中。

近年来,W SN 路由协议的研究一直是无线传感器网络研

究的热点[1,2]。本文总结了目前较为重要的W SN 路由协议,根据这些协议的实现特点,将它们分为5类:泛洪式路由协

议、层次式路由协议、以数据为中心的路由协议、基于位置信息的路由协议和基于Qo S 的路由协议,然后针对每一类分别介绍当前最为典型的路由协议。

本文第2节介绍了无线传感器网络的结构以及影响其路由协议设计的关键因素;第3节对现有WSN 路由协议进行分类,针对每一类别分别介绍典型的路由协议;第4节对所介绍的路由协议进行比较分析;最后总结全文。

2　WSN 路由协议的设计要求

2.1　无线传感器网络结构及特点

微机电系统和低功耗、高集成数字设备的发展,导致了低成本、低功耗、微体积传感结点的出现。这种微传感结点由传感单元、数据处理单元、通信单元和便携式电源组成,能完成数据采集、信号监测和传送信息的任务。

无线传感器网络[3,4]由部署在监测区域内大量廉价的微型传感器结点组成,通过无线通信的方式形成一个自组织的网络系统,其目的是相互协作地感知、采集和处理网络覆盖区

域中监测对象的信息。无线传感器网络结构如图1所示,大量的传感结点(senso r node )散布在监测区域内,负责采集与监测对象相关的数据,并将其协同处理后的数据传送到汇聚结点(sink no de ),汇集结点通过Internet 或通信卫星将信息传输到任务管理结点(manage no de )。无线传感器网络中的每一个传感结点兼顾着传统网络结点的终端和路由器功能,除了完成本地消息的收集和数据处理外,还要对其它结点转发来的数据进行存储、管理和融合等,同时与其它结点协作完成一些特定任务

。

图1　无线传感器网络结构

与传统无线M A N ET 网络相比,无线传感器网络有着许多不同的特点。

(1)资源局限强:传感结点的资源限制很大,发送功耗、板上能源、处理能力、通信带宽和存储容量都局限在很低的范围内;

(2)无全局标识:传感结点数量庞大,如果维护全局标识则需要大量的开销,因此与传统基于IP 的路由协议不同,在传感器网络中一般不采用全局标识;

(3)多对一通信:不同于传统网络的点对点通信,在传感器网络中几乎所有的应用都要求多个源传感结点将获取的数据传送至特定的汇聚结点;

(4)数据冗余大:多个源传感结点在许多场景下都有可能获得大量相似的数据,因此传感器网络的冗余数据量大。由于无线传感器网络和传统的M A N ET 存在许多的不同之处,使得它们的路由协议的设计目标和实现方法均不相同,因此M AN ET 路由协议不能直接用于无线传感器网络中。

2.2　WSN 路由协议设计的关键因素

无线传感器网络面临的主要技术挑战是:在结点的能量资源、计算能力、存储空间和通信能力均高度受限的条件下完成感知、通信和控制功能。为此,无线传感器网络路由协议设计的主要目标是:建立能源有效性路径、形成可靠的数据转发机制、实现网络生命周期最大化。无线传感器网络结构存在着下列影响其路由协议设计的关键因素。

(1)网络动态:大部分网络体系结构都假设传感结点是静态的,而汇聚结点是可移动的。监测对象是移动还是静止则取决于具体应用。例如,在军事目标跟踪的应用中,监测对象是动态移动的;在森林火灾预防的应用中,监测对象是静止的。

(2)网络拓扑:分为固定和自组织两种拓扑配置方式。在拓扑固定的情况下,手动配置传感结点,数据通过预先设定的路径传输;在自组织拓扑的情况下,结点以ad hoc 方式随机散布。

(3)数据发送模式:根据不同的应用需求,可将数据发送模式分为连续模式、事件驱动模式、请求驱动模式和混合模式。连续模式是传感结点按预定时间间隔周期性地发送数据;事件驱动和请求驱动模式则由汇聚结点产生相应的事件

或请求触发数据的传输;混合模式是上述模式的组合。

(4)结点类型:通常所有的传感结点都是同构的。如果具体应用中需要不同功能的传感器,则存在异构的传感结点。近来还有人提出采用特殊的能源局限性弱的结点来兼具转发、传感和聚集数据3种功能的传感结点。

(5)路径选择:存在多跳和单跳两种选择方式。无线射频的发送能量与距离的平方成正比,由于多跳路径的能源消耗比单跳路径少,故多采用多跳路径。但是多跳路径的拓扑管理和链路连接开销大,在传感结点与汇集结点间距离较短的情况下,单跳路径反而更有效。

由于WSN 具有与应用高度相关的特点,故WS N 路由协议同样具有多样性的特点,往往难以直接评价哪个协议更为优越。一般而言,评价一个无线传感器网络的路由协议设计是否成功,往往需要考虑如下指标。

(1)能源有效性/生命周期:能源有效性是传感器网络设

计中需考虑的最为重要的因素。尽可能降低能源消耗,从而延长网络生命周期,是W SN 路由协议设计的首要目标。(2)可靠性/容错性:传感结点容易因为能源耗尽或环境干扰而失效,部分传感结点的失效不应影响整个网络的任务。

(3)可扩展性:在一些应用中可能需要成百上千个传感结点,路由设计应能满足大量结点协同工作。(4)延迟:传感器网络的延迟时间是指观察者发出请求到收到应答信息所需的时间,设计路由协议时必须尽可能减少延迟。

3　WSN 路由协议分析

3.1　WSN 路由协议分类

无线传感器网络路由协议负责在传感结点和汇聚结点间可靠地传输数据。由于无线传感器网络与应用高度相关,单一的路由协议不能满足各种应用需求。针对不同应用的特点,人们研究了众多的路由协议。这些路由协议可以大致分为5类:泛洪式路由协议、层次式路由协议、以数据为中心的路由协议、基于位置信息的路由协议、基于Q oS 的路由协议。

(1)泛洪式路由协议:这是一种古老的路由协议,它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算,接收到消息的结点直接将数据包转发给相邻结点。对于自组织的传感器网络,泛洪式路由是一种较直接的实现方法,但容易带来消息的“内爆”和“重叠”,而且它没有考虑能源方面的限制,存在“资源盲点”的缺陷。

(2)层次式路由协议:这种协议的基本思想是将传感结点分簇,簇内通信由簇头结点来完成。簇头结点进行数据聚集和融合以减少传输的信息量,最后簇头结点把融合的数据传送给汇聚结点。这种方式能满足传感器网络的可扩展性,有效地维持传感结点的能量消耗,从而延长网络生命周期。(3)以数据为中心的路由协议:这种协议对传感器网络中的数据用特定的描述方式命名,数据传送基于数据请求并依赖数据命名,所有的数据通信都限制在局部范围内。这种方式的通信不再依赖特定的结点,而是依赖于网络中的数据,从而减少了网络中大量传送的重复冗余数据,降低了不必要的开销,从而延长网络生命周期。

(4)基于位置信息的路由协议:它利用结点的位置信息,把请求或数据转发给需要的区域,从而缩减数据的传送范围。

实际上许多传感器网络的路由协议都假设结点的位置信息是已知的,所以可以方便地利用结点的位置信息将结点分为不同的域(Reg io n)。基于域进行数据传送能缩减传送范围,减少中间结点的通信量,从而延长网络生命周期。

(5)基于Q oS的路由协议:能量感知的Q oS路由需要保证整个连接时间内的带宽(或延时)和对能量高效路径的有效利用。基于Q oS的路由协议适用于军事目标实时追踪以及紧急事件监视等实时性强的应用。

3.2　泛洪式路由协议

3.2.1　Floo ding协议

Flooding是一种古老、传统的泛洪式路由技术,它不需要维护网络的拓扑结构,也不需要进行路由计算,接收到消息的结点以广播形式转发数据包给所有相邻结点。这个过程重复执行,直到数据包到达目的地或者达到预先设定的最大跳步数。

虽然Floo ding协议思想简单,易于实现,但是存在消息内爆、消息重叠、资源盲点的缺陷。消息内爆是指相同的消息经过不同中间路径发送到同一个结点。如图2所示,结点D 收到两份由结点A发出的消息。消息重叠指的是放置在同一区域内的结点监测到相同的信息,然后产生相似的数据包发送给相同的邻居结点。如图3所示,结点C从结点A和结点B处都收到了关于r的信息。资源盲点是指消耗了大量能量却没有考虑能量使用的限制。

3.2.2　Go ssiping协议

G o ssiping协议[5]是对F loo ding协议的改进,发送数据的结点不是采用广播方式传送数据,而是随机选取一个相邻结点转发数据。

G o ssiping协议可以避免消息内爆现象,节约了能量,但是仍然无法解决部分重叠现象和盲目使用资源问题,而且有可能增加端到端的传输延时。图4给出Go ssiping协议存在延时问题的一个简单示例,结点F需要结点A产生的数据,

图4　Gos siping协议的延时问题

在传输过程中,如果结点C随机选择邻居结点D转发数据副本(X),由于C是D的唯一邻居,D又将数据副本发回它的邻居结点C,C再转发给E,最终结点F收到数据。这样,结点C 不仅两次收到(X)的数据副本,而且使得传输路径A->B-> C->E->F延长为A->B->C->D->C->E->F,增加了传输延时。3.3　层次式路由协议

3.3.1　L EA CH协议

LEA CH(Lo w-Energ y A daptive Clustering H ier archy)协议[6]是第一个在无线传感器网络中提出层次式路由的协议,其后的大部分层次式路由协议都是在它的基础上发展而来的。

该协议的主要思想是通过随机选择簇头(cluster head)结点,平均分担无线传感器网络的中继通信业务来达到平均消耗传感器网络中结点能量的目的,进而可以延长网络的生命周期。LEA CH协议分为两个阶段:聚簇(cluste r)准备阶段和数据传输阶段。这两个阶段所持续的时间总和称为一个轮回。

在聚簇准备阶段,随机选择结点为簇头。成为簇头的结点向周围广播信息,其它结点根据接收到广播信息的强度来选择它所要加入的聚簇,并告知相应的簇头。簇头直接与汇聚结点通信,而聚簇成员只能与所属聚簇中的簇头通信。簇头的建立过程是:从结点0到1的随机数中任意选择一个数值,若当前轮回中这个数值小于设定的阈值T(n),则该结点成为簇头结点,T(n)的计算公式如下:

T(n)=

p

1-p×r mod

1

p

,n∈G

0,其他

其中p为期望的簇头结点在所有传感结点中的百分比,r是当前轮数,G是在最后的1/p轮中未成为簇头结点的结点集。

在数据传输阶段,结点持续采集监测数据,并传送到簇头,由簇头对数据进行必要的融合处理之后,发送到汇聚结点。下一轮工作周期重新选择簇头。

LEA CH协议通过随机选择簇头确保簇头与汇聚结点之间数据传输的高能耗成本均匀地分摊到所有传感结点上,使得因能量耗尽而失效的结点呈随机分布状态,因而与一般的多跳路由协议和静态聚类算法相比,L EACH可以将网络生命周期延长15%。但是LEA CH假设所有的结点都能直接与簇头结点和汇聚结点通信,采用连续数据发送模式和单跳路径选择模式,因此不适用于监测范围大的应用,而且动态分簇带来了拓扑变换和大量广播这样的额外开销。

3.3.2　T EEN协议

T EEN(T hreshold sensitive Ener gy Efficient senso r Ne t-w or k pro toco l)协议[7]采用与LEA CH协议相同的聚簇方式,但簇头结点根据它们与汇聚结点的距离形成层次结构。T EEN协议对传感属性的急剧变化产生相应的反应,这一特性对实时环境下网络采用交互式模式进行操作的情况十分有用。对于每一个传感属性,T EEN协议均定义了硬、软两个门限来确定是否需要发送该属性的数据。只有满足如下两个条件的时候才能发送数据:(1)当前数据的属性值大于硬门限;

(2)当前数据的属性值与上一次发送的属性值之间的差距大于软门限。

T EEN协议采用数据中心的方式形成聚簇,相邻的传感结点形成一个聚簇。这一过程不断持续,直到到达汇聚结点。图5表示出T EEN协议生成聚簇后的层次结构。当聚簇形成后,簇头结点广播软硬门限。因为用户大多数情况下不需要所有的数据,所以周期性地传输数据是不必要的,因此T EEN协议比L EACH协议节省了许多的数据传输开销。

T EEN协议的缺点是:如果数据的属性值一直达不到门限,结点不会发送数据,用户将接收不到网络的任何数据,并且不能得知所有结点是否死亡。

图5　T EEN协议的层次结构

3.3.3　P EG ASIS协议

PEGA SIS(P ow er-efficient G A thering in Senso r Info rma-tion Systems)协议[8]是在LEA CH协议的基础上建立起来的。为避免频繁选择簇头引起大量的通信开销,PEGA SIS协议中结点只同距它最近的相邻结点通信,而且所有结点形成一个聚簇,每一轮只选一个结点作为簇头。

在P EG ASIS协议中,首先采用贪婪算法构造一条“链”,即各结点发送能量递减的测试信号获取距离自己最近的相邻结点,从而建立一条包含网络中所有结点的“链”,如图6(a)所示。然后动态选择簇头,假设网络中N个结点都用1-N 的自然数编号,第j轮选取的簇头是第i个结点,则满足i=j mod N(i为0时取值为N),簇头与汇聚结点一跳通信。

图6　PEGASIS协议的链式结构

当簇头选定后,链两端的结点向链中的下一个结点发送数据,接收到数据的结点将自己的数据和接收到的数据融合,然后将融合的数据发送到下一个结点。如此一直到簇头,簇头结点把接收到的两组数据和自己的数据融合后形成一个数据包发送给汇聚结点,如图6(b)所示(其中c3为簇头)。如果距离接收器结点较远的结点充当簇头,该结点与汇聚结点之间的通信开销过大,会导致这个结点过早死亡,所以PE-G ASIS设置了一个距离阈值。如果结点到汇聚结点的距离超过这个阈值,该结点不能成为簇头。当链两端数据都传送完成时,开始新一轮选择与传输。

PEGA SIS协议避免了LEAC H协议中频繁选择簇头带来大量通信开销的问题,而且协议提供了有效的链式数据聚合,极大地减少了数据传输次数和通信量;结点总是与距离最近的相邻结点通信,形成多跳通信方式,有效地降低了能量,大幅度提高了网络生存时间。仿真结果表明,对于不同的应用和网络拓扑结构,与L EACH协议相比,采用PEG A SIS协议的传感器网络生命周期能够提高1～3倍。P EG A SIS协议的缺点是:单簇方法使得簇头成为关键点,其失效会导致路由失败;要求传感结点都具有与汇聚结点通信的能力;如果链过长,数据传输延时将会增大,不适合实时应用;成链算法要求各结点知道其它结点位置,开销非常大。

3.4　以数据为中心的路由协议

3.4.1　SPIN协议

SPIN(Se nso r P ro tocols fo r Info rmatio n via N ego tiatio n)协议[9]是最早以数据为中心的路由协议,它通过协商机制来解决算法中的“内爆”和“重叠”问题。SP IN协议中结点利用3种消息进行通信:AD V(数据描述)、REQ(数据请求)和D A T A(数据)。结点产生或收到数据后,为避免盲目传播,用包含元数据的A DV消息向相邻结点通告,需要数据的相邻结点用REQ消息提出请求,数据通过DA T A消息发送到请求结点。

图7表示了SPIN协议的路由建立与数据传输。图7(a)中结点A告知结点B它拥有的数据描述;图7(b)中结点B向结点A发送请求;图7(c)中结点A将数据传送给结点B;图7 (d)表示结点B收到消息,并给其相邻结点发送A DV消息;图7(e)表示需要该数据的结点给结点B发送REQ消息;图7 (f)表示结点B将数据传送给请求结点。

图7　SPIN协议的路由建立与数据传输

SP IN协议的优点是:小的A DV消息减轻了内爆问题;通过数据命名解决了消息重叠问题;结点根据自身资源和应用信息决定是否进行A DV通告,避免了资源盲目利用问题。与Flooding和Go ssiping协议相比,SPI N协议有效地节约了能量。SP IN协议的缺点是:当产生或收到数据的结点的所有相邻结点都不需要该数据时,将导致数据不能继续转发,可能出现较远结点无法得到想要数据;当某汇聚结点对任何数据都需要时,其周围结点的能量容易耗尽;SPI N协议虽然减轻了数据内爆,但在较大规模网络中,AD V内爆仍然存在。

3.4.2　Dir ected Diffusio n协议

Directed Diffusion协议[10]是以数据为中心的路由协议发展过程的里程碑,其它以数据为中心的路由协议都是基于该协议的改进或者采用类似的关键思想来提出的。Directed Diffusion算法的主要思想是对网络中的数据用一组属性命名,并基于数据进行通信。Dir ected Diffusion采用请求驱动的数据传送模式。当汇聚结点对某事件发出请求命令时就开始一个新的定向扩散过程,该过程包括请求扩散、初始梯度建立和数据传输3个阶段,如图8所示

。

图8　Directed Diffu sion协议的三个阶段

在请求扩散阶段,汇聚结点采用和目标数据相似的一组属性来命名它发出的请求信息。数据属性的描述为(对象的名称、数据发送间隔时间、持续时间、位置区域);然后将请求信息通过广播逐级扩散。收到请求信息的结点缓存信息,并

进行局部数据聚集,最终请求信息遍历全网,找到所有匹配的目标数据。

初始梯度建立阶段实际上和请求扩散阶段是同时进行的。当结点从相邻结点接收到请求信息后,若当前请求缓存中没有相同的请求记录,则加入新记录,记录中包含了相邻结点指定的数据发送率,也就是“梯度”。

在数据传输阶段时,汇聚结点会对最先收到新数据的相邻接点发送一个加强选择信息(发送具有更大的“梯度”的请求信息)。收到加强选择的相邻接点同样加强选择它最先收到新数据的相邻接点,将这个带更大“梯度”值的请求信息进行扩散,最后会形成一条“梯度”值最大的路径。目标数据能沿这条加强路径以较高的数据发送率来传送数据,而其它数据发送率停留在较低水平的结点组成的路径可以作为备选路径以增加网络可靠性。

Direc ted Diffusion 采用相邻结点间通信的方式来避免维护全局拓扑,采用请求驱动的数据传送模式和局部数据聚集而减少网络数据流量,因此它是一种高能源有效性的协议。该协议的缺点是,在需要连续数据传送的应用中(如环境监测等)使用效果不佳;数据命名只能针对特定的应用预先进行;初始请求的扩散开销大。

3.4.3　Rumor 协议

Rumo r 协议[11]是针对不知道结点位置信息的情况下对Directed Diffusion 协议的一种改进。对于这种情况,Directed Diffusion 协议无法定向任务,需要在整个网络内广播请求信息。如果请求的数据量很小,广播请求消耗了很多能量。另一种处理方式是如果事件消息小,而询问消息较大,则直接广播事件,而不是广播询问消息。Rumo r 协议结合了这两种处理方式。

Rumo r 协议借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大的思想。当结点监测到事件后将其保存,并创建称为Ag ent 的数据包。该数据包的生命周期较长,包括事件和源结点信息。然后将A gent 按一条或多条随机路径在网络中转发,收到A g ent 的结点根据事件和源结点信息建立反向路径,并将A gent 随机发送到相邻结点,且发送前可在Ag ent 中增加其已知的事件信息,A gent 的转发形成事件路径。汇聚结点的查询请求也沿着一条随机路径转发,当它与事件路径交叉时,则路由建立;如不交叉,汇聚结点可以广播查询请求。图9给出了一种查询路径和事件路径相交的情况[3]

。

图9　Rumo r 协议的思想

在汇聚结点多、查询请求数目很大、网络事件很少的情况下,Rumo r 协议较为有效。但如果事件非常多,维护事件表

和收发A gent 带来的开销会很大。3.5　基于位置信息的路由协议

3.5.1　GP SR 协议

G PS R (G reedy Perimeter S ta te less Routing )协议[12]是一

个典型的基于位置的路由协议。G PSR 协议假设网络结点都

知道自身的地理位置,且对位置进行了统一编址,各结点利用贪婪算法尽量沿直线转发数据,产生或收到数据的结点向以欧氏距离计算最靠近目的结点的相邻结点转发数据。

由于数据会到达没有比当前结点更接近目的结点的区域,即出现了空洞(ho le ),导致数据无法传输。当出现这种情况时,GP SR 协议利用平面图解决空洞问题,即数据包沿着平面图的周长来发现路由。当空洞周围的结点探测到出现空洞,就利用右手法则沿空洞周围传输数据来解决此问题。

G PSR 协议的优点是避免了在结点中建立、维护、存储路由表,只依赖直接相邻的结点进行路由选择,几乎是一个无状态的协议;使用接近于最短欧氏距离的路由,数据传输时延小;只要网络连通性不被破坏,一定能够发现可达路由。G PSR 协议的缺点是,当网络中汇聚结点和源结点分别集中在两个区域时,由于通信量不平衡,易导致部分结点失效,从而破坏网络的连通性;该协议需要G PS 定位系统或其它定位方法协助计算结点位置信息。

3.5.2　GEA R 协议

G EA R (Geo gr aphic and Energ y -A w are Routing )协议[13]是一种充分考虑了能源有效性的基于位置的路由协议,该协议的思想是:既然传感器网络中的数据经常包含了位置属性的信息,那么可以利用这一信息,把在整个网络中扩散的信息传送到适当的位置区域中。G EA R 协议采用了请求驱动的数据传送模式,它传送数据的过程包括两个阶段:目标域数据传送和域内数据传送。

在目标域数据传送阶段,当结点接收到一个数据包,它就检查自己的相邻结点。如果有相邻结点比自己离目标域的距离更近,则选择与目标域距离最短的相邻接点作为下一跳结点;若不存在更小距离,出现了空洞现象,则根据开销函数选择开销最小的邻居作为下一跳结点。开销函数与结点能量和结点距离目的结点的距离相关。

在域内数据传送阶段,可通过两种方式让数据在域内扩散:一是在域内直接泛洪;二是和区域递归传送,直到区域内剩下唯一的结点。图10给出了区域递归传送的示例,数据传输到目标域后,将该区域分成4个子区域,每个子区域获得一个数据副本,然后对每个子区域递归进行区域传送。显然,对于传感结点密集度高的网络,采用区域递归的传送方式,其能量有效性优于目标域直接泛洪

。

图10　GE AR 中递归的目标域数据传送

G EA R 将网络中扩散的信息局限到适当的位置区域中,

减少了中间结点的数量,降低了路由建立和数据传送的能源开销,从而有效提高了网络的生命周期。该协议的缺点是依赖结点的GPS 定位信息,成本较高。3.6　基于QoS 的路由协议

3.6.1　SA R 协议

SA R (Sequential A ssignment Ro uting )协议[14]是第一个在无线传感器网络中保证Q oS 的路由协议。为了提高能量

有效性,并具有容错能力,它提供了一种表驱动的多路径路由。在该协议中,汇聚结点的所有一跳相邻结点都以自己为根创建生成树。在创建生成树的过程中考虑能量资源、数据包的优先级,以及结点的延时、丢包率等Qo S参数。生成树创建完成后,一个传感结点可能属于多个树,从而反向建立了到汇聚结点的具有不同Q oS参数的多条路径。结点发送数据时,根据能量资源与Q oS选择一条或多条路径进行传输。任何本地错误都会在本地自动引发路径重建过程,通过强制每条路径上各结点路由表的一致性而实现错误恢复。

SA R协议维护从传感结点到汇聚结点的多条路径,不仅能够提供Q oS保证,而且具有容错性,出错易恢复。但缺点是结点中的大量冗余路由信息耗费了存储资源,且路由信息维护、结点Q oS参数与能耗信息的更新均需较大开销。

3.6.2　SPEED协议

SPEED协议[15]是一种提供端到端软实时保证,并具有一定拥塞控制功能的Qo S协议。该协议保证网络上的数据包以一定的速率传输,从而根据传感结点到汇聚结点的距离和数据包的传输速率,能够估计出数据包的端到端传输延迟。

SPEED协议中每个结点记录所有相邻结点的地理位置信息和转发速度,并设定一个速度门限。当结点接收到一个数据包时,根据这个数据包的目的位置把相邻结点中距离目的位置比当前结点近的所有结点划分为转发结点候选集合,然后把转发结点候选集合中转发速度高于速度门限的结点划分为转发结点集合,在这个集合中转发速度越高的结点被选为转发结点的可能性越大。如果没有结点属于这个集合,则利用反馈机制重新路由。这样就保证传输的实时性,避免了拥塞。同时,因为传输延时越小的区域传输负荷越小,这样就平衡了整个网络的传输负荷,从而分摊了每个结点的能量消耗。

4　WSN路由协议的特点比较

本节从生命周期、可扩展性、路径选择(单跳还是多跳)、能量感知、数据聚集、位置信息(是否需要结点的地理位置信息)、信息存储、可移动的结点、实时性、可靠性(容错能力)这些方面比较无线传感器网络路由协议的性能、特点。表1给出了前面介绍的各种路由协议的比较结果(其中DD表示Di-rected Diffusio n协议)。由于无线传感器网络路由协议的设计与应用密切相关,在实际应用中到底选择哪一种路由协议,要根据具体应用和各路由协议的特点进行综合考虑。

表1　无线传感器路由协议的特点比较

算法生命

周期

可扩

展性

路径

选择

能量

感知

数据

聚集

位置

信息

信息

存储

可移动

的结点

实时

性

可靠

性

Flo oding短差多跳无无无需无传感结点

汇聚结点

差较好

G ossiping较长差多跳无无无需无传感结点

汇聚结点

差较好

LEACH较长差单跳有有无需有无差较好TEEN长好多跳有有无需有无好差P EGASIS长差多跳有有无需有无差差

SPIN长差多跳无有无需无传感结点

汇聚结点

差差

DD长好多跳有有无需有无差好Rum or长好多跳有有无需有汇聚结点差较好GPSR较长好多跳无无需要无传感结点差较好GEA R长好多跳有无需要无传感结点差较好SAR较长差多跳有无无需有无好好SPEED长差多跳有无需要有无好好 结束语　与传统有线网络和无线M A N ET网络相比,无线传感器网络存在资源高度受限、结点易失效等特点,使得其路由协议的设计面临新的挑战。本文对近年来无线传感器网络路由协议的研究成果进行总结分析,将它们分为泛洪式路由协议、层次式路由协议、以数据为中心的路由协议、基于位置信息的路由协议和基于QO S的路由协议,针对每一类进行相应的算法分析,最后对这些协议的特点进行归纳比较。

随着应用的不断发展,无线传感器网络路由协议还存在着许多问题有待深入研究,主要体现在以下几点。

·能源有效性:在无线传感器网络中,频繁的数据通信十分消耗能量,减少数据通信量,抑制结点上传输不必要的数据,提高能源有效性是W SN路由协议设计首要考虑的问题。

·可靠性:无线传感器网络的结点容易失效。如何利用结点易获得的网络信息计算路由,确保在路由出现故障时能够尽快得到恢复,以及如何进行数据的高可靠传输,是路由协议设计需解决的关键问题。

·实时性:在不久的将来,实时传输图像、视频将成为无线传感器网络极其普遍的应用需求。研究设计传输质量高、传输延迟小、满足实时性需求的路由协议具有广阔的应用前景。

·安全性:无线传感器网络的固有特性使得其路由协议极易受到安全威胁[16]。对于秘级很高的应用领域,如军事应用,对路由协议的安全性提出了新的需求,目前这方面的研究尚在起步阶段。

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基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现

南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动

Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers

无线传感器网络的安全性研究

无线传感器网络的安全性研究 0 引言 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是一种自组织网络，由大量具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的节点协同组织构成。WSN在军事、环境、工控和交通等方面有着广阔的应用前景。由于大多数用户对WSN的安全性有较高要求，而WSN有着与传统的Ad hoc网络不同的特点，大多数传统的安全机制和安全协议难以直接应用于WSN，因此有必要设计适合WSN的安全性方案。 无线传感器网络与传统的ad hoc网络相比有如下独有的特点[1]： （1）传感器节点数量巨大，网络规模庞大； （2）节点密集分布在目标区域； （3）节点的能量、存储空间及计算能力受限，容易失效； （4）动态的网络拓扑结构； （5）通常节点不具有统一的身份（ID）。 1 WSN的安全性问题 WSN中，最小的资源消耗和最大的安全性能之间的矛盾，是传感器网络安全性的首要问题。通常两者之间的平衡需要考虑到有限的能量、有限的存储空间、有限的计算能力、有限的通信带宽和通信距离这五个方面的问题。 WSN在空间上的开放性，使得攻击者可以很容易地窃听、拦截、篡改、重播数据包。网络中的节点能量有限，使得WSN易受到资源消耗型攻击。而且由于节点部署区域的特殊性，攻击者可能捕获节点并对节点本身进行破坏或破解。 另外，WSN是以数据通信为中心的，将相邻节点采集到的相同或相近的数据发送至基站前要进行数据融合，中间节点要能访问数据包的内容，因此不适合使用传统端到端的安全机制。通常采用链路层的安全机制来满足WSN的要求。 2 常见的攻击和解决方案 在WSN协议栈的不同层次上，会受到不同的攻击，需要不同的防御措施和安全机制。 2．1 物理层 物理层完成频率选择、载波生成、信号检测和数据加密的功能。所受到的攻击通常有： 1）拥塞攻击：攻击节点在WSN的工作频段上不断的发送无用信号，可以使在攻击节点通信半径内的节点不能正常工作。如这种攻击节点达到一定的密度，整个网络将面临瘫痪。 拥塞攻击对单频点无线通信网络影响很大，采用扩频和跳频的方法可很好地解决它。 2）物理破坏：WSN节点分布在一个很大的区域内，很难保证每个节点都是物理安全的。攻击者可能俘获一些节点，对它进行物理上的分析和修改，并利用它干扰网络的正常功能。甚至可以通过分析其内部敏感信息和上层协议机制，破坏网络的安全性。 对抗物理破坏可在节点设计时采用抗窜改硬件，同时增加物理损害感知机制。另外，可对敏感信息采用轻量级的对称加密算法进行加密存储。 2．2 MAC层 MAC层为相邻节点提供可靠的通信通道。MAC协议分3类：确定性分配、竞争占用和随机访问。其中随机访问模式比较适合无线传感网络的节能要求。 随机访问模式中，节点通过载波监听的方式来确定自身是否能访问信道，因此易遭到拒绝服务攻击(Distributed Denial of Service，DOS)[2]。一旦信道发生冲突，节点使用二进指数倒退算法确定重发数据的时机。攻击者只需产生一个字节的冲突就可以破坏整个数据包的发送，这时接收者回送数据冲突的应答ACK，发送节点则倒退并重新选择发送时机。如此这般反复冲突，节点不断倒退，导致信道阻塞，且很快耗尽节点有限的能量。

无线传感器网络路由协议

无线传感器网络的关键技术有路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术等。路由协议: 数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端,因此路由选择算法就是网络层设计的一个主要任务。路由协议主要负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点,它主要包括两个方面的功能: 1、寻找源节点与目的节点间的优化路径。 2、将数据分组沿着优化路径正确转发。 无线传感器与传统的无线网络协议不同之处,它受到能量消耗的制约,并且只能获取到局部拓扑结构的信息,由于这两个原因,无线传感器的路由协议要能够在局部网络信息的基础上选择合适路径。传感器由于它很强的应用相关性,不同应用中的路由协议差别很大,没有通用的路由协议。无线路由器的路由协议应具备以下特点: （1）能量优先。需要考虑到节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。（2）基于局部拓扑信息。WSN为了节省通信能量,通常采用多跳的通信模式,因此节点如何在只能获取到局部拓扑信息与资源有限的情况下实现简单高效的路由机制,这就是WSN的一个基本问题。 （3）以数据为中心。传统路由协议通常以地址作为节点的标识与路由的依据,而WSN由于节点的随机分布,所关注的就是监测区域的感知数据,而不就是具体哪个节点获取的信息,要形成以数据为中心的消息转发路径。（4）应用相关。设计者需要针对每一个具体应用的需求,设计与之适应的特定路由机制。 现介绍几种常见的路由协议(平面路由协议、网络分层路由协议、地理定位辅助路由协议): 一、平面路由协议 平面路由协议中,逻辑结构时平面结构,节点间地位平等,通过局部操作与反馈信息来生成路由。当汇聚点向某些区域发送查询并等待来自于这些区域内传感器所采集的相关数据,其中的数据不能采用全局统一的ID,而就是要采用基于属性的命名机制进行描述。平面路由的优点就是结构简单、鲁棒性(即路由机制的容错能力)较好,缺点就是缺乏对通信资源的优化管理,对网络动态变化的反应速度较慢。其中典型的平面路由协议有以下几种: 1、1、洪泛式路由(Flooding): 这就是一种传统的网络通信路由协议。这种算法不要求维护网络的拓扑结构与相关路由的计算,仅要求接受到信息的节点以广播形式转发数据包。例如:S节点要传送一段数据给D节点,它需要通过网络将副本传送给它每一个邻居节点,一直到传送到节点D为止或者为该数据所设定的生存期限为零为止。优点在于:实现简单;不需要为保持网络拓扑信息与实现复杂路由发现算法消耗计算资源;适用于鲁棒性较高的场合。但同时也有相应的缺点:一个节点可能得到一个数据的多个副本;存在部分重叠,如果相邻节点同时对某件事作出反应,则两个节点的邻居节点将收到两份数据副本;盲目使用资源,无法作出自适应的路由选择。 为克服Flooding算法这些固有的缺陷,S、Hedetniemi等人提出闲聊式(Gossiping)策略。这种算法采用随机性原则,即节点发送数据时不再采用广播形式,而就是随机选取一个相邻节点转发它接收到的数据副本(避免了消息爆炸的结果)。

项目三了解无线传感器协议栈

项目三了解无线传感器协议栈 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈知识目标1.掌握zigbee无线传感器网络的协议栈和协议的区别等知识。 2.掌握Z-Stack协议栈的OSAL分配机制。 3.了解Z-Stack协议栈的OSAL运行机制。 4.掌握Z-Stack协议栈的OSAL常用函数。 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈技能目标1.掌握 Z-Stack协议栈的运行机制。 2.掌握Z-Stack协议栈中OSAL的添加新任务的方法。 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈在实际zigbee无线传感器网络工程的开发过程中首先借助TI提供的协议栈中例程SampleApp，接着根据需要完成的功能，查看支持Z-Stack协议栈的硬件电路图，再查阅数据手册（CC2530的数据手册、Z-Stack协议栈说明、Z-Stack协议栈API函数使用说明等）文件，然后再进行协议栈的修改。 最后，还需要烧录器下载到相应的硬件，实现zigbee无线传感器网络的组建和开发。 设计思路3.1.1协议与协议栈协议定义的是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据收发；议栈是协议的具体实现形式。 通俗的理解为代码实现的函数库，以便于开发人员调用。

3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈协议栈是指网络中各层协议的总和，一套协议的规范。 其形象地反映了一个网络中文件传输的过程由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。 使用最广泛的是因特网协议栈，由上到下的协议分别是应用层（Http、Tel、DNS、Email等），运输层（TCP、UDP），网络层（IP），链路层（WI-FI、以太网、令牌环、FDDI等）。 3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈Zigbee协议栈开发的基本思路如下。 ①借助TI提供的协议栈中例程SampleApp进行二次开发，用户不需要深入研究复杂的zigbee协议栈，这样可以减轻开发者的工作量。 ②Zigbee无线传感器网络中数据采集，只需要用户在应用层加入传感器的读取函数和添加头文件即可实现。 ③如果考虑节能，可以根据数据采集周期（zigbee协议栈例程中已开发了定时程序）进行定时，定时时间到就唤醒zigbee终端节点，终端节点唤醒后，自动采集传感器数据，然后将数据发送给路由器或者直接发给协调器，即监测节点定时汇报监测数据。 ④协调器（网关）根据下发的控制命令，将控制信息转发到具体的节点，即控制节点等待控制命令下发。 3.1Z-Stack协议栈3.1.2使用Z-Stack协议栈传输SampleApp.c 中定义了发送函数static voidSampleApp_SendTheMessage(void)。 该函数通过调用AF_DataRequest来发送数据。

无线传感器网络的特点

无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传

感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，

从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

(中文)基于无线传感器网络桥梁安全监测系统

基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1

无线传感器网络的应用及影响因素分析

无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的X围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of puter science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a prehensive description of the development process of the wireless sensor network,the status of the research areas and a number of factors affecting the application of the sensor. keywords:wireless sensor networks;sensor nodes;limiting factor 一、无线传感器网络的技术起源以及特点

无线传感器网络协议栈研究与设计-第3章

第3章 低功耗无线传感器网络协议栈整体设计 本章的目标是对低功耗环境测控网络协议栈进行整体设计。首先对环境测控系统进行需求分析明确其适用场景和网络设备类型；然后，根据需求分析确定协议栈的设计目标，并选择适合的网络拓扑结构和协议栈的分层架构。协议栈的网络层和MAC 层将作为本章的设计的重点。 3.1 网络需求分析 3.1.1 应用场景介绍 本课题来源于研究生校企合作项目，所设计的低功耗无线传感器协议栈主要应用于环境测控系统中。该系统长期无人值守，其温度、湿度等环境参数由连接无线节点的传感器实时采集并上传至汇聚节点，汇聚节点再通过有线的方式传输至面向用户的管理终端。多个子系统采集的数据最后由各自的管理终端传送至云端处理中心进行数据的保存，整个系统框图如图3.1所示。 云端处理中心 二级中继 汇聚节点 图3.1 环境测控系统框图 图中的环境测控无线网络是执行数据采集和设备控制的主体，也是协议栈发挥作用的区域。一个环境测控无线网络负责一个区域，区域之间有一定的距离，

因此无线网络之间不存在干扰，但无线网络的运行方式一致。该项目处于初期开发阶段，所以本文设计的协议栈只应用于单个环境测控无线网络中。 该课题所涉及的环境测控系统处于室内，人员进出频率低。网络中节点数不超过65个，包含一个汇聚节点。点对点通信的距离要求达到20米。传感器节点以10秒为周期采集并发送环境数据。考虑到室内可能会出现一些特殊设备、隔断等障碍影响通信距离，并使得部分节点处于屏蔽的位置，因此网络通过设置中继节点来扩展通信距离，经过中继后的通信距离要求60米及以上。由于成本等原因，课题设定数据包最多经过两级中继传递，每级中继最多4个，中继数量不超过8个。同时，系统中存在少量控制节点，控制节点连接室内的控温设备来调节室内温度。控制节点由工作人员从软件端下达命令进行开关，因此不具备周期性。该课题要求除汇聚节点、中继节点之外的所有节点能在1000mA/h电池的支持下工作一年以上。为保证数据采集的有效性和传输的可靠性，该课题要求多节点共享信道的丢包率在5%以内。此外，由于环境的特殊性，人员不能随时到场，还要求该环境测控网络中的节点具有安装简单、组网快速、配置容易的特点。以上需求总结如表3.1所示。 表3.1 环境测控系统需求指标 表3.1明确了该环境测控无线网络的要求。通过需求指标能使协议栈的设计更有约束性，设计方向也会更加明确。

基于无线传感器网络的智能交通系统的设计

一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。

无线传感器网络练习题(1)

一、填空 1.无线传感器网络系统通常包含汇聚节点、传感器节点、管理节点。 2.传感器节点一般由通信模块、传感器模块、存储模块和电源模块 组成。 3.无线传感器节点的基本功能是：采集数据、数据处理、控制和通 信。 4.传感器节点通信模块的工作模式有发送、接收和空闲。 5.无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制 技术和扩频技术。 6.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为四种：直接序列扩频、 跳频、跳时和宽带线性调频扩频。 7.目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电波、光纤、 红外线等。 8.无线传感器网络可以选择的频段有：868MHz、915MHz、和5GHz。 9.传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合。 10.根据对传感器数据的操作级别，可将数据融合技术分为一下三类： 决策级融合、特征级融合、数据级融合。 11.根据融合前后数据的信息含量分类（无损失融合和有损失融合） 12.根据数据融合与应用层数据语义的关系分类（依赖于应用的数据 融合、独立于应用的数据融合、结合以上两种技术的数据融合）13.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩散、梯度建立、路 径加强。

14.无线传感器网络的关键技术主要包括：时间同步机制、数据融合、 路由选择、定位技术、安全机制等。 15.无线传感器网络通信安全需求主要包括结点的安全保证、被动抵 御的入侵能力、主动反击入侵的能力。 16.标准用于无线局域网，标准用于低速无线个域网。 17.规定三种帧间间隔：SIFS、PIFS、DIFS。 18.标准为低速个域网制定了物理层和MAC子层协议。 19.ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支 持三种拓扑结构：网状网络、树形网络、星型网络。 20.传感器网络中常用的测距方法有：接收信号强度指示、到达时间 差、到达角。 21.ZigBee网络分4层分别为：物理层、网络层、应用层、数据链路 层。 22.与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以 下特点：能量优先、基于局部拓扑、以数据为中心、应用相关。 23.数据融合的内容主要包括：目标探测、数据关联、跟踪与识别、 情况评估与预测。 24.无线传感器网络信息安全需求主要包括数据的机密性、数据鉴别、 数据的完整性、数据的实效性。 25.传感器结点的限制条件是电源能量有限、通信能力有限、计算和 存储能力有限。

无线传感器网络的应用研究

1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。

2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：

基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈

文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚　盈　袁慎芳　吴　键　丁建伟　李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 　基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。　收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009

无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制

无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制 随着通信技术的发展，安全问题显得越来越重要。在现实生活中，有线网络已经深入到千家万户：互联网、有线电视网络、有线电话网络等与人们生活的联系越来越紧密，已经成为必不可少的一部分，有线网络的安全问题已经能够得到有效的解决。在日常生活中，人们可以放心的使用这些网络，利用它来更好的生活和学习。然而随着无线通信技术的不断发展，无线网络在日常生活中已占据重要的地位，如无线LAN技术、3G技术、4G技术等，同时也有许多新兴的无线网络技术如无线传感器网络，Ad-hoc等有待进一步发展。随着人们对无线通信的依赖越来越强烈，无线通信的安全问题也面临着重要的考验。本章首先介绍普通网络安全定位研究方法，随后介绍无线传感器网络存在的安全隐患以及常见的网络攻击模型，分析比较这些攻击模型对定位的影响，最后介绍已有的一些安全定位算法，为后续章节的相关研究工作打下基础。 3.1 安全定位研究方法 不同的定位算法会面临着不同的安全方面的问题，安全定位的研究方法可以采用图3-1所示的流程来进行。 图3-1安全定位方法研究流程图

Figure 3-1 Flowchart of security positioning research method 在研究中首先要找出针对不同定位算法的攻击模型，分析这些攻击对定位精度所造成的影响，然后从两方面入手来解决这个安全问题或隐患：一方面改进定位算法使得该定位算法不易受到来自外界的攻击，另一方面可以设计进行攻击检测判断及剔除掉受到攻击的节点的安全定位算法或者把已有的安全算法进行改进使之能够应用于无线传感器网络定位，还可以从理论上建立安全定位算法的数学模型，分析各种参数对系统性能的影响，最后根据这个数学模型对算法进行仿真，并把仿真结果作为反馈信息，对安全定位算法进一步优化和改进，直到达到最优为止。 3.2 安全隐患 由于无线传感器网络随机部署、网络拓扑易变、自组织成网络和无线链路等特点，使其面临着更为严峻的安全隐患。在传感器网络不同的定位算法中具有不同的定位思想，所面临的安全问题也不尽相同。攻击者会利用定位技术的弱点设计不同的攻击手段，因此了解各定位系统自身存在的安全隐患和常见的攻击模型对安全定位至关重要。 影响无线传感器网络定位的原因大致可以分为两类：其一，节点失效（如节点被破坏、电量耗尽）、环境毁坏（通信干扰）等引起的定位误差；其二，恶意攻击[30]，攻击者主要是通过内部攻击和外部攻击两种方式来增大无线传感器网络的定位误差或使节点定位失效。 采用不同的定位算法，系统存在不同的安全隐患。按照定位算法的分类将安全隐患大致分为：基于测距的定位的安全隐患和基于无需测距定位的安全隐患。 3.2.1 基于测距定位的安全隐患 基于测距的定位技术需要测量未知节点和参考节点之间的距离或方位信息。攻击者主要针对定位系统位置关系的测量阶段和距离估计阶段进行攻击。在测距阶段，攻击者通过改变测距所需要的参数或者产生干扰和欺骗以增大误差，达到攻击的目的。 基于测距定位的攻击手段主要有以下几种：（1）通过移动、隔离信标节点来

无线传感器网络发展与路由

1、引言无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由大规模部署的成百上千的节点构成。这些微传感器节点具有感知能力、无线通信能力以及计算能力。无线传感器网络的发展得益于微机电系统以及处理器、存储技术的发展，这些发展使得制造低功率、微体积、低成本的微传感器节点逐步成为现实。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，各个节点能够协同地 1、引言 无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由大规模部署的成百上千的节点构成。这些微传感器节点具有感知能力、无线通信能力以及计算能力。无线传感器网络的发展得益于微机电系统以及处理器、存储技术的发展，这些发展使得制造低功率、微体积、低成本的微传感器节点逐步成为现实。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，各个节点能够协同地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并将处理后的信息传送到需要这些信息的用户（观察者）。

由于无线传感器网络具有可快速部署、可自组织和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。比如通过飞机将传感器节点撒播在战场上，可以组成网络对战场中化学武器的使用、敌方车辆和士兵的运动进行及时的监测和报告。同时，无线传感器网络对于比较恶劣的环境和人不宜到达的场所也非常适用，比如荒岛上的环境和生态监控，原始森林的防火和动物活动情况监测，污染区域以及地震和火灾等突发灾难现场的监控。另外，它还可用于城市的交通监测，医疗机构的病员及环境监测，大型车间原材料和仓库货物进出情况的监测，以及机场、大型工业园区的安全监测。无线传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量信息。因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。 2、无线传感器网络 在讨论无线传感器网络之前，有必要了解无线传感器网络的组成和协议框架。典型的无线传感器网络如图1所示。