（計算機科學與技術專業(yè)論文）無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性保證技術研究.pdf

浙江大學博士學位論文 摘要 摘要 無線傳感器網(wǎng)絡因其極低的功耗 無線自組織通信等優(yōu)點 在環(huán)境監(jiān)測 交 通管理 國防安全等民用和軍事領域有著廣泛的應用前景 由于部署環(huán)境惡劣 節(jié)點能力受限等原因 可靠性成為目前無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)設計中所面臨的重大 挑戰(zhàn) 針對此挑戰(zhàn) 本文從網(wǎng)絡和系統(tǒng)兩個層面對無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性保 證技術進行研究 在網(wǎng)絡層面 首先 傳輸可靠性保證 應用層數(shù)據(jù)量變化等原因導致傳感器 節(jié)點傳輸工作量頻繁發(fā)生改變 從而形成異構匯聚傳輸 因此要求m a c 協(xié)議能 夠根據(jù)節(jié)點工作量調整其時間調度 針對此問題 開展支持跨層調度優(yōu)化的無線 傳感器網(wǎng)絡m a c 協(xié)議研究 提出了面向異構匯聚傳輸?shù)墓ぷ髁扛兄猰 a c 協(xié)議 w m a c 設計了基于子樹工作量收集的無沖突時間片調度方法和低開銷快速調 度調整機制 從而在異構匯聚傳輸中最小化節(jié)點功耗并達到極低的數(shù)據(jù)傳輸延 時 其次 開展網(wǎng)絡組織和數(shù)據(jù)傳輸可靠性保證技術研究 一方面 針對現(xiàn)有無 線傳感器網(wǎng)絡在修復因節(jié)點變動 通信故障等原因導致的網(wǎng)絡組織錯誤時功耗較 高的缺點 提出了工作周期自適應的低功耗網(wǎng)絡組織修復方法 e n o r s 通過 動態(tài)調整控制包監(jiān)聽占空比 有效平衡了網(wǎng)絡組織修復的功耗和速度 另一方面 針對現(xiàn)有f e c 方法無法有效保證端到端數(shù)據(jù)傳輸可靠性的缺點 提出了逐跳自適 應f e c 數(shù)據(jù)傳輸可靠性保證方法 r a h 該方法將端到端數(shù)據(jù)傳輸可靠性需求分 配到數(shù)據(jù)傳輸鏈路上的每一跳 并令每跳節(jié)點通過基于2 級p i d 控制的f e c 碼率 調整策略優(yōu)化f e c 碼率 從而在保證端到端數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下 最小化冗 余數(shù)據(jù)傳輸開銷 在系統(tǒng)層面 為預防故障并在故障發(fā)生時修復系統(tǒng) 在無線傳感器網(wǎng)絡生命 周期的各個階段 包括測試 部署和維護中 需要進行大量的人機交互操作 不 同的操作要求傳感器節(jié)點具備不同的行為表現(xiàn)來配合 其中某些行為表現(xiàn)要求甚 至是相互沖突的 為解決此問題 通過對生命周期中人機交互操作的行為特性進 浙江大學博士學位論文摘要 行抽象 引入工作模式的概念 并采用此概念 設計了基于行為模式分組的無線 傳感器網(wǎng)絡中間件 m e a n 在不同工作模式中管理節(jié)點上各種應用程序的執(zhí)行 與掛起 并控制節(jié)點行為 以滿足人機交互和數(shù)據(jù)采集操作的需求 該中間件所 提供的應用程序組織和切換基礎策略 服務和模塊 可有效提高節(jié)點軟件的開發(fā) 效率和可擴展性 最后 應用上述網(wǎng)絡組織可靠性保證和中間件等技術 開發(fā)了敦煌莫高窟微 氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 根據(jù)應用需求 設計了多層次的網(wǎng)絡架構和各種軟硬件設備 通過2 年以上時間的長期運行 驗證了系統(tǒng)設計和所提出技術的有效性 未來的研究方向包括 優(yōu)化e n o r s 中動態(tài)間歇工作周期調整機制 優(yōu)化 r a h 中數(shù)據(jù)傳輸可靠性需求分配機制 聯(lián)合路由層優(yōu)化 在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性 的同時 進一步延長網(wǎng)絡壽命以及進一步在應用中驗證已提出的技術 關鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡 可靠性保證 m a c 協(xié)議 網(wǎng)絡組織修復 可靠數(shù)據(jù) 傳輸 中間件 a b s t r a c t l e s ss e 璐0 rn 帆o r k s w s n s h a v eb e e na n d w i l lc o n t i n u et ob ea p p l l e dt oa w i d em n g e0 fc i v i la n dm i l i t 叫a r e a s m n g m gf r o me n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g 仃a i t l c m a n a g e m e n t t on a t i o n a ld e f e n s ea n ds e c u r i t y f o rt h e i rl o w e n e r g yc o n s u m p n o na n d s e l f o r g 碰z e dc h a r a c t e r i s t i c s b e c a u s e o ft h eh a r s hd e p l o y m e n te n v l r o n m e n ta n d l i m i t e dn o d ec a p a b i l i t y r e l i a b i l i t yh a s b e c o m eag r e a tc h a l l e n g ei nw s n s y s t 鋤d e s l g n 1 0a d d r e s st h i sc h a l l e n g e t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so ni n v e s t i g a t i n gt e c h m q u e st 0 e n s u r et h er e l i a b l eo p e r a t i o no fw s n s y s t e m sa tb o t hn e t w o r k i n g a n ds y s t e ml e v e l s a tt h en e 觚o r k j n gl e v e l f u s t l y b o t ht r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya s s u r a n c e s c h e m ea n d a p p l i c a t i o nd a t at r a f f i cv a r i a t i o nw i l lc a u s e t h ew o r k l o a do fn o d et oc h a n g e 丘e q u e n t l y w h i c hr e s u l t si nh e t e r o g e n e o u sc o n v e r g e c a s t t oa l l e v i a t et h ep r o b l e m m a c p r o t o c o l s h a l la d i u s ti t so p e r a t i o n a ls c h e d u l e a c c o r d i n gt o t h en o d e s w o r i l o a d i n 也1 s d i s s e r t a t i o n m a cs c h e m es u p p o r t i n gc r o s s l a y e rs c h e d u l eo p t i m i z a t i o n w a ss t u d i e d a n dw m a c aw o r k l o a d a w a r em a cp r o t o c o lf o rh e t e r o g e n e o u sc o n v e r g e c a s t w a s 何0 p o s e d c o l l i s i o n f r e et i m es l i c es c h e d u l i n gm e c h a n i s m b a s e do l ls u b t r c ew o r k l o a d c o l l e c t i 呱a n dl o w o v e r h e a dh i g h s p e e d s c h e d u l i n ga d j u s t m e n t m e c h 觚1 s mw 哦 d e s i g n e dt 0m i n i m i z et h ep o w e rc o n s u m p t i o no fn o d e s a n da c h i e v e u l t r a l o wd a t a 仃a n s m i s s i o nl a t e n c yi nh e t e r o g e n e o u sc o n v e r g e c a s t a f t e ri n v e s t i g a t i n g t h em a c s c h e d u l i n n e t l o r k0 r g a n i z a t i o na n d d a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya s s u r a n c es c h e m e s w e r es t u d i e d 0 no n eh a n d e x i s t i n gm e t h o d sr e p a i rn e t w o r k o r g a n i z a t i o ne r r o r sc a u s e d b vn o d eo rc o 仃m l u n i c a t i o nf a i l u r e sa tt h ec o s to f h i g he n e r g yc o n s u m p t l o n t oa d d r e s s t h i si s s u e e n o r s a ne n e r j g y e f f i c i e n tn e t w o r ko r g a n i z a t i o nr e p a i rs c h e m e b a s e do n a d a p t i v ew o r k i n gc y c l e w a sp r o p o s e d e n o r sa c h i e v e s ag o o db a l a n c eb e 押e e n d o w e rc o n s u m p t i o na n dr e p a i rs p e e db yd y n a m i c a l l y a d j u s t i n gt h e 螄c y c l em c o n 仃0 lp a c k e tl i s t e n i n g o nt h eo t h e rh a n d e x i s t i n gf e c s c h e m e sc a nn o te n 眥t n e e n d t 0 一e n d 訛m s m i s s i o nr e l i a b i l i t y t oa c h i e v er e l i a b l et r a n s m i s s i o n r a h a 批 仃a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya s s u r a n c es c h e m eb a s e do nh o p b y h o pa d a p t i v e f e c w a s p r o p o s e d r a hd i s t r i b u t e st h ee n d t o e n d d a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y 陀q u i r 鋤e n tt o v 浙江大學博士學位論文 a b s t r a c t e a c hh o po nt h ed a t ad e l i v e r yp a t h a n dl e t se a c hn o d eo nt h ep a t ht oo p t i m i z ei t sf e c r a t eb ye m p l o y i n gaf e cr a t ea d j u s t m e n tm e c h a n i s mb a s e do i lt w o l e v e lp i dc o n t r 0 1 t h e r e f o r e t h ee n d t o e n dd a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yi se n s u r e d a n dt h eo v e r h e a do f r e d u n d a n td a t at r a n s m i s s i o ni sm i n i m i z e d a tt h es y s t e ml e v e l i no r d e rt or e d u c et h ec h a n c eo fs y s t e mf a i l u r e sa n dt or e s t o r e t h es y s t e ma f t e raf a i l u r eo c c u r s m a n yh u m a n n o d ei n t e r a c t i o no p e r a t i o n sa r er e q u i r e d t h r o u g h o u tt h ef u l ll i f ec y c l eo faw s ns y s t e m w h i c hi n c l u d e st e s t i n g d e p l o y m e n t a n dm a i n t e n a n c e d i f f e r e n to p e r a t i o n sr e q u i r et h en o d et ob e h a v ed i f f e r e n t l y a n dp a r t o ft h er e q u i r e m e n t se v e nc o n f l i c tw i t he a c ho t h e r t os o l v et h i si s s u e t h ec o n c e p t i o no f w o r k i n gm o d e w h i c hp r o v i d e sa na b s t r a c to nt h eb e h a v i o rp a t t e m so fh u m a n n o d e i n t e r a c t i o no p e r a t i o n si nt h el i f ec y c l eo faw s n s y s t e m w a si n t r o d u c e d a d o p t i n gt h e c o n c e p t i o no fw o r k i n gm o d e m e a n aw s nm i d d l e w a r et h a tg r o u p sa p p l i c a t i o n p r o g r a m sb a s e do i lb e h a v i o rp a r e r n s w a sd e s i g n e d t h ep r o p o s e dm i d d l e w a r e m a n a g e st h er u n n i n ga n ds u s p e n d i n go fa p p l i c a t i o np r o g r a m si nd i f f e r e n tw o r k i n g m o d e s a n dc o n t r o l st h eb e h a v i o ro fan o d e t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh u m a n n o d e i n t e r a c t i o na n dd a t ac o l l e c t i o no p e r a t i o n s a tt h es a m et i m e t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m o r g a n i z a t i o n a n d s w i t c h i n gs t r a t e g i e s s e r v i c e sa n dm o d u l e sp r o v i d e db yt h e m i d d l e w a r ew i l lg r e a t l yi n c r e a s et h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c ya n dt h ee x t e n s i b i l i t yo f n o d es o f t w a r e a tl a s t b ya p p l y i n gt h ep r o p o s e dt e c h n i q u e s i n c l u d i n gt h en e t w o r ko r g a n i z a t i o n r e l i a b i l i t y a s s u r a n c es c h e m ea n dt h em i d d l e w a r e aw i r e l e s ss e n s o rs y s t e mf o r l o n g t e r m m i c r o c l i m a t em o n i t o r i n ga tm o g a og r o t t o e sw a sb u i l t t om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fh e r i t a g em o n i t o r i n g at i e r e dc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r ea n ds p e c i f i c h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ed e v e l o p e d t h ed e p l o y e ds y s t e mh a sb e e nr u n n i n gf o r m o r et h a n2y e a r s w h i c hv e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g no ft h es y s t e ma n d p r o p o s e dt e c h n i q u e s f u t u r ed i r e c t i o n s i n c l u d e o p t i m i z i n gd y n a m i cw o r k i n gc y c l ea d j u s t m e n t m e c h a n i s mi ne n o r s o p t i m i z i n gt h ed a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t d i s t r i b u t i o nm e c h a n i s mi nr a h t a k i n gr o u t i n gi n t oc o n s i d e r a t i o nt op r o l o n gt h e n e t w o r kl i f e t i m ew h i l ee n s u r i n gd a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y a n de v a l u a t i n gt h e 浙江大學博士學位論文 a b s t r a c t p r o p o s e ds c h e m e sf u r t h e ri na p p l i c a t i o n s k e y w o r d s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s r e l i a b i l i t ya s s u r a n c e m a cp r o t o c o l n e t w o r k o r g a n i z a t i o nr e p a i r r e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n m i d d l e w a r e 浙江大學博士學位論文圖目錄 圖目錄 圖1 1 無線傳感器網(wǎng)絡生命周期 6 圖1 2 論文研究內容關系圖 9 圖2 1 數(shù)據(jù)轉發(fā)中斷問題 18 圖2 2p s f q 逐跳重傳 2 4 圖2 3f e c 碼率調整 2 5 圖3 1w m a c 調度順序 31 圖3 2 控制時間調度 3 3 圖3 3 單匯聚傳輸數(shù)據(jù)時間調度 3 5 圖3 4 多匯聚傳輸數(shù)據(jù)時間調度 3 6 圖3 5 節(jié)點時間片計算和時間池分配過程 3 7 圖3 6 節(jié)點數(shù)據(jù)量變化調度調整 3 9 圖3 7 數(shù)據(jù)時間調度性能對比 4 2 圖3 8 采用數(shù)據(jù)分組打包時w m a c 的性能 4 3 圖3 9l l m a c 與w m a c 控制開銷對比 4 4 圖3 1 0m s t n 與w m a c 調度調整開銷對比 4 5 圖4 1 網(wǎng)絡組織修復節(jié)點狀態(tài)模型 4 8 圖4 2e n o r s 中的時序關系 5 0 圖4 3e n o r s 中的修復延時 5 0 圖4 4 動態(tài)e n o r s 中的 c 調整 5 2 圖4 5 長時間網(wǎng)絡組織錯誤場景下e n o r s 修復壽命k 和修復延時么r 對比 5 4 圖4 6 長時間網(wǎng)絡組織錯誤場景下e n o r s 修復壽命厶測試床測試結果 5 4 圖4 7 靜態(tài)和動態(tài)e n o r s 的平均修復延時山對比 5 6 圖4 8 靜態(tài)和動態(tài)e n o r s 的修復效率r 對比 5 7 圖4 9r a f p 原理示意圖 一6 0 圖4 1 0r a f p 輸入輸出隸屬度函數(shù) 6 0 圖4 1 lr a f p 輸出信號 6 2 圖4 1 2r a t p 原理示意圖 6 3 圖4 1 3 在不同數(shù)據(jù)傳輸可靠性需求下的平均編碼后數(shù)據(jù)包數(shù)量 c 6 4 圖4 1 4 逐跳自適應f e c 數(shù)據(jù)傳輸可靠性保證方法 6 5 圖4 1 5 不同p e r 下各種f e c 碼率調整策略對比 6 7 圖4 1 6 不同跳數(shù)下各種可靠數(shù)據(jù)傳輸方法對比 6 9 圖5 1m e a n 中間件設計思路 7 4 圖5 2m e a n 中間件架構示意圖 7 5 圖5 3m e a n 中間件工作流程 7 6 圖5 4m o d e s w i t c h i n g c o m m a n d s l i s t 結構 7 8 圖5 5 基本工作模式切換流程 一8 3 i v 浙江大學博 上 學位論文 圖目錄 圖5 6 洞窟c 1 4 8 與c 3 3 2 中傳感器節(jié)點部署 8 8 圖5 7 圖形化系統(tǒng)運行狀態(tài)報告 部分 8 9 圖6 1 莫高窟代表建筑 9 3 圖6 2 莫高窟8 5 窟 c 8 5 中壁畫病害情況 9 4 圖6 3 莫高窟地形 一9 5 圖6 4 洞窟c 1 4 8 與c 3 3 2 的結構 9 5 圖6 5 系統(tǒng)通信架構示意圖 9 7 圖6 6 傳感器節(jié)點設計 9 9 圖6 7 傳感器節(jié)點部署 1 0 0 圖6 8 系統(tǒng)測試和診斷工具 1 0 1 圖6 9s e n s o r m a t e 用戶界面 1 0 1 圖6 1 0 網(wǎng)關節(jié)點內部構造和典型部署 1 0 2 圖6 1 l 匯聚節(jié)點部署 1 0 2 圖6 1 2 部署系統(tǒng) 部分 1 0 3 圖6 1 3 一天內窟外 c 4 2 8 窟內 c 3 2 0 窟內溫 濕度變化對比 1 0 5 圖6 1 4 一天內c 3 2 0 窟內 c 6 1 窟內溫 濕度變化對比 1 0 6 圖6 1 5 一天內c 3 2 8 中微氣象環(huán)境變化與游客數(shù)量的關系 1 0 7 圖6 1 6 洞窟c 3 3 2 中無線傳感器網(wǎng)絡穩(wěn)定性分析 1 0 8 圖6 17 溫 濕度傳感器節(jié)點電池壽命與溫度對比 10 9 圖6 1 8c 0 2 傳感器節(jié)點電池壽命 1 1 0 v 浙江大學博士學位論文表目錄 表目錄 表4 1r a f p 模糊規(guī)則表 6 1 表4 2r a f p 與r a t p 效果對比 6 3 表5 1 工作模式 系統(tǒng)功能以及對應的系統(tǒng)生命周期階段 7 9 表5 2 工作模式與應用程序組織 8 0 表5 3 通用邏輯模塊與工作模式和應用程序之間的關系 8 5 表5 4 系統(tǒng)測試和部署中每個任務的時間開銷 8 6 表5 5 遠程診斷 9 0 v 1 浙江大學研究生學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究 成果 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫 過的研究成果 也不包含為獲得逝姿盤堂或其他教育機構的學位或證書而使用過 的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明 并表示謝意 學位論文作者簽名 致1 峨 簽字日期 矽 年 月卅日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解逝姿盤鱟有權保留并向國家有關部門或機構送交 本論文的復印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人授權逝姿盤堂可以將學位 論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索和傳播 可以采用影印 縮印或掃描 等復制手段保存 匯編學位論文 保密的學位論文在解密后適用本授權書 學位論文作者簽名 夏郵 導師簽名 簽字日期 沙1 年1 1 月砷日 砌 n 簽字日期 弘 7 年j1 月沖日 浙江大學博士學位論文致謝 致謝 值此論文定稿之際 我要深深地感謝我的導師魯東明教授三年多來在我的學 習和生活中所給予的精心指導和悉心關懷 魯老師的心血和汗水 貫穿于課題研 究和論文撰寫的整個過程中 魯老師嚴謹求實的治學作風 精益求精的工作態(tài)度 和誨人不倦的高尚品德 深深地感染和激勵著我 認真完成本論文的工作 在此 向魯東明教授表示由衷的感謝 衷心感謝課題組董亞波副教授的關心和幫助 我博士期間研究工作中的諸多 問題都是在與董老師的討論中得到解決 衷心感謝u n i v e r s i t yo fs o u t hc a r o l i n a 的徐文淵助理教授和i l l i n o i si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 的李向陽副教授 在論文成文中給我的大量建議和指導 衷心感謝課題組魏蔚博士 林楠博士 何杰博士 曾波博士 孫培梁碩士 蔣巍巍碩士 彭超碩士 姚偉斌碩士 廖雪梅碩士 潘涌碩士 李銳華碩士 靳 帥召碩士 周建仁碩士 謝晶碩士 黃明科學士等的支持和幫助 相互間的友好 合作使得課題順利完成 衷心感謝實驗室的許端清教授 邢衛(wèi)副教授 刁常宇博士后 袁慶曙博士后 趙磊博士后 孫剛博士 占志峰博士 劉建明博士 魏平博士 石洗凡博士 林 志潔博士等老師和同學們的鼓勵和幫助 大家融洽相處 伴我度過了珍貴而又難 忘的求學時光 衷心感謝敦煌研究院的王旭東院長 蘇伯民所長 孫洪才老師 劉剛老師 羅瑤主任 田鵬老師 薛平老師 張國斌老師 張正模老師 侯文芳老師 俞天 秀老師 在敦煌莫高窟微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計 實現(xiàn) 部署和維護中給予的 大量幫助 深深感謝時刻關心著我的父母 長輩和兄弟姐妹 感謝他們給予我的理解和 支持 使我能夠專心完成學業(yè) 衷心感謝所有支持 理解和幫助過我的親人 師長 同事 同學和朋友們 浙江大學博士學位論文致謝 最后 謹向百忙中抽出寶貴時間評審本論文和參與答辯的各位專家 學者致 以最誠摯的謝意 夏明 2 0 0 9 年冬于求是園 浙江大學博上學位論文第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 論文背景 1 1 1 無線傳感器網(wǎng)絡簡介 無線傳感器網(wǎng)絡 w s n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k l 一般包括大量低成本 低功耗的傳感器節(jié)點 s e n s o rn o d e 這些傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù) 并通過無線自組 織網(wǎng)絡協(xié)作地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點 s i n kn o d e 最后通過互聯(lián)網(wǎng) 衛(wèi)星等通 信手段報告給用戶 傳感器節(jié)點所采用的低功耗無線通信技術使得其可使用電池 供電長期工作 且不需要在監(jiān)測現(xiàn)場部署通信電纜 因此 其部署不依賴于任何 基礎設施 同時 自組網(wǎng)的能力使得其能夠自動形成多跳數(shù)據(jù)轉發(fā)網(wǎng)絡 從而方 便地通過大量傳感器節(jié)點協(xié)同工作實現(xiàn)極大規(guī)模的實時監(jiān)測 無線傳感器網(wǎng)絡因以上優(yōu)點而在國防安全 反恐抗災 環(huán)境監(jiān)測 交通管理 醫(yī)療衛(wèi)生等領域有著廣泛的應用前景 其出現(xiàn)極大地拓寬了人們在任何時間 地 點和環(huán)境條件下獲取所需信息的能力 如果說i n t e m e t 的出現(xiàn)掀起了一場人與人 之間交互方式的革命 那么 無線傳感器網(wǎng)絡將掀起一場人與物 人與自然界之 間交互方式的革命 美國 商業(yè)周刊 和 m i t 技術評論 在預測未來技術發(fā)展 的報告中 分別將無線傳感器網(wǎng)絡列為2 l 世紀最有影響的2 1 項技術之一和改變 世界的1 0 大技術之一 2 1 無線傳感器網(wǎng)絡巨大的應用前景使得它引起了世界上許多國家軍事部門 工 業(yè)界和學術界的廣泛關注 美國國防部和各軍事部門較早開始進行無線傳感器網(wǎng) 絡的研究 啟動了包括s e n s i t s e n s o ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y 3 1 靈巧傳感器 網(wǎng)絡 s s w s m a r ts e n s o rw e b 4 無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?u g s u n a t t e n d e d g r o u n ds e n s o r s 5 在內的多個項目 以提高美軍戰(zhàn)場信息獲取的能力 其他美國 軍方支持的著名項目還有 加州大學洛杉磯分校和r o c k w e l l 研究中心的w i n s w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s 項引6 1 主要以建立分布式傳感節(jié)點網(wǎng)絡 并與i n t e m e t 互聯(lián)為目標 加州大學伯克利分校的 智能塵埃 項目 7 1 嘗試實現(xiàn)能 夠如塵埃般懸浮在空氣中的微型傳感器節(jié)點 以及隨后啟動的n e s t n e t w o r k 1 浙江大學博士學位論文第1 章緒論 e m b e d d e ds y s t e m st e c h n o l o g y 項目 8 形成了包括t i n y o s 操作系統(tǒng) 9 1 在內的一批 杰出研究成果 美國自然科學基金委員會于2 0 0 3 在南加州大學設立 嵌入式智能 傳感器研究中心 c e n s c e n t e ro fe m b e d d e dn e t w o r k e ds e n s i n g 研究 通過嵌 入式網(wǎng)絡化的傳感器系統(tǒng)將物理世界連接到互聯(lián)網(wǎng)來揭示以往不可見卻又對社 會有重大影響的現(xiàn)象 1 0 美國自然科學基金委員會于2 0 0 4 年推出了 網(wǎng)絡技術 與系統(tǒng) n e t s n e t w o r k i n gt e c h n o l o g ya n ds y s t e m s 研究項目 其中一個重要的 子項目就是 網(wǎng)絡化傳感器系統(tǒng) n o s s n e t w o r k i n go f s e n s o rs y s t e m s 1 1 1 該項 目的主要目標是探索可靠的無線傳感器網(wǎng)絡架構 工具 算法和系統(tǒng)以將不同的 傳感器網(wǎng)絡連接起來 國內無線傳感器網(wǎng)絡研究起步較晚 但獲得了國務院 國家自然科學基金委 員會 科技部 工業(yè)和信息化部等的廣泛重視 近幾年發(fā)展迅速 國務院在制定 國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要 2 0 0 6 2 0 2 0 年 時將 傳感器網(wǎng)絡及智 能信息處理 列為未來信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務業(yè)的重點方向之一 1 2 國家自然科學 基金委員會于2 0 0 6 年啟動了 無線傳感網(wǎng)絡的基礎理論及關鍵技術研究 項臥 該項目聯(lián)合了上海交通大學 浙江大學 南京大學 哈爾濱工業(yè)大學 中國科學 技術大學 中國科學院軟件研究所等在內的多所國內著名高校和研究機構 以解 決 低耗自組 異構互聯(lián)和泛在協(xié)同的復雜系統(tǒng)及資源優(yōu)化的自組織網(wǎng)絡 問題為 核心 研究新一代無線傳感器網(wǎng)絡的基礎理論和關鍵技術 經(jīng)過1 0 余年的快速發(fā)展 無線傳感器網(wǎng)絡技術獲得了很大突破 并已基本 形成了傳感器節(jié)點硬件平臺和網(wǎng)絡通信協(xié)議框架 傳感器節(jié)點硬件受低功耗 低成本要求的控制 構成一般比較簡單 主要可 分為電源供應 數(shù)據(jù)獲取 數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸四個部分 電源供應部分一般多 采用電池作為電力來源 數(shù)據(jù)獲取部分主要指傳感器 根據(jù)應用不同 傳感器節(jié) 點可配備光 溫 濕度 氣體 震動 磁場 紅外線 聲音甚至圖片 圖像等各種 不同的傳感器 數(shù)據(jù)處理部分則主要由微控制器和存儲器構成 該部分從數(shù)據(jù)獲 取部分獲取監(jiān)測對象的信息 對其進行必要的處理 并將處理后的對象信息交給 數(shù)據(jù)傳輸部分進行發(fā)送 目前 國內外的研究機構和產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)開發(fā)了多種型號 2 塑鋈奎蘭堡主堂垡笙奎墨 蘭絲絲 的傳感器節(jié)點 如美國c r o s s b o w 公司開發(fā)的m i c a 系列節(jié)點和t e l o s b 節(jié)點 1 4 1 國內深聯(lián)科技開發(fā)的g a i n z 節(jié)點 1 5 等 無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議的架構與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議架構相似 從下到上主要包 括 物理層 主要實現(xiàn)簡單強壯的信號調制 無線收發(fā)等 以低功耗 低速率 低成本為目標設計的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡 w p a n w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k 協(xié)議i e e e 8 0 2 15 4 嗍所提出的物理層規(guī)范目前被廣泛采用 數(shù)據(jù)鏈路層 主要負責低功耗的媒體訪問 m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 鏈路層組幀 幀檢測等 無線傳感器網(wǎng)絡中的鏈路層協(xié)議的主要優(yōu)化目標包括最 小化節(jié)點功耗和數(shù)據(jù)傳輸延時等 s m a c e l 7 1 是一種典型的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡 m a c 協(xié)議 其主要通過周期性喚醒 休眠的低占空比工作方式減少節(jié)點的活動時 間 從而降低節(jié)點功耗 并通過流量自適應偵聽等機制 降低數(shù)據(jù)傳輸延時 網(wǎng)絡層 主要負責自組織路由發(fā)現(xiàn) 在設計無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議時 主 要考慮全網(wǎng)能量均衡消耗 路由失敗容錯等 定向擴散 d i r e c t e dd i f f u s i o n 1 9 1 是一種典型無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議 其中 匯聚節(jié)點在網(wǎng)絡內廣播興趣消息 傳感器節(jié)點如有符合匯聚節(jié)點興趣的數(shù)據(jù) 則將數(shù)據(jù)報告到匯聚節(jié)點 這種多對 一的數(shù)據(jù)傳輸形式在無線傳感器網(wǎng)絡中非常普遍 被稱為匯聚傳輸 傳輸層 負責傳輸控制 是保證通信服務質量的重要部分 差錯控制是此層 主要的研究重點之一 差錯控制用于防止因通信錯誤而導致數(shù)據(jù)丟失 無線傳感 器網(wǎng)絡中差錯控制的主要目標是以盡可能低的代價實現(xiàn)盡可能高的傳輸成功率 比如 為降低傳統(tǒng)t c p 協(xié)議中端到端差錯控制帶來的高開銷問題 無線傳感器網(wǎng) 絡中多采用逐跳差錯控制技術 1 9 應用層 主要包括支持數(shù)據(jù)采集任務的應用層軟件 在無線傳感器網(wǎng)絡中還有三類位置較為特殊的協(xié)議 時間同步 節(jié)點定位和 數(shù)據(jù)融合 時間同步用于保證不同節(jié)點的時鐘始終保持一致 是分布式系統(tǒng)協(xié)同工作的 關鍵機制之一 與傳統(tǒng)的時間同步協(xié)議如n t p n e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 2 0 1 相比 3 浙江大學博士學位論文第1 章緒論 無線傳感器網(wǎng)絡中的時間同步更注重減小信息交換開銷 如基于延時測量的時間 同步協(xié)議 d m t s d e l a ym e a s u r e m e mt i m es y n c h r o n i z a t i o n 2 1 通過節(jié)點間同步延 時估計 僅需一次信息交換即可完成節(jié)點間時間同步 節(jié)點定位協(xié)議用于節(jié)點自動確定自身地理位置 從而保證監(jiān)測事件發(fā)生位置 報告的正確性 其一般根據(jù)少數(shù)已知位置的節(jié)點 按照某種定位機制 如根據(jù)本 節(jié)點到其他節(jié)點通信的接收信號強度 r s s i r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r 估 計節(jié)點間距離 并依此確定自身位置 2 2 1 時間同步協(xié)議和節(jié)點定位協(xié)議往往需要依賴于網(wǎng)絡協(xié)議各層建立的數(shù)據(jù)傳 輸通道進行定位和時間同步信息交換 但同時又為各層提供支持 如時間同步為 基于時分復用 t d m a t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 的m a c 協(xié)議提供支持 節(jié) 點定位為基于地理位置的路由協(xié)議提供支持等 數(shù)據(jù)融合通過在數(shù)據(jù)傳輸過程中對來自多個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)進行處理 消 除冗余 形成更準確和有效的數(shù)據(jù) 其可在無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧的多個層次中 實現(xiàn) 如可在應用層僅提取用戶關心的內容 2 3 或在網(wǎng)絡層進行分簇或組鏈 并 將本簇或鏈中成員的數(shù)據(jù)進行融合后轉炭2 4 2 5 2 6 也可在鏈路層將多個數(shù)據(jù)分組 打包以減小分組頭部數(shù)據(jù)傳輸開銷陽 還可在網(wǎng)絡層和鏈路層之間實現(xiàn)獨立的數(shù) 據(jù)融合子層 避免在各層協(xié)議內部對數(shù)據(jù)進行融合導致協(xié)議完整性受到破壞 2 8 1 與時間同步和節(jié)點定位相似 數(shù)據(jù)融合依賴于網(wǎng)絡協(xié)議各層建立的數(shù)據(jù)傳輸通 道 但同時又會對各層協(xié)議的實現(xiàn)產(chǎn)生影響 比如 融合后數(shù)據(jù)量減小 則需調 整m a c 協(xié)議 減少節(jié)點活動時間以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)融合的優(yōu)勢 1 1 2 無線傳感器網(wǎng)絡可靠性問題 無線傳感器網(wǎng)絡往往需要在缺乏基礎設施 條件惡劣的環(huán)境中長期工作 如 洪水預警 火山監(jiān)測 野生動物跟蹤 野外文化遺址監(jiān)測等 在這些場景中 部 署范圍廣大 且地理環(huán)境復雜 如洪水監(jiān)測中可能需要沿流域長距離部署 在野 生動物跟蹤中需要在動物的活動范圍內廣泛部署 并且 可能面臨惡劣的自然氣 候條件 如很多野外文化遺址位于沙漠中 其年溫差可高達7 0 以上 4 浙江大學博士學位論文第1 章緒論 另一方面 由于低成本和低功耗的限制 傳感器節(jié)點的能力相對很弱 首先 節(jié)點多采用電池供電 電源能量有限 其次 通信能力有限 由于節(jié)點電源能量 有限 因此無法采用大功率的通信設備 而一般使用極低功耗的無線通信芯片 因此 每個節(jié)點的通信范圍受限 目前 一般傳感器節(jié)點的通信能力多在一百至 數(shù)百米的范圍內 最后 節(jié)點的計算和存儲能力有限 受限的電源能量和成本使 得傳感器節(jié)點多使用價格低功耗小的處理器和存儲芯片 這必然導致其處理能力 較弱且存儲容量較小 在惡劣的部署環(huán)境中長期工作的應用需求和受限的節(jié)點能力對無線傳感器 網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性形成了很大的挑戰(zhàn) 主要包括以下兩個層面 1 網(wǎng)絡層面 復雜的地理環(huán)境和節(jié)點較低的通信能力往往會導致節(jié)點間很高的通信失敗 率 而自組織網(wǎng)絡則進一步加劇了多跳通信后的數(shù)據(jù)包丟失問題 首先 這很容 易導致網(wǎng)絡組織 如路由發(fā)現(xiàn) 時間同步等出現(xiàn)異常 其次 還會導致傳感數(shù)據(jù) 在傳輸過程中丟失 2 系統(tǒng)層面 受限的節(jié)點能力和惡劣的部署環(huán)境等問題同時還影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性 例 如 惡劣的氣候可能導致傳感器精度快速劣化 甚至節(jié)點損壞 并導致網(wǎng)絡連通 度受損 并且 大范圍部署導致無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)往往需要容納大量的節(jié)點 這進一步提高了系統(tǒng)故障的發(fā)生概率 如不及時處理 系統(tǒng)功能將受損 甚至發(fā) 生系統(tǒng)癱瘓的情況 為預防故障并在故障發(fā)生時修復系統(tǒng) 需要在無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的整個生 命周期中進行大量的人機交互操作 一個長期運行的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的生命 周期可劃分為4 個階段 開發(fā) n 試 部署 網(wǎng)絡運行和維護 如圖1 1 所示 為 保證系統(tǒng)長期可靠運行 在除網(wǎng)絡運行階段外的其他三個階段中都需要進行大量 的工作 如在開發(fā)i n 試階段 需要在前往部署地點之前 對系統(tǒng)中每個設備進行 詳細的測試 以確保硬件功能正常 在部署階段 需要對當前的傳感器節(jié)點放置 進行詳細測試 以確保位置合理 網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定 從而有效避免系統(tǒng)早期失效 浙江大學博士學位論文第1 章緒論 在長期數(shù)據(jù)采集過程中 需要在出現(xiàn)系統(tǒng)故障時及時發(fā)現(xiàn)故障 快速判斷故障的 精確位置和具體原因 并修復系統(tǒng) 另外 還需要進行周期性的常規(guī)系統(tǒng)維護以 保證系統(tǒng)功能正常 如傳感器標定 以保證獲取數(shù)據(jù)的精度等 圖1 1 無線傳感器網(wǎng)絡生命周期 綜上所述 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中的可靠性包括網(wǎng)絡和系統(tǒng)兩個層面 在網(wǎng) 絡層面 首先必須保證網(wǎng)絡組織的可靠性 比如 節(jié)點能夠找到正確的路由 保 持和其他節(jié)點正確的時間同步關系等 以確保數(shù)據(jù)上傳鏈路可用 在數(shù)據(jù)上傳鏈 路可用的基礎上 保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性 即在通信質量不穩(wěn)定的無線傳輸信道上 保證數(shù)據(jù)不丟失 或盡量少丟失 另一方面 低功耗是大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡系 統(tǒng)的本質需求之一 因此在提高可靠性的同時 還必須保證網(wǎng)絡的低功耗特性 在系統(tǒng)層面 為降低預防故障和在故障發(fā)生時修復系統(tǒng)所需的人機交互操作的開 銷和要求 需要無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)具有良好的可維護性 即能夠提高人機交互 操作的效率和正確性 具體而言 主要包括兩點 1 降低操作時間開銷 2 由 于無線傳感器網(wǎng)絡專家往往無法一直在現(xiàn)場進行操作 而現(xiàn)場操作人員往往并不 具備無線傳感器網(wǎng)絡背景知識 因此 需要降低操作要求 使得非無線傳感器網(wǎng) 絡領域專家亦能正確完成操作 6 浙江大學博士學位論文 第l 章緒論 1 2 國內外現(xiàn)狀 本節(jié)將簡要介紹國內外在無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性保證技術上的研究進 展 并探討其不足 在實現(xiàn)高可靠網(wǎng)絡組織方面 與傳統(tǒng)的有線或無線網(wǎng)絡不同 無線傳感器網(wǎng) 絡組織錯誤不僅包括路由錯誤 還包括時間同步錯誤 在網(wǎng)絡以低占空比運行時 時間同步錯誤會導致已有的路由修復技術 難以正常運作 目前 已有研究者提 出了能夠在低占空比網(wǎng)絡中同時修復路由和時間同步的技術 3 0 1 但是 這些技術 能耗較高 在出現(xiàn)較長時間的網(wǎng)絡組織錯誤時 容易導致傳感器節(jié)點能量快速耗 盡而失效 為提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性 研究者己在多個層次上提出了相應的解決方案 如 在物理層上采用支持錯誤恢復的幀格式 3 1 1 在網(wǎng)絡層上采用多路徑同時傳輸數(shù)據(jù) 3 2 從而提高數(shù)據(jù)到達目的節(jié)點的概率 其中 在傳輸層上采用可靠傳輸技術如自 動重傳請求 a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 前向糾錯 f e c f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n 等 3 3 1 因其獨立性較強 不破壞其他層次協(xié)議的完整性 可重用性較 佳而得到廣泛應用 在傳輸層可靠數(shù)據(jù)傳輸技術中 f e c 通過在原始數(shù)據(jù)中添加冗余數(shù)據(jù)以