帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干技術(shù)研究.doc

帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干技術(shù)研究 浙江理工大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄摘要?IAbstract?II第一章緒論?111j；I言?112課題背景及意義?l13無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究內(nèi)容及現(xiàn)狀?3131研究內(nèi)容?3132國內(nèi)外研究現(xiàn)狀?614本文研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)?7第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)?821引言?822無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)?8221傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)?8222無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)?10223無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧?一l l23無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)?14231網(wǎng)絡(luò)拓撲控制?14232路由傳輸機制?14233數(shù)據(jù)融合機制?一15234時間同步機制?16235節(jié)點定位機制?1624無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點?一1725本章小結(jié)?18第三章帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制研究?一1931引言?1932相關(guān)研究及其局限性?1933帶狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)?2234基于數(shù)據(jù)梯度分布的鏈式多簇頭分簇算法?25341帶狀網(wǎng)絡(luò)拓撲模型?25342MCADGD算法描述?27343MCADGD節(jié)點分布策略?28344MCADGD網(wǎng)絡(luò)分簇策略?一30345MCADGD算法實現(xiàn)?3535本章小結(jié)?36第四章帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合研究?一3741引言?3742相關(guān)研究及其局限性?3743基于MCADGD的數(shù)據(jù)融合策略?41431帶狀網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合模型?41Iv浙江理工大學(xué)碩士學(xué)位論文432SDFAM算法描述?42433SDFAM理論推導(dǎo)?44434SDFAM算法實現(xiàn)?4644本章小結(jié)?。 47第五章仿真實驗與分析?一4851NS2仿真環(huán)境建立?4852網(wǎng)絡(luò)拓撲控制仿真?一48521最外層節(jié)點數(shù)最優(yōu)值選取?48522MCADGD性能驗證及分析?4953數(shù)據(jù)融合機制仿真?52531t的最優(yōu)值選取?52532SDFAM性能驗證及分析?。 5354本章小結(jié)?54第六章總結(jié)與展望?5561總結(jié)?5562展望?56參考文獻?57致謝?6!攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄?63V浙江理工大學(xué)碩士論文第一章緒論11引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wi reless SensorNetwork，WSN)1-21是由大量具有數(shù)據(jù)感知、信息處理和無線通信能力的傳感節(jié)點，通過可控分布或隨機部署方法組成的自組織網(wǎng)絡(luò)。 傳感器技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)、現(xiàn)代無線通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展和同益成熟，為以信息獲取、處理和傳輸為基礎(chǔ)的WSN提供了強有力的技術(shù)支持。 WSN是一種全新的信息處理平臺，將傳統(tǒng)的傳感器信息獲取技術(shù)從獨立的單一化模式向集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展，并且具有快速展開、抗毀性強等特點。 作為物聯(lián)網(wǎng)最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一，WSN成為了溝通客觀物理世界和主觀感知世界的載體與橋梁，WSN以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知技術(shù)的一場變革。 因此，WSN在軍事、民用和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在高危和無人等特殊環(huán)境的應(yīng)用中發(fā)揮著無可替代的作用。 美國商業(yè)周刊在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，將WSN列為21世紀最有影響力的重大技術(shù)和改變世界的十大技術(shù)之一【31。 正如Intemet改變了人與人的交互方式，WSN也將擴展未來人與自然的交互能力。 也正因為無線傳感器技術(shù)有著如此廣闊的應(yīng)用前景和深刻的生產(chǎn)方式變革，目前許多國家正在積極地對其進行相關(guān)研究。 12課題背景及意義WSN是一種應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，在不同應(yīng)用場合，對其技術(shù)要求也不盡相同。 按照網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的拓撲結(jié)構(gòu)劃分，本文把分布在狹長區(qū)域內(nèi)的WSN稱為帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種特定應(yīng)用環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在許多方面不同于一般二維區(qū)域內(nèi)的WSN，需要著重考慮和解決其應(yīng)用相關(guān)下的特殊問題。 正是基于其自身拓撲結(jié)構(gòu)特點，以下介紹幾種帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型的應(yīng)用場合1高壓輸電線實時在線監(jiān)控【4】高壓輸電線一般定向長距離延伸，電壓等級越高，往往傳輸距離越長，220kV輸電線路一般有幾十公里，而特高壓輸電線路通常在幾百到上千公里，鄰近高壓浙江理T大學(xué)碩上論文輸電線塔之間平均距在400m到700m左右。 輸電網(wǎng)絡(luò)的安全運行需要監(jiān)控各種環(huán)境和自身的電氣量和非電氣量，具體包括輸電導(dǎo)線線路走廊經(jīng)過地區(qū)的水文、氣候、地質(zhì)情況等，以及輸電線本身電流、電磁、溫濕度、覆冰、振動等運行環(huán)境動態(tài)監(jiān)測，高壓輸電線路在線監(jiān)測對保障輸電線路的安全運行具有重要意義。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量具有特定功能的傳感器節(jié)點通過自組織的無線通信方式，相互交換信息，協(xié)同地完成輸電線路上特定功能的實時在線監(jiān)測任務(wù)。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高、擴展性強、運行費用低等特點，因此其日益成為了智能化輸電研究的一個重要領(lǐng)域。 2礦井環(huán)境在線監(jiān)型5】礦井下溫度高、濕度大、通風(fēng)不暢、粉塵濃度高、可燃氣體和有毒氣體濃度高等惡劣生產(chǎn)條件和復(fù)雜工作環(huán)境，給礦井安全生產(chǎn)帶來很大障礙。 傳統(tǒng)的單一型傳感器無法同時完成有毒氣體濃度、溫濕度、壓力等各種物理環(huán)境量的監(jiān)測，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)型的傳感器節(jié)點不僅可以協(xié)同監(jiān)測各種物理量，而且可以通過信息處理、數(shù)據(jù)融合以及彼此間的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，來實現(xiàn)實時在線監(jiān)測任務(wù)。 因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新的數(shù)據(jù)采集傳輸平臺正逐步大量應(yīng)用于礦井環(huán)境監(jiān)測中，為礦井安全生產(chǎn)管理和事故救援提供可靠的技術(shù)支持。 此外，由于礦井巷道一般呈狹長分布，一般長達數(shù)十公里，這就決定了應(yīng)用在礦井監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為帶狀拓撲結(jié)構(gòu)。 3油氣管道在線監(jiān)測【6】在油氣輸送系統(tǒng)長期運行中，露天狀態(tài)下的油氣輸送管道老化、腐蝕難以避免，再加上自然或人為破壞等因素，油氣管道泄漏事故時有發(fā)生。 傳統(tǒng)的油氣輸送管道安全檢查一般采取人工定時巡視的辦法，人工巡檢不僅造成人力、物力的巨大浪費，由于發(fā)現(xiàn)問題不及時，油氣輸送系統(tǒng)安全運行仍然存在隱患。 目前，油氣管道的維護、防漏和檢漏成為不可忽視的問題，日益引起業(yè)界的高度重視。 隨著各種微功耗嵌入式智能儀表的相繼出現(xiàn)以及無線通信技術(shù)的進一步發(fā)展，建立一個以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為平臺的實時在線監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠充分發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)布控簡單、采集數(shù)據(jù)可靠、制造成本低廉等優(yōu)點，在油氣輸送管道安全監(jiān)控和檢測方面具有重要的現(xiàn)實意義。 一般油氣管道綿延數(shù)數(shù)百甚至上千公里，決定了應(yīng)用于長距離油氣輸送管道監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也呈帶2浙江理1=大學(xué)碩論文狀分布。 4道路交通實時監(jiān)控【7】交通安全、交通堵塞已經(jīng)成為困擾當fjf國際交通領(lǐng)域的重大難題，尤其以道路安全最為嚴重。 據(jù)有關(guān)部門研究得出結(jié)論采用智能交通技術(shù)提高道路管理水平后，每年僅交通事故死亡人數(shù)就可以減少30以上，并能夠提高交通工具的使用率50以上。 為此，世界各發(fā)達國家競相投入大量人力和財力，進行打規(guī)模的智能交通技術(shù)研究實驗。 智能交通系統(tǒng)(Intel li gentTransportati onSystem，ITS)正是在這種條件下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為信息獲取和處理模式之一，在智能交通方面有著廣泛應(yīng)用前景如交通數(shù)據(jù)采集、交通信息發(fā)布、電子收費、非接觸技術(shù)及檢測、智能交通信號控制、交通安全、停車管理、客貨車樞紐交通管理、智能公交與軌道交通、車載導(dǎo)航系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)、安全與自動駕駛等等很多方面。 5其他應(yīng)用再如江河堤壩、大型橋梁等區(qū)域內(nèi)部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)均呈典型的帶狀分布，盡管在不同的應(yīng)用下，某些相關(guān)技術(shù)的要求不盡相同，但其最主要特征在于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點靜態(tài)分布，拓撲控制中的聯(lián)通與覆蓋等相關(guān)問題假定已解決，而著重考慮的是如何避免能量空洞、應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)熱區(qū)以及數(shù)據(jù)高效融合的問題。 作為一種特定拓撲結(jié)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)，不同領(lǐng)域的帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用存在著共同的基礎(chǔ)性技術(shù)，同時也是其關(guān)鍵技術(shù)。 對此進行深入研究有助于將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)推廣到更廣泛的應(yīng)用中。 13無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究內(nèi)容及現(xiàn)狀131研究內(nèi)容無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種綜合了多學(xué)科跨領(lǐng)域的高新技術(shù)，日益引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。 其目前研究的內(nèi)容主要集中在基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)兩個層面，其中又包括了微納米級芯片技術(shù)研究、嵌入式軟件技術(shù)研究、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系研究、無線傳輸技術(shù)等研究方面。 1微納米級芯片技術(shù)研究這里所講的硬件研究主要針對微機電系統(tǒng)(Mi croel ectromechanical System，MEMS)，MEMS集微型傳感器、執(zhí)行器、信號處理和控制模塊、接口模塊、射浙江理工大學(xué)碩士論文頻模塊、電源模塊于一體的微型智能機電系統(tǒng)。 MEMS具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)等特點。 在過去二十年中，技術(shù)的發(fā)展促使了MEMS的尺寸指數(shù)性的減少，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點從厘米級發(fā)展到毫米級甚至小，MEMS的迅速發(fā)展奠定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件基礎(chǔ)【8。 9l。 “智能塵?！钡母拍罡切蜗蟮孛枥L了未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的發(fā)展趨勢。 所謂智能塵埃是指一些微小的、廉價的傳感器，它可以被散落到環(huán)境中對各種物體進行監(jiān)測，其特點是體積小、功耗低、自組織、無線通訊，這也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點最主要的特征。 2嵌入式軟件技術(shù)研究嵌入式軟件技術(shù)研究主要針對系統(tǒng)軟件平臺，系統(tǒng)軟件平臺包括操作系統(tǒng)和編程語言。 操作系統(tǒng)需要支持并行操作，不同數(shù)據(jù)流同時傳遞。 操作系統(tǒng)必須提供高效模塊化，將硬件和特定的應(yīng)用組件綜合在一起，此外處理開銷和存儲開銷要低。 用戶能夠從操作系統(tǒng)提供的組件集中選擇應(yīng)用需要的最小組件。 各個組件能夠并行執(zhí)行，同時等待事件最少、資源消耗最低。 當前比較流行的操作系統(tǒng)有Ti nyOStlo11l，國內(nèi)外很多大學(xué)和機構(gòu)利用這一平臺進行相關(guān)問題的研究；以及其他公司開發(fā)的一些應(yīng)用相關(guān)的操作系統(tǒng)。 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序一般由匯編語言和C語言編寫，此外加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)人員開發(fā)的nesC語言，專門用于傳感器網(wǎng)絡(luò)編程開發(fā)。 nesC語言是一種C語言擴展的編程語言，Ti nyOS就是由nesC編寫而成的。 美國科羅拉多大學(xué)開發(fā)的Manti OS是一個以易用性和靈活性為主要目標的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)112-141。 利用該操作系統(tǒng)可以快速、靈活地搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)。 它的內(nèi)核和API采用標準的c語言編寫，提供Li nux和Wi ndows開發(fā)環(huán)境，易于用戶使用。 SOS是由洛杉磯加利福尼亞大學(xué)NEL實驗室開發(fā)的一套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)【l51。 SOS傳感器系統(tǒng)是一種新的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)，它將的庫程序和應(yīng)用服務(wù)程序都是C語言編寫的，SOS可以消除很多操作系統(tǒng)靜態(tài)的局限性。 它引入了消息模式來實現(xiàn)用戶應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核的綁定。 SOS提供了通用的內(nèi)核和動態(tài)加載的模塊來執(zhí)行分發(fā)消息，裝載模塊等服務(wù)，針對某一個具體的應(yīng)用，只需要編譯用到的模塊，沒有用到的模塊則不需要加入到最終的應(yīng)用中。 在不更改操作系統(tǒng)內(nèi)核的前提下，應(yīng)用程序能夠按照模塊的形式4浙江理丁大學(xué)碩上論文從內(nèi)核上動態(tài)地裝載或移除。 這樣可以突破傳感器節(jié)點資源受限的瓶頸，讓SOS能夠在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上良好地運行。 3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系研究116】首先，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議符合開放式系統(tǒng)互聯(lián)模式，從通信協(xié)議角度考察，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧研究主要涉及到其物理層協(xié)議研究、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議研究、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議研究、傳輸層以及相關(guān)應(yīng)用層協(xié)議研究。 而從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)方面考察，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧則主要涉及到網(wǎng)絡(luò)拓撲控制研究、傳感器節(jié)點定位技術(shù)研究、時間同步技術(shù)研究、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)研究、QoS管理技術(shù)研究，以及其他如中間件技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)等方面的研究。 其次，設(shè)計簡單高效的協(xié)議棧是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系研究時的首要問題。 網(wǎng)絡(luò)能量不可補充、無線帶寬不足、計算和存儲能有限等諸多方面的限制，要求盡可能地設(shè)計簡單高效的協(xié)議棧，使其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中穩(wěn)定有效地運行。 而由于在實際應(yīng)用中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？赡鼙容^大，為達到自組織、低能耗的網(wǎng)絡(luò)特性，模塊化、跨層次、自適應(yīng)、分布式協(xié)作、以數(shù)據(jù)為中心等許多設(shè)計思想須有所體現(xiàn)。 最后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、算法的設(shè)計和實現(xiàn)與具體的應(yīng)用場景有著緊密的關(guān)聯(lián)。 面向不同的應(yīng)用背景的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所使用的路由機制、數(shù)據(jù)傳輸模式、實時性要求以及組網(wǎng)機制等都有著很大差異，因而網(wǎng)絡(luò)性能各有不同。 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究所提出的各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都是基于某種特定應(yīng)用而提出的，這給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用化設(shè)計和使用帶來了巨大的困難。 如何設(shè)計功能可裁剪、自主靈活、可重購和適應(yīng)于不同應(yīng)用需求的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，將是未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個重要方向。 4無線傳輸技術(shù)研究【17】無線傳輸技術(shù)通常作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層研究范疇。 不同的傳輸技術(shù)不僅對硬件設(shè)計的要求也不同，也對軟件協(xié)議的設(shè)計有著很大影響。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的研究一方面關(guān)系到無線通信中采用的傳輸介質(zhì)，如紅外線、超聲波、射頻段電磁波和超高頻電磁波(微波)等；另一方面還涉及到不同的調(diào)制技術(shù)，如超寬帶(UWB)調(diào)制技術(shù)、直接序列展頻(DSSS)調(diào)制技術(shù)、分組二進制卷積編碼(PBCC)調(diào)制技術(shù)、正交頻分復(fù)用(oFDM)調(diào)制技術(shù)和多入多出正交浙江理工大學(xué)碩上論文頻分復(fù)用(MIMO OFDM)調(diào)制技術(shù)等。 不同的傳輸介質(zhì)和調(diào)制技術(shù)決定了不同的傳輸技術(shù)，因而具有的作用不同，應(yīng)用的場合也不同。 傳輸技術(shù)從根本上影響著整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點鏈路質(zhì)量、數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬以及網(wǎng)絡(luò)能耗等方面，因此，傳輸技術(shù)也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個重要領(lǐng)域。 132國內(nèi)外研究現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最初研究起源于美國軍方，其研究項目主要包括CEC、I迮MBASS、TRSS、Sensor IT、WINS、Smart Dust、SeaWeb、11AMPS和NEST等18，ol，幾乎涵蓋了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從信號處理到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各個方面的研究。 美國國防部遠景計劃研究局已經(jīng)投資上千萬美元，幫助大學(xué)進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。 美國國家自然基金委員會(NSF)也開設(shè)了大量與其相關(guān)的項目，NSF于xx年制定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃，在加州大學(xué)洛杉磯分校成立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心；xx年對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和系統(tǒng)的研究計劃中，主要研究下一代高可靠和高安全的可擴展的網(wǎng)絡(luò)、可編程的無線網(wǎng)絡(luò)及傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性。 美國交通部、能源部、國家航空航天局也相繼啟動了相關(guān)的研究項目。 此外，美國所有的著名院校幾乎都有研究小組從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)研究。 如加州大學(xué)洛杉磯分校、康奈爾大學(xué)、麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)伯克利分校等都先后開展了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作。 德國、英國、芬蘭、日本和韓國等國家的研究機構(gòu)也先后開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。 歐盟第6個框架計劃將“信息社會技術(shù)”作為優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域之一，其中多處涉及對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。 日本總務(wù)省在xx年3月成立了“泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)”調(diào)查研究會。 韓國信息通信部制訂了信息技術(shù)839戰(zhàn)略，其中就包括IT產(chǎn)業(yè)的三大基礎(chǔ)設(shè)施，即寬帶融合網(wǎng)絡(luò)、泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)和下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。 我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，xx年中國科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立了研究與發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中科院無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)工作。 國家自然科學(xué)基金已經(jīng)審批了與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的諸多課題。 xx年將面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布自治系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)調(diào)控制理論列為重點研究項目。 xx年將網(wǎng)絡(luò)傳感器中的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入計劃。 xx年將水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)列為重點研究項目。 國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)6浙江理工大學(xué)碩七論文(GI)示范工程中也部署了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課題。 在一份我國未來20年可預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報告中，信息領(lǐng)域中157項技術(shù)課題中就有7項與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。 xx年年初發(fā)布的國家中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術(shù)定義了三大前沿方向，其中智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。 在此期間，國內(nèi)的一些知名大學(xué)，如清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、南京郵電大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)等院校也相繼開展了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，目前已有越來越多的院校及研究所相繼加入其中。 xx年國家提出以“感知中國”為戰(zhàn)略，將包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)作為我國引領(lǐng)未來科技制高點14本文研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)第一章緒論。 該章首先闡述了課題的、背景及意義，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的主要內(nèi)容與目前研究的基本現(xiàn)狀，最后概括了本文研究的主要內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。 第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。 該章闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)以及主要特點。 從整體上系統(tǒng)地對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)熱點與難點展開闡述。 第三章帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制研究。 該章首先介紹了目前幾種典型的拓撲控制算法；然后從RWSN應(yīng)用相關(guān)性出發(fā)，對RWSN的拓撲控制進行了研究，提出了始于RWSN的拓撲控制算法MCANGD，MCANGD主要在節(jié)點分布和網(wǎng)絡(luò)分簇方面予以研究；并結(jié)合文字描述和理論推導(dǎo)給出了偽代碼實現(xiàn)。 第四章帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合研究。 該章首先介紹了目前幾種典型的數(shù)據(jù)融合機制；然后在MCANGD的基礎(chǔ)上，進一步研究了適于RWSN的數(shù)據(jù)融合算法SDFAM，并結(jié)合文字描述和理論推導(dǎo)給出了偽代碼實現(xiàn)。 第五章仿真實驗與分析。 該章首先對仿真環(huán)境及其參數(shù)配置作了簡單介紹，然后分別對MCANGD和SDFAM算法進行了模擬仿真及實驗分析。 第六章總結(jié)與展望。 對本文的工作進行了總結(jié)，并展望了下一步的工作。 7浙江理工大學(xué)碩I論文21引言第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量廉價、密集的各類集成化的微型傳感器節(jié)點，部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)構(gòu)成的一種無線自組織網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)通過這種“智能節(jié)點”實時地感知和采集各種環(huán)境或?qū)ο笮畔ⅲκ占南嚓P(guān)數(shù)據(jù)進行進一步處理，然后通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點最終再將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶終端或監(jiān)控平臺，從而達到對目標區(qū)域的實時在線監(jiān)測。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的諸多特點，使得其與傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)有著很大技術(shù)差別，即便較一般的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，也存在著諸多不同之處。 因此，本章著重闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各方面的重點研究內(nèi)容。 22無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)是一個很大的概念，包括了單節(jié)點體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)等方面，幾乎涵蓋了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 以下分別對各個方面分別進行說明。 221傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，也是完成包括計算、存儲、通信以及傳感等任務(wù)的執(zhí)行載體。 一個自組織、健全功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包含普通傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和網(wǎng)管節(jié)點。 目前傳感器節(jié)點的硬件、軟件技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點，以下分別從硬件和軟件兩個方面加以說明。 1硬件構(gòu)成傳感器節(jié)點硬件部分通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量管理等模塊組成【2l】，如圖21所示。 從功能角度講，傳感器模塊主要負責(zé)采集各類信息，如溫濕度、化學(xué)成分、加速度、振蕩頻率、電磁信息等，并負責(zé)將模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。 處理器模塊負責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的運行，包括數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲、處理、收發(fā)等諸多任務(wù)。 無線通信模塊負責(zé)與其它節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；通常以無線電波為傳輸介質(zhì)，特殊應(yīng)用場合也有以紅外線和超聲波等作為傳輸介質(zhì)。 能量供應(yīng)模為整個傳感器節(jié)點提供8浙江理工大學(xué)碩士論文節(jié)點運行所需的能量；一般情況下以便攜式一次性微型電池作為電源；隨著各種能鼉轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合具體應(yīng)用場合可以考慮采用能量可再生策略應(yīng)對傳感器節(jié)點能量受限的問題，如光電轉(zhuǎn)換、磁電轉(zhuǎn)換等。 此外，芯片體積、信號調(diào)制、網(wǎng)絡(luò)算法等也在很大程度上與傳感器節(jié)點的能耗有關(guān)。 圖21無線傳感器節(jié)點組成2軟件構(gòu)成軟件構(gòu)成主要是指操作系統(tǒng)。 從應(yīng)用角度講，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)或運行環(huán)境必須支持相應(yīng)的特定節(jié)點，因而操作系統(tǒng)的設(shè)計側(cè)重點也不同。 如考慮到各種復(fù)雜應(yīng)用，通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能需要同時執(zhí)行多個任務(wù)，此時就需要支持并行操作，不同數(shù)據(jù)流同時傳遞。 用戶能夠從操作系統(tǒng)提供的組件集中選擇應(yīng)用需要的最小組件，各個組件能夠并行執(zhí)行，同時等待事件最少、資源消耗最低。 此外傳感器節(jié)點上網(wǎng)絡(luò)化的操作系統(tǒng)種系統(tǒng)比一般嵌入式系統(tǒng)更加強調(diào)協(xié)調(diào)性和實時性。 而在事件驅(qū)動型的網(wǎng)絡(luò)中，將事件驅(qū)動任務(wù)輸入到事件隊列中，當接收到恰當?shù)赜|發(fā)事件時，才開始執(zhí)行，否則，使其空閑，只占用極少地處理時間。 需周期性上報數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)以預(yù)置的速率執(zhí)行數(shù)據(jù)上傳任務(wù)。 有時根據(jù)應(yīng)用需求，可能兼顧多方面性能。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就是一個網(wǎng)絡(luò)化的分布式嵌入式系統(tǒng)，通過無線信道實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信。 為了減少通信量，在本地采集的數(shù)據(jù)在完成必要的融合處理后發(fā)送出去，從而可以協(xié)作地完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。 這就要求節(jié)點具備一定的計算能力和存儲資源。 然而，由于大多數(shù)傳感器節(jié)點都是通過有限能量的一次性電池供電，由于能量受限又不能承載太復(fù)雜和繁重計算，所以節(jié)點的軟件和硬件實現(xiàn)上務(wù)必要高效簡潔，同時必須將硬件和特定的應(yīng)用組件綜合在一起以提供高效模塊化。 通9浙江理工大學(xué)碩士論文常傳感器節(jié)點須在處理能力和生存時間之間尋找最佳平衡的平衡策略221。 222無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)是指節(jié)點分類以及節(jié)點的物理分布狀態(tài)，其中后者又包括節(jié)點的位置分布狀態(tài)、能量初始值等相關(guān)方面。 物理體系結(jié)構(gòu)關(guān)系到整個網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)生存期。 屬于網(wǎng)絡(luò)拓撲控制范疇。 在布置網(wǎng)絡(luò)之前，通常要綜合考慮節(jié)點數(shù)量、感知范圍及通信半徑來確定一定節(jié)點部署部署策略，以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)連通以及感知可靠性的要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點快速、有效組網(wǎng)，這種情況分布的節(jié)點是可控分布的。 相對于可控分布，不可控分布的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更具有一般性。 所有節(jié)點地位平等，沒有預(yù)先指定的中心，各節(jié)點通過分布式算法相互協(xié)調(diào)，可以在無人工干預(yù)和其他預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的情況下，節(jié)點自動組織網(wǎng)絡(luò)。 正是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有中心，所以網(wǎng)絡(luò)不會因為單個節(jié)點的損壞而提前損毀，使得網(wǎng)絡(luò)具有較好的魯棒性和抗毀性。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)節(jié)點的功能不同，可將節(jié)點分為傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點。 匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它充當與Intemet等外部網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的通信轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。 匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。 而傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲可以根據(jù)節(jié)點是否可移動和部署是否可控分為四類123J節(jié)點靜態(tài)、可控部署。 節(jié)點通過人工部署或機器人部署到固定位置，拓撲控制主要是通過控制節(jié)點的位置來實現(xiàn)的，功率控制和睡眠調(diào)度雖然可以使用，但已經(jīng)是次要的了。 節(jié)點靜態(tài)、不可控部署節(jié)點靜態(tài)、隨機地部署到給定區(qū)域，這是大部分拓撲控制研究所做的假設(shè)。 對稀疏網(wǎng)絡(luò)的功率控制和對密集網(wǎng)絡(luò)的睡眠調(diào)度是兩種主要的拓撲控制技術(shù)。 動節(jié)點態(tài)、可控部署這類網(wǎng)絡(luò)中，移動節(jié)點能夠相互定位。 拓撲控制機制融入到移動和定位策略中。 因為移動是主要的能量消耗狀態(tài)，所以節(jié)點間的高效通信不再是首要問題。 因為移動節(jié)點的部10浙江理工大學(xué)碩士論文署不太可能是密集的，所以睡眠調(diào)度也不重要，而層次型拓撲結(jié)構(gòu)控制是主要的拓撲控制技術(shù)。 節(jié)點動態(tài)、不可控部署。 這樣的系統(tǒng)成為移動自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobi le AdHoc Network)。 其難度是無論獨立自治的節(jié)點如何運動，都要保證網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)。 223無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求，設(shè)計適應(yīng)自身特點的通信體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標準化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。 如圖22(a)所示一般而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)。 另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺。 這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作。 如圖22(b)所示，是協(xié)議棧細化并改進的模型。 時間同步和節(jié)點定位子層在協(xié)議棧中的位置比較特殊，它們既要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商，同時又要為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持。 能源管理、拓撲管理以及網(wǎng)絡(luò)管理等諸多機制一部分用于優(yōu)化和管理協(xié)議流程；另一部分獨立在協(xié)議外層，通過各種收集和配置接口對相應(yīng)機制進行配置和監(jiān)控。 (a)(b)圖22無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)從網(wǎng)絡(luò)分層方面剖析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，主要是按不同的功能劃分不同的層，以下則針對一般的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)分別對各層議棧進行說明。 (1)物理層物理層負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)規(guī)范，其主要功能是借助能量高效的信號調(diào)制解調(diào)技術(shù)進行無線通信技術(shù)收發(fā)信號；同時還負責(zé)頻道選擇、信號監(jiān)浙江理工大學(xué)碩上論文聽、數(shù)據(jù)加密、載波生成定時以及時間同步等工作【241。 物理層面臨的主要問題有多徑傳播帶來多徑衰落和碼間干擾，再加上無線信道的廣播特性引起的節(jié)點間的互相干擾，這些因素造成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量差、帶寬低、容量小；另外，物理層的設(shè)計對傳感器節(jié)點電路的復(fù)雜度、節(jié)點能耗等方面也有著重要影響。 因此，設(shè)計一種適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制(Medi umAess Control，MAC)方法，同時使整個網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備互聯(lián)所必須遵守的底層協(xié)議是物理層設(shè)計和研究的目標。 (2)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)介質(zhì)接入控制、建立節(jié)點之間可靠的通信鏈路、數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測和差錯控制【251。 數(shù)據(jù)鏈路層主要由MAC層構(gòu)成，MAC層協(xié)議主要負責(zé)兩個職能其一是組建網(wǎng)絡(luò)底層基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)多跳并具備自組織特性的節(jié)點無線通信，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立。 因為成千上萬個傳感器節(jié)點高密度地分布于監(jiān)測區(qū)域，MAC層需要為數(shù)據(jù)傳輸提供有效的通信鏈路，并為無線通信的多跳傳輸和網(wǎng)絡(luò)的自組織特性提供網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)；其二是為傳感器節(jié)點有效合理地分配資源，以實現(xiàn)平等高效的資源共享，避免點到點之間發(fā)生通信沖突。 因此，設(shè)計高效的調(diào)度機制、低能耗和低復(fù)雜性編解碼、簡捷的差錯檢測和同步的控制方案與協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路層的關(guān)鍵問題。 (3)網(wǎng)絡(luò)層作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)的路由協(xié)議就處于網(wǎng)絡(luò)層中。 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的主要功能是發(fā)現(xiàn)、建立以及維護無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚桑ňW(wǎng)絡(luò)尋址，路由選擇，連接的建立、保持和撤銷等【2引。 路由協(xié)議負責(zé)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)以分組的方式從源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，主要包括兩大功能建立從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由路徑和沿該路徑正確發(fā)送數(shù)據(jù)。 路由協(xié)議的優(yōu)劣會對整個網(wǎng)絡(luò)的性能和工作壽命產(chǎn)生巨大的影響，因此也是研究的熱點領(lǐng)域。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強的應(yīng)用相關(guān)性，因此，很難采用通用的路由協(xié)議。 和傳統(tǒng)的以地址為中心的路由協(xié)議不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是以數(shù)據(jù)為中心的，一般是基于屬性的尋址方式，通常采用按需的被動式路由方式。 因此，設(shè)計有效和安全的路由協(xié)議來提高通信連通性、降低能量消耗、延長網(wǎng)絡(luò)生存時間始終是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。 (4)傳輸層傳輸層主要負責(zé)控制數(shù)據(jù)流的傳輸，并在網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上為應(yīng)用層提供可靠、高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)【27】。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通信是點到點進行12浙江理工大學(xué)碩十論文的，同時還需要兼顧能量消耗，這與其他網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議的要求有所區(qū)別，因此對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議提出了更高的要求。 當無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要接入Intemet或其它外部網(wǎng)時該層才是特別必需的，工作在ISM頻段的設(shè)備可能出現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)包錯誤率，建立一套端到端的傳輸與阻塞控制協(xié)議能夠很好地滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需求。 在協(xié)議棧的高層采用確認與重傳機制明顯要比底層復(fù)雜的錯誤處理控制碼方式易于實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸；另外，由于大量傳感器節(jié)點分布密度可能會高于需求，各傳感器節(jié)點通過在局部區(qū)域內(nèi)信息屬性進行冗余處理，減少和壓縮數(shù)據(jù)量可確保傳輸數(shù)據(jù)的高效性。 (5)應(yīng)用層應(yīng)用層為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和網(wǎng)路提供服務(wù)接口，針對不同的應(yīng)用有著不同的應(yīng)用層算法【28】。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一般都包括時間同步、節(jié)點定位、數(shù)據(jù)融合以及網(wǎng)絡(luò)安全等基礎(chǔ)性的應(yīng)用。 時間同步對采用TDMA休眠機制的節(jié)點而言意義重大，時間片的循環(huán)需要時間同步支持。 節(jié)點定位不僅指定位節(jié)點本身的位置，還包括對移動目標的定位和測距等。 對事件的探測往往需要一個或多個節(jié)點上多種傳感器的協(xié)作，例如在火災(zāi)探測上需結(jié)合煙霧、溫度甚至更多種探測現(xiàn)象加以綜合評定，數(shù)據(jù)融合為多種不同信息結(jié)合提供了可能數(shù)據(jù)融合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層實現(xiàn)，顯然傳輸己融合的信息要比未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)節(jié)省能量。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用無線信號發(fā)送數(shù)據(jù)，存在著信息泄露和篡改等風(fēng)險，而且暴露在無人值守區(qū)域的節(jié)點還面臨著被物理操縱的危險，因此網(wǎng)絡(luò)安全也十分重要。 從網(wǎng)絡(luò)管理方面剖析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，主要是按不同的功能劃分不同的管理平臺。 如分布式網(wǎng)絡(luò)接口管理要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個協(xié)議組件的運行；能量管理中的每個協(xié)議層次中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進行能量分配決策；拓撲管理則利用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層或路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(xié)議的協(xié)議過程，提高協(xié)議效率，減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗；QoS管理在各協(xié)議層設(shè)計隊列管理、優(yōu)先級機制或者帶寬預(yù)留等機制，并對特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特別處理；網(wǎng)絡(luò)管理則要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個協(xié)議組件的運行。 浙江理工大學(xué)碩士論文23無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)231網(wǎng)絡(luò)拓撲控制拓撲控制技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基本問題。 動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點之一，因此拓撲控制策略在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有著重要意義。 它為路由協(xié)議、MAC層協(xié)議、數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等很多方面奠定了基礎(chǔ)。 拓撲控制重點強調(diào)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)性和魯棒性，以提高網(wǎng)絡(luò)通信效率，最大限度地節(jié)省能量來延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。 更確切地說，拓撲控制是從系統(tǒng)的角度來優(yōu)化整個網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和性能。 目前，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層中沒有明確的層次對應(yīng)拓撲控制機制，但大多數(shù)的拓撲控制算法是部署于MAC層和路由層之間的。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制主要研究的問題是在網(wǎng)絡(luò)資源普遍受限的情況下，對于固定或移動特征的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過功率控制、骨干網(wǎng)節(jié)點選擇以及冗余通信鏈路剔除等措施，來減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗和無線通信干擾，并有效改善整體網(wǎng)絡(luò)的連通性、吞吐量與傳輸延時等性能指標。 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的拓撲控制按照研究方向可以分為三類節(jié)點功率控制、層次型拓撲結(jié)構(gòu)控制和節(jié)點睡眠調(diào)度29-30】。 功率控制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的前提下，均衡節(jié)點的單跳可達鄰居數(shù)目。 層次型拓撲控制利用結(jié)構(gòu)化機制，讓一些節(jié)點作為骨干節(jié)點，由骨干節(jié)點形成一個處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點可以暫時關(guān)閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。 而睡H民調(diào)度就是控制傳感器節(jié)點在工作狀態(tài)和睡眠狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。 該機制能夠使節(jié)點在沒有事件發(fā)生時設(shè)置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓撲結(jié)構(gòu)。 這種機制重點在于解決節(jié)點在睡H民狀態(tài)和活動狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換問題，不能夠獨立作為一種拓撲結(jié)構(gòu)控制機制，因此需要與其他拓撲控制算法結(jié)合使用。 232路由傳輸機制網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議負責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它主要包括兩個方面的功能一是尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑；二是將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)【311。 目前根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、路由協(xié)議自身14浙江理工大學(xué)碩士論文特點以及應(yīng)用類型等，將路由協(xié)議分為四個類型以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議；基于層次結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議；基于地理位置的路由有協(xié)議；基于多路徑的路由協(xié)議。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源有限且有高度的應(yīng)用相關(guān)性，高效的路由協(xié)議通常具有以下特點針對能量高度受限的特點，高效利用能量幾乎是設(shè)計的第一策略；針對數(shù)據(jù)報報頭開銷大、通信能耗高、節(jié)點協(xié)作性、數(shù)據(jù)相關(guān)性、節(jié)電能量有限等特點，采用數(shù)據(jù)融合、過濾等技術(shù)；針對流量特征、通信耗能等特點，采用通信負載平衡技術(shù)；針對節(jié)點較少移動的特點，不需維護其移動性；針對網(wǎng)絡(luò)相對封閉、不提供計算等特點，只在匯聚節(jié)點考慮與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；針對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不經(jīng)常編址的特點，采用基于數(shù)據(jù)或位置的通信機制；針對節(jié)點易失效的特點，采用多路徑機制等。 總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不僅要考慮節(jié)點能量消耗、計算能力、鏈路間帶寬限制的問題，更要從整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的角度，根據(jù)具體應(yīng)用的背景來考察網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用，最終延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命期。 更多的情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議要結(jié)合具體的網(wǎng)絡(luò)拓撲控制策略來設(shè)計的。 233數(shù)據(jù)融合機制數(shù)據(jù)融合技術(shù)是將多份數(shù)據(jù)進行處理，去除冗余信息，出更有效、更簡潔、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。 數(shù)據(jù)融合的目的是減少數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量【32】；減少數(shù)據(jù)傳輸沖突碰撞，獲取更準確的信息；降低網(wǎng)絡(luò)擁塞和傳輸延遲以及提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，從而提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體性能。 從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層角度考慮，數(shù)據(jù)融合機制可以與傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個協(xié)議層次進行結(jié)合。 在應(yīng)用層設(shè)計中，可以利用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行逐步篩選，達到融合的效果；在網(wǎng)絡(luò)層中，很多路由協(xié)議均結(jié)合了數(shù)據(jù)融合機制，以期減少數(shù)據(jù)傳輸量；此外，還有研究者提出了獨立于其他協(xié)議層的數(shù)據(jù)融合協(xié)議層，通過減少MAC層的發(fā)送沖突和頭部開銷達到節(jié)省能量的目的，同時又不損失時間性能和信息的完整性。 針對數(shù)據(jù)融合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要性，研究既能在節(jié)省能量、提高信息準確度的同時，要以避免過多地犧牲其他方面的性能為代價，