KC04070202-m05無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及仿真平臺介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,WSN）是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在下一代網(wǎng)絡(luò)中將為人們提供最直接、最有效、最真實(shí)的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。已經(jīng)引起了許多國家學(xué)術(shù)界和工

2、業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network）簡稱WSN,是一種由大量小型傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò)。這些小型傳感器一般稱作sensor node（傳感器節(jié)點(diǎn)）或者mote（灰塵）。此種網(wǎng)絡(luò)中一般也有一個(gè)或幾個(gè)基站（稱作sink）用來集中從小型傳感器收集的數(shù)據(jù)。本文在闡述WSN的良好節(jié)點(diǎn)模型、結(jié)構(gòu)框架及設(shè)計(jì)、路由協(xié)議、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方向，并根據(jù)WSN的技術(shù)特點(diǎn)對主流仿真環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了WSN仿真的關(guān)鍵指標(biāo)和重點(diǎn)問題，并預(yù)測WSN的發(fā)展和研究方向。1 WSN技術(shù)特點(diǎn)分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量

3、的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收

4、集監(jiān)測數(shù)據(jù)。因此，需要從節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)考慮以下幾個(gè)方面因素： （1）從單純的傳感節(jié)點(diǎn)方面看，主要涉及傳感節(jié)點(diǎn)能耗、存儲空間、帶寬限制、操作和調(diào)試等，其目標(biāo)主要體現(xiàn)在在現(xiàn)有的硬件資源下，如何從軟件設(shè)計(jì)和功能上做出權(quán)衡。（2）從網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)生成設(shè)計(jì)方面看，WSN可分單跳和多跳網(wǎng)絡(luò)。特別針對大規(guī)模多跳WSN,傳感節(jié)點(diǎn)分布的地理區(qū)域大、數(shù)量大、分布密集，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大而復(fù)雜。這是網(wǎng)絡(luò)生成涉及的技術(shù)難點(diǎn)，也是本文主要研究的內(nèi)容。大規(guī)模多跳WSN中有一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)，稱為匯聚（sink）節(jié)點(diǎn)或基站，傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，測控的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸。在傳輸過程中測控?cái)?shù)據(jù)可能被多個(gè)

5、節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理控制臺。其中主要涉及網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性和可擴(kuò)展性，如：由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)無線通信鏈路的變化，導(dǎo)致傳感節(jié)點(diǎn)通信時(shí)斷時(shí)通，或者節(jié)點(diǎn)能耗問題造成傳感節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效，或者感知對象的移動、新傳感節(jié)點(diǎn)的加入或老傳感節(jié)點(diǎn)刪除等。（3）從相配套的協(xié)議和路由的選擇方面看，由于傳感節(jié)點(diǎn)本身的限制和應(yīng)用需求，不可能完全采用網(wǎng)絡(luò)7層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)或TCP/IP協(xié)議。為了延長整體網(wǎng)絡(luò)生命期，往往需要對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行重新定義，特別是在路由和傳輸層協(xié)議設(shè)計(jì)方面可對減少能耗起到關(guān)鍵作用，因此要求選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖疃搪窂?。但最短路徑的選擇本身是NP難問題，

6、特別是在延長網(wǎng)絡(luò)整體生命期和傳輸數(shù)據(jù)最短路徑上需要權(quán)衡。目前各類路由傳輸算法協(xié)議只在某些方面做出優(yōu)化，其適用場合也會因?yàn)閼?yīng)用環(huán)境及規(guī)模而變化，通用的、達(dá)到最好效能的路由和數(shù)據(jù)融合算法當(dāng)前并不存在。其仿真技術(shù)關(guān)注點(diǎn)往往也是偏重某個(gè)或某些技術(shù)研究。下面對當(dāng)前幾種仿真平臺進(jìn)行分析和研究。2 主流仿真平臺分析及研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真是評估WSN性能的有效方法之一，其優(yōu)越性體現(xiàn)在初期應(yīng)用成本不高，構(gòu)建好的網(wǎng)絡(luò)模型可以延續(xù)使用，后期投資不斷下降。因此，一種好的WSN仿真平臺的關(guān)鍵技術(shù)研究相當(dāng)重要。2.1 基于通用網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺（1）NS2.NS2是由伯克利大學(xué)1989年開始開發(fā)的一種源代碼開放的共享軟件，

7、是一種可擴(kuò)展、可重用、基于離散事件驅(qū)動、面向?qū)ο蟮姆抡孳浖?.NS2可以用于仿真各種不同的IP網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了多播、一些MAC子層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（如：TCP/UDP協(xié)議）、業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器、路由隊(duì)列管理機(jī)制以及路由算法等。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型拓?fù)洌▎翁┖蛯Φ仁酵負(fù)洌ˋd Hoc網(wǎng)絡(luò)多跳形式）2種，通過編程語言O(shè)TCL（具有面向?qū)ο筇匦缘腡CL腳本程序設(shè)計(jì)語言）和C+實(shí)現(xiàn)。（2）OPNET.OPNET是一個(gè)強(qiáng)大的、面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動的通用網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。作為一個(gè)全面的集成開發(fā)環(huán)境，在無線傳輸方面的建模能力涉及仿真研究的各階段，包括模型設(shè)計(jì)、仿真、數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)分析，所有的無線特性與高層協(xié)議模型無

8、縫連接。當(dāng)然，還有其他通用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的仿真環(huán)境，如GloMoSim、SENSE、Shawn等。2.2 基于TinyOS的仿真平臺TinyOS是UC Berkeley（加州大學(xué)伯克利分校）開發(fā)的開放源代碼操作系統(tǒng)，專為嵌入式無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，操作系統(tǒng)基于構(gòu)件（component-based）的架構(gòu)使得快速的更新成為可能，而這又減小了受傳感網(wǎng)絡(luò)存儲器限制的代碼長度。TinyOS的構(gòu)件包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)器、傳感器驅(qū)動及數(shù)據(jù)識別工具。其良好的電源管理源于事件驅(qū)動執(zhí)行模型，該模型也允許時(shí)序安排具有靈活性。TinyOS已被應(yīng)用于多個(gè)平臺和感應(yīng)板中。目前基于TinyOS主流仿真平臺有2種。（1）TOSSIM.TOSSIM是一種基于嵌入式TinyOS操作系統(tǒng)的WSN節(jié)點(diǎn)仿真環(huán)境的實(shí)現(xiàn)代表，源碼公開，主要應(yīng)用于MICA系列的WSN節(jié)點(diǎn)。其仿真應(yīng)用隨同TinyOS被編譯進(jìn)事件驅(qū)動的模擬仿真器。由于TinyOS基于組件的特性和仿真環(huán)境運(yùn)行的程序與網(wǎng)絡(luò)硬件程序基本相同，其代碼可以不變地移植到實(shí)際節(jié)點(diǎn)上，只是在一些底層相關(guān)部分有所不同。（2）OMNET+.OMNE