面向物联网应用的WSN拓扑构造和路由策略的研究.docx

第一章绪论 (5)农业应用。图1．4中的是荷兰的LOFAR(Low Frequency Array)【13】计划在农田中布置的无线传感器网络节点。这个计划的目的是通过无线传感网络获得特定农田的气候细节信息，经过科学分析后减少农药的使用量。同时，农民们可以通过了解无线传感网络提供的天气、土壤和病虫害等信息来提高农产品的产量和品质。 图1．4 LOFAR计划用于农业监测的无线传感网络 (6)智能环境。无线传感网络不仅可以布置在室外作为一个单独的系统存在，还可以嵌入到一个已有的系统中，通过多个系统的联动合作，实现环境的智能化i14J。一辆高级的轿车中可能有数干个传感器遍布其中，如加速踏板传感器、刹车踏板传感器、阀门位置传感器、油量传感器等。这些传感器持续地监控汽车各种参数特征以保证行驶的安 全。在家庭中应用无线传感网络技术后，温度传感器可根据室温控制着家里的空调自主调节温度，光线传感器可根据房屋的采光情况自动控制窗帘的开合，而这些智能的家电同时接入互联网接受人为控制，用户也能够得到家电自主工作的实时信息，这就形成了一个智能的家居环境。 1．2课题相关的研究现状 当前学术界对于无线传感网络的研究涵盖了自物理层至应用层的各个层面，如节点结构优化和布置策略、网络拓扑的控制和同步、MAC和路由协议的设计、数据融合、网络服务质量、安全性能、可编程嵌入式操作系统等。应用场景包含了突发事件和周期数据采集、目标定位和追踪、姿势形态识别、多媒体信息传输、分布式数据库等多个方 面。在大型无线传感网络通信系统的研究中，网络拓扑的构造、路由算法和协议的设计 是最为基础而关键的工作。针对某一应用场景，只有具备了特定且良好的网络拓扑和路 由协议，之后的各种研究才能顺利展开，附加于无线传感网络之上的各种应用才能得到实现。 第一章绪论 近年来，以能量均衡消耗、延长网络寿命、保持覆盖率和连通性等为主要目标，多种机制被应用于无线传感网络的拓扑控制及路由设计中，其中网络成簇、多参考值能量均衡路由等关键理论已经成为国内外多数研究者的共识。图论、蚁群算法等基础或智能 算法也被尝试采用，并取得比较好的效果，同时也不乏物理、生物等交叉学科理论在其 中应用价值的探讨和相关学术论文的发表，为无线传感网络这一朝阳学科又注入了新的活力。 1．3研究目的和意义 无线传感网络的最基本任务就是收集并传递感知数据，保证需求者能够及时、有效地获得可靠的信息。无线传感网络中信息传输的质量决定于整网的通信链路状态，通信链路可能受到地貌、天气等自然条件影响而造成信号衰减、通信质量下降，也可能被其它无线信号干扰甚至人为攻击而无法正常工作，但最常遇到的情况实际是传感器节点“死亡”造成的链路失效、网络拓扑改变，进而无法达到理想的通信质量预期，这种“死亡’’的原因有两种： (1)“非正常死亡的情况：传感器节点自身出现故障或者受外力影响损坏而停止工作。传感器节点被自然力作用或人为从原部署位置搬离而无法有效执行原工作任务甚至不在任何其它节点的通信范围内。由于一般情况下部署后的大规模无线传感网络不会补充后续传感器节点，且如战区、环境恶劣等人无法轻易进入的场景下无法对节点进行更新，如果出现了传感器节点的非正常死亡，网络的拓扑会瞬间变化，严重降低了整个网络的通信质量。 (2)“正常死亡”的情况：传感器节点由于能量耗尽而停止工作。如果整网能量消耗不平衡，造成部分传感器节点能量消耗速度超出其它节点，将提前能量耗尽而“死亡”。这种能量消耗的不平衡，与感知信息的产生本身在时间和空间上的不平衡有关，更主要原因是传感器节点的分布或路由协议的设计造成数据转发负担过重而使节点处于数据 热区(Data Hotspot)。数据热区内的传感器节点因高负载，能量较快耗尽后便停止工作，由于传感器本身一般无法自行补充能量，也无法由人工更换电源模块，于是在该区域便形成了一个没有转发节点“存活”的能量空洞(Energy Hole)，进而破坏了信息的有效感知和全网数据的正常传输。 本课题研究的应用场景是用于静态数据收集和事件发现的大规模无线传感网络，具 体研究目的如下： (1)对于以上多种原因造成的传感器节点失效，探究无线传感网络节点间通信的细节，从整网的角度分析无线传感网络拓扑的性质，用新手段构造一种性能良好的网络拓扑。该拓扑将具备较高的鲁棒性和容错性，降低节点相继故障的可能，最大限度地保证 全网信息感知和数据传输任务的有效完成，并为下一步路由策略的实现提供量化的建模 基础。 (2)设计一种能晕凶素主导的路由协议，其中路由算法部分综合考虑节点剩余能鼍、区域【白f积能培情况和通信链路的质量，以局部区域能量平衡消耗为出发点，最终实现全