嵌入式Web傳感器的研究與應用及能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制研究

PAGE10PAGE嵌入式Web傳感器的研究與應用摘要：本文在分析了傳統(tǒng)傳感器和智能傳感器的不足之處的基礎上，結(jié)合IEEE1451標準，著重介紹了嵌入式Web傳感器的結(jié)構(gòu)與功能，并闡述了其發(fā)展前景和存在的問題。Abstract:OnthebasisofanalyzingtheshortcomingsoftheDumbSensorandtheSmartSensor,theauthorintroducedtheEmbeddedWebSensorbythelinkoftheIEEE1451.關鍵字：網(wǎng)絡傳感器嵌入式Web傳感器IEEE1451KeyWords：NetworkedSensorEmbeddedWebSensorIEEE1451一、嵌入式Web傳感器的必然性1.1網(wǎng)絡傳感器的必然性傳感器是人類探知自然界信息的觸角,它可將人們需要探知的各種非電量信息轉(zhuǎn)化成可測的電量信息,是信息系統(tǒng)的第一道門檻,為人們認識和控制相應的對象提供條件和依據(jù)。作為現(xiàn)代信息技術(shù)三大核心技術(shù)之一的傳感器技術(shù),從誕生到現(xiàn)在,已經(jīng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)的傳感器(DumbSensor)、“智能傳感器”(SmartSensor)[1]、“網(wǎng)絡化傳感器”(NetworkedSensor)[2]的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的傳感器基本上分為電阻式和電容式，它的設計指導思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號,然后通過變送器以電壓或電流方式連接到采集器。它輸出幅值小,靈敏度低,而且功能單一,因而被人們稱為“聾啞傳感器”。人們將微處理器技術(shù)、智能技術(shù)和微機械加工技術(shù)（MEMS）應用于傳感器，傳感器性能的改變不再僅僅依賴硬件的改進，而是用存放于微處理器中的功能強大的軟件對系統(tǒng)進行非線性自動校正、自校零、自校準、自補償、自檢驗、抑制噪聲等處理，增強了傳感器的“智能化”功能，這就是智能傳感器[3]。智能傳感器仍然存在缺陷。例如，在數(shù)據(jù)通信方面，傳感器與控制設備之間仍然采用傳統(tǒng)的模擬電壓和電流信號進行通信，沒有根本解決布線復雜和抗干擾性差的問題。網(wǎng)絡傳感器的出現(xiàn)成了歷史的必然。網(wǎng)絡傳感器的輸出信號是符合某種網(wǎng)絡協(xié)議的數(shù)字信號，這就從根本上解決了傳統(tǒng)傳感器和智能傳感器的缺陷，使得網(wǎng)絡傳感器的精度更高、傳輸距離更遠、抗干擾性更強。1.2嵌入式Web傳感器的必然性根據(jù)網(wǎng)絡傳感器所遵從的協(xié)議不同，可以將其分為基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡傳感器和基于Internet的網(wǎng)絡傳感器?；诂F(xiàn)場總線網(wǎng)絡傳感器的測控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1典型的分布式測量和控制系統(tǒng)目前市場上現(xiàn)場總線多種多樣，較為流行的現(xiàn)場總線有CAN（控制局域網(wǎng)絡），Lonworks(局部操作網(wǎng)絡)、Profibus（過程現(xiàn)場總線）、HART（可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通信）、FF（基金現(xiàn)場總線）等。各種現(xiàn)場總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、通信接口、通信協(xié)議各不相同，使得基于現(xiàn)場總線的傳感器/執(zhí)行器（Sensor/Actuator）接口協(xié)議標準各異，這就要求智能傳感器必須符合所在現(xiàn)場總線的有關規(guī)定，從而給系統(tǒng)的擴展、維護等帶來不利的影響。對于傳感器生產(chǎn)商而言，要開發(fā)出為所有控制網(wǎng)絡支持的傳感器，是不現(xiàn)實的，所以現(xiàn)有的智能傳感器只能用在特定的現(xiàn)場總線中；對于用戶來說，如果所需要的智能傳感器不支持現(xiàn)有的現(xiàn)場總線，是更換現(xiàn)有的現(xiàn)場總線(顯然這樣代價太大)，還是忍痛割愛，選擇現(xiàn)有現(xiàn)場總線支持但不太符合需要的智能傳感器？哪種選擇都不理想。如果所使用的傳感器是基于TCP/IP協(xié)議的，那么它將直接與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）或因特網(wǎng)(Internet)相連，從而使數(shù)據(jù)采集、信息傳輸?shù)榷寄苤苯釉贗ntranet/Internet上進行，既統(tǒng)一了標準，又使工業(yè)測控數(shù)據(jù)能直接在Intranet/Internet上動態(tài)發(fā)布和共享，供相關技術(shù)人員、管理人員參考，這樣就把測控網(wǎng)（Infranet）和信息網(wǎng)（Intranet）有機地結(jié)合了起來，使得工廠或企業(yè)擁有一個一體的網(wǎng)絡平臺，無論從成本、管理、維護等方面考慮，都是一個最佳的選擇。于是就有了本文要論述的嵌入式Web傳感器，下面將對之進行詳細的介紹。二、嵌入式Web傳感器簡介2.1嵌入式Web傳感器的定義與特點嵌入式Web傳感器的實質(zhì)是在傳統(tǒng)傳感器的基礎上實現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡化、智能化和微型化，其核心是使傳感器本身實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡通信協(xié)議，將傳感器作為網(wǎng)絡節(jié)點直接與計算機網(wǎng)絡通信，可以利用Internet上的任意一臺PC通過瀏覽器與該傳感器通信。確切地說，嵌入式Web傳感器已不再是簡單意義上的“傳感器”，它已經(jīng)涵蓋了以前是屬于儀器和微型計算機所具有的功能。嵌入式Web傳感器具有如下特點：第一，具有高可靠性、低功耗、低成本和微體積等特點；第二，可根據(jù)輸入信號進行判斷和制定決策，具有自檢測、自校準和自保護功能；第三，不同的應用系統(tǒng)無須采用不同的傳感器，可在單一傳感器的基礎上通過軟件設計來改變傳感器的功能，以滿足客戶的不同需求；第四，采用當今最為流行的TCP/IP網(wǎng)絡通信協(xié)議為載體，利用Internet傳輸傳感器數(shù)據(jù)，與外部進行信息交換；第五，嵌入式Web傳感器組成的控制網(wǎng)絡與計算機網(wǎng)絡直接通信，技術(shù)人員利用瀏覽器通過網(wǎng)絡管理嵌入式Web傳感器的工作狀態(tài)，實施遠程測控；第六，采用即插即用技術(shù)，具有良好的開放性、可升級性和可維護性，方便測控系統(tǒng)的集成；第七，實現(xiàn)了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送向網(wǎng)絡化的信息管理與集成的轉(zhuǎn)移。2.2嵌入式Web傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式Web傳感器主要由三部分組成：敏感單元、智能處理單元和TCP/IP通信協(xié)議接口[3]。從原理結(jié)構(gòu)上來說，基于Internet的嵌入式Web傳感器可以用圖2來表示。圖2基于Internet的嵌入式WEB傳感器的體系結(jié)構(gòu)從框圖中我們可以看到，傳統(tǒng)的傳感器在嵌入式Web傳感器中只占其中的一部分，其核心部分是完成信號處理、數(shù)據(jù)交換和控制的嵌入式智能單元以及完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP/IP網(wǎng)絡接口，通過微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)的使用，使傳感器本身實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理的智能化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP/IP網(wǎng)絡化。2.3嵌入式Web傳感器的技術(shù)基礎[3]微處理器技術(shù)的發(fā)展促進了傳感器的智能化，微機械加工技術(shù)的發(fā)展為傳感器的微型化提供了可能，基于TCP/IP協(xié)議的Internet技術(shù)的發(fā)展為傳感器的網(wǎng)絡化提供了必要的技術(shù)手段，這三大技術(shù)的日漸融合促進了基于Internet的嵌入式Web傳感器的產(chǎn)生。具體地講，嵌入式Web傳感器的實現(xiàn)需要硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的緊密配合。其中硬件技術(shù)有[3]：a)嵌入式網(wǎng)絡硬件技術(shù)：微處理器、數(shù)據(jù)采集和信號處理、TCP/IP等嵌入式網(wǎng)絡硬件的飛速發(fā)展是嵌入式Web傳感器發(fā)展的重要保證。目前，美國ConnectOne公司、Philips公司、EmWare公司、TASKING公司和國內(nèi)的P&S公司等均提供基于Internet的Device-Networking的軟件、固件(Firmware)和硬件產(chǎn)品。此外，在數(shù)據(jù)采集、DSP、TCP/IP、STIM、NCAP方面都不斷有新型的專用接口模塊產(chǎn)生，例如完成數(shù)據(jù)采集的有ADµ、c812、CS5511、TLC548；完成DSP的有TMS320C2000TMDSP；完成STIM和NCAP的有EDI1520、PLCC-44，而AnalogDevices公司生產(chǎn)的芯片ADCu812就可用來執(zhí)行IEEE1451.2的STIM端的工作；完成TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換的有研華公司的ADAM4572、ADAM4570；目前已有TCP/IP芯片（如美國SeikoInstruments公司生產(chǎn)的ichipS7600A芯片可直接用作網(wǎng)絡接口[4]）等等。隨著這些專用模塊和MCU的不斷發(fā)展，完全可以保證在片上系統(tǒng)實現(xiàn)具有Internet功能的Web傳感器。b)大規(guī)模集成電路技術(shù)：利用大規(guī)模集成電路技術(shù)將敏感元件、信號處理器和微處理器集成在一塊硅片上，形成一個"單片智能傳感器"，是一個對外界信息具有檢測、數(shù)據(jù)、處理、判斷、識別、自診斷和自適應能力的多功能傳感器，還能實現(xiàn)與主機遠距離、高速度、高精度的傳輸。這類傳感器具有小型化、性能可靠、能批量生產(chǎn)、價格低廉的優(yōu)點。嵌入式Web傳感器用到的軟件技術(shù)有：a)嵌入式Web服務器：嵌入式Web傳感器只需要完成基本參數(shù)和采集數(shù)據(jù)的傳遞，所以對Web功能要求比較簡單，只需要幾個簡單的控制命令和完成基本的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)這個特點，可以綜合采用Internet技術(shù)、操作系統(tǒng)剪裁技術(shù)，在ROMDOS上實現(xiàn)了一個最小化剪裁的嵌入式Web服務器，只保留了最基本的控制命令，其它與傳感器數(shù)據(jù)傳送要求無關的命令都剪裁掉。它接收瀏覽器的訪問，實現(xiàn)瀏覽器命令到設備管理命令、數(shù)據(jù)的解析。瀏覽器訪問命令有GET、POST、READ等，一般只要支持文件獲取命令GET就可以了。最小化裁剪的Web服務器程序可以設計為一個標準的子程序，嵌入在應用程序中，故稱之為嵌入式Web服務器。另外，也可根據(jù)需要在Web服務器模塊中提供CGI、JAVA腳本、嵌入式數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，也可加入GET、POST、READ等Web協(xié)議以外的自定義命令和數(shù)據(jù)通訊格式，這時需要在Web服務器功能、復雜度、可靠性和尺寸大小等方面進行權(quán)衡和選擇。b)Web遠程信號采集：利用內(nèi)嵌在網(wǎng)頁中的程序、ActiveX控件等服務程序，可以很方便地通過Internet實現(xiàn)傳感器信號的遠程數(shù)據(jù)采集，用戶可以通過瀏覽器設定采樣參數(shù)、啟動采樣過程和獲取采樣數(shù)據(jù)。有一點要指出的是，由于傳感器的軟、硬件資源畢竟有限，要使它象PC微機那樣成為一個全功能的Internet節(jié)點，顯然是不可能的，也是沒有必要的[4]。2.4嵌入式Web傳感器的前景展望目前，包括Siemens/Infineon、Philips與Motorola在內(nèi)的數(shù)十家大公司聯(lián)合成立了“嵌入式Internet聯(lián)盟（ETI）”，共同推動著嵌入式Internet技術(shù)和市場的發(fā)展[4]。具有Internet/Intranet功能的網(wǎng)絡化智能傳感器技術(shù)已經(jīng)不再停留在論證階段或?qū)嶒炇译A段，越來越多成本低廉具備Internet/Intranet網(wǎng)絡化功能的智能傳感器/執(zhí)行器涌向市場，正在并且將要更多更廣地影響著人類生活?？梢灶A見，在網(wǎng)絡化測控、嵌入式網(wǎng)絡和e-維護技術(shù)三個領域中，嵌入式Web傳感器都將起到重要作用[3]。在國防、通信、航空、航天、氣象、制造等領域，對大范圍的網(wǎng)絡化測控將提出更迫切的需求，嵌入式Web傳感器必將很快發(fā)展并成熟起來，從而有力地帶動和促進現(xiàn)代測量技術(shù)即網(wǎng)絡測量技術(shù)的進步。在此基礎上，嵌入式網(wǎng)絡、e-維護等技術(shù)也會蓬勃發(fā)展起來，對工業(yè)和社會的進步產(chǎn)生深遠影響。而同時，嵌入式Web傳感器使得“數(shù)字地球”成為可能。屆時，無數(shù)因特網(wǎng)的節(jié)點（具有Internet/Intranet功能的網(wǎng)絡化智能傳感器）將發(fā)揮著神經(jīng)細胞的功能，它將使地球披上一層“電子皮膚”[4]，地球用因特網(wǎng)在支持和傳遞著它的“感覺”，無處不在的網(wǎng)絡化智能傳感器（包括氣象參數(shù)傳感器、水土分析傳感器、污染檢測器、電子眼、電子鼻、葡萄糧傳感器和腦電圖儀等等）探測和監(jiān)視著我們的城市、大氣、船只、車流和我們?nèi)祟愖约?。三、IEEE1451系列標準簡介3.1IEEE1451系列標準發(fā)展歷程鑒于現(xiàn)場總線的混亂，為了實現(xiàn)智能傳感器接口總線的統(tǒng)一，IEEE-TC9在1993年9月決定制定一種智能傳感器通信接口。1994年3月，NIST(theNationalInstituteofStandardandTechnology)和IEEE(theInstituteofElectrical&ElectronicEngineer)共同組織了一次關于制定智能傳感器接口的研討會，會上討論了開發(fā)這樣一種簡化控制網(wǎng)絡和智能傳感器連接標準接口的可能性。從那以后，連續(xù)召開四次研討會，直到1995年4月,成立了兩個專門的技術(shù)委員會：P1451.1工作組和P1451.2工作組。P1451.1工作組主要負責智能變送器的公共目標模型進行定義和對相應模型的接口進行定義；P1451.2工作組主要定義TEDS和數(shù)字接口標準，包括STIM和NACP之間的通訊接口協(xié)議和管腳定義分配[5]。在1997年和1999年IEEE先后頒布了IEEE1451.2標準和IEEE1451.1標準。1998底，技術(shù)委員會針對大量的模擬量傳輸方式的測量控制網(wǎng)絡及小空間數(shù)據(jù)交換問題，鑒于許多混合型智能傳感器（即能非同時地以模擬和數(shù)字的方式進行通信）由于沒有統(tǒng)一的標準，成立了另外兩個工作組P1451.3和P1451.4。其中P1451.3負責制定模擬量傳輸網(wǎng)絡與智能網(wǎng)絡化傳感器的接口標準；P1451.4負責制定小空間范圍內(nèi)智能網(wǎng)絡化傳感器相互之間的互聯(lián)標準。IEEE1451.4就是一個混合型的智能傳感器接口的標準，它通過提供一個與傳統(tǒng)傳感器兼容的通用IEEE1451.4傳感器通信接口使得傳感器具有即插即用功能，在傳統(tǒng)儀器與智能混合型（smartmixed-mode）傳感器之間提供了一個橋梁。IEEE1451.4標準通過定義不依賴于特定控制網(wǎng)絡的硬件和軟件模塊來簡化網(wǎng)絡化傳感器的設計，使得工程師們在選擇傳感器時不用考慮網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這就減輕了制造商要生產(chǎn)支持多網(wǎng)絡的傳感器的負擔，也使得用戶在需要把傳感器移到另一個不同的網(wǎng)絡標準時可減少開銷[5]。3.2IEEE1451標準的優(yōu)越性IEEE1451是為變送器制造商和用戶提供的一種有效而經(jīng)濟的方式以支持各種控制網(wǎng)絡。IEEE1451標準接口的結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]：圖3.不同網(wǎng)絡總線IEEE1451轉(zhuǎn)換方案針對上圖的幾點說明：第一層模塊結(jié)構(gòu)用來運行網(wǎng)絡協(xié)議棧（NetworkProtocolStack）和應用硬件（ApplicationFirmware）,即網(wǎng)絡匹配處理器NCAP(NetworkCapableApplicationProcessor);第二層模塊為智能變送器接口模塊STIM（SmartTransducerinterfaceModule）,其中包括變送器和變送器電子數(shù)據(jù)單TEDS（TransducerElectronicDataSheet）。這樣在基于各種現(xiàn)場總線的分布測量控制系統(tǒng)中，各種變送器的設計制造無須考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。3.3.IEEE1451.2標準簡介[6]IEEE1451.1標準定義了網(wǎng)絡獨立的信息模型，使傳感器接口與NCAP相連，它使用了面向?qū)ο蟮哪Ｐ投x提供給智能傳感器及其組件；IEEE1451.2標準定義了一個連接傳感器到微處理器數(shù)字接口（STIM），并通過網(wǎng)絡適配器（NCAP）把傳感器和執(zhí)行器連接到網(wǎng)絡。據(jù)IEEE和NIST最新資料，1451.X標準之間可以一起使用，也可以單獨使用[7]。IEEE1451.2是一個開放的標準，它的目標不是開發(fā)另外一種控制網(wǎng)絡，而是在控制網(wǎng)絡和傳感器之間定義一個標準接口，使傳感器的選擇和控制網(wǎng)絡的選擇分開，從而使用戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同廠家生產(chǎn)的智能傳感器而不受限制，實現(xiàn)真正意義上的即插即用(PlugandPlay)?；贗EEE1451.2標準的網(wǎng)絡Web傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖4IEEE1451.2傳感器的結(jié)構(gòu)框圖IEEE1451.2主要定義了STIM(SmartTransducerInterfaceModule)的內(nèi)容,其中主要包括TEDS(TransducerElectronicDataSheet)和TII(TransducerIndependentInterface)。TEDS是IEEE1451.2標準的核心,提供了對廣大范圍傳感器(sensor)、緩存?zhèn)鞲衅?bufferedsensor)、數(shù)據(jù)系列傳感器(datasequencesensor)、事件系列傳感器(eventsequencesensor)、執(zhí)行器(actuator)等模型的支持,并具有自動識別這些傳感器和執(zhí)行器的能力。TEDS完整詳細地描述了它支持的傳感器和執(zhí)行器的類型、操作和屬性。TEDS被分成8個可以尋址的部分,其中只有MetaTEDS和ChannelTEDS是必須要的,其余的6個TEDS可以根據(jù)需要選擇。每個STIM包括1個MetaTEDS，用來描述TEDS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、STIM的極限時間參數(shù)和通道組信息等有關STIM的總體信息；每個STIM通道包括1個ChannelTEDS，主要用來對每個通道的具體信息，如：函數(shù)模型、校準模型、通道的物理屬性、返回的數(shù)據(jù)類型和格式、對象使用上下極限、使用時限等參數(shù)。TII并非是額外的一種網(wǎng)絡協(xié)議，而是用于連接NCAP和STIM的點對點、時鐘同步、短距離的接口，共有10個引腳。IEEE1451.2標準詳細定義了這10個引腳的功能，并定義了NCAP和STIM數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。3.4IEEE1451系列標準的發(fā)展動向[5]IEEE和NIST還在著手制定無線連接各種傳感設備的接口標準，該標準的名稱為“IEEEP1451.5”，主要用于利用電腦等主機設備綜合管理建筑物內(nèi)各傳感設備獲得的數(shù)據(jù)，還將包括把傳感器獲得的信息用于WWW等外部網(wǎng)絡的表述方式。如果這一過程中的傳送方式能得到統(tǒng)一，則有望降低無線傳送部分的成本。IEEE1451中將包括自動進行傳感器微調(diào)的結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)通用即插即用（UPnP）的方法等。此前制訂的標準主要是面向有線接入用途，但隨著無線通信的硬件及軟件價格的降低，無線支持功能便被提上了議事日程。IEEEP1451.5將對物理層的傳送方式等問題做出規(guī)定。正在探討IEEE802.15.1（藍牙協(xié)議）、IEEE802.15.4（介于無線識別技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案）以及IEEE802.11b等無線通訊協(xié)議的使用問題。還將著手制定耗電量、傳送距離以及接收/發(fā)送部件的成本等方面的標準，推動無線通訊網(wǎng)絡化儀器的進步。四、嵌入式Web傳感器的研究現(xiàn)狀及存在的問題正是由于信息傳感器廣泛的市場前景和無所不在的應用領域，如智能交通系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實（VR）應用、信息家電、家庭自動化、工業(yè)自動化、POS網(wǎng)絡、電子商務、環(huán)境監(jiān)測及遠程醫(yī)療等等，國內(nèi)外相關研究正方興未艾，各類方法和實現(xiàn)方案不斷涌現(xiàn)，各有特點和優(yōu)勢?？傮w上講，這些研究無非是兩大類，一類是直接在智能傳感器上實現(xiàn)TCP/IP，使之直接連上Internet；另一類是智能傳感器通過公共的TCP/IP轉(zhuǎn)接口（或稱網(wǎng)關Gateway）與Internet相連[4]。4.1直接在智能傳感器上實現(xiàn)TCP/IP典型代表是HP公司設計的一個測量流量的信息傳感器模型，它是IEEE1451接口標準的一個典型應用。該傳感器模型是采用BFOOT-66051（一種帶有定制Web頁的嵌入式以太網(wǎng)控制器）來設計的，STIM（SmartTransducerInterfaceModule，智能變送器接口模塊）用以連接傳感器，NCAP（NetworkCapableApplicationProcessor，網(wǎng)絡適配器）用以連接Ethernet或Internet。STIM內(nèi)含一個支持IEEEP1451數(shù)字接口的微處理器，NCAP通過相應的P1451.2接口訪問STIM，每個NCAP網(wǎng)頁中的內(nèi)容通過PC機上的瀏覽器可以在Internet上讀取。STIM和NCAP接口有專用的集成模塊問世，如EDI1520，PLCC-44，這就使在片上系統(tǒng)實現(xiàn)具有Internet/Intranet功能的網(wǎng)絡化智能傳感器成為可能。例如AnalogDevices已經(jīng)推出了基于IEEE1451的MicroConverter系列產(chǎn)品。4.2智能傳感器通過公共的TCP/IP轉(zhuǎn)接口與Internet相連后一類的典型代表是美國國家儀器公司的GPIB-ENET控制器模塊，它包含一個16位微處理器和一個可以將數(shù)據(jù)流的GPIB格式與Ethernet格式相互轉(zhuǎn)換的軟件，將這個控制器模塊安裝在傳感器或數(shù)據(jù)采集儀器上，就可以和Internet互通了。另一個典型代表是Emware的EMIT（嵌入式微互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)），也是利用網(wǎng)間連接器模式的解決方案。中國單片機公共實驗室基于EMIT軟件提出的BOL-IST方案在國內(nèi)相關研究中有一定優(yōu)勢。EMIT采用桌面計算機或高性能的嵌入式處理器作為網(wǎng)關，稱為EmGateway，上面支持TCP/IP協(xié)議并運行HTTP服務程序，形成一個用戶可以通過網(wǎng)絡瀏覽器進行遠程訪問的服務器。EmGateway通過RS-232、RS-485、CAN、紅外及射頻等通信方式與多個嵌入式設備聯(lián)系起來，每個嵌入式設備的應用程序包含一個獨立的通信任務，稱為EmMicro，監(jiān)測嵌入式設備中預先定義的各個變量，并將結(jié)果反饋到EmGateway中，同時EmMicro還可以解釋Gateway的命令，修改設備中的變量，或進行某種控制。EmMicro和EmGateway一起為嵌入式設備中的傳感器/執(zhí)行器提供了Internet/Intranet功能[4]。4.3無線網(wǎng)絡傳感器在無線網(wǎng)絡傳感器方面，英特爾公司已有成型的產(chǎn)品面市。英特爾的網(wǎng)絡傳感器原型產(chǎn)品是基于現(xiàn)在大量使用的PXA255集成處理器模塊，使用802.11或以太網(wǎng)技術(shù)把傳感器和IP網(wǎng)絡連接在一起，外形也很小。而用來感知真實物理世界的則是只有幾十克重的個人傳感器節(jié)點(individualsensornode)，包括StrongARM處理器和藍牙技術(shù)，被稱為iMote(智能塵埃)的無線網(wǎng)絡調(diào)查平臺，它含有傳感器、處理器、電池、網(wǎng)絡連接裝置、存儲單元等一系列我們今天在電腦里才會看到的功能模塊。個人iMote能方便拿在手上，有一層白色的塑料保護膜，像管子附件，使用時擰開塑料帽即可。2002年夏，研究人員把許多被稱為“塵?！钡暮苄〉谋O(jiān)控裝置裝到了緬因州海岸的一個小島上有海燕巢的洞穴中，通過網(wǎng)絡傳感器監(jiān)測氣溫、風力、鳥兒的活動來進行生物學研究。僅僅三個月，監(jiān)測人員就收到300萬條信息[8]。五、研究方向產(chǎn)品標準化是未來的必然趨勢，要想使某一種產(chǎn)品得到用戶的認可并得到長遠的發(fā)展，必須在設計之初就緊跟行業(yè)或國際標準。IEEE1451為變送器制造商和用戶提供了一種有效而經(jīng)濟的方式以支持各種控制網(wǎng)絡，它的模塊化設計思想既簡化了設計步驟，又使不同廠家之間的合作開發(fā)成為可能。鑒于短期內(nèi)智能傳感器仍然占據(jù)一定的市場而不會馬上退出歷史舞臺，開發(fā)一種符合IEEE1451標準的接口模塊以使智能傳感器實現(xiàn)嵌入式Web傳感器的功能就成為了一種實用的設計方案。六、參考文獻[1]陳忠碧.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的智能傳感器.信號處理.2000(1)[2]繆曉波.智能傳感器·網(wǎng)絡傳感器·信息傳感器.信號處理.2000(1)[3]朱文凱，何嶺松，丁漢.基于Internet的嵌入式Web傳感器.華中科技大學智能維護技術(shù)中心.武漢.430074[4]具有Internet/Intranet功能的網(wǎng)絡化智能傳感器的現(xiàn)狀與展望.中國智能建筑專家網(wǎng).[5]PPT.網(wǎng)絡化儀器.林君.2004年6月28日[6]王衛(wèi)華，丁漢，熊有倫.基于IEEE1451.2標準的網(wǎng)絡傳感器TMI1451.2-KC.《自動化儀表》.2001年8月[7]慧聰網(wǎng)電子行業(yè)頻道.基于IEEE1451.1網(wǎng)絡智能傳感器設計[8]英特爾造另類Inside：“塵?！毙途W(wǎng)絡傳感器.深圳新聞網(wǎng)./n/ca611424.htm學校代碼：學校代碼：學號：中國石油大學碩士研究生學位論文(申請工學碩士學位)能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制研究學科專業(yè)：計算機應用技術(shù)培養(yǎng)方向：計算機網(wǎng)絡及應用碩士生：指導教師：（副教授）ResearchonEnergy-EfficientTopologyControlinWirelessSensorNetworkThesisSubmittedtoChinainpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofEngineeringbyCHENLin(ComputerApplicationTechnology)Tutor:AssociateProfessorZHAOShi-junApril,PAGEi獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，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，也不包含為獲得中國石油大學或其它教育機構(gòu)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了謝意。 簽名： 年月日關于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解XXX大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán)保留送交論文的復印件及電子版，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。(保密論文在解密后應遵守此規(guī)定)學生簽名：年月日導師簽名：年月日能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制研究無線傳感器網(wǎng)絡是由大量能量受限的傳感器節(jié)點組織成的無中心結(jié)構(gòu)的無線自組織多跳網(wǎng)絡。無線傳感器節(jié)點體積微小，攜帶的電池能量有限，研究節(jié)約能量的機制是無線傳感器網(wǎng)絡中一項非常重要的工作。拓撲控制是節(jié)能機制的一項重要研究內(nèi)容，它研究如何在保證網(wǎng)絡連通性和覆蓋度的情況下，優(yōu)化網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的基本概念和相關技術(shù)，總結(jié)了拓撲控制的主要研究方向，針對層次型拓撲控制結(jié)構(gòu)作了深入的研究。闡述了層次型拓撲控制的理論基礎及網(wǎng)絡模型，對網(wǎng)絡生命周期的定義方法進行了理論和實驗討論，研究了該方向的幾種典型算法，實現(xiàn)了算法的仿真，并對實驗數(shù)據(jù)作出了分析比較。針對目前大部分骨干網(wǎng)構(gòu)造算法中，只采用單一權(quán)值作為骨干節(jié)點選舉標準的情況，提出了一種組合權(quán)值方法，均衡了每個權(quán)值因子的影響，實驗結(jié)果表明改進的權(quán)值可以優(yōu)化生成的骨干網(wǎng)性能。最后，提出了一種基于分簇結(jié)構(gòu)的骨干網(wǎng)構(gòu)造算法。該算法在將網(wǎng)絡劃分為若干多跳簇結(jié)構(gòu)的基礎上，在簇內(nèi)實施連通支配集構(gòu)造算法優(yōu)化簇內(nèi)結(jié)構(gòu)，形成層次型的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。由于算法引入了能量較強的節(jié)點擔任簇頭，可以克服簇頭節(jié)點過早死亡的問題，有效延長網(wǎng)絡壽命。實驗結(jié)果表明，算法在高密度的網(wǎng)絡中，可以明顯優(yōu)化網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，具有能量高效性。關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡，拓撲控制，權(quán)值，虛擬骨干網(wǎng)ResearchonEnergy-EfficientTopologyControlinWirelessSensorNetworkCHENLin(ComputerApplicationTechnology)DirectedbyAssociateProfessorZHAOShi-junAbstractWirelesssensornetwork,whichisconsistedofahugenumberofenergy-limitedsensornodes,isaself-organization,multi-hop,wirelessnetworkwithoutfixedinfrastructure.Consideringthelimitedbatterycapacity,itisanimportantworktostudyenergyconservingmechanism.Topologycontrolisanimportantcontentofenergyconservingmechanism,itaimsforanoptimizednetworktopologywhichcanguaranteenetworkconnectivityandcoverage.Thebasicconceptionsandtechnologiesofwirelesssensornetworkareintroducedinthispaper,whichsummarizethemainresearchmethodsandespeciallystudyhierarchicaltopologystructure.Thetheoryandnetworkmodelareintroduced,thedefinitionofnetworklifeisanalyzed,andinthiscontext,afewtypicalalgorithmsareanalyzedandcompared.Manybackboneconstructionalgorithmsarebasedonasingleweight,soacombinedweightisintroducedhere,whichisdemonstratedtohaveagoodperformanceandmakeacompromisebetweendifferentweights.Atlast,anenergy-efficientvirtualbackboneconstructionalgorithmbasedonclusteringisbroughtup,whichdividesthenetworkintomuti-hopclusters.Connecteddominatingsetsareconstructedinclusters,andahierarchicaltopologyisfinallybuiltup.Nodeswithhighenergyareusedtoprolongthelivesofclusterheads.Experimentsdemonstratethatthealgorithmcanimprovethenetworktopologyandprolongthelifeofthenetwork,especiallyinnetworkofhighdensity.Keywords：WirelessSensorNetwork,TopologyControl,Weight,VirtualBackbone目錄TOC\o\h\z聲明 i中文摘要 ii英文摘要 iii目錄 v第1章前言 11.1研究背景 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3論文研究工作 61.4論文組織結(jié)構(gòu) 6第2章無線傳感器網(wǎng)絡概述 82.1無線傳感器網(wǎng)絡的定義 82.2無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu) 82.2.1網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu) 82.2.2節(jié)點結(jié)構(gòu) 92.2.3通信體系結(jié)構(gòu) 102.3無線傳感器網(wǎng)絡的特點 132.3.1特點 132.3.2與現(xiàn)有網(wǎng)絡的區(qū)別 142.4無線傳感器網(wǎng)絡的應用 152.5無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制 152.5.1拓撲控制概述 152.5.2無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制問題的分類 172.5.3拓撲控制算法的設計目標和設計要素 19第3章無線傳感器網(wǎng)絡層次型拓撲控制 223.1概述 223.2相關基礎理論及仿真測試環(huán)境 233.2.1網(wǎng)絡模型及相關定義 233.2.2網(wǎng)絡生命周期 243.2.3仿真測試環(huán)境 253.3層次型拓撲控制的構(gòu)造算法 263.4典型算法的分析與仿真 293.4.1典型算法的描述 293.4.2仿真結(jié)果分析 33第4章一種改進的骨干節(jié)點選舉機制 364.1概述 374.2權(quán)值因子的計算方法 394.4.1權(quán)值因子的計算方法 394.4.2仿真結(jié)果分析 41第5章能量高效的虛擬骨干網(wǎng)構(gòu)造算法(EEVBC) 455.1問題的提出 455.2系統(tǒng)假設 465.3算法模型及符號描述 475.4算法分析及實現(xiàn) 485.4.1分簇 495.4.2簇頭節(jié)點的功率控制 495.4.3構(gòu)造簇內(nèi)連通支配集 505.5基于EEVBC算法的簇內(nèi)路由方法 535.6算法性能分析與仿真測試 535.6.1算法性能分析 535.6.2算法仿真測試 54第6章總結(jié)與展望 586.1全文總結(jié) 586.2主要創(chuàng)新點 596.3存在的問題和未來展望 59參考文獻 61致謝 66個人簡歷、在學期間的研究成果 67中國石油大學(華東)碩士論文第1章前言PAGE3 第1章前言1.1研究背景近年來微電子技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信等技術(shù)的進步，推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能。無線傳感器網(wǎng)絡（WirelessSensorNetwork，WSN）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通。無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境與軍事監(jiān)控，地震與氣候預測、地下、深水以及外層空間探索等許多方面都具有廣泛的應用前景?？梢哉f無線傳感器網(wǎng)絡是信息感知和采集的一場革命，是21世紀最重要的技術(shù)之一。不同于現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)、Internet、Adhoc網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡擁有數(shù)目更巨大、分布更密集的節(jié)點。節(jié)點不是以全球唯一的地址作為標識，而是以數(shù)據(jù)為中心的，且節(jié)點的電池能量、計算能力和存儲能力很有限。由于節(jié)點隨時有可能因電量不足或遭到破壞等原因失效，導致拓撲頻繁變化。因為上述的特點，導致已有網(wǎng)絡中的許多技術(shù)并不能直接應用到無線傳感器網(wǎng)絡中，無線傳感器網(wǎng)絡的研究領域存在著許多新的挑戰(zhàn)。對于無線自組織的傳感器網(wǎng)絡而言，網(wǎng)絡拓撲控制具有特別重要的意義。如果沒有拓撲控制，網(wǎng)絡中所有節(jié)點都會以最大傳輸功率工作。這種情況下，一方面，節(jié)點有限的能量將被快速消耗，降低了網(wǎng)絡的生命周期。同時，網(wǎng)絡中每個節(jié)點的無線信號將覆蓋大量其他節(jié)點，造成無線信號沖突頻繁，影響節(jié)點的通信質(zhì)量，降低網(wǎng)絡的吞吐率。另一方面，在生成的網(wǎng)絡拓撲中將存在大量的鏈路，從而導致網(wǎng)絡拓撲信息量大，路由計算復雜，浪費了寶貴的計算資源。因此，需要研究無線傳感器網(wǎng)絡中的拓撲控制問題，在維持拓撲的某些全局性質(zhì)的前提下，通過各種節(jié)能措施延長網(wǎng)絡生命周期，提高網(wǎng)絡吞吐量，降低網(wǎng)絡干擾，節(jié)約節(jié)點資源。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡的研究起步于20世紀90年代末期，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，是計算機科學技術(shù)中一個新的研究領域，同時引起了世界各國軍事部門、工業(yè)界和學術(shù)界的極大關注。在軍事領域有20世紀90年代末期的SensIT項目，美國陸軍提出的“靈巧傳感器網(wǎng)絡通信”計劃，“無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸表椖?，美國海軍確立的“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)”研究項目，等等。除此之外，在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康等民用領域無線傳感器網(wǎng)絡也得到了廣泛應用，2002年，英特爾公司發(fā)布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡的新型計算發(fā)展規(guī)劃”，2004年，NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）研制了用于空間探索的SensorWebs。在學術(shù)領域，美國自然科學基金委員會2003年制定了傳感器研究計劃，投資三千四百萬美元，支持相關基礎理論的研究。在美國自然科學基金委員會的推動下，美國的加州大學伯克利分校、麻省理工學院、康奈爾大學、加州大學洛杉磯分校等學校開始了傳感器網(wǎng)絡的基礎理論和關鍵技術(shù)的研究，如：加州大學伯克利分校的PicoRadio項目，加州大學洛杉磯分校的WINS項目，康奈爾大學的COUGAR系統(tǒng)等。我國在無線傳感器網(wǎng)絡方面的研究還相對較少，但一些高校和研究機構(gòu)已經(jīng)積極開展了有關傳感器網(wǎng)絡的研究。國家自然科學基金委員會自2003年開始連續(xù)三年將無線傳感器網(wǎng)絡列為重點項目，課題涉及傳感器網(wǎng)絡的各個方面。無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展主要受到微電子技術(shù)水平的制約，隨著科學的發(fā)展，已經(jīng)研制除了多種傳感器節(jié)點，它們在實現(xiàn)原理上是相似的，只是分別采用了不同的微處理器或者通信協(xié)議。比較典型的包括BerkeleyMotes、SensoriaWINS、BerkeleyPiconodes、SmartMeshDustMote等，中科院無線傳感器項目組成功研制了基于專用低功耗處理器芯片的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點軟硬件平臺。由于無線傳感器網(wǎng)絡的能量受限性，研究節(jié)約能量的機制是無線傳感器網(wǎng)絡中一項非常重要的工作。拓撲控制在滿足網(wǎng)絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，形成一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。在無線傳感器網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)控制與優(yōu)化有著十分重要的意義，良好的拓撲控制機制能夠在保證網(wǎng)絡連通性和覆蓋度的情況下，盡量高效地使用網(wǎng)絡能量，延長整個網(wǎng)絡的生存時間。關于拓撲控制的研究，主要分為兩條技術(shù)路線：功率控制和拓撲管理。功率調(diào)節(jié)的方法通過調(diào)整發(fā)送節(jié)點的信號功率來影響節(jié)點的無線信號的覆蓋范圍進而調(diào)整網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，同時降低對鄰近節(jié)點的干擾，最終提高整個網(wǎng)絡的連通性能。目前在功率控制方面，在2002至2004年間，已經(jīng)提出了COMPOW[1]等統(tǒng)一功率分配算法，LINT/LILT[2]和LMN/LMA[3]等基于節(jié)點度數(shù)的算法，CBTC[4]、LMST[5]、RNG、DRNG和DLSS[6]等基于臨近圖的近似算法。功率控制算法存在著以下缺點：1)大多數(shù)基于功率調(diào)節(jié)的機制僅僅考慮如何在滿足網(wǎng)絡的連通性時，使得節(jié)點的能量消耗量最小。經(jīng)過功率控制后的網(wǎng)絡拓撲仍是平面型的，并沒有形成層次型的拓撲結(jié)構(gòu)。2)功率控制后網(wǎng)絡中每個節(jié)點的地位是一樣的，所有節(jié)點都參加路由轉(zhuǎn)發(fā)，因此比僅由少量骨干網(wǎng)節(jié)點構(gòu)成的層次型拓撲控制結(jié)構(gòu)消耗更多能量。拓撲管理通過分簇和計算連通支配集的方法，構(gòu)造虛擬骨干網(wǎng)，使網(wǎng)絡形成層次型拓撲結(jié)構(gòu)。由于在這種結(jié)構(gòu)中，節(jié)點可以根據(jù)自己在網(wǎng)絡中的地位，調(diào)整自己的工作狀態(tài)，使非骨干節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，因此比功率調(diào)節(jié)的方法更有效的節(jié)約能量。目前，在拓撲管理方面，自2001至2004年，提出了TopDisc成簇算法[7]，GAF虛擬地理網(wǎng)格分簇算法[8]，以及LEACH[9]和HEED[10]算法等自組織成簇算法，以及1999年至2002年提出的WL算法[11]、WAF算法[12,13]等構(gòu)造連通支配集的算法，但是這些算法往往考慮不夠全面，只是針對網(wǎng)絡拓撲的某一方面進行了優(yōu)化設計。TopDisc算法是基于最小支配集的經(jīng)典算法。它利用顏色區(qū)分節(jié)點狀態(tài)，解決骨干網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的形成問題。TopDisc算法繼承了圖論中的經(jīng)典算法，是早期成簇算法中的代表，可以使節(jié)點在密集部署的傳感器網(wǎng)絡中快速地形成分簇結(jié)構(gòu)，并在簇頭之間建立樹型關系。但是由于這種算法構(gòu)建成的層次型網(wǎng)絡靈活性不強，重復執(zhí)行算法的開銷過大。另外，該算法僅考慮在保證在網(wǎng)絡覆蓋度的前提下，使全網(wǎng)中所形成的簇個數(shù)盡量少，而沒有考慮節(jié)點的剩余能量和網(wǎng)絡的魯棒性等問題。GAF算法是較早采用使冗余節(jié)點處于休眠狀態(tài)以節(jié)省能量方法的算法，該算法以節(jié)點地理位置為依據(jù)將網(wǎng)絡進行分簇。它提出的節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換機制和按地理位置劃分虛擬單元格等思想具有一定的意義。由于傳感器節(jié)點自身體積和資源受限，這種基于地理位置進行分簇的算法對傳感器節(jié)點提出了更高的要求。另外GAF算法基于平面模型，沒有考慮到在實際網(wǎng)絡中節(jié)點之間距離的鄰近并不能代表節(jié)點之間可以直接通信的問題。LEACH算法是一種自適應分簇拓撲算法，主要通過隨機選擇簇頭，平均分擔中繼通信業(yè)務來實現(xiàn)。采用LEACH方法使因能量耗盡而失效的節(jié)點呈隨機分布狀態(tài)，因而與一般的靜態(tài)聚類算法相比，可以有效延長網(wǎng)絡生命周期。但是LEACH假設所有的節(jié)點都能直接與簇頭節(jié)點和終端節(jié)點通訊，采用連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送模式和單跳路徑選擇模式，因此在需要監(jiān)測面積范圍大的應用中不適用，而且動態(tài)分簇帶來了拓撲變換和大量廣播這樣的額外開銷。WL算法、WAF算法是構(gòu)造連通支配集的算法，可以在初始網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上形成虛擬骨干網(wǎng)，有效地減少網(wǎng)絡協(xié)議的開銷，解決洪泛廣播時廣播風暴問題。但是，構(gòu)造連通支配集的算法側(cè)重于將路由限制在規(guī)模較小的骨干網(wǎng)內(nèi)，并沒有考慮拓撲控制算法所需要達到的性能。在規(guī)模較大的場景中，不易對網(wǎng)絡節(jié)點進行管理，同時，靠近基站的骨干節(jié)點因承擔流量過大而首先耗盡能量，造成網(wǎng)絡分區(qū)并破壞網(wǎng)絡的連通性，使得網(wǎng)絡使用壽命嚴重下降。因此這類算法更適合解決簇內(nèi)路由問題。目前，無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制的研究有了初步的進展。但是大多數(shù)算法停留在理論研究階段或者只作過少量節(jié)點的模擬，沒有充分考慮實際應用的諸多困難，傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制還不夠完善，對層次型拓撲控制進行深入研究仍然是必要的。1.3論文研究工作本論文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展和現(xiàn)狀，討論了拓撲控制的重要作用和研究方向，重點對層次型拓撲結(jié)構(gòu)控制做出了深入細致的研究。首先，在閱讀大量文獻的基礎上，討論了構(gòu)造層次型拓撲控制的方法和基本原理。從連通性和覆蓋度兩方面出發(fā)，研究了網(wǎng)絡生命周期的定義方法，為如何評判算法提供了參考。重點研究了WCA、WL和WAF三種構(gòu)造虛擬骨干網(wǎng)邏輯拓撲結(jié)構(gòu)的典型算法，在編制的仿真程序中實現(xiàn)了這些算法，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對算法的主要性能指標進行了分析。其次，研究了權(quán)值因子在骨干節(jié)點選舉中的作用，針對大多數(shù)算法只考慮單一權(quán)值的情況，提出了復合權(quán)值的計算公式，并在不同網(wǎng)絡情況下，對提出的權(quán)值計算方法進行了仿真實驗，實驗數(shù)據(jù)證明在節(jié)點分布密集的情況下，新的權(quán)值可以將網(wǎng)絡生命周期延長兩倍以上。論文最后提出了一個基于分簇的虛擬骨干網(wǎng)構(gòu)造算法，它將網(wǎng)絡中的節(jié)點按照地理距離最近的原則劃分為若干多跳簇，利用最小連通支配集理論優(yōu)化簇內(nèi)結(jié)構(gòu)，最終在網(wǎng)絡上形成層次型拓撲結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果證明算法是能量高效的，在延長網(wǎng)絡的生命周期方面具有良好的效果。1.4論文組織結(jié)構(gòu)本論文分為6章。第1章敘述了無線傳感器網(wǎng)絡及其產(chǎn)生的背景，同時介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的國內(nèi)為研究現(xiàn)狀，并對本論文的主要研究工作和論文組織結(jié)構(gòu)進行了說明。第2章詳細介紹了無線傳感器網(wǎng)絡定義、網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及相關研究內(nèi)容、網(wǎng)絡的特點及應用領域。最后介紹了拓撲控制算法的定義、作用，并對其研究方向進行了分類闡述。第3章闡述了層次型拓撲控制的理論基礎及符號描述，對網(wǎng)絡生命周期的定義方法進行了理論和實驗討論，分析了幾個典型算法的基本原理并進行了仿真實驗。第4章對骨干節(jié)點選舉的權(quán)值因子的計算方式進行了改進，提出了新的計算方法，進行了仿真，并對實驗數(shù)據(jù)作出了分析。第5章提出了一種新的基于簇的虛擬骨干網(wǎng)構(gòu)造算法EEVBC，詳細介紹了算法的原理，并進行了實驗驗證。第6章對本文在課題中所做的工作進行全面的總結(jié)，并指出了今后需要做的進一步工作。中國石油大學(華東)碩士論文第2章無線傳感器網(wǎng)絡概述第2章無線傳感器網(wǎng)絡概述2.1無線傳感器網(wǎng)絡的定義無線傳感器網(wǎng)絡(wirelesssensornetwork,WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡的三個要素。2.2無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)2.2.1網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)由三個主要部分組成：大量微型傳感器節(jié)點（Sensornode），基站節(jié)點和任務管理節(jié)點。網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點互相協(xié)作，監(jiān)測用戶感興趣的區(qū)域，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)并傳輸給基站節(jié)點。圖2-1表示一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖所示，大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域（Sensorfield）內(nèi)部或附近，這一過程是通過飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的，節(jié)點以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點以多跳中繼方式傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能與多個節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行融合，經(jīng)過多跳路由后數(shù)據(jù)到達基站節(jié)點，最終通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星直接或間接地到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖2-1無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)2.2.2節(jié)點結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點是一個裝配有傳感器、收發(fā)器、處理器、存儲器等設備的微型嵌入式系統(tǒng)。在傳感器網(wǎng)絡應用的不同場合，傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)會有所不同，但通常包括以下四個基本模塊：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊，如圖2-1所示。(1)傳感器模塊由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成，負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。(2)處理器模塊包括CPU、處理器和嵌入式操作系統(tǒng)等，負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。(3)無線通信模塊無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑、睡眠四種狀態(tài)。無線通信模塊在空閑狀態(tài)監(jiān)聽無線信道使用情況，而在睡眠狀態(tài)則關閉通信模塊。(4)能量供應模塊能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。2.2.3通信體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的計算機與通信網(wǎng)絡不同，研究人員參照OSI五層協(xié)議模型，提出了多個無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)框架，大部分框架都是由文獻[14]提出的五層協(xié)議棧細化改進而來的。圖2-2是通過綜合文獻[15,16,17]提出的幾種框架得到的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧。拓撲控制應用層傳輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層時間同步定位物理層拓撲控制應用層傳輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層時間同步定位物理層(1)各層網(wǎng)絡協(xié)議①物理層負責信道的選擇、無線信號的監(jiān)測、信號的發(fā)送與接收等，物理層的設計目標是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。②數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。③網(wǎng)絡層主要負責分組路由、網(wǎng)絡互聯(lián)、擁塞控制等。④傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，提供可靠的、開銷合理的數(shù)據(jù)傳輸服務。⑤應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件。(2)網(wǎng)絡管理技術(shù)①能量管理能量管理部分管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在每個協(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。②拓撲控制拓撲控制利用物理層、鏈路層或路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎信息支持，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)絡能量消耗。③Qos支持是網(wǎng)絡與用戶之間關于信息傳輸與共享的質(zhì)量的約定。為滿足用戶要求，無線傳感器網(wǎng)絡必須能夠為用戶提供足夠的資源，以用戶可以接收的性能指標工作。由于無線傳感器網(wǎng)絡特殊的應用要求以及高度受限的資源，其Qos問題與IP網(wǎng)絡的Qos問題有很大的差別，無線傳感器網(wǎng)絡的Qos是建立在盡力而為的、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A上，無法為業(yè)務流提供可預測的傳輸服務，有人提出了基于中間件方案的無線傳感器網(wǎng)絡主動Qos機制[18]。④網(wǎng)絡安全無線傳感器網(wǎng)絡多用于軍事、商業(yè)領域，安全性是其走向?qū)嵱玫年P鍵問題。由于無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點隨機部署、網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)性、信道的不穩(wěn)定性以及節(jié)點資源的嚴重受限，使傳統(tǒng)的安全機制無法適用。因此需要設計新型的網(wǎng)絡安全機制?？山梃b括頻通信、接入認證/鑒權(quán)、數(shù)字水印、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。⑤移動控制移動控制檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置。⑥網(wǎng)絡管理網(wǎng)絡管理負責網(wǎng)絡維護、診斷，并向用戶提供網(wǎng)絡管理服務接口，通常包含數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和故障處理等功能。需要根據(jù)WSN的能量受限、自組織、節(jié)點易損壞等特點設計新型的全分布式網(wǎng)絡管理機制。(3)應用支撐技術(shù)①時間同步無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議和應用要求各節(jié)點間的時鐘必須保持同步，多個傳感器節(jié)點相互配合工作，確定節(jié)點休眠也要求時鐘同步?，F(xiàn)在廣泛采用的NTP協(xié)議和GPS系統(tǒng)不適用于無線傳感器網(wǎng)絡，2002年無線傳感器網(wǎng)絡中的時間同步機制被作為一個獨立的研究課題提出。②節(jié)點定位節(jié)點定位是指確定傳感器節(jié)點位置的機制，根據(jù)定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離或角度，分為基于距離的定位和距離無關的定位。由于基于距離的定位對硬件要求很高，而距離無關的定位精度能滿足大多數(shù)應用的需要，因此目前的研究重點集中在距離無關的定位機制。2.3無線傳感器網(wǎng)絡的特點2.3.1特點(1)節(jié)點資源受限無線傳感器節(jié)點體積微小，攜帶的電池能量有限，且部署區(qū)域廣大而復雜，更換電池不現(xiàn)實。如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡周期是其面臨的首要挑戰(zhàn)。此外，節(jié)點是一種微型嵌入式設備，其計算能力和存儲能力相當有限。(2)無線傳感器網(wǎng)絡是大規(guī)模網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)目巨大，部署密集。(3)無線傳感器網(wǎng)絡是動態(tài)的自組織網(wǎng)絡在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點是通過飛機播撒等方式隨機部署到監(jiān)測區(qū)域的，節(jié)點的位置不能預先精確設定，相互間的鄰居關系也無法預先得知。傳感器節(jié)點具有自組織的能力，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。在通信過程中，節(jié)點會隨時因為能源耗盡而離開網(wǎng)絡，也可能因為某種需要而隨時進入網(wǎng)絡，從而引起網(wǎng)絡拓撲的頻繁變化，影響通信質(zhì)量。無線傳感器網(wǎng)絡不僅可實現(xiàn)自動組網(wǎng)，還具有網(wǎng)絡自動配置和自動維護功能，保證了網(wǎng)絡的通信質(zhì)量。(4)無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)目巨大，而且由于網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)特性和節(jié)點放置的隨機性，節(jié)點沒有全球唯一的IP地址標識，而是采用節(jié)點編號標識，節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。用戶對所需數(shù)據(jù)的收集，是以數(shù)據(jù)為中心進行，并不依靠節(jié)點的標號。(5)無線傳感器網(wǎng)絡是面向應用的網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡應用在不同的領域，各領域應用對無線傳感器網(wǎng)絡的要求也各不相同。針對不同的應用，可以將無線傳感器網(wǎng)絡按動態(tài)性、數(shù)據(jù)傳輸模式、實時性、節(jié)點散布方式等進行分類，對于每一類網(wǎng)絡采用不同的設計方法。針對每一個具體應用來研究無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，這是其本身不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的顯著特征。2.3.2與現(xiàn)有網(wǎng)絡的區(qū)別無線自組網(wǎng)（MANET）是一個由幾十到上百個節(jié)點組成的、采用無線通信方式的、動態(tài)組網(wǎng)的多跳的移動性對等網(wǎng)絡。其目的是通過動態(tài)路由和移動管理技術(shù)傳輸具有服務質(zhì)量要求的多媒體信息流。通常節(jié)點具有持續(xù)的能量供給。無線傳感器網(wǎng)絡雖與無線自組網(wǎng)相似，但也存在著很大的差別。體現(xiàn)在：(1)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目更為龐大（上千甚至上萬），節(jié)點分布更為密集（能高達20個/m3[19]）。(2)無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點一般不進行快速移動，但節(jié)點可能會隨時加入或離開，因而網(wǎng)絡的拓撲變化很快。(3)無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的電池能量、計算能力和存儲能力相當有限。2.4無線傳感器網(wǎng)絡的應用無線傳感器網(wǎng)絡有著巨大的應用前景，非常適合應用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理等重要和特殊的環(huán)境，被認為是21世紀最重要的技術(shù)之一。隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、計算技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種無線傳感器網(wǎng)絡將遍布我們生活環(huán)境，從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”。表2-1列出了無線傳感器網(wǎng)絡的一些應用。表2-1無線傳感器網(wǎng)絡的應用領域任務軍事應用監(jiān)控友方部署、裝備、軍火情況；戰(zhàn)場監(jiān)視；定位；戰(zhàn)場損失評估；核、生化武器攻擊監(jiān)測和偵察環(huán)境應用森林防火；洪水監(jiān)測；污染監(jiān)控；精準農(nóng)業(yè)；生物種群研究醫(yī)療應用無線監(jiān)測人體生理數(shù)據(jù)；醫(yī)院藥品管理；老年人健康狀況監(jiān)控；遠程醫(yī)療建筑及城市管理智能家居；建筑安全；智能交通其它應用空間探索等2.5無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制2.5.1拓撲控制概述拓撲控制技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡中的基本問題。動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)是WSN最大特點之一，因此拓撲控制策略在WSN中有著重要的意義。傳統(tǒng)網(wǎng)絡的拓撲信息和拓撲管理是包含在路由策略中的。最近許多研究人員在研究WSN時，都不約而同地將拓撲管理從網(wǎng)絡層分離出來，而是在MAC層和Network層之間引入拓撲管理/控制層。無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制主要研究的問題是：在滿足網(wǎng)絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，形成一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。良好的拓撲結(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等很多方面提供基礎，有利于延長整個網(wǎng)絡的生存時間。在無線傳感器網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)控制與優(yōu)化有著十分重要的意義，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)影響整個網(wǎng)絡的生存時間。無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點一般采用電池供電，節(jié)省能量是網(wǎng)絡設計主要考慮的問題之一。拓撲控制的一個重要目標就是在保證網(wǎng)絡連通性和覆蓋度的情況下，盡量高效地使用網(wǎng)絡能量，延長整個網(wǎng)絡的生存時間。(2)減小節(jié)點間的通信干擾，提高網(wǎng)絡通信效率。無線傳感器節(jié)點通常密集部署，如果每個節(jié)點都以大功率進行通信，會加劇節(jié)點之間的干擾，減低通信效率，并造成節(jié)點能量的浪費。另一方面，如果選擇太小的發(fā)射功率，會影響網(wǎng)絡的連通性。所以，拓撲控制中的功率控制是解決這個矛盾的重要途徑之一。(3)為路由協(xié)議提供基礎。在無線傳感器網(wǎng)絡中，只有活動的節(jié)點才能夠進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而拓撲控制可以確定有哪些節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，同時確定節(jié)點之間的鄰居關系。(4)影響數(shù)據(jù)融合。無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)融合是指傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給骨干節(jié)點，骨干節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，并把融合結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)收集節(jié)點。而骨干節(jié)點的選擇是拓撲控制的一項重要內(nèi)容。(5)彌補節(jié)點失效的影響。傳感器節(jié)點可能部署在惡劣環(huán)境中，在軍事應用中甚至部署在敵方區(qū)域中，所以很容易受到破壞而失效。這就要求網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)具有魯棒性以適應這種情況。2.5.2無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制問題的分類目前，無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制的研究有了初步的進展，研究人員一方面從adhoc網(wǎng)絡借鑒了寶貴經(jīng)驗；另一方面針對無線傳感器網(wǎng)絡自身的特點，提出了形式多樣、側(cè)重點不同的拓撲控制算法。具體地講，從不同的研究方向出發(fā)，節(jié)約能量的無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制可以分為兩大類：節(jié)點的功率控制和拓撲管理，如圖2-3所示。圖2-3拓撲控制算法的分類(1)功率控制功率調(diào)節(jié)的方法通過調(diào)整發(fā)送節(jié)點的信號功率來影響節(jié)點的無線信號的覆蓋范圍進而調(diào)整網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，同時降低對鄰近節(jié)點的干擾，最終提高整個網(wǎng)絡的連通性能。功率調(diào)節(jié)方法可以在保證網(wǎng)絡的連通性和覆蓋度的前提下使得節(jié)點的能量消耗最小，同時增加網(wǎng)絡的容量、降低節(jié)點之間的干擾。目前在功率控制方面，已經(jīng)提出了COMPOW等統(tǒng)一功率分配算法，LINT/LILT和LMN/LMA等基于節(jié)點度數(shù)的算法，CBTC、LMST、RNG、DRNG和DLSS等基于臨近圖的近似算法。大多數(shù)基于功率調(diào)節(jié)的機制僅僅考慮如何在滿足網(wǎng)絡的連通性時，使得節(jié)點的能量消耗量最小。功率控制后僅僅是刪除網(wǎng)絡多余鏈路，使網(wǎng)絡拓撲圖中邊的數(shù)量減少，在網(wǎng)絡中每個節(jié)點的地位是一樣的，也即經(jīng)過功率控制后的網(wǎng)絡拓撲仍是平面型的，并沒有形成層次型的拓撲結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)理論上不存在瓶頸節(jié)點，網(wǎng)絡比較健壯，但在網(wǎng)絡規(guī)模較大，特別是在網(wǎng)絡拓撲變化較頻繁的情況下，平面結(jié)構(gòu)具有控制開銷大，路由經(jīng)常中斷等缺點，并且很難實施集中式的網(wǎng)絡管理和控制。(2)拓撲管理無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點冗余度很大，每一個節(jié)點都有許多鄰居節(jié)點在它的功率覆蓋范圍內(nèi)。依據(jù)這個特點，如果采用一定機制選擇某些關鍵節(jié)點作為骨干網(wǎng)節(jié)點，打開其通信模塊，并關閉非骨干節(jié)點的通信模塊，由骨干節(jié)點構(gòu)建一個連通網(wǎng)絡來負責數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。這樣既能保證原有覆蓋范圍內(nèi)的通信，也能在很大程度上節(jié)省能量。在這種拓撲管理機制下，網(wǎng)絡最終形成一個層次型的拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡中的節(jié)點可以劃分為骨干網(wǎng)節(jié)點和普通節(jié)點兩類，骨干網(wǎng)節(jié)點對周圍的普通節(jié)點進行管轄，將隸屬于它的節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)進行融合并轉(zhuǎn)發(fā)。目前在拓撲管理方面，提出了TopDisc成簇算法，GAF虛擬地理網(wǎng)格分簇算法，以及LEACH和HEED等自組織成簇算法。但是這些算法往往考慮不夠全面，只是針對網(wǎng)絡拓撲的某一方面進行了優(yōu)化設計。例如，TopDisc算法僅考慮在保證在網(wǎng)絡覆蓋度的前提下，使全網(wǎng)中所形成的簇個數(shù)盡量少，而沒有考慮節(jié)點的剩余能量和網(wǎng)絡的魯棒性等問題；基于地理網(wǎng)格分簇的GAF及其改進算法需要節(jié)點的精確位置信息；基于臨近圖的近似算法需要臨近節(jié)點信息過多且運算量大，現(xiàn)階段在傳感器網(wǎng)絡中還不實用?？梢?，傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制還不夠完善，大部分算法處于理論研究階段，而且，隨著傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，拓撲研究的分類己經(jīng)沒有那么嚴格，往往是多種方式的結(jié)合，并引入啟發(fā)性、數(shù)據(jù)捎帶等機制，以達到能量節(jié)省和拓撲快速形成的目的。2.5.3拓撲控制算法的設計目標和設計要素通過研讀大量的相關文獻，認識到影響拓撲性能的因素較多，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：算法的分布式程度一般情況下，在無線多跳網(wǎng)絡中，不設置認證中心，節(jié)點只能依據(jù)自身從網(wǎng)絡中收集的信息作出決策。另外，任何一種涉及到節(jié)點間同步的通信協(xié)議都有建立通信的開銷。顯然，如果節(jié)點了解全局的拓撲和網(wǎng)絡中所有節(jié)點的電量，就能作出最優(yōu)的決策，如果不計同步消息的開銷，得到的是最優(yōu)的性能。但是，如果所有的節(jié)點都要了解全局信息，那么同步消息產(chǎn)生的開銷要多于數(shù)據(jù)消息。節(jié)點依據(jù)本地信息作出決策，得到的雖然是次優(yōu)解，但考慮到系統(tǒng)的開銷，因此，采取分布式而非集中式算法是必要的。能量消耗能量優(yōu)化是無線多跳網(wǎng)絡拓撲控制研究的一個重要目標。目前研究人員從傳感器節(jié)點的物理性能及各層網(wǎng)絡協(xié)議等各方面考慮引進能量優(yōu)化策略，Chandrakasan等人指出，設計能量消耗最小化的網(wǎng)絡協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡成功應用的關鍵[20]。連通性為了實現(xiàn)節(jié)點間的互相通信，生成的拓撲必須保證連通性，即從任何一個結(jié)點都可以發(fā)送消息到另外一個結(jié)點。連通性是任何拓撲控制算法都必須保證的一個性質(zhì)。(4)覆蓋度生成的拓撲必須保證足夠大的覆蓋度，即覆蓋面積足夠大的監(jiān)測區(qū)域。一個覆蓋度高的拓撲應該盡量避免感知空洞和盲點。如何實現(xiàn)最優(yōu)覆蓋是網(wǎng)絡拓撲管理的關鍵內(nèi)容，直接關系到傳感器監(jiān)測物理空間的效果程度。根據(jù)[21]，衡量全網(wǎng)覆蓋情況有一個量化指標—平均每節(jié)點的覆蓋率c(%)，c=所有節(jié)點覆蓋區(qū)域面積／(N×π×R2)。(5)稀疏性指生成的拓撲圖中的邊數(shù)為O(n)，其中n是節(jié)點個數(shù)。減少拓撲中的邊數(shù)可以有效減少網(wǎng)絡中的干擾，提高網(wǎng)絡的吞吐率。稀疏性還可以簡化路由計算。(6)對稱性指如果從結(jié)點i到結(jié)點j有一條邊，那么一定存在從結(jié)點j到結(jié)點i的邊。由于非對稱鏈路在目前的MAC協(xié)議中沒有得到很好的支持，而且非對稱鏈路通信的開銷很大，因此一般都要求生成的拓撲中鏈路是對稱的。(7)節(jié)點的度數(shù)一個節(jié)點的度數(shù)是指所有距離該節(jié)點一跳的鄰居節(jié)點的數(shù)目。在無線多跳網(wǎng)絡中，降低節(jié)點的度數(shù)，可以減少信道競爭和干擾，同時減少節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息的數(shù)量和路由計算的復雜度。(8)魯棒性由于傳感器節(jié)點攜帶的電能有限，容易因電能耗盡而失效，無線通信鏈路易受環(huán)境影響而無法保證通信質(zhì)量，還有一些節(jié)點在具體應用中可能有移動性，另外還有一些新的節(jié)點會加入進來，這些因素都會造成網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化。這就要求拓撲控制具有魯棒性和可擴展性，可以適應變化，保證網(wǎng)絡的連通性和覆蓋度。中國石油大學(華東)碩士論文第3章無線傳感器網(wǎng)絡層次型拓撲控制第3章無線傳感器網(wǎng)絡層次型拓撲控制3.1概述在無線傳感器網(wǎng)絡，節(jié)點擔任著普通節(jié)點與路由器的雙重職責。與傳統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡存在著顯著不同，由于無中心控制，這種網(wǎng)絡最初的結(jié)構(gòu)是平面式的。平面式結(jié)構(gòu)具有減少擁塞、消除瓶頸現(xiàn)象的優(yōu)點，但在節(jié)點數(shù)目增多時路由開銷很大,可擴展性較差，因此平面式結(jié)構(gòu)不適合無線傳感器網(wǎng)絡，從而使構(gòu)造層次型拓撲結(jié)構(gòu)成為必要。另一方面，由于自身體積的限制，傳感器節(jié)點的能量有限，合理的管理能量能夠有效的延長傳感器網(wǎng)絡的壽命。無線傳感器節(jié)點的無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑（或監(jiān)聽）和睡眠四種狀態(tài)。無線通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽無線信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己，而在睡眠狀態(tài)則關閉通信模塊。研究人員在能量消耗模型方面做了大量的工作，通過測量，研究人員得到了無線通信模塊在各種狀態(tài)時消耗能量的比例。Kasten等人得到發(fā)送：接收：空閑≈1：0.8：0.4[22]，Chen等人得到的比例有所不同，為1：0.7：0.6[23]，而Stemmet等人得到的比例1：0.75：0.71[24]。由上面數(shù)據(jù)可以看出，無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能量消耗最大，在睡眠狀態(tài)的能量消耗最小，最重要的結(jié)論是在空閑狀態(tài)的能量消耗與在接受狀態(tài)的能量消耗相當，是不可忽略的。因此，制定恰當?shù)墓芾聿呗允咕W(wǎng)絡中的冗余節(jié)點從空閑模式轉(zhuǎn)換為睡眠模式將能明顯地節(jié)約能量。在無線傳感器網(wǎng)絡中，考慮依據(jù)一定機制選擇某些節(jié)點作為骨干網(wǎng)節(jié)點，打開其通信模塊，并關閉非骨干節(jié)點的通信模塊，由骨干節(jié)點構(gòu)建一個連通網(wǎng)絡來負責數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。這樣既能保證原有覆蓋范圍內(nèi)的通信，也能在很大程度上節(jié)省能量。在這種拓撲管理機制下，網(wǎng)絡中的節(jié)點可以劃分為骨干網(wǎng)節(jié)點和普通節(jié)點兩類。骨干網(wǎng)節(jié)點對周圍的普通節(jié)點進行管轄。層次型的拓撲結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點，例如，由簇頭節(jié)點擔負數(shù)據(jù)融合的任務，減少了數(shù)據(jù)通信量；分簇式的拓撲結(jié)構(gòu)有利于分布式算法的應用，適合大規(guī)模部署的網(wǎng)絡；由于大部分節(jié)點在相當長的時間內(nèi)關閉通信模塊，所以顯著地延長整個網(wǎng)絡的生存時間等。因此，對于大規(guī)模無線多跳的自組織網(wǎng)絡，如何求解其虛擬骨干網(wǎng)，形成層次型拓撲控制結(jié)構(gòu)是目前學術(shù)界的一個熱點問題。3.2相關基礎理論及仿真測試環(huán)境3.2.1網(wǎng)絡模型及相關定義定義1：無線傳感器網(wǎng)絡可以用二維平面上的單位圓圖（UDG）來建模，即利用無向圖G=(V,E)描述網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，其中：V是一組節(jié)點的集合，每個節(jié)點si表示一個傳感器節(jié)點；E是一組邊的集合，R(si)表示節(jié)點si的傳輸半徑，每條邊（其中，）表示。定義2：在圖G=(V,E)中，若找到一個V的一個子集，，對于，S都至少與V-S中的一個節(jié)點相鄰，則稱S是圖G的支配集DS(DominatingSet)，DS中的節(jié)點稱為支配節(jié)點，不在該集中的節(jié)點稱為被支配節(jié)點。如果由S誘導的子圖G[S]是連通的，則S是連通支配集CDS(ConnectedDominatingSet)，如果不存在任何其它支配集，使，則S稱為最小連通支配集MCDS(MininmumConnectedDominatingSet)。定義3：頂點集S是圖G=(V,E)的獨立集，當且僅當S中任何2個頂點在G中是不相鄰的。如果不存在任何其它獨立集，使，則S稱為最大獨立集MIS(MaxIndependentSet)。3.2.2網(wǎng)絡生命周期無線傳感器節(jié)點體積微小，攜帶的電池能量有限，且部署區(qū)域廣大而復雜，更換電池不現(xiàn)實。如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡生命周期是其面臨的首要挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡的生命周期是評價設計方案性能的重要指標。如何定義傳感器網(wǎng)絡的壽命是首先需要回答的一個問