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1、华中科技大学 硕士学位论文 一种无线传感器网络路由算法的设计与实现 姓名：孙可佳 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：刘云生 2010-01-16 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 无线传感器网络是一种大规模、无线、多跳的自组织网络。这项技术从概念提 出到现在已经发展了近三十年，在军事、工业、环境、医疗等方面有着较为广泛的 应用。无线传感器网络技术目前仍然处于不断研究发展的阶段，在科技界也被认为 是 21 世纪最重要的技术之一，被称为是 21 世纪人类信息研究领域所要面临的主要 挑战之一。2006 年初，国务院发布的国家中长期科学
2、与技术发展规划纲要为信 息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能 感知技术和自组织网络技术。 在无线传感器网络技术发展过程中，资源受限的制约是最突出的，具体体现为 无线传感器网络中的各种事务都要受到资源有限的影响。诸如节点体积小、电池容 量小，从而决定了无线传感器节点的数据存储和处理的能力有限，这就使得无线传 感器网络中的软件设计更需要精炼高效。在路由算法方面，许多科研工作者已经做 了孜孜不倦的探索，取得了很多优秀成果，可以在节省能源的情况下使得无线传感 器网络拥有尽量快而有效的传输质量。 当实时性的概念逐渐成为嵌入式软件的又一热点后，无线传感器网络也迫切需 要
3、实时性方面的研究。由于无线传感器网络应用的领域各不相同，对实时性的要求 也各不相同，故而无线传感器中传输数据的方式也应有所区分。从这个角度入手， 可以设计需要针对实时性的差异来分别制定在各应用背景下合适的传输策略，并可 以设计可调节关键属性的数据传输算法。 关键词关键词：无线 传感器 网络 实时 路由 算法 嵌入式 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract Wireless Sensor Network (WSN) is a huge, wireless, multihop, self-organization network. The t
4、echnology has developed for 30 years from the conception appeared. WSN has been widely used in many areas such as Military, Industy, Environment, Medicine. The technology of Wireless Sensor Network is still been studying and developing. Wireless Sensor Network is considered as one of the most import
5、ant technologys in 21st century in science area. Wireless Sensor Network is considered as one of the most important challenges which human information study area faced in 21st century. Early 2006, the State Council published National long-term Science and Technology Development Plan defined three fo
6、rward directions in information technology area, two of the three are related to Wireless Sensor Network: Smart Sensing Technology and Self-organization Network Technology. Resource limited is the most important constraints while the developing of the Wireless Sensor Network. Every affair will limit
7、ed by resource in Wireless Sensor Network. The nodes are small, and the battarys may very limited, so the nodes have limited data storage and handling ability, and the design of software must be more streamlined. In the direction of routing algorithm, many sciences have worked hard and got many good
8、 rezults, it can make Wireless Sensor Network communicate data quickly and efficiently when recourse limited. When the conception of real-time became another hotspot in embedded software, wireless sensor network also need the study of real-time. Wireless Sensor Network applicated in many different a
9、reas, the requests of real-time are different, so the way of data transmission must be differentiated in Wireless Sensor Network. Though the differentiated of application background real-time requests to make appropriate data transmission ways, the paper bring up a data transmission algorithm which
10、can adjust its keyed attribute. Key words：Wireless Sensor Network Real-time Routing Algorithm Embedded 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书
11、本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 无线传感器网络路由算法的背景介绍无线传感器网络路由算法的
12、背景介绍 20 世纪 70 年代以来，无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Networks）技术 以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知领域的一场变革。无 线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线 通信方式形成的一个多跳的自组织网络。20 世纪 90 年代中后期，无线传感器网络的 研究逐渐在更多领域受到关注，其蕴含的巨大应用潜力和商业价值使之被誉为 21 世 纪人类信息研究领域所要面临的主要挑战之一1。 现在，无线传感器网络已经发展成为一门涉及到计算机、网络、微电子、通信、 传感器、信号处理等诸多领域的交叉学科，并在未来的的发
13、展中即将要与新型能源 技术（太阳能充电、微波传输技术） 、材料工程（适应更加严苛的环境） 、生物工程 （引入生物仿生学技术，以及节点废弃后可被生物降解）等领域产生更加紧密的联 系。甚至我们可以大胆预测，在生物芯片技术代替现有的硅片技术应用到机器人领 域之时，无线传感器网络技术将会是未来人与机器人以及机器人与机器人之间的交 流手段之一。 无线传感器网络路由算法作为无线传感器网络的核心技术之一，一直走在无线 传感器网络技术研究的前沿。如何能够在有限的资源和严苛的条件下使得无线传感 器网络尽量健康高效地工作，成为了无线传感器网络路由算法研究工作者们所追求 的目标。 目前，无线传感器网络技术在军事、工
14、业控制、环境监测、医学技术这四大领 域具有非常广阔的应用前景。而在不同的领域中，WSN 的应用特征各不相同，发展 方向也有所不同，尤其是对实时性的要求更是差异甚大，故而在研究无线传感器网 络路由算法时必须分别加以研究并区分处理。 在军事领域中，无线传感器网络多用于恶劣地形或敌控区的侦察工作，WSN 节 点一经部署就无法补充能量，故而 WSN 节点必须体积小、工作时间长、抗干扰和入 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 侵能力强。 在工业控制领域中，无线传感器节点一般是可以设计安放在固定位置上的，除 了监测目标内部信息的情况之外，一般没有隐蔽性的要求，甚至可
15、以对每个节点进 行电池的更换，所以在工业控制领域中对无线传感器节点的体积和电池工作时间要 求并不严格，在通信手段的选择上也相应较为灵活。但工业控制领域一般要求无线 传感器对周围环境的变化要足够敏感，同时要在高噪音、高湿度、高温、高气压以 及重粉尘、重油污等恶劣情况下仍然可以正常工作。 在环境监测领域中，无线传感器节点一般不会有很大的位移，故而节点体积也 可以不必做得太小，但是对于节点的材质有很高的要求，一般都要求节点在任何情 况下都不会污染环境，这样一般就需要采用环保型甚至可以生物降解材料的电子元 件来制造节点，节点的成本会增加。 在医学领域中，无线传感器的功能是实时测量和监测人体的生理数据，
16、随着人 的活动，无线传感器节点之间的相对位移十分频繁，无线传感器节点位移的距离远 大于节点自身的大小，且带有强烈不规则性。 传统意义上的 WSN 技术关键词一般是：无线、多跳、大规模、无分区、自组织、 无基础设施支持、短距离无线低功率通信技术、同构节点、低成本、体积小、随意 散布。但是在不同的领域里，WSN 技术侧重点不同，有些属性可能要求更加苛刻， 有些属性则要求相对宽松甚至可以采用传统意义以外的技术，有些需要嵌入式实时 操作系统的支持才能更好工作2。 把不同应用领域内对无线传感器的体积、节能、规模、实时性、材料、信息安 全等属性的要求进行对比分析，可以得到表 1-1。 表 1-1 应用于不同领域的无线传感器网络节点属性要求 体积 能量 可回收 实时性 材料 信息安全 军事 毫米级 数月 不可 强 抗干扰 强 工业 无限制 数月 可以 中 无特殊 中 灾害监测 无限制 数月/数年可以/不可强 无特殊 中 环境监测 无限制 数月 可以 中 无污染 中 人体体外 厘米级 数天 可以 强 无特殊 中 人体体
