中基于Geocast的能量感知路由硕士学位

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1、 分类号 密级太原理工大学硕 士 学 位 论 文题 目 WSN中基于位置辅助多播的能量感知路由英文并列题目 Energy-aware routing based on geocast in wsn研 究 生 姓 名： 樊雷松 学 号： 510367 专 业： 计算机科学与技术 研 究 方 向： 无线传感网 导 师 姓 名： 强彦 职 称： 副专家 学位授予单位：太原理工大学论文提交日期_/04_地 址：_山西太原_太 原 理 工 大 学声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指引教师的指引下，独立进行研究所获得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不涉及其她个人或集体己经刊登或撰写过

2、的科研成果。对本文的研究做出重要奉献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承当。论文作者签名： 日期： 有关学位论文使用权的阐明本人完全理解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中涉及：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其他子复制手段复制并保存学位论文；学校可容许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和互换学位论文；学校可以发布学位论文的所有或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签 名： 日期： 导师签名： 日期： WSN中基于位置辅助多播的能量感知路由摘 要在第三次信息革命中，物联网扮演着重要的

3、地位。它的产业链可以细分为标记、感知、解决和信息传送四个环节，每个环节的核心技术有RFID、传感器、智能芯片和无线传感网络。本文针对无线传感网中的路由算法进行了研究，改善了DD算法，提出了一种基于位置辅助多播的能量感知路由。论文中简介了基于位置辅助多播的能量感知路由的四个元素：能量爱好、数据信息、能量梯度和途径加固。能量爱好信息是一种查询，它涉及两方面的信息：一种是顾客需要什么，另一种是附近节点的能量值；数据信息描述了一种传感器事件，它由属性和值两个元组构成；能量梯度是一种转发状态，它根据邻居节点的能量标示了数据的转发方向；途径加固是确认最后转播数据所使用的途径的过程。与老式的定向WSN算法不

4、同的是，爱好信息带着源节点的能量信息。因此，当中介节点接受到爱好，她们存储这些信息到缓存中为途径摸索做好准备。在途径摸索阶段，每个中间节点根据区域概率决定了与否转发摸索数据，在网络中不浮现死区的前提下，尽量多的做到网络负载均衡，从而减少网络能耗。作者在开源的contiki嵌入式系统上实现了基于位置辅助多播的能量感知路由，通过模拟平台cooja的辅助，对网络的生命周期进行评估。实验使了1200个micaZ节点构成无线网络，分别对定向扩散路由算法、最小开销转发路由算法、LEACH路由算法和基于位置辅助多播的能量感知路由算法进行了评估。最后，表白在能耗的效率方面和网络的稳定方面，基于位置辅助多播的能

5、量感知路由都是非常杰出的。核心词：物联网，WSN，定向扩散，contiki，cooja，micaZENERGY-AWARE ROUTING BASED ON GEOCAST IN WSNABSTRACTIn the third information revolution, networking plays an important role. Its industrial chain covers identity, perception, processing and transmission of information, whoes key technology consist of

6、RFID, sensors, smart chips and wireless sensor networks. In this paper, the wireless sensor network routing algorithm is studied, energy-aware routing based on geocast in wsn is proposed.The paper introduces the four elements of energy-aware routing based on geocast: interests of energy; data; gradi

7、ent of energy and path reinforcement. Interests of energy is a query that contains two part of information: one is what you need, and the other is the value energy; data describes a sensor event, which is a tuple of attributes and values; energy gradient a forwarding state, which indicated by the fo

8、rwarding direction of data according to the energy of the neighbor node; reinforcement is the path of the last verification process used by the data broadcast.Distinct from conventional router algorithm, the information of interest contain with the energy of source node. Therefore, when the intermed

9、iate node receives interest, they store the information in the cache, which is ready for the route search. In the route searching phase, each intermediate node determines whether to forward data based probability of the area. When there are no dead zones distinct from the network, make network load

10、balancing as much as possible . By this way, we can reduce energy consumption.On the open source embedded systems - contiki, we implementation algorithm of energy-aware routing based on geocast , and with the auxiliary of simulation platform to make an evaluation of the network life cycle assessment

11、. The wireless network of experiment consistent of 1200 micaZ nodes, which be respectively configured by directed diffusion algorithm, the Two-Tier Data Dissemination (TTDD), LEACH routing algorithm and Geographic Adaptive Fidelity (GAF). Finally, the experiment show that stability and energy effici

12、ency and in the network of energy-aware routing based on geocast is excellent.KEY WORDS： Internet of Things, WSN, directed diffusion algorithm, contiki，cooja，mica目 录第一章 绪 论11.1 课题背景及意义11.2 本文研究内容及创新点2第二章 无线传感网的架构32.1 物联网32.2.1 物联网的发展背景42.2.2 物联网的本质和基本特性42.2.3 物联网的应用举例62.3无线传感操作系统72.3.1无线传感操作系统的简介72.

13、3.2无线传感操作系统的模型82.3.3 常用的无线传感操作系统92.4无线传感网络架构122.4.1无线通信的必备条件122.4.2无线网络节点的设计132.4.3无线网络架构的优势14第三章 路由算法设计163.1设计路由的挑战163.2典型的路由简介与分析183.2.1扁平路由合同183.2.2分层的路由合同223.2.3基于位置的路由合同253.3 基于位置辅助多播的能量感知路由263.3.1算法过程263.3.2算法调优29第四章 ContikiOS下的算法实现314.1 ContikiOS的特点314.2 Contiki开发环境搭建334.3路由的实现344.3.1 能量爱好的数据

14、构造344.3.2 爱好泛洪事件354.3.2 途径摸索事件发送374.3.2 途径加强38第五章 应用Cooja模拟器仿真415.1 Cooja设计模式415.2 Cooja TimeLine425.3 Cooja 提供的接口435.4 Cooja 仿真过程455.4.1 给网络添加节点465.4.2 开始模拟475.5 Cooja 仿真数据分析48第六章 总结与展望516.1总结516.2展望51参照文献52致 谢.57攻读研究生期间获得的成果59第一章 绪 论1.1 课题背景及意义物联网是一种基于互联网、老式电信网等信息承载体，让所有可以被独立寻址的一般物理对象实现互联互通的网络。它将引

15、领“第三次信息产业浪潮”，它不是对既有技术的颠覆性革命，而是通过对既有技术的综合运用，从而实现全新的商业模式。智能感知、云计算和大数据是其核心技术。目前，国内物联网在安防、电力、交通、物流、医疗、环保等领域已经得到应用，且应用模式正日趋成熟1 2。物联网技术已经成熟，在我们的生活中所扮演的角色越来越重要作用，也带来了诸多便利。事实上，便宜的传感器技术、无线通信的迅速的进步，在成本和效益上，为大规模无线传感器网络的设计和开发提供了前提条件。并且带来了广泛的应用，涉及民用、自然、工业和军事上的应用，尚有健康和环境监测、地震监测、工业过程自动化和战场监视。物联网的交互应用，将会有不可估计的经济价值和

16、市场潜力。随着传感技术、通信技术、嵌入式技术的发展、无线传感网的研究迅速成为热点。无线传感网络的简朴部署、低功耗和自组织等能力，使得它成为一项有效收集数据的技术并运用于某些特定的条件下，例如：远程地理信息系统、有毒气体监控和森林火灾监测等 。与老式网络相比较，无线传感网的重要长处是：节点的数量多、监控范畴广、网络自动配备、自动辨认节点、具有很强的协作性。然而，随着传感器范畴额扩大和传感任务的动态变化，无线传感网的性能更依赖于路由算法。许多新的路由算法被提出来。这些算法不仅考虑了WSN自身的特性，并且适应了特定的应用环境和架构需求。由于能量的限制和节点状态的忽然变化，WSN中路由的发现和维护是不

17、容易的。某些典型的路由方略被提出来，例如数据聚合，网内解决，簇，数据为中心的措施。纷繁复杂的路由合同能被提成扁平路由合同、分层路由合同、和基于位置的路由合同，也可以提成多途径路由合同、基于查询的路由合同、基于Qos的路由合同。在扁平路由网络中，所有的节点扮演着相似的角色，而在分层路由网络中，节点被提成簇，根据簇首做某些聚合，可以减少网络中的数据以节省能量。基于位置的合同运用节点的位置信息去传播数据。本论文中我们将讨论这些技术，我们的目的是为后来更加进一步的研究做一种抛砖引玉的作用3 4。虽然WSN的路由算法不计其数，可是它自身的几种限制，例如：有限的电量，有限的计算能力，和有限的带宽。WSN路

18、由的一种重要设计目的是，在尽量的延长网络生命周期的状况下，传播信息。路由的设计要考虑到如下这些因素：节点发布、能量损耗、数据告示模型和故障容忍等。本文结合了能量感知路由算法和位置辅助算法的特点，提出了自己的设计思路。1.2 本文研究内容及创新点本文提出了基于位置辅助多播的能量感知路由。在定向泛洪路由的基本上，以不浮现死区的前提下，减少了节点给邻居广播信息的数量。同步，加入了能量感知的技术，平衡了节点的生命周期长度。并在开源的Contiki嵌入式系统上实现了这一算法，通过模拟平台Cooja的辅助，测试了网络中数据的延迟状况，计算了网络死区的浮现概率，对网络的生命周期进行评估。将为新一代的WSN技

19、术革新画上举足轻重的一笔。文中各章节具体安排如下：（1）论述物联网背景下无线传感网的背景及意义，并指出应用价值和市场前景。（2）描述了几种典型的物联网技术的应用，简介了在无线领域嵌入式系统的发展状况，分析了常用的嵌入式系统，指出了这一领域的挑战。（3）具体简介基于位置辅助多播的能量感知路由，论述其爱好泛洪阶段、能量梯度的建立阶段、途径摸索阶段和途径重建的具体细节，同步简介算法中区域概率的计算和本地区域的划定（4）具体简介Contiki实现基于位置辅助多播的能量感知路由的过程，安装Contiki系统到Linux下，编译Contiki程序，对其进行硬件节点的仿真配备。（5）描述了如何运用第四章中C

20、ontiki实现的算法，搭载到Cooja平台上，模拟网络环境。展示了如何通过编程获取节点的多种参数。（6）总结本文的研究工作，同步指出此后研究的目的和方向。第二章 无线传感网的架构2.1 物联网物联网（ IOT）中，一种场景、物体、动物或人都被提供了唯一的标记符，具有自动传播数据能力的人与物体可以交互。物联网从无线技术，微机电系统（MEMS ）和因特网的会聚演变而来。物联网，可以是一种人与一种植入她体内的心脏监视器，农场动物应用的生物芯片转发器，汽车中安装的用于提示驾驶员的内置传感器，或任何其她自然界的可以分派IP地址设立并且具有通过网络传播数据的能力的人造物体。到目前为止，物联网由于其机器对

21、机器（M2M）通信的能力，已经在制造业，电力，石油和天然气等公用事业大规模的应用。麻省理工学院的执行董事凯文阿什顿，一方面在简介宝洁公司的时候提到物联网。如下是阿什顿如何解释物联网的潜力：“人有有限的时间，精力和精确性，所有这一切意味着她们不是很善于捕获现实世界中的数据。如果我们有计算机懂得一切事情，并且使用它们收集的数据协助我们做那些没有预测到的事情，那么我们将可以跟踪和计数的一切物体，大大减少挥霍，损失和成本。”物联网可以让我们在信息与通信技术领域里获得一种新的沟通维度，如图2-1所示6 7。图2-1 物联网中的连接维度Fig.2-1 Connecting dimensions in th

22、e Internet of things2.2.1 物联网的发展背景，传感器网络技术被美国技术评论列为将来变化人们生活方式的十大技术之首。11月，在突尼斯举办的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）在ITU互联网报告：物联网，,报告指出:无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网积极进行互换。 ，为了增进科技发展，寻找经济新的增长点，各国政府开始注重下一代的技术规划，将目光放在了物联网上8 9。1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举办了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛初次提出“智

23、慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基本设施。当年，美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点10。10月，国务院有关加快哺育和发展战略性新兴产业的决定将物联网技术纳入发展规划。3月，物联网技术被列入了国家十二五重点专项规划。2月，工信部颁布中国的第一种物联网五年规划物联网“十二五”发展规划。同步，大学生创立中国物联网技术高校联盟（现改名为“中国物联网校企联盟”），以此增进中国物联网技术的学习与发展。物联网产业规模将达8000亿元，中国物联网规模将超过5万亿。 物联网发展重点敲定 产业专项投资将超百亿, 据规定，今年在物联网发展方面的重点涉及：着力突破核心芯片、智能传感器等一批核心核

24、心技术；着力在多种领域开展物联网应用示范和规模化应用；统筹物联网产业链协调健康发展11。 2.2.2 物联网的本质和基本特性从物联网本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后浮现的一种聚合性应用。将多种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物能智慧对话，发明一种智慧的世界。由于物联网技术的发展几乎波及到了信息技术的方方面面，是一种聚合行、系统性的创新应用与发展，才被称为是信息技术的第三次革命性创新。物联网的本质概括起来，我们觉得重要体目前三个方面：一是互联网特性，即对需要联网的物一定要可以实现互联互通的互联网络;二是辨认与通信特性：即纳入联网的“物”一定要具有自

25、动辨认与物物通信(M2M)的功能;三是智能化特性：即网络系统应当具有自动化、自我反馈与智能控制的特点12 13。物联网有四个核心性的应用技术：RFID(RadioFrequencyIdentification)，传感器，智能嵌入技术以及纳米技术。射频辨认(RFID)技术是物联网中非常重要的一项技术，是20世纪90年代开始兴起的一种自动辨认技术，也是目前比较先进的一种非接触辨认技术。以简朴RFID系统为基本，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一种由大量联网的阅读器和无数移动的标签构成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势14 15。物联网产业在国内处在刚

26、刚起步的阶段，RFID技术与应用已有5、6年的时间了。而RFID正是可以让物品“开口说话”的一种技术。在“物联网”的设想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的辨认，进而通过开放性的计算机网络实现信息互换和共享，实现对物品的“透明”管理。作为物联网的核心基本之一，RFID产业能否健康发展将直接关系到物联网建设的成败。此外，与老式的互联网相比，物联网有其鲜明的特性：一方面，它是多种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一种信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的

27、数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。另一方面，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基本和核心仍旧是互联网，通过多种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时精确地传递出去。在物联网上的传感器定期采集的信息需要通过网络传播，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传播过程中，为了保障数据的对的性和及时性，必须适应多种异构网络和合同。尚有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其自身也具有智能解决的能力，可以对物体实行智能控制。物联网将传感器和智能解决相结合，运用云计算、模式辨认等多种智能技术，扩大其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和解决出故意义的数

28、据，以适应不同顾客的不同需求，发现新的应用领域和应用模式16 17。2.2.3 物联网的应用举例物联网对教育，金融，交通的影响将是无穷尽的。早在1999年出名的科幻作家Neil Gross说过“在下个世纪，地球将穿上一种电子皮肤。 它将运用互联网作为支架来支持和传送它的感觉。”如果通过科学家的努力这些就能成为现实18 19。 (1)传感和连接，BodyGuardian远程监控系统，该系统用于监控病人，它具有一种非侵入性，耐磨人体感应器，使医生可以监测病人的生理数据，随时随处的懂得病人的状况。同步，它是一种移动灵活的心脏监测技术，使医生可以监测病危人员的数据，并有助于保持病人及其医疗团队之间的持

29、续连接。 患者佩戴BodyGuardian控制单元，一种高度便携，轻巧耐磨，无线人体感应器。绷带状的补丁携带一种小电池供电的监控传感器，病人有完全的流动性，使患者去她们的正常生活不受任何限制。医生和临床医生可以通过网络或一台iPad随时随处安全地访问病人的数据和审查提示。此外，医生可以针对病人，容许个性化的跟踪和护理，支持个性化的警报阈值20 21。(2) 远程监控和管理您的家庭和减少您的每月帐单和资源使用状况。智能家具设备，让您即刻启动和关闭任何来自世界各地的，或者只是你的客厅插入式的电器。通过消除待机功耗节省能源，测量并记录任何设备的用电量，并通过更有效地运用和调度增长电器的使用寿命22。

30、 (3) 优化运营，提高生产效率，节省资源和成本。当建造建筑的时候，将一种嵌入式数据采集器融入建筑的混凝土内,这样的思想是SmartPile EDC构造的设计初衷。SmartPile传感器用于测试固化、运送和安装期间的混凝土的质量。超结实耐用的无线传感器被浇注并固化到建筑中，使用微小震动提供的电能，它们能检测建筑的质量。该SmartPile EDC进行数据收集汇总，并传播数据给在现场解决的智能构造工作站。由于这个过程是自动的，它能让混凝土检查过程中节省时间。SmartPile传感器使用的了微型震动供电设备，可以持续长达五年的运作。这使得建筑工程从节省成本和安全施工得到了有效的保障23。(4)更

31、好的管理措施。Open Source Lion Tracking Collars项目旨在建立一种开放源码的野生动物追踪项圈系统，以协助自然资源保护子生活在肯尼亚南部的最后狮野。该系统由两部分构成：一种跟踪项圈，它运用了GPS/ GSM模块进行定位和追踪野生动物。研究人员和马赛牧民通过短信懂得狮子的具体位置。这个项目的另一种亮点是其所波及的技术的在线文档都是公开的。该项目是让人与动物更和谐的共同生活，目前专门着眼于野生动物保护，以减少狮子捕食家畜的导致的经济损失24。(5) 记录微小的能量变化，AirCasting是一款记录你的健康和环境数据的智能手机平台。每个AirCasting会话可以让你捕

32、获环境信息，发布有关你自己的故事，并通过CrowdMap分享。 使用AirCasting Android应用程序，AirCasters可以记录自己的手机话筒声音水平，温度，湿度，一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO 2）记录的人体心率，呼吸频率，活动水平。用AirCasting CEO的话说就是“这真是一种奇妙的路程” 25 26。2.3无线传感操作系统本节简介了在无线领域嵌入式系统的发展状况，分析了常用的嵌入式系统，指出了这一领域的挑战。一方面简介了无线传感器嵌入式系统的核心作用和在无线传感网络中所扮演的角色。然后，呈现了嵌入式开源系统的特性，解释了：“为什么将嵌入式开源系统（EOSS）应用于无

33、线传感器网络，为什么既有的某些嵌入式系统不是我们的选择。”嵌入式开源系统（EOSS）设计和架构比较独特，本节将在比较和讨论的过程中剖析它们，并对重要的设计问题进行了简介，给出了支持的实例。在本节的结尾读者应当明白有关的EOS对无线传感器网络的性能的影响，不同的平台和她们背后的设计问题，同步理解为什么使用Contiki这一开源的系统实现路由算法。2.3.1无线传感操作系统的简介嵌入式系统是完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。反过来讲封装在设备内部的电脑需要一种操作系统来管理其资源，例如内存和能量。一种操作系统，它管理一种嵌式系统称为EOSS 。EOSS一般被赋予了特定的功能。

34、其使用范畴的领域从工业机械到消费类电子产品。某些具体的例子是工业控制器，机器人，网络，移动电话和手持设备，计算器，军事火箭发射器，甚至航天器，所有这些都旨在执行一套独特的任务。这种专业化使EOS比通用操作系统（OS ）尺寸更小。这是由于EOS微控制器所导致的27 28。大多数状况下，由于每个操作码执行不同的任务并提供不同的硬件功能，单一操作系统无法管理多种嵌入式系统。由于有些系统需要实时操作和能源效率，其他系统也许需要安全性或低生产成本，因此EOSS诞生了，它是专为系统设计而考虑，。研究EOSS的领域越来越多，由于新的嵌入式的浮现系统域，使她们更无处不在，无孔不入。一种新兴的领域形成了29 3

35、0。2.3.2无线传感操作系统的模型(1)事件驱动模型事件驱动的系统是基于一种非常简朴的机制，在网络系统中有广泛的应用。这是由于事件驱动模型补充了网络设备的工作方式。一种事件驱动的系统由一种或多种事件解决程序构成。解决程序重要是等待一种事件发生，因此它们被设计成无限循环。一种事件也许是一种传感器被触发，一种包的达到，或者一种定期器的时间到期。每个事件都可以有一种指定解决程序等待它发生。当一种事件发生时，有关联的事件解决程序 要么启动相应解决该事件或添加事件后执行的缓冲区。 事件从一种FIFO方式的缓冲区中删除。如果有更高优先级的事件发生时，这个模型中的任务可以被抢占31 32。这种设计使其编程

36、思想类似与nodejs语言中的的回调函数，巧合的是nodejs是事件驱动的阻塞式的编程。图2-2显示了事件驱动的系统的执行模型。图2-2 事件驱动模型Fig.2-2 The event driven model(2)线程驱动模型线程驱动模型是一种基于流程的模型。进程在CPU上的运营看似并行的方式，即每个进程被赋予一定的资源，也就是CPU的使用时间。当资源耗尽，这个进程所使用的资源被抢占，另一种进程进入CPU开始工作。在实践过程中，抢占的方式在线程驱动系统不是唯一的解决方式。我们可以使用CPU共享的方式提供虚拟的CPU，而不是一种CPU。主线程驱动系统的重要部分叫做系统的核。内核提供的所有的系统

37、服务，如应用程序所需的资源分派。分派资源的调度器是系统的主控制器，它是建立在内核中。它决定何时运营进程中，何时抢占进程。图2-3显示了线程驱动模型系统33 34。图2-3 线程驱动模型Fig.2-3 The thread driven model2.3.3 常用的无线传感操作系统(1)TinyOS为理解决无线传感器网络的资源约束，TinyOS采用事件驱动方式为模型，它是目前流行的原则无线传感器网络操作系统。 TinyOS的内存被设计的非常小，其中核心操作系统可以容纳不到200个字节的内存。 TinyOS为了减少对堆栈的使用，它容许一种CPU时间片内只能有一种事件运营，这就是事件驱动的核心思想。

38、另一种事实是，它消除了不必要的线程之间的上下文切换，这种切换导致了能量的低运用率。 TinyOS是由一组可重用的系统组件和一种节能调度方略构成，因此它没有内核。每个组件是由四个部分构成，命令、事件解决程序、任务包和一种固定大小存储空间。命令和事件必须预定义组件支持提高模块化。由于要将组件组织起来，因此需要明确组件间的合同，例如：接线（wiring）和绑定（binding）等都是TinyOS的组件间定义的合同。TinyOS的组件是由命令、事件、任务和帧构成的35 36。（2）MOSMOS（Management Operating System）是无线传感器网络领域的第一种线程驱动的操作系统。它的

39、开发者相信线程驱动模型最佳的适合WSN的高并发的需求。这种设计模式消除了有界缓冲区“生产者与消费者”问题。 MOS线程设计是为适应复杂的网络传感器任务。例如在无线传感器网络中，某些节点必须执行安全的加密算法。在一种系统中，只容许短的任务，其她时间敏感的任务也许不被执行。 相比事件驱动EOSS即实时操作，MOS提供了一种独特的特点。实时操作容许对时间敏感的任务在其指定的期限内执行，因此是更加可预测。线程驱动系统被觉得内存占用量大，以使它们在无线传感器网络中作用不大，但是MOS的开发人员可以缩小一种典型的线程驱动的操作系统以至于它适合500字节的RAM。MOS架构是一种老式的分层架构37 38。图

40、2-4显示了MOS的架构。 图2-4 MOS系统的框架Fig.2-4 MOS system framework（3）RETOSRETOS系统它被设计时考虑四个目的：提供线程驱动，高度容错的应用程序，动态重构和网络安全。RETOS的独特之处是用来切割能源消耗和空间占用的优化技术。 RETOS开发者使用一种简朴的编程模型，从而选择了线程驱动模型。然而，她们也相信这个模型可以得到须优化，以用于无线传感网。RETOS通过两种双模式操作和应用程序代码检查技术提供了系统的鲁棒性。双模式操作提供内核和顾客执行逻辑的分离。应用程序代码检查提供了静态分析，编译后的代码能动态检查运营时的行为。双模式操作是通过切换

41、顾客合同栈到内核堆栈实现的，也可以通过实时查看线程的状态来实现。应用程序代码检查可以避免应用程序从它的外边界直接访问硬件内存。为了减少RETOS的内存分片，它使用两种技术：单内核堆栈和堆栈大小的分析。在一种线程驱动的系统中，每个线程都需要一种顾客和内核堆栈。在RETOS内核栈减少到一种共享的内核堆栈。这意味着，不容许内核级的抢占发生。然而存储器Catche命中明显减少。堆栈大小分析被用于拟定对于每个堆栈的存储器定量。这些因素使得RETOS系统在实时的性能方面也非常优秀39 40。（4）ContikiContiki有一种类似事件驱动的内核，并且它提供了用于解决进程的优化线程。Contiki系统涉

42、及一种内核，库程序和用于加载进程的加载器。它不提供一种硬件抽象层。相反，它容许设备驱动程序和应用程序直接与硬件通信。内核涉及一种基于优先级方略的调度器。通过每次发生事件时调度相应的事件解决程序，调度器调度事件到运营。调度还不断轮询调度解决。这些都是解决程序不断轮询的事件。轮询解决程序一般驱动硬件和轮询硬件更新。过程通信是通过发送事件的完毕，总是通过内核。内核支持两种类型的事件：同步和异步。同步规定事件解决程序立即运营，并须完毕运营。异步是不同的计算形式，因此它们可以在后来的时间被调度。不同于以往的操作系统，电源管理不被调度器控制。在Contiki系统中 ，电能管理是留给应用程序的。Contik

43、i事件队列的尺寸留给了程序员。程序员可以使用它来拟定何时该系统可以进入休眠模式。TinyOS的编程语言是NesC而Contiki的编程语言是C，进程是应用程序或服务。服务是实现功能的程序，一种服务也可以被令一种进程使用。多种应用程序可以使用相似的服务。服务和应用程序可以在运营时替代使用的Contiki 的程序加载器。通信合同栈就是Contiki服务的一种例子。由于服务是可更换的，我们可以在运营时变化路由合同。服务由服务层管理。服务层监视运营的服务，并且可以被用来找到可用的服务。每个服务均有一种接口，批示它的id 。应用程序使用这些服务过链接存根库的函数。而根库使用服务层发现服务进程。一旦该服务

44、运营，它的ID被缓存，否则祈求中断。服务也可以使用相似的机制调用其她服务。图2-4显示了通信栈运用动态加载的措施提成两个不同的服务41 42。图2-5 Contiki系统的框架Fig.2-5 Contikisystem framework2.4无线传感网络架构2.4.1无线通信的必备条件建立一种低功耗无线网络是一种挑战，构建一种多跳的网络框架是无线通信的必备条件。本节的重点是摸索这一通用的架构，解决无线传感器网络的需求。这个架构被设计为具有通信子系统，容许其根据具体应用灵活优化通信合同，而同步获得高带宽和效率。我们一方面描述与通过无线链路通信有关联的基本操作。这暴露了某些核心的设计挑战，涉及无

45、线传感器网络并发的性质。为理解决一系列的核心挑战，我们提出开发一种通用架构的无线传感器节点。2.4.2无线网络节点的设计无线设备，如手机， 802.11无线网卡和蓝牙功能的设备都通过一种专用的合同解决器来解决并发性和解耦问题。应用程序和合同级解决可以并行进行，由于她们在不同的物理硬件上运营。合同解决器实时的解决调制和解调的无线电信道，将编码数据进行传播。它解决格式化的分组的原始数据流细，解决器可以轻松的解决这些数据流。例如，蓝牙接口（HCI ）的主机频道通过UART提供了一种高层次的分组接口43 44。该接口将数据包同步，信道编码和媒体访问控制（MAC）合同都封装起来，应用程序只需要调用它们即

46、可。合同解决器的速度被设立，以满足所需的通信合同的规定45 46。专用通讯合同解决器只是老式设计问题中的一部分。此外，低效的芯片到芯片的通信机制也是它的一种缺陷。最后，使用专用的合同解决器导致低效的资源运用率。目前的sky、micaZ等无线网络节点使用基于资源池的架构，这样就能动态的分派节点的资源。它们都应用了专用硬件加速器来高速解决数据解决性能和效率的问题，图2-6显示了硬件的架构图2-6 节点的硬件构造Fig.2-6 The hardware structure of the node架构的核心是解决模块，它被合同理模块和功能模块分时的运用。解决模块支持良好的并发性，它支持多任务的切换。这

47、个运算模块涉及多种寄存器，这样CPU就能迅速的在进程之间进行切换。运算模块的另一种特别之处就是它同一种共享区域互连。内存、I/O端口、数模转换器和硬件加速器也是与共享区域互连的。这样数据就能在解决器和合同模块、功能模块之间迅速的传播。合同模块与功能模块之间的数据传播不需要通过CPU，功能模块的数据可直接给合同模块，这样解决模块只是筹划了数据的流向而不需要自己解决数据。硬件加速器是这个模块的真正强大的所在，多种加速器分别实现通信合同的基元，然后通过软件配备就能使用多种通信合同。硬件加速器支持优化通信的射频电量、迅速的加密解密数据、数据的认证47 48。2.4.3无线网络架构的优势（1）并发性该架

48、构必须提供一种有效的机制来实现细粒并发性。在发送和接受的状况下，解决模块的与无线通信必须在应用程序级别达到并行解决，同步可以互相传播数据。在通信过程中，传感器事件和数据计算必须可以正常的继续进行。在重叠的启动信号检测阶段和应用程序阶段更是如此。例如，启动信号检测必须不断地等待执行，直到有通信信号达到。如果有其他的应用程序要执行，那么它们之间必须做到并行。除了合同模块和应用程序模块之间的并行之外，还做到了合同各个阶段之间的并行。下图显示了如何将数据编码和数据传播以流水线的形式组织在一起，达到并行效果以减少传播延迟。系统体系构造必须提供细粒度并行机容许合同解决层和应用层解决同步进行49。（2）灵活

49、性节点的硬件架构必须提供灵活性，以支持广泛的应用场景。重要的是，嵌入式系统是要有足够的灵活性，以支持特定应用合同。无线传感器网络与移动电话，无线局域网或蓝牙设备的不同就是，它做没有一套固定的、必须遵守的通信合同。深嵌入式无线网络能在带宽，延迟和网内数据加工进行权衡，以减少功耗。例如,如果传感器数据是每分钟只采样一次, 那么对于网络几秒钟的延迟就是可接受的, 容许操作系统在低功耗的状况下协调这些延迟的流量。这样的优化可以将电池的寿命从几种星期延长为十年。除了支持灵活的通信合同，合同模块和应用程序之间的灵活的接口也是非常重要的50。（3）同步性该架构必须提供实现精确的节点到节点的同步能力并让应用程

50、序可以直接控制无线信号发送。这在许多无线传感器网络应用中起到了至关重要的作用。为了让应用程序来实现精确的时间同步，当数据包被接受无线通信合同必须提供精确的时间信息。此外，她们必须容许应用程序来精确地控制时无线信号的启动或关闭接受51。第三章 路由算法设计3.1设计路由的挑战虽然WSN的应用不计其数，可是它自身有几种限制，例如：有限的电量，有限的计算能力，和有限的带宽。WSN的一种重要设计目的是，在尽量的延长网络生命周期的状况下，传播信息。路由的设计要考虑到如下这些因素：(1)节点发布在WSN中如何部署节点，将影响到路由合同。部署可以是任意的也可以固定部署。在固定部署中，传感器的位置固定，因此数

51、据可以沿着制定的途径发送。在随机部署中，传感器节点在簇内随机的产生热点。如果节点的分布不是一致的，优化的簇可以使得网络能量均匀的使用。由于能量和带宽的限制，传感器之间的传播距离很短，因此多跳是路由的一种好的选择52。(2)能量损耗传感节点执行计算、传播信息能损耗它们自身的有限的电量。通信和计算的能量是必要的。传感器节点的生命周期依赖于电池的生命周期。在一种多跳的WSN中，每个节点对于发送和接受方都是一种中间角色。多角色的节点可以自己适应路由拓扑的变化。(3)数据告示模型数据的感应和传播依赖于应用环境和数据的紧急限度。数据的告示可以是时间驱动的、查询驱动或者是混合驱动的。时间驱动的交付模型合用于

52、监控环境的应用。例如，传感器节点可以定期的转变自己的角色、阶段性的在传播和感知数据的功能之间进行切换。在事件和查询驱动的模型中，传感器可以对于突发事件进行反映，或者回应基站的事件查询。它们适合于某些紧急事件的监控环境中。数据告示模型波及到了能量的损耗和路由的稳定性53。(4)节点/链路差别性在某些研究中，所有的传感节点，在计算能力，存储能力，和电量上都被假设是均匀的。然而传感节点是有差别性的，它们有不同的角色和配备。这就必然的在数据传播过程中引起了诸多技术问题。例如，某些应用需要多种的传感器去检测、适度、压力、温度，侦测声学信号和捕获图像、音频信息。这些传感器可以独立的发布在多种节点上，也可以

53、给每个节点搭载多种传感器。如何解决差别性带来的问题，簇首的机制就是一种好措施。在一种范畴能节点互相协商根据能量、存储能力和带宽、甚至是到基站的距离，选择一种节点作为与基站通信的节点作为簇首54。(5)故障容忍网络中少量的节点由于电量消耗、物理损耗而坏掉是正常的。少量节点的死亡不能影响到整个网络的通信。如果一种节点死亡，MAC和路由层的合同必须从新发布路由信息使整个拓扑重新收敛。这个过程需要自动的调节信号频率使得链路减少能量损耗，或者重分布路由。多层的冗余对于故障容忍是一种好的选择55。(6)稳定性：一种区域内传感器节点的数量也许成百上千。任何的路由都需要照顾到每个节点，并且路由方略在应对事件发

54、生时必须足够的稳定。大部分时间节点都应当处在休眠状态，有事件发生时，尽量少的唤醒节点来完毕事件的解决56。(7)网络的活动性：大多网络的架构假设节点是固定的。有时候，基站的移动和传感器的移动是不可避免的。在维持整个网络的稳定性的前提下，路由一种移动的节点上的信息很有难度。节点与否移动根据于网络的应用，例如，在监测和侦测应用中，目的节点是移动的，而在森林火灾监测中节点的固定的。静态的网络也许流量会少一点，而动态的网络需要实时的报告数据给基站，因此流量比较大。(8)传播介质：在多跳的传感网络中，通信节点通过无线介质连接在一起。无线信道的衰减和错误率影响着网络。一般带宽是1-100kb/s。使用MA

55、C合同中的TDMA措施可以节省能耗。(9)覆盖率：在WSN中，每个传感器节点均有一种覆盖范畴。在这个覆盖范畴内它可以监测环境。如何将许多覆盖范畴合理的规划成一种网络也是研究的一种热点。(10)数据聚合：由于传感网络也许产生许多冗余数据，因此来自多种节点的同一种数据应当被融合。数据聚合是使用聚合函数将不同的源数据融合成精确数据的一种措施。这项数据被用于节省能耗，和优化路由算法。信号解决的措施也能用于数据聚合，例如：在波束形成过程中减少信号噪声，产生更少更精确的数据。(11)服务质量：在某些应用环境中，数据被定期的收集，然而这些数据不一定都是有用的。因此，数据分发的有界延迟被引入了这些应用中。但是

56、，在此外某些应用中网络的生命周期也许比数据的时效性更为重要。可以减少数据的发送次数而将节省的能量用于延迟网络的生命周期。因此，能量意识的路由算法被提出来解决了上述的需求。3.2典型的路由简介与分析一般WSN中的路由根据网络架构被分为，扁平路由、分层路由、和基于位置的路由。在扁平路由中，所有的节点被赋予了平等的角色和功能。在分层路由中，节点扮演着不同的角色。在基于位置的路由中，节点的位置被用于路由的过程中。此外，路由合同被提成多途径路由、基于查询的路由、和基于QOS的路由。路由合同尚有三种方略，积极式、响应式和混合式。在积极式中，路由的链路在数据传播前就形成了。在响应式中，当网络中形成了数据然后

57、才有路由的形成。混合式结合了两者的特点。当传感器节点是静态的部署在网络中时，最佳使用路由表这种积极式的路由合同。路由合同的发现和启动过程中消耗大量的电量，为解决这一问题，协作式的路由合同浮现了。在协作式的路由过程中，节点发送数据给中心节点，中心节点对数据进行融合和预解决。中心节点一般是网络中能量比较大的节点，这样就保证了网络中更少的死区，节省了能耗。3.2.1扁平路由合同扁平路由合同是一种多跳方略的合同，在扁平的网络中，每个节点扮演着相似的角色。传感器节点一起完毕传感任务，共同承当发送数据的责任。由于网络中大量节点的存在，给节点分派全局地址将消耗太多的存储资源。为理解决这一问题，数据为中心的路

58、由被提了出来。基站向一种拟定区域祈求，来获取数据。初期的数据中心的路由有SPIN和定向扩散。往后的许多合同都是这两种合同思路的延续。下面将论述这些合同的长处和她们在实现过程中的弊端。SPIN：传感节点邻接合同：海因策尔提出了这种合同叫做SPIN，它假定所有的邻接节点到基站都是可达的，因此向内部的每个节点分布信息。这使得网络可以迅速的获得所有节点的信息。这个合同保证了近距离邻接节点均有类似的数据库，因此，仅仅需要分布那些邻接节点没有的数据。类SPIN合同使用数据邻接和资源适配算法。SPIN节点使用一种元数据的格式，这是语义学上的一种应用，这种语法没有冗余数据发送出去。例如，传感器节点也许使用唯一

59、的ID去传播元数据，这个ID可以表达一种区域。此外SPIN可以获取节点的能量级别，根据节点的能量采用路由合同。这个合同是有心跳时间的，当顾客不祈求数据时，网络中也有流量。SPIN合同通过邻接节点和资源适配去弥补典型泛洪的局限性。SPIN的设计基于两个观点：1传感器节点发送数据给拟定的节点，而不是所有的节点，这样使得操作更有效，节省能耗。2老式的合同，像泛洪和Gossip发送数据给重叠的区域导致了能量和带宽的挥霍。在泛洪过程中，相似区域的节点发送数值差距几乎为零的信息也是没有必要的。不考虑节点的能量而泛洪，将大大的缩短网络的生命周期。Gossip避免这个问题通过随机的选择泛洪节点，然而引起的数据

60、的延迟。SPIN的元数据邻接路由解决了泛洪引起的常规问题，因此获得了能量的高效运用率。SPIN是一种三阶段的路由合同，节点使用三种形式的信息去路由合同ADV，REQ和DATA。ADV被用于发送新的数据，REQ去获取数据，DATA是实际的信息。当SPIN 节点获取新的数据的时候表白合同开始了。它一方面广播ADV信息，邻接节点发送REQ信息给目的节点。目的节点发送DATA信息按照REQ的路由线路。SPIN-2，在节点传播信息之前，对数据进行解决，提高数据的可用率。每个节点有自己的资源管理，保证了信息发送给能量大的节点。SPIN-2引入的这个机制叫做阈值控制，当节点的能量达到一种最低的阈值时，将减少

61、数据的传播。例如：节点在不减少阈值的前提下，才去完毕路由合同的其她阶段。总之，SPIN-1与SPIN-2 是类似的合同，它们在传感器移动的状况下能较好的完毕工作，由于转发是根据邻接信息的。定向扩散：这种合同是数据聚合的一种范例，它也是一种数据为中心的应用合同(DC)。所有信息都是以键值对的形式发送的。数据为中心的合同重要思想是从不同的数据源聚合数据、消除冗余、最小化包数量，因此节省能耗。不像老式的点到点路由，DC路由从多途径达到DC节点。在这一过程容许数据的聚合。在定向扩散中，传感器感知事件，同步创立信息爱好梯度与它们各自的邻接节点。基站通过广播爱好信息去祈求数据。爱好描述了一种任务，它在网络

62、中一跳一跳的分发，被节点广播给邻居。当爱好被传播的过程中，能量的梯度被建立起来，在获取数据的时候就能根据梯度发送信息。基站产生了爱好信息，中间节点传播爱好信息。这样每个节点都设立梯度，直到目的节点到基站的路由建立起来。一般，一种梯度定义了一种属性值和方向。对于不同节点梯度的强度是不同的。在这一阶段中循环链路不被检查，它会在最后的阶段被移除。下图显示了，定向泛洪的过程a 发送爱好 b 建立梯度 c数据传播。 当爱好信息适应梯度，多途径形成之后，最佳的途径的梯度被加强，以至于制止没必要的泛洪。为了去减少能耗，数据在这个过程中被聚合。如何找到一种有效的聚合树是核心点。图3-1定向扩算的过程Fig.3

63、-1 The process of Directed Diffusion 在定向扩散的网络中，节点选择好的途径发送信息，根据节点的能量大小存储和解决信息。缓存数据可以使得节点上的信息更有效，增长了数据分发的鲁棒性。定向扩散网络中的事件自动的传播。这种类型的信息获取方式合用于持久化的查询，而不合用于一次性的查询，对于一次性查询它的查询途径只用一次，设立梯度信息显得十分多余。诸多因素都影响着数据聚合措施的实现。例如：源节点的位置，源节点的数量和通信网络的拓扑。为了研究这些因素，在图3-1中展示了两种模型。这些模型被叫做事件辐射模型ER，和随机源模型RS。在事件辐射模型中，网络区域的点也就是一种簇被定位成一种事件。在区域s中的所有节点都不是基站，而是数据源。在RS模型中，源数据不需要构成一种簇。这两种模型都能容纳大量的节点，然而哪种模型更加的节省能耗，这个取决于应用环境。总之，在定向扩散中使用数据聚合技术可以提高网络的鲁棒性。定向扩散不同于SPIN的两个方面：一方面，定向扩散规定B