无线传感器

摘要
无线传感器网络融合了片上科技、传感器科技与小功耗通讯这几个如今快速改进的优秀科技。

此类网络一般通过很多多点布置的传感器单元经过一定的形式
组成，如今已大面积推广到国防、科技和环境监控等范围中。

伴随科技的逐步改进，无线传感器网络科技也会在物联网中发挥自身的特点。

因为传感器单个单元的运算量都有约束，怎样增加其有效活动周期是此研究的关键点。

文章对于无线传感器网络有关程序进行分析，把遗传算法使用到其系统当中，使用遗传算法处理繁复的平台改进算法的特殊特点，对其进行优化，寻求最佳途径来减少单个单元的运算量。

作者具体的研究内容如下：首先，针对无线传感器网络的开展状况和有关定义做出归纳；介绍了几类典型的路由协议，并提出了一种新的路由协议分类方法，按照节点数据的传播方式将路由协议分为广播式、坐标式和分簇式三种。

其次，针对各层级的单元来分析，对LEACH还有对应改善的、拓展的路由协约实现进程做出研究，某些协约也做出了模拟，评测了此类协约的优劣势。

再次，给出了一个根据遗传算法的无线传感器网络程序，把剩下的能量加入考虑的范围内，并且对提出的办法做了模拟，把其和非动态的算法比较，证实了新程序的先进性。

第四，在结合LEACH优点的基础上对其簇头选择、成簇过程以及簇间通信做了改进，并且把遗传算法作用在寻求功耗最小的信息传递途径。

最终对改良的程序做了模拟，和LEACH与某些相关的程序进行比较，证明了此程序的先进性。

关键词：无线传感器网络，拓扑控制，节能，遗传算法，LEACH
第一章绪论
1.1 研究背景及意义
计算机技术、微电子技术以及网络技术的不断成熟促进着信息社会的不断发展，人类社会对于各种场合下信息采集和处理的需求也日趋强烈，为此促进了低功率传感器技术的发展，这种传感器相对廉价，具备体积小、能通过射频的方式相互连接的特性，它们能被大量投放于特定区域，以获取环境数据，进行环可靠性监控（包括生化检测、机械状态检测等），获得高精确度的传感信息并且经过一定的无线通讯形式传递信息。

这种设施可以经过无线通讯的形式互相关联形成一种体系，此类体系也叫做无线传感器网络。

图1-1是某种经典的无线传感器网络运作形式。

图1-1 无线传感器网络
Fig. 1-1 Wireless Sensor Networks
无线传感器网络可以对大量感知信息（例如波动数据、红外数据等）进行分布式处理，有效提高感知数据的精确度。

微型传感器在区域内随机分布，通过无线方式相互通信并自组织成网络，此类网络能够通过累计感知数据为人类提供充分、多维度的环境数据。

除了这种情况以外，网络形式的算法具备良好的抗干扰性，在有很多小型传感器形成的无线传感器网络中，当某个微型传感器因不可抗力失效时，其他微型传感器能够迅速检测到异常事件，通过调整网络结构使无线传感器网络能够继续发挥准确作用。

无线传感器网络可以被布置在恶劣、复杂甚至敌对方控制的物理环境中（例如活动火山口、有毒物质泄漏地点、战场交战区域等），也可以布置在人类不易接近的环境中（例如大型工厂、精密仪器内部、甚至人体内部等），来实现较低成本地保护传感或监控传感，还可以按照需求分布在人们容易接触的地方（比如身体表面、房子里边等）来做出全空间的状况监护。

图1-2是某种经典的无线传感器网络单元的示意图。

图1-2 无线传感器网络的节点构成
Fig. 1-2 Node Structure of WSNs
在目前，人们日常生活中的各个细节都可以看到无线传感网络的身影，其处于人们日常生活的个个角落，以及时精确的数据极大地扩展了人类对物理世界认识的深度和广度，使人类与物理世界的联系日趋紧密，及大地提高了人们对周围情境的监控与防护技能，总而言之，在以后发展中，无线传感网络的使用空间是没有限制的。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
美国是最先发展无线传感网络科技的地区，其国家防御部门与军事部门最近加大了研究费用，在某些知名大学、研究所与有关单位，进行了很多为了达到军事部门战争需要的无线传感网络科技与使用分析，分析的关键领域是在各类军事观察与监控科技和平台，例如智能尘埃、“无线综合网络传感器”（WINS）、“传感
器信息技术”（SensorIT）、网络嵌人式系统技术（Network Embedded System
Technology，NEST）、“灵巧传感器网络”（Smart Sensor Web, SSW）、“远程战场传感器系统”（Remote Battlefield Sensor System，REMBASS）和“沙地直线系统”（A Line in the Sand）等。

美国政府的科技基金组委会等部门也建立了很多科技项目，推动各高校与研究部门开展无线传感网络的基本模型与使用算法推导。

而且，很多单位也陆续进行无线传感网络的使用研发。

在此类研发的推动下，很多高校与研究部门都给出了不少处理各类无线传感网络科技的实际办法，研发了很多可以真实使用的互联协约与平台，开展了不少无线传感网络运作的实地考证。

1.2.2 国内研究现状
中国在无线传感网络范围的分析开始比较早，基本上和国外很多地区都是同事进行的。

一九九九年，无线传感网络科技第一次被大家所熟知的是在中科院的《知识改革项目试行范围分析》的数据和智能化范围分析数据中。

二零零二年起，中国科技基金委员会陆续投资了很多相关的传感器网络的考察任务。

并且还开展了“针对传感器网络的分散式体系重点科技协作组织模型”与“传感器网络体系基本成型和信息管理重要科技分析”等关键工作。

中国在二零零六年公布的《中国长远科技开展计划（二零零六年至二零二零年）》为信息科学所决定的三种先进科学中，有两种是和传感网络有明显的关联，其是自动化测量科技和自组织科技。

我国的关键领域分析开展规划（九七三规划）也在二零零六年投入了“无线传感网络的基本模型和重要科技分析”工作。

我国高科技分析开展规划（八六三规划）在二零零六年进行的在数据科技范围的通讯课题下投入了十几项探讨引导型任务，分析传感网络的体系级科技。

二零零七年开展了“传感网络嵌入式系统开发”等结果引导型工作，开展了传感网络体系重点科技的分析。

另外，科学部门在“11-5”规划中，我国科学部门也布置了有关使用标准工作，为了促使传感网络在生态监控、企业安排、群众医疗等方面的运用。

综上所述，伴随最近无线传感网络分析有着宽广、深入的进行中，无线传感网络在基本模型、重点科技与真实运用等层面都已获得明显的分析结果，很大地推动了无线传感网络使用的运作。

在此类分析结论的上面，某些商业应用的无线传感网络固件与平台已逐渐形成，并且陆续投入真实环境中。

虽说因为在传感器网络中的能量节省、性能控制等层面的科技约束，无线传感网络的大范围商用情况还需等待，但是能够看到，伴随无线传感网络分析的深化与各类重点科技的逐步改善，无线传感网络可以在很多学科中都能获得很大的使用前景。

二零一零年，流量、动力、温度的相关感应器等市场范围巨大，各自占有全
部传感器市场的百分之二十一、百分之十九与百分之十四；这几种传感器已经逐渐体现出商用前景的特点；以后传感器的市场的重要增加将会源于无线、微型体系、物体等新型的传感器范围内。

1.3 无线传感器网络的特点和应用
1.3.1 无线传感器网络的特点
按照无线传感网络的硬件架构与软件特性，其一般有下面几种特征：
1.有限的硬件资源：无线传感器网络节点微型、廉价的特点使得其片上资源（内部存储器、计算能力）极为有限，比一般计算机要弱很多。

这个固有特性决定了在涉及此类节点操作系统时不能使用过分复杂的网络协议。

2.无外部供电：无线传感网络依赖本身电池作为运作电池，因为单元的小型化还有经常用在各类特殊背景的生态监控之下，人工更换电池成本很高，依靠微型电池无法满足长期工作的需求。

此种特点致使无线传感网络单元能量消耗规定显得十分关键。

3.去中心化网络：无线传感网络各单元权重相同，其当中不会有这某个特殊的关键接收点，整个架构都会受到各类外界要素的作用。

4.自组织：通过飞行器在一定范围进行分散投放网络节点，这些节点自动与其范围内的其他节点相互通信，经过规定的协约与程序调节自身的通讯能力，自主地管理，成为能够具有特殊能力的单个网络。

5.多跳路由：无线传感网络的包括宽广度非常大，各个单元的能力有限制，思考到无线通讯行为有很高消耗的特性，因此各个单元只可以和它有关地区中的其余单元做出通讯。

如需与其通信范围之外的其它节点（例如簇头节点、汇聚节点等）通信，节点数据包通常会由特定路由算法得出的路径进行传输以降低直接传送带来的能耗过高问题。

6.网络结构动态化：无线传感网络单元数目较多，在网络实现进程中必然会由于各类外界要素影响导致的单元坏掉，又或者希望增加网络的准确性或者纠错技能而新添加的某些单元，这就需要无线传感网络可以快速根据有关的架构性变换而做出改变，实时地形成网络拓扑架构。

一般的无线网络（比如广域网与全球移动通讯系统网络）出现通讯停止，常
常并非是因为电源消耗完全或单元分布出现改变这类在无线传感网络中经常看到的问题导致的，传统无线网络在设计之初就是为了提供高质量的通信服务，各节点有稳定的外部电源供电，在通讯协约设定进程中想到的较多的是提升体现总体特性。

然而无线传感网络单元数目较多、任务环境极其恶劣的特征很大地提高了手动换取单元本身电源的资本，所以无线传感网络单元对消耗非常关键，在硬件设定与软件研发两个层面都要把能量消耗减少置于第一位。

点对点体系在分析初期，有较多结论指出无线传感网络与点对点体系二者没有差异，甚而觉得两种网络协约可以在某个方面兼容。

但是伴随分析的深化，研究人员认为无线传感网络和点对点网络有着巨大的差异：
1.无线传感网络单元个数远远大于点对点模式，二者的网络架构具有很大的差异。

2.在无线传感网络中的单元如果被加入，就会处在没有人看守的稳定状况下，如果不是单元出现问题，网络架构就肯定不会容易出现改变。

但是在点对点模式中，单元经常是处在迅速改变情况下，网络架构将会不断改变。

3.无线传感网络因为单元数目较多，问题出现的概率将明显比点对点模式要高。

4.无线传感网络只能够关键的通讯形式是无线广播，在点对点模式中单元一般是单对单的通讯形式。

图1-3是无线传感网络、点对点模式与无线宽带网络的联系示意图。

WSN
图1-3 三种无线网络的联系示意图
Fig. 1-3 Relationship between WSN, Ad hoc & Wireless UWB
1.3.2 无线传感器网络的应用
如今无线传感网络的使用愈来愈全面，推动了许多学科的进步，各类企业也逐渐研发出无线传感网络有关的商品，科研单位对无线传感网络的重视度也愈来愈深入。

现在已经被大范围地使用到了国防、群众健康、家用电器等方面。

1.军事应用：无线传感网络单元布置快速、自形成、很高隐藏特点在军队部门中使用非常贴合。

美国军事部门的二十一世纪C4ISRT（引导、可控、通讯、电脑、信息、监控、调查、对象发现）平台就是无线传感网络国防需求的经典案例。

图1-4是无线传感网络在军队部门中的使用领域的示意图。

图1-4 无线传感网络的军队部门使用示意图
Fig. 1-4 Military Proposed Simulated WSNs
2.医疗护理领域：通过将无线传感器节点放置在被观察者身体的特定部位，以获得被观察者的各项生理数据，或者对被观察者的恢复状况进行持续跟踪，这些数据均有助于人类更好地了解身体机能状况以及促进新型药物的研制。

人工视网膜工作归属SSIM（智能传感与集成微型系统）战略，研发者经过把由一百个微小的传感器形成的代替视网膜的模块放入人的眼睛里，为了让眼睛不便的人可以能复原为一般的标准。

传感器的无线通讯达到了其操纵的需求，有助于图形的分辨。

图1-5是无线传感网络在个人身体监控中的使用。

图1-5 无线传感器单元使用在个人身体监控中
Fig. 1-5 Health Sensor Devices of WSNs
3.智能家居领域：无线传感网络单元能够增加到家用电器中，经过无线网络和因特网相连，我们就能够操控相关平台对家里的电器情况做出查询与操纵，比
如在下班的途中开启暖气，回家的时刻就可以享用到温暖的房间。

图1-6 智能化家居系统
Fig. 1-6 System of Smart Home
1.4 无线传感器网络的关键技术
无线传感网络的理念从一九九八年被提及以后，都处在不停的进步中。

纵观整个发展历程，可将无线传感器网络的研究分为两个阶段，以智能微尘为代表的微型节点系统和以对网络性能的研究优化为主的研究两个阶段，其中第二阶段正不断成为是各大研究机构的研究热点。

下面是维持无线传感网络的几个重要因素。

1.4.1 路由协议
路由协议处理的是信息传导的情况，是无线传感网络的重要科技之一，全部网络的特性和路由协约的特性紧密相连。

无线传感网络中采用的协约限制在单独网络单元的特性，因此难以采用一般的互联网路由协约。

同时无线传感网络的使用环境差别巨大，致使一般的路由协约的计划进程十分繁复，难以达到减少功耗与运算量的需要，所以无线传感网络路由协约必须有应对性地按照真实状况来做出规划，进而优化协约的改进，提升网络功能。

1.4.2 时间同步技术
时间同步技术是归属无线传感网络的基本要素，其不但是无线传感网络各类运用能够运作的前提要素，而且时间同步准确度也确定了其余技术的功能和特性。

在集中型体系中，因为一切过程或者单元都能够从平台中单一的时钟内获知当前时间，所以体系中所有两种事物都有着精确的前后顺序。

然而在分散型的体系中，因为空间上的分离性和无线通讯的延迟性，平台难以为互相分离的两个单元给予一样的时间，一般的替代办法是通过各类过程或者单元自身维持其当地时间。

但是因为这种当地时间的时间变化、外界因素的不一样，就算做出了所有时钟的调整，但伴随平台的运作也很容易形成异步的问题。

因此一种功能优秀的时钟同步技术对无线传感网络的平稳运作时十分重要的。

时钟同步算法一般用在下面方面：多传感器信息压制和集合、低消耗MAC协约、距离测定、一般分散系体系、协约传导。

以下列出了多个有效的时钟同步协约：DMTS（Delay Measurement
Time Synchronization）协议，RBS（Reference Broadcast Synchronization）协议，多跳RBS（Multi-hop Reference Broadcast Synchronization）协议，TPSN （Timing-sync Protocol for Sensor Networks）协议，多跳TPSN（Multi-hop Timing-sync Protocol for Sensor Networks）协议，HRTS（Hierarchical Reactive Time Synchronization Protocol）协议以及FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）协议。

上述协约归属一般的时钟同步协约，是有效的协约，但一般的时钟同步协约目标是形成单元时钟的相同性，就是同步性。

在很多新型的技术中，萤火虫同时技术在形成单元间的一致性的时候也确保了单元一致性，就是让单元的一些规定性活动具备共同的时间，假如在此类技术中的基础时间是同时周期，那么时刻点就能够满足时间同步性的需求。

1.4.3 安全设计技术
无线传感网络是一个空间位置与数据平台的连接口，通常被部署在复杂的现实环境中，无线传感器网络可以应用在诸如战地目标的跟踪监视、建筑物安全监控、犯罪现场取证等场合中，怎样避免外界侵入或被加入无关紧要的数据对这种网络的安全能力给予了相当高的挑战，所以无线传感网络本身的安全情况就表现得非常关键。

无线传感网络的一般保护科技包含基础的安全架构、密码隐藏、路由协议、侵入检查还有加密功能等。

表1-1对多种无线传感网络的相关安全技术在
表1-1 几种安全协议的比较
Tab.1-1 Security Protocol of WSNs
在保障性通讯通道构建前，系统中私钥的安排情况是私钥控制中最重要的方面，对于无线传感网络的保障特点，私钥控制情况一般要处理下述几种情况：
1.抗物理俘获。

无线传感网络是一个没有人监控的网络平台，其单元散布各
地，难以保证不会被空间俘获，这就需要无线传感网络在某些单元安全私钥被窃取的状况下，其总的私钥控制仍然维持较好的安全性能。

2. 轻量级密钥管理。

传感器单元本来就作为一个微型的功能体系，计算性能、存储空间与电源设备情况都受到约束，传统的秘钥管理机制无法满足传感器节点低功耗的运行的需求，因此轻量级密钥管理显得十分必要。

3. 避免集中控制。

无线传感器网络节点易受环境因素的影响而失效，因此基于单点的集中信任模型将无法避免通信拥塞和能源耗费两个对网络性能产生很大影响的问题，甚而出现以往内网络中某个单元有问题影响到全部网络单元的崩溃的恶劣效果。

4. 快速适应结构变化。

无线传感器网络在运行过程中不可避免地会发生节点失效（电量耗尽、部件失效、被攻击）问题，失效节点的秘钥应被及时撤销以消除安全隐患。

为保持网络健壮性有必要向网络中补充新的传感器节点，新的安全秘钥会在新节点与原节点间产生。

1.4.4 服务质量保证
伴宿网络科技的进步，各种种类的多媒体科技在互联网中不停涌现，例如IP 通讯，电影播放等。

所有这类的相关功能对网络能力给予了更加高的需求，一般的尽量推送功能明显难以达到新的需求，所以就要互联网给予相关的功能来达到业务对设备品质的需求。

图1-7给出了一个简单的QoS 模型。

图1-7 QoS 模型
Fig. 1-7 QoS Model 无线传感网络也能算得上是一个网络，大家也非常想在这种传感网络中传输Application/Users Network
QoS Support Support Requirements nts
各种工作的需求，同时期望此网络的设备品质与一般的网络同样有保证。

然而一般的网络不太注重消耗与宽带情况，这两种要素又刚刚好事确定无线传感网络设备品质的重要要素。

无线传感网络内部的无线路径宽带不高，单元的设备能力比较低下，对于上述几种要素，一般的网络的QoS维持制度将不能全部使用在无线传感网络中。

因此在软硬件资源相对匮乏的情况下提高网络中的数据传输性能是无线自组织（传感器）网络研究中的重要问题；或是在保证服务质量的情况下，使无线自组织（传感器）网络的覆盖范围最大化，同时还需保证算法能够有效减少能量消耗以延长网络寿命。

1.4 文章主要内容和结构
无线传感网络的特征致使其自身具备很宽广的使用范围，无线传感网络的关键分析方面可以划分成网络协约、传输安排、时间一致、单元位置几种方向，论文的关键分析内容与论文的组织见下。

1.4.1 主要内容
论文第一解释了无线传感网络的分析前景与全球范围内的分析状况，经过无线传感网络的综述，对无线传感网络的系统架构，如今的使用方面和重要科技做出了较为完整的解释，关键讨论了无线传感网络的路由协约。

其后经过对无线传感网络层级路由的模拟，研究其在功耗问题、路由情况等上面的优劣势。

其次把遗传技术使用到无线传感网络路由协约中，使用遗传技术在处理较为繁杂的情况上的好处，寻找最优路由协约，最终做了模拟，把洪泛法和其对比，从功耗情况上看改良后的路由协议要比洪泛法优秀。

在LEACH的方向上提供了一个改良的想法，对初始的簇头选取方法上做了改良，在成簇进程中给出了一个新型的分簇办法处理热点的情况，把遗传技术使用到簇间路由进程中。

最终文章给出了改良技术的模拟结果，并且和原本的LEACH 技术做了比较，从单元消亡速率与信息传输量两个层面来说，改良技术都比原来的协约要好。

1.4.2 章节安排
本文共分7章，具体章节安排如下:
第一章，绪论。

具体解释了无线传感网络的应用前景、应用价值、全球范围内的分析状况和两个其余无线网络的区别。

后简要介绍了本文的章节安排。

第二章，无线传感网络路由协约的研究与对比。

具体讲解了几个一般的路由协约在无线传感网络中的形成与使用，讨论了各类路由协约的优劣势。

第三章，给出了一个根据遗传技术而形成的无线传感网络路由技术，并且做了模拟比较。

第四章，对LEACH的簇头选取、成簇进程还有运作机理等做出了具体的研究；对照全球范围内的文章来看，对原始LEACH的改良技术做了简单的研究。

第五章，在LEACH技术上给出了一个改良技术，具体讲解了改良技术的实行办法。

第六章，对前章给出的改良技术做了模拟比较，证明了改良技术的优势。

第七章，对文章的归纳与期望。

最终是参考文献、致谢、还有读硕士生时候的研究结果一览。

第二章无线传感器网络路由协议的分析和比较
2.1 概述
所谓的无线传感器也就是不需要其他辅助设备作为支撑的网络设施，它的运转是传感器节点之间相互作用的结果。

无线传感器主要是用来处理一些信息，处理之后，再输入到相应的客户。

这样也就方便了用户对于网络的远程把握。

对于无线传感器内部的节点，各个节点所承担的功能基本是相同的，也就是说节点之间没有明显的重要或不重要之分。

在这些节点之中，被没有一个处于核心地位的节点，这些节点也是通过预先设定的方式就行信息交流。

这些节点用来交流信息的网络便是一个内部的测量网络。

无线传感器的电力提供通常只依靠电池来进行，再加上无线传感器所工作的范围大都是一些无人看守的地方，因此一旦电池电量耗尽，很难进行及时的更换，这种情况发生后，可能使得网络中的某些节点发生故障。

也就是说，保持无线传感器的电力充足是保证正常运作的一个重要环节。

实际中，为了确保有足够的电量，可以通过降低能耗的方式来间接达到。

为了降低能耗，首先就要寻找致使能耗较高的主要因素，通过观测可知，传输半径直接影响这能耗的高低，并且这种影响以二次方甚至更高的比例变化着。

因此对于无线传感器来说，降低能耗的关键之处在于降低传输距离。

需要减小发射功率能有效降低无线通信能耗，但会导致单个节点的传输半径减小，为实现网络的大范围覆盖，可以采用多跳中继的信息传输模式，而且这种方式也是目前的主流解决方案。

要想真正利用这种方式传输，配套的路由协议是必不可少的。

为了更好的了解无线路由协议，首先要明确它的特殊之处：
1.能量优先。

传统路由协议的关注点主要集中在网络性能的提高上，运行传统路由协议的设备通常具备稳定的能量供应。

对于无线网络来说，所组成网络的节点的能量较低，较低的能量对于网络生存时间有严格的要求，这一点在设计路由协议时应当被首先考虑到。

2.局部拓扑。

传感器节点通过降低发射功率的方式来降低能耗会导致节点覆盖半径减小，又因为节点硬件资源有限，因此节点所能承担的信息处理量是十分有限的，所能进行的计算复杂程度也是有严格的限制的。

这种情况的存在就使得信息传输的路径选择成为一个艰难的问题。

3.以数据为中心。

对于传统的路由协议而言，更多的是受用于功能丰富但是实际的规模却比较小的网络，这一点对于无线传感器就十分不适用了。

无线传感器由众多的节点相互交流信息来运作，但是每个节点本身的信息处理量是十分。