毕业设计（论文）开题报告基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计（含文献综述、外文翻译）.doc

毕业设计（论文）开题报告（含文献综述、外文翻译） 题 目 基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计 姓 名 　　 学 号 　　 专业班级 05自动化2班 　　 指导教师 　 分 院 信息科学与工程分院 　　 开题日期 2009年03月6日 文献综述内容基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计近年来，随着传感器、计算机、无线通信、微机等技术的发展和相互融合，人们终于可以实时监测外部环境，实现大范围、自动化的信息采集，这就是无线传感器网络（Wireless Sensor Network）无线传感器网络是是一种特殊的Ad-hoc网络[1]，它是由大量低成本且具有传感、数据处理和无线通信能力的传感器节点通过自动组织方式形成的网络。

他独立于基站或移动路由等基础通信设施，通过分布式协议自组成网络传感器网络中的传感器节点主要有两类：普通传感器节点和汇聚节点汇聚节点（Sink）为一个特殊节点，他是中心处理节点，也称网关节点该节点可向区域内的普通传感器节点发送数据采集命令，并接受和处理普通传感器节点传来的数据1 国内外情况分析1.1 国内外研究背景 传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期，最早用于战场信息的收集从21 世纪开始，传感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划，特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络的研究 在军事领域，美国国防部和各军事部门较早开始启动传感器网络的研究，强调战场情报的获取能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列军事传感器网络研究项目在民用领域，美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目计划”，预计到2025年全面投入使用，该计划试图有效集先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理 在学术界，由于传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等多学科交叉的研究领域，美国所有著名院校都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究，加拿大、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了传感器网络的研究。

我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电子所、自动化所、合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究1.2 Wsn在国内外的形势无线传感网络涉及传感器技术、微系统技术、计算机技术、通信技术等领域，是集分布式信息采集、信息传输和信息处理于一体的网络信息系统，具有低成本、微型化、低功耗、灵活组网方式等特点，广泛用于军事防御、国家安全、环境科学、交通管理、反恐维护、灾害预测、智能城市建设等领域，受到国防部门、学术界、工业界的极大关注由于无线传感器技术目前处于起步阶段，技术走向成熟还有一段时间当前研究状况如下：美国军方：C4KISR计划、Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统CEC等NSF：2003年制定了传感器网络研究计划英国、日本、意大利等国：开展该领域的研究工作我国也开展了这一领域的研究工作：无线传感器结点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等研究的学科交叉性不断增强，涉及电子工艺、无线通信和计算机网络。

在无传感器的关键技术方面：拓扑结构控制、时间同步、定位技术和自动组网等方面国内对协议的研究很多基于NS-2 或OPENT仿真环境进行国内对协议的研究，从理论的角度进行各种算法比较和总结在传感器技术、通信协议和采集数据的查询上，取得一些初步研究成果，但仍有大量没有涉及的问题因此，无线传感器网络从理论完善到工程实践存在大量需要研究的问题2 存在的问题 无线传感器网络因为其在应用中面临的严重挑战而成为信息工程领域最引人关注的研究课题之一在对该领域详细分析后，其在设计方面面临的挑战主要有以下几个方面： （1）生存时间：无线传感器节点由于受到电池能量影响而在使用寿命上被严重限制目前的碱性原料电池还不能保证节点连续工作一个月的能量消耗，对于有需要长时间监测和不易更换电池需求的大型传感器网络有较大差距，这也是目前多数研究者在研究传感器网络协议时将能效作为网络设计首要目标的原因生存时间的问题可通过硬件技术和网络构架技术两方面加以该进从硬件技术上来讲，涉及到工业设计等许多问题 （2）鲁棒性：提供大范围的高质量覆盖应用是无线传感器网络的重要使命在此类应用中，传感器、通信节点等设备成本低廉。

正因如此，这些设备并不非常可靠而且在某些情况下的误差较大，保持鲁棒性是确保整个网络系统在少数节点发生错误后仍能维持网络性能的关键如何使在苛刻条件(如沙漠地区)或危险地带(如敌军区域)布置的传感器网络拥有良好的鲁棒性是一个严峻的挑战 （3）协同信号处理能力：目前无线传感器网络设备在处理器、存储、无线收发机以及传感器感知精度等方面的能力有限如果仅仅对系统硬件设备提升需要巨大代价作为一种典型的分布式网络结构，如何设计传感器节点间的协同以更加快速有效完成信号过滤、数据汇集、协同定位等任务相当具有挑战性4）网络的自配置性：由于无线传感器网络在许多应用中其节点规模较大，其在无人值守的条件下，不可能在布置网络后再进行人工调整.网络开始工后，拓扑结构的动态调整、节点定位、时间同步以及坐标校准、内部节点通以及测量参数的决定等多方面需要网络本身有较高的自配置性因此无线传感器网络的自配置性是一个非常关键的问题3 WSN的研究进展目前无线传感器网络尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国外建设了很多演示系统，相关的理论研究成果也很多近年来，国内一些科研院所和高校也开展了无线传感器网络理论和应用的研究，从可以获得的文献资料来看，基本处于起步阶段。

传感器网络节点为一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支持平台目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等传感器网络有着巨大的应用前景，建筑在各类传感网络节点平台上的、面向海陆空全方位应用需求的各类研究项目更是层出不穷 以下仅列出其中几个代表典型应用的项目为例，比如用于环境监测、气象现象的观测和天气预报、生物群落的微观观测、洪灾的预警、农田管理、智能家居、智能交通、辐射监测的研究，用于定位的Cricket和Echo，以及用于医疗的SSIM项目等相信随着研究工作的不断深入和发展，各种传感器网络将最终遍布我们的生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”4 无线传感器的拓扑控制4.1 研究拓扑控制的意义无线传感器网络是一种新兴的网络，一般具有大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常发生变化的特点[2]无线传感器网络的这些特点决定了拓扑控制在无线传感器网络研究中的重要作用，同时这些特点也使得它的拓扑控制研究具有挑战性。

首先，拓扑控制是一种重要的节能技术；其次，拓扑控制保证网络覆盖的质量和连通质量；另外拓扑控制能够降低通信干扰、提高MAC协议和路由协议的效率，为数据融合提供拓扑基础；拓扑控制能够提高网络的容量、可靠性、可扩展性等其他性能总之拓扑控制对网络性能具有重大的影响，因而对它研究具有十分重要的意义4.2 拓扑控制的目标和分类就通常意义下的WSN而言，其拓扑控制的共性目标主要包含：保障节点间可达性、降低能量损耗、提升网络容量、减小信道干扰以及增强空间复用率等多个方面对于某些特定应用，针对网络需求，拓扑控制的目标还涉及支持弱移动性、减小传输延迟、优化通信链路质量等其它方面由于节点发射功率的全方位扩散特征，因此WSN结构可抽象为单位圆图(unitdiskgraph，UDG)从图论角度结合上述共性目标不难发现，经拓扑控制调整所获网络结构图应具备连通性、对称性/弱对称性、稀疏性、节点度(物理度/逻辑度)受限、平面性等基本属性从算法中的拓扑管理方式、形成依据、实现需求等不同角度，拓扑控制算法存在多种归类方法1）拓扑控制算法从管理方式可划分为节点功率控制和分簇拓扑控制两类其中节点功率控制机制指通过设置或动态调整节点的通信功率，以保证网络拓扑连通、双向连通或多连通，同时尽量避免隐终端和暴露终端[3]问题。

分簇机制采用分层结构形成处理和转发数据的骨干网络，其中非簇头节点可通过空闲休眠策略来达到节能目的功率控制适用于网络规模相对较小、对兴趣数据准确性和敏感度要求较高的网络环境，而分簇控制适用于部分节点可以实行休眠策略的大规模网络2）从拓扑的形成依据来看，算法可分为[4]几何方式和概率方式几何方式以某种特定结构(如最小生成树(minimum spanning tree，MST)、RNG图[5] (relative neighborhood graph)、GG图[5] (gabirel graph)、DT图[5] (delaunay triangulation)及YG图[5] (Yao graph)等来构架网络，概率方式(如几何随机图[6]、占位理论[7]、连续渗流理论[8])指计算具有较好性质时的节点功率和度值，并按此形成拓扑3）从算法的实现需求看，可分为基于精确地理位置的算法、基于方位信息的算法和基于邻居集信息的算法4）根据最终生成拓扑中节点功率是否一致，可区分为临界传输功率(critical transmitting range，CTR)算法和差异传输功率分配算法5）从算法的执行频率，可把算法分为周期性执行算法与单数据包(per-packet)调整的拓扑控制算法。

6）根据算法是否考虑节点的剩余能量问题，可分为基于能量的拓扑控制算法和非基于能量的拓扑控制算法7）根据算法的实现需全局网络信息还是局部网络信息，可分为基于全局信息的算法和基于局部信息的算法4.3 拓扑控制的评价标准拓扑控制要保证在一定的网络连通质量和覆盖质量的前提下，一般以延长网络生存周期为主要目标，兼顾通信干扰、网络延迟、负载均衡、可靠性、可扩展性等其他性能，形成一个优化的拓扑结构无线传感器网络是与应用相关的，不同的应用其设计目标不尽相同，采用的拓扑结构控制手段也不尽相同我们对于拓扑控制的评价标准一般为以下几方面：（1）连通性 拓扑控制不能使连通图G变成非连通图也就是说，如果G中的节点u与v之间有一条(可能是多跳)路径，那么在T中也应该有这样一条路径(显然，不一定是同一条路径)如果至少要去掉k个节点才能使网络不连通，那么就称网络是k-连通的，或者网络的连通度为k拓扑控制要保证网络是连通的(即至少1-连通)，这是拓扑控制的基本要求2）覆盖率 覆盖率可以看成是对传感器服务质量的度量覆盖问题可以分为区域覆盖、点覆盖和栅栏覆盖区域覆盖研究对目标区域的覆盖(监测)问题；点覆盖研究对一些离散的目标点的覆盖。