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第十四章 无线传感网中的控制技术 目录 14.1 无线传感器网络概述 14.2 无线传感器网络中的路由控制技术 14.3 无线传感器网络的链路层技术 14.4 定位跟踪控制技术 14.5 目标跟踪控制 14.6 覆盖控制 14.7移动传感网动态建模和控制技术 第十四章 无线传感网中的控制技术 14.1 无线传感器网络概述 无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）在最近的十年中取得了极其迅速的发展。从其诞生伊始，便引起了国内外的广泛关注，伴随着计算机技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、传感技术、分布式计算、信息融合技术的发展，无线传感器网络的体系结构日益完善，系统功能日益强大，已经广泛的应用于军事、交通、环境监测、珍稀动植物保护、大气土壤保护、医疗及各种工农业环境中，为人类社会的发展发挥了越来越重大的作用。美国商业周刊和麻省理工学院在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的技术和改变世界的技术之一。 第十四章 无线传感网中的控制技术 14.1.1 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。 传感节点的物理结构 第十四章 无线传感网中的控制技术 无线传感器网络的体系结构 无线传感网的传感器网络相对于传统网络，其最明显的特色可以用六个字来概括即：“自组织，自愈合”。自组织是指在无线传感网中不像传统网络需要人为指定拓扑结构，其各个节点在部署之后可以自动探测邻居节点并形成网状的最终汇聚到网关节点的多跳路由，整个过程不需人为干预。同时整个网络具有动态鲁棒性，在任何节点损坏，或加入新节点时，网络都可以自动调节路由随时适应物理网络的变化。这就是所谓的自愈合特性。 第十四章 无线传感网中的控制技术 14.1.2 无线传感器网络的特征 无线传感器网络不同于传统的有线网络，而且与移动通信网、ad-hoc网、无线局域网以及蓝牙通信都有着较大的区别，伴随着无线传感器网络规模的扩大，也形成其自身的一些显著特点。 节点具有丰富的功能。 自组织部署，无中心。 动态的拓扑结构。 多跳的路由。 节点的数目巨大，网络结构存在冗余。 节点的资源有限。 供电能力有限。 第十四章 无线传感网中的控制技术 14.2 无线传感器网络中的路由控制技术 路由技术是无线传感器网络通信层的核心技术。从路由的角度看，无线传感器网络有其自身的特点，使它既不同于传统网络，又不同于移动自组网（Mobile Ad hoc Network，MANET）。 14.2.1路由协议的分类 与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点： 1） 能量优先。 2） 于局部拓扑信息。 3） 以数据为中心。 4） 应用相关。 第十四章 无线传感网中的控制技术 针对传感器网络路由机制的上述特点，在根据具体应用设计路由机制时，要满足下面的传感器网络路由机制的要求： 1） 能量高效。 2） 可扩展性。 3） 鲁棒性。 4） 快速收敛性。 从可以获得的文献资料来看，目前无线传感器网络基本处于起步阶段，从具体应用出发，根据不同应用对无线传感器网络的各种特性的敏感度不同，大致可将路由协议分为4种： 1） 能量感知路由协议。 2） 基于查询的路由协议。 第十四章 无线传感网中的控制技术 3） 地理位置路由协议。 4） 可靠的路由协议。 14.2.2 能量感知路由协议 高效利用网络能量是无线传感器网络路由协议的最重要特征。能量感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题，其最终目的是实现能量的高效利用。 （1）能量路由 能量路由的基本思想是根据节点的可用能量（Power available，PA）即节点的剩余能量或传输路径上的能量需求来选择数据的转发路径。 第十四章 无线传感网中的控制技术 能量路由协议示意图 路径之一 源节点—B—A—汇聚节点，路径上PA之和为4，所需的能量之和为3； 路径之二 源节点—C—B—A—汇聚节点，路径上PA之和为6，所需的能量之和为6； 路径之三 源节点—D—汇聚节点，路径上PA之和为3，所需的能量之和为4； 路径之四 源节点—F—E—汇聚节点，路径上PA之和为5，所需的能量之和为6； 第十四章 无线传感网中的控制技术 能量路由策略主要有以下几种： 1） 最大PA路由：从数据源到汇聚节点的所有路径中选取节点PA之和最大的路径。在中路径2的PA之和最大，但路径2包含了路径1，因此不是高效的从而被排除，选择路径4。 2） 最小能量消耗路由：从数据源到汇聚节点的所有路径中选取节点