（信息与通信工程专业论文）无线传感器网络分环分簇路由算法.pdf

浙江大学硕上学位论文摘要 摘要 随着微机电系统技术，无线通信技术和计算机技术的发展，提出了无线传感器网络技 术。作为未来的新兴技术之一，无线传感器网络在军事、环境监测、医疗救护、商业等领 域，因而具有十分广阔的应用前景，引起了学术界和工业界的高度重视。 无线传感器网络是由大量的传感器节点通过无线通信连接构成的无线网络。无线传感 器网络节点由于数量众多，成本要求低、分布区域广，通过携带能量有限的电池供电等特 点，因此无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用。通过设计合适的无线传感器 网络路由协议，提高无线传感器网络路由算法的性能，可以有效的减少网络中的计算量和 通信量，降低传感器节点的能量消耗，进而提高传感器节点能量的利用率，延长整个网络 的生存周期。 本文首先对无线传感器网络技术做了简要介绍，包括无线传感器网络的体系结构和特 点；然后介绍无线传感器网络路由协议的分类，对现有路由协议进行了对比分析；在此基 础上，选择典型的分簇路由协议l e a c h 协议作为深入研究的对象，对l e a c h 协议以及基于 l e a c h 的改进路由协议进行了具体的分析，指出了各自的优点以及不足之处，给出分簇路 由协议的设计方法和设计目标；最后在已有分簇路由协议的研究基础上，提出了一种适用 于较大规模网络应用的无线传感器网络分簇路由协议。 本文提出了一种基于分环的网络模型，将无线传感器网络的监控区域划分成多个同心 圆，并通过数学推导计算各环面能量消耗最小的最优簇头节点数目，确定最里环面的簇头 节点数目。通过均衡网络簇头节点间的能量消耗，计算各环面最优簇头节点数，克服无线 传感器多跳网络的“热区”问题。在簇头节点的选取方式上，根据传感器节点所处的环面 确定传感器节点竞选簇头节点时的覆盖半径，并以传感器节点的剩余能量，覆盖率作为依 据，采用竞争的方式选取簇头节点。仿真结果表明该算法在较大规模网络应用中，保证了 传感器网络的连通度，降低了传感器网络的能量消耗，有效地延长网络寿命。 最后，本文总结了所作的工作，并对将来的工作进行了展望。 关键词：无线传感器网络，路由协议，多跳通信，网络寿命 i i 浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i sp r o p o s e d a so n eo ft h em o s t i m p o r t a n te m e r g i n gt e c h n o l o g i e s ，w s nh a saw i l d l ya p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nt h ef i e l d so f m i l i t a r y , e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , m e d i c a la i da n dc o m m e r c i a l ，w h i c hh a sa r o u s e dg r e a t i n t e r e s ti na c a d e m i aa n di n d u s t r y b e c a u s eo ft h el a r g en u m b e r sa n dl o wc o s t ，t h es e n s o rn o d e sa r ed i s t r i b u t e dw i l d l yi n n e t w o r k ，a n dt h e i rl i m i t e de n e r g yi sp r o v i d e db yt h eb a t t e r y t h e r e f o r e ，m a k i n gf u l lu s eo f t h e e n e r g yi st h ep r i m ea i mi nd e s i g n i n gw s n t h ee n e r g y o ft h es e n s o rn o d ec a nb es a v e db y d e s i g n i n gas u i t a b l er o u t i n gp r o t o c o lu s e di nw s n a n di m p r o v i n gi t sa l g o r i t h m sp e r f o r m a n c et o r e d u c et h ec a l c u l a t e da m o u n ta n dc o m m u n i c a t i o nt r a f f i c c o n s e q u e n t l y , t h el i f e t i m eo fw s n w i l l b ep r o l o n g e d i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , w s nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e db r i e f l y , i n c l u d i n gt h es t r u c t u r eo fw s n a n di t sf e a t u r e s s e c o n d l y , t h er o u t i n gp r o t o c o l sf o rw s na r ec l a s s i f i e da n da n a l y z e d t h i r d l y , t h el e a c hi sc h o s e na st h et a r g e to fr e s e a r c h i t sd e s i g n i n gw a ya n dp u r p o s ew i l lb ea c h i e v e d a f t e rt h ea n a l y s i so fi t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s f i n a l l y , an e ww s np r o t o c o lw h i c hi s u s e di nm u c hb i g g e rn e t w o r ki sp r o p o s e d m e a n w h i l e ，ar i n g - b a s e dn e t w o r km o d e li sb u i l t i nt h i sm o d e l ，t h em o n i t o r i n ga r e ao fw s n i sd i v i d e di n t os o m ec o n c e n t r i cc i r c l e s ，a n dt h ec l u s t e r - h e a d si nt h ef i r s tr i n gi sc a l c u l a t e db y m l m m l z m gt h ec o n s u m p t i o no ft h ee n e r g yo fs e n s o rn o d e s i no r d e rt o s o l v e t h eh o ta r e a p r o b l e m ”c a u s e db ym o r et h a no n en e t w o r k s ，t h eo p t i m a ln u m b e ro fc l u s t e r - h e a d si nd i f f e r e n t r i n gi s c a l c u l a t e db yb a l a n c i n gi t se n e r g yc o n s u m p t i o n i nt h ea s p e c to fc h o o s i n gp r o p e r c l u s t e r - h e a d ，i ti sd e t e r m i n e db yt w of a c t o r s o n ei st h ee n e r g yo ft h en o d e ；t h eo t h e ri st h e n u m b e ro fn o d ei n v o l v e di nt h em a n a g e m e n t t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h en e wp r o t o c o li s m u c hm o r ee f f e c t i v ei ns a v i n gt h ee n e r g yo ft h en e t w o r ka n dg u a r a n t e e i n gt h ec o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h el i f e t i m eo fn e t w o r ki sp r o l o n g e d i i i 浙江大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t i nt h ee n d ，t h et h e s i sc o n c l u d e sa l lt h ew o r k ，a n dg i v e sap r o s p e c to ft h ef u t u r ew o r k k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，r o u t i n gp r o t o c o l ，m u l t i - h o pc o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k l i f e t i m e 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者虢刎忽努签字嗍渺年雩月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：主，1 忽磅 签字日期： 砌年乡月孚日 导师签名：仓b 擅 签字日期： 。l 。年弓, e i8 日 浙江大学硕上学位论文致谢 致谢 论文完成之际，谨向所有关心、指导和帮助我的老师、同学表示衷心的感谢。 首先，衷心感谢我的导师金向东高级工程师，他给我提供了良好的科研工作环境，并 且在生活和学习上给予了我无微不至的关怀。从论文的选题，到论文的提纲安排，以及研 究思路上金老师都给予了悉心指导。他的严谨作风和敬业精神将使我在今后的工作中受益 匪浅。感谢金向东老师两年半来对我的培养，从他的身上我不仅学到了许多专业知识，更 学到了许多做人的道理和做学问的方法。在此，我还要感谢实验室的龚淑君老师对我的指 导和关怀。龚老师做事严谨，为人和蔼，在我的实验室工作中提供了很多帮助。 最后还要感谢含辛茹苦培养我的父母，感谢他们在我求学生涯中给予我的最大的关心、 理解、支持、鼓励和引导。谨将此文献给我最敬爱的父母! 刘志强 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江人学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 研究的背景和目的 微电子技术、计算技术与无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快 速发展，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器节点开始出现。人们将无 线网络技术与传感器技术相结合，无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 应运而生。它由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线的方式形成 的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感 知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络 的三个要素。无线传感器网络被认为是2 1 世纪最重要的技术之一，将会对人类未来的 生活方式产生深远的影响n 1 。 无线传感器网络作为一种分布式的自组织网络，与无线移动自组网有相似之处， 但同时也存在很大的差别。无线传感器网络是一种新型的无基础设施网络，也称为无 线移动自组网( a d - h o c 网络) ，它与传统的无线网络如w l a n ，蜂窝移动电话网络等有着 不同的设计目标n 1 。在w l a n ，b l u et o o t h 和蜂窝网等网络中，他们要么不是自组织的， 要么就是单跳通信，或者就是不能构建千个节点以上的通信网络，这些网络的首要设 计目标是提供高性能的服务质量( q u a1i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 和更高的带宽，由于移动 节点可以不断地获得电能补充，因此对能量的考虑被放在次要位置。然而，对于自组 织的无线传感器网络来说，能量耗尽时影响无线传感器网络性能，网络运行周期的主 要决定因素。无线传感器网络具有更多的节点数量，单位面积的节点密度更高，但是 大部分节点不像a d - h o c 节点一样快速移动。传统的无线自组织网络是旨在建立一个可 通过动态路由和移动管理技术实现传输具有服务质量要求的多媒体信息流的网络，其 首要设计目标是提高服务质量和高效的带宽利用，其次才考虑节约能源。而无线传感 器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统。a d - h o c 网络中，实现的是任意 两点之间通信的模式，而在无线传感器网络中，传感器节点采集监测数据传输至监测 中心，属于多对一的通信模式。这种多对一的通信模式决定了网络中能量消耗的不一 致性，这是无线传感器网络的重要特点之一。 目前，无线传感器网络已经是在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识 1 浙江人学硕1 ：学位论文 绪论 高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点， 正是由于这些特点使得无线传感器网络的研究存在着许多新问题，提出了很多新的挑 战。 传感器网络由大量的微型传感器节点组成，传感器节点通常是一个微型的嵌入式 系统，其体积微小，自身固有的通信能力、计算速度及存储容量等十分有限，通过携 带能量有限的电池供电。由于无线传感器网络节点个数多，成本要求低廉、分布区域 广，而且部署区域环境复杂，有些地区甚至人员不能到达，这就使得为网络节点补充 能源是不现实的。因此，传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用。如何节省传 感器网络能量、延长传感器网络生命周期、提高传感器节点的利用率是无线传感器网 络的研究热点。通过选择适当的网络拓扑控制和网络协议，减少网络中的计算量和通 信量，可以有效减少无线传感器网络中的节点能量损耗，延长整个网络的生存周期。 1 2 国内外研究与应用现状 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末。从2 1 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。1 9 9 9 年，题为“传感器走向无线时代”是传感器网络走向无线传感器网 络新时代的代表性论述。2 0 0 3 年，美国技术评论杂志将无线传感器网络技术列为 第一项未来新兴技术。在国内的一些科研单位和大学也已经开展了在传感器及传感器 网络方面的研究工作。 无线传感器网络可以将客观世界中不断变化的信息持续高效地传递给人们，为人 们提供各种形式的服务b 一1 。传感器网络最初发展是由于军事方面的应用而推动的b 1 ， 在军事上，利用传感器网络实现对敌军兵力和装备的监控，战场的实时监控，目标的 定位，战场的评估，核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能；在环境研究方面可 用于监视农作物灌溉情况，土壤空气情况，牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监 测等，a l e r t “1 系统中就有多种传感器来测量降雨量，河水水位和土壤水分作为预测山 洪暴发的可能性 1 ；在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据， 跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等，在家用护理方面有着广泛 的应用前景哺1 ；在智能家居领域，可以在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网 络与i n t e r n e t 连接在一起，将会为人们提供更加舒适，方面和更具人性化的智能家居 2 浙江大学硕七学位论文 绪论 环境；无线传感器网络在一些危险的工业环境中也具有很高的应用价值，如井矿，核 电厂等。由于技术等发面的制约，无线传感器网络的大规模商业应用还有待时日。微 机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e r n ，简称m e m s ) 的迅速发展，计算成本下降， 微处理器体积越来越小，为设计微小无线传感器节点奠定了基础，随着无线传感器网 络的深入研究，无线传感器网络的应用前景非常广阔，并将逐渐深入到人类生活的各 个领域。 无线传感器网络与传统网络明显不同的技术要求以及一些独有的特点，一些为自 组织a d h o e 网络设计的路由协议并不能直接应用于无线传感器网络口1 。经过近几年的 发展，国内外科研人员针对不同的无线传感器应用，提出了多种路由协议，通常把这 些路由协议按照网络拓扑结构分为平面结构路由( f l a t - b a s e dr o u t i n g ) 、层次结构路 由( h i e r a r c h i c a l - b a s e dr o u t i n g ) 和基于地理位置路由n 们( 1 0 c a t i o n - b a s e dr o u t i n g ) 。 在平面结构是指各个节点在网络中担当相同的角色，具有相同的功能。典型的平面结 构路由算法有：基于协商的传感器协议1 2 1 ( s p i n ，s e n s o rp r o t o c o lsf o ri n f o r m a t i o n v i an e g o t i a t i o n ) ，定向扩散路由算法n 如( d d ，d i r e c t e dd i f f u s i o n ) ，谣传路由算法 n 4 1 ( r u m o rr o u t i n g ) 等。层次结构路由采用簇的概念对传感器节点进行层次划分，簇 内通信由簇头节点来完成，簇头节点进行数据聚集和融合，减少信息的传输量，最后 把融合后的数据传送给汇聚节点。低能耗自适应聚类路由算法n 5 1 ( l e a c h ，l o w - e n e r g y a d a p t i r ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) 是第一个在无线传感器网络中提出的分簇式路由协 议，在无线传感器网络路由协议中占有重要地位。后来的路由算法如传感器信息系统 中的高效能采集路由算法n6 1 ( p e g a s i s ，p o w e r - e f f i c i e n tg a t h e r i n gi n s e n s o r i n f o r m a ti o ns y s t e m s ) 、阈值敏感的高能效传感器网络n7 1 ( t e e n ， t h r e s h o l d - s e n s i t i v ee f f i c i e n ts e n s o rn e t w o r kp r o t o c 0 1 ) 、混合式的能量高效分 布式分簇算法n 8 1 ( h e e d ，h y b r i de n e r g y - e f f i c i e n td is t r i b u t e dc l u s t e r i n g ) 等都 是在l e a c h 算法的基础上发展而来。基于位置信息的路由主要利用节点的位置信息来 建立有效的传输途径，因而需要定位技术的支持。这种类型的路由算法都假设各节点 的位置信息已知，节点通过判断邻居节点与汇聚节点的相对位置，从而决定其前驱节 点。g a f “9 1 ( g e o g r a p h i ca d a p t i v ef i d e li t y ) ，g e a r n 们( g e o g r a p h i ca n de n e r g ya w a r e r o u t i n g ) 就是典型的基于地理位置的路由算法。 无线传感器网络是基于应用的网络技术，各种路由协议在不同的应用环境和性能 3 浙江大学硕上学位论文绪论 评价指标下各有千秋。通过与应用环境相适应的路由协议，无线传感器网络可以有效 的减少节点的能量消耗，提高节点的利用率延长传感器网络的生命周期。该方向已经 成为了无线传感器网络国内外研究的热点。 1 3 研究内容及论文组织 无线传感器网络是基于应用的网络技术，不同的应用需求和应用环境需要采用不 同的路由协议来减少传感器节点的能量消耗。目前来看，无线传感器网络分簇路由协 议都是以l e a c h 为基础形成的。本文将以无线传感器网络分簇路由协议为主要研究对 象，对现有的分簇路由协议进行分析和比较；在此基础上提出一无线传感器网络分环 分簇路由算法，并进行性能上的仿真比较，看是否达到了降低传感器节点功耗，延长 传感器网络生命周期的目的。 第一章为绪论，介绍了无线传感器网络的基本概念，特点，应用前景和无线传感 器网络路由算法的研究现状。最后阐述了论文的主要研究工作和论文的篇章结构。 第二章为无线传感器网络的概述，介绍了无线传感器网络的体系结构，包括传感 器网络结构，节点结构和协议栈结构；然后提出无线传感器网络节点的能量限制及路 由算法的设计目标；最后介绍了无线传感器网络路由协议的分类及设计方法，并简要 介绍了现有的典型路由协议。 第三章为典型分簇路由算法研究，以l e a c h 路由算法作为学习和研究的对象，首 先详细的阐述了l e a c h 路由算法；然后分析l e a c h 算法的不足之处，从簇头节点的选 择及簇头节点到汇聚节点的通信方式入手，研究了一些基于l e a c h 的改进路由算法。 第四章为无线传感器网络分环分簇路由算法，首先建立分环网络模型，通过最小 化各环面能量消耗选择最优簇头节点数，并确定环面宽度，并说明簇头节点间通过多 跳通信发送数据至汇聚节点的路由算法；然后通过仿真比较无线传感器网络分环多跳 路由算法和l e a c h 路由算法，显示无线传感器网络分环多跳路由算法在延长网络寿命 方面具有显著的优势；接着从簇头节点分布入手，改进无线传感器网络分环分簇路由 算法的簇头节点选择方式，传感器节点基于自身剩余能量和覆盖率信息进行竞争成为 最终簇头节点，达到簇头节点在监控区域分布均衡的目的，改善了无线传感器网络的 连通率，进一步延长网络寿命。 4 浙江大学硕士学位论文绪论 第五章为总结与展望，对本论文提出的无线传感器网络分环分簇路由算法的性能 做了总结，并提出下一步需要进行的工作。 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络概述 2 无线传感器网络概述 2 1 无线传感器网络体系结构 2 1 1 无线传感器网络结构 无线传感器节点通过飞机布撒，人工布置等方式，大量部署在感知对象内部或者 附近，通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域 中特定的信息，实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。无线传感器节 点以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数据传回汇聚节点( 接收发送器) ， 最后借助汇聚链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。 一个典型的传感器网络的体系结构包括分布式传感器节点( 群) 、汇聚节点、互联 网和用户界面等，如图2 1 所示。 汇聚 r 节点 监测区域传感器节点 图2 i 传感器网络结构 无线传感器网络中各个传感器节点的功能都是相同的，它们既是信息包的发起者， 也是信息包的转发者。大量传感器节点被布置在整个监测区域中，每个节点将自己探 测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是 通过相邻节点的接力传送方式传送给网关，然后再通过互联网、卫星信道或者移动通 6 、弋吖夕 浙江大学硕七学位论文无线传感器嘲络概述 信网络传送给最终用户。用户也可以对网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集 监测数据等。散布在监控区域的无线传感器节点是一个微型的嵌入式系统，通过携带 能量有限的电池供电。网络中的所有节点都具有数据采集和双向数据传输功能，由于 计算能力，存储能力和通信能力的限制，绝大多数的节点只有很小的发射范围，因此， 各个节点还必须要有路由转发功能，将采集的数据通过路由传输到汇聚节点。汇聚节 点的发射能力较强，具有较高的能量，可以把数据发回远程控制节点。监控中心将接 收的数据信息进行管理，分类，处理。 2 1 2 传感器节点结构 无线传感器节点是一个微型的嵌入式系统，其基本组成和功能包括如下几个单元 n 2 刮：传感器模块( 由传感器和模数转换功能模块组成) 、处理器模块( 由嵌入式系统 构成，包括c p u 、存储器、嵌入式操作系统等) 、无线通信模块( 由无线通信模块组成) 、 以及能量供应模块，如图2 2 所示。 图2 2 传感器网络节点结构 传感器模块负责监测区域信息的采集和数据转换；处理器模块主要用于嵌入式系 统的控制，存储和处理采集的信息以及接收到的其他节点的信息；无线通信模块使传 感器节点具有与其它节点进行无线通信的能力，进行数据的交换，传输。能量供应模 块为整个传感器节点系统运行提供能量。无线传感器节点由于其应用特性，一般采用 电池供电，一旦电源耗尽，节点就失去了工作能力。因此传感器节点在硬件设计方面 要尽量采用低功耗器件，使用模块化供电和动态频率调节功能降低功耗，并且在嵌入 式操作系统中采用动态能量管理和动态电压调节模块，更加合理有效的利用节点各种 资源。 此外，还可以选择其它功能单元包括：定位系统、移动系统等。而且传感器节点 也有可能出现在一些特殊的工业环境中，例如化学污染严重的地方，这就需要在传感 7 浙江大学硕士学位论文 无线传感器网络概述 器节点设计上采用一些特殊的防护措施。 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，通常携带能量有限的电池供电。传感 器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。图2 3 是 d e b o r a he s t r i n 在m o b i c o m2 0 0 2 会议上的特邀报告中所描述的传感器节点各部分能 量消耗情况n 1 。 2 0 1 5 功率 ( m w ) 1 0 5 o 图2 3 传感器节点能量消耗 随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，从图2 3 中可 以看出，传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块上。无线通信模块存在发送， 接收，空闲和睡眠4 种状态，不同的状态存在不同的能量消耗水平。无线通信模块在 发送状态的能量消耗最多，空闲和接受状态的能耗接近，而睡眠状态的能耗最少。因 此，无线传感器网络必须利用节点工作状态的转换，使节点在网络正常运作下尽快进 入睡眠状态，并关闭通信模块，达到高效利用能量，使网络的生存周期达到最大化。 无线通信的能量消耗与通信距离相关。无线通信的能量消耗与通信距离的关系为： e = k d “ ( 2 1 ) 随着通信距离的增加，无线传感器节点数据传输的能耗将急剧增加。因此在满足 通信连通度的情况下应该尽量减少单跳通信距离。传感器节点的能耗大部分消耗在无 线发送和无线接收以及空闲状态，当通信协议能够达到让节点在处于空闲状态时关闭 通信模块，将极大地降低能耗。 2 1 3 无线传感器网络协议栈结构 无线传感器网络协议栈由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层组成， 浙江人学硕上学位论文无线传感器网络概述 与互联网协议栈的五层协议相对应旺卜2 6 1 ；另外，协议栈还包括了能量管理平台、移动 性管理平台和任务管理平台三个部分乜7 2 3 1 。如图2 4 所示。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图2 4 传感器网络协议栈 物理层提供信号调制和无线收发技术，负责数据传输的介质规范，如无线通信还 是有线通信，同时还规定了数据传输的工作频率，调制方式，信道编码以及定时，同 步等标准。保持网络生存时间的平滑性能，物理层与介质访问控制( m a c ) 子层应密切关 联使用心”确保传感器节点能量的有效利用。物理层的对传感器节点电路的复杂度和通 信能量的损耗具有紧密的关系，研究目标是设计低成本，低功耗，体积小的传感器节 点。在物理层的各项标准确定之后，节点进行无线数据传输收发单位比特以及空闲状 态所需的能耗基本确定，可以认为是三个相对确定的值。 数据链路层的任务是数据成帧，帧检测以及媒体访问和差错控制。适合于无线传 感器网络的介质访问控制方法( m a c ) 除了要解决网络无线通道中的环境噪声问题，传感 器节点移动问题，无线通信的多点冲突问题外，还要考虑传感器节点无线通信的能量 问题，通过设计合适的数据链路层以减少传感器网络的能量损耗。由于传感器网络不 同于传统无线网络的众多特性，使得8 0 2 1 1 无线局域网标准不完全适用于无线传感器 网络，在现有的一些传感器节点应用中更多的是采用8 0 2 1 5 标准，因为其能量损耗相 对较小。 网络层需要实现数据的融合，负责路由生成与路由选择，使得无线传感器节点可 以进行有效的数据通信。路由算法是网络层的核心内容，路由算法的性能将影响传感 器节点通信效率进而影响传感器节点的能量损耗。网络层路由算法是当今传感器网络 研究的研究热点问题。 传输层负责数据流的传输控制，传输层可以使传感器网络通过i n t e r n e t 或卫星与 外部网络进行连接。由于传感器网络的研究还处于初期阶段，大多数的研究都还只停 9 任务管理平台 移动管理平台7能量管理平台 浙江大学硕上学位论文 无线传感器网络概述 留在物理层、数据链路层和网络层。 无线传感器网络的应用相关网络，不同的应用环境必然有不同的应用需求，因此 并没有通用的应用层协议，关于无线传感器网络的应用层研究也较少。 传感器网络协议栈的三个管理平面，在传感器网络协议栈的五个层次中都有所体 现。能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，现在在网络层，数据链路层和物理 层都有所考虑和体现；移动管理平台则是针对传感器网络拓扑变化频繁的特点，检测 并注册传感器节点的移动，使得传感器节点能够动态跟踪邻居节点；任务管理平台则 与应用层相关，负责任务管理和调度。 2 2 无线传感器网络路由协议 2 2 i 无线传感器网络路由协议概述 无线传感器网络中的三要素：传感器、感知对象和观察者是传感器网络中最基本 的实体。感知对象是需要监测的信息源；传感器负责采集该信号源的信息，并将信息 传送给观察者；观察者接收传感器发送的数据信息。感知对象和观察者可以是一个也 可以是多个，而传感器则是数量众多，由于传感器节点的能量有限，通信距离有限， 所以大部分传感器节点无法直接将采集的数据信息传送至观察者，路由就是将传感器 节点采集的数据信息通过多个节点转发的方式传送至观察者的过程。通过相应的路由 协议实现该路由过程。路由协议负责路由发现、路由维护和路由选择，使得传感器节 点可以进行有效的相互通信。 无线传感器网络的路由协议设计是很具有挑战性的，因为无线传感器网络有与传 统无线网络不同的特征。在无线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充， 因此路由协议需要高效利用能量。在传统的有线，无线网络中，每个通信节点都有唯 一的网络i d 用于网络通信，但是无线传感器网络中节点数量众多，没有全网唯一的网 络标志符。在无线传感器网络中，所有的传感器节点都是信息源节点，向汇聚节点发 送信息。同时，在监测区域部署了大量的传感器节点，这些传感器节点采集的信息在 一定程度上存在着相似性，这就需要路由协议具有很强的数据融合能力，从而节约电 能，提高带宽利用率。 传感器网络的路由协议设计需要考虑网络的应用，结构和设计目标。路由协议算 l n 浙江大学硕士学位论文 无线传感器网络概述 法的性能与网络结构是紧密相关的。在无线传感器网络的设计中，需要考虑以下因素 1 3 0 1 1 ) 网络的动态变化 在传感器网络中，除了少数的移动节点外，大部分的网络结构都假设传感器节点 都是静止不动的。但是，有时候也必须支持移动节点，网络中的传感器，感知对象和 观察者都具有可移动性，并且由于网络中新节点的加入和节点的死亡也会带来网络拓 扑的变化。移动节点路由信息的接收和发送相对静态路由来说复杂的多。 2 ) 节点的分布 传感器节点分布是应用相关的，传感器节点的分布直接影响路由协议算法的性能。 节点分布可以分为确定性分布和自组织随机分布。在确定性分布方式中，传感器节点 都是由手工放置的，并且传感器节点信息都是通过预先确定的路由路径传送的。而在 自组织随机分布方式中，传感器节点随机分布于监测区域，以a d h o c 模式组建网络。 3 ) 能量限制 在自组织随机分布模式中，传感器节点的能量消耗是设定无线传感器网络路由的 一个重要考虑因素。随着通信距离的增大，无线传感器数据传输能耗迅速增大，因此 多跳路由传输比单跳传输在节约通信能量方面更具有优势。但是多跳路由传输需要考 虑到网络的拓扑管理和媒体介入方式，相对来说更复杂，而单跳传输方式在传感器节 点与汇聚节点距离较近时则显得更有优势。 4 ) 数据的传输模式 基于无线传感器网络的应用，传感器节点到汇集节点的信息传送方式有多种，有 周期性连续传送模式，事件驱动模式，查询模式和混合模式。周期性连续传送模式中， 每个传感器节点以一定的时间周期，发送数据到汇聚节点；事件驱动和查询模式中， 数据的传送是由某个突发事件或者汇聚节点发送的一条查询信息引起的。有些传感器 应用则是采用了周期传送，事件驱动和查询等多种模式。 5 ) 节点功能 在传感器网络中，传感器节点可以具有不同的作用。在早期的传感器网络研究中， 浙江大学硕上学位论文无线传感器网络概述 所有的传感器节点在计算能力，通信和能量等方面都具有相同的配置，可以实现相同 的功能。实际应用中，节点功能可以同时拥有中继，采集数据和数据融合等功能，但 是，如果一个节点需要做所有的这些工作时，能量的消耗是非常的客观的，因此，分 簇路由协议使用簇头节点与其他节点区分开来，以完成不同的功能。 6 ) 数据的融合 由于传感器网络中节点的数量众多，节点密度大，传感器节点采集的数据量很大， 但是在一定范围内具有极大的相似性。因此，这些大量相似的信息需要经过数据融合， 减少需要传输的数据量。 路由算法执行效率的高低，直接决定了传感器节点收发控制性数据与有效采集数 据的比率。控制性数据越少能量损耗越少，控制性数据越多能量损耗越多，从而影响 到整个传感器网络的生存时间，可以说路由算法是网络层的核心内容。 2 2 2 无线传感器网络路由协议分类 根据无线传感器网络路由协议有许多不同的分类方法。根据无线传感器网络路由 协议的工作方式可以分为基于多路径的路由协议，基于查询的路由协议，基于协商的 路由协议和基于q o s 的路由协议；根据无线传感器网络中信息源节点寻找目的节点的 路由方式，将路由协议分为主动路由协议，按需路由协议和混合路由协议。主动路由 协议算法，所有的路由路径都是在信息需要传输前就已经确定好了的；按需路由协议 算法，路由路径只有在需要进行信息传输时计算。还有一些路由协议算法是基于无线 传感器节点的时间或者地理位置信息的。根据无线传感器网络结构的不同，无线传感 器网络路由协议通常可以分为平面结构路由协议和层次结构路由协议两种。 平面结构路由协议中所有传感器节点的地位是平等的，不存在等级和层次差异。 它们通过相互之间的局部操作和信息反馈来生成路由。在这类协议中，目的节点向监 测区域的节点发出查询命令，监测区域内的节点收到查询命令后，向目的节点发送监 测数据。平面路由的优点是简单，易扩展，无须进行任何结构维护工作，所有网络节 点的地位平等，不易产生瓶颈效应，具有较好的健壮性。平面路由的最大缺点在于： 网络中无管理节点，缺乏对通信资源的优化管理，自组织协同工作算法复杂，对网络 动态变化的反应速度较慢等口。 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络概述 采用层次结构路由协议的无线传感器网络，网络通常被划分为簇( c l u s t e r ) 。所谓 簇，就是具有某种关联的网络节点的集合。每个簇由一个簇头( c l u s t e rh e a d ) 和多个 簇内成员( c l u s t e rm e m b e r ) 组成，簇头节点通常是按一定的规则选举产生的，用于管 理或控制簇内成员节点之间的工作，负责收集簇内成员节点采集的数据并进行数据处 理和融合，然后将信息传输至汇聚节点。簇内成员节点只与簇头节点交换信息，通过 簇头节点将信息传输到基站。如图2 5 所示。 图2 5 分簇网络模型 层次结构是有中心结构与无中心结构的综合体，通过减少参与路由计算的节点数 日，减少路由表尺寸，降低交换路由信息带来的通信能量损耗，维护路由所需要的内 存资源要求，且能量消耗的分布均匀，平衡网络负载，有效的延长网络寿命，具有可 扩展性好，便于管理等特点 3 2 1 。 2 3 现有路由协议介绍 2 3 1 典型的平面路由协议算法 h e i n z e l m a n 等人提出了基于协商的传感器协议( s p i s ，s e n s o rp r o t o c o lsf o r i n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) ，该算法是以数据为中心的自适应路由协议。在无线 传感器网络中，节点是密集分布的，在距离相近的节点采集的数据信息存在着一定程 度的相似性或者相同，这些信息具有很高的冗余度，大量的相似信息进行传输会增加 节点的通信能量损耗，并且会出现信息爆炸问题和部分重叠现象。为了避免这类问题 议防 器 感 雌刚 黼一 于 印 基 浙江大学硕士学位论文无线传感器嘲络概述 的出现，传感器节点在信息传输的之前彼此进行协商，通过协商制度可确保传输有用 数据。从而达到通过使用节点问的协商制度和资源自适应机制，解决信息爆炸问题的 目的。 在该协议中，网络中的所有节点都被认为是潜在的汇聚节点，某一个节点所采集 的数据将被分发到其它所有的节点，并利用相邻节点拥有类似数据信息的特点，规定 节点间只需要交换对方所不拥有的数据。节点间通过发送元数据( 即描述传感器节点采 集的数据属性的数据，m e t a - d a t a ) 进行协商，而不是采集的整个数据信息进行协商。 元数据大小小于采集的数据，传输元数据比传输采集的数据消耗的能量相对要少的多。 节点在进行数据传输或接收数据之前，必须检查各自可用的能量状况，如果节点的剩 余能量少于一定的水平，则减少一些功能，比如停止数据转发操作。 s p i n 有3 种数据包类型，即a d v ，r e q 和d a t a 。a d v 用于新数据广播，当一个节 点有数据需传输时，它可用a d v 数据包对外广播，宣布有数据需要发送；r e q 用于请 求发送数据，当一个节点希望接收d a t a 数据包时，发送r e q 数据包，请求希望接收数 据；d a t a 封装数据，包含附上元数据头的传感器采集的数据的数据包。 s p i n 协议的通信过程如图2 6 所示。在发送一个d a t a 数据包之前，传感器节点a 首先对外广播a d v 数据包；如果它的邻居节点b 在收到a d v 后有意愿接收该d a t a 数据 包，那么b 就向该节点a 发送一个r e q 数据包，接着节点a 向其邻居节点b 发送d a t a 数据包。接下来b 再重复这个过程，这样整个传感器网络中对此数据感兴趣的节点都 会得到一份该数据的拷贝。 图2 6s p n 的通信过程 由于s p i n 的数据广播机制不能保证数据的可靠传送，因此，s p i n 在诸如入侵监测 等应用中不是一个好的选择。 1 4 浙江大学硕七学位论文无线传感器网络概述 2 定向扩散路由算法n 加( d d ，d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 定向扩散模型是e s t r i n 等人专门为无线传感器网络设计的路由策略。与已有的路 由算法不同，定向扩散是一种以数据为中心，基于查询的路由机制。定向扩散路由算 法通过兴趣信息表示需要查询的任务，例如监控区域内的温度，湿度等环境信息。汇 聚节点采用泛洪的方式将兴趣信息广播至整个监控区域或者部分监控区域内的传感器 节点，发出查询任务。通过兴趣消息的广播，在每个传感器节点上建立从数据源到汇 聚节点的数据传输梯度，最终将采集到的环境信息沿着梯度方向传送到汇聚节点。 定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段， 如图2 7 所示。 源节点 源节点 ( a ) 兴趣扩散阶段 站 点 ( b ) 梯度的建立 二，誓 ( c ) 数据的传输与路径的加强 图2 7 定向扩散路由协议 在兴趣扩散阶段，汇聚节点根据需要查询的信息，以任务的类型，目标区域等信 息作为参数，周期性的产生兴趣信息，并向邻居节点广播。每一个传感器节点都建立 一个兴趣列表，记录发来该兴趣信息的邻居节点的相关信息，以建立该节点向汇聚节 点传送信息的梯度。在数据广播阶段，传感器节点采集到与兴趣信息匹配的数据时， 将数据发送到梯度上的邻居节点在路径加强阶段，邻居节点接收到数据信