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硕士论文基于节能的无线传感器网络分簇路由协议研究 摘要 路由协议是无线传感器网络中的研究重点，与传统无线网络不同的是，无线传感器 网络能量、资源的有限性很大程度的影响了路由协议的研究，并且无线传感器网络很多 其他特征也对路由协议提出了新的技术要求。因此，本文针对能量有效的无线传感器网 络路由协议展开研究。 本文首先简要介绍了无线传感器网络的概念、特点、关键技术和节能技术以及无线 传感器网络路由协议的特点、设计要求等，分析和比较了现有的各种典型路由协议，并 对以l e a c h 为代表的分簇路由协议进行了重点分析。 借鉴现有路由协议中的分簇思想，本文提出了一种基于分簇的能量有效路由协议 ( e n e f g ye m c i e n tr 0 u t i n gp m t o c o lb a s e do nc l u s t i e r i n g ，简称e e r p c ) ，该协议以节约网络 能量为主要目标，在建立阶段设计了基于网络最优簇首数目和能量适应阈值的新型簇首 选择机制，并采用t d m a 机制作为信道接入方式，在稳定工作阶段，则设计了基于扇 区和多跳的簇内路由和簇间路由机制以及能量感知的数据传输策略，从而做到尽量均衡 每个节点的能量消耗。 之后在n s 2 软件平台上实现e e i 心c 协议，对其进行仿真实验。根据仿真结果分别 与d i i 地c t 、l e a c h 、l e a c h c 协议进行了对比分析，结果表明，该协议比其它协议 有效的降低了网络整体能耗，延长了网络的生存时间，并提高了基站的数据接收量。 考虑到三维空间中路由协议研究的稀缺性和实用性，本文把传统的分簇路由协议和 e e i 冲c 协议分别扩展到三维空间中，实现了3 d l e a c h 协议和3 d e e l 冲c 协议，并同 样对它们进行了对比分析，结果表明在三维空间中，3 d e e i 冲c 协议比3 d l e a c h 协 议仍然具有更好的节能性。 关键词：无线传感器网络分簇路由协议节能n s 2 a b s t 删硕士论文 a b s t r a c t r o u t i n gp r o t o c o li sak e yp o i n ti nn l er e s e a r c ho f 谢r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s w i r e l e s s s e n s o rn e 饥d r k sh a v ed i 岱：r e n tf e a t u r e sc o m p a r i n gt r a d i t i o m l 谢r e l e s sn e t 、0 r k s ，t l l es e n s o r n o d e sh a 、，ev e 巧l i m i t e de n e 唱y 锄dr c s o u r c es u p p i y ，w i l i c hg r e a t l yi n n u e n c e 廿l er e s e a r c ho n r o u t i n gp r o t o c o l s ，锄dm a l l yo t l l e rc h a r a c t e r so fw s n sb r i n gn e w t e c h i l i c a lr e q u i r e m e n t sf o r r o u t i n gp r m o c o l s s ot l l ep u r p o s eo ft l l i sp a p e ri s t or e s e a r c hn e we n e r g y - e 伍c i e n tr o u t i n g p r o t o c o l sf o rw s n s f i r s t l y ，t l l i sp a p e ri n l d u c e st l l ec o n c e p t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ，k e yt e c l l i l o l o g i e s 锄de n e 唱y 刚i n gt e c l l i l o l o g i e so fw s n s “e n y ，k l u d i n gt l l ec h a r a c t e r i s t i c s 趾dd e s 咖r e q u i r e m e n t so f r o u t i n gp r o t o c o l sf o rw s n s ，a n d 觚a l y s e sm ee x i s t i n g 够p i c a lr o u t i n gp m t o c o l s ，e s p e c i a l l y l e a c h p r o t o c o lw h i c hi s t 1 1 er e p r e s e 删i v eo ft h ec l u s t e r i n gr o m i n gp r o t o c o l s ，孤dp o i 鹏 o u tn l e i r 敷i v a n t a g e sa n dd i s a d v 锄t a g e s s e c o n d l y ，t i l i sp a p e ra s s i m i l a t e st h ei d e ao fc l u s t e 血ga l l dp r o p o s e sa ne n c 犍黟e f n c i e n t r o u t i n gp r o t o c o lb a s e do nc l u s t e 血g ( e e r p c ) 1 1 1 em a i nt 鹕e to ft l l i sp r o t o c o l i se n e 哟， s a v i i 培，觚di th 嬲v e r a li l e wp o i n t sd u d n gt l l ed e s i g np f o c e s s ，s u c h 弱i nt h ee s t a _ b l i s l l i n e n t p h a s e ，i ta d o p t st d m a m e c h a i l i s mt 0a v o i d l ec o l l i s i o n so fm e s s a g ea n dd e s i g n san e w c l u s t e rs e l e c t i o nm e c h 锄i s mb a s e do nt h eo p t i l i l a lc l u s t e rh e a d s 锄de n e 玛ya d a p tt 1 1 】哈s h o l d ， 锄di i lt l l es t a b l ep h 舔e ，i td e s i g n sar 0 妇gm e c h a i l i s mb a s e do ns e c t o ra l l dm u l t i - h o p 龇l da e n e r g y 一鲫忸f ed a t a 饷n s m i s s i o ns n a t e g y t h e s en e ws t r a t e g i e sa l l o w l ep r o t o c o lt ob a l 锄c e m ee n e e g ) ，c o n s 啪p t i o no fe a c hn o d e 1 1 l i r d l y w es i i n u l a t ee e i 心cr o u t i n gp r o t o c o l i nn s 2s o n 眦鹏p l a t f 0 m b a s e do n s i i l l u l a t i o nr e s m t ，w ef i n de e r p cp r o t o c o lc 锄r e d u c et l l eo v e r a l le n e 唱yc o n s u m p t i o no f m 棚o f kp r o l o n gm el i f e t i i i l eo fn e 慨d r k 觚di n c r e 鹊et l l e 锄o u i no fr e c e p t i o n e 彘c t i v e l yc o m p a 血g 谢t l ld i i 冱c tp r o t o c o l ，l e a c hp r o t o c o l 觚dl e a c h - cp r o t o c 0 1 f i n a l l y t a ：k i i 培i l l _ t 0a c c o 咖t l l es c a r c i 哆锄dp r a c t i c a l i t ) r o ft l l r e e - d i m e n s i o 砌r o u t i n g p r o t o c o l ，t h j s 滞re x t e n d st r a d i t i o 试c l u s t e 血gr o u t i n gp r o t o c o l sa n de e r p cp r 0 妣o lt 0 t l l r e e d i i l l e 璐i o i l a ls p a c et 0f 0 咖3 d - l e a c hp r o t o c o la n d3 d - e e r p cp r o t o c o l ，锄d 龇n r e a l i z e s 圮m0 ns i m u l a t i o np l a t f o m t h es i n m l a t i o nr e s u l t ss h o wt l l a t3 d - e e i 冲cp r o t o c o l i s k rn l 孤3 m l e a c hp r o t o c o lo ne m r g ye m c i e n c yi nm et l l r e e d i m e n s i o n a ls p a c e k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，c l u s t e r i n g ，r 0 m i n gp r o t o c o l ，e n e r g ) rs a v i n g ，n s 2 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 翌手1 年多影相 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 叩年石彤。日 硕士论文基于节能的无线传感器网络分簇路由协议研究 1 绪论 随着科技的发展，人类已逐步进入信息时代。传感器技术作为信息获取最重要和最 基本的技术，也得到了极大的发展。目前传感信息获取技术已经从过去的单一化逐渐向 集成化、微型化和网络化方向发展，并由此将带来一场信息革命【l 】。 无线传感器网络【2 捌是近年来信息技术领域的一个新兴研究热点，它综合了现代传 感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科， 具有明显的多学科交叉特征。无线传感器网络是一个规模大、无线通信、能量有限、自 组织、无分区且无基础支持的网络。它具有低功耗、多节点的分布式协作能力，由部署 在监测区域内大量的微型传感器节点共同协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中各种 环境或监测对象信息，并通过自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到远处的 终端或用户，从而实现“无处不在的计算 理念i l j 。因为无线传感器网络实现了人们在 “任何时间、任何地点、任何环境条件下获得需要信息的 愿望，所以，其具有着巨大 的应用前景，被认为是将对2 1 世纪产生巨大影响的技术之一【4 j 。美国的技术评论 杂志论述未来十大新兴技术时，无线传感器网络技术即被列为其中之一【5 】。美国的商 业周刊在未来技术专栏评论中，也将无线传感器网络定位成2 1 世纪高技术领域的四 大支柱型产业之一【6 】，可见其潜在的市场需求十分巨大。无线传感器网络目前已经在军 事国防、工农业生产、生物医疗、结构健康监测、环境监测、危险区域监测等诸多领域 开始得到应用【7 ，8 ，9 ，1 0 】，可以预计，随着无线传感器网络的发展和广泛应用，它将对人们 的社会生活和产业变革带来极大的影响【l 。 1 1 无线传感器网络概述 1 1 1 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络的体系结构【2 ，1 2 1 如图1 1 1 1 所示。 大量无线传感器网络节点布设在监测区域内或监测对象周围，节点之间通过自组织 方式快速形成一个感知网络。在感知网络内部，每个节点采集和发送信息，并充当信息 的路由者，以多跳形式把感知数据传递到s i i l l 【节点( 也叫基站) 。为了压缩需要传输的数 据量以提高信息的精度和可信度，数据在向s i l l l 【节点传递的过程中，可能需要由中间 转发节点对数据融合处理，或者对这些数据进行归纳和汇总【1 3 1 ，从而在更高的信息层次 判断监测区域内所出现的现象或发生的事件【l3 1 。如果感知网络与管理及用户网络距离较 远，则通常需要借助i n t e n l e t 、卫星网络等其他广域网进行互联，以实现它们的相互通 信。 l 绪论硕士论文 用 户 图1 1 1 1 无线传感器网络体系结构 传感器节点【2 】通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力 相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。每个传感器节点由传感器模块、处理器模块、 无线通信模块和能量供应模块四部分组成。如图1 1 1 2 所示，传感器模块负责监测区 域内信息的采集和数据转换，处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理 本身采集的数据以及其他节点发来的数据，无线通信模块负责与其他传感器节点进行无 线通信、交换控制消息和收发采集的数据，能量供应模块为传感器节点提供运行所需的 能量，是其它模块发挥作用的物质基础。 图1 1 1 2 传感器节点体系结构 1 1 2 无线传感器网络协议栈 类似于传统网络划分，无线传感器网络协议栈可由物理层、数据链路层、网络层、 传输层和应用层【2 ，1 2 ，1 4 】组成，结构如图1 1 2 1 所示。其中各层主要实现功能如下： 物理层：负责对收集到的数据进行抽样量化，以及信号的调制、发送与接收，也就 是进行比特流的传输。 数据链路层：该层主要的任务是设计一个适合于传感器网络的介质访问控制方法 ( m a c ) ，此外还要实现传统网络数据链路层数据成帧、差错校验和帧检测等功能。 网络层：负责路由发现、路由维护和路由选择，实现传感器与传感器、传感器与信 息接收中心之间的通信。 传输控制层：若信息只是在传感器网络内部传递，传输层可以不需要，但若需要与 外部的网络通信，则需要传输层。它主要负责数据流的传输控制，协作维护数据流，是 2 硕士论文基于节能的无线传感器网络分簇路由协议研究 保证通信服务质量的重要部分。 应用层：包括一系列基于监测任务的应用层软件，应根据用户的不同需求采用不同 的应用软件。 另外，能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台这三者都是必不可少。能量管 理平台负责管理传感器节点如何使用能量，移动管理平台负责检测并注册传感器节点的 移动，维护到汇聚节点的路由，任务管理平台负责在一个给定的区域内平衡和调度任务。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 能 量 管 理 平 台 移 动 管 理 平 台 任 务 管 理 平 台 图1 1 2 1 无线传感器网络协议栈结构 1 1 3 无线传感器网络特点 无线传感器网络与无线自组网络有着许多相似之处，但深入研究表明，它们有着明 显不同的技术要求和应用目标。无线自组网络以传输数据为目的，其首要目标是为用户 提供高质量的数据传输服务；而无线传感器网络以数据为中心，将能源的高效利用作为 首要设计目标，专注于从外界获取有效信息。无线传感器网络具备的的一些特点【2 ，1 2 ，1 5 ，1 6 】 也带来其一系列挑战性问题。 1 ) 电源能量受限 无线传感器网络中节点均采用电池供电，能量极其有限，而且由于物理限制难于给 节点更换电池，所以节点的电池能量限制成为传感器网络设计最关键的约束之一，它直 接决定了网络的工作寿命。 2 ) 通信能力有限 由于受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感 器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。如何在有限通信能力的条件下高质量地完 成感知信息的处理与传输，是研究无线传感器网络必须要解决的问题。 3 ) 计算和存储能力有限 廉价微型的传感器节点计算和存储能力十分有限，使得其不能进行复杂的计算，如 何利用有效的计算和存储资源完成诸多协同任务也成为传感器网络设计的挑战之一。 4 ) 规模大、密度高 3 l 绪论 硕士论文 为了尽可能的获取精确、完整的信息，传感器节点通常密集部署在大片的监测区域 中，节点的数量和密度较无线自组网络成数量级的提高。因此，传感器网络必须具有高 强壮性和容错性。 5 ) 动态性强 无线传感器网络工作中的不断变化的外界环境往往会严重影响系统的功能，并且网 络中经常会有新节点加入或已有节点失效而导致拓扑变化，这就要求传感器节点能够随 着环境和拓扑的变化而适时的调整自身的工作状态。 6 ) 应用相关 无线传感器网络通过感知客观世界的物理量来获取外界的信息，由于不同应用关心 不同的物理量，因而对网络系统的要求也不同，其硬件平台、软件系统和通信协议也必 然会有很大差异。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不 同于传统网络的显著特征。 1 1 4 无线传感器网络关键技术 无线传感器网络涉及多学科交叉的研究领域，有许多的关键技术有待研究，按研究 内容这些关键技术可分为四部分【1 5 ，1 6 】： 1 ) 网络通信协议 传感器网络的通信协议涉及到物理层、m a c 层、网络层和传输层4 个层次。他们 相互配合运行，使得多个独立的传感器节点能够形成一个动态的数据收集网络。 2 ) 核心支撑技术 无线传感器网络的核心支撑技术包括拓扑控制、节点定位、时间同步、安全技术等。 3 ) 自组织管理 无线传感器网络的自组织管理包括节点管理、资源和任务管理、数据管理、初始化 与系统维护管理等。 4 ) 开发和应用 作为一种源于应用而又服务于应用的现实可行的网络技术，无线传感器网络还要有 一套完整的软硬件设计原则、高效的开发平台以及多项应用实例1 5 】。 1 1 5 无线传感器网络节能技术 节能技术是无线传感器网络设计中最具挑战性的问题之一，由于节点能量受限，无 线传感器网络多项关键技术都涉及到节约能量的考虑，目前对无线传感器网络节能技术 研究主要体现在节点结构设计和网络协议层两方面。 目前，低功耗的节点设计【l ，1 7 1 研究大多是针对节点的三个主要硬件器件展开的。针 对网络节点处理器的低功耗技术研究主要包括门控时钟、可变电压技术、变频技术、动 态休眠技术等。射频硬件上如c c l 0 0 0 和c c “0 0 是在原来通信算法和电路结构上做改 4 硕士论文基于节能的无线传感器网络分簇路由协议研究 进的：而超宽带技术支持、多载波技术支持等则是从通信原理上做根本的改变。目前 t i 公司的低功耗的c c 2 4 2 0 和c c 2 4 3 0 等无线射频芯片也已经得到广泛应用。低功耗传 感器一直是困扰无线传感器网络应用的因素之一，这部分研究涉及材料、微电子、微机 电等综合技术p j 。 在无线传感器网络中，通信能耗是无线传感器网络能耗中最重要的部分【2 】。大多数 无线传感器网络系统的研究和开发人员，比较关心开发和优化上层低功耗通信协议和数 据管理。这些研究者针对实际节点器件的基本能耗行为建立可靠的能耗模型，进而设计 出有效的节能m a c 技术、路由技术及控制策略等。本文在研究网络节能性时也主要是 从通信协议方面来考虑如何平衡节点能量、延长网络寿命的。 节能m a c 技术主要解决的问题是如何构造一个能量最优化的拓扑及如何调度各节 点的睡眠以节能。目前一些典型的无线传感器网络节能m a c 技术有：由w y e 等人设 计的s m a c 协议【l8 】是一种基于周期性睡眠侦听调度机制的m a c 协议，通过周期性睡 眠，s m a c 协议能有效减少无线模块处于侦听状态的能耗但同时引入一定时延开销。 t d m a 协议【2 】为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时隙，而节点在其他时隙则 处于睡眠状态，这种机制可有效的降低网络中的能量。gl u 设计了一个称为d m a c f l 9 】 的协议，该协议的主要目标是为了在数据聚合树的通信拓扑中进行可靠的媒体多址接 入，并降低能耗获取低时延。b a oh l l al i 等人在文献【2 0 】针对低速率无线传感器网络应 用场景，采用d s c d m a 的多址接入方式消除了基于信道竞争的多址接入方式以及 l 汀s c t s 数据包交互所造成的网络吞吐量低和控制数据包开销大等不利因素。 节能路由技术则是在拓扑构造好以后，解决如何根据采集参数确定最优数据传输路 由的问题。文献【2 1 】把节点的能量均衡看成一个优化问题，采用集中式路由求得最优解， 指出了能量均衡可能达到的理论值，对后续的研究有指导意义。无线传感器网络更合适 采用分布式路由协议，为了达到能量均衡，常用的做法是在路由建立过程中尽可能的回 避低能量节点，如参考文献【2 2 】围绕公平使用节点能量和节省路径传输能耗提出了一系 列分布式路由策略，m m b c r 策略在选择路由时尽量避开网络的中具有最低电池能量的 节点，实现对节点能量的公平使用，而c m m b c r 在m m b c r 的基础上综合考虑最小 能量路径和均衡节点能耗，提出了当路由中的所有节点都有足够的能量时，采用最小能 量路径策略，否则采用m m b c r 策略。 基于节能的其它控制策略幽j 有：通过合理调度网络流量节省端到端通信能耗以及对 整个网络做能耗均衡，在各个协议层次尽可能的降低通信控制开销，可以从点对点以及 网络通信的角度来对整个网络的能耗性能进行优化；通过在计算和通信过程中采用分布 式数据聚合技术，既可以压缩网络中需要传输的业务量，也有助于降低网络的通信能耗； 通过优化物理层、m a c 层、网络层等层次的通信协议，利用发射功率调整技术使节点 的发射功率与通信距离相适应，选择合理的m a c 机制进行信道接入以及休眠机制等。 5 1 绪论 硕士论文 1 2 无线传感器网络研究现状与热点 1 2 1 无线传感器网络研究现状 近年来，无线传感器网络研究获得了飞速的发展。1 9 9 3 年，加州大学洛杉矶分校 ( u c l a ) 与罗克韦尔科学中心合作启动了“集成的无线传感器网络( w i n s ) 计划，目标是 结合多种技术，构成大规模、复杂的集成传感系统【2 4 】。1 9 9 8 年，位于圣迭戈的s e n s o r i a 公司的成立，标志着w i n s 的研究成果已经产业化。1 9 9 9 年，加州大学伯克利分校( u c b ) 的j a i lm r a b y 开始了p i c o i 湖i o 计划，以支持“由自成体系、中等尺度、低成本、低能 耗的传感和监视节点组成a dh o c 形式的无线网络 的需要，同时还启动了另外一项名为 “智能尘埃( s m 抓d l l s t ) 的计划【25 。，其主要目的是验证传感器节点硬件小型化的可行 性，该计划已于2 0 0 1 年完成。另外，美国的麻省理工学院( 1 i t ) 在d a 砒 a 、a i 也、t e x 嬲 i i l s 衄吼e m s 、h p 等机构和公司的共同资助和支持下，于1 9 9 9 年启动了u a m p s 研究计划， 主要对无线传感器网络的能量利用效率和网络灵活性两方面展开研究【2 6 1 。2 0 0 3 年，美国 自然科学基金委员会制定了无线传感器网络研究计划，在加州大学成立了传感器网络研 究中心，展开了“嵌入式智能传感器 研究项卧1 5 l 。除了上述研究计划之外，美国在该 时期还启动了其他一些无线传感器网络研究计划，如w e b s 【2 7 】、s c a d d s 【2 8 1 等。除美国 之外，世界上其他许多国家，如加拿大、英国、德国、日本等国家的研究机构也纷纷展 开了该领域的研究工作【2 3 j 。 相对来说，无线传感器网络在国内的研究起步较晚，最近几年才受到广泛关注。2 0 0 1 年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，并在无线传感器网络的方向上 陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，其中参加单位包括上海微系统所、声学所、 微电子所、半导体所、软件所、中科大等十余个校所【2 】。2 0 0 4 年末，在8 6 3 计划信息获 取与处理技术主题年会上，专家学者们普遍认为无线传感器网络已经成为信息获取领域 的发展重点。2 0 0 5 年科技部9 7 3 计划也将无线传感器网络的相关基础理论研究列为本 年重点支持方向四l 。2 0 0 7 年9 月，中科院嘉兴中心微系统所分中心与上海世博局共建 的“中国2 0 1 0 上海世博会信息化无线传感网应用联合实验室在嘉兴科技城揭牌，并 且在2 0 0 8 年该所研制的t d d0 f d m 多用户高速移动中程多媒体传感器网络在上海市 得到了广泛性应用【3 0 】。随着技术的不断进步，相信更多的院校和科研机构将会加入到该 领域的研究工作中来。 目前无线传感器网络的研究已经取得了一定的成就。在技术上，一些具有现代意义 的无线传感器网络的特征已逐渐凸显。硬件方面节点逐渐集成化与小型化，出现了一些 较为成功的节点，如c r o s s b o w 公司的m i c a 【3 1 】系列节点( m i c a 、m i c a 2 等) 。软件方面【3 ，7 ，3 2 】 则开发了专用于无线传感器网络的操作系统t i n y o s ，规定了可以应用于无线传感器网 络的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，以及基于此标准的z i g b e e 技术【1 0 j 等。在无线传感器网络的关 6 硕士论文 基于节能的无线传感器网络分簇路由协议研究 键技术研究【3 ，1 8 】方面也取得了一定的进展，如无线通信技术、芯片集成技术的成熟，以 及网络的能效管理、节点节能策略、网络动态自组织、信息的分布式处理与管理等技术 的发展和进步。在应用上，无线传感器网络中许多典型的应用模式已经得到试验并逐渐 走向实用，如i n t e l 公司在机器工作状态监测、桥梁健康状态监测、远程农业监控、老 年人健康监护等方面都开展了大量的实验研究工作，并取得许多研究成果【2 3 1 。近年来水 下网络监测等研究的兴起【3 3 l ，也推动了传感器网络在三维空间的应用。理论研究方面， 目前各国的高校、科研机构在无线传感器网络各方面的理论研究上也不断推出新的成 果。 无线传感器网络作为当前信息技术领域的一项重要前沿技术，在各个方面都有着广 泛的应用和发展前景。可以预测，随着越来越多的研究投入其中，传感器网络将会深入 到人们生活的各个层面，象互联网一样逐步改变着人们的生活方式。 1 2 2 无线传感器网络研究热点 目前对无线传感器网络的研究热点主要集中在以下几个方面【3 4 ，3 5 3 6 】： 1 ) m a c 层协议 无线传感器网络的m a c 协议不仅存在着传统无线网络中的共性问题，同时又有其 自身的特殊需求，如节点能量受限、网络负载较低等。因此，有必要针对无线传感器网 络的特点，研究、设计适合无线传感器网络的m a c 协议。 2 ) 路由协议 路由协议是无线传感器网络网络层设计的一个核心问题。传统网络路由协议并不适 合无线传感器网络要求，无线传感器网络路由协议需要考虑能量受限、以数据为中心和 应用相关等因素，既要能够有效的维持数据传输通路，又要减少网络中的通信量，而且 具备一定的鲁棒性。路由协议也是本文的研究重点，在第2 章将对路由协议做具体的分 析。 3 ) 能效技术 能效性设计是无线传感器网络最具挑战性问题之一。由于在许多情况下传感器节点 无法从外界获取能量也无法更换电池，一旦电池用完，节点也就失去了作用。这要求无 线传感器网络在运行过程中，每个节点都要尽量减少自身的能量消耗，以获得最长的工 作时间。 4 ) 协同信号处理 无线传感器网络需要多个传感器节点采用一定的算法通过交换信息，对所获得的数 据进行加工、汇总和过滤，并以事件的形式获得最终结果。网络的这种协同信号处理涉 及网络协议的设计和能量的消耗，是目前的研究热点之一。 5 ) 时间同步和定位技术 7 l 绪论 硕士论文 时间同步是无线传感器网络协同工作不同于传统分布式协同系统的一大特点，传统 的时间同步机制并不适用于无线传感器网络。节点定位对于无线传感器网络至关重要， 没有位置信息的数据几乎是没有意义的。时间同步和定位技术都是目前的研究热点。 6 ) 安全 由于无线传感器网络采用了无线信道、分布式控制等技术，更容易受到被动窃听、 主动入侵等攻击。因此，网络的通信保密和安全性十分重要，信道加密、抗干扰、用户 认证和其他安全措施都需要特别考虑。 7 ) 三维空问扩展 早期对无线传感器网络研究基本上都是基于二维平面结构的，随着研究的深入和实 际应用的需求，三维传感器网络受到越来越多的重视，尤其是近年来水下网络监测和地 下传感器网络等研究的兴起【3 3 期，推动了三维传感器网络系统的发展。目前在三维无线 传感器网络的研究中，主要有两种方法：一是将二维平面结构的研究结论推广到三维空 间中，二是将三维空间中的问题规约到二维平面来解决【3 6 】。本文采用的是第一种方法。 1 3 课题研究目的和意义 无线传感器网络中节点采用电池供电，能量非常有限，并且由于传感器网络规模很 大且往往工作在恶劣环境下，使得节点无法更换电池或重新充电，因此要想延长网络的 生命周期，就必须在网络设计的各个环节首先考虑节能的问题。路由协议是无线传感器 网络组网的基础，也是其网络层的核心技术，由于传感器节点的能量主要消耗在无线通 信模块，所以网络层路由协议设计的好坏对无线传感器网络的性能起着至关重要的作 用。传统的无线网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点之间的最优路径，并 不主要考虑能量问题，因此传统的路由协议不适用于无线传感器网络，必须针对无线传 感器网络的特点设计出合适的路由协议。 目前，很多研究机构展开了对无线传感器网络通信协议的研究，几十种路由协议相 继被提出，包括f 1 0 0 d i n g 【3 引、g o s s i p i l l g 【3 9 1 、e a r m 、s p i n 【4 1 1 、d d 【4 2 】等一系列平面路由 协议和l e a c h 【4 3 】、l e a c h c m 、p e g a s i s 【4 5 1 、t e e n 【4 6 】、h e e d 【4 7 】等一系列层次路由 协议。虽然当前提出了很多的路由协议，但大多数路由协议都是基于某种假设的情况或 在某种特定的情况下来实现无线传感器网络的性能要求的，其不能适应无线传感器网络 的广泛应用。如平面路由协议，协议结构简单、健壮性好，但建立、维护路由的开销大， 只可以用于中小规模网络，而不适用于大规模网络的应用。现有的层次路由协议提出了 较好的分簇算法，能够提高协议的可扩展性，适用于大规模网络，但每种协议都有其一 定的局限性( 将在2 3 节做详细分析) 。本文的研究目的就是借鉴现有路由协议中的分簇 思想，设计一种能量有效、扩展性较好的基于分簇的层次路由协议，并用n s 2 工具对 其性能进行仿真验证。 g 硕士论文基于节能的无线传感器网络分簇路由协议研究 在无线传感器网络实际应用中，很多应用场景都是三维立体结构。而目前关于无线 传感器网络路由算法的研究基本上都是停留在二维平面路由算法的研究和分析上，无线 传感器网络是面向应用的网络，因此，为了增强网络的实用性，基于三维空间的路由算 法问题迫切需要得到解决。 1 4 本文研究内容及结构安排 本文主要研究了无线传感器网络的路由技术，着重研究了基于分簇机制的路由协 议，借鉴现有路由协议的分簇思想，设计了一种能量有效的分簇路由协议e e l 冲c 协议。为了选出尽量合理的簇头，e e r p c 协议设计了新型簇首选择机制，该机制给出 了最优簇首数目公式及阈值竞选公式，同时为了最大限度避免节点发送消息的碰撞，在 建立阶段采用了基于t d m a 机制的信道接入方式，而在簇内簇间路由实现上，e e r p c 采用基于扇区和多跳且能量感知的数据传输策略，可有效的均衡节点能量消耗。之后将 e e i o c 协议移植到n s 2 平台仿真验证，结果表明，e e i 冲c 协议有效的提高了网络生存 时间和基站接收数据量，具备更好的节能效果。考虑到路由协议在三维空间的实用性， 本文同时也基于三维空间平台扩展设计了3 d e e r p c 协议，并仿真验证了其性能指标， 3 d e e r p c 协议的设计有效的促进了无线传感器网络的应用和发展。 本文共分六章，每章节内容安排如下： 第一章是绪论部分，介绍了本文的研究背景，包括介绍无线传感器网络的概念、特 点、关键技术和节能技术，分析了无线传感器网络的研究现状和研究热点，阐述了本文 的研究目的和意义，之后论述了本文的主要研究内容和章节安排。 第二章为无线传感器网络路由协议的分析。首先对无线传感器网络路由协议的概 念、特点和设计要求等方面进行了介绍，之后分析和比较了传感器网络中现有的一些典 型路由协议，并选取以l e a c h 为基础的分簇路由协议作重点分析，指出了其优缺点。 第三章为本文的重要章节，在分析现有路由协议基础上，设计出了e e i 冲c 协议。 本章详细介绍了e e r p c 协议主要设计思想和工作流程。首先介绍了本文选择的能量消 耗模型，之后在该模型下，给出了最优簇首数目公式和竞选阈值公式，并详细描述了 t d m a 信道接入机制在e e r p c 协议建立阶段的具体实现过程和计时器的设置，接着在 e e i 心c 协议稳定工作阶段，给出了节点扇区和跳数计算公式，设计了能量感知的数据 传输策略。 第四章为协议的仿真，介绍了n s 2 仿真平台和m i tu a m p s 扩展包，之后在该平台 上模拟实现d 冱c t 、l e a c h 、l e a c h c 和e e i 冲c 协议，并从网络整体能耗、网络 生存时间、节点能耗分布和基站接收数据量4 方面对比e e r p c 协议和其他协议的性能。 第五章为协议的扩展，分别将l e a c h 、e e r p c 协议扩展到三维空间的3 d l e a c h 和3 d e e i 冲c 协议，详细描述了3 d e e r p c 协议实现过程，并同时比较了这两个三维 9 l 绪论 硕士论文 路由协议的性能指标。 第六章对本文所做的工作进行了总结归纳，并为进一步研究提出了思路与展望。 l o 硕士论文 基于节能的无线传感器网络分簇路由协议研究 2 无线传感器网络路由协议 网络中路由协议的目标是负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主 要包括两个方面的功能：一是选择合适的优化路径，二是沿着选定的路径正确转发数据。 尽管传统的无线局域网络或者移动a dh o c 网络基于提高服务质量q o s 和带宽公平性提 出了许多路由协议，但这些协议并不首先考虑网络能量消耗，面是追求端到端的延迟最 小、网络利用率最高以及避免通信拥塞和均衡网络流量的最优路径。而在无线传感器网 络中，节点能量有限且一般没有能量补充，路由协议首先需要考虑高效利用能量，并且 由于传感器节点数目往往较大，节点只能获取局部拓扑信息，路由协议要在局部网络信 息的基础上选择合适的路径，另外传感器网络是应用相关的网络，路由协议在不同的应 用场景中差别可能很大，并没有一个通用的路由协议。 2 1 无线传感器网络路由协议特点 与传统网络路由协议相比，无线传感器网络路由协议具有以下特点f 1 ，2 】： 第一，能量优先。由于传感器节点的能量非常有限，无线传感器网络路由协议设计 的一个重要目标便是延长整个网络的生存时间，因此必须考虑节点的能量消耗和网络能 量均衡使用的问题。 第二，基于局部拓扑信息。为了尽量节省通信能量，无线传感器网络路由协议通常 采用多跳的通信模式，而网络中节点数目通常较多，节点资源有限，使得节点无法存储 大量的路由信息。因此，无线传感器网络的一个基本问题就是，如何在节点只能获取局 部拓扑信息和能量有限的情况下，实现简单高效的路由机制。 第三。以数据为中心。无线传感器网络关注的是监测区域内的感知数据及其位置， 而不是具体由哪个节点获取的信息。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节 点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息 的转发路径。 第四，应用相关。无线传感器网络是和应用相关的网络，其应用环境千差万别，数 据通信模式不同，没有一个路由机制能够适合所有的应用，因此在设计路由协议时需要 针对每一个具体应用的需求，设计出合适应用的特定路由。 2 2 无线传感器网络路由协议设计要求 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要求【2 】： 1 ) 能量高效。传感器网络路由协议设计最重要的优化目标是能量高效性，路由过 2 无线传感器网络路由协议 硕士论文 程中不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要针对整个网络的情况选择使整个网 络能量均衡消耗的路径。传感器节点能量有限，传感器网络的路由机制要能够简单而且 高效地实现信息传输。 2 ) 可靠性。无线传感器网络中，链路稳定性难于保证，通信信道质量较低，拓扑 变化较频繁，路由协议通常会遇到各种非正常或不可预料的网络环境，而路由器节点一 旦出现故障将可能会影响整个网络。所以好的路由协议应该具备较强可靠性，能够通过 各种网络环境下的测试验证。 3 ) 快速收敛性。传感器节点能量和通信带宽资源有限，网络拓扑结构动态变化等 这些不确定因素要求路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协 议开销，提高消息传输的效率。 4 ) 数据处理技术。为了减少数据通信量，转发结点在传输数据过程中经常将不同 的入口报文融合成数目更少的出口报文转发给下一跳，这就是数据融合的基本涵义。采 用数据融合技术意味着路由协议需要做出相应的调整。 5 ) 鲁棒性。能量限制、环境干扰和人为破坏等因素造成传感器节点的损坏，周围 环境造成无线链路信号干扰以及无线链路本身的缺点等这些无线传感器网络的不可靠 特性要求传感器网络路由机制需要具备一定的容错能力。 6 ) 优化能力。网络资源状况随时会发生变化，传感器网络路由协议需要具备能够 依据当前网络资源状况选择最合适路径的能力。 2 3 几种典型的路由协议 无线传感器网络路由协议根据不同的角度可以进行不同的分类【4 8 】，目前可以根据路 由协议采用的通信模式、层次结构、路由建立时机、状态维护、节点标识和传递方式等 多种策略对其进行分类。本文根据路由过程是否有层次结构将路由协议分为平面路由和 分层路由两类，下面分别从这两类来介绍无线传感器网络的路由协议。 2 3 1 平面路由协议 在平面路由结构中，所有节点的地位是平等的，不存在任何等级和层次差异，原则 上不存在瓶颈问题，具有较好的健壮性。其缺点是可扩充性差，在一定程度上限制了网 络的规模。 1 ) 直接通信( d i r e c d 协议删 d i r e c t 协议就是在每一轮通信时，每个传感器节点将采集到的数据直接送往基 站，基站负责数据的接收和处理，而传感器节点仅仅负责感知区域环境，并发送信息， 这种协议简单、容易实现，但是通常基站距离所有节点都很远，每个传感器节点发送数 据时需要有足够大的传输功率，而这将很快耗尽节点所携带的电池能量，从而降低系统 1 2 硕士论文基于节能的无线传感器网络分簇路由协议研究 的寿命。 2 ) f l o o d i n g 【3 8 1 和g o s s i p i n g 协议【3 9 j f 1 0 0 d i n g 协议和g o s s i p i n g 协议是两个最为经典的传统网络路由协议。在f l o o d i n g 协议中，每个节点接收来自其他节点的消息，并以广播的形式发送给其他邻居节点( 除 去刚刚给他们发送数据的节点) ，如此持续下去，直到消息过期或消息到达目的地才停 止。该协议简单易实现，但其存在严重的缺陷，容易引起消息的“内爆和“重叠”， 造成资源的浪费，如图2 3 1 1 所示。 g n c i s s i p i n g 协议是在f l o o d i n g 协议的基础上提出的一种改进协议，它传播消息的途 径是通过随机的选择一个邻居节点，而不是用广播，这可有效避免消息内爆现象，但仍 然无法解决部分重叠和盲目使用资源所引起的传输时延长、传输速度慢等问题，如图 2 3 1 2 所示。 图2 3 1 1f l o o d i n g 的内爆现象图2 3 1 2g o s s i p i n g 的数据重叠现象 3 ) 定向扩散( d d ) 路由协议【4 2 ，4 9 j 定向扩散模型是一种专门为传感器网络设计的以数据为中心的路由协议。它和传统 路由算法概念不一样，s i i l l ( 节点周期的通过泛洪的方式广播一种称为“兴趣”的数据包， 告诉网络内的节点它需要收集何种信息，“兴趣”数据包在传输过程中同时也建立了路 由路径，采集到和“兴趣 相关数据的节点则利用已建立路径将数据传送给s i i l l 【节点。 定向扩散协议是一种基于查询