（通信与信息系统专业论文）基于能量优化策略的wsn分簇路由协议研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络是由大量的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一 个自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络区域中的信息并发 送给观察者。无线传感器网络具有组网快捷、灵活等诸多优点，具有很高的研 究价值和十分广阔的应用前景，引起了学术界和工业界的高度重视。 无线传感器网络路由协议设计的首要目标是有效节约能源，延长网络生命 周期。本文的研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 根据无线传感器网络路由协议设计的要求，对目前各种典型的路由协 议进行分析比较，并通过仿真分析得出l e a c h 路由协议在实时性应用中的优 势。 ( 2 ) 对经典的分簇式路由协议l e a c h 进行深入的分析及仿真，总结归纳 了l e a c h 中存在的问题，及目前现有的对l e a c h 协议的改进角度。 ( 3 ) 分析了在森林火险远程监测这类应用中，基站往往距离整个网络非常 远，而使用l e a c h 协议时各簇头必须与基站进行长距离的直接通信。这个长距 离通信会消耗大量能量，使簇头节点很快死亡，进而整个簇失效。为解决这个 问题，本题将最小跳数场的建立引入l e a c h 协议中，通过簇头间的多跳通信优 化网络的整体能量消耗，由此改进l e a c h 不适用用于大型网络的缺陷。在n s 2 网络仿真平台上，对改进后的协议和原协议进行网络拓扑、网络整体能量消耗 和网络生命周期三方面的比较，实验结果证明，改进后的协议比原有l e a c h 协 议具有更高的能量有效性，更适用于森林火险远程监测这种大规模无线传感器 网络。 ( 4 ) 将q - d i g e s t 数据融合算法与l e a c h 分簇路由相结合，将簇区域位置 信息引入到q d i g e s t 算法中。仿真实验证明，经过有效的数据融合，节点的传输 能耗降低，网络中的冗余数据传输减少。同时用户不但能够得到全网络的数据 分布，并能得到数据产生的位置信息，更有效的对森林环境因素进行监测。 关键词：无线传感器网络；路由协议；l e a c h ；多跳；数据融合 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，an e wg e n e r a t i o no fs e n s o rn e t w o r kw a sf o r m e db yt h e c o m b i n a t i o no fs e n s o r se m b e d d e dc a l c u l a t i o n ，n e t w o r ka n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sw i d e l ya p p l i e di nm i l i t a r y , c o m m e r c i a l ， m e d i c a la n de n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gf i e l d s ，b e c a u s ei ti sf l e x i b l ea n dc o n v e n i e n t i ti st h ek e yp o i n tt os a v ee n e r g ya n dp r o l o n gt h el i f e t i m eo fn e t w o r ki nt h e r e s e a r c ho fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i nt h ea r t i c l e ，w ed od e e p l yr e s e a r c ho nt h er o u t e p r o t o c o l so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dm a k es o m ei m p r o v e m e n t f i r s t l y , s e v e r a lc l a s s i c a lr o u t i n gp r o t o c o l sa r ec o m p a r e di nt h i sp a p e ra c c o r d i n g t ot h ed e m a n di nw s n r o u t i n gp r o t o c o ld e s i g n i n g t h e nt h ea d v a n t a g e so fl e a c h i n p r a c t i c a la p p l i c a t i o na r ec o n c l u d e db ys i m u l a t i o na n a l y s i s s e c o n d l y ，t h ed e f e c t so fl e a c h a r es u m m a r i z e db yd e e p l yr e s e a r c h i n gi ni ta n d d o i n gs i m u l a t i o n s t h e nt h ep a p e rl i s t ss o m et y p i c a ls t r a t e g i e st h a ti m p r o v el e a c h i nd i f f e r e n ta n g l e s t h i r d l y , t h eb a s es t a t i o ni sa l w a y sv e r yf a ra w a yf r o mt h en e t w o r ki n r e a l a p p l i c a t i o ns c e n a r i o ss u c ha sf o r e s tf i r er e m o t ei n s p e c t i o n ，a sa r e s u l tt h ec l u s t e r h e a d e r sm u s tc o m m u n i c a t i o nd i r e c t l yw i t ht h eb a s es t a t i o nt h r o u g hl o n gd i s t a n c ei n l e a c h b a s eo nt h ee n e r g ym o d e lu s e di nw s n ，i tw i l lc o s tt h ec hal o to fe n e r g y a n dm a k e si td i eq u i c k l y w h a t sm o r e ，i nc l a s s i c a ll e a c ht h eo p t i m a ln u m b e ro f c h si s5 ，i ti sn o te n o u g hf o rt h ea p p l i c a t i o nb e c a u s et h ea r e ao fe a c hc l u s t e rw i l l b e c o m et o ol a r g ed u et ot h es m a l ln u m b e ro fc h ss ot h a tt h em e m b e rn o d e sh a v et o c o m m u n i c a t ew i t ht h ec h 谢t l ll a r g ea m o u n to fe n e r g yw i t h i nac l u s t e r a sar e s u l t ，i t b r i n g so u tt h es t r a t e g yo fm i n i h o pt ob u i l dt h em u l t i h o pt r a n s m i s s i o nb e t w e e nc h s t 0f i xt h ep r o b l e mi nl e a c ha n dm a k ei tp r a c t i c a lf o rr e a la p p l i c a t i o n s a n da tl a s t w ec o m p a r ei m p r o v e dl e a c ht ot h eo r i g i n a lo n ei nn e t w o r kt o p o l o g y 、t o t a le n e r g y d i s s i p a t i o na n dn e t w o r kl i v i n gt i m eb ys i m u l a t i o ni nn s t h er e s u l th a ss h o w nt h a t t h ei m p r o v e da l g o r i t h mi sm o r ee n e r g ye f f i c i e n tt h a nt h eo r i g i n a ll e a c h i nt h el a s tp a r to ft h i sa r t i c l e ，d a t af u s i o na l g o r i t h mq d i g e s ta n dl e a c ha r e i i 武汉理工大学硕士学位论文 c o m b i n e dt o g e t h e r , a n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ni sb r o u g h ti n t oq - d i g e s t i tp r o v e sb y s i m u l a t i o nt h a ta f t e rt h ei m p r o v e dd a t af u s i o n ，s e n s o rn e t w o r kc a ns a v em o r ee n e r g y a n dt h er e d u n d a n td a t ah a sb e e nr e d u c e d t h eu s e rc a ng e td a t af r o mt h ew h o l e n e t w o r ka sw e l la sw h e r et h ed a t ac o m e so u ts ot h a tp e r f o r mm u c hb e t t e ri nf o r e s tf i r e r e m o t ei n s p e c t i o n k e yw o r d s ：w s n ；r o u t i n gp r o t o c o l ；l e a c h ；m u l t i h o p ；d a t af u s i o n 【i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽 我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它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了 谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：啦导师签名： 聃jk r i 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 项目来源 第1 章绪论 本学位论文的研究工作主要得到如下项目的资助。 ( 1 ) 教育部博士点基金“无线传感器网络在结构健康监测中的数据同步和融 合技术研究” ( 2 ) 新世纪优秀人才支持计划“无线传感网络技术在结构健康监测中的应用 及装备” 1 1 2 课题背景 在当今信息技术飞速发展的时代，微电子技术，计算技术和无线通信等技 术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集 成信息采集，数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络能够获取客观 物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防，工农业控制，城市 管理，生物医疗，环境监测，抢险救灾，危险区域远程控制等诸多领域。如果 说i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么无线 传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人 类与自然界的交互方式。美国商业周刊和m i t 技术评论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2 1 世界最有影响的2 1 项技术和改变世界 的1 0 大技术之一。传感器网络，塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来 的三大高科技产业。 无线传感器网络与传统的无线网络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络) 有着 不同的设计目标，后者的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，在 高速移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率。而在无 线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。传感 器网络是集成了监测，控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，分 武汉理工大学硕士学位论文 布更为密集；节点往往布置在恶劣危险的环境中，环境干扰和节点故障易造成 网络拓扑的变化；另外，传感器节点具有的能量，处理能力，存储能力和通信 能力等都十分有限，同时网络通常处于人无法接近的远程环境中故无法及时更 换电源或整个节点。因此传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这也 是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。在无线传感器网络的研究初期， 人们一度认为成熟的i n t e m e t 技术加上a dh o c 路由机制对无线传感器网络的设 计是足够充分的，但深入的研究表明：无线传感器网络与传统网络有着明显不 同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的 应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相 关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于无 线传感器网络，这未必是一种合理的选择；一些为自组织的a dh o c 网络设计的 协议和算法未必适合无线传感器网络的特点和应用要求。无线传感器网络中的 大部分节点不像传统a dh o c 网络中的节点一样快速移动，因此没有必要花费很 大的代价频繁地更新路由表信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理，融 合和缓存也显得很有必要。在密集分布的无线传感器网络中，相邻节点间的距 离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避 免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响，这些独特的要求和制约因素 为传感器网络的研究提出了新的技术问题。无线传感器网络处于新技术的最前 沿，目前尚存在着许多值得探讨的热点课题，国内外学者正在进行深入研究。 1 2 研究目的和意义 由于无线传感器网络的巨大应用价值，从2 l 世纪开始，它引起了学术界， 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 传感器网络技术的研究。美国英特尔公司，微软公司等信息工业界巨头也开始 了无线传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、 意大利、巴西等国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该 领域的研究工作。 无线传感器网络处于新技术的最前沿，国际上从2 0 0 0 年开始出现一些有关 传感器网络研究结果的报道。但是，这些研究成果处于起步阶段，距离实际需 2 武汉理工大学硕士学位论文 求还相差甚远。总体而言，我国在无线传感器网络方面的研究工作还很少。由 于无线传感器网络是- - 1 7 新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开 展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会，经济 将有重大的战略意义。 路由协议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：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化 路径正确转发。无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成 为传感器网络路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网 络能量均衡使用的问题；同时，传感器节点的存储能力和计算能力有限，因此 不能采用太复杂的路由计算：另外，传感器网络是以数据为中心的，需要按照 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。a dh o c 、无线局域网等传统无线网络的路由协议的主要任务是寻找源节点到 目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥 塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。因此我们必 须设计全新的、适合于无线传感器网络特点的路由协议。美国的麻省理工学院、 康奈尔大学、南加州大学等很多著名学府开展了无线传感器网络通信协议的研 究，先后提出了几种新的路由协议，包括s p i n 、d i r e c t e dd i f f u s i o n 、l e a c h 、 t e e n 和p e g a s i s 等。 目前，国内的清华大学，电子科技大学，哈尔滨工业大学等单位已经开始 了该领域的研究工作，但目前主要集中在介绍国外的研究进展，处于刚起步的 阶段。 本文重点研究无线传感器网络中的低能耗分簇路由协议，研究分析国内外 学者提出的路由协议的优秀思想，在层次路由协议l e a c h 的基础上，对其进行 了改进。通过建立最小跳数场的方法找出簇头间多跳通信的路径，避免各簇头 节点直接与基站进行长距离通信，从而减少簇头的能量消耗，使l e a c h 更适用 于大型无线传感器网络。此外，经过研究与分析发现在l e a c h 协议中虽然提到 了在各个簇头节点中会对簇内所有成员节点发来的信息进行数据融合再进行转 发，但并未提到用何种策略进行数据融合。本文将国外学者提出的q - d i g e s t 数据 融合策略运用到l e a c h 协议的分簇结构中，使l e a c h 协议更具能量有效性。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 论文组织 第一章首先介绍了本文的课题背景，阐述了本课题的研究目的以及意义。 第二章研究无线传感网路由协议，对现有的各种平面、层次路由协议特点及应 用场景进行深入分析和比较；着重分析了将无线传感器网络应用于远程环境监 测中的优势以及现有路由协议在这类应用中存在的问题。第三章在分析l e a c h 路由协议存在缺陷的基础上，基于能量优化策略对l e a c h 协议进行改进，并通 过n s 仿真对改进前后的协议做性能上的比较。第四章将q - d i g e s t 数据融合策略 运用到l e a c h 协议的分簇结构，使l e a c h 协议更适用于森林火险远程监测这 类应用中。第五章是本文对课题中所做工作进行的一个全面总结，并结合目前 仍然存在的一些问题给出下一步需要进行的工作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络路由协议分析 2 1 无线传感器网络路由协议的特点 路由协议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：寻找源节点到目的节点的优化路径，将数据分组转发沿着优化 路径正确转发。传统的无线网络( a d h o c ，无线局域网等) 的首要目标是提高服务 质量和公平高效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点 到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络带宽的利用率，而能源问 题不是考虑的重点。在无线传感器网络中，节点的能量有限且一般没有能量补 充，因此无线传感器网络需要高效利用能量。传感器网络具有很强的运用相关 性，不同运用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路由协议。此外， 传感器网络的路由机制经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量而节 省能量。因此，传统的无线网络的路由协议不适用于无线传感器网络。与传统 的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特尉l 】： 第一，能量优先。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。 由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂， 有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源 是不现实的。因此如何高效使用能量，延长整个网络的生存期成为无线传感器 网络路由协议设计的重要目标。 第二，基于局部拓扑信息。无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用 多跳的通信模式。而节点的计算资源和存储资源有限，使得节点不能存储大量 的路由信息，不能进行复杂的路由计算。在节点只能获取局部的拓扑信息和有 限资源的情况下，如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的基本问题。 第三，以数据为中心。传统的路由以地址作为路由的依据，而无线传感器 网络中，只是关注监测区域内的信息，而不是具体哪个节点的信息。以数据为 中心形成数据转发的路径。 第四，运用相关。传感器网络的运用千差万别，没有一个路由机制适合所 有的场合。设计者需要根据特定的运用，设计与之适应的相关的路由协议。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 无线传感器网络路由协议的设计要求 针对无线传感网络路由机制的上述特点，在具体设计路由机制时，需满足 下面的要求： 能量高效：不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且需要从整个网 络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。 可扩展性：节点失效、新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑 结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适用网络结构的变 化。 鲁棒性：应用环境的复杂性，无线链路本身的缺点，无线传感网络的不 可靠特性等，要求路由机制具有一定的容错能力。 快速收敛性：网络拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限， 因此要求路由机制能够快速收敛。 2 3 现有路由协议的分类 目前按照网络拓扑结构的不同，可以把较为经典的各种路由协议分为两大 类：平面路由协议和分簇路由协议。 在平面路由协议中，所有网络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( s i n k ) l 句监测区域的节点( s o u r c e ) 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，因此具有较 好的健壮性。典型的平面路由算法有d d ，s a r ，s p i n 等。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【8 】。下面介绍几种典型的平面路由协 议： ( 1 ) 定向扩散路由( d d ) 【4 】 d i r e c t e d d i f f u s i o n 是一种以数据为中心的路由协议，它与已有的路由算法有 着截然不同的实现机制。汇聚节点通过兴趣消息( i n t e r e s t ) 发出查询任务，采用泛 洪方式传播兴趣消息到整个区域或部分区域内的所有传感器节点。兴趣消息用 6 武汉理工大学硕士学位论文 来表示查询的任务，表达用户网络对监测区域内感兴趣的信息，例如监测区域 内的温度、湿度和光照等环境信息。在兴趣消息的传播过程中，协议逐跳地在 每个传感器节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输梯度( g r a d i e n t ) 。传 感器节点将采集到的数据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。图2 2 显示了这三个阶段的数据传播路径和方向。在兴趣扩散阶段，汇聚 节点周期性地向邻居节点广播兴趣消息。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、 数据发送速率、时间戳等参数。每个节点在本地保存一个兴趣列表，对于每一 个兴趣、列表中都有一个表项记录发来该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率 和时间戳等任务相关信息，以建立该节点向汇聚节点传递数据的梯度关系。在 数据传播阶段，当传感器节点采集到与兴趣匹配的数据时，把数据发送到梯度 上的邻居节点，并按照梯度上的数据传输速率设定传感器模块采集数据的速率。 在路径加强阶段，邻居节点收到消息后，经过分析确定该消息描述的是一个已 有的兴趣，只是增加了数据发送速率，则断定这是一条路径加强消息，从而更 源 a 兴趣传播 汇聚节点 源 b 梯度建立 汇聚节点 oo 源卜卜一) - - 汇聚节点 oo c 加强路径 图2 2d i r e c td i f f u s i o n 工作过程 新相应兴趣表项的到邻居节点的发送数据速率。路由加强的标准不是唯一的， 可以选择在一定时间内发送数据最多的节点作为路径加强的下一跳节点。在加 强路径上的节点如果发现下一跳节点的发送数据速率明显减小，或者收到来自 其他节点的新位置估计，推断加强路径的下一跳节点失效，就需要使用路径加 7 武汉理工大学硕士学位论文 强机制重新确定下一跳节点。 ( 2 ) s p i n 3 s p i n ( s e n s o rp r o t o c o lf o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) 是一种以数据为中心 的白适应通信路由协议。其目标是通过使用节点间的协商制度和资源自适应机 制，解决扩散法存在的不足之处。为了避免扩散法出现的信息爆炸问题和部分 重叠现象，传感器节点在传送数据之前彼此进行协商，协商制度可确保传输有 用数据。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 ) ，而不是采集的整个数据进行协商。由于元数据大小小于采集的数据， 所以，传输元数据消耗的能量相对较少。在传输或接收数据之前，每个节点都 必须检查各自可用的能量状况，如果处于低能量水平，必须中断一些操作，比 如充当数据中转站( 路由器) 角色，停止数据转发操作。 s p n i 有3 种数据包类型，即a d v 、a 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( 包含元数据) 对外广播；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。 d a t a 包含附上元数据头( m e t a - d a t ah e a d e r ) 的传感器采集的数据的数据包。s p i n 协议有4 种不同的形式：s p i n p p 、s p i n e c 、s p i n b c 、s p i n r l 。一个传感器 节点在发送一个d a t a 数据包之前，首先向其邻居节点广播a d v 数据包，如果 一个邻居节点在收到a d v 后有意愿接收该d a t a 数据包，那么它向该节点发送 一个r e q 数据包，接着节点向该邻居节点发送d a t a 数据包。类似地进行下去， d a t a 数据包可被传输到远方s i n k 节点。s p i n p p 在传输新数据的过程中，直接 向邻居节点广播a d v 数据包，而没有考虑其所有邻居节点由于自身能量的原因， 不愿承担起转发新数据的功能，则新数据无法传输，将会出现“数据盲点”，进而 影响整个网络信息的收集。 在层次路由协议中，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 r m e m b e r ) 组成，低一级网络的簇头是高一级网络中的簇内成员，由最高层的簇头 与基站b s ( b a s es t a t i o n ) 通信( 如图2 2 所示) 。这类算法将整个网络划分为相连的 区域。在分簇的拓扑管理机制下，网络中的节点可以划分为簇头节点和成员节 点两类。在每个簇内，根据一定的机制算法选取某个节点作为簇头，用于管理 或控制整个簇内成员节点，协调成员节点之间的工作，负责簇内信息的收集和 数据的融合处理以及簇间转发。 8 武汉理工大学硕士学位论文 分簇路由机制具有以下几个优点 9 a o ： ( 1 ) 成员节点大部分时间可以关闭通信模块，由簇头构成一个更上一层的 连通网络来负责数据的长距离路由转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数据 通信，也在很大程度上节省了网络能量； c l u s t e r 图2 2分簇路由协议拓扑结构 ( 2 ) 簇头融合了成员节点的数据之后再进行转发，减少了数据通信量，从 而节省了网络能量； ( 3 ) 成员节点的功能比较简单，无须维护复杂的路由信息。这大大减少了 网络中路由控制信息的数量，减少了通信量： ( 4 ) 分簇拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对系统变化 作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合大规模网络； ( 5 ) 与平面路由相比，更容易克服传感器节点移动带来的问题。 以下介绍几种典型的层次路由协议： ( 1 ) l e a c h 协议l m l e a c h ( l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) 协议由m i t 的 h e i n z e l m a n 等人提出，它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，其它基于分簇的路由协议如 t e e n ，a p t e e n ，p e g a s i s 等大都由l e a c h 发展而来。l e a c h 节约能量的 主要原因就是它运用了数据压缩技术和分簇动态路由技术，通过本地的联合工 9 武汉理工大学硕士学位论文 作来提高网络的可扩展性和鲁棒性，通过数据融合来减少发送的数据量，通过 把节点随机的设置成“簇头节点”来达到在网络内部负载均衡的目的，防止群头节 点的过快死亡。 鉴于本文在第四章要重点介绍和分析l e a c h 协议，故在这里就不赘述了。 ( 2 ) t e e n t 6 1 阈值敏感的高能效传感器网络( t h r e s h o l ds e n s i t i v ee n e r g ye f f i c i e n ts e n s o r n e t w o r kp r o t o c o l ，t e e n ) 协议，是一个基于分簇的路由协议，也是由l e a c h 发 展而来。在这个协议中定义了两个概念：硬门限定义了一个门限值，当节 点传感器收集到的数据高于这个门限值的话，节点必须打开发射机向簇头节点 报告数据。卜软门限，定义了另一个门限值，当节点感应到的数据的变化值 大于这个门限值的时候，节点才打开发射机向簇头节点报告数据。 由于报告时间以外的时间，节点都关闭他们的发射机，所以节约了节点能 量。t e e n 的模型中假设条件为：网络由一个基站和一个由传感器节点构成的 网络组成，并且传感器节点都拥有相同的初始能量值。基站拥有持续的能量 补充，可以方便的向节点传送指令和数据。 t e e n 利用l e a c h 的策略形成集群，在每次集群重组的时候，群头节点除 了广播数据属性以外，还要广播硬门限和软门限。工作过程如下：节点连续的感 应周围的情况( 此时发射机处于关闭或者休眠状态) ，当节点收集到的数据首次大 于硬门限值时，节点就打开发射机向群头节点报告信息。感应到的数据保存在 节点内部的一个状态变量( s t a t ev i a b l e ，s v ) 。当最新感应到的数据值大于硬门限 并且这个值和s v 的差值大于或者等于软门限的时候，节点才进行数据发送。硬 门限是根据用户对感兴趣的数据范围来设定的，大大减少了不必要的数据传输 的次数。如果感应到的数据和先前变化不大，就不用向群头节点报告，这就是 设置软门限的意义所在，也大大降低了不必要的数据传输次数。另外，软门限 的值可以随时变更，完全取决于用户的需求设置较小的软门限使得网络数据更 加精确，但是花费的代价是增大了传输过程的能量消耗，因此在工作的时候要 根据实际情况选择一个合适的软门限。 ( 3 ) p e g a s i s t 8 】 传感器信息系统中的高能效采集( p o w e re f f i c i e n tg a t h e r i n gi ns e n s o r i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，p e g a s i s ) 协议是在l e a c h 基础上发展而来的基于“链”的 路由协议。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 p e g a s i s 的模型假设如下： 节点都知道其它节点的位置信息，每个节点都具有直接和s i n k 通信的能力： 传感器节点是不具有移动性的； 其它的模型假设和l e a c h 中的相同； p e g a s i s 的主要观点是在传感器节点中形成一个“链”，节点从邻居节点接 收数据，然后向另一边的邻居节点发送数据。数据从一个节点传到另一个节点( 在 此过程中进行数据融合) ，最终传到一个“领导”节点，由这个“领导”节点( o n 图2 3 的n o d e 3 ) 最终把数据发给基站( b s ) 。由于网络中的节点都具有直接和b s 通信的 能力，因此网络中的节点可以轮流充当“领导”的角色，这样每个节点每一轮的平 均能耗就降低了。 p e g a s l s 比l e a c h 节约能量的几个地方：首先，在本地数据聚合阶段，每 个节点和相距很近的邻居节点通信而不是和簇头节点通信，这样通信距离大大 减小；其次一个簇头节点要接收2 0 个节点的数据( 假设一个簇有2 0 个成员节点) ， 而一个“领导”节点只要顶多接收两次数据就行了；最后，在每一轮通信中， p e g a s l s 只有1 个“领导”节点和b s 通信，而l e a c h 中则有多个簇头节点和 b s 直接通信。p e g a s i s 算法减小了节点的通信距离，限制了直接向b s 发送数 据的节点个数，通过轮流做“领导”的方式平衡了网络中的能量消耗，并且增强了 网络对于随机节点死亡的抗干扰能力。但是，p e g a s i s 需要每个节点知道网络 的全局信息，在网络全局信息比较难得到的情况下就不适合了。 图2 3p e g a s i s 链式结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 无线传感器网络在远程环境监测中的应用 环境监测是无线传感器网络的一种典型应用。通过使用大量的部署在监测 区域内的传感器节点所组成的网络系统，用户可以对监测区域做长时间不间断 的数据采集以便及时做出相应的对策。在环境监测的应用中，森林火险的远程 监测是一种典型的实例。 森林是人类赖以生存和社会发展最重要的资源。由于人们在社会活动中的 某些失控及异常自然因素影响等原因，森林火灾时有发生，对人类生命财产及 生态环境造成了巨大危害。森林防火理论与实践的研究一直是伴随着林业的发 展而形成的专门研究领域。随着计算机技术、网络与通信技术、地理信息系统 ( g i s ) 、遥感( r s ) 和全球定位系统( g p s ) 的快速发展，“3 s ”技术在森林防 火管理中得到了广泛应用。使用“3 s ”技术可以实现森林火灾实时监控和森林资源 信息的快速采集与处理，为森林防火提供早期预警信息和强有力的决策支持。 然而，这类火险监测方法仍然存在不少问题，如数据来源和精度一直是g i s 技 术界解决资源环境问题的一个瓶颈，卫星遥感图像实时性不高，对同一地区不 能全天候全时段监控，受天空云层厚度或卫星偏轨现象等因素的影响导致火点 定位精度较低，以及存在漏判与误判的现象。这些问题降低了“3 s ”技术的森林火 灾监测效果 4 4 1 。 由于传感器能够灵敏地感应温度、湿度、光亮度等参数的快速变化，无线 传感器网络具有低成本、易于部署、具备自组织能力等特点，它的实时性和监 测精度高的优势非常符合重点监控林区的火险监测要求。通过把微传感器撒在 森林中，让其自动组织成一个无线网络，实时采集各种环境数据( 温度、湿度、 大气压力、光亮度等) ，并通过网络传递到用户，从而实现对重点监控林区的全 天不间断2 4h 实时监测，对采集数据实时处理，对异常情况迅速报警。通过卫星或 摄像头等装置所获取的图像主要反映出火光、烟雾等情况，而非温度、湿度以及 大气压力等直接因素，而且图像数据占用大量存储空间，处理难度较大。相比 之下，无线传感器网络采集到的数据更为准确、直接地反映监控现场的各种环 境因素变化情况，而且时效性更好，能够很好地弥补“3 s ”防火技术的不足。 目前不少著名学府和科研机构就w s n 应用于森林火灾监控展开了研究。在 美国国家科学基金的资助下，加州大学伯克利分校率先对无线传感器网络在森 林火险监测中的应用进行了研究，研制出了f i r e b u g 系统。该系统由环境传感器 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 组成，这些传感器用于采集温度、相对湿度和大气压力等数据。在每个传感器 节点上设置一个类似于g p s 的定位器，这些节点通过基站与远程的数据库服务 器通信，用户则可以通过w e b 浏览器与该服务器通信。这个监控系统在美国圣 弗兰西斯科附近的森林火灾监测实验中得到了实际应用，系统的性能很令人满 意。美国华盛顿大学的学者也对此展开了研究，他们通过在无线传感器网络中 使用移动智能体来查找火源，而且使得该网络具有较大的灵活性来完成其它的 任务【4 4 1 。 2 4 1 基于w s n 的森林火灾监测预警系统 传感器网络系统通常包括传感器节点，汇聚节点和管理节点。大量传感器节 点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节 点监测的数据沿着其他节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多 个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节 点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集 监测数据。我们设计的基于w s n 的森林火险监测系统通过无线传感器网络采集 林区现场数据( 温度、湿度、大气压力、烟雾、光亮度等) ，将数据通过基站迅速 传递到监控中心服务器进行实时处理与分析，远程用户可以通过i n t e m e t 实现对 林区全天候的实时监测，并对异常情况实时报警，为防火指挥部门制定正确决 策提供客观依据。系统框架如图2 4 所示。 o oo 一j囝 0 荔荔气爱翻 。? 。ka i o i oc = = 毽j l 。0 彳j 兮嘞服晶醚 图2 4基于w s n 的森林火险实时监测系统示意图 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 适合于森林火险监测的w s n 路由协议研究 对上述平面路由和层次路由协议从路由结构、路由策略、节能策略、网络 生存时间、数据融合、健壮性和路径等方面总结如表2 1 所示： 在森林火险监测中，由于森林面积广大，故需要布置大规模的传感器网络， 同时由于基站离监测范围距离遥远，监测环境恶劣、多变以及能源有限等因素， 表2 1无线传感器路由协议总结表 路由路由 提供节 网络生以数据数据健壮 多路 最佳提供q o s 结构策略能策略存时间为中心融合性 径 路径支持 f l o o d i n g 平面按需否不好不是无较好是不是 否 g o s s i p i n g平面 按需否不好不是无较好是不是否 d i r e c t 平面按需是较好是有较好 否 是否 h r e e m r平面 按需是较好是有较好否不是否 s p i n 平面按需是较好是有不好否不是否 l e a c h层次 主动是较好不是有较好否不是否 p e g a s i s层次 主动是较好不是有较好否不是否 t e e n 层次主动 是 较好是有较好否不是否 容易造成传感器节点能量耗尽以及部分节点损坏的情况，一旦出现此种情况， 如果网络结构不能动态调整，并且采用有效策略降低节点的平均能耗，则会使 某些区域监控失效，造成难以预计的后果。总结森林火险远程监测的特点，可 得到这类应用对于无线传感器路由算法的一些特定要求： 基于监测环境的地理和范围要求以及传感器节点本身在能量方面的限制，路 由策略必须能够尽量延长网络生命周期，降低网络能量消耗。 当网络的拓扑结构由于节点的失效或新节点的加入而发生动态变化时能作 出快速反应，重新生成路由。 能获得具有一定区域位置信息的全网数据，并能实时的将采集数据发送给用 户，网络延迟小。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 因此传统的平面路由协议不适用于此种场景中。如果采用分簇路由形成簇状 网络，每个簇相当于一块较为固定的自组织网络，便于管理，有利于分布式算 法的应用，每当加入新节点或废弃失效节点，网络的拓扑结构发生动态变化时 可以对系统变化作出快速反应，具有较好的可扩展性，利于网络的重构和自我 调整，适合大规模网络；单个簇的范围由网络覆盖面积的实际情况决定。每个 簇选举一个首领，用于接收本簇内所有节点送来的数据，避免了所有节点与基 站直接通信的远距离传输，节省了节点的能量。 然而目前提出的几种较为经典的分簇路由协议由于自身的某些缺陷，都不 适于森林火险监测的应用场景中。以下是对这几种协议的分析： ( 1 ) l e a c h 协议 l e a c h 的基本思想是：通过等概率地随机循环选择簇头，将整个网络的能 量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能量耗费、延长网络生 命周期的目的。 然而，在l e a c h 的簇头选举算法中，最佳簇头概率p 的确定是十分困难的， 这与网络规模和节点密度有关，并且这个最佳概率只是一个期望值，分布式自 组织的簇首选举算法使得每轮选举出的簇首个数在数学期望周围上下波动：同 时，l e a c h 算法中各簇头节点与基站直接通信，但在森林火险监测中，传感器 网络覆盖面积广大，基站离整个网络远，这种长距离的直接通信会使节点的能 量很快消耗殆尽。