（通信与信息系统专业论文）无线传感网络路由协议与定位技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页 捅姜 微电子技术、嵌入式计算技术、无线通信等技术的发展推动了无线传感网络迅速 发展。无线传感网络主要由传感器、感知对象和监测者三个要素组成。无线传感网络 应用非常广阔，如军事、城市交通、环境监测、建筑物状态监控以及机场等领域。由 于无线传感器节点一般随机播撒，节点一般通过电池供电，节点的能量、带宽和计算 能力等非常有限，并且不知道节点的位置。因此，路由协议和节点自身定位技术是无 线传感网络的重点研究方向。 本文首先介绍了无线传感网络体系结构，然后介绍了路由协议设计的关键问题和 定位技术，包括路由协议和定位技术分类以及现有典型路由协议和节点定位算法的原 理，典型路由协议包括：s p i n 、d d 、l e a c h 、p e g a s i s 和s t a r 等；典型定位算法 包括：r s s l 、t o a 、p d o a 、d v - h o p 、质心定位算法和不定型定位算法等。 本文重点研究了l e a c h 和p e g a s i s 路由协议，分析了两种协议的优缺点，并 在两种协议优点的基础上，提出一种改进的有效路由协议l e a c h p 。l e a c h p 协议 不仅具有l e a c h 协议的网络分簇结构，也具有p e g a s i s 协议贪婪成链的思想，使 簇头成链。给出了l e a c h p 协议流程图和m a t l a b 仿真图，结果证明l e a c h p 协议 能够更好地延长网络的生命周期、提高网络的健壮性和降低时延。本文最后分析了无 需测距的d v - h o p 定位算法性能，从锚节点数、节点通信半径和总节点数三方面分析 了d v - h o p 算法定位精度，并给出分析结果。结果表明，在不同的总节点数目条件下， 存在最优的节点通信半径，并且锚节点个数在1 2 左右时比较合适。要想使d v - h o p 算 法的定位精度达到最好，需根据总节点数选择最优的节点通信半径，从而降低节点的 定位误差。 关键词：无线传感网络；路由协议；自身定位；l e a c h ；p e g a s i s ；d v - h o p 西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 ab s t r a c t 、m 也t h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , e m b e d d e d c o m p u t i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sr a p i d l yd e v e l o p s e n s o r s ， s e n s i n g a n dt h eo b s e r v e rb e c o m et h r e em a i ne l e m e n t so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sv e r yb r o a d ，s u c ha sm i l i t a r y , u r b a nt r a n s p o r t a t i o n ， e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，b u i l d i n gm o n i t o r i n ga n da i r p o r t w i r e l e s ss e n s o rn o d e sg e n e r a l l y a r er a n d o m l ys o w n n o d e sa r eu s u a l l yp o w e r e db yb a t t e r y n o d ee n e r g y , b a n d w i d t ha n d c a l c u l a t i o na b i l i t ya r es ol i m i t e d ，a n dd on o tk n o wt h el o c a t i o no ft h en o d e t h e r e f o r e ，t h e r o u t i n gp r o t o c o la n ds e l f - l o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya r et h ef o c u so ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k r e s e a r c ht o p i c s t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s s e c o n d l yt h e k e yi s s u e so fr o u t i n gp r o t o c o ld e s i g na n ds e l f - l o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d t h i r d l y t h ec l a s s i f i c a t i o na n dp r i n c i p l e so ft h et y p i c a le x i s t i n gr o u t i n gp r o t o c o la n dl o c a l i z a t i o n p r o t o c o l a r es u m m a r i z e d t y p i c a l r o u t i n gp r o t o c o l sh a v es p i n ( s e n s o rp r o t o c o l f o r i n f o r m a t i o nv i a n e g o t i a t i o n ) ，d d ( d d ，d i r e c t e dd i f f u s i o n ) ，l e a c h ( l o w - e n e r g y a d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) ，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 g i ns e n s o r i n f o r m a t i o ns y s t e m s ) a n dl a r ( l o c a t i o n - a i d e dr o u t i n g ) t y p i c a ll o c a l i z a t i o np r o t o c o l s h a v er s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) ，t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) ，p d o a ( p h a s e d i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) ，d v - h o p ， c e n t r o i dl o c a l i z a t i o na n d a p i t ( a p p r o x i r n a t e p o i n t - i n - t r i a n g u l a t i o nt e s t ) t b i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sl e a c ha n dp e g a s i s a n da n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h et w op r o t o c o l s an o v e lr e l i a b l er o u t i n ga l g o r i t h m ( l e a c h p ) i s p r o p o s e dt a k i n ga d v a n t a g e so fb o t hl e a c ha n dp e g a s i sa l g o r i t h m s l e a c h pp r o t o c o l n o to n l yh a sn o d ec l u s t e r i n gs t r u c t u r eo fl e a c hp r o t o c o l ，b u sa l s oh a st h o u g h to fg r e e d y c h a i no fp e g a s i s s ot h ec l u s t e rh e a d si n t oc h a i n t h i sp a p e ro f f e r sa l g o r i t h mf l o w i n gc h a r t a n ds i m u l a t i o n d i a g r a mb ym a t l a bs o r w a r eo fl e a c h - p t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n d s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e 也a t c o m p a r e dw i t hl e a c h ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a n p r o l o n gt h en e t w o r kl i f e t i m ea n db a l a n c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fn e t w o r kn o d e s 笛w e l l f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y s e sp e r f o r m a n c eo ft h ed v - h o pa l g o r i t h mf o r mn u m b e ro fa n c h o r n o d e s ，c o m m u n i c a t i o nr a d i u s e so f n o d e sa n dn u m b e ro ft o t a ln o d e s t h er e s u l t sa r eg i v e n t h a tt h en u m b e ro fa n c h o rn o d e ss h o u l db ea b o u t1 2 c o m m u n i c a t i o nr a d i u s e so fn o d e s s e l e c tt h eo p t i m a lv a l u ea c c o r d i n gt ot h en u m b e ro ft o t a ln o d e s i nt h i sw a y , t h el o c a l i z a t i o n e r r o ro fn o d ec a nb er e d u c e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第f fi 页 k e yw o r d s ：w s n ；r o u t i n gp r o t o c o l ；s e l f - l o c a l i z a t i o n ；l e a c h ；p e g a s i s ；d v o h o p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 i i 量皇皇量置置鲁量量量量皇曹皇量量皇量皇量昌昌置葛置曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼墨曼曼量曼量量曼曼曼曼曼量量量量量量量量量篁皇舅量量量量舅皇曼曼l 第1 章绪论 1 1 本课题研究目的及意义 无线传感网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 是通信、计算和传感器三种技 术相结合的产物，被认为是2 1 世纪最重要的技术之一，是一种新型的信息获取 和处理技术，综合了基于微电子的传感器技术、分布式信息处理技术和无线通信 技术 i - 2 】。近年来，随着微型制造的技术、通讯技术及电池技术的发展，促使硬币 大小的传感器具有感应、无线通讯及处理信息的能力【3 】。随机分布的集成有传感 器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络，传感网络 通过传感器节点之间的协作，实时监测、感知和采集监控区域内的各种环境或监 测对象的信息【4 。5 】。典型的传感网络节点通常由传感部件、数据处理部件和通信部 件组成，分为两种节点：传感器节点( s e n s o r ) 和网关节点( s i n k ) 组成，传感器节点 采集所在周边环境中的热、湿度、红外、光敏、雷达和地震波等资料；网关节点 接收传感器节点发来的数据，并对数据作相应的处理后上传给p c 机【6 。8 】。 传感网络以其低成本、低功耗的特点，从而具有十分广泛的应用前景，在军 事国防领域，传感网络将会成为集命令、控制、通信、计算、智慧、监视、侦探 和定位于一体的战场指挥系统( c 4 1 s r t ) 不可或缺的一部分，c 4 1 s r t 系统定位于 未来战争，受到各国国防部门的普遍重视，由于战争的伤亡性，传感器设备可以 取代人去执行一些危险的任务；在工农业领域，人们对环境的日益关注，环境科 学所涉及的范围越来越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难而危险的工 作，而无线传感网络适用于环境恶劣的场合；还在健康护理、智慧家居、建筑物结 构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型 工业园区的安全监测等众多领域中都有重要的理论价值和巨大的实用价值，它已经 引起了世界许多国家军事界、学术界和工业界的高度重视【9 1 。 无线传感网络通常是由许多微小的传感器节点组成，节点的一些资源非常有 限( 包括：带宽、能量、存储、计算) 。传感器节点一般通过飞机等随机播撒在监 测区域内，一方面被检测区域一般环境恶劣，人工不易到达；另一方面传感器节 点通常由电池供电，能量有限，随意更换传感器节点显得不切实际。因此，最大 程度地延长网络生命周期是无线传感网络的关键技术挑战之一【加d 。此外，在很 多无线传感网络应用中，没有节点位置的监测信息往往毫无意义，当检测到突发 事件时，关心的一个重要问题就是该事件发生的位置 1 2 - 1 3 】。因此，网络的能耗、 路由协议和传感器节点的定位都是无线传感网络的重要研究内容【1 4 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外发展概况 在2 0 世纪9 0 年代末，美国u c l a 大学的w i l l i a mjk a i s e r 教授向美国国防部先进 研究项目局( d a r p a ) 提交的“低能耗无线集成微型传感器”标志现代无线传感网络的 开始。随后的几十年里，各国的研究者对无线传感网络做出了许多贡献。 从2 0 世纪末开始，美国就展开了集成的无线网络传感器( w i n s ) 5 1 、分布式传感 网络( d s n ) 【1 6 1 、无线嵌入式系统( w e b s ) t 1 7 k 智能尘埃( s m a r td u s t ) i 1 8 1 、分布式系统可升 级协调体系结构研究( s c a d d s ) 1 9 】等一系列重要的w s n 网络研究课题。2 0 0 1 年，美国 计算机学会( a c m ) 和i e e e 成立了第一个专门针对传感网络技术的会议i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo ni n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi ns e n s o rn e t w o r k ( i p s n ) ，开拓了一片w s n 网络发 展技术的新园地。1 9 9 8 年到2 0 0 3 年，大量w s n 网络技术相关的文章出现在各种与 a dh o c 网络、无线通信、分布式系统的会议中。2 0 0 3 年到2 0 0 4 年，一批针对传感网 络技术的会议相继组建。2 0 0 4 年，b o s t o n 大学与b p 、h o n e y w e l l 、i n v e n s y s 、i n e t c o s y s t e m s 、r a d i a n s e 、s e n s i c a s ts y s t e m s 、m i l l e n n i a ln e t 等公司联合主办了无线传感网络 协会，以促进w s n 技术的开发。a c m 在2 0 0 5 年还专门创刊a c mt r a n s a c t i o no ns e n s o r n e t w o r k ，用来出版最优秀的传感网络技术成果。 自从2 0 0 1 年起，美国国防部先进研究项目局( d a r p a ) 每年为w s n 网络技术的研 究投入千万美元，提出了新的c 4 k i s r 计划，强调战场情报的信息的综合能力、感知 能力和利用能力，建立了s m a r ts e n s o r w e b 、无人看守地面传感器群、灵巧传感网络的 通信、网状传感器系统和传感器组网系统等一些军事相关的无线传感网络研究项目， 把传感网络作为一个重要研究领域。 在美国的一些大学如南加州大学、麻省理工学院、伊利诺斯大学、康奈尔大学、 加州大学伯克利分校以及洛杉矶分校等许多著名高校在美国自然科学基金委员会的帮 助下，也进行了许多无线传感网络的关键技术和基础理论的研究。还有一些大学搭建 了无线传感网络实验平台，如罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器搭建一个智能医 疗房间系统，利用微尘来测量病人的重要征兆，如脉搏、血压和呼吸等情况、每天二 十四小时的活动情况以及睡觉的姿态。英特尔实验室研究人员曾经将3 2 个小型传感器 接入互联网系统，可以测出缅因州“大鸭岛”上的气候变化。无线传感网络还可以跟 踪候鸟和昆虫的迁移、监测大气、海洋和土壤的成分以及研究环境变化对植物的影响 等应用。美国的一些大型i t 公司，例如r o c k w e l l 、h p 、t e x a si n s t r u m e n t s 、i n t e l 等， 在与高校合作的方式下，逐步深入无线传感网络的研究开发工作，并逐渐设立或启动 各种的研发项目，在无线传感器节点的低能耗设计、微小化、数据处理与管理、网络 组织以及无线传感网络应用等方面都取得重要的研究成果。一些公司的智慧尘埃 ( c r o s s b o wt e c h n o l o g i e s 和d u s tn e t w o r k s 等) 、m i c a 、m o t e 系列节点已走出实验室阶 段，进入测试应用阶段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 近年来在国内，政府和专家学者开始注重传感器网络，虽然比发达国家起步晚， 但是对无线传感网络的研究热情丝毫不差。在1 9 9 9 年，在中国科学院科学应用现代意 义上，无线传感器网络第一次出现在“在信息与自动化领域的研究报告 中。十九世 纪初，上海微系统成立微系统研究与发展中心，在w s n 方向上，开展了众多重大研究 项目。在国家自然科学基金和“8 6 3 计划基金的资助下，国内也有很多研究机构和著 名高校( 包括清华大学、浙江大学、复旦大学、西南交通大学、中科院计算所等) 开始注 重无线传感器网络的研究。 从2 0 0 2 年开始，中国国家自然科学基金委员会对无线传感网络的相关课题开始部 署。国家“8 6 3 ”重点项目发展计划也大力支持传感器的发展，有3 0 余个项目得到支 持，国家发改委c n g i ( 中国下一代互联网工程项目) 也同时对w s n 项目进行了连续资 助；国家重点基础研究发展计划“9 7 3 也开展了2 项与w s n 相关的项目。在信息技 术方面，2 0 0 6 年颁布的国家中长期科学与技术发展规划纲要确定的3 个前沿方向 中，其中有2 个与无线传感网络研究相关；在2 0 0 8 年，在中国工业和信息化部联合启 动了“新一代宽带移动通信网 国家级专项中，其中“短距离无线互联与无线传感网 络研发和产业化 是主要为无线传感器网路技术发展而建立的。截至2 0 1 0 年底，中国 国家自然基金共支持面上项目一百多项、重点项目3 项；“中国未来2 0 年技术预见研 究 的1 5 7 个技术课题中涉及无线传感网络的就有7 项，这些专项的设立将大大推进 w s n 网络技术在应用领域的快速发展。2 0 0 7 年1 1 月7 日国内首次无线传感网络产业 发展高峰论坛在杭州举行，“中国无线传感网产业发展联盟”也同时在这次会议上宣告 正式成立，标志着我国w s n 研究进入到一个新的阶段【2 0 】。 1 3 本文的主要工作和结构安排 本文主要研究了无线传感网络路由协议和无线传感网络自身定位协议两方面。在路 由协议方面，通过对l e a c h 协议和p e g a s i s 协议优缺点分析，结合两种协议的优点 提出一种改进的有效路由协议l e a c h p ，改进协议更适合于大规模的无线传感网络， 并延长网络生命周期、保证网络更加健壮。在自身定位协议方面，现有的无线传感网 络自身定位协议有很多，本文主要研究影响d v - h o p 协议定位精度的各种因素，包括锚 节点数目、节点通信半径、总节点数目。 主要研究工作如下： 第l 章：绪论。简单介绍无线传感网络技术、概念、特点及应用，分析了无线传 感网络存在的关键问题，重点介绍了无线传感网络发展历程、国内外发展现状以及未 来发展趋势。最后阐述本文的研究内容及论文的总体框架。 第2 章：无线传感网络概述。主要介绍无线传感网络的组成结构、现有路由协议 和自身定位技术分类，介绍各种典型路由协议和自身定位技术的原理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第3 章：基于l e a c h 和p e g a s i s 路由协议研究- - l e a c h - p 。主要分析l e a c h 和 p e g a s i s 协议的优缺点，然后结合两种协议的优点，并且考虑簇头剩余能量的基础上， 提出一种改进的有效路由协议l e a c h p 。并且通过m a t l a b 仿真详细分析了l e a c h p 协议的性能。 第4 章：无线传感网络d v - h o p 定位协算法究。主要分析了d v - h o p 算法定位精度 误差的来源，研究影响d v - h o p 算法定位精度的因素：传感器节点的通信半径对算法定 位精度的影响：锚节点和总传感器节点的个数对算法定位精度的影响，并且给出m a t l a b 仿真结果及结论。 总结和展望。总结本文的工作以及进一步的工作和展望。 最后是致谢、参考文献、附录和攻读硕士学位期间发表的论文。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章无线传感网络概述 2 1 无线传感网络的体系结构 2 1 1 传感器节点介绍 感应对象、观察者和传感器节点是无线传感网络的三个基本要素【2 1 】。其中传感器 节点是无线传感网络的基本组成实体。图2 1 为无线传感器节点的一般结构图，图2 2 为自制传感器节点实物图 图2 1 无线传感网络节点的一般结构2 1 f i g 2 - lg e n e r a ls t r u c t u r eo fw i r e l e s ss a l s o rn e t w o r kn o d e 图2 - 2 传感器节点实物图 f i g 2 - 2s e n s o rn o d e s 传感器节点上通常集成有处理器、存储单元、能源供应、传感器和无线通信等主 要功能单元，主要介绍如下： ( 1 ) 处理器是传感器节点的大脑，主要负责控制网络中节点的操作、存储和处理 自身采集的数据，同时也处理其它节点发送过来的数据 ( 2 ) 存储单元主要存储传感器节点采集的数据。不同的传感网络结构，对节点存 储的快速性、易失性要求的差异是不同的。如果信息需要快速送到上一级节点，则对 鼍-一，骶，r 1 夏m l k。，：j，i 錾。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 本级节点的存储空间要求较小：如果要使通信总量最小化，就需要在节点中进行大量 的计算，则对节点的存储空间要求很高。 ( 3 ) 能源供应单元主要为节点提供能量，目前一些智慧节点只能持续工作几个小 时，能量问题是传感网络节点面临的主要约束之一。可以用两种方法给节点提供能量： 第一种方法是在每个传感器节点上安装能量源，目前主要使用高密度的电池作为能量 源；第二种方法是从当前环境中采集能量，如太阳能电池。 ( 4 ) 传感器主要负责对感知对象的信息进行采集和数据转换，传感网络节点的感 知部分是目前传感网络技术的瓶颈。不同的传感器具有不同的特性如花费、定位精度、 解决方案、尺寸和能耗，所以选择传感器的类型、数量以及确定它的位置是无线传感 网络的重要挑战。 ( 5 ) 无线通信单元主要负责实现传感器节点之间以及传感器节点与管理控制节 点、用户节点之间的通信，同时收发业务数据和交互控制消息。 2 1 2 无线传感网络结构 图2 3 是典型的无线传感网络结构，大量的传感器节点通过机械、人工、飞行器 空投等方式随机放置在监测区域内或监测对象周围，布置好节点后，节点就固定不动， 节点之间通过自组织方式快速形成一个感知网络，每个传感器节点既是信息的采集者 和发送者，又是信息的路由者，传感器节点通过多跳中继的方式把采集到的数据传递 给s i n k 节点( 汇集n 关节点) ，采集到的数据在向s i n l 【节点传递过程中，需要在中间转 发节点中逐渐聚合和融合处理。最后，当感知网络与管理及用户网络距离较远时，可 以通过i n t c r n e t 、卫星网络或者其它链路等传输方式，s i n k 节点将汇集到监测区域的信 息传送给远端观察用户。 图2 - 3 无线传感网络体系结构】 f i g 2 - 3a r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 无线传感网络结构主要包括层次和平等化两类。在平等传感网络结构中，所有的 传感器节点都是平等的，每个传感器节点都具有完全互换性质，也就是说在形态和功 能上是完全相同的，实现起来简单容易，但是这种结构的传感网络传感器节点能量消 耗过快，很少用到平等传感网络结构。在层次化传感网络结构中，特定层次的传感器 节点完成下一层次的部分传感器节点的提供特定任务，传感网络使用少量的网关节点 与一个更通用的网络相连，层次化结构对于不平衡分布的资源而言是有利的，可以对 资源进行平衡分配，实现能量的均衡消耗。许多传感网络都建立在层次化结构基础上。 2 1 3 无线传感网络的特点及应用 无线传感网络使用微小的传感器节点采集数据，节点之间具有自动组网、协同工 作和无线通信的能力，无线传感网络的很多特点取决于其采用自动组网的工作方式， 节点间的协调、协同和协商，自动进行管理、自动进行调度来适应不断变化的自身条 件和外部环境，此外，还采用无线通信方式提高了网络布设及应用的灵和性。无线传 感网络的广泛应用体现了传感网络的一些共同的特点：小尺寸、低花费、效率高、通 用性好、容错性好、自治性、安全性、保密性，更强调节点的低功耗、高度集成、微 型化、低价格。无线传感节点还具有可嵌入、网络化和可测量等特点，如图2 - 4 所示。 图2 _ 4 无线传感网络特性【3 1 f i g 2 _ 4c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s $ e i i s o rn e t w o r k 无线传感网络的典型应用包括军事侦探、医疗、环境监测、交通控制管理、工业 监视、精密农业、仓储物流管理和建筑无监测等诸多领域。另外，无线传感网络的大 范围市场推广离不开典型的成功应用模式，积极探索无线传感网络在现实社会生产、 生活的应用模式，是推动无线传感网络产业发展的重要基础，各种无线传感网络遍布 我们生活的各个层面，特别是在国防和重大灾害事件测量等领域将对我国的现代化建 设起到十分重要的作用【9 1 4 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 无线传感网络路由协议 2 2 1 路由协议设计的关键问题 路由协议是无线传感网络的关键技术之一，路由协议的性能和整个网络的性能密 切相关，路由协议也可认为是在特定的应用要求下对基本的路由协议的一种实现方案， 路由协议往往要全面考虑能量的有效性、数据传输可靠性、可扩展性、稳健性、实现 复杂度等很多因素。无线传感网络要求使用有限的能量和硬件资源的前提下完成特定 的功能。另外，无线通信信道的不稳定性、通道间相互干扰、节点的移动性以及地理 形势的不同等综合因素的影响，使w s n 的拓扑结构随时发生变化。这些问题都是 i n t e m e t 网络没有遇到过的，因此，传统的i n t e r n e t 网络的路由协议不能直接用在无线 传感网络中，无线传感网络的路由协议的设计需要与其自身的特点要相结合。 下面主要介绍无线传感网络路由协议设计中较为关键的问题：能量有效性、可扩 展性、数据传输可靠性【2 2 】。 能量有效性：无线传感网络节点通常是一次性布置的，节点的电源电池不可随意 更换，因此，无线传感网络从软件开发到硬件设计都必须考虑提高能量有效性。有两 种路由协议设计的思路提高能量有效性：一是节能，可以寻找节能的路由，减少路由 各方面的开销，从而达到降低传输特定数据所要的能量。二是能耗均衡，可以合理的 从空间上调度能量资源，使节点能耗均匀，从而延长网络生命周期，可以从三方面实 现能耗均衡，即功率控制、路由和数据聚合，图2 5 描述了影响能耗均衡的因素。 节点密度、分 布及移动性 网络覆盖区域 s i n k 个数、分 布及移动性 业务 分布 节点通 信半径 网络生命 周期延长 图2 - 5 影响能耗均衡的因素p 1 f i g 2 - 5f a c t o r so fe n e r g yc o n s u m p t i o n 可扩展性：可扩展性是指网络的性能不随网络节点数目的增加而有明显下降，无 线传感网络通常包含数千多个节点。网络规模越大，路由协议收敛时间越长，网络的 管理越不易实现，因此路由协议应具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。 数据传输可靠性：无线传感网络路由协议的一个关键问题是如何保证数据传输可 靠性，数据传输可靠性直接影响到无线传感网络能否给用户提供全面、准确和可靠的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 信息。另外，无线传感网络应用环境恶劣、节点无线通信能力弱，实际的链路质量比 较低，可以从建立多路径路由和在路由建立过程中选择可靠链路两方面保证数据传输 的可靠性。 2 2 2 路由协议分类 由于无线传感网络路由协议是无线传感网络中的一种关键技术，一种好的路由协 议可以有效地延长无线传感网络的生命周期。当前对无线传感网络路由协议的研究受 到了越来越多的重视，已经迅速成为一大研究热点。现有的无线传感网络路由协议主 要可以分为四类【2 3 】：以数据为中心的平面路由协议、网络分层的路由协议、基于地理 信息的路由协议和基于q o s 的路由协议，具体分类如图2 - 6 所示。 无线传感器网络路由协议 以数据为中心的 平面路由协议 网络分层的 路由协议 d d ils p i nli l e a c hllt t d d g b ric a d r ie a rii p e g a s i slt e e n 基于地理信息 的路由协议 g a fi | l a rilg p s r 基于q o s 的 路由协议 s p e e dils a r 图2 6 无线传感网络路由协议分类【2 习 f i g 2 - 6c l a s s i f i c a t i o no fr o u t i n gp r o t o c o l si nw i r e l e s ss c m s o rn e t w o r k s 以数据为中心的平面路由协议是指协议对相同属性的数据进行融合后传输，减少 网络中冗余的数据：网络分层的路由协议是指协议将传感器节点按一定规则分为多个 集群，集群的头节点( c l u s t e r h e a d e r ) 汇集群内数据或者转发其它头节点的数据；地理位 置信息路由协议是指协议假设传感器节点能够知道自己地理位置或通过基于部分标定 节点的地理位置信息计算自己地理位置，地理位置信息作为一个辅助条件来改善已有 路由协议的性能；基于q o s 的路由协议是指协议在路由发现和维护的同时，还力求满 足网络的需求，无线通信的不稳定，网络资源的局限性以及节点的移动等问题都给基 于q o s 的路由协议设计带来了困难与挑战。 在图2 - 6 中，协议g b r 、c a d r 和e a r 都是在d d 协议的基础上改进而来的， p e g a s i s 和t e e n 是在l e a c h 的基础上改进而来的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 2 3 典型路由协议介绍 ( 1 ) s p i n 路由协议 、 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 ) 协议【z 4 】是在泛洪路由协 议的基础上改进而来的，是一种以资料为中心的自适应路由协议。它通过使用节 点间的协商制度和资源自适应机制，来解决泛洪协议中所存在的“内爆”和“重迭” 以及盲目使用资源的问题，并且通过节点间协商的方式减少网络中传输的数据 量，节点广播其它节点所没有的数据以减少冗余数据，从而有效减少能量消耗。 s p i n 使用三次握手方式来实现数据的交互，协议运行过程中使用三种类型的 数据报：a d v ( 用于资料的广播) 、r e q ( 用于请求发送数据) 、d a t a ( 原始感知数 据) ，s p i n 协议工作流程如图2 7 所示。 彭够够 ( a )( b )( c ) 影影影 ( e ) i f ) 图2 7s p i n 协议工作流程f 2 4 】 f i g 2 - 7f l o w g r a p ho fs p i np r o t o c o l 首先当节点a 感知到新事件发生后，就给相邻节点广播该事件的原数据a d v 报文，然后节点b 检查自己是否有a d v 报文中所描述的资料，如图2 7 ( a ) 。如 果没有，节点b 就向a 发送r e q 报文，r e q 报文列出需要a 节点给出的数据列 表，如图2 7 ( b ) 。节点a 收到r e q 请求报文后，将相关的资料发送给节点b ，如 图2 7 ( c ) 。节点b 发送a d v 报文通知其相邻节点自己有新的消息，如图2 7 ( d ) 。 如果收到的a d v 的节点发现自己拥有a d v 报文中描述的资料，就不发送r e q 报文，如图2 7 ( e ) 。 ( 2 ) d i r e c t e dd i f f u s i o n 路由协议 定向扩散协议( d d ，d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 2 5 】是一种基于查询的路由方法，典型的 以数据为中心的路由机制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 d d 协议中引入三个基本概念：兴趣、梯度和路劲加强。协议工作流程分三 个阶段：兴趣扩散、梯度建立和路径加强，如图2 8 所示。 源 节 点 源 n k 节 点 o o 1 咄鋈刈捌1 咄薹川i 骂 点 o 0 ( 8 ) ( b )( c ) ( a ) 兴趣扩散：( b ) 梯度建立；( c ) 加强路径 ( a ) i n t e r e s ts p r e a d ；( b ) g r a d i e n te s t a b l i s h e d ；( c ) s t r e n g t h e np a t h 图2 - 8 定向扩散路由机制2 5 】 f i g 2 - 8r o u t i n gm e c h a n i s mo fd i r e c t e dd i f f u s i o n 在兴趣扩散阶段，s i n k 节点采用泛洪的方式向传感网络中所有传感器节点周 期地广播数据包( 称为“兴趣 ) ，传感网络中的节点通过“兴趣”知道自己需要 采集什么样的信息。 在梯度建立阶段，梯度建立阶段实际上和兴趣扩散阶段是同时进行的，在“兴 趣 传播的过程中，协议逐跳地在每个传感节点上建立反向的从数据源到s i n k 节 点的梯度场，传感器节点采集到的数据按梯度场地方向传给s i n k 节点。 在加强路径阶段，当网络中的节点采集到相关的匹配数据后，就向所有感兴 趣的相邻节点转发这个数据，如果这个相邻节点不是s i n k 节点，则继续使用同样 的方法转发这个数据。这样s i n k 节点就会收到从不同路径上传送过来的相同数 据，最后s i n k 节点选择一条最优的路径作为强化路径，后面的数据沿着这条路径 传输。 ( 3 ) l e a c h 路由协议 l e a c h ( l o w e 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 ) 2 6 】是由m i t 的 h e i n z e l m a n 等人在2 0 0 0 年提出的一种低功耗自适应层次路由协议，是w s n 中最 早和广泛应用的分层路由协议。l e a c h 协议分为多轮，每轮包括初始化和稳定工作 两个阶段： 初始化阶段，每个传感器节点以一定的概率决定是否在本轮中成为簇头，这个概 率的大小主要取决于整个网络中簇头个数的百分比以及在前面轮数中是否当选簇头 过。首先传感器节点节点随机产生一个0 - 1 之间的数，如果该随机数小于t ( n ) 则成为 当前轮的簇头，否则就成为普通节点。 f 竺 荆= f o 删仞刀 篓 仁， l其它 、_ 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 式中p 是网络中簇头节点数占总节点数的百分比；，是已完成轮数；g 是在前1 p 轮中 没有充当簇头节点的集合。然后，每个普通节点根据就近原则决定加入某个簇，普通 节点发送一个请求信息( j o i n t r e q ) 通知簇头节点，自己属于该簇，请求信息是利用非 持续c s m am a c 协议原理发送的，内容包括自己的i d 号和要加入簇的簇头i d 号。 簇头节点收到普通节点加入簇的请求信息后，会产生一个t d m a 时刻表，为簇内所有 普通节点分配发送时隙，并把时刻表广播给簇内成员，这样就可以避免簇头接收到的 数据产生冲突，普通节点在没有发送数据时，就可以关闭无线通信单元，从而减少了 节点的能量消耗。在簇内所有节点知道t d m a 时刻表后，簇的建立阶段就完成了，稳 定工作阶段就开始了，即数据传输阶段。 稳定工作阶段，稳定工作阶段是有很多帧组成，如图3 1 所示。每帧中包含当前 簇内所有普通节点发送给簇头的数据，这些数据是按在初始化阶段簇头给普通节点分 配的t d m a 时隙排列的，一帧的数据传输的时间是由簇内普通节点的数目决定的。然 后，簇头把收集的簇内数据进行融合处理，簇头间，簇头采用s c m a 竞争信道把簇内 数据发送给基站。簇间，每个簇内采用不同的c d m a 码来防止相邻簇的干扰。图2 - 9 是l e a c h 路由协议的分级结构图。 ， 、 ， 、 o 非簇头节点 、 非联哭节底 雷一- = 二 图2 - 9l e a c h 协议网络结构图f 2 6 】 f i g 2 - 9n e t w o r ks t r u c t u r eo fl e a c hp r o t o c o l ( 4 ) p e g a s i s 路由协议 高能效传感信息采集协议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 ns e n s o r i n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 瞄7 】是l i n d s e y 和r a g h a v e n d r a 在l e a c h 基础上提出的一种基 于“链 的协议。 协议中所有的传感器节点连接成一条链，在链中随机选择一个节点作为领导 簇头，用来向基站发送网络的数据，在数据传输时，领导节点会产生一个令牌 ( t o k e n ) 发送到链的一端，令牌告诉末端节点开始传送数据。在网络中，每个节点 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 只与相邻的两个节点直接通信，链上每个传感器节点收到上一个节点传送来的数 据后，首先与自己的采集到的数据进行融合，然后把数据包传向链上的下一个邻 居节点进行转发，直到数据报文传送到领导簇头，领导簇头再把令牌发到链的另 一端进行相同的过程，最后领导簇头把收集到的网络数据传送给基站，图2 1 0 描 述该协议的工作流程。 叩 基站 图2 1 0p e g a s i s 协议网络结构图【2 7 】 f i g 2 1 0n e t 眺s t r u c t u r eo f p e g a s i sp r o t o c o l p e g a s i s 协议和l e a c