（通信与信息系统专业论文）基于ns2的无线传感器网络联合路由协议研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络中节点数量庞大、单个节点资源有限、网络传输数据量大， 其路由协议的性能直接影响着网络的工作效率和生存周期，所以针对无线传感 器网络路由协议设计的主要目标就集中在有效节约能源，延长网络生命周期等 方面。其路由协议要求能够支持其高度的移动性、可拓展性，同时能够具备一 定的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 和安全路由的能力，充分保证各传感器节点之间很 好地协同工作，在各种应用场合中充分发挥作用。本文在分析了现有的无线传 感器网络路由协议的基础上着重研究了基于l e a c h 协议改进的事件驱动联合 动态自适应路由协议l e a c h - - e v e n t 。该协议由两个子协议所组成，其中一个 基于事件的成簇子协议算法主要考虑满足无线传感器网络应用环境下对数据采 集的高实时性的要求，而另外一个子协议自适应路由传输协议则主要考虑了数 据传输过程中高能耗的特点，通过分析能耗的情况在簇头节点之间自适应的选 择单跳或多跳路由进行数据传输。最后利用网络仿真平台n s 2 验证了该协议在 无线传感器网络应用环境下的性能。主要的研究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了无线传感器网络的体系结构和特征，以及与传统网络的联系和 区别。从平面路由和分层路由两个方面研究了现有的一些无线传感器网络路由 协议的工作过程与适用范围，指出了它们存在的一些问题，提出了解决方案。 ( 2 ) 运用l e a c h 协议思想提出了基于l e a c h 改进的事件驱动联合动态 自适应路由协议l e a c h e v e n t 。同时针对于无线传感器网络应用中突发数据 量较大容易引起拥塞的特点提出了节点设置多层媒体控制比例的方法。 ( 3 ) 利用网络仿真平台n s 2 软件对改进协议及多层媒体控制比例在网络中 的应用进行了仿真，仿真结果显示该协议在能耗、节点存活数等方面较l e a c h 协议有优势。 关键词：无线传感器网络，路由协议，l e a c h e v e n t ，n s 2 仿真 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 kn o d e si nal a r g en u m b e ro fi n d i v i d u a ln o d e sw i t h l i m i t e dr e s o u r c e s ，n e t w o r kc a p a c i t yt ot r a n s m i td a t a , t h er o u t i n gp r o t o c o ld i r e c t l y a f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k se f f i c i e n c ya n dl i f ec y c l e ，s of o rt h ew i r e l e s s s e l l s o rn e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o ld e s i g no ft h em a i no b j e c t i v e so ff o c u s e do ne f f e c t i v e e n e r g yc o n s e r v a t i o n , t oe x t e n dt h en e t w o r kl i f ec y c l ea n ds oo n f u t u r ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o li na d d i t i o nt oe f f i c i e n tu s eo fr e s o u r c e s ，s h o u l da l s o b ea b l et os u p p o r ti t sh i 曲d e g r e eo fm o b i l i t y ，c a nb ee x p a n d e d ，a tt h es a m et i m eb e a b l et oh a v eac e r t a i l lq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) t h ea b i l i t yo fr o u t i n ga n ds e c u r i t y f u l l ye n s u r et h a ta l lt h es e n s o rn o d e st ow o r kt o g e t h e r w e l li nav a r i e t yo fa p p l i c a t i o n s t op l a yaf u l lr o l e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n gw 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 la n dt h ef o c u so nt h el e a c hp r o t o c o lo fj o i n tr o u t i n gp r o t o c o l l e a c h - e v e n t ，t h ep r o t o c o lb yt h et w oc o m p o n e n ts u b - p r o t o c 0 1 o n ee v e n t - b a s e d a l g o r i t h mf o rc l u s t e r i n gs u b - p r o t o c o lt oc o n s i d e rt h em a i na p p l i c a t i o nt om e e tt h e c i r c u m s t a n c e so ft h eh i g hd a t aa c q u i s i t i o nr e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m ep r o c e s s i n ga n d s u b s e to ft h eo t h e rt r a n s p o r tp r o t o c o la d a p t i v er o u t i n gp r o t o c o lt a k e si n t oa c c o u n tt h e m a i nc o u r s eo fd a mt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o n , b y a n a l y z i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fc l u s t e rh e a dn o d e si nt h ec h o i c eb e t w e e nt h e a d a p t i v es i n g l e - h o po rm t t l t i - h o pr o u t i n gf o rd a t at r a n s m i s s i o n , f i n a l l yu s i n gn e t w o r k s i m u l a t i o np l a t f o r mn s 2f o rt h ev a l i d a t i o np r o t o c o li nw 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 n su n d e rp e r f o r m a n c e t h em a i nj o bo fr e s e a r c ha n di n c l u d et h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a n a l y s i so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n df e a t u r e s ，a sw e l l 船 、7 i ，i mt h et r a d i t i o n a ld i s t i n c t i o nb e t w e e nn e t w o r k s f r o mt h ef l a t r o u t i n ga n d h i e r a r c h i c a lr o u t i n gs t u d i e dt w oa s p e c t so fs o m eo ft h ee x i s t i n gw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o lp r o c e s sa n dt h es c o p eo fw o r k ，p o i n t e do u tan u m b e ro f p r o b l e m s i nt h e i rp r o p o s e ds o l u t i o n s ( 2 ) i nt h ef u l la b s o r p t i o no fb a s i ct h o u g h to nl e a c hp r o t o c o l ，t h e l e a c h b a s e dh y b r i dr o u t i n gp r o t o c o lt oi m p r o v et h el e a c h - e v e n t a tt h es a m e 武汉理工大学硕士学位论文 t i m ef o rt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka p p l i c a t i o n s ，d a t am o l ev u l n e r a b l et os u d d e n c o n g e s t i o nc a u s e db yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e n o d es e t , ”t h ep r o p o r t i o no f m u l t i - m e d i ac o n t r o la p p r o a c h ( 3 ) u s 迦n s 2n e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mt oi m p r o v et h ep r o t o c o l a n d ”t h ep r o p o r t i o no fm u l t i m e d i ac o n t r o l ”i nt h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r ks i m u l a t i o n , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o t o c o li ne n e r g yc o n s u m p t i o n , t h en u m b e ro fn o d e s a n ds oo ns u r v i v a lh a s a d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t hl e a c h 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 s ，r o u t i n gp r o t o c o l ，l e a c h - e v e n t ，n s 2 s i m u l a t i o n 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。 签名：日期： 学位论文使用授权书 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： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一c ：旁3 翩滏鸪i 【沙期 l 协气s 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究背景及其意义 当今社会随着微电子、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( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 就 是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形 成的一个多跳的自组织的网络系统【1 1 ，其目的是协作地感知、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【2 1 。无线传感器网络将逻辑上的 信息世界与真实的物理世界融合在一起，深刻地改变了人与自然的交互方式， 可以广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、环境监测等诸多领域。 目前，无线传感器网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节 点上如何实现简单的环境数据( 如温度、湿度、光强等) 采集、传输和处理【3 1 。 然而，随着监测环境的日趋复杂多变，由这些传统无线传感器网络所获取的 简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富 的数据引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准 信息的环境监测。 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 4 1 。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p 1 ，同时传感器网络节点数目往往很大， 节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选 择合适的路径【6 l 。无线传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由 协议可能会差别很大，因此没有一个通用的路由协议。此外，无线传感器网 络的路由机制还经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信数据量而节 省能量。而在目前已经存在的多种路由协议中，哪种路由协议比较适合于在 需要进行大量数据处理和传输的无线传感器网络中应用仍然是研究人员正在 研究的课题【7 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 无线传感器网络概述 1 2 1 无线传感器网络概念 无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。通过随机投放的方式， 众多传感器节点被密集的部署于监控区域。这些传感器节点集成有传感器、数 据处理单元和通信模块，它们通过无线信道相连，自组织的构成网络系统。传 感器节点间具有良好的协作能力，通过局部的数据交换来完成全局的任务【8 】。由 于传感器网络的节能要求，多跳、对等的通信方式较之传统的单跳、主从通信 方式更适合于传感器网络，同时还可以有效避免在长距离无线信号传播过程中 所遇到的信号衰落和干扰等各种问题。通过网关，传感器网络还可以连接到现 有的网络基础设施上( 如i n t e r n e t 、移动通信网络等) ，从而将采集到的信息回传 给远程的终端用户例。 1 2 2 无线传感器网络特点 传感器网络与其他传统网络相比具有如下显著特点： ( 1 ) 资源受限 节点由于受成本、体积及功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间 比普通的计算机功能要弱小很多。节点由电池供电，在使用过程中经常是一次 性的，不能更换电池和随意充电【1 0 1 。 ( 2 ) 大规模使用 为获取尽可能精确、完整的信息，无线传感器网络通常密集部署在大片的 监测区域中，其节点的数量和密度较其它无线自主网络成数量级地提高。它并 非依靠单个设备能力的提升，而是通过大量冗余节点的协同工作来提高系统的 工作质量【l l 】。 ( 3 ) 自组织结构 网络的布设和展开无须依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和 分布式算法协调各自的行为，快速组成一个独立的网络。 ( 4 ) 动态性强 无线传感器网络工作在一定的物理环境中。不断变化的外界环境往往会严 重影响系统的功能，这就要求传感器节点能够随着环境的变化而适时地调整自 身的工作状态【1 2 】。此外，网络拓扑结构的变化也要求系统能够很好地适应自身 2 武汉理工大学硕士学位论文 动态多变的“内在环境”。 ( 5 ) 安全可靠 传感器网络适于恶劣环境或安全敏感区域实施监测任务，要求传感器网络具 有防止监测数据被盗取、识别伪造监测信息的能力。 ( 6 ) 应用相关性 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的差掣1 3 1 。这使得无线传感器网络不能像i n t e r n e t 那样有统一的通信协议平台，只针对每一个具体的应用来展开设计工作，才能 实现高效、可靠的系统目标，这也是无线传感器网络设计不同于传统网络的显 著特征【1 4 l 。 ( 7 ) 以数据为中心 在无线传感器网络中，人们通常只关心某个区域内某个观测指标的数值， 而不会去具体关心单个节点的观测数据1 5 1 。这种以数据本身作为查询或传输线 索的思想更接近于自然语言交流的习惯。用户使用传感器网络查询事件时，直 接将所关心的事件通告网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得 指定事件的信息后汇报给用户。 1 3 相关领域国内外研究现状 近年来，无线传感器网络技术的研究已引起了科研人员的密切关注，一 些学者开展了无线传感器网络方面的探索性研究，在i e e e 系列会议( 如 m a s s ，i c i p ，w i r e l e s s c o m 等) 、a c m 多媒体和传感器网络相关会议( a c m m u l t i m e d i a ，a c mm o b i c o m ，a c mw s n a 等【1 6 j ) 发表了一些重要的研究成 果。从2 0 0 3 年起，a c m 还专门组织国际视频监控与传感器网络研讨会( a c m i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po nv i d e os u r v e i l l e n c e & s e n s o rn e t w o r k s ) 交流相关研究 成果。美国加利福尼亚大学【1 7 】、卡耐基梅隆大学【1 引、马萨诸塞大学【1 9 】、波特 兰州立大学等著名学府也开始了无线传感器网络方面的研究工作，纷纷成立 了无线传感器网络组并启动了相应的科研计划。我国学者也非常重视无线传 感器网络方面的研究，北京邮电大学智能通信软件与多媒体北京市重点实验 室、中国科学院计算技术研究所、哈尔滨工业大学已开始了该领域的探索。 但是这些研究成果尚处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远【2 0 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文研究内容与组织结构 网络数据传输离不开路由协议，但是，传统的无线网络路由协议却不能满 足无线传感器网络中日益大数据量传输的要求，所以适用于大容量无线传感器 数据传输网络的路由协议研究就具有重要的研究意义。 本文在归纳和总结了已有的无线传感器网络路由协议和算法研究的基础上 通过改变网络终端节点传输算法策略较好的控制了网络由大量突发数据引起的 网络拥塞问题，着重研究了联合路由协议算法在无线传感器网络中的应用，并 在n s 2 仿真环境下对其进行了仿真实现，期望能为该领域的进一步研究贡献力 量。 本论文的工作是围绕着无线传感器网络中路由协议进行的，论文组织如下： 第一章介绍研究背景，以及国内外研究现状，由此引出具体研究内容。其 中较为详细的介绍了无线传感器网络的体系结构、特征，对应用前景也作了概 括性的介绍。 第二章的主题集中在本课题的路由协议这一关键技术上。对传统无线传感器 网络相关路由协议分类和特点进行了简要的介绍和分析，总结了其存在的问题。 第三章在充分吸收l e a c h 协议思想基础上，提出了基于l e a c h 的改进协 议联合路由协议。从理论上分析了算法的工作过程，总结了算法的优缺点及改 进方面。 第四章对网络仿真环境n s 2 作了简要的介绍，通过修改n s 2 中的相关组件 对联合路由协议在无线传感器网络环境下的应用进行了仿真，在仿真过程中还 同时分析了网络中的终端节点在大量突发数据的情况下的拥塞控制算法，最后 对得到仿真结果通过图表的方式与现有的路由算法进行了比较，体现了联合路 由协议优势。 第五章全文总结，并展望未来的研究工作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络相关路由协议与比较 目前研究的无线传感器网络的路由协议按网络的逻辑结构可分为平面型和 层次型两种。平面型的特点是网络中各节点的地位平等，都可以充当路由器且 作为集中和处理数据的节点；层次型的特点是在一个集群簇中只有个别节点充当 簇首，负责数据的集中和处理，并将加工后的数据与相邻的簇首交互通信。下 面按这两个分类介绍一些典型路由协议。 2 1 平面路由协议 平面路由协议中所有节点具有相同的地位和功能，节点间协同工作完成感 知任务。由于节点数量，分布密度高，相邻节点之间的数据采集又大多面向同 一监测点，因此在传输数据时会经常出现冗余现象。这就需要构建以数据为中 心的平面路由协议，即汇聚节点向某些区域发送查询并等待来自于这些区域内 的节点所采集的相关数据。平面路由协议的优点时结构简单、鲁棒性较好，但 缺乏对通信资源的优化管理，对网络动态变化的反应速度较慢。 2 1 1 泛洪协议( f l o o d i n g ) 泛洪协议( f l o o d i n g ) 是一种传统的网络通信路由协议e 2 1 1 ，如图2 1 所示。节 点s 希望发送一条数据给节点d ，使用扩散法，节点s 首先通过网络将数据副 本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻 居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点s 外，如此继续下去，直到将数 据传输到目标节点d 为止或者为该数据所设定的生命期限变为零或者所有节点 拥有此数据副本为止。 泛洪协议所具有的优点：实现简单；不需要为保持网络拓扑信息和实现复 杂的路由发现算法而消耗计算资源；适用于健壮性要求高的场合。 但是该协议也有严重的缺陷。内爆：节点同时从邻节点收到多份相同数据， 如图2 2 所示；重叠：节点先后收到同一区域的多个节点发送的相同数据；资源 利用盲目：节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据。 武汉理工大学硕士学位论文 a 图2 - 1 泛洪协议( f l o o d i n g ) 2 1 2g o s s i p i n g 协议 图2 - 2 内爆现象 f g o s s i p i n g 2 2 】协议是对f l o o d i n g 协议的改进，节点在发送数据时不再采用广 播的形式，而是随机选取一个相邻节点转发它所接收到的数据。假设一个节点e 已收到它的邻居节点b 的数据副本，若再次收到，那么它将此数据发回它的邻 居节点b i n 。该协议有效的避免了内爆现象，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较长、传输速度慢等问题 2 4 1 ，如图2 3 所示。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3g o s s i p i n g 协议的数据重叠现象 总之，f l o o d i n g 和g o s s i p i n g 这两种协议不需要维护路由信息，简单易行， 但扩展性很差。 2 1 3s p i n 协议( 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 ) s p i n t 2 4 l 是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。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。每个节点在 发送数据前通过协商来确定其他节点是否需要该数据；同时，节点通过“元数据” 确定接收数据中是否有重复信息存在。 节点还要根据自身的能耗状况( 能量等级的改变) 来调整工作模式，以延长运 行时间。 s p i n 在运行过程中每个节点使用三种类型的信息进行通信，即a d v ，r e q 和d a t a 信息。 ad 1 卜用于新数据广播。当一个节点有数据可共享时，它可用a d v 数据 包( 包含元数据) 对外广播。 r e q 一用于请求发送数据。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 l 噙- _ 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 协议有4 种不同的形式瞄j ： ( 1 ) s p 脚p ：采用点到点的通信模式，并假定两节点间的通信不受其他 节点的干扰，分组不会丢失，功率没有任何限制。要发送数据的节点通过a d v 向它的相邻节点广播消息，感兴趣的节点通过i 也q 发送请求，数据源向请求者 发送数据。接收到数据的节点再向它的相邻节点广播a d v 消息，如此重复，使 所有节点都有机会接收到任何数据。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) i n - e c ：在s p i n - - p p 的基础上考虑了节点的功耗，只有能够顺利完 成所有任务且能量不低于设定闽值的节点才可参与数据交换。 ( 3 ) s p 啪c ：设计了广播信道，使所有在有效半径内的节点可以同时 完成数据交换。为了防止产生重复的r e q 请求，节点在听到a d v 消息以后， 设定一个随机定时器来控制r e q 请求的发送，其他节点听到该请求，主动放弃 请求权利。 ( 4 ) s p i n - - r l ：它是对s p i n - - b c 的完善，主要考虑如何恢复无线链路引 入的分组差错与丢失，记录a d v 消息的相关状态。如果在确定时间间隔内接收 不到请求数据，则发送重传请求，重传请求的次数有一定的限制。 s p i n 协议除了提供协商机制，还引入了基于阈值的能量适应机制：当节点 发送数据时，节点首先查看其剩余能量。如果能量充足，则采用协商过程进行 通信；否则便减少参与行为，并通过进一步协商以确保在参与后其剩余能量仍 高于最低能量阈值阁。 2 2 分层路由协议 分层路由协议中，无线传感器网络通常被划分为多个簇，每个簇由一个簇 首和多个簇成员构成，多个簇首形成高一级的网络。在高一级网络中又可以分 簇，再一次形成更高一级的网络，直至到最高级别的汇聚节点。分层结构中， 每个簇的形成通常是基于节点的能量和与簇首的接近程度。簇首节点不仅负责 所管辖簇内信息的收集和融合处理，还负责簇间数据的转发，它的可靠和稳定 对全网性能影响较大，信息的采集和处理也会大量消耗簇首的能量。 2 2 1l e a c h ( 1 0 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 l e a c h 是为无线传感器网络设计的一种低功耗自适应分层路由协议。其基 本思想是以循环的方式随机选择簇首节点，将整个网络的能量负载平均分配到 每个节点上，从而降低能耗、延长网络的生存周期。它主要通过随机选择簇首， 平均分担转发通信业务来实现1 2 7 1 。 l e a c h 定义了“轮( r o u n d ) ”的概念，每一轮由初始化和稳定工作两个阶段组 成。在初始化阶段，随机选择节点作为簇首。成为簇首的节点向周围广播信息， 其他节点根据接收到的广播信息的强度来选择它要加入的簇，并告之相应的簇 8 武汉理工大学硕士学位论文 首。在稳定工作阶段，节点持续采集检测数据并传送到簇首，由簇首对数据进 行必要的融合处理之后，发送到汇聚节点【2 8 】。 l e a c h 协议具有很多优点，比如分层次的集群型结构，本地数据联合处理 和动态分配簇首节点等，特别是在处理具有高度相关性的数据时，由于数据融 合力度大，冗余数据大量被消除，因此在能耗方面性能较好，但是对于传感器 采集的数据不具有较高的相关性时，性能就不会太好【2 9 1 。 2 2 2 t e e n ( 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 t s e n s o rn e t w o r k p r o t o c 0 1 ) 协议 t e e n 协议采用与l e a c h 协议相同的多簇结构和运行方式；不同的是，在 簇的建立过程中，随着簇首节点的选定，簇首除了通过t d m a 方式调度数据外， 还向簇内成员广播有关数据的硬阈值和软阈值两个参数【3 们。硬阅值是被监测数据 所不能逾越的阈值，软阈值则规定被监测数据的变动范围。在簇的稳定工作阶 段，节点不断的感知周围环境。当首次监测到数据超过硬阈值时，便打开收发 单元向簇首传送数据，同时将该监测数据保存为监测值。此后，只有在监测到 的数据值比硬阈值大且其于监测值之差的绝对值不小于软阈值时，节点才向簇 首上报数据，并将当前监测数据保存为监测值1 3 l 】。 t e e n 协议使用于需要实时感知的应用环境中，它通过利用软、硬阈值大大 减小了数据的传输量；随着簇首的变化，用户可以根据需要重新设定两个参数 的值，从而控制数据传输的次数，但由于阈值的设置阻止了某些数据上报，不 适合需要周期性上报数据的应用。 2 3 部分路由协议的比较 我们可以从路由策略、最优路径以及健壮性等方面对部分现有的路由协议 做一个比较，如表2 1 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 。1无线传感器网络部分现有路由协议比划3 2 1 性能协议路由策略最优路径健壮性可扩展性 f l o o d i n g 主动不是好好 s p i n 按需不是不好好 d d 按需 是 好好 l e a c h 主动不是好好 t e e n 主动不是好好 由于这些协议都是面向各种不同的具体的应用的，因此很难说出哪个协议 比其它协议性能更好。 基于对上述各种无线传感器网络路由协议的分析，可以归纳出无线传感器 网络协议的一些特征： ( 1 ) 动态的簇群结构 可以防止固定的簇首节点能量过快耗尽，从而延长网络生存周期。 ( 2 ) 数据融合 如果传感器节点能够对数据进行分类和聚合，在高效的查询过程中将会很 有作用，并人工减少了网络的开销，节约了能量。 ( 3 ) 随机化的路径选择 如果一个路由算法可以在较低的开销情况下支持多路径通信，那么将有助 于网络的负载均衡和节点容错。 ( 4 ) 节点转发数据的门限 为传感器节点的转发数据定义合适的能量门限和延时门限有助于延长网络 的寿命。 ( 5 ) 网络的可扩展性 网络中节点可以随机地加入或退出，网络要对这些情况做出正确处理，另 外，网络可以在某些节点处和其他网络相连。 ( 6 ) 自组织性 无线传感器网络节点间的通信以a d h o c 方式进行，可以最小化人为干预和 处理。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 自适应性 由于无线传感器网络节点能量有限，节点易出故障，导致网络拓扑信息变 化快速，因此需要网络动态的根据实际运行状况做出相应的调整。 上述7 点不仅是无线传感器网络路由协议的特征，同时，尽可能多地满足 这些特征也是无线传感器网络路由协议设计的优化目标。而与传统的无线网络 不同，无线传感器网络节点采集的数据量和网络所需要传输和处理的数据量更 大，对路由协议的性能要求也就更耐3 2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于事件驱动的联合动态自适应路由算法 由于传统无线网络的路由协议不能完全适用于目前大数据量的无线传感器 网络，因此需要针对实际情况设计有针对性的路由算法。前面介绍的经典的路 由协议，都有其相对的适用环境。首先，以l e a c h 算法为典型代表的层次路由 协议，比较适合于大规模无线传感器网络，对于中小规模网络其相对耗费较高。 而典型的平面路由协议，如s p 烈算法，其协商机制需要首先发送m 眈卜d a t a ，通 过协商建立路由后，再发送信息，在信息较长的情况下，对缓解信息重复比较 有效。然而，一般的无线传感器网络的监测信息较短，并不能完全体现其优势， 而其路由建立过程反而增加了网络负担。我们在实际应用中，常常是对己知监 测区域进行有规划的监测活动，并且需要检测节点及时汇报监测情况，而无需 监测者定时查询。也就是网络初始区域及节点相对位置己知，有固定s i n k 节点 的情况，目前在这些应用中，前面介绍的经典路由协议为代表的传统协议效率 并不高。 3 1 联合路由协议模型 针对这种情况，本文中提出了一种基于事件驱动的联合动态自适应路由算 法l e a c h - - e v e n t ，目的是为了在网络中能够将平面路由和层次路由有机地融 合在一起。它的主要思想是为了更好地收集数据在传感器节点收集数据的时候 采用分簇的层次路由，而在各个簇的数据向s i n k 节点传输的过程中则可使用相 对较为灵活的平面多跳甚至单跳路由方式。基于事件驱动的联合动态自适应路 由算法包括两个子算法：一种是基于感知事件发生的分簇算法。在此算法中参 考l e a c h 算法的思想设计了一种基于感知地区本地数据的自适应成簇机制来 完成簇的选择以及数据的收集工作。在数据收集阶段，所有感知节点采集的数 据全部由算法在该地区选则出的簇首进行数据融合。第二种是在簇向s i n k 节点 传输数据时，经簇首融合后的数据根据网络能量情况自适应的选择平面路由传 输回s i n k 节点。联合路由协议的模型如图3 1 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 层次路由平面路由 图3 1 联合路由协议 联合路由协议通过两种子算法的结合不但提高了数据融合效率，而且增加 了路由选择的灵活性，从整体上降低了网络的能耗。 在联合路由模型中整个无线传感器网络的路由可以分为两个阶段：采集数 据阶段和簇数据向s i n k 节点的传输阶段。在无线传感器网络中由于在同一个感 知事件发生地区同一时间可能会有多个传感器节点收集到了数据，这就导致同 一地区的节点可能会存在很大的数据冗余量，同样的道理在整个网络中也将会 有很大的冗余，如果这些数据全部传回汇聚s i n k 节点的话必然会导致极大的能 量消耗1 3 4 1 ，因此在数据产生后就应该尽快进行有效的数据收集和融合。由前面的 研究我们可以发现，在现有的无线传感器网络路由协议中，基于分簇的分层路 由算法可以利用同一个感知地区的数据由一个簇首节点完成融合的方法来提高 数据收集和处理的效率，而簇首节点是由感知地区的所有节点根据一定的算法 轮流担当，也可以在一定程度上防止单个节点的能量消耗过快而“死亡”。所以在 网络工作的过程中，如何选定适当的节点担当簇首，并且在成簇过程中使用较 少的能耗也就显得非常重要。如果簇首选举的较为合理，那么簇首对感知地区 数据的收集和融合工作的效率就会提高，也就相应的减少了需要传回s i n k 节点 的数据包数量。 3 2 基于事件驱动的分簇算法 基于以上的路由模型，在考虑了无线传感器网络自身的特点和参考了传统 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 的l e a c h 路由算法后，在数据采集阶段设计采用一种基于事件驱动的动态成簇 算法。这种算法以感知事件发生区域的现场数据为基础，动态地建立和解散簇 来完成数据收集和融合的任务。由于传感器网络数据的监测通常是关心某一个 感知事件发生区域的信息，所以单独节点的信息对于用户一般而言是没有多大 意义的，而且从实际的应用情况中我们可以得知同一区域发生的感知事件所产 生数据所具有的很强的相似性和等时性，在该算法中我们就是利用了这个特点 来动态成簇的。在算法中可做如下定义： 3 2 1 定义网络中的节点 对于网络中的任一个节点来说，比其更靠近s i n k 节点方向的节点定义为该 节点的上层节点，那么相似的定义比其远离s i n k 节点方向的节点就定义为该节 点的下层节点。由于无线传感器网络中节点一般为分布式的，所以在网络的初 始阶段由s i n k 节点向全网广播一个初始化信令。通过这次广播全网节点可获取 自己在全网节点中的位置以及上层节点和下层节点的相对位置关系。如图3 2 所 示。 图3 2 定义上下层节点 当一个节点收到下层节点产生的数据，而且在收到这个数据前后很短的时 间内，如果这个节点自身监测数据超过了阈值，那么就说这对节点是前后相关 的。如图3 3 所示，数字代表网络中的传感器节点，箭头代表数据传输方向。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 一、 = 一 “- 一 一一圣多 连接加强 r 弋 “- 图3 5 双连 当感知地区的事件监测工作完成，也就是说在该地区的节点的数据采集工 作暂时完成时，一对节点可能会多次不符合前后相关的原则，此时就可以减弱这 对节点的连接，使其恢复为正常节点。 d 飞 、 卜 、， - 一 “ 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 簇的动态建立 簇的动态建立流程如图3 - 6 所示。 图3 - 6 基于事件发生成簇 当被感知的事件发生后，事件区域内节点就开始采集和发送数据。而当一对 节点之间的数据频率和强度达到实现设定的阈值后，这一对节点之间的连接被 加强，当事件区域内有节点达到双连状态后，则其就成为该区域内的簇首，同 时它会向所有节点发出查询信息，如图3 7 所示。 一- 一- 图3 7 查询 其他节点收到查询后，则自动地将自身采集的事件数据转发往簇首节点。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 这样一个簇结构就伴随事件区域的产生而动态建立起来了。 3 2 3 簇的动态扩展 图3 - 8 动态成簇 在传感器网络中，事件发生的区域范围并不是一成不变的。当事件区域发 生变化时，就要求已经建立起来的簇结构也能够进行动态的变化。图3 - 9 到图 3 1 0 为簇的动态扩展过程示意图。当簇结构建立以后，事件区域的范围发生了 变化，如图3 9 所示。 图3 - 9 簇结构发生变化 此时事件区域内加入了新的节点，这时就需要把新加入节点也纳入簇结构 中。新加入节点向原簇a 中节点发送数据。当数据速率和强度达到要求时，节 点3 达到双连状态，向周围节点发出查询信息。事件区域内节点收到新的查询 信息，通过判断信息中簇首节点的剩余能量信息，各自选择要加入的新簇。如 图3 1 0 所示。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 1 簇的动态扩展 我们在这里可以发现此处的成簇算法与传统的l e a c h 成簇算法是有区别 的：在l e a c h 路由协议中是在全网节点范围内通过一个算法使得所有节点轮流 担当簇首节点，若某一时刻簇首节点与事件发生区域有一定的距离，那么在事 件节点和簇首节点之间的转发节点的能量就会产生不必要的消耗，特别是在突 发数据量很大的无线传感器网络应用中更为明显。而这个动态成簇算法使得簇 首节点一般都在事件发生区域之内，这样就减少了数据传输过程中的转发节点 的数量，同时也就提高了整个网络的能量利用效率。为了提高动态成簇的效率， 在簇的建立过程中还有几个原则要遵守： ( 1 ) 一个节点在非成簇状态下不能与两个上层节点同时连接加强，但可以 同时与两个或两个以上的下层节点连接加强。 ( 2 ) 在成簇状态下前后相关的机制仍然存在，簇成员和簇首之间的连接通 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 过其既可以被加强，也可以被减弱。在成簇状态下，簇首有可能会同时与多个 上层节点和下层节点连接加强。 ( 3 ) 网络确定维持一个区域内的某个簇结构的原则是：簇首节点至少与一 个上层节点和一个下层节点同时连接加强，也就是说簇结构必须在有双连状态 是才存在，否则就被解散。但实现过程中为了避免簇的频繁变化，我们可以设 定一个时间阈值t ，则簇在建立后必须维持存在t 时间，超过t 时间后在根据 网络情况和成簇规则变化。 在事件区域用动态成簇算法成簇后，其余节点就将采集到的数据传到簇首 节点，由其完成数据融合的工作。经过簇首数据融合的数据最后传回到s i n k 节 点，那么此时主要考虑的就是路径的传输效率以及整个网络节点的能耗均衡等 问题，因此此时就可以利用平面路由的灵活性，尽量选取延迟更小、效率更高 的路径来传输数据，从而提高节点以及全网络的能量利用率。并且还可以通过 能量感知的路径选择策略达到全网节点的能量均衡，避免造成个别节点能量的 快速消耗，产生监测盲点。 3 3 自适应选择路由算法 簇首节点在完成了数据的采集和融合后的主要任务就是将数据包传回到 s i n k 节点。在传统的无线自组网络中系统往往只会关心q o s ，也就是说通常会寻 找最优路径来实现点到点的数据传输。一般来说簇头进行完初步数据融合后向 s i n k 节点传输数据可以用单跳和多跳两种路由方式来进行簇向s i n k 节点的数据 传输。 当簇头用单跳路由协议向s i n k 节点传输数据时，数据不经过任何中间节点 转发直接传送到s i n k 节点，这种路由可以避免路径上的转发节点的能量消耗， 但作为簇头的节点本身除了要完成数据融合的工作外还要和s i n k 节点之间通信， 这样就会造成簇头节点的能量大量消耗，可能会使簇头节