（电力系统及其自动化专业论文）基于簇的无线传感器网络层次路由协议研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第l i 页 a b s t r a c t 晰r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w h i c hi sm a d eb yt h ec o n v e r g e n c eo fs e n s o r , n e s t e d c o m p u t a t i o n , n e t w o r k s a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，i san o v e l t e c h n o l o g ya b o u ta c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n 。i ti sal a t e - m o d e lw i r e l e s s n e t w o r k so fi n f r a s m 戚u r e l e s sn e t w o r k a n dc a r l b eu s e df o r t e s t i n g , s e n s i n g ， c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o no f m o n i t o r e do b j e c t s 。w s ni sa n e wr e s e a r c h f l r e aa n dh a saw i d ea p p l i c a t i o nf u t u r e b o t ha c a d e m i aa n di n d u s t r i e sa r ev e r y i n t e r e s t e di ni t 。 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v ed i f f e r e mf e a t u r e s c o m p a r i n g t r a d i t i o n a l n e t w o r k san l es e n s o rn o d e sh a v ev e r yl i m i t e de n e r g ys u p p l y ，w h i c hg r e a t l yt h e r e s e a r c ho nr o u t i n gp r o t o c o l sf o rw s n s r o u t i n gp r o t o c o l sf o rw s n sc o m p u t e r i n f l u e n c e sh a v es o m en e wc h a r a c t e r s ，a n db r i n gd i f f e r e n td e s i g np r i n c i p l et o r e s e a r c h e r s 。s oe x i s t i n gr o u t i n gp r o t o c o l sf o rc o m p u t e rn e t w o r k sd on o tf i tw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k sw e l l ，a n dn e we n e r g y - e 伍e i e r r tr o u t i n gp r o t o c o l ss h o u l db e p r o p o s e d 。 f i r s t ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ec o n c e p t i o na n dk e yt e c h n o l o g i e so fw s na l e i n t r o d u c e db r i e f l y , a n ds o m ea p p l i c a t i o n so fw s na n ds t r u c t u r eo ft h en e t w o r k sa r e c o v e r e d t h e nw eg i v et h ec l a s s i f i c a t i o no ft h er o u t i n gp r o t o c o l sf o rw s na n d s u m m a r i z et h ec h a r a c t e r i s t i co fr o u t i n gp r o t o c o l s ，s p e c i a l l yw ea n a l y s em e r i ta n d d e m e r i to f t h e m 。 s e c o n d ，t h ep a p e ra s s i m i l a t e se x c e l l e n ti d e a so fh a v i n ge x i s t i n gr o u t i n gp r o t o c o l s a n dd e s i g nah i e r a r c h i c a lm u t i n gp r o t o c o l sb a s e do nc l u s t e r i n g ( h f 心b c ) ，w h i c hi s s u i t a b l ef o rl a r g es c a l ew s n 。i t sb a s i ci d e a l s ：b i g g i s hc l u s t e r i n g si sf o r m e di nt e r m s o ft h em o s tc o m m u n i c a t i n gc a p a b i l i t yo fs e n s i n gn o d e s ，t h e nt h e s ei s o l a t e d c l n s t e r i n g si sl i n k e db y “g a t e w a y , w h i c hi ss e l e c t e db yc l u s t e rb e a d t h i sm a k et h e w h o l en e t w o r kc o n n e c f i v i t ) r 。t h u st h el i m i t a t i o no fn e t w o r k i n gs c a l ei sa v o i d e d , i n a d d i t i o n , t h i sp r o t o c o lh a v et h em e r i to f l o we n e r g yw a s t a g ea n dg o o de x p a n s i b i l i t y 。 1 1 l i m ，w er e a l i z ea n ds i m u l a t eh r p b cr o u t i n gp r o t o c o li nn s 2 。b a s e do n s i m u l a t i o nr e s u l t w ec o n t r a s th r p b ct od i r e c t e dd i f f u s i o n ：h r p b ch a v eb e t t e r p e r f o r m a n c ei na v e r a g ee n e r g yw a s t a g e ，n o d e d e a t hr a t i o ，p a c k e ts e n d r e c e i v e dr a t i o a n dt h e1 i f e t i m eo f s e n s o rn e t w o r k s ，t h et r e n do f b e a e rp e r f o r m a n c ei sm o r eo b v i o u s 西南交通大学硕士学位论文第l ll 页 i na v e r a g et r a n s m i s s i o n d e l a yw i t ht h ew i t ht h ea u g m e n to f n e t w o r k i n gs c a l e 。i na w o r d ，h r p b ch a v eg o o ds y n t h e t i c a lp e r f o r m a n c e ，f t t r t h e r m o r e , n e t w o r k i n gs c a l ec a l l b ee x p a n d e da tw i l l 。 k e yw o r d s ：s 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 s ：c l u s t e r i n g ；g a t e w a y 西南交通大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 互联网已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。如果说互联网构成逻 辑上的信息世界，改变了人与人之间的交互方式，那么无线传感器网络就是将 逻辑的信息世界和客观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报告中，分别将无线传感器 网络列为2 1 世纪最有影响的2 1 项技术和改变世界的l o 大技术之一l i j 。传感器 网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为未来全球的三大高科技产业1 2 j 。 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具 有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这 些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合 了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术。能够协作 地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对 这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。例 如，传感器网络可以向正在准备进行登陆作战的部队指挥官报告敌方岸滩的详 实特征信息；丛林地带的地面坚硬度、干湿度等，为制定作战方案提供可靠的 信息。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详 实而可靠的信息。因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安 全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。传感器网络 是信息感知和采集的一场革命，作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程 技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。 由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、 工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了传感器网 络研究计划，投资3 4 0 0 万美元，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军 事部门都对传感器网络给予了高度重视，在c 4 i s r 的基础上提出了c 4 k i s r 计 划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器 网络作为一个重要研究领域，设立了系列的军事传感器网络研究项目。美国 英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器厕终方面的工作，纷 纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器 西南交通大学硕士学位论文第2 页 网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。 无线传感器网络与传统的无线网络( 如w l h n 和蜂窝移动电话网络) 有着不 同的设计目标，后者在高度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，同时为用户提供一定的服务质量保证。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。因为它们通常运行在人 无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法更换，所以设计有效的策略 延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。从理论上讲，太阳能电 池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。 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 r n 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，但深入的研究表明口l ，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 点和应用的要求【4 1 。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。 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期从2 0 0 0 年起，国际上开始出 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， 距离实际需求还相差甚远。 1 2 课题研究的意义 尽管有明显潜在优势和广闼应用前景，大量资源受限传感节点组成的无线 自组织传感器网络在网络设计和信息处理等领域仍面临巨大挑战。近年来反映 无线传感器网络研究各个层面成果的论文逐步增多。但这些研究成果仍处于起 步和原型试验阶段，距离实际应用需求还有相当距离。而且由于无线传感器网 络处于新技术的最前沿，目前尚存许多值得探讨的热点问题，如能源供给、数 西南交通大学硕士学位论文第3 页 据融合、健壮性等，国内外学者正在进行深入研究。 我国在无线自组传感器网络方面的研究工作才刚刚起步，可见成果较少。 由于无线网络是一门新兴技术，在人类生活的各个领域都能起到重要的作用， 因此及时地开展这项对人类未来生活影响深远的技术研究，对整个国家和社会 的经济发展有着重大的战略意义。 传统的a d h o e 网络路由协议不适用于无线传感器网络。因此必须设计出适 合于无线传感器网络特点的路由协议。目前。美国的康奈尔大学、麻省理工学 院等很多大学展开了无线传感器网络通信协议的研究，先后提出f l o o d i n g t 5 1 、 s p i n 6 i ，e a r f l 、d d 8 1 等一系列平面路由协议和l e a c h 9 1 t e e n i l 0 1 ， p e g a s i s “1 ，h e e d t ”1 等一系列层次路由协议。 虽然当前提出了很多的路由协议，但大多路由协议是针对某种特定的情况 或在某种假设的情况下，实现无线传感器网络的节能和扩展性，不能适应传感 器网络的广泛应用。如平面路由协议，协议结构简单，易于实现其可扩展性， 但不利于大规模传感器网络的节能，存在信息传输延迟较大等特点，不利于大 规模传感器网络的应用。现有的部分层次路由协议提出了较好的分簇算法，为 今后层次路由协议的研究提供了较好的方法，但都有其一定的局限性( 这将在 后面进行详细分析) 。本文研究的目的是借鉴现有层次路由协议的优点，设计了 一种适合应用于大规模传感器网络、具有较好的节能效果和可扩展性的基于簇 层次路由协议( 珏强b c - h i e r a r c h i e a lr o u t i n gp r o t o c o lb a s e do nc l u s t e r i n g ) ， 并用n s 2 对其性能进行仿真验证。 1 3 论文结构 论文第一章介绍了课题的研究背景，阐述了课题的研究意义；为了使论文 在结构上具有很好的完整性及便于读者阅读，第二章对无线传感器网络的概念、 体系结构、协议栈、应用领域、特点及性能评价等进行了介绍：第三章介绍了 无线传感器网络路由协议的研究现状，分析了现有路由协议的优缺点，并根据 国外相关的研究进展找出对本课题具有重要意义的相关算法和思路；第四章设 计了 玎强b c 网络模型，详细描述了基于簇的传感器网络的层次路由协议 ( 强b c ) 的算法及协议实现过程；第五章利用仿真平台n s 2 对该协议的算法 的性能进行了仿真，并根据仿真对该协议的性能进行了分析评价。 西南交通大学硕士学位论文第4 页 第二章无线传感器网络概述 早在上世纪7 0 年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控 制器而构成传感器网络雏形，人们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学 科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处 理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器 网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于 传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，第 三代传感器网络形成并应用于现代工业监控系统。随着无线通信技术、微电子 技术、网络通信技术的快速发展，传感器网络用无线技术连接，以网络通信技 术为基础的第四代无线传感嚣网络逐渐形成，正处于研究和开发阶段，是目前 国内外军事、科技、学术界研究的热斜1 3 】。 无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，将会 给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。 2 1 无线传感器网络的概念和体系结构 无线传感器网络是由大量传感器节点( s e n s o rn o d e ) 和一个或多个汇聚节点 ( s i n k ) 组成的，以自组方式构成的无线网络，其传感器节点协作地感知、采集和 处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并以多跳的方式路由到汇聚节点 并发布给观测者l l ”。 传感器节点、汇聚节点、管理节点( 用户) 是组成传感器网络的三个基本 要素( 结构如图2 1 ) 。通常大量传感器节点随机部署在监测区域，对监测区域 内发生的感兴趣事件进行监控，将监测到的数据沿着其他传感器节点逐跳进行 传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳的方式路由到汇 聚节点，可见传感器节点担负着数据采集和路由器的作用，除完成本地信息的 收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行路由和相关处理( 如融 合) 。汇聚节点具有较强的处理、存储、通信能力，它连接传感器网络与互联 网等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监 测任务和对收集到的数据进行处理并把它转发到外部网络上。汇聚节点既可以 是一个具有增强功能的传感器节点，有更多的能量供给和更多的内存与计算资 源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。用户通过管 西南交通大学硕士学位论文第5 页 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。 2 2 传感器节点结构 图2 1 无线传感器网络结构 传感器节点有传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四 部份组成，如图2 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； l 传感器模块i处理器碹块i无线通信模块i 陌市 r 处理器l 叵m 咽i 壶。1 ilj 能量供应模块 图2 2 传感器节点结构 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 换控制信息和收发采集数据；能量国内供应模块为传感器节点提供运行所需的 能量，通常采用微型电池。 2 3 传感器网络协议栈 随着对传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议 西南交通大学硕士学位论文第6 页 栈。图2 3 a 所示是较早提出的协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、 网络层、网络层、传输层、应用层。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动 管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器器节点能够按照能源高效 的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源 共享。 口垂口 固 器i v - 丽c - l ! 酬 ：几研：篇怯i l o 一| l ii i j i ：| 簪| i ：l 数据链路l ：u1i j l b 图2 3 传感器网络协议栈 图2 3 b 所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议 栈中的位置比较特殊，他们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步 协商，同时又要为各层网络协议提供信息支持，如基于时分复用的m a c 协议， 基于地理位置的路由协议等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。所以 用到l 型描述这两个功能子层。图2 3 b 右边的诸多机制一部分融入到图2 3 a 所示各层协议中，用以优化和管理协议流程；另一部分独立在协议外层，通过 各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。网络协议具体功能描述如下： 物理层：负责数据传输的介质规范，无论是无线还是有线；还规定了工作 频段、工作温度、数据调制、信道编码、定时、同步等标准。为了确保能量的 有效利用，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 ) 予层 应密切关联使用【l5 1 。物理层的设计直接影响到电路的复杂度和传输能耗等问题， 研究目标是设计低成本、低功耗和小体积的传感器节点。 数据链路层：由于网络无线信道的特性，环境噪声、节点移动和多点冲突 等现象在所难免，而能量问题又是传感器网络的核心问题。因此，该层除了要 完成传统网络数据链路层数据成帧、差错校验和帧检测等功能外，最主要的是 设计一个适合于传感器网络的介质访问控制方法( m a c ) 。介质访问控制方法是 否合理与高效，直接决定了传感器节点间协调的有效性和对网络拓扑结构的适 应性，合理与高效的介质访问控制方法能够有效的减少传感器节点收发控制性 西南交通大学硕士学位论文第7 页 数据的比率，进而减少能量损耗。 网络层：负责路由发现、路由维护和路由选择，实现数据融合，使得传感 器节点可以进行有效的相互通信。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”是网络层的最核心内容。根据路由转发的原理不同，传感器网络 的路由协议又可分为平面路由和层次路由两种。 传输控制层：负责数据流的传输控制，协作维护数据流，是保证通信服务 质量的重要部分。如果信息只在传感器网络内部传递，传输层并不是必需的。 但如果要想传感器网络通过i n t e r n e t 或卫星直接与外部网络进行通信，则传输层 将必不可少。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 留在物理层、数据链路层和网络层。到目前为止，还没有一个专门的传感器网 络传输层协议。如果传感器网络要通过现有的i n t e m e t 网络或卫星与外界通信， 必然需要将传感器网络内部以数据为基础的寻址，变换为外界的以m 地址为基 础的寻址，即必需进行数据格式的转换。那么，即使专门为传感器网络设计一 个传输层协议，它还是不能和外界网络通信。也就是说，现在迫切要做的不是 设计一个新的传感器网络传输层，而是要解决传感器网络内部寻址和外部网络 寻址的格式转换问题。对于传感器网络传输层的研究大多以i p 网络的t c p 和u d p 两种协议为基础，主要是改善数据传输的差错控制、线路管理和流量控制等技 术指标【l 五m 。文献 1 7 1 分析了端到端错误恢复机制在无线多跳网络中的性能， 还设计了一种快取慢存的数据流控制机匍 p s f q 。 应用层：包括一系列基于监测任务的应用层软件。与传输层类似，应用层 的研究也相对较少。文献【1 6 】对应用层的传感器管理协议、任务分配和数据广播 管理协议以及传感器查询和数据传播管理协议进行了简单论述，指出这是传感 器网络应用层需要解决的三个潜在问题。 传感器网络的应用支撑服务包括时间同步和定位，其中时间同步服务为协 同工作的传感器节点提供本地时钟同步：节点定位服务依靠有限的位置已知的 节点( 信标) ，确定其他节点的位置，在系统中建立起一定的空间关系。 图2 - 3 b 中右侧部分不是独立的模块，他们的功能渗透到各层中，如能量、 安全、移动，在各层的设计中都要考虑，而拓扑管理主要是为了节约能量，制 定节点的休眠策略，保持网络畅通；o o s 的服务只要是为用户提供高质量的服务； 网络管理主要是实现在传感器网络的环境下对各种资源的管理，为上层应用服 务的执行提供一个集成的网络环境。 西南交通大学硕士学位论文第8 页 2 4 传感器网络的特点及面临的挑战 ( 1 ) 电源能量有限 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，而且通常部署区域环境复杂，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或充电的方式来补充能量是不 现实的。而商品化的无线发送接收器电源远远不能满足无线传感器网络的需要， 传感器传输信息要比执行计算更消耗电能，传感器传输1 位信息所需要的电能足 以执行3 0 0 0 条计算指令。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网 络面临的首要挑战。 ( 2 ) 通信能力有限 无线通信的能量消耗与通信距离的关系为： e ：材”( 2 ，f m i n ( 0 ，贝归成为簇头， 然后选择一个随机数作为簇i d ，广播r e c r u 玎消息，收到该消息的节点加入爿 簇。f m i n ( 0 是一个成簇限制函数，随着协议运行时间f 的增加，f r o m 会减小。这 样有利于一开始形成拓扑比较合理的簇，而后降低成簇的阈值，使未被覆盖的 节点较为容易地形成簇。 如果彳是c l u s t e r - h e a d 节点，它从整个簇内找出最佳候选簇头尉最佳候选簇头 是指拥有最多忠诚节点的节点) ，b 的忠诚节点包括b 邻居节点中u n c l u s t e r e d 的节 点以及只属于a 簇的成员节点。如果厦洗是4 本身，则本轮迭代终止，簇结构不 变；如果b 是其他节点，则开始运行迁移算法：彳向b 发出p r o m o t e 消息，b 收 到后用一簇i d 广播r e c r u i t 消息，收到该消息的所有节点加入口簇。一收到b 的 r e c r u i t 消息之后广播a b d i c a t e 消息。这样，原来4 簇的节点如果是b 的邻居 节点，则从4 迁移到了b ；不是b 的邻居节点，则退出了该簇。由此完成了从爿到 b 的簇的迁移。 如果4 是c l u s t e r e d 节点，则它什么都不做，等待它的下一个迭代周期。当所 有节点都完成迭代算法之后，有可能少量节点没有被覆盖，所以最后还需要进 行一次“c l e a n u p ”迭代，该过程不再发生簇的迁移，所有未被覆盖的节点成为 簇头或者通过邻居节点成为其他簇的多跳成员节点。 西南交通大学硕士学位论文第3 4 页 a c e 算法具有良好的健壮性，对节点失效和报文丢失反应迅速，生成的簇 能有效减少相互之间的重叠，降低簇间通信干扰的概率，并且成簇收敛速度与 网络规模无关。 3 2 6e e c s 如前3 2 1 所述，l e a c h 等算法中节点根据自身通信代价最小原则选择加入 哪个簇，不能保证簇的负载平衡，没有考虑距基站较远的簇头能量耗费过快等 问题。针对这一点，e e c s 邯( a ne n e r g ye f f i c i e n tc l u s t e r i n gs c h e m e ) 提出一个新的 通信代价公式( 7 ) 来决定节点加入哪个簇： c o s t ( d = 矿x “p ，c h i ) ) + ( 1 一曲f ( 以幼j ，鳓) 上式中c o s t q ，力是节点巧加入簇头i 的代价；硪巧，) 是节点到簇头的距离， 以c h i ，是簇头到b s 的距离；f 和g 分别是矾巧，c h i ) 、d ( c h i ，矗5 ) 的规范函数， 分别为： r ：d ( p j , c h i ) p ：d ( c h i , b s ) - d g _ m d 一d g 一一a g m i a 其中：办一2 e 疆m a x a ( e j ，c l i o ) ，奄一= m a x d ( c h i ，b s ) ，奄一2r n i n 战c h i ，b s ) ) 。 ，子函数保证最小化节点与簇头之间的通信代价；故c h i ，曰回是簇头堙0 基站 的距离，2 子函数保证最小化簇头雁u 基站的通信代价：权值w 的设置则是根据具 体应用，在成员节点能量与簇头能量耗费之间的折衷，目标是最大化网络生命 周期。节点历选择最d c o s t ( ，f ) 的簇头功口入，从而保证每个簇头负载均衡。 实验结果显示，e e c s 的控制报文开销较h e e d 要少，网络生命周期较 l e a c h 提高1 3 5 。 e e c s 对l e a c h 的簇头产生和节点选择簇加入算法进行了改进，取得了较 好的结果，并且簇头的分布更趋合理。但依然要求簇头与基站能直接通信及节 点到簇头的单跳通信，限制了簇的规模和网络规模，不利于该算法在实际中的 应用。 3 3 本章小结 本章对传感器网络路由协议按其在网络中路由原理( 方式) 的不同，将现 有路由协议分为平面路由协议和平面路由协议，并分别对这两类路由协议中的 典型路由协议进行了介绍分析。通过对f l o o d i n g 、s p i n 、d d 、s p e e d 、g e a r 、谣 西南交通大学硕士学位论文第3 5 页 传路由等几种典型平面路由协议及其相关路由协议进行分析，可以发现平面路 由协议实现相对简单、易于实现，可扩展性小，延迟较大，在一定程度上限制 了网络的规模，不适合大规模传感器网络的应用。而层次路由协议如l e a c h 、 p e g a s i s 、t e e n 、h e e d 、a c e 、e e c s 及其相关改进协议与平面路由协议相比，其 路由算法相对复杂，实现较难一些，大多都包括成簇算法、簇间、簇内路由算 法以路由管理几个部分和阶段，但具有较好的可扩展性、能量高效性、时延较 小等特点。是未来路由研究的重点。 西南交通大学硕士学位论文第3 6 页 第四章h r p b c 路由协议实现 如前所述，无线传感器网络作为一种分布式传感器网络，与移动a dh o c 网 络有相似点，但又有很多不同。移动a dh o c 网络可以用于没有无线基础设施存 在或出于费用和安全方面的考虑不方便设置无线基础设施的场合，而传感器很 多时候被布置在近地环境中，地波吸收现象不能被忽视，并且高密度布置的传 感器网络中的多用户接口也造成了很高的误比特率。作为移动通信的两种基本 组网模式之一，移动a dh o c 网络中的传输模型是典型的多对多式，而传感器网 中的传输模型更偏向于分层次模型( 多对一传输) 。一般来说，传感器网络比a d h o c 更多的考虑能量节约、可扩展性的问题，另外，有限的通信、计算能力也给 无线传感器网络的研究和应用带来挑战，有必要设计新的网络协议以适应这些 特点。 无线传感器网络的研究大致经过了两个阶段。第一阶段偏重于利用m e m s 技 术设计小型化的节点设备，而对于无线网络本身问题的研究则属于w s n 研究的第 二个阶段。目前针对无线网络本身的研究主要集中在数据链路层和网络层，本 文的研究重点是网络层的路由协议研究。到目前已经提出了很多路由算法或协 议，比较典型的平面路由协议有s p i n 、d d 等，层次路由协议有l e a c h 、p e g a s i s 、 h e e d 、m e 等，在第三章中对这些典型路由协议进行了介绍，并分析了其优缺点。 总的来说，平面路由协议算法简单，比较容易实现，但路由开销、延迟较大， 不利于能量的节约，限制了其组网规模，不适合大规模无线传感器网络的应用。 而层次路由协议算法相对比较复杂，以l e a c h 为代表的层次路由协议引入了以簇 为单位，以“轮”作为网络能量平衡机制的层次路由算法，为其它层次路由协 议( 或算法) 的研究提供了新的思路，后来很多基于簇的层次路由协议继承了 这种思想，并取得了较好的效果，如p e g a s i s 、t e e n 、h e e d 等协议都继承了l e a c h 的基本思想。然而，从第三章对这些层次的分析可以看出，l e a c h 存在诸多的不 足，如要求所有节点都能与汇聚节点能够直接通信，这限制了网络规模，不满 足大规模传感器网络组网要求。p e g a s i s 针对这些问题，提出采用链式多层法， 在能量节约方面较l 队c h 有很大提高，然而这是以牺牲信息的实时性为代价的， 不太适合对数据信息的实时性要求较高的场合。h e e d 针对l e a c h 成簇后簇头分布 不合理的问题和要求节点与汇聚节点直接通信的问题，提出了相应的改进算法， 提高了簇头分布的合理性，但要求簇头间能够直接通信，这限制了簇的大小， 对于具有高密度分布的传感器网络，传感器节点采集的数据具有较大的相关性 西南交通大学硕士学位论文第3 7 页 的情况下，这不利于数据的融合，影响能量的节约，同时，簇头间的直接通信 不利于簇间串音的减小。 本文研究的路由协议同样继承了l e a c h 的分簇算法的特点，采用以“轮 换机制。”作为网络负载的平衡机制，同时意在规避上述不足。本文研究的基 于簇的路由算法的特点是簇首以最大通信距离形成较大的簇，簇蓄闻不能直接 通信，而是通过模型中簇头按要求选择的中继节点( 文中称为网关) 保持簇闻 的连通，从而保证整个网络的连通，形成簇间路由。 本算法要达到的目标是：( 1 ) 通过比较均衡的分担网络负载延长传感器网 络的生存期：( 2 ) 网络的能量消耗较小；( 3 ) 产生分布式的簇头即在一个簇内 只有一个簇头，不会产生两个或多个簇头。这也是评价该路由算法性能的指标。 由于簇头承担簇内数据融合、发送或转发数据到基站的任务，网关担负与 普通节点一样的数据感知、处理等一样的任务，还起着中转的作用，因此簇头 和网关消耗着比普通节点更多的能量。为了均衡网络负债，不让节点因能量耗 尽而过早死去，采用l e a c h 提出的轮换的方式即网内节点轮流担