（计算机科学与技术专业论文）leach协议的研究及改进.pdf

独创性声明 洲川w l r i lrlii|ll ir | ll u l y 18 8 0 0 4 4 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，除了文中特另u j j j i 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 武汉理工大学或其他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： 委牛嗍：喈4 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) 研究生( 签名) ：奄引导师( 签名) ：歹? 乃彳日期扣f 季j 闷 瓤 i 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 、片上系统 ( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无 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 s ，w s n ) ，并以其低功耗、低成本、分布 式和自组织的特点带来了数据感知的一场变革。因其有着广阔的应用前景，所 以研究设计或优化更有效的适用于无线传感器网络的网络协议，延长其网络寿 命，提升其性能( 如包的成功发送率、节能等) 显得十分重要。 本文针对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 ) 路由协议作了 深入的剖析，它作为一种经典的无线传感器网络分层分簇路由协议，协议的具 体算法分为两个阶段：簇头选择阶段和稳定工作阶段。在第一个阶段，簇头选 择算法仅仅从概率角度上考虑了结点作为簇头的公平性，而没有把节点能量值、 簇头边缘化和簇内节点数据传输距离等重要因素考虑在内。因此，针对节点能 量问题，本文在原协议的阈值中加入了节点剩余能量和初始能量的比重；在簇 头边缘化问题上，本文在原有协议的基础上，加入了节点到中心的距离，从而 减小簇头的边缘化，增大了簇头的覆盖面，从而提出了l e a c h - e d ( l o we 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 e n e r g ya n dd i s t a n c e ) 优化协议；为了减少簇内节点 的数据传输距离，本文在第一次选簇的基础上在簇内重新选择簇头使其尽量靠 近簇的质心，以减少节点到簇头的数据传输距离，从而减小节点能耗，在这个 问题的解决上本文提出了l e a c h d c ( l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n g h i e r a r c h y d i s t a n c ea n dc e n t r o i d ) 优化协议。就以上三点的修改方案，本文基于 n s 2 ( s i m u l a t i o nn e t w o r k ，v e r s i o n 2 ) 仿真平台，扩展安装和修改l e a c h 协议程序。 针对改进后的协议与原协议作了大量的仿真分析实验，为了保证仿真实验结果 的准确性，采用了两个不同的感应节点分布文件分别仿真。分析结果验证了 l e a c h e d 和l e a c h d c 的确有效地延长了网络寿命，提高了网络性能。 关键词：无线传感器网络，簇头边缘化，最大覆盖面积，质心，n s 2 ，l e a c h 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 s ( w s n ) a r es p a w n e da sm i c r o - e l e c t r o m e c h a n i s m s y s t e m ( m e m s ) ，s y s t e mo nc h i p ( s o c ) ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dl o w - p o w e r e m b e d d e dt e c h n o l o g ya r ei nr a p i dd e v e l o p m e n t i tb r i n g si n f o r m a t i o nr e v o l u t i o nw i t l l i t sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，d i s t r i b u t e da n ds e l f - o r g a n i z i n g ，a n di th a sw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nd e s i g no ro p t i m i z a t i o no fm o r ee f f i c i e n t n e t w o r kp r o t o c o l sf o rt h ew s nt oe x t e n dt h en e t w o r kl i f e t i m ea n di m p r o v ei t s p e r f o r m a n c e ( s u c ha sp a c k e td e l i v e r yr a t eo fs u c c e s s ，e n e r g ye f f i c i e n c y , e t c ) i sv e r y n e c e s s a r y 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 ) r o u t i n gp r o t o c o li sm a d ea d e t a i l e da n a l y s i si nt h i st h e s i s i ti sac l a s s i c a lh i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n gw s nr o u t i n g p r o t o c o l ；t h ep r o t o c o ls p e c i f i ca l g o r i t h m i sd i v i d e di n t ot w op h a s e s ：t h ec l u s t e r c o n s t r u c t i o np h a s ea n dt h es t a b l ed a t at r a n s m i s s i o np h a s e a tt h ef i r s tp h a s e ，t h e s e l e c t i o na l g o r i t h mo fc l u s t e rh e a do n l yc o n s i d e r st h ef a i r n e s so fan o d ea sc l u s t e r h e a df r o mt h ep r o b a b i l i t yv i e w p o i n t ，w i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ei m p o r t a n tf a c t o r ss u c h a s ：t h en o d e se n e r g y , c l u s t e rh e a dm a r g i n a l i z e d ，t h ed a t at r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo f n o d et oc l u s t e rh e a di nt h ec l u s t e r s oi nt h ev i e wo fn o d ee n e r g yq u e s t i o n ，t h i st h e s i s h a sc o m b i n e dt h ee n e r g yp r o p o r t i o ni nt h eo r i g i n a lp r o t o c o l st h r e s h o l dv a l u e i nt h e v i e wo fq u e s t i o nf r o mc l u s t e rh e a dm a r g i n a l i z e d ，t h i st h e s i sh a sc o m b i n e dt h en o d et o t h ec e n t r a ld i s t a n c ei nt h eo r i g i n a lp r o t o c o l st h r e s h o l dv a l u e t h u si tr e d u c e st h e c l u s t e rh e a d sm a r g i n a l i z a t i o na n di n c r e a s e st h eb u n c ho fc l u s t e rh e a d 。sc o v e r a g e ，a n d s ot h i st h e s i sp r e s e n tt h el e a c h e d ( 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 - e n e r g ya n dd i s t a n c e ) r o u t i n gp r o t o c 0 1 i no r d e rt or e d u c et h e d a t at r a n s m i s s i o n d i s t a n c eo fn o d et oc l u s t e rh e a di nt h ec l u s t e r , t h i st h e s i sr e s e l e c t sc l u s t e rh e a di nt h e c l u s t e r , a n dl e t sc l u s t e rh e a db ea sc l o s ea sp o s s i b l et ot h ec e n t r o i df o rt h ec l u s t e ra r e a t or e d u c et h ed a t at r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fn o d et oc l u s t e rh e a d ，t h u si to p t i m i z e st h e e n e r g yc o n s u m p t i o no fs e n s o rn o d e sa n dt h i st h e s i sp r e s e n t st h el e a c h d c ( 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 - d i s t a n c ea n dc e n t r o i d ) r o u t i n gp r o t o c 0 1 a st o t h et h r e em o d i f i c a t i o na b o v et h a ta r em e n t i o n e d ，t h i st h e s i sh a se x t e n d e d l yi n s t a l l e d a n dm o d i f yl e a c hp r o g r a mb a s e do nt h en s 2s i m u l a t i o nn e t w o r kp l a t f o m ， i l 武汉理工大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s i o na n a l y s i se x p e r i m e n to ft h ei m p r o v e dl e a c h - e d ， l e a c h d ca n dt h eo r i g i n a lp a i r s i no r d e rt og u a r a n t e et h ea c c u r a c yo ft h er e s u l t s ， t w od i f f e r e n ts e n s i n gn o d ed i s t r i b u t i o nf i l es i m u l a t i o n sa r em a d e t h er e s u l t ss h o w l e a c h e da n dl e a c h d ci n d e e de f f e c t i v e l yp r o l o n g st h en e t w o r kl i f e t i m ea n d i m p r o v et h en e t w o r kp e r f o r m a n 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 rh e a dm a r g i n a l i z a t i o n ，m a x i m u m c o v e r a g e ，c e n t r o i do f t h ec l u s t e rh e a d ，n s 2 ，l e a c h i i i 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 目录 a b s t r a c t 第1 章绪言 1 1 研究课题的来源及意义1 1 2 无线传感器网络的现状2 1 2 1 无线传感器网络的应用现状一2 1 2 2 无线传感器网络的问题一3 1 3 本文的主要工作及创新5 1 4 文章组织结构。6 第2 章无线传感器网络路由协议的国内外研究现状8 2 1 平面路由协议与研究现状8 2 2 层次路由协议与研究现状1 0 2 3 路由协议对比1 1 2 4 本章小节l2 第3 章l e a c h c 协议 3 1l e a c h c 协议算法。1 3 3 1 1 簇建立阶段1 3 3 1 2 稳定工作阶段1 3 3 2l e a c h c 的执行顺序1 4 3 3 本章小结1 6 第4 章l e a c h 协议的研究及改进 4 1l e a c h 协议算法1 7 4 1 1 簇建立阶段1 7 4 1 2 稳定工作阶段l8 4 1 3l e a c h 协议的分析1 8 4 2l e a c h 的执行顺序。1 9 4 3l e a c h e d 协议执行顺序方案2 1 4 4l e a c h d c 协议执行顺序方案2 4 4 5l e a c h 协议代码修改2 7 一 武汉理工大学硕士学位论文 4 6l e a c h 的改进方案( l e a c h e d 协议和l e a c h d c 协议l 2 8 4 6 1l e a c h e d 协议算法2 8 4 6 2l e a c h e d 协议代码修改31 4 6 3l e a c h d c 协议算法3 3 4 6 4l e a c h d c 协议代码修改。3 5 4 7 本章小结3 9 第5 章分析及n s 2 仿真结果。 4 1 5 1n s 2 仿真环境搭建4 l 5 1 1n s 2 协议仿真4 l 5 1 2 仿真环境搭建4 2 5 1 2 1n s 2 在l i n u x 系统上的安装4 2 5 1 2 2l e a c h 协议的仿真文件配置4 2 5 1 3 仿真参数选择4 4 5 2 协议仿真对比分析4 5 5 2 1l e a c h e d 中尸f 的选取4 6 5 2 2l e a c h e d 与l e a c h 的仿真对比5 l 5 2 3l e a c h d c 与l e a c h 的仿真对比。5 5 5 3 仿真对比总结5 9 5 4 本章小结6 0 第6 章总结与展望6 l 6 1 研究工作总结6 1 6 2 技术研究展望6 2 参考文献 致谢6 6 附录攻读期间发表的论文和参加的项目 v 6 7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪言 1 1 研究课题的来源及意义 近年来无线通信技术、嵌入式计算技术和传感技术等各种前沿技术得到了 突飞猛进的发展：传感技术作为当今数据获取的最重要的技术手段之一已日益 成熟。构成无线传感器网络的节点一般称作传感器节点( s e n s o r n o d e ) ，它是一 种运用传感技术、具有无线传输功能的微型感应器。 无线传感器网络是由大量的人工部署( 也存在随机抛洒的情况) 在监控区 域的密集的传感节点构成的一种分布式网络应用系统。由于传感节点数量众多， 有时候部署只能采用随机抛洒的方法，传感节点的地理位置数据不能预知，因 此现有些传感节点嵌入了g p s 芯片以确定传感节点的地理位置i l 】；在通信工作 的任何时刻，各个通信的传感节点之间采用无线信道方式进行连接和数据传输， 可以采用多l 珧( m u l t i h o p ) 、对等( p e e rt op e e r ) 等多种有效的通信方式进行自组织 的建立网络拓扑结构；传感节点之间具有非常强的协同工作能力，通过采集周 边局部环境中的数据、对数据进行预处理以及各个传感节点之间交换数据来完 成所指定的应用任务。所以现在很多人都认为，传感技术的重要性能够与i n t e m e t 相提并论：正如i n t e m e t 能够使得各个分布在不同位置的计算机通过网络系统能 够寻找到各种所需的数据而可以不管这些所需的数据的存放位置；无线传感器 网络将可以很好的拓展人们与客观世界对各种数据进行远程交互的能力1 2 j 。其甚 至被称为一种新型的具有智能化的计算机数据应用系统，这是因为它可随处部 署的特点以及集体智能化分析数据的能力。 无线传感器网络可包含种类繁多的传感器，例如可探测地震、电磁、温度、 移动物体的大小、速度和方向等环境中现象繁多的传感器【3 j 。基于m e m s 的微 传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的现实应用前景【4 j 。这些 广阔的现实应用领域可以归纳为：军事、工业、交通，家居等领域。 美国的商业周刊文章和m i t 技术评论在预测未来极具潜力技术发展的报告 中，分别将无线传感器网络列为2 l 世纪最有影响的2 l 项技术和改变现存客观 世界的l o 大技术之一。目前，对无线传感器网络的研究与现实的实际应用的差 距还是很大的，我国更应该加紧从多个方面开展对这项前沿技术的研究与应用 武汉理工大学硕士学位论文 研究，这将不仅能提高我国前沿科技研究的水平，而且对于整个国家的经济、 军事和社会的发展来说都将具有极其重大的意义。本课题的研究出发点正是针 对无线传感器网络的广阔的现实应用而提出的。 1 2 无线传感器网络的现状 1 2 1 无线传感器网络的应用现状 随着日益成熟和完善的无线传感器网络技术，传感节点的成本也在不断的 降低，功能也在逐渐的加强，而且无线传感器网络有着如此多的可用特性，其 在现实应用领域之广不言而喻。目前无线传感器网络主要被广泛应用于智能交 通，智能家居，工业以及其他应用领域中。 智能交通：美国交通部( u sd e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n ，简称d o t ) 提 出了到2 0 2 5 年将全面投入使用的“国家智能交通系统项目规划”。这项计划将利 用大规模的无线传感器网络，再配合g p s 定位技术等其他可用技术资源，不仅 使在道路上行驶的所有车辆都能自动保持车距、高效低耗的最佳运行状态，而 且还能自动推荐最佳行使路线和对潜在的任何故障可以发出危险警告信号【5 j 。 中国科学院沈阳自动化研究所提出了运用无线传感器网络技术的高速公路 交通监控网络应用系统，网络应用系统中的传感节点采用图像传感器，在路面 结冰、可见度低、浓雾等恶劣天气条件下，能够实时的实现对高速路段进行有 效的监控i o j 。 智能家居：嵌入型的家具、家电中的传感器组件和执行单元组件组成的 无线传感器网络应用系统与i n t e m e t 连接在一起，为客户提供了更加快捷和具有 智能化的舒适家居生活。客户可以更加方便快捷地对家里的电器设备进行远程 监视和管控，如在下班之前就可以对家里的电饭锅、电话、电视机、计算机等 进行遥控，按照客户的意愿完成相应的煮饭、查收电话、选择电视频道以及下 载好听的m p 3 等工作【_ 7 1 。在家居生活监控方面，将传感节点安置在家庭里各个 不同的房间里，则可以对各个房间的温度进行局部监控。除此之外，利用无线 传感器网络技术还可以监测幼儿的早期教育环境条件，跟踪幼儿的活动范围， 供研究人员、父母或是学校的老师全面地了解和指导幼儿的学习和生活过程j 。 工业应用：无线传感器网络可以用于对交通运输工具的追踪、机械故障 的诊断、日常工业生产中的监控、建筑物性能状态的监测等1 9 1 。将无线传感器网 2 武汉理工大学硕士学位论文 络技术和射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，简称i i d ) 技术融合，是实 现智能化交通网络应用系统的有效途径。在一些危险的工作环境，例如高危建 筑、核电厂等，利用无线传感器网络可实时的探测工作现场的一些重要数据传 给监控部门。 在机械故障诊断方面，全球最大的半导体芯片制造商英特尔( i n t e l ) 公司曾 经在芯片制造机器上安装过2 0 0 多个传感节点，用来监控生产设备机器振动的 情况，并在监测结果超出初始设定的约束值时提供一个有效的监测数据。美国 贝克特营建集团公司( b e c h t e l ) 已在伦敦的一个地铁系统中应用了无线传感器 网络进行监测。 其他方面的应用：在人类探索和研究太空方面，无线传感器网络可以实 现对天外星球进行有效的监测【1 0 1 。美国国家航空与航天局( n a t i o n a la e r o n a u t i c s a n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ，简称n a s a ) 的喷气推进实验室( j e tp r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ，简称j p l ) 的s e n s o rw e b s 计划，就是为火星进行探测的。 1 2 2 无线传感器网络的问题 尽管现阶段的无线传感器网络有比较完善的其他支撑技术，也有着极其迅 速的发展速度，然而从许多方面来综合考虑，大多数的无线传感器网络只连接 了不到2 0 0 个传感节点，更多的传感节点以及无线通信线路会使得网络变得十 分复杂从而无法正常高效的工作】。还有另外一个原因是单个传感节点的价格 目前还并不低廉，而且电池的寿命在最好的情况下也只能维持半年到一年的时 间【1 2 】，并且无线传感器网络中还存在诸如以下问题： 安全问题 如同其它无线应用网络，安全也是无线传感器网络的一个非常严峻的问题。 由于采用的是无线射频传输信道，所以无线传感器网络也存在消息篡改、路由 表破坏、资源耗费等方面的安全问题【1 3 1 。同时，无线传感器网络的两个主要特 性使其安全问题的解决更为复杂，这两个特性是数据在网络中融合和受限的能 量、有限的处理能力及极小的存储空间i 1 4 j 。 数据在网络中融合可以非常有效地减小网络中传输的冗余数据从而可以增 加有用数据的传输，从而节约了一部分网络资源，但是也将数据中的内容暴露 给了融合数据的传感节点，这样将会出现安全问题。因此，对传感节点进行可 靠性认证就有必要，从而可以提高网络的安全性i l 5 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 跨层设计问题 设计一个优秀的无线传感器网络，使得在各种不同的应用系统下都能保持 一个最好的网络性能状态是比较难的。目前，研究者们在协议的各层( 包括物 理层、数据链路层、传输层等) 对能量控制、各种应用需求等各个方面进行了 大量的研究对比工作，但是这些研究比较工作经常都拘泥于网络系统中的某一 个层面，从而导致忽视了各个层次之间的相互关联关系。分层的设计思路使得 i n t e m e t 的扩展性、稳定性和健壮性更好，然而在无线传感器网络中却带来了比 较差的灵活性、可扩展性和效率等缺吲1 6 1 。因此，在无线传感器网络中，就有 需要利用自适应的跨层优化协议，使得可以在能量非常有限的时候，满足网络 应用系统的高吞吐率、低的丢包率等性能需求【1 7 】。 能量问题 无线传感器网络中传感节点能量的快速消耗，使无线传感器网络的生命周 期大大的降低。网络中传感节点的大部分能量都是消耗在硬件设备的无线通信 模块上，因此如何有效地延长无线传感器网络的生命周期就成为研究无线传感 器网络的核心技术之一。从路由查询方面来看，无线传感器网络既不同于传统 的i n t e m e t 网络，也不同于移动自组织网络( m o b l i ea dh o cn e t w o r k ，简称a dh o e 网) 。它的主要特性是传感节点的能量不可补充并且电池维持时间比较短，数据 冗余等，但是这些问题在传统的i n t e m e t 网络中都不存在，所以传统的网络路由 协议一般是不适用于无线传感器网络。 在无线传感器网络的平面路由协议中所有传感节点的地位都是平等的，没 有主次节点之分，各个传感节点通过分布式算法来相互协调形成一个自组织自 适应的网络。无线传感器网络中传感节点一般是通过电池供电，传感节点一般 部署在无人看管的环境条件下，电池不能及时的补充或更换，因此传感节点的 能量是受限。因此，延长无线传感器网络的生命周期就必须降低传感节点通信 工作时的能量消耗，降低传感节点消耗在通信模块上的能量。 当信道中的数据采用自由传播模式时( 也就是数据传送的距离小于某个d o ) ， 传感节点消耗的能量与数据传输的距离的二次方成正比；当信道中的数据采用 多径衰减传播方式时( 也就是数据传送的距离大于某个d o ) ，传感节点能量消耗 随着数据传输距离的增大急剧增大，传感节点消耗的能量与距离的四次方成正 比1 1 8 1 。当传感节点传输k 位数据到基站，距离为d 时，发送节点消耗的能量为 式( 1 1 ) 所示： 4 武汉理工大学硕士学位论文 聊，d ：仁b e 眈“咖d 2 狄d o ( 1 1 ) i 七尾胁+ 后f a m p d 斗 d , d o 其中d o = s 唧岛是距离阈值；s 唧是自由空间模型发射放大器的单位能 量消耗值；f a m p 是多径衰减模型发射放大器的单位能量消耗值；易k 表示发送 或接收电路发送1 位数据的能耗。这个主要取决于数字编码、过滤模块及信号 扩散等方面的因素；根据学术界多次实验得到的结果显示，通信能量参数值的 消耗值如下【19 1 ：尾胁= 5 0 1 0 一j b i t ，a m p = 1 0 1 0 1 2 j b i t m 2 ，f a m p = 0 0 0 1 3 1 0 叫2 j b i t m 4 。相应的，接收方无线装置的能耗为：e ，( 七) = k e 。i 。 其中e r ( k ) 表示接收方的传感节点接收kb i t 数据所消耗的能量。 从公式1 1 中可以看出，如果想要减少传感节点的能量消耗就需要减小传感 节点的有效传输半径，但是半径的减小会降低节点的辐射覆盖范围，增加传输 的总距离从而会消耗更多的能量。为了实现无线传感器网络中簇头的覆盖范围 最大化，减小总的数据传输距离，必须使簇头节点的分布比较均匀化，从而可 以增大簇头的最大覆盖面积，减小数据传输的总距离。 因此本文从探索解决第三个问题出发，对现有的无线传感器网络中的 l e a c h 协议【2 0 】在能量的消耗方面做了研究改进，从而提升无线传感器网络的整 体网络性能，延长其网络生存周期。 1 3 本文的主要工作及创新 本文的工作主要是分为3 个方面： 第一是利用n s 2 仿真平台，先对l e a c h c 协谢2 1 j 和l e a c h 协议的执行 顺序策略进行分析和研究，然后结合两者的执行策略对l e a c h 协议的执行顺序 策略进行改进以适合本文后面的改进协议工作。 第二是对l e a c h 协议中簇头选择公式阈值的改进。利用第一点中 l e a c h c 协议的执行顺序策略，基站( b a s es t a t i o n ) 就能知道各个节点的地理位 置，这样就能计算整个区域中节点到区域中心的最大距离，然后再发送到各个 节点，各个节点接收到这个最大距离值后就开始进行簇头的选取。 武汉理工大学硕士学位论文 考虑单个节点的能量消耗比例，在阈值中加入节点的当前能量e 。u 删和初始 能量e t o t a l ，对于能量消耗比例大的节点，减小t ( n ) 的值，降低成为簇头的概率； 相反，对于能量消耗比例小的节点，增大t ( n ) 的值，增大成为簇头的概率。再 次，在阈值中加入整个区域中节点到区域中心的最大距离“孤，应使所选取的簇 头的覆盖面积尽量能最大化，减小簇头的边缘化，让簇头尽量往整个区域的中 心靠拢，就能缩短数据传输的距离。则改进后的l e a c h 协议的簇头选举阈值 t ( n ) 如下( 1 2 ) 式所示： i j l 。“l 一哟譬+ p d “，- d ) 坳g 胖 1 - p ( r i r t x t - i ) 鼬d 8 ( 1 2 ) 【。 p 仨g 其中p 为期望的簇头节点在所有传感器节点中的百分比；r 是当前的轮数； g 是在最后的l p 轮中未成为簇头节点的集合；p i 为一个常量参数，表示节点 的能耗比例和距离比例在t ( n ) 中所占的比重；d m 默是节点到整个区域中心的最大 距离；d 是节点到整个区域中心的距离。 在对尸f 值的选取方面，也是本文的一个重点。在能量比重和距离比重之间， 通过选取出一个合适的p f 值来更加的平衡网络的性能，不会因为p f 太小，使节 点的能量比重在簇头的选取中占主要位置；也不会因为尸f 太大，使选取出来的 簇头向区域中心靠拢，过于集中。因此通过对尸f 选择不同的值进行仿真对比研 究，选取出最合适的尸f 值使网络的性能能得到更大的提升。 第三是节点在簇内进行稳定数据传输是最主要消耗能量的阶段，当一个簇 的所有节点向本簇一个接近簇内质心的簇头传输数据时，消耗的能量是最小的。 簇内节点越靠近簇的质心，则说明簇内的节点到质心的数据传输距离越短，消 耗的能量就越岁2 2 1 。因此在一定的条件下，当在簇内重新选出一个更靠近质心 且剩余能量较大的簇头时，可以在一定程度上减小簇内节点到簇头的数据传输 总距离，从而减小能耗。 1 4 文章组织结构 第1 章首先介绍了本研究课题的来源、研究意义和无线传感器网络的应用 现状及问题所在，最后还简要介绍了本文的主要研究工作及创新点。 第2 章主要介绍了无线传感器网络的平面路由协议( f l a tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 及 6 武汉理工大学硕士学位论文 其研究现状和分层路由协议( h i e r a r c h i c a lr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 及其研究现状，还对 这两种类型的路由协议进行了对比分析。 第3 章详细介绍了l e a c h c 协议算法的基本思想并深入分析了其在n s 2 仿真环境中的执行顺序，以便能够更好的引入到l e a c h 协议的执行顺序策略从 而适合本文的研究工作。 第4 章深入介绍了l e a c h 协议算法的基本思想并对其在n s 2 仿真平台中 的执行顺序作了深入的剖析，再结合l e a c h c 协议的执行顺序策略，提出了改 进协议l e a c h e d 协议及其具体而详细的执行顺序方案和l e a c h d c 协议及 其具体而详细的执行顺序方案。 第5 章介绍了n s 2 仿真平台的特点以及其在l i n u x 系统下的搭建和一些必 需的工作；但重点是对阈值公式中尸i 值的合理选取和改进的l e a c h e d 协议、 l e a c h d c 协议与l e a c h 协议进行了大量的仿真对比分析，并总结了改进成 果，从而肯定本文的研究成果确实提高了无线传感器网络的网络性能，使网络 寿命得到了延长。 第6 章进行了本文的工作总结和其中的不足之处，并展望了以后的工作研 究方向。 7 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的国内外研究现状 2 1 平面路由协议与研究现状 在无线传感器网络的平面路由协议中，所有节点在地位和功能上都是平等 的，传感节点间是通过局部计算和数据的反馈来自动的生成路由。平面路由协 议的优点是简单、易扩展，但缺点是缺少对数据的高效管理，对实际网络中的 动态变化的反应速度不快【2 3 1 。其中典型的平面路由协议有：s p i n 、谣传路由协 议等。 ( 1 ) s p i n s p i n ( s e n s o rp r o t o c o l sf o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) 是一种通过协商和具 有能量自适应功能的数据传播协议【2 4 】。它通过使用三种消息类型进行通信，即 a d v 、r e q 和d a t a 数据。 如图2 1 所示，s p i n 的工作过程如下： 1 ) 在d a t a 数据包被发送前，开始节点a 首先在无线传感器网络中广 播一个为a d v 的数据包； 2 ) 如果它的相邻节点b 在收到a d v 数据包后同意接收从a 点发来的 为d a t a 的数据包，那么感应节点b 就往源节点a 发送一个回应的r e q 数据包； 3 ) 接下来节点a 向其相邻节点b 传输d a t a 数据包； 4 ) 最后感应节点b 重复上述工作流程中a 的任务，并逐个循环。 这样无线传感器网络中对此数据感兴趣的传感节点在最后都会有此数据的 一份副本。s p i n 协议能够较好地解决数据爆炸、数据重复和资源浪费这些在传 统的f o o d i n g 和g o s s i p i n g 协议上所具有的问题。 8 武汉理工大学硕士学位论文 o oo o a d vo r e qo d a t a o r ono 门 o s t e p l o s t e p 2 o m n s t e p 3 oo k r e q o - d a t a - 1 驾。-u 己7 尹 o an oa j b a o s t e p 5s t e p 6 图2 1s p i n 协议的工作流程 ( 2 ) 谣传路由协议 谣传路由( r u m o rr o u t i n g ) 协谢2 5 j 是对s p i n 协议的改进，该协议主要使 用数据查询和单播随机生成路由。这种路由生成策略解决了s p i n 协议建立转发 路径这种资源过大的弊端【2 引。r u m o rr o u t i n g 的基本思想如图2 2 所示： 1 ) 在事件监测区域( m o n i t o r i n ga r e a ，简称m a ) 中由传感节点生成一个代 理消息( a g e n tm e s s a g e ，简称a m ) ，并随机产生一条路径把该a m 向外传播。 2 ) 与此同时，由汇聚节点产生的查询消息也将通过一条随机产生的路径 进行传输。 3 ) 从汇聚节点到事件m a 的一条完整传输路径是由a m 和查询消息的传 播路径交汇在起时形成的。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 谣传路由协议的工作流程 2 2 层次路由协议与研究现状 在分层路由协议中，通常无线传感器网络被划分为多个簇，每个簇由一个 簇头和多个普通成员节点组成，簇头形成高一层的网络。簇头是通过一定的规 则选举产生的，并管理着簇内成员节点的数据收发工作，还负责簇内数据的接 收和数据冗余处理。分层路由协议的优点在于方便集中管理，可以对整个网络 的变化做出快速应变，通信服务质量比较高【27 。典型的分层路由协议包括 l e a c h 协议、l e a c h c 协议等。 ( 1 ) l e a c h 协议 l e a c h ( 低功耗自适应聚类，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 ) 是一 个多簇有着中心结构的分层路由协议。它的基本思想是通过自身随机重复选择 簇头将整个无线传感器网络中的能量消耗均匀分配到网络中的每个传感节点， 从而达到减小整个无线传感器网络的能耗、提高无线传感器网络的整体生存周 期。l e a c h 协议在工作过程中不断循环重复的执行着重构簇的过程，并以“轮” 为周期。协议每次运行的过程分成两个阶段：建立簇阶段和数据传输的稳定阶 段。与一般基于平面结构的路由协议和静态的基于多簇中心结构的路由协议相 比，l e a c h 可以将网络的整体生存时间延长1 5 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) l e a c h c 协议 l e a c h c ( l e a c h c e n t r a l i z e d ) 是一种由基站集中控制及负责挑选簇头的分 层聚类路由协议。l e a c h 协议是由每个节点自主的产生随机数来决定在当前 “轮”是否被选为簇头，每“轮”产生的簇头没有固定的个数和均匀的分布。 l e a c h c 协议是根据网络中所有节点的全局数据来产生簇头，能有效的解决 l e a c h 协议的这个不足之处。网络中的每个节点把自身的地理位置数据和当前 剩余能量数据发送给基站。基站根据所有节点发送来的数据报告计算出当前网 络中的平均能量，节点当前剩余能量低于网络平均能量不能选取成候选簇头， 从所有的候选簇头中选出合适个数和最优地位位置的簇头集合是一个n p 问题。 基站根据所有成员节点到簇头的距离平方和最小的思想，采用模拟退火 ( s i m u l a t e d a n n e a l i n g ) 算法解决该n p 问题。最后，基站把簇头集合和每个簇的结 构广播出去。 2 3 路由协议对比 平面路由协议的一个最突出的优点就是实现起来比较简单，但它也有一个 明显的缺点就是可兼容性和灵活性比较差，无线传感器网络的网络拓扑结构组 织是由部署在一定区域范围内的数目众多的传感节点所构成，其网络的规模相 当之大，可兼容性和灵活性比较差的平面路由协议不适用于此种大规模的网络。 相比较而言，分层路由协议由于它的可兼容性和灵活性好的优点，可