（计算机应用技术专业论文）无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究.pdf

l _ _ _ - _ - 一 苏州大学学位论文使用授权声明 洲ii 11 1i i j i f l l l f jrjrlijil lf f i j r l 17 3 2 0 9 9 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文回 论文作者签名：盟查趟 日 导师签名：丝选茎 日 期：鲨丝：i ：妒 无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究中文摘要 中文摘要 路由协议是无线传感器网络的一个关键基础技术，由于节点能量得不n - - 次补 充，因此，路由协议的首要目的就是节能。 在大规模的数据收集网络中，节点以多跳的形式周期性地传输数据到s i n k 节 点，靠近s i n k 区域的节点因负载过大而较早耗尽能量，从而形成能量空洞。能量空 洞的出现使网络无法正常工作，遗留大量未被充分利用的能量资源。本文主要从以 下两个方面研究了数据收集路由协议中的能量空洞问题。 ( 1 ) 、层次路由协议中簇头节点以多跳的方式将数据传输至s i n k 节点，靠近s i n k 节点的簇头由于转发大量数据而形成能量空洞。本文基于不均匀分簇的思想，提出 了一种以周围节点剩余能量和簇内通信代价为主要因素的分布式簇头竞争机制，簇 头问路由以节点转发能力为主参数的层次路由协议( r a t ；c ) 。所有节点根据自身剩 余能量、邻居节点剩余能量以及与周围节点的距离来计算簇头竞争时刻，簇头根据 转发能力选择最优的节点进行簇问路由。最后在o m n e t + + 平台上对r a u c 协议仿 真实现，结果证明r a u c 协议性能较l e a c h 、e e u c 有显著提高，有效的延长了 网络的生存周期。 ( 2 ) 、节点不均匀布置是解决能量空洞问题的一种途径，但已有的分布方案都存 在不足，如未考虑消除数据中存在的冗余等。针对已有方案中的不足，本文从理论 上分析了网络中各区域节点的能量消耗，提出了一种新的节点分布方案，给出了网 络中具体区域所需节点个数的计算公式；并据此分布方案，提出了一种基于核的路 由协议，节点以完全图的方式成核，核内节点轮流工作以避免产生过多的冗余数据。 仿真实验表明，该分布方案和路由协议具有可行性，使网络的能量得到了充分而有 效的利用。 关键字：无线传感器网络；数据收集：节能；路由协议；能量空洞 作者：何永刚 指导老师：徐汀荣 a b s t r a c t r o u t i n gp r o t o c o li sak e yf u n d a m e n t a lt e c h n o l o g yo fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s s e n s o r sa r ee n e r g yc o n s t r a i n e da n dt h e i rb a t t e r i e sc a n n o tb er e c h a r g e d t h e r e f o r e ，t h e p r i m a r yo b j e c t i v eo fr o u t i n gp r o t o c o li se n e r g yc o n s e r v a t i o n i nt h el a r g e s c a l en e t w o r kf o rd a t ag a t h e r i n g ，t h es e n s o rn o d et r a n s m i t sd a t at ot h e s i n kv i am u l t i h o pc o m m u n i c a t i o n t h en o d e sc l o s e rt ot h es i n ka r eb u r d e n e dw i t hh e a v y t r a f f i ca n dt e n dt od i ee a r l i e r , c a u s i n ge n e r g yh o l ei nn e t w o r k d u et oe n e r g yh o l e ，t h e n e t w o r kc a nn o tw o r ka n ym o r e ，a n dl e f tal a r g en u m b e ro fu n u s e de n e r g y t h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e sa n d s o l v e st h ee n e r g yh o l ei nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sf o rd a t a g a t h e r i n gf r o mt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ： i i nt h eh i e r a r c h i c a lr o u t i n gp r o t o c o l ，c l u s t e rh e a d st r a n s m i tt h e i rd a t at ot h es i n kv i a m u l t i h o pc o m m u n i c a t i o n t h ec l u s t e rh e a d sc l o s e rt ot h es i n ka r eb u r d e n e d w i t hh e a v y r e l a yt r a f f i ca n dt e n dt od i ee a r l i e r ，c a u s i n gn e t w o r kp a r t i t i o n s t oa d d r e s st h ep r o b l e m ， a ni m p r o v e dr o u t i n ga l g o r i t h m sb a s e do nu n e v e nc l u s t e r i n g ( r a u c ) i sp r o p o s e d c l u s t e r h e a d sa r ee l e c t e db a s e do nt h ea v e r a g er e s i d u a le n e r g yo fn e i g h b o rn o d e sa n dt h e i n t r a - c l u s t e rc o m m u n i c a t i o nc o s t t h ei n t e r - c l u s t e rc o m m u n i c a t i o ni sb a s e do nt h e f o r w a r d i n gc a p a c i t yo fn o d e s f i n a l l y , is i m u l a t et h er a u cp r o t o c o lw i t ho m n e t + + p l a t f o r m t h e r e s u l ts h o w st h a t ，c o m p a r e dw i t hl e a c ha n de e u c ，t h er o u t i n g a l g o r i t h mp e r f o r m sb e t t e ra tl o a db a l a n c i n g ，r e d u c e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fn o d e s ， a n de f f e c t i v e l yi m p r o v e st h el i f e t i m eo fn e t w o r k i i t h en o n u n i f o r mn o d ed i s t r i b u t i o ni sas o l u t i o nt oe n e r g yh o l e h o w e v e lt h e r e a r eal o to fp r o b l e m si ne x i s t i n gd i s t r i b u t i o nm e t h o d s ，s u c ha sn oc o n s i d e r i n gt h ed a t a r e d u n d a n c y t or e s o l v et h i sp r o b l e m ，it h e o r e t i c a l l ya n a l y z e dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f v a r i o u sr e g i o n si nn e t w o r k ，a n dp r o p o s e dan e ws c h e m eo fn o d ed i s t r i b u t i o n w ec a ng e t t h en u m b e ro fn o d er e q u i r e di nt h es p e c i f i ca r e a b a s e do nt h en e ws c h e m e ，a k e r n e l b a s e dr o u t i n gp r o t o c o li sp r o p o s e d t h ek e r n e li sc o n s t r u c t e di nf o r mo fc o m p l e t e g r a p h t h en o d e si nt h es a m ek e r n e lw o r ki nt u r nt oa v o i dt o om u c hr e d u n d a n td a t a i l l a b s t r a c t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sn o d ed e p l o y m e n ts c h e m ea n dr o u t i n gp r o t o c o li s f e a s i b l ea n dt h ee n e r g yo fn e t w o r kh a sb e e nu t i l i z e df u l l ya n d e f f e c t i v e l y 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 ；d a t ag a t h e r i n g ；e n e r g yc o n s e r v a t i o n ；r o u t i n g p r o t o c o l ；e n e r g yh o l e i i i w r i t t e nb yy o n g g a n gh e s u p e r v i s e db y t i n g r o n gx u 目录 第一章绪论一l 1 1 弓i 一言1 1 1 1 无线传感器网络概述1 1 1 2 无线传感器网络的特点3 1 1 3 无线传感器网络研究的关键技术4 1 2 研究背景与意义7 1 3 本文研究内容7 1 4 本文组织结构8 第二章无线传感器网络路由协议及相关研究9 2 1 无线传感器网络路由协议概述9 2 1 1 路由协议的特点9 2 1 2 路由协议的分类标准1 1 2 2 无线传感器网络路由协议的研究现状1 2 2 2 1 平面式路由1 2 2 2 2 层次式路由15 2 2 3 基于地理位置的路由18 2 。3 能量空洞问题的研究现状1 9 2 4 本章小结2 1 第三章层次路由中能量空洞问题的研究2 2 3 1e e u c 协议。2 2 3 1 1e e u c 协议的实现原理2 2 3 1 2 协议特点和缺陷分析2 4 3 2r a u c 路由协议的设计思想2 4 3 2 1 网络模型与基本假设2 5 3 2 2 协议启动与邻居的发现一2 6 3 2 - 3 基于邻居节点距离、剩余能量等信息的簇头竞争机制2 6 3 2 4 簇间转发路由的建立2 9 3 2 5 稳定阶段的数据传输3l 3 3 6 协议的总体流程3 1 3 3r a u c 协议的特点与性能分析3 2 3 4r a u c 协议的模拟实现与仿真评测3 4 3 4 1o m n e t + + 仿真平台概述3 4 3 4 2 协议的具体实现3 6 3 4 3 仿真结果分析4 1 3 5 本章小结4 6 第四章无线传感器网络中节点布置的研究4 7 4 1 研究背景4 7 4 2 一种新的节点非均匀布置方案4 8 4 2 1 网络模型与基本假设4 8 4 2 2 节点布置的能耗分析4 9 4 3 一种基于核的路由协议5l 4 3 1 构造邻居列表5 2 4 3 2 基于完全图的成核机制5 2 4 3 3 核问路由的建立5 5 4 4 与已有方案的对比分析5 6 4 4 1 节点需求个数的对比分析5 6 4 4 2 路由策略的对比分析5 7 4 5 协议实现与仿真评测5 8 4 5 1 协议的具体实现5 8 4 5 2 仿真结果分析5 9 4 6 本章小结6 2 第五章总结与展望6 3 5 1 本文工作总结6 3 5 2 进一步展望6 4 参考文献_ 6 5 攻读硕士期间发表( 录用) 的论文7 l 致谢7 2 无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究第一章绪论 第一章绪论 微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功率多功能传感器 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【啦! ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) 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白组织的网络系 统，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，并转发给 观察者处理。它允许人们实时、直接地感知物理世界，获得人们想要的信息。因而， 这种网络系统可被广泛应用于国防军事、灾难预警、环境监测、精细农业、交通管 理、仓储跟踪、入侵检测、医疗卫生等许多领域，引起了各国军事部门、学术界和 工业界的极大重视。 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报 告中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1 0 大技术 之一【3 】。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 术产业。 1 1 引言 1 1 1 无线传感器网络概述 传感器网络结构如图1 1 所示，传感器网络系统通常包括传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节点。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统， 它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从 网络功能上看，每个传感节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进 行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融 合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术 是传感器网络研究的重点。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强， 第一章绪论无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究 它连接传感器网络与i n t e m e t 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，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可 以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资 源，也可以是一个没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 监测区传感器节点 图1 1 无线传感器网络的体系结构，i 大量传感器节点随机部署在监测区域( s e n s o rf i e l d ) l 为部或附近，能够通过自组织 方式构成网络。监测的数据沿着传感器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，经过多跳路由后到汇聚节点，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。 单个传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四 部分组成，如图1 2 所示。 传感器模块处理器模块无线通信模块 能量供应模块 图l - 2 传感器节点的结构 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个 2 无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究 第一章绪论 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，交换控制消息和收发采集数据：能量 供应模块通常采用微电池供电。传感器节点的设计都致力于使每个传感器节点成本 非常低廉，所以节点所配置的处理器模块和无线通信模块性能都较低，此外，节点 电池电量也较少。 1 1 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络是一种新兴的无线网络，与传统的无线网络有一定的相似，但 因其工作方式和廉价的硬件配置，无线传感网络在协议设计、资源管理、应用开发 等方面有很多不同于传统无线网络的特点，区别主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 通信能力有限。传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几 十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败，且易受到高山、建 筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，可能会长时间脱离网络， 离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是 研究传感器网络必须要解决的问题。 ( 2 ) 电源能量有限。网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃，电 源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题，商品化的无线发送接收器电源远远 不能满足传感器网络的需要。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l o o m 所需要的电能足以执行3 0 0 0 条计算指令。图1 3 所示是d e b o r a h e s t r i n 在m o b i c o m 2 0 0 2 会议上的所述传感器节点各部分能量消耗的情况。如何在网 络工作过程中节省能源，最大化网络的生命周期，也是重要的研究领域之一。 2 0 1 5 旨 目 建l o 督 5 o 图1 3 传感器节点能量消耗情况 ( 3 ) 计算能力有限。传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器。这 第一章绪论无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究 些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器 和存储器的处理能力和容量均有限，导致传感器的计算能力也十分有限。 ( 4 ) 以数据为中心。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值， 而不会去关心具体某个节点的观测数据。比如说人们可能希望知道“检测区域的东 北角上的湿度是多少 ，而不会关心“节点探测到的湿度值是多少 。这就是传感器 网络的以数据为中心的特点，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网 络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合，提出有用信息直接传送 给用户。 ( 5 ) 传感器数量大、分布范围广。传感器网络中的传感器节点分布密集、数量 巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。此外，传感器网络分布很广泛，使得传 感器的数量与用户数量非常大。传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分 困难，甚至不可维护。因此，传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。 ( 6 ) 网络动态性强。传感器网络具有很强的动态性。网络中的传感器、感知对 象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或己有节点失效。 因此，网络的拓扑结构动态变化，导致传感器、感知对象和观察者三者之间的路径 也随之变化。传感器网络必须具有可重构性和自调整性。 1 1 3 无线传感器网络研究的关键技术 传感器节点通常体积微小，使用能量有限的电池供电，而且布置之后一般难以 再次充电，因此，如何高效的使用有限的能量来最大化网络寿命是无线传感器网络 面临的首要挑战 4 1 。另外，由于无线传感器网络具有节点数量大，节点覆盖小的特 点，如何减少节点间的数据碰撞，高效的利用有限时隙、频率资源是设计无线传感 器网络重要考虑的问题。下面简要介绍一下无线传感器网络研究中的关键技术： 能量有效路由 在无线传感器网络中，结合无线信道中能量损耗的特点，传感器节点应该尽量 避免直接与汇聚节点进行通信。因此，节点一般以多跳的方式通过中间节点的转发 向汇聚节点传送感知数据，使得路由算法成为高效通信的重要保障，并对各节点的 能量消耗、网络寿命以及通信质量有着决定性的作用。在保证网络覆盖区域和数据 质量的基础上，节点根据数据传输距离的远近选择下一跳，与尽量少的节点通信。 4 无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究第一章绪论 在网络范围内，应考虑各个节点能量消耗的均匀性，使整个网络的寿命最大化，并 保证在某些节点失效的情况下具有较强的健壮性。 另外，传感器节点的计算能力、存储和通信能力都很有限，每个节点也都只能 获取局部的网络拓扑信息，运行的网络路由协议不能够太复杂，有时甚至可以采用 汇聚节点集中控制的方法。同时，网络拓扑结构和网络资源的动态变化也对网络路 由协议提出了更高的要求。 多址接入方式 各个节点可以采用随机竞争的方式共享无线信道，也可以以时分复用或者码分 复用的方式接入，实现节点与汇聚节点或节点相互之间的通信。 基于随机竞争的接入方式的基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争的方 式使用无线信道。如果节点发送数据失败，就按照一定的策略随机退避并重发数据， 或者放弃发送。这里，节点的数据发送产生的碰撞是能量浪费的主要原因。 采用固定分配信道时提高时间和频率资源的利用率是设计节点接入通信的另 一个考虑。在无线传感器网络中，节点的数目通常很大，如果采用传统的时分复用 方式，每个节点的有效占用信道时间很短，导致节点感知数据传输实时性的降低， 并且系统资源效率低下。因此，必须采取合适的策略在不互相干扰的前提下使节点 共享时隙和频率资源。例如对节点进行分簇，簇内节点使用基于时分复用的m a c 协议【5 ，6 】进行通信，而簇间采用c d m a ( 码分复用多址接入) 来避免节点间的相互 干扰，同时提高了资源利用率。 同时，如何合理的设计节点天线的工作和休眠时间，在保障监测任务的前提下 尽量减少节点天线的功率消耗也是一个挑战。汇聚节点或者网络内的控制节点在分 配信道并建立连接时所需要的控制信息产生的开销也直接影响到网络能量的利用 率。 数据融合 由于能量的约束，以及无线传感器网络中相邻节点感知数据相似的特点，可以 在各个传感器节点传输数据的过程中，利用节点的本地计算和存储能力进行数据融 合，去除冗余信息。此外，由于传感器节点的易失效性，传感器网络也需要数据融 合技术对多份数据进行融合以提高信息的准确度。 数据融合技术在节省能量和提高数据准确性的同时，要以牺牲其他方面的性能 为代价，例如数据处理和等待带来的时延的增大，以及数据融合所带来的一定的信 5 第一章绪论 无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究 息损失。 网络管理 无线传感器网络的管理是最近兴起的一个热点话题，它为针对不同应用的无线 传感器网络提供一个架构，来提供统一解决的管理解决方案。网络管理是对网络中 的设备和系统进行监视、诊断、测试和控制所采用的方法和技术，控制着一个复杂 的网络使得它具有最高的效率和生产力。根据进行网络管理的系统的能力，这一过 程通常包括数据收集、数据处理，然后提交给管理者，用于在网络操作中使用。它 可能还包括分析数据并提供解决方案。进一步它还可以产生对管理者管理网络有用 的报告。对于自组织的模式，有c s ( c l i e n t s e r v e r ) 和m a ( m o b i la g e n o 的两种方法。 c s 的方法已经在传统的计算机网络中获得了广泛的应用，在应用于无线传感器网 络时，观察者作为客户( c l i e n t ) 定期地向各个感知节点( s e r v e r ) 发送请求，然后对返 回的数据统一进行处理。这种方法的优点在于可以充分利用客户端更为丰富的资 源，但是有可能带来客户端数据接收的数据通信量瓶颈。在m a 的方法中，网络智 能的将数据处理所需要的代码发送到数据所在的节点，仅仅返回处理之后的结果数 据。它充分发挥了网络的自组织特性，提供了较大的灵活性和可扩展性，但是带来 了一定的初始建立开销。 定位技术 确定事件发生的位置信息是无线传感器网络进行感知的一项基本功能，因此需 要在节点布置确定之后能进行自身的准确定位。传感器节点利用g p s ( g l o b a l p o s i t i o ns y s t e m ) 或者一些位置信息已知的特殊节点，通过能量有效的分布式算法计 算各自的位置。由于节点的能量以及通信距离的限制，无线传感器网络的定位算法 通常需要具有自组织性，即不需要依靠全局性的辅助设施，以及较高的容错能力。 网络安全 保证任务执行的机密性和数据传输的可靠性是无线传感器网络安全问题所考 虑的内容。同时，鉴于传感器节点的能量和计算能力的有限性，如何用最简单的算 法实现最强的安全强度成为无线传感器网络安全的主要挑战。另外，无线传感器网 络任务的协作性使节点之间存在安全耦合，构成对网络安全的威胁。因此无线传感 器网络的设计必须减小这种耦合性。 6 无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究 第一章绪论 1 2 研究背景与意义 由于传感器节点的尺寸小、无人维护、应用场景不适合人工更换电源等特点， 传感器网络研究的首要问题就是节省能量。因此，必须设计新的算法，实现可靠， 能量高效，且能保证网络内能量消耗平衡的无线传感器网络路由协议。此外，无线 传感器网络是面向特定应用的网络，针对不同的应用，建立最优传输路径的准则也 会有所不同，为此，国内外的学者设计了各种各样的策略，以对应各种特定的场景 如：基于多路径和能量感知的路由协议，基于可靠的路由协议，基于查询的路由协 议，基于协商的路由协议，基于q o s 的路由协议和基于位置的路由协议等。 数据收集是无线传感器网络最基本的应用，是各种复杂应用的基础，也是现阶 段无线传感器网络研究的重点之一。在无线传感器网络数据收集应用中，数据流遵 循多对一的模式，节点问往往采用多跳方式进行通信，一些节点既产生数据也转发 数据i l j 。因而，离s i n k 较近的节点需要承担更多的通信负载，容易过早耗尽自身的 能量，导致在s i n k 节点周围出现能量空洞和监测盲区。能量空洞的出现使网络采集 的数据不能进一步传送给s i n k 节点，此时网络的生存周期结束，网络中遗留大量未 被充分利用的能量资源。文献 7 】中模拟实验表明如果采用节点均匀分布策略且数据 多跳传输，则网络中可能有高达9 0 的能量被浪费。已有的数据收集协议主要是针 对减少数据传输中的能量消耗，不能很好的解决能量空洞。 1 3 本文研究内容 为解决无线传感器网络数据收集应用中的能量空洞问题，已经提出了一些解决 方案。本文对已经提出的一些解决方案进行研究分析，首先，基于不均匀分簇的思 想，提出了一种以周围节点剩余能量和簇内通信代价为主要因素的簇头竞争机制， 簇头问路由以节点转发能力为主参数的层次路由算法。其次，针对已提出的节点不 均匀方案中存在的问题，提出了一种优化的节点布置方案，并基于这种布署方案提 出了一种基于核的路由算法。最后在o m n e t + + 平台上进行了对提出的路由算法模 拟仿真。具体的研究内容如下： ( 1 ) 总结了传感器网络路由协议的研究现状和面临的挑战，分析了传感器网络 路由协议的特点和设计要求，着重探讨了几种常见的传感器网络路由协议，并对其 7 第一章绪论 无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究 对比分析。 ( 2 ) 针对层次路由协议中的能量空洞问题，基于不均匀分簇的思想，提出一种 以周围节点剩余能量和簇内通信代价为主要因素的簇头竞争机制，簇头问路由以节 点转发能力为主参数的层次路由算法。 ( 3 ) 分析已有的节点不均匀分布方案中存在的不足，提出种优化的节点布置 方案，并在新方案的基础上提出了一种基于核的路由协议。 ( 4 ) 研究o m n e t + + 仿真平台的机制、原理，对提出的协议进行模拟实验，与 已有路由协议相比较，验证本文协议的优越性。 1 4 本文组织结构 第一章绪论。简要描述了无线传感器网络，介绍了课题的研究背景和意义， 并对本文的主要工作给出了概要说明。 第二章无线传感器网络路由协议及相关研究。首先描述了无线传感器网络路 由协议的功能、特点与挑战等相关的问题，然后归纳了当前路由协议的几种不同的 分类标准，从平面路由、层次路由与基于地理位置的路由的角度介绍了目前的研究 工作，最后指出当前数据收集路由协议中的能量空洞问题。 第三章层次路由协议中能量空洞问题的研究。首先，分析了e e u c 路由协议 的优缺点，针对协议中存在的不足提出一种新的基于非均匀分簇的层次路由协议 r a u c ，对协议的网络模型、设计思想、算法执行进行了详细阐述，然后简要介绍 了o m n e t + + 仿真平台，并在此平台上实现了r a u c 协议，最后对l e a c h 、e e u c 、 r a u c 进行模拟实验和性能比较分析。 第四章无线传感器网络中节点布置的研究。首先分析了已经提出的节点布置 方案存在的问题，然后通过能耗分析与理论证明提出了一种新的节点布置方案，并 针对新提出的布置方案设计了一种基于核的路由协议，最后对提出的布置方案与路 由协议进行模拟实验和性能分析。 第五章总结与展望：总结全文，对下一步研究工作提出展望。 8 无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究第二章无线传感器网络路由协议及相关研究 第二章无线传感器网络路由协议及相关研究 本章主要是对无线传感器网络路由协议的概述以及研究现状的分类总结。首先 介绍无线传感网络路由协议的功能、特点和面i j 名的挑战，以及工作方式和分类标准； 然后给出了路由协议的研究现状，并对已有的典型路由协议进行对比分析；最后阐 述了无线传感器网络中的能量空洞问题，并介绍了目前已提出的部分解决方案与存 在的挑战。 2 1 无线传感器网络路由协议概述 2 1 1 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，主要包括两个功 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。传 统无线网络的首要目标是提供高质量服务和公平高效地利用网络带宽，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，并均衡 网络流量避免产生通信拥塞等，因其都有持续的能量供给，所以能量消耗问题不是 这类网络考虑的重点。无线传感器网络从物理结构、网络特性等多方面都区别于传 统网络，因此，两者的路由协议也存在较大差别。无线传感器网络的网络特点和通 信需求要求其路由协议设计必须以节约能源为主要目标，使用户可以在延长网络生 命周期和提高网络吞吐量、降低通信延时之间取得折中。因此，无线传感器网络路 由协议的设计是一项非常具有挑战性的工作。我们在研究其路由协议的过程中，需 要考虑其以下特点： ( 1 ) 能量优先 传统网络在选择最优路径时，很少考虑节点的能耗问题。而无线传感器网络中 节点的能量有限，延长整个网络的生命周期是无线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耗以及网络负载均衡问题。 ( 2 ) 以数据为中心 传统的路由协议通常以地址为中心，而无线传感器网络中大量节点随机部署， 9 第二章无线传感器网络路由协议及相关研究 无线传感网路由协议中能量窄洞问题的研究 所关注的是监测区域的感知数据及其位置，而不是采集该信息的节点的逻辑地址， 因此是以数据为中心。 ( 3 ) 基于局部拓扑信息 为了节省能量，无线传感器网络通常采用多跳通信模式，而节点有限的资源使 其无法存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。因此，在节点只能获取 局部拓扑信息和资源受限的情况下实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的 一个基本问题。 ( 4 ) 面向特定的应用 无线传感器网络的通信架构及其所提供的服务都是针对特定应用而设计的。在 数据传输过程中，每个节点都需要基于应用的需求，对来自其他节点的转发数据及 其自身采集的数据进行融合与转发。不同的应用对路由协议提出了不同的要求。 基于无线传感器网络路由协议的以上特性，我们在设计其路由策略时，应遵循 以下设计准则。 ( 1 ) 能量有效性。节点低能耗和网络能耗均衡，并延长网络生命周期，是无线 传感器网络路由设计的首要目标。传感器网络路由协议不仅要选择能耗少的传输路 径，而且要从整个网络的角度考虑，选择能够使全网能量均衡消耗的路由。 ( 2 ) 计算复杂度。传感器节点的小型化发展趋势，使得其路由协议的设计受到 节点大小和计算功能的限制。因此，需要采用简化的路由协议，以减小协议占用的 内存空间，降低计算复杂度。 ( 3 ) 稳健性和容错性。大量传感器节点被随机地部署在恶劣环境之中，很容易 因为能量耗尽或环境干扰而失效，但部分节点的失效不应该影响整个网络的性能， 因而要求无线传感器网络的路由协议具有一定的稳健性和容错性。 ( 4 ) 可扩展性。一个无线传感器网络通常是由成百上千的传感器节点组成，旧 节点离开、新节点加入以及节点移动等，都会使网络的拓扑结构发生变化，这就要 求路由协议具有较好的可扩展性，能够动态地适应网络规模和节点数量的变化。 ( 5 ) 数据融合。由于无线传感器网络中的节点密度较大，相邻节点采集到的数 据具有较大的冗余度。如果对原始数据不加处理直接传输，将会造成不必要的资源 浪费。数据融合的基本思想是将多个不同源节点传来的数据按照一定准则进行融 合，减小数据传输量，提高信息的准确度，节约网络资源。 ( 6 ) 局部寻址策略。无线传感器网络中庞大的节点数量，以及有限的存储空间， l o 无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究第_ 二章无线传感器网络路由协议及相关研究 使得节点个体不可能拥有网络的全局信息。而无线传感器网络的特殊应用场景，要 求节点必须具备白组织性。因此，其路由协议应该是局部寻址。各个传感器节点单 独感知其自身地点及其邻域，而所有节点感知结果的总和反映对整个网络的全局认 识。 ( 7 ) 传输时延。为了保证无线传感器网络通信中的实时性，必须尽可能减少时 延。如在战场监测系统中，需要将敌军的位置及时地传回，这就要求我们设计的无 线传感器网络路由协议传输延迟尽可能的小。 2 1 2 路由协议的分类标准 无线传感器网络路由协议负责将网络中产生的数据可靠地传输到s i n k 节点。由 于无线传感器网络与应用高度相关，单一的路由协议不能满足各种应用需求，因而 人们提出了众多的路由协议。为了方便对路由协议的分析，研究人员对路由协议进 行分类，根据分类策略的不同，路由协议有众多的分类标准【8 】。如下： ( 1 ) 根据传输过程中采用路径的多少，可分为单路径路由协议和多路径路由协 议。单路径路由节约存储空间，数据通信量少；多路径路由容错性强，健壮性好， 且可从众多路由中选择一条最优路由。 ( 2 ) 依据路由建立的网络结构来分，无线传感器网络可以分为平面式路由，层 次式路由，以及基于地理位置的路由。 ( 3 ) 根据路由建立时机与数据发送的关系，可分为主动路由协议、按需路由协 议和混合路由协议。主动路由建立、维护路由的开销大，资源要求高；按需路由在 传输前需计算路由，时延大：混合路由则综合利用这两种方式。 ( 4 ) 根据是否以数据来标识目的地，可分为基于数据的路由协议和非基于数据 的路由协议。有大量w s n 应用要求查询或上报具有某种类型的数据，这是基于数 据的路由协议的应用基础，但需要分类机制对数据类型进行命名。 ( 5 ) 根据节点是否编址、是否以地址标识目的地，可分为基于地址的路由协议 和非基于地址的路由协议。基于地址的路由在传统路由协议中较常见，而在w s n 中一般不单独使用而与其他策略结合使用。 ( 6 ) 根据路由选择是否考虑q o s 约束，可分为保证q o s 的路由协议和不保证 q o s 的路由协议。保证q o s 的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等 第二章无线传感器网络路由协议及相关研究 无线传感网路由协议中能量空洞问题的研究 q o s 参数，从众多可行路由中选择一条最适合q o s 应用要求的路由。 ( 7 ) 根据数据在传输过程中是否进行聚合处理，可分为数据聚合的路由协议和 非数据聚合的路由协议。数据聚合能减少通信量，但需要时间同步技术的支持，并 使传输时延增加。 ( 8 ) 根据路由是否由源节点指定，可分为源站路由协议和非源站路由协议。源 站路由协议节点无须建立、维护路由信息，从而节约存储空间，减少通信开销。但 如果网络规模较大，数据包头的路由信息开销也大，而且如果网络拓扑变化频繁， 将导致路由失败。 ( 9 ) 根据路由建立时机是否与查询有关，可分为查询驱动的路由协议和非查询 驱动的路由协议。查询驱动的路由协议能够节约节点存储空间，但数据时延较大， 且不适合环境监测等需紧急上报的应用。 2 2 无线传感器网络路由协议的研究现状 依据路由建立的网络结构，无线传感器网络可以分为平面式路由，层次式路由， 以及基于地理位置的路由。其中，在平面式的路由中，各个传感器节点的功能和角 色是完全相同的。而在层次式的路由中，会有一些节点作为有转发功能的特殊节点。 在基于地理位置的路由中，路由建立充分利用了各个节点的地理位置信息【9 1 。下面 我们采用此分类方法简要介绍一些现有的路由算法。 2 2 1 平面式路由 洪泛路i 扫( f l o o d i n g ) 洪泛路由协议【l o 】是无线传感器网络中应用最早且最简单的路由协议，它不需要 任何路由算法，也不需要维护网络拓扑结构，节点向它的所有邻居节点广播接收到 的数据，如此反复，直到数据到达目的节点或者达到数据报的最大跳数。洪泛协议 实现非常简单，也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，因而适用于健壮性要求高的场合。但是，如图2 1 所示，它存在内爆 ( i m p l o s i o n ) 的问题，即出现一个节点可能得到一个数据多个副本的现象。此外，它 没有考虑相邻节点数据的冗余性以及路由中节点的剩余能量状态，导致了重叠 ( o v e r l a p ) 的问题，也无法做出相应的自适应路由选择。g o s s i p i n g 协议i lo