（计算机软件与理论专业论文）无线传感器网络定向扩散路由协议研究.pdf

并与经典定向扩散路由 延长了整个网络的生命 i i i iiiiirli ir lfiiil l l l l l i111l y 17 6 8 2 6 0 r e s e a r c h0 ndir e c t e ddif f u s10 nr o u tin gp r o t o c o l sln wir e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a b s t r a c t m a j o r ：c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y n a m e ： y i n g d il i s u p e r v i s o r ：z h i - l o n gs h a n i nr e c e n ty e a r s ，w s ni sb e c o m i n gt h eh o t p o to ft h er e s e a r c ho nw i r e l e s sn e t w o r k s r o u t i n g p r o t o c o l sa l ev e r yi m p o r ti nw 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 gt e c h n o l o g yd e t e r m i n e st h ed a t a c o l l e c t i n ga n dt r a n s m i t t i n gp a t t e mi nw s n ，w h i c hm a yh a sg r e a ti n f l u e n c et ot h en e t w o r ku s a b i l i t y a n de f f i c i e n c y d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fw s n ，t h e s ec o n c e r n s ，e x i s t i n gr o u t i n gp r o t o c o l sa r en o t s u i t a b l ef o rw s n t h e r e f o r e ，s o m en e ws p e c i a lp r o t o c o l sf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka p p e a r e d ，f o r e x a m p l e ，f l o o d i n g ，s p i n ，s a r ，d d ，l e a c h ，t e e n ，p e g a s i s ，a n ds oo n a m o n gt h e m , d di s p r e s e n t e de a r l i e ra n di ti sat y p i c a ld a t a c e n t r i cp r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i td e s i g n s r o u t i n gb a s e do ni n q u i r y , a n dd dd o e sn o tm a i n t a i nt h ew h o l en e t w o r ki n f o r m a t i o n d da l s oh a s d e f e a t s ：i nt h ei n i t i a li n t e r e s td i f f u s i o ns t a g e ，d du s e st h ef l o o d i n gm e t h o d ，w h i c hl e a d st om o r e e n e r g ye x p e n s e s w ef o c u s o na n a l y z ea n dr e s e a r c hd d r e g a r d i n ge n e r g ye x p e n s e s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e ：t h i sp a p e rf i r s t l yr e s e a r c ht h ew s n ，a n ds t u d i e sw s n r o u t i n gp r o t o c o l sd e t a i l e d ，a n dc o m p a r e ss o m es p e c i a lp r o t o c o l s ，a n da n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo f d di n - d e p t h , a n dp o i n t so u td du s i n gf l o o d i n gt os e n di n t e r e s t ，w h i c hl e a d st om o r ee n e r g y e x p e n s e s ，a n dc u t sd o w nt h el i f e t i m eo fn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h es h o r t a g eo fd d ，c o n s i d e r a t i o no f t h en e t w o r ke n e r g y , i nv i e wo fe n e r g yc o n s u m p t i o no fd d ，a n di no r d e rt os a v ee n e r g y , w ep r o p o s e t w oi m p r o v e dp r o t o c o l s ：o n ei sd i r e c t e dd i f f u s i o nb a s e do np r i o r i t y , t h eo t h e ri sd i r e c t e dd i f f u s i o n b a s e do nr a d i of r e q u e n c yo fa n g l e t h e nw eg i v et h et h e o r yc o n f i r m a t i o na n dr e a l i z et h es i m u l a t i o n b a s e do nn s 2 t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r e 1 ) t h i sp a p e rp r o p o s e sd d b p , w h i c hs e l e c t sn o d e sb yp r i o r i t yt of l o o di n t e r e s t s ，i n s t e a do f i i i 华南师范大学硕士学位论文 t r a n s m i t t i n gi n t e r e s to m n id i r e c t i o n a l l y , s oi td e c r e a s e st h en u m b e ro fp a r t i c i p a t i n gn o d e si nt h e f l o o d i n g ，a n dr e d u c e st h ee n e r g ye x p e n s eg r e a t l y 2 ) t h i sp a p e rp r o p o s e sd d r f a , w h i c hs e l e c t sn o d e sb yr a d i of r e q u e n c yt of l o o di n t e r e s t ， i n s t e a do ft r a n s m i t t i n gi n t e r e s to m n id i r e c t i o n a l l y o n l yi nt h er a d i of r e q u e n c ys c o p ec a nt h e i n t e r e s t sb ed i f f u s e db yt h en e i g h b o rn o d e s ，i tr e d u c e st h es c o p eo ff l o o d i n g ，a n da c h i e v e st h eg o a lo f e x t e n s i o nn e t w o r kl i f e 3 ) t h r o u g h t h es i m u l a t i o nw i t hn s 2 ，t h ei m p r o v e dp r o t o c o l sh a v eab e t t e rp e r f o r m a n c eo nt h e l i f e t i m eo f t h en e t w o r k , c o m p a r i n gw i t ht h et y p i c a ld d i tp r o l o n g st h el i f e t i m eo f t h ew h o l en e t w o r k g r e a t l y 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 s ；d i r e c t e dd i f f u s i o n ；p r i o r i t y ；f r e t u e n c yo f a n g l er o u t i n gp r o t o c o l i v 无线传感器网络定向扩散路由协议研究 目录 摘要1 a b s t r a c t ili 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 无线传感器网络概述1 1 2 1 无线传感器网络系统结构1 1 2 2 传感器节点的结构3 1 2 3 无线传感器网络协议栈3 1 2 4 无线传感器网络的特点6 1 2 5 无线传感器网络关键技术7 1 2 6 无线传感器网络应用领域7 1 3 课题研究意义9 1 4 论文的研究内容9 1 5 论文的组织结构1 0 第二章无线传感器网络路由协议1 1 2 1 无线传感器网络路由协议概述1 1 2 2 无线传感器网络路由协议设计要求1 1 2 3 无线传感器网络路由协议分类12 2 4 典型路由协议分析1 3 2 5 小结1 6 第三章定向扩散路由协议的理论分析1 7 3 1 定向扩散路由协议的基本定义17 3 2 定向扩散路由协议的工作原理18 3 3 定向扩散路由协议特点：2 4 3 4 定向扩散路由协议存在的问题2 4 3 5 小结2 5 第四章基于优先级的定向扩散路由协议2 6 4 1 引言2 6 4 2 传统定向扩散路由协议的泛洪过程2 6 4 3 基于优先级的定向扩散路由协议2 7 4 3 1 算法描述2 8 4 3 2d d b p 理论分析2 9 4 3 3 性能分析3 1 v 华南师范大学硕士学位论文 4 4 小结3 4 第五章基于射频角度的定向扩散路由协议3 5 5 1 算法描述3 5 5 2d d r f a 理论分析3 7 5 3 仿真分析3 7 5 4 小结3 9 第六章总结与展望4 0 6 1 总结4 0 6 2 展望4 1 参考文献4 2 致谢4 6 攻读硕士学位期间公开发表的学位论文4 7 v i 无线传感器网络定向扩散路由协议研究 1 1 课题背景 第一章绪论 随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展和r 益成熟，传感器 信息获取技术已经从过去的单一化逐步向集成化、微型化和网络化方向发展，无线传感器网络 ( w h l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 也应运而生。 无线传感器网络【l 】是集信息采集、信息传输、信息处理与一体的综合智能信息系统，具有 广阔的应用前景，是目前非常活跃的领域之一。2 0 0 0 年，美国国防部将传感器网络列为国防5 个尖端领域之一。2 0 0 2 年，美国o a k 实验室预言：i t 时代】下从“t h en e t w o r ki sc o m p u t e r 向“t h en e t w o r ki ss e n s o r ”转变。2 0 0 3 年，美国技术评论将无线传感器网络技术列为未来 改变人类生活的十大技术之首。预计无线传感器网络的广泛应用是一个必然趋势，它将给人类 社会带来新的变革。 作为2 l 世纪改变世界的十大技术之一的无线传感器网络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，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。借助于传感器节 点中内置的多种形式的传感器器件，可以测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震 波信号等，从而探测包括温度、湿度、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方 向等许多我们感兴趣的物质现象。无线传感器网络涉及众多学科，现已成为目前计算机领域中 的研究热点之一。 1 2 无线传感器网络概述 1 - 2 1无线传感器网络系统结构 在信息技术飞速发展的今天，以互联网为代表的信息网络给人们的生活带来了巨大的变 化。尤其近几年现代微电子技术、微细加工技术、嵌入式系统设计技术、无线信息通信技术、 计算机网络技术的进步以及互联网技术的发展，传感器信息获取技术从数据采集向集成化、微 华南师范大学硕十学位论文 型化、智能化、网络化方向发展。但是，由于无线传感器网络自身的特点，没有一个统一的研 究标准，也没有统一的研究平台，使得对于无线传感器网络的研究还处于初步阶段。 无线传感器网络的体系结构【2 】通常分为硬件体系结构和软件体系结构。从硬件角度来讲， 无线传感器网络由部署在监测区域内大量廉价的传感器节点组成，通过无线通信方式形成自组 多跳的网络系统，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，并发送 给观察者，其系统结构如图1 1 所示。 用户 汇聚节点 监测区域传感器节点 图卜1 无线传感器网络的系统结构 在图中，大量传感器节点随机的散布于整个监测区域中，每个传感器节点都具有无线通信 能力，智能化程度较高的数据处理和网络处理能力，通过自组织、多跳方式构成传感器网络。 传感器节点对所监测的信息进行处理之后，以多跳中继的方式把监测信息中继给汇聚节点，然 后由汇聚节点把信息经过卫星、互联网、移动通信网络等途径传送给用户所在的管理节点。用 户就可以通过管理节点对无线传感器网络进行管理和配置、发布监测任务或是收集回传数据。 传感器节点通常是一个嵌入式系统，由于受到体积、价格和能源供给等因素的限制，它的 处理能力、存储能力相对较弱，通信距离也很有限，通常只与自身通信范围内的邻居节点交换 数据。要访问通信范围以外的节点，就必须采用多跳的方式路由解决。为了确保采集到的数据 能够通过多跳的方式到达汇聚节点，就要求节点分布比较密集。从网络功能上看，每个传感器 节点都具有信息采集和路由的双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要存储、管 理和融合其他节点转发来的数据，同时与其他节点协作完成一些特定任务。 汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够能量 供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点，也可以是一个带有无线通信接口的特殊 网关设备。汇聚节点连接传感器网络与外部网络，通过协议转换实现管理节点与传感器网络之 间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同时发布管理节点的任务。 2 无线传感器网络定向扩散路由协议研究 1 2 2传感器节点的结构 7 9 0 传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源单元等几部分组成，如图1 2 所 图1 2 传感器：肖点结构 传感单元用于感知、获取监测区域内的信息，并将其转换为数字信号，它由传感器和模 数转换器( a d c ) 组成；a d c 将传感器根据其观测到的物理现象而生成的模拟信号转换成数 字信号，然后将其送到处理单元；处理单元通常连接着一个小存储单元，负责控制和协调节点 各部分的工作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据，它由嵌入式系统构成， 包括处理器、存储器等；无线收发单元负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发 采集数据，它由无线通信模块组成；电源单元能够为传感器节点提供f 常工作所需要的能源， 通常采用微型电池。 此外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。由 于需要进行负责的任务调度与管理，处理单元还需要包含一个功能较为完善的微型化嵌入式操 作系统，如美国u cb e r k e l e y 大学开发的t i n y o s 。目前已有多种成型的传感器节点设计，如 b e r k e l e y 的m o t e s ，i c t c a s p h k u s t 的b u d s ，i n t e l 的i m o t e 等，它们在实现原理上是相似 的，只是采用了不同的微处理器、不同的协议和通信方式。 由于传感器节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度地 节约电能，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分 电源；在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其他的一些网络 性能指标，以获得更高电源效率。 1 2 3 无线传感器网络协议栈 图1 3 给出无线传感器网络的体系结构，它由分层的网络通信协议、网络管理平台以及支 华南师范大学硕士学位论文 撑平台组成。协议栈将功率意识和路由意识组合在一起，将数据与网络协议综合在一起，在无 线传输媒介上进行能量高效通信、支持、各个传感器节点相互协作。根据无线传感器网络特性 设计的网络体系结构采用二维结构，即横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面。其中网 络管理面可以划分为能耗管理面、移动性管理面、以及任务管理面。管理面的存在主要是用于 协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。 应用支撑平台 厂飞用月务接占 广面磊面矿 卿尽一一世i 鐾? 蛔 安 全 一算黻一 二，堂婶制一一- 1 f 移 网 网络层 碡f 霖 夤 动 络 网络层l 一一一 窭l 箸2 管 一一 一一 住】 能 理 ! j 据链路层l 一m a c 一一 ：制 量 物柙臣厂一声、光、6 _ 丽 网络通信协议网络管理平台 图1 - 3 无线传感器网络体系结构 ( 1 )横向分层的网络通信协议 通信协议层横向可以划分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。 1 ) 物理层 无线传感器网络的物理层负责信号的调制和数据的收发、所采用的传输介质可以是无线、 红外线或者光介质，大量无线传感器网络节点都是基于射频电路，在收发双方可以存在的视距 传输信息。 2 ) 数据链路层 无线传感器网络的数据链路层负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制。其中，媒体 访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误 地到达目标节点。 3 ) 网络层 无线传感器网络的网络层负责路由发现和维护，通常大多数节点无法直接与网关通信，需 要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。 4 无线传感器网络定向扩散路由协议研究 4 ) 传输层 无线传感器网络的传输层负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络内的 数据，并使用卫星、移动通信网络、i n t e m e t 或者其他链路与外部网络通信。 5 ) 应用层 根据感知任务，可以在应用层上建立和使用不同类型的应用软件。 ( 2 )网络管理平台 主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，它包括了拓扑控制、服务 质量管理、能量管理、安全管理、移动管理和网络管理等。 1 ) 拓扑控制。为了节约能量，某些传感器节点会在某些时刻进入休眠状念，这导致网络 的拓扑结构不断变化，因而需要通过拓扑控制技术管理各节点状态的转换，使网络保持畅通， 数据能够有效传输。拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信 息支持，优化m a c 协议和路由协议，降低能耗。 2 ) 服务质量管理。服务质量( q o s ) 管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带 宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。它是网络与用户之间及网络上互相通信的 用户之间关于信息传输与共享的质量约定。 3 ) 能量管理。在无线传感器网络中，电源能量是各个节点最宝贵的资源。为了使无线传 感器网络的使用时间尽可能的长，需要合理、有效地控制节点对能量的使用。每个协议层次中 都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配决策。 ， 4 ) 安全管理。由于节点随机部署、网络拓扑的动态性以及无线信道的不稳定，传统的安 全机制无法在无线传感器网络中适用，因此需要设计新型的无线传感器网络安全机制。 5 ) 移动管理。在某些无线传感器网络应用环境中节点可以移动，移动管理用来监测和控 制节点的移动，维护和汇聚节点的路由，还可以是传感器节点跟踪它的邻居。 6 ) 网络管理。网络管理是对无线传感器网络上的设备及传输系统进行有效监视、控制、 诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状 态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。 ( 3 )应用支撑平台 建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础之上，它包括一系列基于监测任务的应用 层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为最终用户提供各种具体应用的支持。 1 ) 时间同步。无线传感器网络的通信协议和应用要求各节点间的时钟必须保持同步，这 5 华南师范大学硕士学位论文 样多个传感器节点才能相互配合工作。此外，节点的休眠和唤醒也要求时钟同步。 2 ) 定位。节点定位是确定每个传感器节点的相对位置或绝对位置，节点定位在军事侦查、 环境监测、紧急救援等应用中尤为重要。 3 ) 应用服务接口。无线传感器网络的应用是多种多样的，针对不同的应用环境，有各种 应用层的协议，如任务安排和数据分发协议、节点查询和数据分发协议等。 4 ) 网络管理接口。主要是传感器管理协议，用来将数据传输到应用层。 1 2 4无线传感器网络的特点 无线传感器网络【3 卅与当前无线网络相比有一些独有的特点，i f 是由于这些特点使得无线 传感器网络存在很多新问题，提出了很多新的挑战，无线传感器网络主要有以下特点： 1 节点数量多、规模大、密度高。无线传感器网络通常是随机的密集分布在整个监测区 域内，以获取尽可能精确、完整的信息。但是由于无线传感器节点的微型化，每个节点的通信 和传感半径很有限，一般为几十米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠 状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。另外，无线传感器网络节点数 量比较多，平均每平方米内有上百个节点，有的甚至更多，所以这就可能存在信息冲突，信息 有效传输路径的选择，节点协同工作等问题。 2 动态性。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( 如无线通 信链路时断时续、突发事件产生导致网络任务负载变化等) ，或者节点本身具有移动能力，都 可能给网络的拓扑带来变化，这就要求传感器节点能够随着环境的变化适时调整自身的工作状 态。 3 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，这就要求传感器网络能够脱离传统网络的寻找过 程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。 4 可靠性。通过随机部署传感器节点，无线传感器网络可以大规模部署于指定的恶劣环 境或无人区域，由于传感器节点往往是在无人值守的情况下工作，所以无线传感器节点设计应 非常坚固、不易损坏，在环境因素变化不可预知的情况下更好的适应各种极端的环境，具有一 定的故障率，能在出现故障时，仍能正常工作。 5 节点能量有限。传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有 限，传感器节点通常会受到电源供电能力、计算和存储能力，以及通信能力的限制。而传感器 6 无线传感器网络定向扩散路由协议研究 节点的电池能量限制是整个网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。而传 感器节点的计算和存储能力的限制，使得其不能进行负责的计算。 6 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几十米到几百米之间，如果要到达很远 的目标位置，就需要通过中间节点进行路由，这就要采用多跳的方式进行实现，从而使得网络 中的每个节点既是信息的发布者，也是信息的转发者和接收着。 7 应用相关。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 的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 与传统网络的不同，使得设计的无线传感器网络只能针对一个具体的应用来开展设计工作，以 实现高效、可靠的系统目标。 1 2 5 无线传感器网络关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉，所需要研究的内容7 】 主要可分为4 个部分：网络通信协议、核心支撑技术、自组织管理、开发与应用。 、 ( 1 ) 网络通信协议 无线传感器网络的通信协议包括物理层、数据链路层、网络层和传输层4 个层次。它们相 互配合运行，使得若干个独立的传感器节点能够形成一个多跳的动态的数据收集网络。 ( 2 ) 核心支撑技术 无线传感器网络罩的核心支撑技术包括拓扑控制引、节点定位、时间同步、网内信息处理 和网络安全等。 ( 3 ) 自组织管理 无线传感器网络的自组织管理技术包括节点管理、资源与任务管理、数据管理、初始化与 系统维护管理等。 ( 4 ) 开发与应用 作为一种源于应用而又服务于应用的现实可行的网络技术，无线传感器网络要有一套完整 的软硬件设计原则、高效的开发平台以及一系列别具特色的应用实例。 1 2 6无线传感器网络应用领域 ( 1 ) 军事领域 该领域的应用需求是无线传感器网络【9 1 产生的主要推动力量，如u c b e r k e l e y 的s m a r t m o t e 7 华南师范大学硕士学位论文 的应用背景就是战场侦察系统。在未来无线传感器网络将会成为c 4 i s r t ( c o m m a n d ，c o n t r o l ， c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c e ，r e c o n n a i s s a n c e a n d t a r g e t i n g ) 系统不可 或缺的部分。c 4 i s r t 系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集 命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统。 ( 2 ) 环境监测 随着人们对环境问题的同益关注，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的工作。传感器网络【i o 】为野外随机性的研究数据获取提供了方便，如跟踪 候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响。此外，无线传感器网络还可以有效地监测 到森林火灾发生，并向相关部门提供有助于指定救火方案决策的详实有效的火场信息。 ( 3 ) 医疗健康 如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网 络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，并进行及时处理，而安装在被监测对象身上的微 型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方 便、快捷的技术实现手段。 ( 4 ) 空间探测应用 通过向人类现在还无法到达或无法长期工作的太空外的其他天体上设置传感器网络节点 的方法，可以实现对其长时间的监测。通过对这些传感器网络节点发回的信息进行分析，可以 知道这些天体的具体情况。n a s a 的空间探测设想，可以通过传感器网络探测、监视外星球表 面情况，为人类登入做准备，它通过火箭、太空舱或探路者进行散播。 ( 5 ) 农业应用 农业是无线传感器网络【l l 】使用的另一个重要领域。为了研究这种可能性，英特尔率先在俄 勒冈州建立了第一个无线葡糖园。传感器被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土 壤温度，以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。不久以后，研究人员将实施一种系统， 用于监视每一传感器区域的温度或该地区有害物的数量。他们甚至计划在家畜( 如狗) 上使用 传感器，以便可以在巡逻时搜集必要信息。这些信息将有助于开展有效的灌溉和喷洒农药，进 而降低成本和确保农场获得高效益。 总之，无线传感器网络将是未来一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类 日常生活和社会生产活动的所有领域。可以预见，无线传感器网络将无处不在，将会完全融入 我们的生活。 8 无线传感器网络定向扩散路由协议研究 1 3 课题研究意义 虽然无线传感器网络【1 2 】作为当今研究的热点之一，受到了学术界和工业界的高度关注。而 针对无线传感器网络的研究还不是很成熟，尤其是对于无线传感器网络路由协议设计的研究仍 处于起步阶段，路由协议设计的好坏将很大程度上影响无线传感器网络的可用性和有效性。路 由协议最主要的目的是：路径选择和数掘转发。但是，由于无线传感器网络节点规模小，散布 密集，节点能耗有限等一系列自身特点的限制，使得设计的路由协议更加注重于节点能耗、 q o s 支撑、数据传输延迟、数据融合等要求。因此，许多研究专家针对无线传感器网络的特点， 在研究无线传感器网络的路由协议初期，提出了很多的路由协议，大体分为平面路由协议和分 层路由协议。其中，美国加州大学洛杉矶分校( u c l a ) 的e s t r i n 等人专门针对无线传感器网络 的特点提出了定向扩散路由协议( d i r e c t e dd i f f u s i o n , d d ) ，它与传统的无线网络的路由方式有 着截然不同的实现机制。定向扩散协议是一个重要的基于数据的、查询驱动的路由协议，它的 提出使无线传感器网络的路由设计迈入了一个新的台阶，改变了此前没有专门为无线传感器网 络设计路由策略的情况。定向扩散协议的提出为以数据为中心的无线传感器网络路由设计指出 了发展的主流方向，其后的无线传感器网络路由协议设计都或多或少受到这种思想的影响。为 了增加无线传感器节点的使用寿命，提高能量的使用效率，需要深刻地了解定向扩散算法，掌 握定向扩散算法的设计要点，分析出其中细节上的处理，这样才能更好地把握无线传感器网络 路由设计的特殊要求和解决方法，这也是本文研究的意义所在。 1 1 4 论文的研究内容 论文在无线传感器网络的研究背景下，通过阅读大量无线传感器网络的相关参考文献，并 对无线传感器网络的多种路由方法进行整理比较，尤其针对定向扩散路由协议的一些关键问题 进行详细的研究，然后提出了自己的改进方案和模拟实现。本文研究工作的主要内容包括： 1 采用图示的方式对定向扩散路由协议的整个工作流程进行深入的理论分析，从而更加 形象、直观地描述了定向扩散路由协议的路由建立过程。 2 指出了定向扩散路由协议的优缺点，并针对定向扩散路由协议能量消耗方面提出了自 己的改进方案。采用流程图和图示的方式进行了展示，更加直观地说明了改进的定向扩散路由 协议的构想。 3 采用国际上比较常用的网络模拟器n s 2 建立模拟的整体框架，在分析本文一系列模拟 9 华南师范大学硕士学位论文 实验的基础上，对所提出的改进协议进行定性分析。为了衡量改进的路由协议的性能，本文从 能量消耗，网络剩余能量，兴趣报文转发次数，节点的失效个数等技术指标进行分析。通过采 用对比的分析方法，本文在改变各个参数( 这些参数包括网络节点数目、网络规模、网络运行 时间) 的情况下，分别对传统的定向扩散路由协议、基于优先级的定向扩散路由协议和基于射 频角度的定向扩散路由协议设计等一系列的模拟实验来验证改进的定向扩散路由协议在能量 消耗方面的优势。 4 本文在对定向扩散路由协议、基于优先级的定向扩散路由协议和基于射频角度的定向 扩散路由协议进行比较分析的基础上，提出了进一步研究的内容和方向，这些对将来的工作都 具有一定的意义。 1 5 论文的组织结构 本论文包括三大部分，第一部分是理论研究，包括第一二三章。第二部分是改进方案和仿 真分析，包括第四章和第五章的内容，这是本文的重点内容。第三部分是总结和展望。本论文 的组织结构如下： 第一章简单介绍了无线传感器网络的研究背景，分析介绍了无线传感器网络的基本概念， 如节点结构、无线传感器网络体系结构、关键技术和当f j 的应用等，课题研究意义，简单介绍 了论文的主要工作。 第二章综合介绍了无线传感器网络路由协议的基本内容，包括路由协议的相关概念，并针 对几个较为重要的路由协议进行介绍，给出了性能比较。 第三章详细给出了定向扩散协议的基本定义和基本原理，是全文的理论基础。采用图示的 方式对定向扩散路由协议的整个工作流程进行深入的理论分析和讲解。 第四章详细介绍了基于优先级的定向扩散路由协议的基本构想和基本原理。采用流程图和 图示的方式加以描述，针对定向扩散路由协议兴趣扩散阶段能量消耗巨大的不足，给出了解决 方案，并对解决方案进行了深入的理论分析，通过设计了一系列的仿真实验与传统的定向扩散 路由协议进行仿真比较，给出了仿真分析结果。 第五章详细介绍了基于射频角度的定向扩散路由协议的基本构想和基本原理。通过流程图 和图示的方式描述解决方案，并设计了一系列的仿真实验与基于优先级的定向扩散路由协议和 传统的定向扩散路由协议进行比较，给出了仿真分析结果。 第六章对论文进行总结和展望，指出自己下一步要研究的内容和方向，指导自己未来工作。 l o 无线传感器网络定向扩散路由协议研究 第二章无线传感器网络路由协议 2 1 无线传感器网络路由协议概述 路由技术是w s n 网络层的核心技术之一。无线传感器网络路由协议1 1 3 l 的目的是将分组从 源节点发送到目的节点，主要完成两大功能：一是选择适合的优化路径，二是沿着选定的路径 正确的转发数据。 但是，由于无线传感器网络本身的特点，使得传统的无线a dh o c 网络不同于无线传感器 网络。传统的无线a dh o c 网络【1 4 j 【1 5 1 是基于提高服务质量q o s 和公平性提出了很多路由协议， 并且这些协议的主要任务不是考虑网络能量消耗，提高整个网络的利用率，平衡网络流量，而 是追求端到端的延迟最小，网络利用率最高以及避免通信拥塞和均衡网络流量的最优路径。而 无线传感器网络旨在收集信息，又由于网络节点能量限制，且网络节点众多，使得传感器节点 更注重节点之间的协调，通常节点只能获取局部拓扑信息来构建路由，再加上无线传感器网络 较强的应用相关性和数据的融合处理，使得传统无线网络路由协议不再适合，而且很难设计一 个适合无线传感器网络的通用路由协议。 2 2 无线传感器网络路由协议设计要求 由于传统的无线网络路由协议不适用于无线传感器网络1 1 7 1 ，所以在具体设计无线传感器网 络路由时，需要满足一定的设计要求： ( 1 )能量优先。传感器节点的资源有限，使得无线传感器网络路由协议不仅要考虑能 量消耗小的传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择能使整个网络能量均衡消耗的路由， 进行信息高效传输。 ( 2 )数据融合。为了尽可能减少数据发送，路由协议设计需要以数据为中心考虑，通 过数据融合来有效减少冗余信息。 ( 3 )可扩展。路由协议应适应无线传感器网络规模的变化，在节点密度增加或网络覆 盖范围扩大的情况下，依然能保持良好的连通性和能量有效性，为此，路由协议应能适应网络 拓扑的动态变化，采用分布式的运行方式，使其易于扩展。 华南师范大学硕士学位论文 ( 4 )鲁棒性。恶劣的监测环境、灾难性的事件导致传感器节点的失效或能量耗尽，加 之无线通信链路的不可靠性，为了不会影响到整个网络的正常工作，路由协议设计应具有鲁棒 性，使其具有较强的容错能力。 ( 5 )快速收敛。传感器网络拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，要 求设计的路由算法要尽可能的简单，并且能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通 信开销，提高消息传输的效率。 ( 6 )安全性。为防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息，路由协议应具有良好的 安全性能，降低遭受攻击的可能性。 2 3 无线传感器网络路由协议分类 无线传感器网络协议，从不同的角度，有不同的分类。从具体应用出发，根据不同的应用 对无线传感器网络的各种特性敏感度不同，大致可将路由协议【2 0 1 分为： ( 1 )能量感知路由协议。能量感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优 能量消耗路径以及最长网络生存期。 ( 2 )基于路由查询的路由协议。在环境监测、战场评估等应用中，需要不断查询传感 器节点采集的数据。传感器节点的采样信息在传输路径上进行数据融合从而减少通信流量来节 省能量。 ( 3 )地理位置路由协议。在目标跟踪应用中，需要得到关于目标更精确的位置相关信 息。在此类应用中把节点的位置路由协议作为路由选择的依据。 ( 4 )可靠的路由协议。某些应用对通信的服务质量要求非常高，在此类应用中要求设 计可靠的路由协议，以满足可靠性要求较高的应用。 根据路由发现策略的角度，可分为主动路由和被动路由两种类型。 ( 1 ) 主动路由 主动路由也称为表驱动的路由。节点通过周期性地广播路由信息分组，交换路由信息，主 动发现路由，同时，节点必须维护去往全网所有节点的路由。也就是说，在主动路由协议中， 网络中的所有节点都常常保持着源地址与目的地址之间的路由。 ( 2 )被动路由 被动路由也称为按需路由，与主动路由相反，被动路由认为在动态变化的网络环境中，没 有必要去维护去往其他所有节点的路由，它仅在没有去往目的节点路由的时候才“按需”进行 1 2 无线传感器网络定向扩散路由协议研究 路由发现。被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动的搜索从源节点到目的节点的路由， 当没有分组传递请求时，路由器处于静止状态，不需要交换路由信息。 根据网络管理的逻辑结构川可将路由协议分为平面路由协议和分层路由协议。其中平面路 由协议包括泛洪、s p i n 、s a r 和d d 等路由协议；分层路由协议包括l e a c h 、t e e n 、p e g a s i s 等路由协议。如图2 1 所示。 2 4 典型路由协议分析 图2 - 1 无线传感器网络路由协议 ( 1 ) f l o o d i n g 和g o s s i p i n g 路由协议 f l o o d i n g 和g o s s i p i n g 路由协议【2 2 】是两个最为经典和简单的传统网络路由协议，可应用到 无线传感器网络中。在f l o o d i n g 协议中，无需建立和维护网络的拓扑结构，节点产生或收到数 据信息后向所有邻居节点广播，直到数据包过期或达到目的地才停止传播。但是，该协议有着 非常严重的缺陷，内爆( 节点几乎同时从邻居节点收到多份相同的数据) 、交叠( 节点先后收 到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据) 、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) 。g o s s i p i n g 协议是对f l o o d i n g 协议的改进，节点将产生或收到 的数据随机转发，避免了内爆，但增加了时延。 ( 2 ) s p i n 协议 s p i n 协议【2 3 1 是第一个基于数据的路由协议。该协议以抽象的元数据对数掘进行命名，命 名方式没有统一标准。节点产生或收到数据后，为避免盲目传播，用包含元数据的a d v 消息 向邻节点通告，需要数据的邻节点用r e q 消息提出请求，数据通过d a t a 消息发送到请求节 点。该协议采用a d v 消息减轻了内爆问题；通过数据命名解决了交叠问题；节点根据自身资 源和应用信息决定是否进行a d v 通告，避免了资源利用盲目问题。 ( 3 )s a r 协议 s a p , 协议【2 4 】是第一个无线传感器网络中保证q o