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w s n 中基于负载平衡的路由协议研究 专业：电路与系统 硕士生：谢焕利 指导教师：刘星成副教授 李小霞讲师 摘要 随着无线通信和数字电子技术的发展，由低成本、低功耗、多功能的传感 器节点组成的无线传感网络得到迅速发展，它具有以下特性：各传感器节点位 置随机分布，具有自组织特性；各节点共同协作完成数据收集、路由任务，具 有很好的协作特性。无线传感网络的这些特性使得它在医疗、环境监测、军事 和智能家庭等领域有了广泛的应用。但是传感器节点一般所携带的电池能量很 少且不能补充，限制了网络的生存期。为了尽可能地节省能耗，延长网络的生 存期，需要对涉及无线通信的路由协议进行改进。 本文首先简要介绍了无线传感器网络的起源、发展、特点及其应用领域，讨 论了多种无线传感器网络路由协议的特点，然后详细介绍了定向扩散协议 ( d i r e c t e dd i f f u s i o n , d d ) 及其优缺点。针对定向扩散协议不能很好地平衡网络负 载的缺点，提出了多路径分流路由协议( m u l t i p a t hl o a d s h a r i n gr o u t i n gp r o t o c o l , m l r p ) ，并通过计算机仿真，探讨了两种协议在不同情况下的性能。结果表明， 所提出的多路径分流路由协议在平衡网络负载与延长网络生存期方面均可获得 良好的改进效果。 论文的创新点和主要研究工作如下： 1 、提出了多路径分流路由协议m l r p ( m u l t i p a t hl o a d - s h a r i n gr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 。 t i l 山大学硕十学位论文 它根据每条路径的最小限制能量及源节点要发送的数据信息量，从所有路 径中选择一条或者多条路径传送数据。 2 、对算法进行性能分析。通过v i s u a lc + + 6 0 仿真了多路径分流路由协议，通 过改变网络的节点密度、网络大小等参数对实验结果进行了相应的分析和 讨论。实验结果表明，本文提出的m l r p 协议能够很好的平衡网络负载并 延长网络的生存期。本文的仿真结果对今后的研究与设计工作具有一定的 参考价值。 关键词：无线传感器网络，路由协议，多路径，负载平衡 h s t u d yo nr o u t i n gp r o t o c o l sb a s e do nl o a d - b a l a n c i n g m a j o r ： n a m e ： i nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r c i r c u i t sa n ds y s t e m s x i eh u a n l i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r l i u x i n g c h e n g l e c t u r e ll lx i a o x l a tt i r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ti nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n d d i g i t a le l e c t r o n i c t e c h n o l o g i e s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) w i t hal o to fl o w c o s t ，l o w - p o w e r , a n dm u l t i f u n c t i o n a ls e n s o rn o d e sh a v ed e v e l o p e dr a p i d l y , w s n sh a v et h ef o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ：t h e r a n d o m l y d i s t r i b u t e dl o c a t i o no fe a c hs e n s o r n o d e ， s e l f - o r g a n i z a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，c o l l a b o r a t i v ed a t ac o l l e c t i o nt o g e t h e rw i t he a c h o t h e r a n dc o l l a b o r a t i v er o u t i n gt a s k t h e s ef e a t u r e sm a k ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i nt h em e d i c a l ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，m i l i t a r y , i n t e l l i g e n c ea r e a sa n dh o m ew i t h aw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s s e n s o rn o d e sa r eg e n e r a l l yp o w e r e db yl i m i t e de n e r g y s u p p l yt h a tc a nn o tb ef r e e l yr e p l a c e dw i t hn e ws u p p l y , s ot h en e t w o r kl i f e t i m ei s s t r i c t l yr e s t r i c t e d i no r d e rt os a v ee n e r g ya n dp r o l o n gt h en e t w o r kl i f e t i m e ，i ti s n e e d e dt oi m p r o v et h er o u t i n gp r o t o c o lt h a ti n v o l v e sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i nt h i sp a p e r ，w ei n t r o d u c e dt h eo r i g i na n dd e v e l o p m e n t ，c h a r a c t e r i s t i c s ，a n d a p p l i c a t i o n so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，d i s c u s s e ds o m ek n o w nr o u t i n gp r o t o c o l sa n d d e s c r i b e dt h ed dp r o t o c o li nd e t a i lw i t hi t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b e c a u s e t h ed dp r o t o c o lc a nn o tb a l a n c el o a db e t t e r , w ep r o p o s e dam u l t i p a t hl o a d s h a r i n g r o u t i n gp r o t o c o l ( m e w ) f o l l o w e di st h es i m u l a t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo ft h e i i i r ”山大学硕七学位论文 p r o p o s e dp r o t o c o l s ，a n dt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s i o n sw e r eg i v e nw i t ht h ed d p r o t o c 0 1 t h es 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 p o s e dp r o t o c o l sc a ne f f e c t i v e l y b a l a n c en e t w o r kl o a da n dp r o l o n gt h en e t w o r kl i f e t i m e t h er e s e a r c hw o r ko f t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 m u l t i p a t hl o a d s h a r i n gr o u t i n gp r o t o c o lp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h e a v a i l a b l ee n e r g yo fe a c hp a t ha n dd a t ai n f o r m a t i o nt h a tt h es o u r c en o d e w i l ls e n d ，m l l 冲s e l e c t so n eo rm u l t i p l ep a t h sf r o ma l lp a t h st ot r a n s m i t d a t a 2 t h e p e r f o r m a n c eo f t h e p r o p o s e dp r o t o c o l w a ss i m u l a t e da n d a n a l y z e d s i m u l a t i o n sw e r ec o n d u c t e dw i t hv i s u a lc + + 6 0 w ea n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h e p r o t o c o l sp e r f o r m a n c eu n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tn e t w o r kn o d ed e n s i t ya n d n e t w o r ka r e a t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e dm l r pc a n b a l a n c en e t w o r kl o a da n de x t e n dt h en e t w o r kl i f e t i m e i nt h i sp a p e r ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t sw e r eb e n e f i c i a lt of u t u r er e s e a r c ha n dd e s i g nw o r k 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 ，r o u t i n gp r o t o c o l s ，m u l t i p a t h ，l o a d - b a l a n c e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本文不包含任何其它个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：谢埯d 日期：硼年岁月为e 1 使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料 室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、 缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：谢削 导师签名： 日期：2 0 0 彳年岁月马日日期：2 d 9 7 年9 月2 岁日 第1 章绪论 信息的生成、获取、存储、传输、处理及其应用是现代信息科学的六大组 成部分，其中信息的获取是信息技术产业链上重要的环节之一。作为获取信息 的最重要和最基本的技术之一的无线传感器网络，它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部署于监测区域。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， 自组织地构成网络，从而将采集到的数据送达给需要它们的处理节点。这一技 术正得到人们的极大关注。 1 1无线传感器网络的概念 2 0 世纪中期以来，分布式信息处理技术、现代计算机网络技术和传感器技 术的飞速发展对生产力的提高起到了巨大的推动作用，分布式信息处理技术和 网络技术的结合已经深刻改变了人们的生产方式和生活习惯。而在2 0 世纪6 0 年代末，网络技术和传感器技术的结合形成了最初的传感器网络，但是由于当 时的技术条件限制，集成传感器节点存在很多缺点和限制，应用起来不方便， 所以关于这一方向的研究并没有充分开展起来。尽管计算机技术和网络技术的 结合催生了许多新颖的应用模式和新颖的技术手段，但这二者的结合仍然基本 属于传统的“人与人或者“人与机 交互的范畴。随着通信技术、嵌入式计 算技术，以及微电子技术的飞速发展，各类电子产品的制造成本持续降低到人 们可以接受的时候，无线传感器网络在世界范围内悄然诞生了，并且这种由新 型的微小传感器节点组成的网络将改变人们获取信息的方式。 无线传感器网络f 1 1 ( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 是一种新兴的、极具发 展潜力的网络技术，这种网络可以随机分布在人迹罕至的恶劣环境中，通过大 冗余的部署，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，然后对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息并传送给 中山大学硕一i ：学位论文 感兴趣的观测者 2 】 3 】。在通信方式上，虽然节点之间可以采用无线、红外和光 等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合这种网络使用 【4 】。作为沟通客观物理世界和主观感知世界的载体与桥梁 5 】，无线传感器网络 将是一种全新的信息获取和处理技术，是信息感知和采集的一场革命。 无线传感器网络最早应用于军事领域，但是随着传感器技术、现代网络技 术、无线通信技术、分布式信息处理技术等热点研究领域的发展，无线传感器 网络已经可以为许多应用提供支持。由于无线传感器网络分类不清晰，也没有 一种通用技术可以解决全部设计问题，因此无线传感器网络的构建也成为一项 具有挑战性的工作。特别是无线传感器网络的节点数目众多，节点必须依靠自 身携带的电池供电，一旦能量耗尽，很难更换电池，因此能量效率是一个非常 重要的指标。此外还有节点的输出数据精度参数、节点尺寸和节点造价等因素 需要考虑。总之，随着一系列问题的提出与解决，无线传感器网络必定成为2 l 世纪最有潜力的技术之一。 1 2无线传感器网络的体系结构 1 2 1 单节点体系结构 根据无线传感器网络的应用不同，传感器节点的功能也不尽相同，但其硬 件构成一般由四部分组成 6 】：感知单元( s e n s i n gu n i t ) 、嵌入式处理器( p r o c e s s i n g u n i t ) 、通信模块( t r a n s c e i v e ru n i t ) 和能量供给( p o w e ru n i t ) 四部分，其功能模块如 图1 1 所示。 图1 1 传感器节点的体系结构 2 第l 章绪论 无线传感器网络最重要的功能便是感知、采集网络覆盖环境中各种信息的 变化，因此感知装置是节点的最基本组成部分。但根据应用的不同和成本的区 别，节点中感知单元的功能和数量也不尽相同，比如节点可以借助于微型传感 器中内置的形式多样的感知单元测量所在环境中的热、红外、声纳、振动和地 磁场等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、移动物体的大 小、速度和方向等众多观测者感兴趣的物理现象。当传感器感知到环境的各类 参数后，便经过a d c 将连续的模拟信号转变成为嵌入式处理器可处理的数字信 号，而处理器除负责协调节点各组成部分的工作之外，还承担着为传感器节点 之间提供协作数据处理的任务。处理后的数据将由无线收发单元负责直接或间 接地传送到传感器网络的信息接入点。区别于以往工业界的传感器组网技术， 人们现在主要研究的传感器网络一般均指采用无线通信方式的分布式传感器网 络，因为其往往部署在相对恶劣的环境中，节点一般具备一定的能源供给能力。 另外，对于某些特殊的应用，某些节点还可能包含定位装置( l o c a t i o nf i n d i n g s y s t e m ) 、自移动装置( m o b i l i e r ) ，甚至是能量产生装置( p o w e rg e n e r a t o r ) 等辅助 单元【6 】。 传感器节点的每个单元在工作的时候都要消耗一定的能量，其中无线收发 单元所占用的能量最多，因此很多针对无线传感器网络的节能研究都会涉及到 该单元的能耗。 1 2 2 网络的体系结构 尽管无线传感器网络与传统网络的体系结构有一定的相似之处，但是为无 线传感器网络设计一种不同于传统网络的体系结构是非常必要的，近几年的研 究工作开始着重在这个方向进行努力和尝试【7 】【8 】 9 】。无线传感器网络的体系结 构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台3 部分组成【l o 】， 如下图1 2 所示。 分层的网络通信协议与传统网络的t c p i p 协议体系类似，由下而上分为五 层：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，每层都有特定的功能： 物理层负责信号的调制和数据在传输介质中的传送；数据链路层负责组帧、帧 检测等，重点是介质访问控$ ! j ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议；网络层负责路 中山大学硕i ：学位论文 由的发现与维护；传输层负责数据流的传输控制。网络管理平台主要对网络的 拓扑控制、服务质量、安全、移动等方面进行管理。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终端用户提供各种具体应用的 支持：时间同步、定位、应用服务接口和网络管理接口。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应片j 支撑平台 网络管理平台 图1 2 无线传感器网络的体系结构 1 3无线传感器网络的特点 无线传感器网络与无线自组织网络有很多相同之处，比如网络的移动性、 断接性、电源能力局限性等共同特征，另外它还具有区别于无线自组织网络的 特点。 1 网络规模大，节点密度高 由于无线传感器网络需要多个节点相互协作，因此通常会在被监测区域放 置大量传感器节点，从而增大网络能够覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 网络采用大规模、高密度部署，一方面通过分布式处理采集到的大量信息，能 够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求，另一方面由于大量 4 第1 章绪论 冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能。 2 节点协作构建自组织网络 由于无线传感器网络的节点是随机分布在被监测区域的，而且没有基础设 施，所以无线传感器网络的物理环境和网络自身有很多不可预测的因素。首先 节点的位置信息是不能被准确估计到的，从而也无法知道节点之间的相互邻居 关系，然后是无线通信质量受环境影响的不可预测及网络环境中的突发事件不 可控。这就要求节点通过无线通信方式相互协作，形成一个自组织网络。即无 需人工干预和其它基础网络设施，大量节点可以在任何时刻，任何地方快速展 开并自动组网，再通过适当的路由协议来收集监测数据【ll 】。 3 多跳路由 传感器节点的能耗与节点的通信距离有密切的关系，一般来说，节点在通 信方面消耗的能量与通信距离成正比。为了减少节点的能耗，网络中节点通信 距离一般有限，通常限制在几十到几百米范围内，而且节点只能与它通信半径 之内的邻居节点直接通信。如果希望与通信范围之外的节点进行通信，则需要 通过中间节点进行路由。一般无线网络的多跳路由使用网关和路由器来实现， 但是无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，这样每个节点既 可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。 4 动态性强 这里的动态性主要表现在网络拓扑方面，例如一个节点由于电池能量耗尽 而死亡或者由于无线环境因素的影响，致使节点退出网络，此时无线传感器网 络的拓扑结构就会改变。另外网络中的节点、感知对象和观察者的移动性及新 的节点的加入，都会改变无线传感器网络的拓扑结构。 5 以数据为中心的网络 在传统通信网络中，通信关系的焦点通常是对等通信实体数据的发送 端和接收端。而在无线传感器网络中，应用关注的是某个区域内某个观测指标 的数值，并不是单个节点的观测数据 1 2 】。尤其无线传感器网络在冗余部署下， 任一事件可以由多个传感器采集用户不会在意到底是哪些节点在发送数 据，他只关心是否收集到相关的数据。所以，无线传感器网络关注的焦点是数 据而非节点识别，故称之为以数据为中心的网络( d a t a - c e n t d cn e t w o r k i n g ) 。在以 5 中山大学硕：i ：学位论文 数据为中心的寻址中，默认节点具有将数据传递到目标地址的特性。另外，以 数据为中心的网络具有较好的扩展性并可以确保自适应保真度。 6 应用相关的网络 传感器用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理 量多种多样，不可穷尽。不同的传感器应用关心不同的物理量，因此对传感器 的应用系统也有多种多样的要求。 不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络 协议必然会有很大差异。所以传感器网络不能像i n t e r n e t 一样，有统一的通信协 议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但是要针对每一 个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显 著特征。 无线传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不易到达的区域，传感器 节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或者风吹雨淋，甚至遭到无关人 员或动物的破坏。同时由于监测区域环境的限制以及传感器节点数量巨大，人 工不能“照顾”每个传感器节点，因此网络的维护十分困难甚至不可维护。另外 无线传感器网络的通信保密性和安全性也十分必要，要防止监测数据被盗取和 获取伪造的监测数据。因此，无线传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错 性。 1 4无线传感器网络的研究和应用现状 1 4 1无线传感器网络的研究现状 无线传感器网络的广泛应用是基于传感器技术、微机电系统、现代网络和 无线通信技术的快速发展，因此无线传感器网络的研究涉及传感器技术、嵌入 式计算技术、现代网络及无线通信技术等多个学科领域。经过多年的研究，无 线传感器网络的科学意义和应用价值已经逐渐明晰，虽然有不同的意见，但是 学术界和工业界对w s n 研究日渐高涨的关注程度却是不争的事实。目前很难 规划出一个相对系统的框架结构来指导该领域的研究，不过可以从以下三类支 持技术来说明w s n 的研究现状。 6 第1 章绪论 ( 1 ) 网络支持技术 无线传感器网络涉及路由协议、m a c 协议、物理层设计等网络支持技术。 其中路由协议解决的是数据传输的问题，是无线传感器网络的核心技术之一，由 于无线传感器网络自身资源受限及无线传感器网络的应用背景相差之大，设计通 用的路由协议是一件非常困难的事，不利于节省能量和降低处理复杂度，因此要 求无线传感器网络路由协议的设计与应用背景密切相关；m a c 协议主要研究无 线信道的合理共享，它的性能直接影响到整个网络的性能，由于节点硬件资源有 限、能量有限及网络拓扑动态变化等，传统网络的m a c 协议无法直接应用到无 线传感器网络中，因此为m a c 协议的设计带来了许多挑战 1 3 】；物理层设计是无 线传感器网络协议性能的决定因素，它主要涉及无线频率分配、通信信道质量及 各种调制技术【1 】。 ( 2 ) 服务支持技术 与传统无线通信网络一样，无线传感器网络需要时间同步技术、容错技术、 安全技术和服务质量保证，另外还有独特的节点定位技术。时间同步是无线传感 器网络的基础性中间件，其特性直接决定或影响着其它中间件或应用的质量与特 性，提高同步精度、降低同步能耗、提高可扩展性及健壮性是无线传感器网络时 间同步下一步的研究方i n 1 4 ；节点定位技术能够克服由节点加入、离开或者出 错引起的干扰，而实现一个定位系统要考虑定位机制的物理特性和相应的算法 【1 5 】；容错设计技术要求无线传感器网络中某个节点或者节点的某些部件发生故 障时，网络仍然能够完成指定的任务，容错技术已经形成了一个专门的领域；网 络安全提供了新型的安全机制，解决了由于传感器网络中节点随机部署、网络拓 扑的动态性以及信道的不稳定性引起的问题，从而保证了数据机密性、完整性、 新鲜性和真实。陛 1 6 1 ；q o s 支持是指为用户提供高质量的服务，是网络与用户之 间及网络中互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量的约定。 ( 3 ) 应用支持技术 无线传感器网络的网络管理涉及数据收集、数据处理、数据分析和网管动作 等多个方面，按照无线传感器网络本身的特性，可以把网络管理的内容划分为配 置、维护、处理、通信和传感【1 7 】，由此看来无线传感器的网络管理部分不是独 立的模块，它们的功能渗透到各层中。配置主要包括确定应用需求和区域部署， 7 中山大学硕i i ：学位论文 选择节点硬件，定义网络服务及后期的节点程序的升级；维护包括网络性能监测、 故障检测、故障诊断和恢复；处理能力取决于节点的内存和处理器，它们属于稀 缺资源，因此要对它们进行合理分配；通信带宽有限，而且能耗大，所以要根据 情况设置适当的通信模式；传感管理要根据应用需求合理设置传感器的采样率及 数据采集模式。由近几年的研究情况可以预见，网络管理将会在分布式管理、新 的网络测量技术和灵活机动的配置功能等方面进一步开拓发展【1 8 】。 综上所述，涉及无线传感器的各个方面的研究工作有很大的发展空间，但仍 有很多问题尚未得到彻底的解决。 1 4 2 无线传感器网络的应用现状 组成无线传感器网络的传感器节点分为许多种，比如图像传感器、热敏传 感器、声波传感器、雷达传感器等，多种多样的传感器节点类型使得无线传感 器网络的应用广泛。 1 军事应用 在军事领域，由于战争的伤亡性，可以采用图像、雷达、红外等传感器节 点构建网络，取代人执行一些危险任务，比如侦查敌军装备和部署、定位攻击 目标、评估损失等 1 9 】；另外由于传感器网络是密集型、低成本、节点随机分 布的网路，自组织性和容错能力比较强，可以快速建立网络并有效地避免侦探 盲区，因此，把无线传感器网络应用于军事是未来的高科技技术之一。 2 精细农业、生态检测和灾害预警 我国的自然条件现状决定了无线传感器网络在我国应用的重要性。我国人 口众多、物种丰富、环境和生态问题严峻，利用无线传感器网路的优势，可以 进行以下方面的生产和科学研究：采集有关农作物生长情况的实时数据，进行 农作物生长规律分析；在不宜人工检测区域中跟踪珍稀物种、连续检测水位和 相关水资源被污染的情况、为生态环境的研究和分析提供实时丰富的数据资料； 对山区的泥石流、滑坡等自然灾害发出预警，对人为自然灾害发出警报，防止 进一步的恶性事故发生，减少损失 2 0 】【2 l 】。 3 交通管理 无线传感器网络利用可以检测温度、湿度、震动幅度的传感器节点，对桥梁、 8 第l 章绪论 高架桥、高速公路等道路环境进行监测，能减少桥梁断裂所造成的生命财产损失， 也可以人工调整车辆的运行状况，使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态。目前 在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡市就已经建成有这样的交通信息系统，并且通过电 台等媒体附带产生了一定的商业价值。 4 医疗健康应用 由于无线传感器节点的体积小、成本低、感知能力强等优点，人们将无线传 感器网络嵌入到各种家电设备中，甚至让人们随身携带特殊的传感器节点。这种 应用一方面给老年人和残疾人的家庭生活带来方便，另一方面医护人员可以及时 知道病人的情况，进行必要的护理。同时，利用无线传感器网络可以收集与人类 的健康生理特性相关的其它数据 2 2 1 ，比如睡觉姿势、空气湿度、空气中的微尘 等情况，所收集的数据可被用于开展之后的医疗研究。 5 工业领域 无线传感器网路一般工作于无入监控的状态下，传感器节点自组形成网络， 采集工作人员感兴趣的数据，因此传感器网络可用于危险的工作环境，例如工作 在煤矿、石油钻井的员工佩戴传感器节点，这些节点构成网络，控制中一t l , t l 轻松 掌握每个员工的实时信息，为他们的人身安全提供保障。再者，无线传感器网络 还可以应用于先进的制造业，以求有效地减少损失，降低事故发生率。世界上高 科技企业林立，无线传感器网络凭着得天独厚的优势，必然会在工业领域内大有 作为。 1 5本文研究意义和创新点 1 5 1 研究意义 无线传感器网络是一种全新的获取信息、处理信息的途径，根据其本身的特 点，使得它与现有的传统网络技术之间存在较大的区别，给人们提出了很多新的 挑战，由此引发出许多关于无线传感器网络的研究成果。正是由于无线传感器网 络是一种新兴技术，对国家和社会意义重大，因此关于无线传感器网络的研究在 国内外成为热点。 与传统无线网络不同，无线传感器网络是以数据中心的网络，关注的焦点是 9 中山人学硕j ：学位论文 数据而非节点识别，那么如何把数据传送给基站就涉及到路由问题。另外无线传 感器网络的节点采用电池供电且不能更换，节点能量受限；节点采用无线通信方 式传送数据，通信模块上消耗的能量与有效传输半径的2 - - - 4 次方相关，要减少节 点能耗必须减小节点的有效传输半径，这也需要相应的路由协议的支持。因此， 设计出合理的路由协议，对延长网络的生存期有着非常重要的作用。 1 5 2 创新点 目前，大部分路由协议都是单播路由协议：在汇聚节点和接收机之间存在多 条路径，协议采用将某个含义赋给链路成本的办法，从而建立一条单独的能量高 效路径。但是把单路径扩散到多路径并在多路径上均衡能耗也是一个非常值得研 究的方法【2 3 ，而且，多路径提供的冗余可以作为“超级替补 ，当主路径中的 节点和连接失效时，能够快速切换到备用路径上。 本文提出的多路径分流路由协议是在给定的发射节点和接收节点之间建立 多条路径，每条路径上必定有个节点的剩余能量值最小，这个最小的剩余能量值 称为该路径的限制能量。多路径分流路由协议从多条路径中选取一条或者多条路 径来传送数据包，并且根据路径限制能量的大小来分配每条路径要传送的数据包 量。整个过程算法简单，易于实现。经过与定向扩散协议的比较，本文提出的多 路径分流路由协议能够很好地均衡节点负载和延长网络的寿命。 1 6内容安排 第1 章简单介绍无线传感器网络的概念、体系结构、特点及研究和应用现状。 第2 章根据无线传感器网络的特点对其路由协议进行了分类，简单介绍并分析 了一些典型的路由协议的优缺点，最后指出无线传感器网络路由协议面 临的技术挑战。 第3 章详细介绍定向扩散协议，并指出优缺点。 第4 章介绍本文所提出的多路径分流路由协议( m l r p ) 。 第5 章实验仿真，讨论节点密度、网络大小的设置对无线传感器网络的节点负 载平衡、网络寿命造成的何影响。试验结果表明，多路径分流协议能够 有效的平衡网络负载并延长网络的寿命。 1 0 第l 章绪论 第6 章对研究结果进行总结，提出有待于进一步研究的问题。 第2 章无线传感器网络路由协议分析 无线传感器网络是由随机分布在被监测区域的大量传感器节点构成的，这 个网络没有基础设施 2 4 ，主要依靠传感器节点之间的相互协作，把感知到的 数据发送给基站。同时无线传感器网络还有以下特点：传感器节点体积小、成 本低，这就使得传感器节点所携带的电池电源比较少；无线传感器网络采用的 是无线通信方式，信号在空间传播过程中会发生衰减，这会严重消耗传感器节 点的能量，导致传感器节点过早失效，因此必须使用多跳中继的方法来传输数 据，这需要相应的路由协议的支持。 2 1无线传感器网络路由协议研究现状 无线传感器网络的路由协议是在传感器节点和基站之间建立路由，依靠中 间节点以多跳路由的方式将源节点的数据传送至目的节点【1 1 】。路由协议的主 要设计目标是在满足应用需求的同时尽可能降低网络的开销，取得资源利用的 整体有效性，扩大网络容量，提高网络吞吐率。但是无线传感器网络的硬件资 源和能量有限、信道不稳定、节点移动等因素给路由设计带来了一定的困难， 最重要的是无线传感器网络的应用背景相差极大，设计通用的路由协议过于复 杂，不利于节省能量和降低处理复杂度的要求，因此对无线传感器网络路由协 议的设计需要进一步研究和改进。 2 1 1 无线传感器网络路由协议的特点 无线传感器网络的路由协议包括两个方面的基本功能：路径选择和数据转 发。而传统无线自组织网络的路由主要是寻找源节点与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，避免产生通信拥塞并且均衡网络流量。 很明显，两者的路由协议有根本的不同。与传统网络的路由协议相比，无线传 感器网络有以下特点： 中山人学硕i - 学位论文 1 节点能量受限 一方面传感器节点体积小，能量储备低，另一方面网络中节点数量多，分 布偏远，导致电池更换困难，可维护性很低，因此节点能量一旦耗尽，网络很 快就会失效，这与要求传感器网络工作时间要长相矛盾。而在无线传感器网络 中，通信模块的能耗占了节点总功耗的绝大部分，因此研究低功耗的通信协议， 延长网络寿命显得很重要【2 5 】，特别是与通信模块相关的路由协议研究就显得 极为迫切。 2 可扩展性 无线传感器网络能支持上千个节点工作，这种大规模网络导致路由协议的 收敛时间长，网络拓扑改变频繁，路由稳定性差，最终网络管理不易实现 2 6 1 。 为适应网络拓扑的动态变化，路由协议采用分布式的运行方式，使其易于扩展。 3 拓扑易于变化 网络拓扑变化主要是因为无线信道的冲突而产生的拓扑不稳定、节点的移 动及节点的失效等，当网络规模很大时，这些因素引起的网络拓扑变化会很频 繁。因此需要设计既能适应高度的拓扑变化，又能不引入过多的协议开销或过 长的路由发现延迟的路由协议。在无线传感器网络中一般采用局部优化的办法 来建立路由，这样可以避免全网的路由维护开销。 4 数据融合技术 无线传感器网络的目的是为了获取有效的信息，本质上不需要实现端到端 的分组传输，通信只是一种辅助手段。节点具备处理数据的能力，那么节点接 收到转发的数据后，会对其进行加工处理，以达到降低网络开销，节省能量的 目的。即数据在传输过程中已经被修改，并不是原封不动地从源端传送到目的 端的，这种技术经过发展就是数据融合技术。数据融合技术是无线传感器网络 的关键技术，其目的是减少网络通信量，降低网络能耗，提高数据精确度，优 化无线传感器网络的整体性能 2 7 】。 5 流量分布不均 无线传感器网络中的节点相互协作，采用逐跳的方式将数据传送给基站， 同时为了避免全网的路由维护开销，一般采用局部优化的办法来建立路由，因 此节点流量分布极不均匀，以基站为目的的数据流远远超过以它为源的控制流。 1 4 第2 章无线传感器网络路由协议分析 这会导致基站附近的节点负载超重，寿命缩短，最终影响网络的生存时间。 6 节点定位 传感器节点是随机分布在被监测区域的，它们的位置信息并不确定。而基 于地理位置的路由协议需要位置信息，因为网络了解每个节点的位置，或者至 少了解相邻节点的位置，可以做出优化的路由选择，在无线传感器网络中，使 用节点位置信息优化的路由可以提高系统性能、安全性，节省宝贵的电能，从 而延长网络的生命周期。 另外，网络的连通和覆盖、服务质量和冗余设计也是无线传感器网络路由 设计需要克服的困难。 2 1 2 无线传感器网络路由协议的要求 根据无线传感器网络路由设计的有特点，设计无线传感器网络的路由需要 考虑以下多种因素： ( 1 ) 能量高效。传感器节点的资源有限，要求网络的路由机制要能够简单 而且高效地实现信息传输。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息 传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路 由。 ( 2 ) 可扩展性。在无线传感器网络中，检测区域范围或节点密度不同，造 成网络规模大小不同；节点失效、新节点加入以及节点移动等情况，都会使得 网络拓扑结构发生变化，这就要求路由协议应该采用分布式的运行方式，使其 易于扩展。 ( 3 ) 鲁棒性。能量用尽或环境因素造成传感器节点的失效，周围环境影响 无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些无线传感器网络的不可 靠特性要求路由机制具有一定的容错能力。 ( 4 ) 快速收敛性。传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽 等资源有限，因此要求路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化， 减少通信协议开销，提高消息传输的效率。 ( 5 ) 减少信息冗余。传感器网络节点的数目众多，密度大，相近节点所采 集的数据有很强的空间、时间相关性，因此可以采用数据融合技术，减少传送 中山人学硕：l ：学位论文 的数据冗余信息，这就要求有合适的路由协议。 ( 6 ) 加强安全。无线传感器网络通过无线链路来传送数据，无线通信的特 性使得无线传感器网络有路由信息欺骗、选择性转发、a c k 欺骗、h e l l o 数据 包泛洪等网络层攻击，那么就需要网络层防御，因此，为在安全路由设计中降 低节点安全操作能源损耗，提高网络生命周期，发展能够容忍攻击的路由协议， 提高其抗攻击弹性非常必要。 2 1 3w s n 路由协议的分类 由于无线传感器网络可运用于环境监测、灾害警报、医疗健康等多种领域， 那么针对每种应用环境，其路由协议也会呈现不同的特点，为了研究方便，我 们采用多种方法对其进行分类 2 6 】： ( 1 ) 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，传输数据时控制包的开销和网络延迟都较大；多路径路由是对单路 径路由的扩展，它能提高网络的吞吐量、健壮性、稳定性，并且可以根据各种 应用要求从众多路由中选择条最优路径。 ( 2 ) 平面路由协议和分层路由协议：平面路由的优点是简单、易扩展，无 须进行任何结构维护工作，所有网络节点的地位平等，不易产生瓶颈效应，因 此具有较好的健壮性，但是维护路由的开销大，数据传输跳数多，适合小规模 网络；分层路由将网络划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员构成， 簇头节点对所在簇内的节点进行管理，能方便地向基站传达节点的各种信息， 例如能量、安全性、故障等，另外基站通过簇头节点可以有效地向网络中其他 节点发送命令，这是平面路由所不能有效实现的，它的扩展性好，适合大规模 网络，但簇的维护开销大，且簇头是路由的关键节点，它的失效将导致路由失 败。 ( 3 ) 主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议：主动路由协议建立和 维护路由的开销大，资源要求高；按需路由协议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 ) 基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议：地理位置路由假设节 点知道自己的地理位置信息，以及目的节点或目的区域的地理位置，这样，利 1 6 第2 章无线传感器网络路由协i 义分析 用节点的位置信息，就能够将信息发布到指定区域，有效减小了数据传输的开 销。而非基于位置的路由协议一般要采用泛洪的方式，才能找到指定区域，额 外消耗比较大。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 数据融合的路由协议和非数据融合的路由协议：数据融合路由能减少 通信量，但需要时间同步技术的支持，并使传输时延增加。而非数据融合路由 会造成数据信息的冗余。 ( 7 ) 能量感知路由协议和非能量感知路由协议：能量感知路由要根据节点 的可用能量或传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径。非能量感知路由 则会考虑网络延迟等其它性能来选择传送路径。 2 2典型的路由协议介绍 下面以数据为中心的路由协议、分层路由协议、基于位置的路由协议、能 量感知路由协议和基于q o s 的路由协议为分类依据 2 8 1 ，介绍一些相关的路由 协议，这些被选取的路由协议大部分是业界公认的某些思想的源头。 2 2 1以数据为中心的路由协议 ( 1 ) f l o o d i n g 与g o s s i p i n g 路由算法 f l o o d i n g 协i , 5 ( 2 9 q h ，节点向所有邻居节点广播自己产生的或者接收到的数 据，直到数据包过期或到达目的节点。该协议具有严重的缺陷：内爆：节点会 同时接收到多个相同的数据包；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：节点在任何情况下都接收并转发数据，严重浪费 自身资源。 g o s s i p i n g 协议【3 0 】是在f l o o d i n g 协议的基础上进行改进而提出的。它传播 信息的途径是通过随机的选择一个邻居节点，获得信息的邻居节点以同样的方 式随机的选择下一个节点进行信息的传递。这种方式避免了以广播形式进行信 息传播的能量消耗，但其代价是延长了信息的传递时间。虽然g o s s i p i n g 协议在 1 7 中山大学硕：i ：学位论文 一定程度上解决了信息的内爆，但是仍然存在信