（计算机应用技术专业论文）基于能量高效的wsn分簇路由协议的研究.pdf

河南大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 随着传感网、物联网、泛在网和智慧地球等概念的提出，无线传感器网络做 为计算机科学与技术中一个重要的研究领域，对他们的研究和发展具有一定的支 撑性作用。无线传感器网络的发展已受到业界的广泛关注，并且在军民两用领域 拥有巨大的应用前景，而路由协议做为在无线传感器网络中最受关注的研究话题 之一，由于受到传感器节点能量有限这个特殊限制因素，因此在设计无线传感器 网络路由协议时，首要的考虑因素应是能量的合理利用，从而有效的延长网络生 存周期。 本文首先分析了国内外无线传感器网络路由协议的研究现状。以目前研究最 为热点的分簇路由协议做为突破口，详细对比分析了各种分簇路由协议的优缺点， 总结得出：以非均匀分簇为基础，采用混合式簇首选举方法，簇内单跳通信，簇 间使用动态多跳通信路由协议可以提高能量有效性。文中对典型的均匀分簇路由 协议l e a c h 和非均匀分簇路由协议u c s 、e e u c 、u s c r 给出了详细的分析比较， 发现其中的不足之处，提出了具有针对性的改进方案，并在此研究的基础上提出 了一个能量高效的分簇路由算法e e r a ( e n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n ga l g o r i t h m ) 。 e e r a 协议的设计工作重点主要有以下五点： ( 1 ) 感知区域的划分：以基站为圆心采将整个感知区域划分为大小不等的圆 环，低能耗实现非均匀分簇。 ( 2 ) 选择簇首的标准：选择簇首时综合考虑节点剩余能量和相对位置，为每个 节点确定其成为簇首的竞争能力，优化簇首的选择。 ( 3 ) 路由构建：簇间采用多跳路由传输数据，路由构建时不仅考虑节点发送数 据的能耗，而且兼顾了中继节点的接收能耗，把数据直接发送的距离限制在阈值 之内的同时尽量减少数据中转次数。 ( 4 ) 簇重构策略：本文根据汇聚节点接收数据量和簇首节点的能量来发起簇的 重构。 第1 l 页河南大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) 数据动态路由：簇首节点在稳定传输阶段动态选择路由路径，避免多次采 用同一条路径转发造成该路径上簇首节点快速死亡。 本文使用o m n e t + + 仿真工具在网络能耗均衡度、网络生存时间、全网能耗三 个方面对l e a c h 、e e u c 、u c s r 、e e r a 四协议做仿真实验，并对实验结果进行 对比分析，验证了e e r a 协议的有效性。 关键词：无线传感器网络；路由协议；非均匀分簇；能量高效 河南大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t w i t ht h ei n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p to ft h ei n t e r n e to ft h i n g s ，u b i q u i t o u sn e t w o r k a n ds m a r t e rp l a n e t ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) w h i c hi sa ne v e n t f u lr e s e a r c ha r e a o fc o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi sp l a y i n ga ni m p o r t m e n tr o l ei nt h e i rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t t h ed e v e l o p m e n to fw s ng r a d u a l l yg e t st h ef o c u sf r o mt h ei n d u s t r i e sa n d a c a d e m i aa n dh a sag r e a ta p p l i c a t i o nf u t u r ei nt h em i l i t a r ya n dc i v i la r e a n o w a d a y s ，t h e o n eo ft h em o s tp o p u l a rt o p i co fw s ni sr o u t i n gp r o t o c 0 1 t h em a i nc h a r a c t e r i s t i co f w s ni st h a tt h es e n s o rn o d e sh a v el i m i t e de n e r g y , s ot h ef i r s ti s s u ew em u s tc o n s i d e ri s t h ee f f e c t i v eu t i l i z a t i o no f e n e r g yi no r d e rt oe x t e n dt h es u r v i v a lt i m eo f t h en e t w o r k t h i sp a p e rf i r s ta n a l y s e st h er e s e a r c ho f r o u t i n gp r o t o c o l si nw s n t h e ns t r e n g t h s a n dw e a k n e s s e so fav a r i e t yo fr o u t i n gp r o t o c o l sw i l lb ea n a l y s e df r o mt h ep r e s e n tm o s t p o p u l a rc l u s t e r e dr o u t i n gp r o t o c 0 1 w ec a nc o n c l u d et h a tt h ep r o t o c o lb a s e so nu n e v e n c l u s t e r i n g ，u s e sam i x e dc l u s t e rh e a de l e c t i o nm e t h o d ，a p p l i e st h ei n t r a c l u s t e ro n e - h o p r o u t i n gm o d ea n di n t e r - c l u s t e rm u l t i h o pd y n a m i cr o u t i n gc a ni m p r o v et h ee n e r g y e f f e c t i v e n e s s i nt h i sp a p e r , t h ec l a s s i c a le v e nc l u s t e r e dr o u t i n gp r o t o c o ln a m e dl e a c h a n dt h et y p i c a lu n e v e nc l u s t e r e dr o u t i n gp r o t o c o l sn a m e du c s ，e e u ca n du s c rh a v e b e e nr e s e a r c h e da n dc o n t r a s t e d t h ed e f e c t so fa l g o r i t h ma r ei d e n t i f i e da n dt h e a d v a n c e dp r o g r a m e sa r ep u t t e df o r w a r d o nt h eb a s i so ft h i sr e s e a r c h ，an o v e le n e r g y e f f i c i e n tr o u t i n ga l g o r i t h m ( e e r a ) i s p r o p o s e d t h ee e r af o c u s e so nt h ed e s i g no ft h ef o l l o w i n gf i v e - p o i n t ： f i r s t ，t h ed i v i s i o no ft h es e n s i n gr e g i o n ：t h ee n t i r er e g i o ni sd i v i d e di n t ou n e q u a l r a d i a ll e v e lw i t ht h eb a s es t a t i o na tt h ec e n t e rt oc o n s e r v ee n e r g yi nc l u s t e r i n gs t a g e s e c o n d ，t h ee l e c t i o ns t a n d a r do fc l u s t e rh e a d ：t h en o d ea b i l i t yt ob e c o m et h e c l u s t e rh e a di sd e t e r m i n e dw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h er e s i d u a le n e r g ya n dt h er e l a t i v e p o s i t i o ni no r d e rt oo p t i m i z et h ec h o i c eo ft h ec l u s t e rh e a d t h i r d ，r o u t i n gc o n s t r u c t i o n ：m u l t i - h o pd a t ar o u t i n gi sf o r m e di ni n t e r - c l u s t e r w e n o to n l yc o n s i d e rt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fn o d e ss e n d i n gd a t a sb u ta l s ot a k ec a r eo f t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fr e l a yn o d e sr e c e i v i n gd a t a sf o rt h ep u r p o s eo fi n t e r - c l u t e r 第1v 页河南大学硕士研究生学位论文 r o u t i n g t h es e n d i n gd i s t a n c eo ft h ed a t ai sl i m i t e dt ot h et h r e s h o l d ，a tt h es a m et i m e ， t h en u m b e ro fd a t at r a n s m i s s i o ns h o u l db em i n i m i z e d f o u r t h ，c l u s t e rr e c o n s t r u c t i o ns t r a t e g y ：c l u s t e r i n gw i l lb et r i g g e r e dw h e nt h ed a t a v o l u m eo fs i n kn o d er e c e i v e da n dt h ee n e r g yo fc l u s t e rh e a d n o d ee x c e e d st h et h r e s h o l d f i f t h ，d y n a m i cr o u t i n g ：a tt h es t a g eo fs t a b l et r a n s m i s s i o ne a c hc l u s t e rh e a du s i n g d y n a m i cr o u t i n g t oa v o i dt h er e l a yn o d er a p i dd e a t hd u et oe x c e s s i v ee n e r g y c o n s u m p t i o n i nt h i sp a p e r , s i m u l a t e dt e s to fl e a c h ，e e u c ，u c s ra n de e r aa les u p p l i e di n t h r e ea s p e c t s - e n e r g yb a l a n c eo ft h en e t w o r k ，t h en e t w o r kl i f e t i m e ，e n e r g yc o n s u m p t i o n o ft h ew h o l en e t w o r kb yo m n e t + + t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h ev a l i d i t yo fe e r ai sv e r i f l e d k e y w o r d s ：w i r e l e s s s 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 ；u n e v e nc l u s t e r i n g ；e n e r g y e f f i c i e n t 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学住中请。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完成的，对所研究的课题有新的见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同事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。 学位申请人( 学位论文作者) 签名：兰壹生 2 0 | a 年6 琵阳b 关于学位论文著作权使用授权书 本人经河南大学审核批准授予硕士学位。作为学位论文的作者，本人完全 了解并同意河南大学有关保留、使用学位论文的要求，即河南大学有权向国家 图书馆、科研信息机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文( 纸质文 本和电子文本) 以供公众检索、查阅。本人授权河南大学出于宣扬、展览学校 学术发展和进行学术交流等目的，可以采取影印、缩印、扫描和拷贝等复制手 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 签名：圭壹兰 2 0l d 年毛冤汐b 学住论文指导教师签名： 堑查型 2 0i o 年月沙日 河南大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章介绍了论文研究课题的背景，简述了目前备受关注的传感网、物联网、 泛在网、智慧地球的相关概念，分析了无线传感器网络路由协议的重要意义，说 明论文研究的目的及意义并给出论文主要研究内容和组织结构。 1 1 课题背景 最近几年来，从i t 业界到一些国家元首，均对传感网( s e n s o rn e t w o r k ) 、物联 网( i n t e m e to ft h i n g s ) 、泛在网( u b i q u i t o u sn e t w o r k ) 与智慧地球( s m a r t e rp l a n e t ) 的发 展动态高度重视，也给予了极大的关注，他们认为这将是一次新的l t 产业浪潮， 它们被视为是继2 0 世纪8 0 年代p c 机、9 0 年代因特网( i n t e m e t ，又称互联网) 、 移动通信网之后，引发i t 业突破性发展的第三次i t 产业化浪潮1 捌。 其中物联网的概念是在1 9 9 9 年提出的，它就是“物物相连的互联网【3 4 】。该 概念包含了两层意思【5 6 j ：第一，互联网仍然是物联网的核心和基础，物联网是在 互联网基础上的延伸和拓展的网络：第二，其用户端延伸和拓展到了任何物品与 物品之间的信息交换和通讯。2 0 0 5 年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会( w s i s ) 上，国际电信联盟( i t u ) 发布了i t u 互联网报告2 0 0 5 ：物联网，正式提出了 “物联网 的概念。 1 9 9 9 年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出：“传感网是下一个世纪 人类面临的又一个发展机遇 。传感网是通过随机分布的集成有传感器、数据处理 单元和通信单元的微小节点，以自组织的方式构成的无线网络。2 0 0 3 年，美国技 术评论提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。 泛在网【7 1 即广泛存在的网络，它以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征， 以能够实现人人、人物乃至物物间随时随地沟通的全新网络环境【2 8 】。在2 0 0 4 年日 本和韩国就提出了以“u j a p a n 、“u k o r e a 计划为核心的国家信息化发展战略， 成为了在泛在网方面起步较早的国家。 第2 页河南大学硕士研究生学位论文 2 0 0 9 年1 月2 8 日，奥巴马就任美国总统后，在与美国工商业领袖举行了一次 “圆桌会议”中，i b m 首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”的概念，建议新 政府投资新一代的智慧型基础设施。智慧地球的核一已：9 , 1 0 3 是以一种更加智慧的方法 通过利用新一代信息技术来改变政府、公司和人们相互交互的方式，以便提高交 互的明确性、效率、灵活性和响应速度，即总结为3 i 1 1 , 1 2 ：更透彻的感知 ( i n s t r u m e n t e d ) 、更全面的互联互通( i n t e r c o n n e c t e d ) 、更深入的智能化( i n t e l l i g e n t ) 。 2 0 0 9 年8 月7 日：温家宝考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心 时强调在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，把传感系统 和3 g 中的t d 技术结合起来【6 8 】。 在当前全球经济逐渐开始复苏之时，传感网、物联网、智慧地球、泛在网等 技术的健康快速发展，必将引起一场影响深刻的历史性变革。其中传感网、物联 网、泛在网三者间的关系如图1 1 所示【1 3 , 1 4 】。 图1 - 1 传感器网络、物联网、泛在网关系图 传感网、物联网、泛在网概念的出发点和侧重点不完全一致【1 5 】，但其目标都 是突破人与人通信的模式，建立物人、物物之间的通信。而对物理世界的各种感 知技术( 如传感器技术、r f i d 技术、二维码、摄像等) 是构成物联网、泛在网的必 要条件。传感网、物联网和泛在网络之间所使用技术及应用对象【1 4 】如表1 1 所示。 由图1 1 、表1 1 可知，目前被大家所熟知的传感网和物联网均是以传感器、 r f i d 等技术对客观世界进行标识和感知，并借助于无线传感器网络、互联网、移 动通信网等实现人与物之间的信息交互。因此它们可以利用无线传感器网络对所 需数据的采集和传输，虽然无线传感器网络并未涉及到物联网和泛在网中的核心 河南大学硕士研究生学位论文第3 页 控制技术，但它的相关技术在一定程度上对物联网和泛在网的研究和开发起到了 支撑性的作用【1 6 】。 表1 1 传感网、物联网、泛在网对比表 末端网终端 基础网络通信对象 传感器网络 传感器+ 近距离无线通信 不包括物物 ( 传感网) ( 低速、低功耗) 传感器网+ 近距离无线通信 一个或几个网络 r f i d 、二维码物物 物联网初期：传输 人物近距离中高速通信 后期：融合，协同 内置移动通信模块各种终端 传感器网+ 近距离无线通信 多网络、多技术 r f i d 、二维码物物 异构协同智能： 泛在网 近距离中高速通信 人物 跨技术、跨网络、 人人内置移动通信模块各种终端 跨行业、跨应用 通信终端：手机、上网膏等 1 2 无线传感器网络中的路由问题 由图1 1 可知无线传感器网络在物联网、泛在网、智慧地球的发展历程中定将 扮演者重要的角色，因此我们应该也有必要对无线传感器网络加大研究力度，特 别是针对传感器节点由电池供电而带来的能量受限问题的研究，其中设计出一个 高效的能量消耗均衡路由协议成为广大学者所热衷的研究方向。以下是对无线传 感器网络中的路由问题的一些见解。 路由协议的研究目的在于对源节点和目的节点之间建立可靠的路由，保证数 据的有效传输。由于节点能量受限且大都处于静止状态等特点，使得不能直接将 传统的基于i p 的路由协议【l7 】应用于无线传感器网络。而a dh o c 网络中现有的路由 协议( 如动态源路由d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 1 8 j 和基于距离矢量的按需路由 a o d v ( a d h o co nd e m a n dd i s t a n c ev e c t o r ) t 挎】协议等也不适用于无线传感器网络。 这是因为：首先，传感器节点主要使用广播方式通信，而a dh o c 网络通常是点对点 第4 页河南大学硕士研究生学位论文 的方式通信；其次，传感器节点的功率、计算以及存储能力受限，a dh o c 路由算法 的复杂性不适于直接应用；最后，传感器网络中的节点高密度分布、网络拓扑实 时性要求较强。以上特殊的要求和制约因素为无线传感器网络的研究提出了新的 技术问题，为此我们需要设计出实现可靠，能量高效的路由协议。 1 3 本文的研究目的与意义 无线传感器网络处于2 l 世纪新技术的最前沿，从总体而言，我国在无线传感 器网络方面的研究工作与国际水平的差距并不是很大，及时开展这项对人类未来 生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的政治、经济、军事等方面将有重 大的战略意义。2 0 0 9 年1 1 月3 日，温家宝总理发表了题为“让科技引领中国可持续 发展”的讲话。温家宝总理强调，要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部 署后i p 时代相关技术的研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的 “发动机。目前，我国也将这项技术发展列入国家中长期科技发展规划。因此本文 针对无线传感器网络中所存在的能量高效性问题的研究具有一定的时代意思。 在经过多年的深入研究后，学者对传感器网络与传统网络在技术方面的不同 有了明确的认识：前者以数据为中心，后者以传输地址为目的。目前，对于无线 传感器网络的研究主要集中在网络层和链路层，而数据传输离不开路由协议。同 时由于无线传感器节点能量的受限特性，且各传感器节点仅拥有局部网络拓扑信 息，传感器网络中的路由协议具有很多传统网络路由协议所不具备的特性。目前， 学者已经提出了大量针对无线传感器网络的路由协议，其中包括许多分簇路由协 议，这些协议有着统一的目标就是建立高效的路由以保证可靠的数据传输，从而 最大化的延长网络生命周期【2 0 1 。学者一致认为，对节点分簇是无线传感器网络中 提高能量有效性的一种有效方案。现有的无线传感器网络的分簇路由协议按成簇 的大小可分为：均匀分簇路由协议和非均匀分簇路由协议，本文的研究目的就是 针对原有均匀分簇协议所存在的“热区 问题，以及非均匀分簇协议中节点能量 消耗不均匀的问题，提出了相应的解决方案，以均衡全网节点的能耗，有效延长 河南大学硕士研究生学位论文第5 页 网络的生存周期。 1 4 本文的结构安排 本文主要研究了无线传感器网络非均匀分簇路由算法的设计，针对无线传感 器网络节点密度高数量大且单个节点资源受限的特点，决定了必须以节点能量消 耗的有效性为无线传感器网络路由协议的首要设计目标。研究并分析了无线传感 器网络中基于分簇的路由协议的特点，针对现有的分簇路由协议中存在的网络生 命周期较短、节点能耗不均匀等问题，在非均匀分出的基础上，提出了一个新颖 的、能量高效的无线传感器网络分簇路由算法e e r a ( e n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n g a l g o r i t h m ) 。为了验证本文所做的工作的效能，文中通过o m n e t + + 仿真软件对其 性能进行了详细分析，实验结果表明该算法能有效的节省了能量开销，延长了整 个网络的生存周期，整体性能明显改善。 本文的组织结构如下： 第1 章：在广泛查阅国内外相关资料的基础上，对传感网、物联网、泛在网和 智慧地球的概念给出了相关介绍，分析了传感网在他们的研究和发展过程中的支 撑作用，对无线传感器网络路由协议进行了介绍。 第2 章：对现有的传感器网络路由协议进行分类和比较。将现有的路由协议进 行了分类，并对主要路由协议进行了详细的分析比较，并发现基于非均匀分簇的 路由协议要比其它协议节能效果更好，能有效的平衡整个传感器网络的能量，延 长整个网络的生存时间。 第3 章：针对分簇路由协议簇首间多跳通信过程中存在的“热区 问题，提出 种基于非均匀分簇的能量高效路由算法e e r a 。其核心思想为以基站为圆心，以 成簇半径为依据将整个感知区域划分簇层环，选择簇首时兼顾节点剩余能量和相 对位置两方面因素；簇间以多跳方式传输数据，在构建路由时综合考虑节点发送 簇内数据的能耗和做为转发节点时的接收和发送其它簇数据的能耗，将发送数据 的距离限制在距离阈值以内，同时尽量减少数据中转次数；簇首节点在稳定传输 第6 页河南大学硕士研究生学位论文 阶段依据文中所设计的规则动态改变转发路径，避免多次采用同一条转发路径造 成该路径上内层节点的快速死亡。 第4 章：仿真参数设置及性能对比：对o m n e t + + 仿真软件做简要介绍，设置 协议仿真参数，在网络能耗均衡度、网络生存时间、全网能耗三个方面对l e a c h 、 e e u c 、u s c r 和e e r a 协议做仿真对比分析。 总结与展望部分对论文工作进行总结，指出工作中的不足和今后的研究思路。 河南大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章无线传感器网络分簇路由协议分析 本章首先介绍了无线传感器网络与传统网络的区别，简要概述了传感器网络 路由协议的设计目标和性能指标，并对几种典型的路由协议进行了重点分析和对 比。 2 1 路由协议概述 从路由的角度来看，由于研究的侧重点有所差异，与传统网络和移动自组网 2 1 】 m a n e t 相比，无线传感器网络拥有自身的特点。 路由协议的任务就是在源节点和目标节点之间建立路由，实现对用户所需数 据的可靠传输，也即在源节点和目标节点之间发现最优化路径，并沿所得最优化 路径正确转发数据分组。对于无线传感器网络而言，由于节点能量受限且通常无 法得到正常补给，因此路由协议研究的重点在于如何高效的利用传感器节点能量， 最大化网络生存周期；同时传感器网络节点密度大数量多，且传感器节点仅获取 局部拓扑信息，因此路由协议要能实现在局部拓扑信息基础上各个传感器节点的 协同工作，因此在设计路由协议时应遵循计算简单，保存信息量少的原则【2 2 1 。而 对于传统无线网络( 如：a dh o c 、无线局域网等) 而言，它的首要目标是提供高质 量的服务以及高效的利用网络带宽，因此其主要目标为寻找通信延迟较小的转发 路径( 源节点至目的节点间) ，同时避免发生通信拥塞、均衡网络流量、提高整个网 络的利用率等，能量消耗问题对它们而言则不做为考虑的重点。 无线传感器网络与实际应用息息相关，因此该网络具有极强的应用相关性， 针对各异的实际应用，在设计路由协议时考虑的因素差别可能较大，这也就产生 了无通用的路由协议可以满足各种实际应用。以下给出了无线传感器网络与传统 网络两者之间的差异所在，并进一步详细阐述了无线传感器网络的路由协议的特 点。 第8 页河南大学硕士研究生学位论文 2 1 1 无线传感器网络与传统网络的路由协议差异 两者之间的差异不单单是在物理结构和网络功能方面，而且在路由协议方面 两者之间的差异也非常之大。 首先对于传统无线网络( 如：m a n e t 网络、无线局域网) 而言，其首要的目 的是提供高质量的服务和高效的网络带宽利用率，因此在设计该类型网络的路由 协议时，所追求的主要目标为：寻找源目的节点间的通信延迟较小的转发路径， 同时避免发生通信拥塞、均衡网络流量、提高整个网络的利用率等；而在无线传 感器网络中，所要考虑的首要问题却是能量的消耗问题。在无线传感器网络中， 节点能量受限且通常无法得到有效的能量补给，因此路由协议研究的重点在于传 感器节点能量的高效使用，最大化网络生存周期。同时由于无线传感器网络中节 点密度高数量大，并且传感器节点仅保存局部拓扑信息，因此，在以上的限制条 件下，无线传感器网络的路由协议中各个传感器节点如何高效的协同工作2 0 1 也是 所要考虑的问题。 传统的路由协议只所以无法直接应用于传感器网络，主要存在以下几方面原 因【2 3 】： ( 1 ) 优化目标不同：无线传感器网络的优化目标是能量的消耗问题和整个网络的 生存周期；传统协议以最短路径或最小延迟为优化目标； ( 2 ) 路径有效性：在协同工作期间，由于某种原因造成传感器节点的失效或者加 入，可能造成网络拓扑发生频繁的变化，致使前一时刻任然有效的转发路径，此 刻可能就已失去意义； ( 3 ) 可扩展性：传统网络路由协议的扩展性无法满足无线传感器网络对网络可扩 展性的要求； ( 4 ) 收敛性：如果直接将传统网络的路由协议直接应用于无线传感器网络中，传 统网络协议在全局范围内达到收敛性的要求会导致计算能力有限的传感器网络节 点负载过重而过早死亡。 河南大学硕士研究生学位论文第9 页 由于在路由协议方面存在以上的差异，故在设计无线传感器网络的路由协议 时，需要重点解决的问题【2 0 】是能量的消耗问题和网络的扩展性问题，这也正是文 中所设计得路由协议所着重考虑的两方面因素。 2 1 2 无线传感器网络路由协议的特征 与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点【2 5 】： ( 1 ) 能量受限 由于传感器节点由电源提供有限的能量，无线传感器网络的设计主要从节能 的角度出发，以求最大限度地延长整个网络的生存周期，其路由协议的设计也主 要以节能最为主要的考虑因素。 ( 2 ) 基于局部拓扑信息 为节约能量消耗，无线传感器网络通常以多跳为通信方式，而有限的计算能 力和存储资源使得传感器节点无法获取大量的路由信息。因此无线传感器网络的 路由协议就需利用传感器节点所获得的局部拓扑信息来选择恰当的转发路径。 ( 3 ) 以数据为中心 与传统无线网络的路由协议以地址作为节点标识和路由依据不同，无线传感 器网络通常只关心区域内某个观测指标的值，而不具体关心单个节点的观测数据； 它不依赖于全网唯一的标识，通常包含多个节点到少数汇聚节点的数据流，按照 对感知数据的需求、数据通信模式和流向，以数据为中心形成转发路径。 ( 4 ) 拓扑结构频繁多变 由于能量受限、环境干扰以及节点的移动或损坏等因素影响，无线传感器网 络的拓扑结构随时发生变化，而且变化的方式与速率难以预测。这就要求路由协 议在设计时要考虑对网络拓扑结构变化的适应性，在建立路径时使用本地信息的 局部特性。 ( 5 ) 应用相关 无线传感器网络的应用环境千差万别，不同应用环境下的路由协议可能差别 第10 页河南大学硕士研究生学位论文 很大，没有一个通用的路由机制适合所有的应用。在设计路由协议时，需要针对 每一个具体应用的需求来设计与之相适应的特定路由机制。 2 2 路由协议的设计目标和评估指标 2 2 1 路由协议的设计目标 毋庸置疑，路由算法在路由协议中所起着至关重要的作用，路由算法的优劣 直接影响着最优转发路径的建立和路由协议的性能，因此，无线传感器网络的路 由算法的设计需要综合考量以下设计目标 2 4 】： ( 1 ) 简洁性：指路由协议尽可能的设计简单，尽可能少利用软硬件开销，并且 能够够高效传输数据。 ( 2 ) 鲁棒性：路由算法不会因为各种非正常或不可预料原因，如节点硬件故障、 节点意外死亡、网络负载过高、节点的加入或退出等，影响到任务的正常执行， 路由算法的设计应具有鲁棒性，具有较强的容错能力。 ( 3 ) 可扩展性：路由算法应能适应网络拓扑结构的动态变化和网络规模的变 化，路由算法应采用分布式的运行方式，使其易于扩展。 ( 4 ) 快速收敛：路由算法要简单且能够快速收敛，能适应网络拓扑结构的动态 变化，减少通信开销和提高信息传输的效率。 ( 5 ) 服务质量( q o s ) - 网络性能的重要标识，因此，路由算法的服务质量也是 影响性能表现的一个重要指标。 无线传感器网络路由算法除了要关注以上的设计目标外，另需注意各个传感 器节点能量消耗的均匀性，从而实现延长无线传感器网络系统的生存周期。 2 2 2 路由协议评估指标 无线传感器网络所具有的特点和限制，使其路由协议设计不同于传统网络。 传统网络的路由协议的设计以q o s 为主要目标，而无线传感器网络路由协议却以 能耗为首要目标。因此，无线传感器网络路由协议的评估指标【2 0 2 5 2 6 1 也有不同于传 河南大学硕士研究生学位论文第11 页 统网络。其主要评估指标如下： ( 1 ) 低能耗：无线传感器网络路由协议的首要考虑指标就是低能耗。在网络节 点撒播完成后，由于工作环境的特殊性，通常无法电池充电或更换电池，因此路 由协议的设计必须以节能为首要前提。 ( 2 ) 低时延：无线传感器网络通常采取多跳数据路由方式，路由跳数将直接影 响传输时延，传输时延决定了数据获取的实时性，因此，传输时延是路由协议所 必须考虑的另外一个重要指标。 ( 3 ) 安全性：每个传感器节点除了做为数据信息的采集节点，而且还肩负着路 由节点的职能，因此传感器节点的安全性也是路由协议评估的重要指标。路由协 议面临的威胁主要有虚假路由信息、选择性转发等。安全性包括对路由信息的保 密性、完整性、可用性和认证，以及对节点被攻击的抵抗性等。 ( 4 ) 动态适应性：节点由于能量耗尽、意外损坏而离开网络，或者新节点的动 态加入等原因，使得整个网络的拓扑结构动态变化，因此在设计路由协议时，须 考虑对网络拓扑动态变化的适应性问题。 ( 5 ) 扩展性：在多数实际应用情况下，传感器节点都是成千上万地密集分布于 监测区域。因此，路由协议应该能够支持大规模的网络，它对路由协议的可用性 产生直接影响。 ( 6 ) 简单化：由于传感器节点的能量、计算和存储有限等特点，这就要求路由 协议应尽量简单，操作不能过于复杂，从而保证传感器节点能正常工作。因此， 简单化也是路由协议评估的指标之一。 2 3 路由协议研究现状 目前，国内外学者对无线传感器网络的研究热点多集中于路由协议。下面对 现有的多种路由协议做了分类阐述，并对有代表性的几种路由协议进行了性能评 价和比较。 第12 页河南大学硕士研究生学位论文 2 3 1 路由协议分类 针对不同的应用，研究人员为无线传感器网络设计了多种不同的路由协议。 本文将现有的无线传感器网络路由协议分为以下四种类型1 2 0 2 7 ： ( 1 ) 网络分层路由 这类路由协议也可称为基于等级的路由协议。在此类路由协议中，将传感器 节点划分成簇首节点和簇成员节点，簇成员负责监测，并将监测到的数据发送到 簇首节点；簇首节点主要负责对簇内簇成员监测数据的融合和发送，也负责对其 他簇数据的转发。这类路由协议的典型代表包括l e a c h 2 引、t e e n 2 9 1 、 p e g a g i s 3 们、h e e d 3 、u c s 、e e u c 、u s c r 。l e a c h 协议是麻省理工学院电 子工程和计算机科学系的w e n d ih e i z e l m a n 等人于2 0 0 0 年为无线传感器网络专门 设计的；t e e n 和p e g a g i s 协议是对l e a c h 协议的改进；h e e d 协议针对l e a c h 算法簇首分布不均匀而做的改进；u c s 是首个针对“热区 问题的非均匀分簇路 由协议；e e u c 协议是目前备受关注的一个非均匀分簇路由协议，而u s c r 协议 是对e e u c 协议中成簇半径这一问题的改进。 ( 2 ) 以数据为中心的平面路由 在以数据为中心的平面路由协议中，需要汇聚节点向某些区域发送查询并等 待来自于该区域内节点所采集的相关数据。平面路由的优点是结构简单、鲁棒性 好，但缺乏对通信资源的优化管理，对网络的动态变化反应速度较慢。这类路由 协议的代表有f l o o d i n g 与g o s s i p i n g 3 2 1 、s p i n 3 3 1 、d d 3 4 】协议。 该类路由协议无需维护网络的拓扑结构和进行路由计算，接收到消息的节点 以广播的形式对数据做转发处理。对于自组织的传感器网络而言，一种比较直接 简单的实现方法是f l o o d i n g 路由协议，但该协议中消息的“内爆( i m p l o s i o n ) ”和“重 叠( o v e r l a p ) ”是其固有的缺陷。为了改进所存在的缺陷，s h e d e t n i e m i 等人提出了 g o s s i p i n g 协议，节点随机选取一个相邻节点转发接收到的分组，而不是采用广播 方式，这种方法避免了消息的“内爆现象，但可能增加端到端的传输延时。 河南大学硕士研究生学位论文第13 页 s p i n 协议是首个以数据为中心的自适应路由协议，是由麻省理工学院计算机 科学实验室的j o a n n ak u l i k 等人提出的，它通过协商机制很好地解决了传统的 f l o o d i n g 和g o s s i p i n g 协议所带来的信息爆炸和资源浪费等问题。 以数据为中心路由协议中具有里程碑性质的协议是d d 协议，该协议体现了 依据数据信息建立优化路径的思想，以属性来描述数据内容、借以梯度矢量信息 来描述特定数据的需求方向，利用基于反馈信息的迭代优化算法在源节点与目的 节点间建立一条最优路径。 ( 3 ) 地理位置路由 该类路由协议假设整个网络中的每个节点都预先获得精确位置信息，利用位 置信息将数据转发到目标区域，因此避免了漫无目的的广播数据信息。通常情况 下，利用位置信息可实现将信息发布到指定区域，有效减少了数据传输的开销。 这类路由协议的典型代表是r r 3 5 1 、g e a r 3 q 等。 ( 4 ) 基于q o s 的路由 无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高的要求( 如高可靠性和实 时性等) ，而由于网络链路的稳定性难以保证，通信信道质量比较低，拓扑变化比 较频繁，要在无线传感器网络中实现定服务质量的保证，必须设计基于q o s 的路 由协议。这类路由协议的典型代表包括s a r 协议【3 7 】和s p e e d 协议【3 蚋，以及由 m y o u n i s 等提出来的具有能量意识的q o s 路由协议【3 9 1 。 s a r ( s e q u e n t i a la s s i g n m e n tr o u t i n g ，有序分配路由) 协议是首个具有q o s 意识 的路由协议，它是洼t k a t a y o u ns o h r a b i 等人在d a r p a 支持的研究项目中提出的，它 采用基于路由表驱动的多路径方式获取网络的节能和鲁棒性。 s p e e d 协议是一个实时路由协议，它以一个期望的传输速度贯穿全网来支持 实时通信服务，从而实现端到端的传输延时与源目的节点间的距离成正比例的关 系，在一定程度上保证了端到端的传输速率、实现了拥塞控制和均衡网络负载。 第14 页河南大学硕士研究生学位论文 2 3 2 典型路由协议介绍 ( 1 ) l e a c h 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 ) 是i 主ic h a n d r a k a s a n 等人为无 线传感器网络设计的低功耗自适应分簇路由算法。其基本思想是将整个网络划分 为簇，簇内信息的获取通过簇成员节点来实现，簇首节点负责簇成员节点数据收 集融合，并将融合处理后的数据发送到s i n l ( 节点，由该两类节点的职责可知如何选 取簇首成为关键。 l e a c h 选取簇首时采用了“轮 的概念，“轮”分为两个阶段：初始阶段和稳 定阶段，稳定阶段的持续时间较初始阶段要长的多。在初始阶段，传感器节点选 择【o ，1 】之间的随机数，如果这个随机数小于阈值吖刀夕，那么这个节点就被选为簇 首。丁f ，刀) 的计算公式如下： 聊夕= 一p 1 0 其中p 是要求成为簇首的百分数，厂是当前的轮数，g 是最近兄轮没有成为 簇首的节点集合。若某节点被选定为簇首，该节点便向周围节点广播成为簇首节 点的信息，非簇首节点在收到该簇首信息后，依据所接收到的各信号的强度来选 择它所要加入的簇，簇首节点采用时分复用( t d m a ) 的方式为每个节点成员分配通 信时隙。 在稳定工作阶段，簇成员节点周期性的采集监测数据，并发送给簇首节点， 簇首节点对监测数据收集和融合之后发送至l j s i n k 节点，该工作模式有效减小了通信 数据流量，延长了网络生存周期。在稳定阶段持续一等时间后，网络进入下一轮 工作周期，重新选择簇首。 l e a c h 可以在一定的程度上节省能量，与平面相比网络生存周期至少延长了 1 5 ，但簇首的能量消耗相对较高，各节点需要等概率地担任簇首才能使网络中 2 g 刖 它 矿 其 河南大学硕士研究生学位论文第15 页 所有节点比较均衡地消耗能量，有利于延长整个网络的生命周期；其特点是分层 和数据融合，分层有利于网络的扩展，数据融合能够减少通信量。但是它必须在 每个簇首都可以和节点直接通信的基础上进行，因而有一定的局限性。 ( 2 ) h e e d h e e d (