非均匀分簇WSN路由协议的研究.doc

非均匀分簇WSN路由协议的研究 三塑墅墅三奎兰堕燮竺兰垡笙窒 (2)sec。 ndl yjthekeyanal ysis is madeaboutthetypi calcl usterr。 uti ngprotocolnamedLEACH andthei mproved schemel ikeHEED，EEUC，et cwhich is moresuessfull yput forward on the baseof LEACHAndthe detail edc。 ncl usi。 n isa。 mpl ishedon thepresentexi sti ng problems abouteachr。 uti ngal gori tll IllGeneral ly speaking，a11theserouti ngal gori thms haveceftai ndefectsforexampl eItleads theunbal ancedenergy consumpti on of the cl uster headswhenwe choosethecandi datecl usterhead，wedo nottake intoconsi derof thenodessurpl usenergy and the numberof theoptimal cl uster headsneeded in theactual workNo matterhowfar thenodesfrom thebase，the homogeneouscluster mechanism and。 nehop municate patternareappl ied，and thatg。 esagai nstthebalanceof theenergy consumpti on of overallwork(引Lastl y,as theabove routi ngalgorithms haveshortages，Iputf onVardtheimpr。 Vedscheme namedEBCA(Energy BalancedCl ustering Algori thms、)TheEBCA is mainl yimproved from twoaspectsThefi rstone is aboutthechoi ceofthe clusterheads，the parametersofopti malclu stersnumberandnodessurpl usenergyaretaken in considerto makethe chosencluster nodesmorereasonabl eeVerychoice andthebal anceofenergy consumptionof cluster heads anda11nodes intheworkbetterOn theotherhand，a newwork modelisprop。 sed taking ex锄pl e。 fthei dea。 fun-uni formcInster，thati st。 saywemapout the nodes ina crimi natemonitored areawhich is divi dedinto sectorsofsamesi zeand thenstructurecl usterswi thdi fferent sizeaordi ngto thedi fferentdi stance行。 m then。 de t。 thesi nk，ai ming t。 save m。 ren。 des，energ yIV太原理工大学硕士研究生学位论文一At lastanal yzingandcontrasti ngthealgori thmEBCAto theexistingtypi calonesl ike LEACH、HEED、EEUC byMATLAB fromdi fferentaspectsi ndetai lIncludi ngtheinfl uencethe sectorswi thdifferentnumber make tothe1whol eworkenergyconsumption，thebal anceofcluster headnodeSenergyconsumpti on，thetotal sumenergyconsumped byclusterheadnode，thebal anceof wholenodesenergyconsumption，thel ifecycl eunderthe differentappl icati onsituati onand thepropertyofdataS transmissi onquantity!i ntheworkThe overall simul ati on results indi catethat theununi formcl usteringmodeli nthe newalgorithm is abletobal anceddi stribute theenergytoeverysensornode andthen avoidthe nodes which hasl essenergyl eftand farawayfromthebase would bechosen asclusterheads，SO wego toaconcl usion thatEBCA is amoreeffecti veand moreval uable algorithmwi thwi derappl icati onscopeKEY WORDSwi reless sensorworks，LEACH，clusterroutingprotocol，EBCAV；j尊*j。 妒。 |，r一0i?，。 ，-”，。 ?-一?i r-蔓一太原理工大学硕士研究生学位论文目录第一章绪论?111课题的研究背景?112国内外研究现状及发展趋势?】1-3课题研究的目的和意义?314课题研究的主要内容?315论文的组织结构?4第二章无线传感器网络概述?521无线传感器网络的概念?522无线传感器网络的结构?5221体系结构?5222节点结构?6223协议结构?723无线传感器网络的特点?824无线传感器网络的关键技术?925无线传感器网络的性能评价指标?1026无线传感器网络的应用?1127本章小结?14第三章无线传感器网络路由算法的分析?1531路由协议概述?1531】路由协议的基本概念?15312路由协议的特点?15313路由协议的设计要求?1632经典路由协议的分类?16321经典的平面路由协议?17322基于分簇的层次路由协议?22323路由协议的比较?2833选择分簇路由协议的原因?28VT T太原理工大学硕士研究生学位论文34本章小结?30第四章LEACH协议的研究?3141LEACH路由协议的概述?3142LEACH算法的能量损耗模型?3243LEACH的算法描述?3344LEACH算法的优点与缺陷?3645LEACH算法的研究现状?3646本章小结?39第五章LEACH算法的改进与仿真分析?4151改进算法EBCA的网络模型?4152EBCA算法的基本思想?4253EBCA算法的描述?4354EBCA算法的实现?46541相关的定义?46542EBCA算法的执行过程?4655EBCA与经典分簇算法对比仿真实验?53551仿真实验设置?53552仿真结果分析?5556本章小结?62第六章总结与展望?6561本文工作总结?6562未来工作展望?66参考文献?69致谢?73攻读硕士期间发表的学术论文目录?75V工I I太原理工大学硕士研究生学位论文11课题的研究背景第一章绪论在如今信息技术飞速发展的时代，互联网给人们提供了快捷的通信平台，使人们相互间的信息交流更加便利，而无线传感器网络(Wi reless SensorNetworks，WSN)技术的产生将彻底改变了人类自古以来仅靠自身的触觉、视觉、嗅觉感知信息的现状【l J。 作为新时代一项变革性的技术，无线传感器网络使人们可以随时随地获取大量准确可靠的信息，应用前景也及其广泛。 因此，引起了世界各国以及各行各业的广泛关注【2J。 可以预言，无线传感器网络必将成为未来科技发展的主动力，造福于人类的日常生活。 传感器网络经历了一个长期的发展过程。 首先第一代传感器网络是由专门的连接传感器节点或点对点的传输技术组成的网络。 从第二代传感器网络开始，采用串并行接口与传感器相连，拥有了可以同时获取多种信息的综合处理平台。 在20世纪90年代后期出现了第三代传感器网路，在该网络中引入了现场总线技术来进行智能化传感器网络的构建。 第四代传感器网络目前研究的热点，传感器节点间采用无线技术进行连接，这是传感器网络自身的一个飞跃【2，3J。 传感器网络是由空间上相互离散的众多传感器节点通过无线通信方式构成的白组网络系统，分布在不同场所的大量的节点可以协作的实时监测、感知并采集各种监测对象的信息，然后将信息以自组多跳的方式发送到用户端，最终实现三元世界即计算机世界、物理世界与人类世界的连通【31。 作为21世纪最具影响力的核心科技技术之一，无线传感器网络有着广泛的应用前景，主要体现在军事应用、工业监控、交通管理、农业、环境保护、防止自然灾害、医疗及护理、跟踪及物流管理、建筑及土木工程等领域。 由于传感器网络通常采用电池供电，电池无法随时充电和更换电池，而且大多数情况被分配在环境极其恶劣与危险的监测区域。 除此之外，又由于传感器节点的存储能力、数据的处理能力和通信带宽也非常有限。 因此，如何最大限度的降低节点的能量消耗成为了目前传感器网络中研究的热点问题。 12国内外研究现状及发展趋势太原理工大学硕士研究生学位论文无线传感器网络的起步时间不长，但近年来发展很快。 就目前研究现状来看，大部分研究成果仍处于原型及小规模的实验阶段，能投入实际应用的并不多，因此存在着很大的研发空间。 美国军方最先从事对无线传感器网路技术的研究工作，开展了包括REMBASS(Remote Battlefi eld SensorSystem)遥控战场的传感器系统、网络中心站和灵巧传感器网络、TRSS、WIN 5、Smart Dust(智能尘埃)、Sensor IT、Sea Web、ILAMPS、NEST、Habi tatMoni toring(行为习性监控群)以及英国国家网络等研究项目。 此外，美国的国家航空航天局、能源部、交通部以及各军事部门相继启动了与传感器网络相关的研究项目。 美国几乎所有的著名院校也都有从事与传感器网路技术相关的专门的研究人员，其中对传感器发展做出突出贡献的有哈弗大学、加州大学伯克利分校、洛杉矾分校、康奈尔大学、麻省理工学院等。 于此同时，其他的欧盟国家如德国、日本、英国以及芬兰等，也都相继开展了对该领域的研究。 无线传感器网络广泛的应用前景也预示着其巨大的商业价值，如美国的微软公司、英特尔公司、欧盟的Phi li ps、Si emens、Eri csson、ZMD、France Tele等公司，日本的NEC、SKYLEYNKTWoI水S、欧姆龙等公司都先后开展了该领域的研究工作。 我国在该领域的研究上与发达国家几乎同步。 1999年首次正式的提出将传感器网络的研究列为五个重大项目之一，此方案是在中国科学研究院举办的知识创新工程试点领域方向研究报告中提出的。 xx年，中科院连同上海位系统所共同建立了专门进行无线传感器网络研究工作的微系统研究与发展中心，并先后承担了若干重大项目的研究。 xx年9月在北京针对部分的传感器研究成果展开了较大规模的演示活动，其中有些已经投入了实际应用13J。 xx年颁布的国家长期科学与技术发展规划纲要在确立的3个信息技术未来发展趋势中，其中2个直接涉及到了无线传感器网络。 随后，该研究领域在xx年的远景规划中被列为重点发展的支柱产业之一。 国内的知名高校也先后成立了有关传感器网络的研究课题，如中科院计算技术研究所与自动化所、北京邮电大学、清华大学、国防科技大学、南开大学等，这些著名高校在该领域的研究方面做了大量工作。 除此之外，一些知名企业如中国移动、华为、中兴通讯股份有限公司等单位也纷纷加入了无线传感网络的研究工作。 在我国未来20年的预见性研究报告中，共提出了157个技术相关课题，其中7项与该研究领域有着直接的关联。 总体来说，目前对该领域的研究依然处于起步阶段，多为理论性研究，但随着研究者对热点的问题逐步解决、技术的不断进步及传感器节点价格的下降，预计未来的102太原理工大学硕士研究生学位论文年传感器网络将被得到广泛应用4,6,71。 13课题研究的目的和意义无线传感器网络作为一种新型的信息获取平台，被用于各行各业中。 在民用领域，可用于探测、道路交通监视、空中交通管制、工业生产自动化、智能机器人、住宅安全监测、生态环境监测等；在军事领域，可用于战场监视与侦察、国土安全监控、目标定位、识别与跟踪等。 如今是作为一个新的高科技领域的研究课题，所有应用领域对其功能和性能要求较高，而目前的传感器网络却存在着诸多棘手的问题有待解决，如网络中路由的选择，数据融合，安全问题等。 在无线传感器网络中数据的传输与具体的路由协议息息相关，但由于传统的无线网络(Ad hoc)路由与目前的无线传感器网络路由相差很大，不能直接应用，因此，研究者们提出了专门适用于的无线传感器网络的路由协议，而路由协议的优劣对传感器网络的性能有着极大的影响，所以很多专家学者致力于该方向的研究，并取得了很多突破性的进展【8。 1?。 由于网络中的节点携带的资源与能量有限，又通常被应用在人类无法随时接近的危险恶劣的环境中，使得节点无法充电或更换电池，所以需要设计高能效的路由协议来提高能量利用效率，降低节点能耗以延长网络使用寿命】2_H。 现有的路由协议基本上可以分为平面路由协议和层次化(分簇)路由协议。 分簇路由协议与平面路由协议相比，具有更好的能量有效性和扩展性，能更加方便地对网络的拓扑结构进行管理。 14课题研究的主要内容本文通过分析和比较典型的基于分簇的路由协议的优缺点，在LEACH协议基础上，借鉴非均匀分簇的思想，结合扇形模型提出种新的非均匀分簇路由算法EBCA，新算法在候选簇头节点的选择上，能量消耗的均衡性，网络的生命周期，以及网络中数据的传输量等方面都比原来的算法有更好的优越性。 主要的研究内容如下 (1)首先对典型的分簇路由协议LEACH的设计思想、信道损耗模型、物理模型、具体的工作流程以及优缺点进行分析，使用MATLAB软件得出相应对比仿真结果，针对不同的仿真结果进行具体分析。 (2)借鉴典型的非均匀分簇的思想，提出相应的改进方案EBCA，该方案采用的3太原理工大学硕士研究生学位论文网络模型为将监测区域控制在个圆形区域内，并把整个区域划分成n个大小相同的扇区，每个扇区内随机分布的节点根据到汇集节点的不同距离构成规模大小不等的簇。 簇内普通节点与簇头节点的通信采用单跳的方式，同一扇区内簇头节点问的通信采用多跳的方式。 最后利用MATLAB仿真工具对EBCA算法进行仿真测试，最终与典型的LEACH、HEED、EEUC等分簇路由算法进行仿真实验对比，验证新算法在各方面的优越性。 15论文的组织结构第一章阐述了选题背景、国内外研究现状以及未来发展趋势、研究目的和选题意义，最后对本课题研究的主要内容作了简要综述。 第二章主要从无线传感器网络的概念、体系结构、特点、关键技术、性能评价指标以及常用的应用领域对其进行了简要概述。 第三章主要分析了经典的路由协议，首先简要说明了设计路由协议时的特点以及基本要求，然后针对目前经典型的路由协议从拓扑结构上进行了分类，包括平面路由协议和基于分簇的层次路由协议。 简要的介绍了每种路由协议的思想、分析了各自的优缺点，并从各项性能上对经典路由协议进行了对比。 最后总结了选择分簇路由协议进行研究的原因。 第四章对经典的分簇协议LEACH进行了详细的研究，并分析了该算法的优点与缺陷，针对该算法存在的问题，总结了研究者们提出的几种较为成功的改进算法。 第五章鉴于对以上算法的分析，保留与提炼已存在算法中的优点，针对目前LEACH算法中仍未解决的“热点”问题，提出了自己的改进方案EBCA，并详细的阐述了EBCA的网络模型、基本思想、实现过程。 最后利用仿真工具MATLAB将新算法EBCA与己存在的分簇路由算法如LEACH、HEED以及EEUC在簇首能耗的均衡性、节点总体能耗的均衡性、网络的生命周期、扇形个数对节点总体能耗的影响及网络中数据的传输量等多方面进行了对比与评价。 第六章总结了全文并提出下一步的研究计划。 4太原理工大学硕士研究生学位论文第二章无线传感器网络概述21无线传感器网络的概念无线传感器网络在最近几年来是基于数字电路、微机电系统、无线通信等学科发展起来的一个全新的研究领域。 通常是由大量的微型传感器节点组成，节点一般采用随机散播的方式来部署，然后以自组织多跳的方式构建网络系统。 所有节点都具备实时监测、感知周围环境信息以及相互协作的能力，并由部分节点将最终收集到的信息通过嵌入式系统进行各种处理，然后以无线的方式通过互联网、卫星或其他的移动通信网路传输到用户终端【6，7，11J。 22无线传感器网络的结构221体系结构体系结构主要包括传感器节点(Sensor Node)、汇聚节点(Si nk节点或基站)、任务管理节点(Task ManagerNode)、互联网或卫星通信网等2,15,16。 如图2-1所示。 图21无线传感器网络体系结构Fi g21System structureof WSN (1)传感器节点主要功能是通过节点间较强的协作能力，来完成局部的原始数据采集和预处理，并将处理结果以多跳的方式传输到汇聚节点。 (2)汇聚节点也被称为Si nk节点或基站，在整个传感器网络中较为重要，起到5太原理工大学硕士研究生学位论文连接传感器网络和外部网络的能力，并可实现两种不同协议栈之间的通信协议转换的作用。 所以该节点需要具备较强的信息处理、存储与通信能力。 汇聚节点可以是单一的传感器节点，只需要携带足够的能量和计算存储能力；也可以是一个特殊的网关设备，不具备任何传感器节点的功能。 (3)任务管理节点主要通过发布监测任务和收集监测数据来对整个网络进行配置与管理。 222节点结构传感器节点是构成传感器网路的最基本的单位，是网络化的微型嵌入式系统，网络间的通信采用无线的方式。 每个节点的基础部分主要有能量供应模块、传感器模块、处理器模块和无线通信模块四个部分组成(15,17,181。 如图22所示。 传感器模块处理器模块无线传通信模块处理器传感器斗AaDC。 1网络胁MAC收发器存储器IJ LJL能量供应模块j_ijI图22节点构成图Fi g2-2Thestructure ofthenode (1)能量供应模块为各类传感器节点正常运行提供能量，同时也是影响节点寿命的关键因素。 一般采用锂电池或AA型碱电池，目前已有学者尝试利用从周围环境中获取能量，将其转换成电能来提高节点的使用寿命。 (2)传感器模块由传感器和(ACDC)模数转换功能模块组成，主要负责采集监测区域内的信息以及数据的转换。 (3)处理器模块通常有存储器、处理器以及嵌入式操作系统等组成，其功能是对传感器节点采集到的数据信息进行存储、转发和预处理等操作。 (4)无线通信模块主要承担节点间的无线通信任务，交换控制信息或对采集到的数据进行接收或转发操作。 6太原理工大学硕士研究生学位论文223协议结构无线传感器网络协议结构跟TCPIP协议类似也分为五层，但除此之外，还包括无线传感网络所特有的3个管理平台，各个平台问相互协作，为网络中的每个节点提供高效的工作方式191。 具体结构如图23所示。 图2-3无线传感器网络协议栈Fi g2-3Protocol structureofWSN各层协议与管理平台的功能如下 (1)物理层主要负责数据传输的介质规范、数据调制、发送与接收、工作温度、工作频段、信道编码、同步与定时等标准，以及负责产生载波频率、信号的调试解调等工作，是为上层提供可靠服务质量的重要部分。 物理层的设计将直接影响到电路的复杂性以及传输能耗等问题。 研究设计的首要目标需保证传感器节点的功耗低、成本低和体积小。 为了确保能量的有效利用，延长网络的生存周期，物理层的设计应与数据链路层密切相关。 (2)数据链路层基本的功能是确保网络中的传感器节点问的无误链接，同时负责监测信息传输过程中数据帧、数据流的多路复用、差错控制以及媒体访问控制。 由于无线信道的特性，节点移动、环境噪声和多点冲突等现象无法避免。 所以除了以上功能外，最主要的功能是需要设计一个适合无线传感网络本身的访问控制协议(MAC)，该协议主要负责错误控制与媒体访问，避免点对点和点对多通信冲突的发生。 (3)网络层基本功能是负责构建路由以及路径的选择，还可以完成对接受到数7太原理工大学硕士研究生学位论文据的融合处理，保证节点间的有效通信。 而在网络层最核心内容就是路由算法，合理高效的路由算法可以极大的改善传感器网络的性能。 (4)传输层主要功能是确保通信质量，将监测到的数据信息准确无误的传输到目的节点。 通常情况下传感器网络需要通过有线或无线的方式与Inter或其他外部网络进行通信，所示传输层是必不可少的。 (5)应用层主要功能是获取监测数据并进行预处理，由于不同的环境必然对应不同的应用需求，因此目前并没有通用的应用层协议，对于应用层的研究也较少。 (6)能量管理平台主要是对管理传感器节点如何使用自身有限的能量，目前在物理层、数据链路层和网络层有所体现。 (7)移动管理平台主要功能是针对无线传感网络中节点的拓扑变化频繁的情况，进行检测并维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态的跟踪邻居节点的位置。 (8)任务管理平台基本功能是协调、平衡与调度完成目标监测区域内的监测任务。 23无线传感器网络的特点主要的特点共分为一下6个方面【20，2 (1)以数据为中心由于无线传感器网络可以用来搜集、处理和统计数据，而一般数据的统计以数据管理以及处理为核心，对监控区域中的所有数据进行感知、分析、存储、转发和预处理。 (2)电池容量有限由于无线传感器网络特殊的应用环境，每个节点自身的能量有限，一般无法随时充电，电池的更换也较为困难，而电量的耗尽将会导致网络中节点的失效。 因此，如何降低各节点在网络工作中的总体能耗，成为了影响全网生命周期的重要因素。 (3)硬件资源受限由于传感器节点的开发受到价格，体积，功耗等方面的限制，一般传感器节点不具有强大的硬件，所以传感器节点的存储能力，数据处理能力也较为有限。 (4)网络自组织通常传感器节点是被随机散播在目标监控区域中，节点的位置信息以及邻居关系都无法预先得知。 传感器节点间需自发的协调各自的行为，通过自组织的方式组成一个独立的网络。 当无线传感网络的拓扑结构发生变化时，传感网络的自8太原理工大学硕士研究生学位论文组织性要可以根据拓扑结构而动态的变化。 (5)网络节点动态变化频繁由于传感器节点的电源能量受限，节点的移动性或能量耗尽会造成部分节点出现故障或失效，而新节点的加入或普通节点受至0#1-界因素的干扰都将造成通信链路带宽发生变化，这势必会影响到网络拓扑结构频繁发生变化。 (6)多跳路由通信网络中的节点通信能力有限，通常在几百米范围内，甚至更小，而网络的覆盖范围却在几百万米甚至上千万米，这就要求网络节点进行自动配置和管理，利用拓扑机制和网络管理协议形成具有数据转发功能的无线网络系统，这样，即使有节点失效，整个网络依然能够正常运行。 24无线传感器网络的关键技术无线传感器网络近年作为多学科交叉的研究课题，有着广泛的应用前景，同时也存在较多的关键技术问题需要进一步研究，主要包括【20粕路由协议、节点定位、节能技术、数据融合、同步技术、安全问题等。 (1)路由协议路由协议在无线传感器网络直占据着非常重要的位置，不仅与每个独立节点的能量消耗有关，而且还设计到了网络中的总体能耗是否均衡的问题。 目前我们研究最多，最为重要的是网络层的路由协议，其基本功能是为数据的传输寻找一条最佳的传输路径。 由于传感器网络的具体应用环境不同，所以设计出的路由协议也有所差别，也各有其优点与缺陷。 目前研究者也在经典路由协议的基础上，为了进一步提高其性能，最大限度的延长网络的生命周期，提出了各自改进的路由算法。 (2)定位技术因为传感器节点只有首先明确自身的位置信息，才可以监测出在某个特定的位置发生的特定事件，最终定位与跟踪目标检测区域。 此外，由于传感器网络节点数目众多、部署不确定、能量有限、可靠性差、通信能力、数据处理与存储能力有限，所以需要设计出具有自组织性、能量高效性、鲁棒性以及分布式计算功能的定位机制。 (3)节能技术由于传感器网络中节点的特殊性，每个节点均携带固定且有限的初始能量，且工作过程中不可再及时补给，因此为了延长电池的使用寿命，就必须对电池能量进行有效的管理，在部分节点暂时不使用的情况下应尽可能使其处于休眠状态，路由协议的设计也9太原理工大学硕士研究生学位论文必须考虑到节点能量消耗这个关键因素，尽量减少不必要的能量消耗。 (4)数据融合数据融合就是对采集到的多个特征相似的数据信息进行相关的处理操作，生成信息量较小且符合用户要求的数据过程。 在多数无线传感器网络应用中，节点的覆盖范围较广，数目众多且分布通常较为密集，而一般邻居节点所采集的数据又有很大的相似性，若每个节点都将自身采集到的数据单独传输到汇聚节点，必定有大量的冗余数据，同时还增加了节点不必要的能耗。 所以数据融合在传感器网络中是一项非常关键且有效的技术。 (5)时间同步技术传感器中的节点在不同的应用环境中都有自身的本地时钟，同时受到外界温度和电磁波等的干扰也会造成节点问运行的时间与晶振频率偏差，而多数应用都需要节点问相互协同配合，因此同步机制成为了各节点协同工作的关键机制。 准确的时间同步机制还是实现TDMA调度、数据融合和定位的基础。 目前采用的同步机制主要是J eremyEl son提出的参考广播同步RBS(Reference BroadcastSynchroni zation)。 (6)安全问题一方面由于无线传感器网路通常采用的是无线传输信道，因此必定存在恶意路由、消息窃取与篡改等安全隐患。 另一方面，由于无线传感器网络的能量受限、存储和处理能力有限，使得解决网络的安全问题更加重要。 (7)无线通信网络技术由于无线传感器网络采用的是自组织、低功耗、短距离与多跳通信技术。 超宽带技术对信道的衰减不是太敏感，并且信号的发射功率与系统复杂度的要求低，精确度相对较高，这些无线传感器网络的功能和性能都是决定其应用的关键因素，因此，该技术也被作为研究的核心技术之一。 25无线传感器网络的性能评价指标在无线传感器网络的研究中性能评价指标的精确度将直接影响到传感器网络在具体应用中的性能，目前适合无线传感器网络的性能评价指标包括通信性能、能耗控制、容错性和感知精度等4个方面【4，271。 (1)通信性能1O太原理工大学硕士研究生学位论文一般无线传感器网络根据不同的应用环境和节点不同的部署模型，采用不同的通信指标，主要评价指标包括吞吐量、节点利用率、链路利用率、丢包率、延迟、容错性、信道的容量和相应时间等。 (2)能耗控制对能耗控制指标的评价常采用网络的生命周期，目前网络的生命周期有两类定义一种是以第一个传感节点的能量耗尽的时间为标识；另一种是以邻居节点的能量耗尽，使源节点成为孤立定点的时间为标识。 影响传感器网络生命周期有外部和内部因素两种，但主要是内部的硬件和软件因素。 其中硬件因素节点的能量供应情况、无线通信模块、CPU和存储器的能耗情况等；软件因素则与具体的通信协议的设计和数据融合算法有关。 所以，我们在设计具体的软硬件时，必须首要考虑如何能最大限度的节省与均衡网络的能耗问题。 (3)容错性由于传感器网络的应用环境非常的特殊，且物理维护与更换这些的失效节点非常困难甚至不可能。 所以，我们需要设计出容错性较强的软硬件资源，这样即使网络中出现死亡节点或拓扑结构有所变化时，它可以能够通过自动重组来重构整个网络，以保证网络正常运行。 (4)感知精度感知精度指观察者接受到感知信息的准确度，也是无线传感器网络中一个非常重要的参数。 影响感知精度的因素包括节点自身的感知能力、处理信息的方法、具体的通信协议和通信能力。 通常感知精度跟延迟和能量的消耗之间关系密切，感知精度越高，时间延迟与能量消耗也越大。 所以，我们对路由协议的设计时要尽量综合考虑到这三方面的因素，使最终性能达到最优。 26无线传感器网络的应用虽然无线传感器网络已开始了大规模的商用，但由于目前受技术等方面的制约，要全面应用还有待时日。 最近几年来，随着微处理器体积的不断减小以及计算成本的下降，将会有越来越多的传感器网络投入应用，也必给我们2】世纪的生活带来巨大的影响。 具体应用通常体现在以下几个领域军事领域、工业监控、医疗护理、智能家居、交通管理、空间探索、跟踪及物流管理、农业及生物环境保护、建筑及土木工程及环境监测太原理工大学硕士研究生学位论文等诸多领域28,32。 (1)军事领域无线传感器网络的研究起源于军事领域，所以在军事领域方面的应用也成为了主要推动力。 由于传感器网络是由密集型、随机分布、低成本的节点组成的，自组织性与容错能力使其不会因为部分节点的损坏而致使整个网络系统崩溃，这一特点是传统的传感器技术无法比拟的，也正是因为这一点，无线传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境，包括侦察敌情、监视冲突区、监控我方兵力、物资和装备、评估损失、定位攻击目标和探测核、生物与化学攻击等对多方面的用途。 (2)工业监控随着社会的快速进步与发展，安全问题也成为了工业生产过程中首要考虑的问题。 工业领域的应用主要体现在危险系数较高的井矿、核电厂等方面的安全监测。 利用监控系统可以大幅度的降低监测设备的成本，节省大量的人力资源，提高安全性和可靠性，改善工厂的运作条件，还可以提前发现潜在的问题，这样就能够提高效率、缩短设备的停机时间和延长设备的使用寿命。 无线传感器网络还可以利用传感器节点采集到的视频和音频数据对具体的工作环境进行实时查询与跟踪，但这需要Qos保障【50 (3)医疗护理无线传感器网络目前在医疗研究和健康护理领域方面的应用也凸显出了巨大的优势，其主要用途有可以进行医院药品的管理、远程医疗、监测人体的生理数据及随时了解被监护病人的病情等。 现在已有一些成功的案例比如罗切斯大学的研究人员就使用传感器网络组建了“智能医疗之家”，通过在对患者身上植入的微型智能传感器节点，来实时跟踪与测量患者的各项指标，如血压、脉搏与呼吸状况等等，将所搜集的数据为以后的医疗研究提供依据；SSIM(Smart Sensorsand IntegratedMicrosystems)项目，将100个微型传感器植入盲人的眼中，来帮助盲人获得一定程度的视觉等。 (4)智能家居通过将传感器节点嵌入到家用电器、家具或日常生活用品内，使得传感器网络与Intemet连接在一起，实施远距离的遥控，可以为人们提供更加方便、舒适与人性化的智能居住环境。 例如，人们可以在回家之前按照自己的意愿和自己的口味来远程遥控煮饭、烧菜；还可以清洁卫生、查收电话留言、录制喜欢的电视节目、在最佳时机打开空调以及从网上下载所需要的资料等工作；甚至家里的安全情况，用户也可以通过远程监12太原理工大学硕士研究生学位论文控的方式随时随地实时得到汇报结果。 (5)交通管理美国交通部己计划采用“国家智能交通系统”。 该系统会采用无线传感器网络对复杂的交通环境进行有效的管理，不仅可以使汽车按照规定的速度行驶、还可以提供关于道路堵塞的相关消息，提醒驾驶员避免交通事故并能向驾驶员推荐最佳的行车路线，根据具体的监控情况，及时进行调整，使车辆永远保持高效的运行状态。 (6)空间探索人们长期以来一直对无法到达及无法长期工作的外部星球的探索有着极大的热情，可以借助于火箭、太空舱或探路者等航天器在这些天体上散播无线传感器网络节点，来实现远程对这些外星球各种信息的监测与了解。 目前NASA(Nati onalAeronauti csandSpace Admini stration，美国国家航空航天局)的J PL(J etPropul sion Laboratory,喷气式推进实验室)研制出的已在佛罗里达宇航中心投入了使用的火星探测工具一一SensorWebs，该工具主要承担了对其周围环境监测项目的测试与完善工作。 (7)跟踪及物流管理随着经济与科技的迅猛发展，物流业也得到了前所未有的发展与重视，传统技术的应用已无法满足物流管理体系的“自优化”和管理信息的“实时性”要求。 而新兴的无线传感器网络技术将结合GPS、GIS和RFID(电子标签)等技术应用在车辆跟踪、监控和供应链的监控等方面，而且目前RFID技术已经成为发达国家物流管理的主要技术手段。 在国际上已有很多企业和公司正在研究和开发有关该领域的芯片、数据库、供应链管理、软件中间件和整体方案。 随着无线传感器网络与RFID技术的相互结合，它们在目标跟踪和物流信息管理中将被得到更好的推广和应用【5。 (8)农业及生物环境保护随着现在信息技术的快速发展，农业中也越来越多的采用高科技技术，无线传感器网络技术就是其中重要的技术之一。 在农业的应用中，一般是随机分布大量的传感器节点，通过传感器节点采集到的信息，帮助农民及时的发现农作物潜在的问题，并准确的确定问题所发生的具体位型5l。 这样以来，农业就进入了智能化、自动化及信息化管理模式。 目前典型的应用有精准农业、温室环境和节水灌溉等农业应用。 (9)环境监测目前随着人们对环境问题的逐渐重视，环境的监测问题便成为了当前一个热点问13太原理工大学硕士研究生学位论文题。 在环境科学的研究中，若用传统的方式采集数据相当困难，但利用无线传感器网络采集的数据为获取野外随机性研究数据带了极大的方便。 如把几百万个传感器节点随机散播在森林里，能准确、快速的判定森林中具体的火灾地点，还可以精确定位遭受化学污染的位置，从而无需人工冒险进入污染区；跟踪候鸟与昆虫的迁移；利用传感器节点实时监控空气污染、土壤污染以及水污染；还可以利用传感器网络进行降雨情况的判定，为抗旱防洪提供准确的数据等等。 27本章小结本章简要对无线传感器网络的概念进行了介绍，重点介绍了传感器网络的体系结构以及传感器网络的特点，总结了传感器网络的关键技术与性能评价指标最后介绍了无线传感器网络的在各个领域中的应用。 14太原理工大学硕士研究生学位论文第三章无线传感器网络路由算法的分析31路由协议概述311路由协议的基本概念路由协议作为无线传感器网络网络层的核心技术，起着监控拓扑网络结构变化、建立、维护和删除节点间的路由的作用，以保证在恶劣环境下节点采集到的信息能被准确、高效、及时的传递。 主要功能是确定一条数据转发的最优路径。 312路由协议的特点路由算法作为路由协议的核一tl,部分在路由协议中起到至关重要的作用，与传统的传感器网络(Adhoc)相比，约束能力进一步加强，而且不同的应用场景需要的路由策略也干差万别，为此人们相继提出了适合不同应用环境的路由协议33,341，其共同的特点如下 (1)能量高效鉴于无线传感器网络节点能量受限这一特点，在进行路由算法的设计时应首先考虑每个节点的能量消耗以及剩余能量的均衡性，这样才能做到最大限度的延长网络的生命周期。 (2)以数据为中心通常在无线传感器网络的目标监测区域中随机分布的传感器节点数量庞大，分布密度大，并且所关注的不是某个单一节点所采集的数据信息，而是整个目标监测区域被感知的数据信息，不依赖于全局唯一的标识。 传感器网络通常根据具体的监测数据、数据的流向与通信模式，以数据信息为中心来构建消息的转发路径。 (3)基于局部的拓扑信息由于传感器节点自身的特殊性，携带有限的能量且通信能力受限，使得数据信息只能在节点的通信范围内进行传输。 因此，为了最大限度的节省能量的消耗，一般用多跳的方式来解决。 鉴于节点仅能获取局部的拓扑信息，如何设计简单、高效的路由15太原理工大学硕士研究生学位论文策略成为了问题的关键。 313路由协议的设计要求针对无线传感器网络的路由协议的特点，在设计路由协议时，必须满足下面的条件15,33,35 (1)能量高效由于传感器节点的能源受限，为了延长网络的生命周期，在设计路由协议时要从整个网络的角度考虑，尽量选择可均衡能量消耗的路由策略，而不仅仅是选择能耗小的传输路径。 (2