硕士论文-基于WSN的能量空洞路由算法研究

1、扬州大学硕士学位论文基于WSN的能量空洞路由算法研究姓名：陈拥军申请学位级别：硕士专业：计算机软件与理论指导教师：杨云20100401陈拥军基的能量空洞路由算法研究（，（），（），、析，扬州大学硕士学位论文：；陈拥军基于的能量空洞路由算法研究扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书学位论文原创性声明本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：摊签字日期：功年月日学位论文版权使用授权书本

2、人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大学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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。学位论文作者签名：翻润早导师签名：签字日期：砂年，月留日签字日期：年月日陈拥军基于的能量空洞路由算法研究无线传感器网络的概念第章绪论随着科技的飞速发展，人类已置身于信息时代。信息的生成、获取、存储、处理及其应用是现代信息科学的六大组成

3、部分，已经渗透到生产生活的各个方面，其中信息的获取是信息技术产业链上重要的环节之一，没有它就没有信息的传输、处理和应用，信息化也就成了无水之源。随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统（）等技术的日益发展和成熟，低功耗、多功能的微型传感器的大量生产成为可能。加之计算机网络技术等的进步以及互联网的迅猛发展，传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、微型化，进而向智能化、网络化方向发展，成为信息获取最重要和最基本的技术之一。无线传感器网络（，）是信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合信息系统，被认为是世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生巨大影响。近年来，随着传感器技

4、术、微机电技术方面取得的巨大进步，一种集成了感知、计算、通信能力，具有低成本、低功耗、多功能、体积小和短距离无线通信等特点的传感器节点【引，以及由该种节点构建网络的技术得到了越来越多的关注。这种传感器节点集成了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术等功能，由这种节点组成的网络可以协同工作，实时或长期监测被监测区域内的各种对象数据，并对这些数据进行分布式预处理后传给最终用户，从而为用户提供直观的观察效果。由于节点通信一般采取低功耗、低速率的无线通信手段，因此，这种网络可以称为无线传感器网络。无线网络技术的飞速发展，无线传感器网络作为一项新兴的信息采集技术日益得到重视。无线传

5、感器网络体系结构无线传感网络结构在传感器网络中，大量传感器节点随机部署在被监测区域内，这一过程是通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的。无线传感器节点能够通过自组织方式构成网络，网络中的节点互相作为其邻居（在其直接通信范围内的节点）的路由扬州人学硕士学位论文器，通过节点转发实现节点间的通信。在这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围是有限的，两个无法直接通信的用户终端可以借助其它终端的分组转发进行数据通信。无线传感器网络结构如图所示，一个典型的传感器网络的体系结构通常包括传感器节点（）、汇聚节点（）、管理节点（）和互联网等。传感器节点以自组织形式构成网络，每个传感器节点都可以监测数据，通

6、过多跳中继方式将监测数据传到节点或者基站。通过节点或者基站，无线传感器网络与外界建立联系。图传感器网络结构，无线传感网络的节点结构无线传感器网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图所示。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传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能源供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池【】。陈拥军基于的能量空洞路由算法研究无线传感网络协议栈图传感器节点体系结构传感器节点都具有通信能力，通过网络

7、协议自组成网，由于无线传感器网络的独特性，传统的大量网络协议在无线传感器网络中不再适用，随着研究的深入，研究人员提出了多个传感器节点的协议栈，比较典型的两种协议栈如图所示。（围困回（）图传感器网络协议栈虽扬州大学硕学位论文图（）所示的是早期的一个协议栈，它包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议的五层协议相对应。此外，该协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能量高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。下面介绍各层协议和平台的功能【，如下：物理层物理层的任务就是透明地传送比特流，为网络提供

8、简单但健壮的信号调制和无线收发技术。数据链路层数据链路层的主要任务是通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。它负责数据成帧、帧检测、媒体控制和差错控制。网络层网络层的任务包括路由发现、路幽生成、路由选择和路由更新，保证数据包准确无误送到目的地，主要包括寻找源节点和目的节点的优化路径和将数据分组沿着优化路径正确转发两方面的功能。传输层传输层的主要任务是负责数据流的传输控制，向上层提供可靠的端到端数据流服务，保证通信服务质量。应用层应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要，直接为用户的应用进程服务。能量管理平台能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在协议栈的各个层都

9、需要考虑能量节省问题。移动管理平台移动管理平台检测传感器节点的移动，维护到汇集节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。任务管理平台任务管理平台的功能是在一个给定的范围平衡和调度监测任务。图（）所示的协议细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，所以用倒型描述这两个功能子层。图（）陈拥军基于的能量空洞路由算法研究右边的诸多机制一部分融入到（）所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程；另一部分独立在协议的外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。无线传感网络的特点

10、无线传感器网络是无线通信向智能化、微型化和网络化方向的延伸，一般是为了某个特定的需要而设计的，它是一种基于应用的无线网络。与传统的无线网络相比，有其自身的特点瞵：（）计算和存储能力更有限。由于受到价格、硬件体积和功耗等的限制，这些限制必然导致无线传感器网络节点的处理能力比较弱，存储容量比较小。（）网络规模更大、分布范围更广。传感器网络中传感器节点的分布密而广，单位面积所拥有的网络节点数远大于传统的无线网络，利用节点之间的高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。（）无控制中心。无线自组织网络中没有绝对的控制中心，网络中所有节点的地位平等，是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障

11、不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。（）能量更有限。无线传感器节点通常采用电池供电，电源能量更加有限，而且节点受到应用环境的限制，更换或者代替是很困难的。受到能量的影响，无线传感器节点的通信距离和使用寿命都会受到很大限制。（）网络自组织。网络部署和展开不需要任何基础网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开始运行后就可以自动、快速的组成一个独立的网络。（）多跳路由。传感器网络中节点通信距离有限，节点只能与它的邻居节点直接通信。如果希望与其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。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通

12、网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点必须具备信息的发送和转发功能。（）动态拓扑。无线传感器网络具有很强的动态性，节点可以随处移动，一个节点可能会因为能量耗尽或故障退出网络，一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。新节点加入或者已有节点失效都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑、自组织功能。（）以数据为中心。传感器网络是一个任务型的网络，脱离传感器网络谈论传扬州大学硕士学位论文感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节点编号标识，而网络中的节点一般采用随机的方式部署，所以节点的编号与位置是没有必然的联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通

13、告给网络或者网络中的局部地区，而不是具体的某个节点。网络在获得查询信息的结果后会传递给用户。这是一种以数据本身作为查询或者传输线索的思想，所以说传感器网络是一个以数据为中心的网络。（）与具体的应用相关。不同的传感器网络应用关心物理世界的不同信息量，因此对传感器网络的应用系统也有多种多样的要求。不同的传感器网络应用环境，其具体的硬件平台、软件系统和网络协议也会有很大的差别。针对具体应用来研究传感器网络技术，才能做出最高效的目标系统。因此在开发具体系统时应特别注意应用需求。（）网络可靠性要求高。传感器节点特别适合部署在恶劣环境和人类无法到达的区域，容易遭到磨损或破坏。这些都要求传感器节点非常坚固，

14、不易损坏，能够适应各种恶劣的环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取或伪造。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。无线传感网络的节点特征电池能量有限传感器节点体积微小，通常靠自身携带的微型电池供电。由于传感器节点个数多，成本要求低廉，分布区域广阔，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员根本不能到达，所以传感器网络通过更换电池的方式来补充能量是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。通信能力有限无线通信的能量消耗和通信距离的关系为：拧。其中参数

15、疗满足关系，的取值与很多因素有关。例如，传感器节点部署靠近地面时，障碍物多干扰大，刀的取值就大。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加，因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离，一般而言，陈拥军基于的能量空洞路由算法研究传感器节点的无线通信半径在以内比较合适。但也不是一味的通信半径越小越好，否则将增大路由和转发的能耗，这中间有一个权衡的问题。考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络多采用多跳路由的传输机制。传感器节点的无线通信带宽有限，受地势地形及自然气候影响，在这样的通信条件下，如何设计网络通信机制以满足无线传感网络的通信需求是面临的挑战之一。计算和存储能力有限传感器节

16、点是一种微型嵌入式设备，要求价格低功耗小，这些限制必然导致它的处理能力比较弱，存储容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答网关节点的任务请求和节点控制等多种工作，如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。无线传感器网络应用无线传感器网络的应用的景非常广阔，能广泛应用于军事、环境、健康、空间探索和其它领域。传感器网络的研究起步于世纪年代末期。从世纪开始，传感器网络引起了各界的极大关注，随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。简而言之，无线传感器网络的应用大致有以下几种：军事应用军

17、事应用是无线传感器网络技术的主要应用领域，由于无线传感网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强的高容错性的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。传感网络已经成为军事系统必不可少的一部分，受到军事发达国家的普遍重视。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃传感器技术的研发。环境监测和预报系统随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，扬州大学硕士学位论文无线传感网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验研

18、究人员曾经将个小型传感器连接互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。医疗健康无线传感网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用智能微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感网络的家庭护理技术。该技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项目（）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、

19、家具以及家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事称“在开发家庭护理技术方面，无线传感网络是非常有前途的领域”。人工视网膜是一项生物医学的应用项目。在（）计划中，替代视网膜的芯片有多个微型传感器组成，并置入人眼，从而达到使失明者或者视力极差者能够恢复到一个适应处理日常生活需要要求的视力水平。空间探索探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撤的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案的（巧）实验室研制的就是为将来的火星探测进行技术准备的，已在弗

20、罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。其它用途无线传感网络还被应用于其它一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测；也可以用在交通领域作为车辆监控陈拥军基于的能量空洞路由算法研究的有力工具。此外，还可以在工业自动化生产线等诸多领域应用，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由台机器上的个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随

21、着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。面临的技术难点和挑战由于传感器网络节点数量庞大、单个节点资源极其有限、监视范围广，使无线网络正常运行并大量投入使用面临着很多问题，需要许多关键技术的解决：网络内通信问题传感器网络需要具有能对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获低功耗短距离的无线通信技术。标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，由于它的网络特征和无线传感网络存在很多相似之处，故很多研究机构将它作为无线传感网络的无线通信平台。超宽带技术（）是一种极具潜力的无线通信技术。超宽带技术具有系统复杂度低、能提供精确至数厘米的定位精度等优点，非常适合应用于无线传感网络。无线传感网络在

22、进行数据采集、融合和传输时，为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全，与其它无线网络一样需要安全机制，同时由于节点单元能力的受限，以及无线传感网络节点的协作特性，必然需要与安全强度有个权衡的问题。制造工艺和产品成本问题传感器的基本原理不难，但制造工艺技术严格保密。国内传感器技术落后的根本原因是制造工艺技术和专用工艺设备的落后，使传感器的稳定性和可靠性问题长期得不到根本解决，限制了国产传感器的使用范围和可信程度。经过多年开发，虽然一批工艺和产品取得了科技成果，由于批产工艺的稳定性和实用性得不到很好解决，成为产业化的瓶颈。为此，必须加快发展传感器制造工艺技术和产品。高效的无线传感器网络结构扬州大

23、学硕七学位论文无线传感网络的网络结构式组织成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感网络可以最大限度的利用资源。在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。能量问题无线传感网络中的节点一般采用电池供电，可以使用的电量非常有限，而且对于有成千上万节点的无线传感网络来说，对电池的更换是非常困难的甚至是不可能的。但是无线传感网络的生存时间却要求长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感网络的电池能量成为无线传感网络软硬件设计的核心问题，也是当前国内外研究机构关注的焦点。目前无线传感网络的发展瓶颈之一就是节点供能问题，本文将主要在分

24、析无线传感网络结构的基础上，比较现有的各种路由协议，重点从节能的角度，对路由协议进行优化。后面的网络仿真证明，性能有很大提升。本论文的主要工作和结构本文共分章，各章具体内容安排如下：第章为绪论，主要回顾了无线传感网络的概念，按照网络、节点、协议栈的顺序分析了无线传感网络的体系结构，从应用的角度比较了它与其它无线网络的不同，总结了无线传感网络的特征，最后介绍了无线传感网络的应用场合，以及面临的技术难点和挑战；第章主要就现有的无线传感网络的各种路由协议和算法进行了对比和分析，总结了无线传感网络路由协议的共有特点以及不同网络路由协议间的不同之处。为后面的深入研究无线传感网络的路由算法奠定了基础；第章

25、主要阐述了解决无线传感器网络能量消耗不均匀的几种策略，并分析了各种策略的特点；第章针对无线传感器网络中地理位置和能量路由算法可能产生的路由空洞问题进行了分析，并在原来的算法基础上，针对不足之处，对其进行了改进；第章针对无线传感器网络节点能耗分布不均衡的问题，采用非均匀分布策略部署节点，提出一种新的路由算法，通过仿真实验表明，该路由算法在能量节省、能耗均衡和提高网络生存期方面具有明显的优势，进而能够缓解能量空洞问题；第章总结全文，对无线传感器网络路由技术进一步研究与发展进行了展望。陈拥军基丁二的能量空洞路由算法研究第章传感器网络路由协议分析无线传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议

26、可能差别很大，没有一个通用的路由协议。此外，传感器网络的路由还经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量而节省能量。本章将介绍无线传感器网络路由协议的特点、无线传感器网络路由协议的分类、各类中较为典型的路由协议以及无线传感器网络路由协议的特征。无线传感器网络路由协议概述路由协议是无线传感器网络层的核心技术。从路由的角度看，无线传感器网络有其自身的特点，它既不同于传统网络，又不同于移动自组网（，）。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，它主要包括两方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径以及将数据分组沿着优化路径正确转发。、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提高服务质量和

27、公平高效的利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点问通讯延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。在传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。路径协议的任务是在传感器节点和节点之间建立路由，从而为用户可靠地传递数据。由于传感器网络资源严重受限，因此路由协议的设计必须遵守执行计算简单，节点保存信息少等原则【。传感器网络具有很强大的应用相关性，不同应用中的路由协议

28、可能差别很大，没有一个通用的路由协议。传感器网络路由协议与传统网络路由协议的区别路由协议是无线传感器网络层的核心技术，无线传感器网络从物理结构、网络功能等多方面都区别于传统网络，无线传感器网络的路由协议与传统网络也存在较大差别。扬州大学硕士学位论文网络、无线局域网等传统无线网络的首要的目标是提高服务质量和公平高效的利用网络带宽，这些网络路由协议的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，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。在无线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络节点数目

29、往往很大，且节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。传统的路由协议是不能直接用于传感器网络，而针对设计的组网和通信协议一般不适合于传感器网络。首先，传统路由协议缺少对节能方面的考虑，而且扩展性也达不到传感器网络的要求，传感器节点虽然较少移动甚至固定不动，但是整个网络频繁发生拓扑变化，而且网络规模大，导致传统路由协议不能适用。传统协议以最短路径或最小延迟为优化目标，必然导致通往汇集节点的关键路径上节点能量迅速耗尽。传统协议在全局范围内达到路由收敛的要求会导致计算能力有限的传感器网络节点负载过重。其次，针对提出的组网和通信协议，一般也不适合于传感器网络。主要

30、原因为以下几点：（）承载的业务不同网络通常被看作是一个为上层应用提供通用传输服务的网络，通信模式以端到端的单播为主。而传感器网络通常用于数据采集，承载的是多对一的流量，越接近汇聚节点的区域负载越重。流量分布决定了功耗的分布，从而直接影响网络的生存周期。但是路由协议没有针对这一特点做出专门的考虑。（）扩展性的要求不同网络一般要求支持数百个节点的规模，相对节点的移动性来讲，扩展性问题并不突出；而传感器网络要求支持上千个节点的大规模网络。（）移动性的影响不同在网络中，移动性是路由协议重点考虑的一个因素；而在传感器网络中，节点的移动性较弱甚至没有，主要考虑如何延长整个网络的生存周期。这就决定了两种网络

31、有不同的优化目标。（）能量有限不同在传感器网络中，节点的能源一般是不可更新的，这一点不同于网络。而且，从通信功耗占总消耗的比例来看，传感器网络对低功耗路由协议的需求比更加迫切。因此，针对传感器网络的特点设计专门的路由协议，重点解决提高扩展性和节陈拥军基的能量空洞路由算法研究能的问题是非常重要的。无线传感器网络路由协议的特点传统的路由协议不能直接用于传感器网络的，而针对设计的组网和通信协议一般也不适合于传感器网络。下面具体阐述无线传感器网络的路由协议的特点，并提出适用于无线传感器网络的路由协议的设计要求和性能指标。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：（）能量优先传统路

32、由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存周期成为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量消耗以及网络能量均衡使用的问题。（）基于局部拓扑信息无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。在节点智能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何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。（）以数据为中心传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而无线传感器网络中大量节点随机部署，所关注的是监测区域的感知数

33、据，而不是具体哪个节点获取的信息，不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。（）应用相关传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。无线传感器网络路由协议分类无线传感器网络路由协议负责在汇聚节点和传感器节点间可靠地传输数据。由于无线传感器网络的应用相关性，单一的路由协议不能满足各种应用需求，因而研究人员研究了众多的路由协议并按不同的标准对其进行了分类。由于分类标准的不同，同一路由协议可能隶属于不同的分类。下文总结了

34、各种无线传感器网络路由协扬州大学硕七学位论文议的分类方法及其所包含的路由协议，并对各种分类方法下的路由协议的共同特征从多方面进行了对比分析。依据网络逻辑结构分类根据网络的逻辑结构将路由协议分为平面路由和层次路由。该分类沿用了中的路由协议分类【引，下面主要对这两种路由协议进行介绍。平面路由平面路由中各节点都将收集到的数据传送到汇集节点，平面路由协议通常要求所有节点具有相同的地位和功能，多个节点协同执行感知和数据处理任务。典型的平面路由协议有，和等。洪泛法（）是早期的路由协议之一，不需要任何维护路由的开销，且具有较好的容错性，但存在着信息内爆、重叠和盲目使用资源的缺点。针对其不足，研究人员提出了一

35、些改进协议。文献【】提出了一个定向洪泛路由协议（），该协议吸取了洪泛法容错性的优点，并仅将数据传送到指定区域。仿真结果表明，定向洪泛法在能耗和时延方面均优于传统的洪泛法。平面路由算法易于实现，但路由维护的开销大，数据传输跳数多，可扩展性差，只适用于小规模的网络。随着网络规模的扩大，单层网络中传感器节点的密度增大，导致汇聚节点负载过重；而且，由于传感器节点能力受限，不适宜长距离通信，只能通过多跳方式到达汇聚节点，单个汇聚节点的结构会成为无线传感器网络可扩展性的瓶颈。为了解决上述问题，许多路由协议的设计中使用了分簇的思想，由此引入了层次路由。层次路由早期的层次路由中传感器节点按照不同的分簇方法分成

36、相应的簇，每个簇中选举一个簇头节点，通过节点的多跳通信和数据融合来减少信息发送次数，以节约能耗，延长网络的生存周期。典型的层次路由协议有，和分层，和，以及等人提出的能量感知的分簇路由协议等。层次路由可扩展性好，适合大规模网络，但簇的重构及维护开销大，且簇头是路由的关键节点，其失效将导致路由失败。因此，近期的研究主要集中在对传统分簇协议的改进上，其中一类是对簇头选举方法的改进，另一类是对分簇结构的改进。对簇头选举方法的改进主要集中在利用某种算法（比如基于质心的分布成簇算法和设定初始衰减时间的簇头选举算法等）使得分簇更加合理，全网节点能耗更加均匀。对分簇结构的改进主要集中在陈拥军基丁的能量空洞路由

37、算法研究将无线传感器网络分为若干个交叠簇，整个网络有簇间和簇内两级拓扑。节点在选择路由时先根据簇日拓扑选择簇间路由，当数据经过某个簇进行转发时，网关节点根据簇内拓扑产生簇内路由。在这些算法中，簇头只负责收集节点信息（包括采集的数据信息和剩余能量信息）并进行计算和数据融合，而交叠区域的节点被选为网关节点，用来在各簇间传输数据，最终将数据传送到基站。簇法充分考虑了数据冗余性的消除及数据传输过程中节点能耗的均衡，可迸一步延长网络生命周期。依据应用场合分类无线传感器网络的路由协议都是基于特定的应用而设计的，根据不同应用对无线传感器网络各种特性的敏感度不同，将其路由协议分为能量感知路由、基于查询的路由、

38、地理位置路由和可靠路由四种类型副。能量感知路由该类路由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等问题。包括最大（剩余能量）路由，最小能量消耗路由，最小跳数路由，最大最小节点路由以及由等人提出的能量多路径路由引。文献【提出了一个利用能量为中心度量标准（）来监测无线传感器网络不同区域的剩余能量分布，并进行路由优化和无线传感器网络中近似的能量为中心路由的方案，以最大化网络的生存周期。仿真结果表明，与传统的路由协议相比，该协议具有良好的可扩展性，且节约能耗达数倍。，基于查询的路由在诸如环境监测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器节点采集的数据。在这类应用中，通信流量主要是查

39、询节点和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器节点的采样信息在传输路径上通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能量。典型的基于查询的路由协议有、和等。该类路由协议是基于按需查询驱动的数据采集模型，不适用于需要连续采集数据的场合。此外，选择与查询相匹配的数据会使传感器节点消耗更多的能量。地理位置路由在一些无线传感器网络的应用中，需要知道节点的地理位置信息。地理位置路由假设节点知道自己的地理位置，以及目的节点或者目的区域的地理位置，利用这些地理位置信息作为路由选择的依据，节点按照一定策略转发数据到目的节点。典型的地理位置路由协议有，和等。该类路由协议将查询信息或数据仅发布到指定区域，从而有

40、效地减少了数据传输次数，节约了能耗，并可以降扬州大学硕士学位论文低专门维护路由协议的能耗。但一般都需要定位技术的支持，在节点数据较多的情况下，增加了大量额外的开销。可靠路由无线传感器网络的某些应用对通信服务质量有较高的要求，如可靠性和实时性等，特别是在传递视频和音频数据时。而在无线传感器网络中，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，要实现服务质量保证，需要设计相应的可靠的路由协议。典型的可靠路由协议有基于不相交路径的多路径路由，路由，协议等。文献】是对的扩展，提出了一个保证无线传感器网络的的新的数据包传送机制，被称为多路径多速度路由协议（）。该协议通过实时性域和可靠性域来

41、保证。仿真结果表明，提高无线传感器网络的实时和可靠流量的有效容量达以上。依据传感器节点的特性和结构分类等人依据传感器节点的特性和结构，将无线传感器网络路由协议分为：数据为中心路由、层次路由、地理位置路由和基于网络流量和服务质量的路由。该分类方法可以看作上述两种分类方法的结构，综合考虑了网络结构和具体的应用场合以及节点的特性和结构。层次路由和地理位置路由与前面讨论的相同，在此仅讨论数据为中心路由和基于网络流量和服务质量的路由。数据为中心路由由于无线传感器网络内的节点分布密度大，相邻节点采集的数据大多都基于同一现象，经常会出现冗余，由此导致了数据为中心路由的产生。该类路由协议采用基于属性的命名机制

42、来描述数据，通过汇聚节点向特定的区域发送查询请求来获取数据信息，并在数据传输过程中进行数据融合以降低节点的能量消耗。但往往需要高效的标准数据命名机制的支持。典型的数据为中心路由协议有，以及后来提出的、和等。文献【】提出了一个新的数据为中心的多路径路由方案，该方案在每个传感器节点中引入一个模糊逻辑控制器架构，该架构根据传感器节点电池的能量级别和传输数据的类型来度量节点传输命名数据的能力。这样就可以避免低能量的节点传输大量的数据，且多路径机制的引入可以保证网络迅速从路径失效中恢复以节约能量。基于网络流量和服务质量的路由在一些路由协议中，路由建立过程可以通过网络流量问题来进行解决。而在另一些路由协议

43、中，和前述的可靠路由相似，还需要考虑吞吐量和端到端时延等陈拥军基于的能量空洞路由算法研究性能参数。典型的基于网络流量的路由协议有等人提出的最大生存期能量路由，等人提出的最大生存期数据采集协议以及最小代价路由等。这类路由均利用网络流量问题进行建模，采用某种代价函数和算法来确定到汇集节点的最优路径，从而延长了网络的生存周期。典型的基于的路由协议有，等人提出的能量感知的路由以及等。该类路由协议满足了一定的要求，且出现差错易于恢复，但一般均采用某种可靠性机制，因此引入了额外的开销。其它分类根据路由表的建立时机，可将无线传感器网络路由协议分为主动路由和按需路由【。根据协议的功能和操作方式，还可以将无线传

44、感器网络路由协议分为支持多路径的路由协议和不支持多路径的路由协议；支持数据融合的路由和不支持数据融合的路由：支持安全性的路由协议和不支持安全性的路由协议等等。另外还存在一些路由协议的分类【，】，综合了现存的路由协议分类方法，运用多种分类标准来进行分类，使每个路由协议所属类别更加清晰，易于研究。几种典型路由协议的分析和比较，几种典型路由协议的分析扩散法（）泛洪（）协议【】是一种传统的无线通讯路由协议。该协议规定，每个节点接收来自其它节点的信息，并以广播的形式发送给其它邻居节点。如此继续下去，最后将信息数据发送给目的节点。但这个协议容易引起信息的“内爆”（）和“重叠”（），造成资源的浪费，见图所示

45、。因此在泛洪协议的基础上，提出了闲彩（）协议。扬州大学硕十学位论文图内爆与重叠闲聊协议闲聊（）协议【是洪泛协议的改进版本。它传播信息的途径是通过随机地选择一个邻居节点，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。虽然协议（如图）在一定程度上解决了信息的内爆，但是仍然存在信息的重叠现象。图闲聊协议数据传输协议（）协议是一种以数据为中心的自适应路由协议，通过节点之间的协商，解决协议和协议的“内陈拥军基于的能量空洞路由算法研究爆和“重叠现象。协议有种类型的消息，即广告包（），数据包（）和请求发送数据信号（），元数据包在中。用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用其进行数据信息广播。用于请求希望接收数据，当某一个节点希望接收数据包时，发送数据包。为