無線傳感器網絡能量最優(yōu)路由協(xié)議研究與仿真碩士學位論文.doc

中圖分類號： TP393.01 密 級： 公開 UDC： 本校編號： 碩 士 學 位 論 文論文題目：無線傳感器網絡能量最優(yōu)路由協(xié)議研究與仿真獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含獲得 蘭州交通大學 或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解 蘭州交通大學 有關保留、使用學位論文的規(guī)定。特授權 蘭州交通大學 可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。（保密的學位論文在解密后適用本授權說明）學位論文作者簽名： 導師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 碩 士 學 位 論 文無線傳感器網絡能量最優(yōu)路由協(xié)議研究與仿真The Research and Simulation of Energy Optimal Routing Protocol for Wireless Sensor Network蘭 州 交 通 大 學Lanzhou Jiaotong University蘭州交通大學碩士學位論文學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日摘 要傳感器、嵌入式計算、網絡和無線通信四大技術孕育了無線傳感器網絡。無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理、傳輸技術，通常包含大量的自組織成多跳無線網絡的分布式傳感節(jié)點。由于無線傳感器網絡具有組網快捷、靈活，且不受有線網絡約束的優(yōu)點，無線傳感器網絡可以被廣泛的應用于軍事，商業(yè)，醫(yī)療救護，環(huán)境監(jiān)測等多方面，具有廣泛的應用前景。無線傳感器網絡作為現(xiàn)代通信技術中一個新的研究領域，引起了學術界和工業(yè)界的高度重視。由于無線傳感器網絡通常由大量密集的傳感器節(jié)點構成，節(jié)點的能源、計算能力和帶寬都非常有限，傳統(tǒng)的無線路由協(xié)議不適合無線傳感器網絡。無線傳感器網絡路由協(xié)議設計的首要目標是有效節(jié)約能源，延長網絡生命周期。本文主要對無線傳感網絡路由協(xié)議進行了研究，主要工作包括以下幾個方面： (1)根據無線傳感器網絡路由協(xié)議設計的要求，對經典的路由協(xié)議進行分析比對分析。 (2)對經典的以數據為中心的路由協(xié)議定向擴散算法進行學習，分析了定向擴散協(xié)議的關鍵技術。 (3)針對定向擴散協(xié)議存在的一些問題，引入了具有能量感知系統(tǒng)的臨時Sink節(jié)點，提出了改進的能量感知擴散協(xié)議（EADR）。 在EADR算法中，節(jié)點的興趣是有規(guī)律的擴散，并采用遞歸方式進行梯度建立和路徑加強。(4)在MATLAB仿真平臺上，對原定向擴散協(xié)議與EADR能量感知擴散協(xié)議進行仿真比較。仿真結果表明，改進后的路由協(xié)議EADR使得整個網絡在較低的能耗水平下獲得了較長的生命周期，具有較好的能量優(yōu)化特性，適合大規(guī)模網絡。關鍵詞:無線傳感器網絡，路由協(xié)議，定向擴散，EADR 論文類型：應用基礎研究- I -AbstractWireless sensor network, a new generation of sensor network, was formed by the combination of sensors embedded calculation, network and wireless communication technology. The WSN is widely applied in military, commercial, medical and environment monitoring fields. Because it is flexible and convenient.The wireless sensor network consists of a large quantity of sensor nodes whose power, calculation ability and bandwidth are so limited that traditional wireless routing protocol is not suitable for wireless sensor network, it is the key point to save power and prolong the lifetime of network in the research of wireless sensor network. In the article, we deeply research the router protocol of wireless sensor networks and do some work.According to wireless sensor network routing protocol design desire, we analysis the classic routing protocol.Study of the classic data-centric routing protocol Directed Diffusion proliferation, analysis the directional key technology of Directed Diffusion protocol.Directed Diffusion protocol exist some of the problems, the introduction of energy-aware systems with temporary Sink node to improve the proliferation of energy-aware protocol (EADR). At EADR, the interested data in there have disciplinarian way to diffusion, and use recursive manner to grads constitute and strengthen.In the MATLAB simulation platform, to comparison the Directed Diffusion protocol and Energy aware Diffusion Routing.The simulation results show that the improved routing protocol EADR make the entire network at a lower energy level to obtain a longer life cycle, with a better energy optimization of the characteristics, suitable large-scale network.Key Words：wireless sensor network；routing protocol；directed diffusion；EADR- 1 -目 錄摘 要IAbstractII1 無線傳感器網絡概述11.1傳感器網絡體系結構11.1.1 傳感器網絡結構11.1.2 傳感器網絡節(jié)點21.2傳感器網絡的特征41.3傳感器網絡協(xié)議棧51.4 傳感器網絡的關鍵技術71.5本論文研究的目的和意義71.6本論文的主要工作和篇章結構82 無線傳感器網絡協(xié)議92.1傳感器網絡MAC層描述92.2典型的MAC層協(xié)議92.2.1 固定分配類MAC協(xié)議92.2.2 基于競爭類MAC層協(xié)議112.3路由協(xié)議132.4典型的路由協(xié)議142.4.1 泛洪路由協(xié)議142.4.2 以數據為中心的路由協(xié)議162.4.3 可靠路由協(xié)議182.4.4 分層次的路由協(xié)議192.5路由協(xié)議評價和設計中的考慮因素212.5.1 路由協(xié)議性能評價212.5.2路由協(xié)議設計中的考慮因素242.6本章小結253 定向擴散協(xié)議的研究與改進263.1定向擴散協(xié)議算法研究263.1.1 定向擴散協(xié)議的能耗模式263.1.2 定向擴散協(xié)議的算法細節(jié)273.2定向擴散協(xié)議算法關鍵技術283.2.1 興趣擴散283.2.2 梯度建立283.2.3 路徑加強293.3定向擴散協(xié)議算法的改進303.3.1 改進算法介紹303.3.2 原算法與改進算法的工作周期機制313.3.3 原算法與改進算法的功耗比對343.4本章小結364仿真測試與評價374.1仿真平臺介紹384.2仿真參數設置394.3仿真條件假設394.4仿真場景生成394.5性能評價指標414.6仿真結果分析414.7本章小結50結 論52致 謝53參 考 文 獻54附錄一 58附錄二 65攻讀學位期間的研究成果73蘭州交通大學碩士學位論文1 無線傳感器網絡概述傳感器技術、通信技術和計算機技術是現(xiàn)代信息技術的三大支柱，它們分別完成被測量對象的信息提取、信息傳輸及信息處理工作1。目前，信息傳輸與處理技術已取得突破性進展，隨著微電子技術的高速發(fā)展和工藝的日益成熟，傳感器也朝著集成化、微型化、智能化的方向發(fā)展。在實際應用中，很多數據采集系統(tǒng)具有采集范圍大、采集點眾多、布線困難等特點，傳統(tǒng)的傳感器通過總線方式組網，很難滿足各種應用要求。于是，融合了以上三大技術的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)應運而生。無線傳感器網絡是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信技術組成的自組織網絡，集數據的采集、傳輸、融合分析與一體，是信息技術的一個新領域，在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護、城市交通管理、倉儲管理等領域具有廣闊的應用前景2。 最早的傳感器網絡出現(xiàn)在上世紀七十年代，將傳統(tǒng)傳感器采用對點傳輸、連接傳感控制器而構成傳感器網絡，我們稱之為第一代傳感器網絡。隨著傳感器技術以及計算機技術的發(fā)展，傳感器網絡同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過傳感控制器相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網絡，這是第二代傳感器網絡。而從上世紀末開始，現(xiàn)場總線技術開始應用于傳感器網絡，人們用其組建智能化傳感器網絡，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術連接，無線傳感器網絡逐漸形成。 如果說因特網構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無限傳感器網絡就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變人類和自然界的交互方式。美國商業(yè)周刊和MIT技術評論在預測未來技術發(fā)展的報告中，已分別將無限傳感器網絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10項技術之一3-4。1.1傳感器網絡體系結構1.1.1 傳感器網絡結構 無線傳感器網絡的定義：無線傳感器網絡是由一組傳感器以Ad hoc方式構成的無線網絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者5傳感器網絡結構如圖1-1所示，傳感器網絡系統(tǒng)通常包括傳感器網絡節(jié)點（Sensor Node）、匯聚節(jié)點（Sink Node）和管理節(jié)點6。大量傳感器網絡節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域（Sensor Field）內部或附近，具有無線通信與計算能力的微小傳感器網絡節(jié)點通過自組織方式構成的能根據環(huán)境自主完成指定任務的分布式智能化網絡系統(tǒng)，并以協(xié)作的方式實時感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中的信息，最后通過多跳網絡將數據經由Sink節(jié)點鏈路將整個區(qū)域內的信息傳送到遠程控制管理節(jié)點。反之，遠程管理節(jié)點也可以對網絡節(jié)點進行實時控制和操縱。Internet/通信衛(wèi)星任務管理節(jié)點用戶傳感區(qū)域傳感器節(jié)點ABCDESink圖1.1 一個典型的傳感器網絡的體系結構1.1.2 傳感器網絡節(jié)點傳感器網絡節(jié)點是無線傳感器網絡中部署到研究區(qū)域中孕育收集和轉發(fā)信息、寫作完成指定任務的對象。每個節(jié)點上運行的程序可以是完全相同的，唯一不同的是其ID。傳感器網絡節(jié)點由傳感器模塊，處理模塊，無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成7-9，如圖1-2所示。存儲器處理器收發(fā)器傳感器數模轉換定位系統(tǒng)能量模塊移動系統(tǒng)圖1.2 傳感器網絡節(jié)點結構（1）傳感器模塊：傳感器模塊是硬件平臺中真正與外部信號量接觸的模塊，一般包括傳感器探頭和變送系統(tǒng)兩部分，探頭采集外部的溫度、光度和磁場等需要傳感的信息，將其送入變送系統(tǒng)，后者完成將上述物理量轉化為系統(tǒng)可以識別的原始電信號，并且通過積分電路、放大電路的整形處理，最后經過A/D轉換成數字信號送處理器模塊。對于不同的探測物理量，傳感器模塊將采用不同的信號處理方式。因此，對于溫度、濕度、光度、聲音等不同的信號量，需要設計相應的檢測與傳感器電路，同時，需要預留相應的擴展接口，以便于擴展傳感器等更多的物理信號量。（2）處理器模塊：處理器模塊是無線傳感器網絡節(jié)點的核心，負責整個節(jié)點的設備控制、任務分配與調度、數據整合與傳輸等多個關鍵任務，考慮無線傳感器網絡的實際特點，作為硬件平臺的中心模塊，除了應具備一般單片機的基本性能外，還應該有適合整個網絡需要的特點。目前，處理器模塊中使用較多的是ATMEL公司的AVR系列單片機，它采用RISC結構，吸取了PIC及8051單片機的優(yōu)點，具有豐富的內部資源和外部接口。集成度方面，其內部集成了幾乎所有關鍵部件；指令執(zhí)行方面，微控制單元采用Harvard結構，因此，指令大多為單周期；能源管理方面，AVR單片機提供了多種電源管理方式，盡管節(jié)省節(jié)點能源，可擴展性方面，提供了多個I/O口，并且和通用單片機兼容，另外，AVR系列單片機提供的USART（通用同步異步收發(fā)器）控制器，SPI（串行外圍接口）控制器，與無線收發(fā)模塊相結合，實現(xiàn)了大吞吐量，高速率的數據收發(fā)。此外，TI公司的MSP430超低功耗處理器、Motorola公司和Renesas公司的處理器以及作為32位嵌入式處理器的ARM單片機，都在無線傳感器網絡方面得到了廣泛應用。（3）無線手法模塊：無線收發(fā)模塊用于傳感器節(jié)點間的數據通信，解決無線通信中載波頻段選擇、信號調制方式、數據傳輸速率，編碼方式等，并通過天線進行節(jié)點間、節(jié)點與基站間數據的收發(fā)。目前，在無線通信領域應用較多的無線數傳模塊有Chipcon公司的CC1000、CC2420、CC1010，以及RFM公司的TR1000等，NORDICATMEL公司也有相關產品CC1000工作頻帶為315MHz，868MHz，915MHz，具有低電壓、低功耗、可編程輸出功率、高靈敏度、小尺寸、集成了位同步器等特點。其FSK數傳可達72.8Kbit/s。具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議，主要工作參數能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活，圖1.3為CC1000的模塊結構圖。圖1.3 CC1000的模塊結構圖（4）能量供應模塊：能量供應模塊作為整個無線傳感器節(jié)點的基礎模塊，是節(jié)點正常順利工作的保證。由于是無線網絡，所以無法采用普通的工業(yè)電能，只能使用自己已存儲的能源或者是自然界的給予。因此，采用什么能源，采取什么樣的供電方式顯得尤為重要，本模塊中必須解決好能源消耗與網絡運行可靠性的關系。1.2傳感器網絡的特征無線傳感器網絡是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網絡系統(tǒng)，節(jié)點數目有時很龐大，節(jié)點分布密集，由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點很容易出現(xiàn)故障。環(huán)境干擾和節(jié)點故障容易造成網絡拓撲結構的變化。通常情況下，大多數傳感器網絡節(jié)點是固定不動的。此外，傳感器網絡節(jié)點的能量、信息處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳感器網絡節(jié)點使得無線傳感網網絡具有以下與傳統(tǒng)網絡不同的特點10-11。(1)通信能力有限。傳感器網絡的傳感器的通信帶寬有限而且經常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器之間的通信斷接頻繁，經常導致通信失敗。 (2)電源能量有限。電源能量約束是阻礙傳感器網絡應用的嚴重問題。在傳感器網絡設計過程中，任何技術和協(xié)議的使用都要以節(jié)能為前提，最大網絡的生命周期。 (3)硬件資源有限。在無線傳感器網絡中，節(jié)點的計算能力與內存空間受到種種限制，如價格、體積、能耗，因此，相對于普通計算機，它們的功能要弱很多。 (4)傳感器數量大、分布范圍廣。這個特點使得網絡的維護十分困難甚至不可維護，傳感器網絡的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性。 (5)網絡動態(tài)性強。網絡的拓撲結構動態(tài)變化，節(jié)點加入網絡或者從網絡中分離的情況可以隨時發(fā)生，使傳感器、感知對象和觀察者三者之間的路徑也隨之變化，但是不會對整個網絡產生影響。傳感器網絡具有動態(tài)拓撲可重構和自調整性。(6) 多跳路由。由于網絡中節(jié)點通信半徑有限，故要想與更多的節(jié)點交換信息，就必須通過中間節(jié)點進行路由。無線傳感器網絡的路由無法像固定網絡一樣通過網關與路由器，而只能通過普通節(jié)點對信息的發(fā)送與轉發(fā)完成。(7) 節(jié)點數量眾多，分布密集。為保證對目標區(qū)域的監(jiān)控任務能夠完成，同一時間段內會有大量傳感器被投入目標區(qū)域，傳感器節(jié)點的分布相當密集，利用節(jié)點之間的高連通度保證系統(tǒng)的容錯性和抗毀性。1.3傳感器網絡協(xié)議棧與傳統(tǒng)互聯(lián)網協(xié)議棧的5層協(xié)議相對應，傳感器網絡也提出了一個包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層的5層協(xié)議棧12-13，如圖1.4所示。 上層應用定位系統(tǒng)管理時間同步QoS傳輸控制路由數據鏈路物理層系統(tǒng)管理應用系統(tǒng)管理與基礎服務通信與組網圖1.4傳感器網絡協(xié)議（1）物理層：以發(fā)送接收信號為主要功能的物理層首先要考慮的是信號的傳輸介質。目前游泳的無限傳感器網絡大部分是基于無線電通信的，在個別應用中也使用紅外線和聲波等方式。無線電通信面臨的主要問題主要是無線頻段的選擇、信號調制技術和擴展頻技術等。能耗和成本是無限傳感器網絡中必須首先考慮的性能指標，而物理層是解決無線傳感器網絡節(jié)點體積、成本及能耗的關鍵，因此物理層是無線傳感器網絡的研究重點之一。（2）數據鏈路層：數據鏈路層關注的重點是介質訪問控制（MAC，Medium Access Control）。MAC協(xié)議負責在競爭的用戶中分配信道資源。在傳統(tǒng)網絡中，主要有預置信道和隨機分配信道兩種基本信道分配原則。預置信道包括頻分多址接入（FDMA，F(xiàn)requency Division Multiple Access）、時分多址接入（TDMA，Time Division Multiple Access）、碼分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）和空分多址接入等（SDMA，Space Division Multiple Access）；隨機分配信道包括802.11中使用的載波偵聽多點接入（CSMA，Carrier Sense Multiple Access）和面向無線的（MACAW，Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless）等。（3）網絡層：網絡層路由協(xié)議是網絡中任意需要通信的兩點間建立并維護數據傳輸路徑的重要協(xié)議。無線傳感器網絡資源嚴格受限，沒有全局統(tǒng)一的邏輯地址，且網絡拓撲結構頻繁發(fā)生變化，所以要求路由協(xié)議必須盡量簡單且能夠在網絡整體上達到節(jié)能，延長網絡生存時間。（4）傳輸層：傳輸層主要負責數據流的傳輸控制，在網絡層的基礎上為應用層提供一個可靠、高質量的數據傳輸任務。無線傳感器網絡長期工作在未知環(huán)境下，資源嚴格受限制，數據傳輸時采用多跳的通信機制，且多采用以數據為中心的工作模式，因此無線傳感器網絡中的傳輸層必須對傳統(tǒng)的傳輸層協(xié)議進行改進。（5）應用層：應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用軟件，由于遠程測控是無線傳感器網絡目前主要應用，所以目前的研究熱點之一是對大量傳感器采集信息的分布式處理，以及其他面向應用的處理等。除了互聯(lián)網協(xié)議棧相對應的5層協(xié)議外，協(xié)議棧還包括如下特殊子層。（1）定位和時間同步子層：由于不同節(jié)點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及應用環(huán)境溫度和周圍電磁波等的影響，即使一些節(jié)點從某一時刻開始達到精確的同步，但是，隨著時間的推移，它們的誤差會逐漸增加。實際應用中精確同步很難做到，分布式系統(tǒng)物理時鐘服務定義了一個洗頭中所允許的時鐘偏移最大值，只要2個時鐘之間的差值小于所定義的最大時鐘偏移量，就認為2個時鐘保持了同步。（2）系統(tǒng)管理子層：由于許多實際的無限傳感器網絡系統(tǒng)是在長期無人值守的條件下工作的，因此，需要對網絡各個性能指標進行實時監(jiān)測和對節(jié)點能力耗盡、功能失效等不正?，F(xiàn)象提前報警，從而為及時排除網絡故障或追加布設節(jié)點提供幫助。（3）拓撲生成子層：拓撲控制利用物理層、鏈路層或路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供信息支持，優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(xié)議的協(xié)議過程，提高網絡協(xié)議的整體效率，減少網絡能力消耗。1.4 傳感器網絡的關鍵技術（1）網絡拓撲控制14：通過拓撲控制自動生成的良好的網絡拓撲結構，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數據融合、時間同步和目標定位等奠定基礎，有利于節(jié)省能量來延長網絡生存期。（2）網絡協(xié)議：由于傳感器網絡節(jié)點計算能力、存儲能力、通信能力以及攜帶的能力都十分有限，每個節(jié)點只能獲取局部網絡的拓撲信息，其上運行的網絡協(xié)議也不能太復雜。同時，傳感器網絡除結構動態(tài)變化外，網絡資源也在不斷的變化，這些都對網絡協(xié)議提出更高的要求。傳感器網絡協(xié)議負責使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數據傳輸網絡，目前研究的重點是網絡層路由協(xié)議和數據鏈路層協(xié)議。（3）時間同步：實現(xiàn)時間同步是傳感器網絡系統(tǒng)協(xié)同工作的一個關鍵機制。目前，已提出了多個時間同步機制，其中RBSTINY/MINI-SYNC和TPSN被認為是3個基本的同步機制。（4）定位技術：確定事件發(fā)生的位置或采集數據的節(jié)點位置是傳感器網絡最基本的功能之一，根據無線傳感器網絡的自身特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效性和分布式計算等要求。（5）數據融合：數據融合技術可以與無線傳感器網絡的多個協(xié)議層進行結合。因此，在設計無線傳感器網絡時，必須面向需求設計針對性強的數據融合方法，才能使系統(tǒng)最大限度的獲益。（6）網絡安全：傳感器網絡通常部署在無人維護、不可控制的環(huán)境中，除了具有一般無線傳感器網絡所面臨的信息泄露、信息篡改、重防攻擊、拒絕服務等多種威脅外，還面臨傳感器節(jié)點容易被攻擊者物理操縱，并獲取存儲在傳感器節(jié)點中的重要信息，甚至控制部分或全部網絡的威脅。1.5本論文研究的目的和意義無線傳感器網絡的構想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計劃署（DARPA）于1978年開始資助卡耐基-梅隆大學進行分布式傳感器網絡的研究，這被看成是無線傳感器網絡的雛形。如今美國國防部遠景計劃研究局已投入幾千萬美元，幫助大學進行無線傳感器網絡技術的研發(fā)。美國所有著名的院校幾乎都有研究小組從事傳感器網絡相關技術的研究，著名的有UC Berkeley的Smart Dusut項目、UCLA的WINS項目，以及多所研究機構聯(lián)合攻關的SensIT計劃等15。研究初期，人們一度認為成熟的Internet技術加上Ad-hoc路由機制對無線傳感器網絡的設計是足夠充分的，但深入的研究表明16：傳感器網絡與傳統(tǒng)網絡有明顯不同的技術要求。前者以數據為中心，后者以傳輸數據為目的。目前，對于無線傳感器網絡的研究主要集中在網絡層和鏈路層，而網絡數據傳輸離不開路由協(xié)議。由于無線傳感器節(jié)點能量有限，且只具有局部網絡信息，傳感器網絡中的路由協(xié)議具有很多傳統(tǒng)網絡路由協(xié)議所沒有的特點。目前，學者們己經提出了大量針對無線傳感器網絡的特有路由協(xié)議，這些協(xié)議有著統(tǒng)一的目標就是建立高能效的路由以進行可靠的數據傳輸，從而使網絡生命周期最大化。但是現(xiàn)有的無線傳感器網絡路由協(xié)議都存在一定的缺陷，本文的研究目的就是對現(xiàn)有無線傳感器網絡路由協(xié)議中的分級路由協(xié)議進行研究并改進，設計出新的、更適合于無線傳感器網絡特點的路由協(xié)議。1.6本論文的主要工作和篇章結構 本文在對無線傳感器網絡及各種路由協(xié)議學習和研究的基礎之上，對其中一種分級路由算法定向擴散路由協(xié)議進行研究并改進，將改進前后的算法進行性能上的仿真比較，看改進后的算法是否達到了降低傳感器節(jié)點的功耗，延長網絡生存周期的目的。本文的主要篇章結構如下：第一章為緒論，首先對無線傳感器網絡作了概述，介紹了無線傳感器網絡的結構、特征、協(xié)議棧和關鍵技術等。然后闡述了本課題的研究目的、意義以及本文的主要工作。第二章對無線傳感器網絡的MAC層協(xié)議做了描述，重點對無線傳感器網絡的路由協(xié)議進行介紹，對比分析了現(xiàn)有的多種無線傳感器網絡路由協(xié)議和算法，歸納出了無線傳感器網絡路由的特點以及設計無線傳感器網絡路由協(xié)議時應該考慮的因素。第三章針對無線傳感器網絡中的定向擴散路由協(xié)議進行研究，并在原有算法的基礎之上使用遞歸迭代進行改進，同時研究了原算法和改進算法的工作周期機制和能耗比對。第四章在是仿真測試與評價，將兩種路由協(xié)議置于不同的網絡規(guī)模下，觀察改進后的算法在性能、功耗、吞吐量等方面是否優(yōu)于原有的定向擴散算法。2 無線傳感器網絡協(xié)議2.1傳感器網絡MAC層描述傳統(tǒng)MAC層協(xié)議的設計目標是最大化吞吐量、最小化時延并且提供公平性。而為傳感器網絡設計的MAC層協(xié)議關注的是最小化能耗，這就決定了它需要在某些性能方面進行折中，如通過適度的減小吞吐量和增加時延來保證低功耗要求等17。由于傳感器網絡的節(jié)點往往是通過多節(jié)點之間的協(xié)作來完成某些應用任務，為保證節(jié)點能耗均衡，從而使網絡獲得最大的生存周期，公平性也是需要考慮的問題。傳感器網絡節(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)包括發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、偵聽狀態(tài)和睡眠狀態(tài)等，單位時間內消耗的能量按照上述順序依次減少。所以，無線傳感器網絡MAC協(xié)議為了減少能量的消耗，通常采用“偵聽/睡眠”交替的無線信道使用策略。當有數據收發(fā)時，節(jié)點就開啟無線通信模塊進行發(fā)送或偵聽；如果沒有數據收發(fā)，節(jié)點就控制無線通信模塊進入睡眠狀態(tài)，從而減少空閑偵聽所造成的能量消耗。為了使節(jié)點在無線睡眠時不錯過發(fā)送給它的數據，或減少空閑偵聽，鄰居節(jié)點間必須協(xié)調偵聽和睡眠的周期，保證同時睡眠或喚醒。根據不同的應用，可以采用不同的協(xié)調機制。對MAC層協(xié)議的設計根據不同的無線網絡的要求還有不同的問題存在，例如能量有限、實時性、分布式算法、靈活性、各性能間的平衡等。2.2典型的MAC層協(xié)議2.2.1 固定分配類MAC協(xié)議原有的固定分配類MAC層協(xié)議主要有頻分多址接入（FDMA，F(xiàn)requency Division Multiple Access）、時分多址接入（TDMA，Time Division Multiple Access）和碼分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）三種18-21。（1）SMACS/EAR協(xié)議SMACS/EAR（Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks/Eavesdrop And Register）協(xié)議是結合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的MAC協(xié)議。其基本思想是為每一對鄰居節(jié)點分配一個特有的頻率進行數據傳輸，不同節(jié)點對間的頻率互不干擾，從而避免同時傳輸的數據之間產生碰撞。SMACS/EAR協(xié)議無需任何全局或局部主節(jié)點，就能發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點并建立傳輸/接收調度表。鏈路由隨即選擇的時隙和固定的頻率組成。雖然各子網內鄰節(jié)點通信需要時間同步，但全網并不需要同步。在鏈接階段使用一個隨即喚醒機制，在空閑時關掉無線收發(fā)裝置，來達到節(jié)能的目的。（2）TDM-FDM協(xié)議TDM-FDM協(xié)議是一個時分復用TDMA和頻分復用FDMA的混合方案，每個節(jié)點都維護一個特殊的結構幀，類似于TDMA中的時隙分配表，節(jié)點據此調度它與相鄰節(jié)點間的通信。FDMA技術提供多信道，使多個節(jié)點之間可以同時通信，有效地避免了沖突。由于預先定義的信道和時隙分配方案限制了對空閑時隙的有效利用，使得當業(yè)務量較小時信道利用率較低。（3）DEANA分布式能量感知節(jié)點活動協(xié)議（DEANA，Distributed Energy-Aware Node Activation）中將幀分為調度訪問部分和隨機訪問部分。調度訪問部分由多個時隙組成，某個時隙協(xié)商為特定節(jié)點發(fā)送數據的時間，其他節(jié)點在該時隙內處于接收狀態(tài)或者睡眠狀態(tài)。為了進一步節(jié)省能量，每個時隙又細分為前部的控制部分和后部的數據部分。如果節(jié)點在其發(fā)送時隙內有數據需要發(fā)送，則在時隙的控制部分發(fā)出控制消息，指出接收數據的節(jié)點ID，然后在時隙的數據部分發(fā)送出數據。在控制部分，所有節(jié)點都處于接收狀態(tài)，如果節(jié)點不是數據接受者，則可以在隨后的數據發(fā)送部分進入睡眠狀態(tài)，以便減少接收不必要的數據。DEANA協(xié)議的時間幀分配如圖2.1所示?？刂?數 據調度訪問隨機訪問圖2.1DEANA協(xié)議的時間幀分配（4）TRAMA流量自適應介質訪問協(xié)議（TRAMA，Traffic-Adaptive Medium Access）用基于流量的傳輸調度表來避免可能在接受者發(fā)生的數據表沖突，使節(jié)點在無接收要求時進入低能耗模式。TRAMA將時間分成時隙，用基于各節(jié)點流量信息的分布式選舉算法來決定哪個節(jié)點可以在某個特定的時隙傳輸，以此來達到一定的吞吐量和公平性。TRAMA協(xié)議包括鄰居協(xié)議（NP，Neighbor Protocol）、調度交換協(xié)議（SEP，Schedule Exchange Protocol）和自適應時隙選擇算法（AEA，Adaptive Election Algorithm）。仿真顯示22，由于節(jié)點最多可以睡眠87%，所以TRAMA節(jié)能效果明顯。在于基于競爭類的協(xié)議比較時，TRAMA也達到了更高的吞吐量，因為它有效地避免了隱藏終端引起的競爭，但TRAMA的延遲較長，更適用于對時延要求不高的應用。2.2.2 基于競爭類MAC層協(xié)議“競爭”的含義是，鏈接到信道上的節(jié)點咨詢某種規(guī)則征用信道，得到使用權的節(jié)點可以進行通信。基于競爭類的MAC協(xié)議一般使用廣播式信道，連接到這條信道上的節(jié)點都可以向信道發(fā)送廣播信息。傳統(tǒng)的基于競爭類的MAC協(xié)議包括ALOHA和帶有沖突監(jiān)測的載波偵聽多路存取CSMA23-25等。（1）S-MAC2002年提出的S-MAC（Sensor-MAC）是在IEEE802.11MAC協(xié)議基礎上，針對傳感器網絡的節(jié)省能量需求而提出的傳感器網絡MAC層協(xié)議。S-MAC仍采用類似IEEE802.11中的方式來避免沖突，包括虛擬與物理的載波監(jiān)聽和RTS/CTS交換。S-MAC協(xié)議假設通常情況下傳感器網絡的數據傳輸量少，節(jié)點協(xié)作完成共同的任務，網絡內部能夠進行數據的處理和融合以減少數據通信量，網絡能夠容忍一定程度的通信延遲。它的主要設計目標是提供良好的擴展性，減少節(jié)點能量的消耗（2）T-MACT-MAC(Timeout-MAC)在S-MAC的基礎上引入適應性占空比，來應付不同時間和位置上負載的變化。S-MAC協(xié)議通過周期性偵聽/睡眠的工作方式來減少空閑偵聽，因此，S-MAC中周期長度是不變的，節(jié)點的偵聽時間也是固定的。這就意味著，為了保證可靠、及時地通信，節(jié)點的活動時間必須適應最高通信負載。這樣，在負載較小的情況下，節(jié)點將在空閑偵聽上耗費更多的時間。為了解決這個問題，T-MAC在保持整個周期長度不變的基礎上，根據消息流量動態(tài)地終止了節(jié)點活動，通過設定細微的超時間隔（Fine-Grained Timeouts）來動態(tài)地選擇占空比。在T-MAC協(xié)議中，仍采用S-MAC的RTS/CTS/DATA/ACK通信方式，節(jié)點按固定周期喚醒偵聽一段時間TA，TA中若在信道上需要進行數據傳送，則執(zhí)行數據傳送，此后再偵聽時間TA；若在TA時間內未偵聽到數據傳送指令，則TA時間到時轉入睡眠狀態(tài)。通過這種動態(tài)改變活動時間的方式，減少了閑時監(jiān)聽浪費的能量，但仍可以保持合理的吞吐量。（3）MD對于很多應用，運行能耗遠大于待機能耗，故Edgar H. Callaway提出通過減少占空比來獲得低能耗和高電池壽命的MD（Mediation Device）協(xié)議。其中，節(jié)點在99.9%的時間處于睡眠，在醒來時發(fā)出詢問信標。MD作為一個不?；顒拥闹俨谜?，通過接收有信息傳輸節(jié)點發(fā)出的RTS和目標節(jié)點的詢問信標，協(xié)調2個節(jié)點暫時同步來傳輸數據?，F(xiàn)有的幾種主要的MAC層協(xié)議主要優(yōu)缺點比較如表2.1所列。 表2.1 幾種主要的MAC層協(xié)議主要優(yōu)缺點比較MAC協(xié)議類型優(yōu)點缺點適 用 場 景SMACS/EAR固定分配類無需全局范圍內的時間同步，避免沖突，降低網絡負載，并可實現(xiàn)移動節(jié)點和固定節(jié)點間的通信節(jié)點復雜性高，成本較高，不易實現(xiàn)，適用范圍也有一定的局限性適用于子網較少或者移動節(jié)點較少，且移動節(jié)點周圍靜止節(jié)點較多的網絡TDM-FDM固定分配類有效地避免了沖突業(yè)務量較小時信道利用率較低適用于業(yè)務量較大的應用場景DEANA固定分配類部分解決接收不必要數據的過度監(jiān)聽問題可擴展性差，不能很好地支持節(jié)點移動，對同步要求高適用于規(guī)模較小，且節(jié)點靜止的應用場景TRAMA固定分配類具有較高吞吐率及較好的節(jié)能效果時延較大適用于對延時要求不高的應用場景S-MAC基于競爭類避免了沖突造成的能量浪費不易實現(xiàn)適用于拓撲變化頻繁的網絡T-MAC基于競爭類減少了空閑偵聽功耗不易實現(xiàn)適用于可變負載的場景MD基于競爭類整個網絡保持低功耗、低成本時延、能耗較大適用于大規(guī)模、節(jié)點低占空比運行且不需要高精度時鐘的應用場景總的來說，基于固定分配類協(xié)議提供了可公平使用的信道，并且如果配備一個適當的調度算法，也可以很好地避免沖突。但許多協(xié)議需要使用全局信息來進行調度，這使得它們在大多數傳感器網絡中不可用，基于競爭的協(xié)議可以大幅度的減少沖突的機會，從而節(jié)約了能源，但它們通常很難保證實時性要求，適用于一些對可預見性要求不高的網絡。2.3路由協(xié)議路由協(xié)議負責將數據分組從源節(jié)點通過網絡轉發(fā)到目的節(jié)點，它主要包括兩個方面的功能：尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑，將數據分組沿著優(yōu)化路徑正確轉發(fā)。但在無線傳感器網絡中，由于節(jié)點能量有限且一般沒有能量補充，因此路由協(xié)議需要高效利用能力，同時傳感器網絡節(jié)點數目往往很大，節(jié)點只能獲取局部拓撲信息，路由協(xié)議要能在局部網絡信息的基礎上選擇何時的路徑。另外，傳感器網絡具有很強的應用相關性，所以不同應用中的路由協(xié)議可能差別很大，沒有一個通用的路由協(xié)議。與傳統(tǒng)網絡的路由協(xié)議相比，無線傳感器網絡的路由協(xié)議具有以下特點26-27。第一，能量優(yōu)先。傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時，很少考慮節(jié)點的能量消耗問題。而無線傳感器網絡中節(jié)點的能量有限，延長整個網絡的生存期成為傳感器網絡路由協(xié)議設計的重要目標，因此需要考慮節(jié)點的能量消耗以及網絡能量均衡使用的問題。第二，基于局部拓撲信息。無線傳感器網絡為了節(jié)省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而節(jié)點有限的存儲資源和計算資源，使得節(jié)點不能存儲大量的路由信息，不能進行太復雜的路由計算。因此，無線傳感器網絡的一個基本問題就是，如何在節(jié)點只能獲取局部拓撲信息和資源有限的情況下，實現(xiàn)簡單高效的路由機制。第三，以數據為中心。無線傳感器網絡中大量節(jié)點隨機部署，所關注的是監(jiān)測區(qū)域的感知數據，而不是具體哪個節(jié)點獲取的信息，不依賴于全網唯一的標識。傳感器網絡通常包含多個傳感器節(jié)點到少數匯聚節(jié)點的數據流，按照對感知數據的需求、數據通信模式和流向等，以數據為中心形成消息的轉發(fā)路徑。第四，應用相關。傳感器網絡的應用環(huán)境千差萬別，沒有一個路由機制適合所有的應用，設計者需要針對每一個具體應用的需求，設計與之適應的特定路由機制。針對傳感器網絡路由機制的上述特點，在根據具體應用設計路由機制時，要滿足下面的傳感器網絡路由機制要求28-29。（1）能量高效。傳感器網絡路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個網絡的角度考慮，選擇使整個網絡能量均衡消耗的路由。在傳感器網絡中，不優(yōu)化的路由不僅能消耗更多節(jié)點的能量，而且使某些節(jié)點過早失效，從而會把網絡分割成多個孤立的部分。即使網絡有比較充足的能量，有些節(jié)點的數據也不能傳送到匯聚點。衡量傳感器網絡路由性能的一個重要指標，就是合理地使用網絡中各個傳感器網絡節(jié)點的有限能量，使得網絡保持連通性的時間更長的能力（2）可擴展性。在無線傳感器網絡中，監(jiān)測區(qū)域范圍或節(jié)點密度不同，都會造成網絡規(guī)模大小不同；節(jié)點失敗、新節(jié)點加人以及節(jié)點移動等，都會使得網絡拓撲結構動態(tài)發(fā)生變化，這就要求路由機制具有可擴展性，以便適應網絡結構的變化。（3）魯棒性。能量用盡或環(huán)境因素造成傳感器節(jié)點的失敗，周圍環(huán)境影響無線鏈路的通信質量以及無線鏈路本身的缺點等，這些無線傳感器網絡的不可靠特性要求路由機制具有一定的容錯能力。（4）快速收斂性。傳感器網絡的拓撲結構動態(tài)變化，節(jié)點能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機制能夠怏速收斂，以適應網絡拓撲的動態(tài)變化，減少通信協(xié)議開銷，提高消息傳輸的效率。2.4典型的路由協(xié)議相對于傳統(tǒng)無線通信網絡而言，傳統(tǒng)無線通信網絡研究的重點放在無線通信的服務質量（QoS）上，而無線傳感器網絡節(jié)點是隨機分布，電池供電，因此目前無線傳感器網絡路由協(xié)議的研究重點是如何提高能量效率上，當前流行的幾個無線傳感器網絡的路由協(xié)議可簡單分為以下幾個類別。2.4.1 泛洪路由協(xié)議（1）泛洪協(xié)議泛洪（Flooding）30協(xié)議是一種傳統(tǒng)的無線通信路由協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定，每個節(jié)點接受來自其他節(jié)點的信息，并以廣播的形式發(fā)送給其他鄰居節(jié)點。如此繼續(xù)下去，最后將信息數據發(fā)送給目的節(jié)點。泛洪路由不進行維護網絡拓撲和相關路由計算，只負責以廣播形式轉發(fā)數據包，因此效率不高。而且這個協(xié)議容易引起信息的“內爆”（Implosion），即一個節(jié)點可能得到一個數據多個副本的現(xiàn)象，傳感器節(jié)點A將采集到的數據沿著不同的節(jié)點B, C傳輸，最終傳給了同一個節(jié)點D，節(jié)點D對同一個數據收到了兩次，如圖2.2；還會引起消息“重置”（Overlap），即處于同一觀測環(huán)境的兩個相鄰的同類傳感器節(jié)點A和B同時對一個事件C作出反應，二者采集的數據性質相同，數值相近，這兩個節(jié)點的鄰居節(jié)點C將收到雙份數據副本，造成資源的浪費，如圖2.3。因此，在泛洪協(xié)議的基礎上，提出了閑聊（Gossiping）協(xié)議。ACBDDataDataDataData圖2.2 內爆CBAb,ca,cacb圖2.3重疊（2）Gossiping協(xié)議Gossiping31協(xié)議是在泛洪協(xié)議的基礎上進行改進而提出的。它傳播信息的途徑是通過隨機的選擇一個鄰居節(jié)點，而不是用廣播。獲得信息的鄰居節(jié)點以同樣的方式隨機地選擇下一個節(jié)點進行信息的傳遞。如果一個節(jié)點第二次收到它的鄰居節(jié)點的數據副本，則將此數據發(fā)回鄰居節(jié)點，如圖2.4。這種方式避免了以廣播形式進行信息傳播的能量消耗，節(jié)約能量，在一定程度上解決了信息“內爆”問題，但其代價是延長了信息的數據傳輸平均時延，傳輸速度變慢，并且無法解決部分重置現(xiàn)象和盲目使用資源問題。ECBDDSDataDataDataData圖2.4數據重發(fā)現(xiàn)象2.4.2 以數據為中心的路由協(xié)議以數據為中心的路由協(xié)議是基于查詢和對目標數據的命名之上的，通過數據聚合減少重復的數據傳送。以數據為中心路由還可分為事