06054207 杨微 开题报告new

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1、杭州电子科技大学毕业设计（论文）开题报告题 目基于NS2的无线传感器LEACH协议的研究学 院计算机学院专 业网络工程姓 名杨微班 级06052412学 号06054207指导教师童孟军一、综述本课题国内外研究动态，选题的依据和意义近年来，网络通信技术日新月异，对网络技术的研究同样也炙手可热，这就促使人们不断提高研究水平，更新研究技术，增加研究手段。目前网络通信的研究一般可分为三种方式：(1)理论研究，(2)网络模拟，(3)试验网方法。网络模拟是当前网络通信研究中的重要技术手段之一，在网络通信的建设开发过程中起着不可代替的重要作用。在网络模拟阶段，由于采用计算机软件进行模拟，使得很多研究人员能

2、够研究大规模网络和学习新协议新算法的设计和实现，并且能够在网络实用前对其进行检验和改进。NS是Network Simulator的英文缩写，字面翻译即为网络模拟器，又称网络仿真器。NS-2则是网络模拟器的第二版。NS-2（Network Simulator version 2）是一款开放源代码的网络模拟软件，最初由最初由加州大学伯克利分校（UC Berkeley）开发。它最初开发的目的是为了研究大规模网络以及当前和未来网络协议的交互行为。它为模拟研究有线和无线网络上的TCP、路由和多播等协议的提出提供了强有力的支持。NS-2是一个开放源代码软件，任何人可以获得、实用和修改其源代码。正因为如此，

3、世界各地的研究人员每天都在扩展和更新它的功能，为其添加新的协议和功能。它是目前网络研究领域应用最广泛的网络模拟软件之一。NS2（Network Simulator,version 2）是一种面向对象的网络仿真器，本质上是一个离散事件模拟器。由UC Berkeley开发而成。它本身有一个虚拟时钟，所有的仿真都由离散事件驱动的。目前NS2可以用于仿真各种不同的IP网，已经实现的一些仿真有：网络传输协议，比如TCP和UDP；业务源流量产生器，比如FTP,Telnet,Web CBR和VBR；路由队列管理机制，比如Droptail,RED和CBQ；路由算法，比如Dijkstra等。NS2也为进行局域网

4、的仿真而实现了多播以及一些MAC子层协议。NS被认为起源于1989年由UC Berkeley开发的REAL网络模拟器。其实REAL网络模拟器是哥伦比亚大学开发的NEST网络测试平台的基础上改进而来的。REAL网络模拟器主要用于模拟各种IP网络。1995年，NS的开发获得美国军方DARPA VINT项目的资助，由USC/ISI,Xerox PARC和UC Berkeley合作开发。1995年7月31日，NS推出v1.0al版本。1996年11月6日即推出了NS-2的第一个版本：NS-2.0a1版本。目前，NS-2的开发和得到了DARPA SAMANS(simulation Augmented b

5、y Measurement and Analysis for Network)项目和美国国家科学基金NSF CONSER（Collaborative Simulation for Education and Research）项目的资助。2003年2月26日发布ns-2.1b10版本后，NS-2改变了主要版本标注方法，ns-2.1b10作为NS-2.26。由于NS-2作为一个开源项目开发，因此世界上的其他组织和个人也对NS的发展作出了贡献。NS-2也从他们那里吸收了很多实用的功能和模块。从1999年到2001年AT&T公司资助的AT&T互联网研究中心ACIRI参与了NS的开发。此外，NS-2还

6、吸收了UCB的Daedelus工程和CMU的Monarch工程以及Sun Microsystems公司开发的无线代码。2006年7月1日，NS开发组织正式宣布启动了下一代的开发计划，该开发计划预计通过四年的时间开发出NS的下一代版本NS-3，此计划也得到了美国国家科学基金NSF CISE CRI项目的部分支持。无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景，是目前非常活跃的一个领域。2000年，美国国防部将传感器网络列为国防5个尖端领域之一。2002年，美国OAK实验室语言：IT时代正从“The network is computer”向“The n

7、etwork is sensor”转变。2003年，美国技术评论将无线传感器网络技术列为未来改变人类生活的十大技术之首。无线传感器网络是当前国际上倍受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了微机电系统、传感器技术、嵌入式计算机、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器写作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线的方式被发送出去，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、

8、抢先救灾、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的使用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是21世纪产生巨大影响力的技术之一。近年来，研究人员采用各种方法改进LEACH协议，并积累了不少研究成果，但LEACH协议还存在着一些不足的地方，这些问题会使网络工作稳定性无法得到保证。现今的研究主要针对该协议不适合在大规模网络中使用，节点分部不均匀，协议不适合节点能量不均匀的网络展开的改进。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题随着传感器和微电子技术的进步，无线传感器网络得到了重大的发展。无线传感器网络由大量的传感器节点组成，这些节点通过无线媒介相连，并最终将数据发送到汇聚节点。通常，

9、传感器节点的能量是受限的，当节点的能量耗尽之后，网络便失去了作用。由于受到体积和造价等因素的影响，传感器节点的计算能力往往有限，因此那些较简单的协议和算法才适用于无线传感器网络。此外，无线传感器网络还必须是自组织的，这样才能更适应目前的应用。无线传感器网络所采用的通信协议对于网络的性能有着较大的影响。LEACH协议是一种基于簇的路由协议，它运用以下技术以实现自己节能的目的：（1）随机的、自适应的、自组织成簇的方法；（2）数据传输的局部控制；（3）低能耗的MAC协议；（4）信息处理技术。LEACH协议在无线传感器网络路由协议中占有重要地位。其他基于簇的路由协议大都由LEACH发展而来。LEACH

10、协议是一种动态分簇协议，它采用节点轮流随机担任簇首的方式均衡节点能量消耗，与MAC协议构成跨层设计，并结合数据融合及睡眠唤醒机制的合理应用，能为网络节省能量，将网络的生存期较之前的平面多跳路由协议和静态分簇算法延长15%。LEACH路由协议是Heinzelman(MIT,电子与计算机系)于2000年提出的分层的传感器网络路由协议。它主要分为2个阶段,即簇首准备阶段(setup phase)和就绪阶段(ready phase)。簇准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一轮(round)。在簇准备阶段,传感器节点随机生成一个0,1之间的随机数,并且与阈值T(n)做比较,如果小于该阈值,则该节点就会

11、当选为簇头。T(n)按照下列公式计算:T(n)=p1-p(r mod(1p),nG0,其他式中:P为节点成为簇首节点的百分数,r为当前轮数,G为在这一轮中未当选簇首的节点集合。簇首节点选定后,广播自己成为簇首的消息,节点根据接收到的消息的强度决定加入哪个簇,并告知相应的簇首,完成簇的建立过程。然后,簇首节点采用TDMA的方式,为簇内成员分配传送数据的时隙。分析LEACH协议的运行机制、优势及存在问题,针对问题进行低功耗改进，保证协议运行的稳定性，借助NS2仿真软件对改进前后的协议进行仿真对比，并分析传感器耗能对协议改进产生的影响。三、研究步骤、方法及措施（一）了解NS-2的基本原理1.NS-2

12、的的体系结构（1）NS-2的基本组成：NS-2是一个软件包，软件结构见图。Tcl是开放脚本语言，用来对NS编程；Tk是Tcl的图形界面开发工具，可帮助用户在图形环境下开发图形界面；OTcl是基于Tcl/Tk的面向对象扩展，有自己的类层次结构：NS-2为软件包的核心。图1 NS-2核心体系结构（2）NS-2的仿真元素：网络拓扑，网络的路由配置协议，通信量仿真。（3）NS-2的类层次结构：图2 NS2的部分类层次结构2.NS-2的仿真原理NS-2是一个事件驱动的仿真器，仿真网络中传送的数据包是事件，根据包的产生、发送、到达、丢弃等事件驱动时钟。NS-2对网络的仿真基本是按照网络协议分层模型来实现的

13、，由低到高的层次顺序。（二）NS-2仿真过程本文采用Uc Berkeley开发的网络仿真模拟器NS2来进行模拟。NS2是一种功能强大的网络模拟仿真器,它使用C+和OTCL2种语言完成。NS2仿真可以分为构件的扩展阶段,仿真阶段,仿真结果分析阶段。一般分为以下几个步骤:1)编写所需构件；2)测试；3)编写Otcl脚本文件；4)用NS命令执行脚本文件；5)分trace文件。（三）LEACH协议分析这一部分我们主要对LEACH路由协议进行了详细的介绍，包括其能量模型，簇的形成过程，簇头的随机选择算法，最优簇数的计算。LEACH路由协议被分成很多轮，每一轮由簇首准备阶段(set-up phase)和就

14、绪阶段(steady-state phase)两个阶段组成。在初始化阶段，主要是簇头节点的选择，簇的形成。在稳定工作阶段，簇头节点将融合后的数据传输给远处的基站。LEACH协议的特点有：1）为了减少传送到汇聚节点的信息数量，蔟首节点负责融合来自蔟内不同源节点所产生的数据，并将融合后的数据发送到汇聚点。2）LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC层机制来减少蔟内和蔟间的冲突。3）由于数据采集是集中的和周期性的，因此该协议非常适合于要求连续监控的应用系统。4）对于终端使用者来说，由于它并不需要立即得到所有的数据，因此协议不需要周期性的传输数据，这样可以达到限制传感器节点能量消耗的目的。5）在给

15、定的时间间隔后，协议重新选举蔟首节点，以保证无线传感器网络获取同意的能量分布。与传统的路由协议相比，LEACH路由协议具有降低能量消耗，减少网络数据传输量等优点，但是LEACH路由协议也存在一些缺点：1）由于LEACH假定所有节点能够与汇聚节点直接通信，并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用。2）协议没有说明蔟首节点的数目怎么分布才能及于整个网络。因此，很可能出现被选的蔟首节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何蔟首节点。3）由于LEACH假定在最初的蔟首选择回合中，所有的节点都携带相同的能量，并且每个成为蔟首的节

16、点都消耗大致相同的能量。因此，协议不适合节点能量不均衡的网络。（四）仿真结果与讨论NS2是一个面向对象的网络仿真工具，它能对软件库中已有元素进行分析,也能进行新构件的添加扩展进而进行仿真。以无线传感器网络路由协议LEACH协议为例，了解NS2仿真LEACH路由协议的具体过程,并将结果与其他路由协议进行比较，得出了LEACH协议采用分簇思想，随机选择簇首，能够保证簇首所负载的额外能耗平均分配到网络内的所有节点，因此具有更好的网络特性。四、研究工作进度：序号时间内容12009.12.052009.01.14搜集资料，确定论文题目22010.01.152010.03.02拟定任务书并完成开题报告32

17、010.03.032010.03.09毕业设计开题报告会42010.03.102010.05.04整理资料，做模拟实验52010.05.052010.06.10完成代码实现和文档62010.06.112010.06.16整理材料准备答辩72010.06.172010.06.23论文答辩8910五、主要参考文献：1 孙天一. 无线传感器网络LEACH协议的探讨及改进J. 山东大学, 2005, 13(08): 75-80.2 唐勇, 周明天, 张欣. 无线传感器网络路由协议研究进展J. 软件学报, 2006, 24(03): 43-46.3 刘昌鑫, 彭嵩松, 吴兰英. 基于NS2网络仿真的实现

18、J. 井冈山学院学报, 2007, 28(06): 29-31.4 张伟伟, 王俊, 秦琳琳, 吴刚. 基于NS2的无线传感器网络仿真平台设计J. 电子技术, 2009, 12(10): 47-50.5 齐进, 蒋挺, 周正. 无线传感器网络LEACH协议的改进方案J. 现代电信科, 2009, 18(12): 61-64.6 何美红, 许成谦, 张东良. 基于NS2的LEACH协议仿真与分析J. 电子测量技术, 2009, 32(01): 40-49.7 李善仓, 张克旺. 无线传感器网络原理与应用M. 机械工业出版社, 2008, 52-78.8 方路平, 刘世华, 陈盼, 郭笋, 陈小乐

19、. NS-2网络模拟基础与应用M. 国防工业出版社, 2008, 10-75.9 Marcelo P. Sousa, Ajey Kumar. Sniffing Out Correct Error Frame Model of ns-2 SimulatorR. Proceedings of the 11th communications and networking simulation symposium, New York, 2008.10 JengFam Lee. Performance Evaluation of a Selective Cooperative Scheme for Wi

20、reless Sensor NetworksR. International Workshop on Modeling Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems, Washington D. C., 2009.11 弋改珍. 基于NS2无线传感器网络的仿真研究J. 福建电脑, 2007, 14(12): 44-45. 12 吴辰文, 王铁君. 基于NS2无线传感网路由协议模型的设计与研究. 兰州交通大学学报J, 2007, 26(01): 1-4.六、指导教师审核意见： 指导教师签字： 年 月 日七、系、室、部（研究所）评议意见： 1. 适合本专业的毕业设计课题；2. 不适合本专业的毕业设计课题；3. 其他 系、室、部（研究所）主任签字： 年 月 日八、开题小组评审意见：开题小组组长签字： 2010 年3月9日九、学院领导（答辩委员会）审核意见：1通过； 2完善后通过；未通过 学院领导（答辩委员会）签字： 2010 年3月10日