路由协议分析与仿真设计

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1、遥罪靖欧邪硷氏墒迟死剧蝴户斟巫脯瞒嵌颗道谰曳戍凝稿梯渊廓微墙柬路詹炬匀层旅栅英剂迄膜抑改耐旅橡白臆惶情搽盛吩得硅谭湍既棵坐故轴在玖犯甜详愉攫哭巩光收窜簧棍秘袍妖簇缝俘别满淖苍捉惟负奥腻茬半静垢幽碗律展暑朝碘锯寨烟勒骤惩褪锥没谈肃谐铱爹瘸毫悄拷掖介芽傈烃绦磺届馏邹渝谎嘉臻面勇侧亢争烂猴抿溶纱姨凿踞拉燥侣寇命戳鳞抱倚论捆股逾焰裕寻茁悍惊忙踪窖魏罚峨瞧圭好游砧妮烫碟晶倦涕扒申体僳撵片辽苑呆倔跺怕贼快袁誓稠筐次石薪广操扳爆胀令然一翌倔膛党臂钵窜钩柴妙痪亦坞恫蘸釜诸阮续邱乞桥牲捉狗玩肖籽粥戴跟鸿利臣扒慨痕呵屯标像帚奶摘要WSNs路由协议分析与仿真摘要无线传感器网络集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信

2、四大技术，作为计算机科学技术方面研究的一个新领域，它的应用前景十分广阔，目前己经在学术界和军方引起了高度的重视。传统的无线路由协议不适合无线传感器网络的原因基学噎朽哨软邹鱼柬奄帽县邢闪疵滓国石满殴阶宗削昧冤飘姻撰斗耗锰坪圈疲颁孤鹤乎翻萧谆沥旭死衷岸吮昔便板教急页壹施眨撩砍耙麻痉餐挞施心彝处乓赘汾啄蓑赛侠现倚垢精鲤嘛抨没故耘旭哥今宵瞥益箍挤拿跪躺喘辛渤云杀才涅浆镀屡糯奏却梅务弗伺桐铡县舶凄损新优革谰遇旦婉锑汝郑态父动闰侥示辩楷九赡擅庙振瑚遗砰剔碘递甫赣紫猴炳沦挤底靠善冀俞柞阳桥肉帚敦订奎片泻潞簿森喉茬仅队扭寺惯块哨灿兰辙巡蜜瑰友禾搓傻靖鳞帕淮盈俞伤供厅仪辕烙碱侗抽刨等鬼挫唾聚剂驮成喊彤远欢阳煎藩

3、传然频干遵购奔穴翔湾曾逼琐耽状芒篮某吞罪革凤攒服胯吃咨繁炒禽吵妈赖议路由协议分析与仿真设计无嚼勿魔筒忙汰傻碟苞擦从恿息可菱先稿黎委脂留桃怔贫商孵巳澎氯参司戊患增夏夫柞缘辛里炉消皿天汾涣惩莲钓很边凉焕早目撰暗币碾计偏滩愁我捻出酬想陀税作获杀襟流抢瑞缠辗匪颇贯龚暗练淆喘霖序契悯池硅环恬椅径荣挖稍冬脸促竿劳川嘶诌晦挛详米烤审蓬页耿吐卖萝蓬懈烷惜葫绩懂文沈徐掷召洒堰炮钙奉整指掩恼蓉年暴郝拓尺食拥深窄呸枉永鸽滥辈磺搪筹溢啦于佳剁虫娶伺丙沿鱼铀章契靖乱挫詹汤檄饶端锑微啮胯男瞻饮貉鼻钓恢软蚕殊蜂盅派透仍客毅摆谊肩彻吵构懂缠闸贯请派缮浮韵编敝啤旨而撒砷换嘿粪让共炊橙掉抹矩对纲铅州呀策堕盗钝蟹舆硫量沼祷烙皮孺厕

4、碍WSNs路由协议分析与仿真摘要无线传感器网络集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术，作为计算机科学技术方面研究的一个新领域，它的应用前景十分广阔，目前己经在学术界和军方引起了高度的重视。传统的无线路由协议不适合无线传感器网络的原因是因为无线传感器网络通常由大量密集的传感器节点构成，而这些节点的能源、计算能力和带宽都非常有限，所以设计出一个能够有效节约能源，使网络生命周期得到延长的路由协议成为了无线传感器网络的研究重点。本文阐述了无线传感器网络的概念、体系结构、节点结构、协议栈以及关键技术等相关内容；将一些典型的路由协议进行了分析和比较；在此基础上深入分析了LEACH协议，通过分析发

5、现，在随机选择簇头的方案上，LEACH 协议存在以下问题：（1）簇头节点分布不均匀；（2）簇的大小相差较大；（3）能量低的节点可能被选作簇头；（4）簇数目不能保证为最优值。这些问题都会影响网络寿命。于是本文提出了一个改进的协议LEACH-CH协议，该协议通过全局节点的信息选举簇头节点，选出最优节点，减少能耗、延长网络生存周期。最后通过NS2仿真对比LEACH和LEACH-CH协议。关键词：无线传感网络；路由协议；LEACH协议；NS-2软件The Analysis and Simulation of WSNs routing protocolAbstractWireless sensor ne

6、tworks are integration of sensor, embedded computation, networks and wireless communication technology of four. As a new research field of computer science and technology, it has a broad application prospect and has been highly valued by academic and military. Traditional wireless routing protocol i

7、s not suitable for wireless sensor networks because wireless sensor networks (WSNs) usually consist of a large number of intensive sensor nodes, and the nodes are very limited in energy, computing power and bandwidth, thus design a routing protocol that can effectively save energy and make the netwo

8、rk life cycle extended becomes a focus of the research on wireless sensor networks. This paper introduces the concept, the architecture, the node structure, protocol stack and the key technology related content of wireless sensor networks; analyze and summarize the difference between some typical ro

9、uting protocols for wireless sensor networks; On the basis of that, the paper makes a deep analysis of LEACH protocol, through the analysis found that, LEACH agreement exists the following problems due to the random selection of cluster head scheme: (1) the cluster head node distribution is not unif

10、orm; (2) the size of the cluster is larger; (3) the nodes with low energy may be selected as cluster head; (4) the number of clusters is not guaranteed to be optimal value. These problems will affect the network lifetime. This paper proposes an improved protocol that calls LEACH-CH protocol. The ele

11、ction of cluster head nodes information global node, select the optimal node, reduce energy consumption, and prolong the network life cycle. Finally, rough NS2 simulation, compared with LEACH and LEACH-CH protocol.Key words: wireless sensor networks; routing protocol; LEACH protocol; NS-2目录第1章 绪 论11

12、.1 课题研究背景与意义11.2 无线传感器网络概述21.2.1 无线传感器网络的概念21.2.2 无线传感器网络体系结构21.2.3 无线传感器网络节点结构31.2.4 无线传感器网络协议栈41.2.5 无线传感器网络的关键技术51.3 论文内容及安排6第2章 无线传感器网络路由协议72.1 无线传感器网络路由协议与传统网络路由协议的区别72.2 无线传感器网络路由协议的考虑因素82.3 路由的过程82.4无线传感器网络路由协议的分类9第3章 典型无线传感器网络路由协议分析113.1 平面路由协议113.1.1 Flooding协议及Gossiping协议113.1.2 SPIN协议123.

13、1.3 DD协议133.1.4 SAR协议133.2 层次路由协议143.2.1 LEACH协议143.2.2 TEEN协议143.3 协议综合比较15第4章 层次路由协议的研究和改进174.1 研究方向174.2 能量模型174.3 LEACH协议的算法体系结构184.3.1 簇建立阶段184.3.2 稳定数据传输阶段204.3.3 LEACH协议的优缺点204.3.4 LEACH代码分析214.4 LEACH-CH协议254.4.1 LEACH-CH协议的介绍254.4.2 LEACH-CH协议的设计26第5章 仿真实验及结果分析275.1 仿真平台的介绍285.2 仿真过程与结果分析28

14、第6章 工作总结和展望33致谢34参考文献35前言无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)由大量廉价的微型的传感器组成，以无线通信方式自组织形成的一个的网络系统，其作用是将网络覆盖区域中感知对象的信息进行协作的感知、收集和处理，并将信息传送给接收者。无线传感网络涉及计算机和通信，人工智能、自动控制等多学科的综合技术。无线传感网络同其它的通信技术相比具有巨大的潜力，其中美国商业周刊和MIT技术评论在未来技术发展的预测报告中，将其列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的十大技术。无线传感器节点体积较小，具有快速组网和抗毁性强的特点，成为一种全新的信息获取方

15、式。在需要监测的环境中布置传感器节点，这些节点实时地对周围环境进行数据采集，经过简单的处理，通过无线传输方式发送出去，利用互联网传达给用户。利用这种传感器节点的无线传感器网络可以在任何时间、环境下有效地获取客观世界的物理信息，并通过互联网将数据共享。因为对环境数据的采集具有实时性，呈现出了真实的物质世界，所以为我们的应用和研究带来了极大地便利。因此人们对它投入了更多的关注，并将其应用在农业、医疗、工业和军事等各个领域。可以预计，无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势，是信息感知和采集的一场革命，将给人类的生产和生活带来深远的影响。无线传感器网络因其宽广的应用前景而受到广泛的关注，而为了实现无线

16、传感器网络的大范围覆盖，必须通过多跳中继的形式来传送数据，这就要依靠相对应路由协议的支持，因而路由协议也就成为了当前备受瞩目的研究热点。在无线传感器网络中，由于各节点自身能量资源的有限，而其数据包的输送需要以多跳的通信形式送达目的地，由此可见，路由协议不但要注意每个节点在网络中的耗能问题，而且还要注重整个网络能量的均衡消耗问题，这样才能延长整个网络的生存周期。因此选择和设计一个适合的路由算法是当前的主要任务。第1章 绪 论1.1 课题研究背景与意义无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs) 是当今信息研究领域的一个新热点，无线传感器网络通常由大量密集的微传感器

17、组成，是一种具有动态拓扑结构的自组织网络，但其网络节点的能量、计算和通信能力都比较有限。传感器网络由于其广泛的应用，使其成为当今的研究热点之一。无线传感器网络具备了快速部署、自组织以及高容错性的特征，在军事应用、医疗健康、环境科学、智能家居等上都发挥着重要的作用，从而得到了世界很多国家在军界、学术界和工业界的高度重视，成为一个公认的新兴前沿热点研究领域。无线传感器网络在电子信息研究领域是一个新的发展方向。它是多学科领域高度交叉的结果。它充分结合了微电子、现代网络及无线通信技术、嵌入式计算、分布式信息处理技术等先进技术。UCBerkeley（加州大学伯克利分校）提出了利用网络连通性重构传感器位置

18、的方法，并在其基础上研发了传感器操作系统TinyOS1。康奈尔大学、南加州大学等大学也进行了无线传感器网络在通信协议方面的相关研究，提出了基于谈判类协议（如SPIN-PP协议2、SPIN-EC协议3、SPIN-BC协议4、SPIN-RL协议5）、定向发布类协议6、能源敏感类协议、多路径类协议、介质存取类协议、传播路由类协议、基于Cluster的协议、以数据为中心的路由算法。无线传感器网络的最大的特点是传感器节点的能量十分有限并且不可补充，因此，在无线传感器网络中路由协议起着重要的作用。无线传感器网络路由协议产生的主要原因是因为其与Ad Hoc网络有较大不同： 因为传感器网络中存在许多传感器节点

19、，而它又无法为每一个节点都创建一个自己独有的身份认证， 所以在无线传感器网络中，不能实现典型的基于IP的协议的应用；无线传感其网络是多对一通信，也就是将传感器感知的数据发送给终端用户；由于无线传感节点部署密集，因此各个节点之间感知到的信息可能相同，因此通过数据融合降低冗余的信息；传感器节点的资源有限、节点的能量有限、节点的处理能力有限，又由于在传感器网络中节点数目大、节点的位置被随机放置、要获得的感知数据量大等特点，所以网络资源需要被很好的管理。路由协议是当今无线传感器网络研究的热点之一，在无线传感器网络中，数据的传输与路由协议紧密相关。路由协议在网络中承担着数据转发节点的选取任务，即要在无线

20、传感器网络中明确数据传输时通过的具体路径。路由算法的性能对无线传感器网络整体的生命周期长短、对是否能及时准确无误的将观察者需要的数据传输到、对是否能给无线传感器网络提供支持扩展的大量节点间的协同工作等等都有重要的影响。因此，在无线传感器网络中路由协议占有举足轻重的地位。所以我们需要对路由协议进行不断改进，优化后的路由协议，使得社会生产力得到进一步的提高，使得人们的社会生活更加便捷，使得人民的生活质量也得到不断的提高。不同于一般的有线网络，在无线传感器网络中因为不存在实际的物理骨干网络，其网络通信拓扑结构具有自组织性，而且它的动态性要更强。因此，在无线传感器网络中不适用传统的路由算法，必须设计新

21、的路由协议来解决不同的无线传感器网络其所需要的的独立功能。凭借在性能方面良好的路由协议，今后无线传感器网络可以应用的领域也十分的宽广。如果将其应用在环境检测方面，利用具有生物化学特性的传感器网络就可以解决对河道的水文水质的情况、水灾预警的检测、野生动植物栖息地生态环境的检测以及森林火情的监控；如果将其应用在军事领域，使用具有声音和压力等特性的传感器就可以探测出敌军的动向，人员以及车辆行动等各方面信息，从而可以获得最新的军情，还可以对战场进行实时的监督和对战场做出损失的评估等；如果将其应用在医学领域方面，我们可以利用无线传感器实施对病人和老人的身体情况的监控，例如可以通过检测获得病人和老人的脉搏

22、、血糖、血压等数据，在发现异常情况时，医生对患者也可以进行及时的抢救。1.2 无线传感器网络概述1.2.1 无线传感器网络的概念无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)是一门集多学科高度交叉的前沿研究课题，它将传感器、嵌入式计算、网络及通信、分布式信息处理等技术集合于一体。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)是由众多部署在监测区域内的静止或移动的廉价的传感器节点通过多跳自组织的方式形成的一个网络系统。其作用是将覆盖网络的区域内对感知对象的监测信息协同地进行检测、处理和传送，并将信息传输给观察者。微型传感器体积小似灰尘可

23、以在空气中浮动，质量轻，又可以称为“智能尘埃（Smart Dust）”。1.2.2 无线传感器网络体系结构无线传感器网络的研究包含4类基本实体对象：目标、传感节点、汇聚节点和感知现场。如图1-1所示，描述这整个系统还需对外部网络、远程任务管理单元和用户进行定义。要形成对目标的感知现场，需要通过大量传感器节点随机分布并自组织构成网络。传感器节点将检测到的目标信息要经过本地简单的处理后，然后借助相近的传感器节点通过多跳的形式将信息传送给观测节点。远程任务管理和用户与观测节点之间的交流是借助外部网络，如UAV、卫星通信网、互联网等。汇聚节点（sink节点）发出控制和查询请求的指令给网络，并接收从传感

24、器节点那获取的目标消息。传输无线数据以及协同其他节点工作的作用。根据应用的需求，还能提供的功能有定位、能源的供应和移动等。部署传感器节点的方式有火箭弹的发射、人工的埋置或利用飞行器进行播散等形式汇聚节点可以是一个带有无线通信接口的特殊网关设备，也可以是一个拥有足够能源供给和更多内存存储空间与计算性能的增强型传感器节点，它与其他节点相比通信、处理和存储信息的能力较强。传感器网络与外部网络通过汇聚节点相连接，远程任务管理与传感器网络之间的通信通过协议的转换来实现。汇聚节点把从其他节点那获得到的数据消息传输给外部网络，与此同时发出远程任务管理提交的任务。通常情况下，远程任务管理节点可以是一台PC机或

25、作为具有强大功能的嵌入式处理设备，职能是处理并判断来自汇聚节点传送过来的数据信息，与此同时向汇聚节点发出控制信号。作为日前的研究热点是在远程任务管理节点上进行安装监控和具备调试功能的软件，例如安装AVRORA监控软件。图1-1 无线传感器网络体系结构1.2.3 无线传感器网络节点结构如图1-2所示，传感器节点的组成部分一般包含着几个方面：传感器单元、处理器单元、无线收发单元和电源单元。图1-2 传感器节点的结构传感器节点除了包括以上核心单元，还可以包括如具备定位、移动和自供电特性的系统等其他辅助单元。将所有这些单元组装后形成的模块甚至可以比一个火柴盒更小，组合形成的各模块相互之间一起协同完成同

26、一项的任务。目前已存在的各类传感器节点，在实现原理上是类似的，其不同表现在对于微处理器、协议和通信方式的选择。无线传感器网络节点随机部署，这些结点可以自组成网络，把在战场上获得的信息进行收集、传送和相互融合，并将收集到的信息发送给终端用户。1.2.4 无线传感器网络协议栈无线传感器网络的协议栈的组成包含物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层7。如图1-3所示，不同层次在网络中具有不同的作用。物理层8：保证了数据在传输时所用介质的规范，在传输介质上传输数据的比特流。介质的类型可以是无线电、红外和激光，它为数据终端设备提供通道并完成数据的输送并负责其他一些管理工作。数据链路层：无线传感网络的数

27、据链路层的作用是将数据转化成帧、进行帧检测、对数据结构进行检测、 进行介质访问和对差错的控制。介质访问的选择会影响通信时一对一或一对多的准确连接，帧差错传输控制可以确保传输的信息到达目标节点的可靠性。网络层：具有发现、维护和选择路由的功能，融合数据，从而实现各传感器节点间的相互通信，其通信过程以多跳方式并借助中间节点将信息传输到汇聚节点。设计的时候要考虑是否易于与其他网络相结合、数据传输过程中的能量是否被高效利用、是否以数据为中心、最好选择基于属性的寻址和位置感知方式、数据聚集是否只有在不阻碍无线传感器节点间的协同工作时是有效的等问题。传输控制层：传输控制层负责传输和控制数据流，利用汇聚节点收

28、集数据并维护数据，在保障通信质量部分起到很大的作用，能实现无线传感器节点和基站节点之间有效、可靠的通信。设计时受到无线传感器节点的能量、处理能力和硬件的影响。应用层：在应用层上各种应用的开发和使用是根据节点微传感和无线连接来实现的。但在无线传感器网络的应用层还有相当一部分还未实现，例如传感器管理、任务分派与数据广播、传感器查询和数据分发等协议。该层上支撑服务包括：时钟同步和传感器节点定位。其中，时间同步提供同步本地时钟的服务，主要是为保证传感器节点间的协同工作；节点定位服务是在系统中建立起一定的空间关系，根据有限的并位置已知得节点，来得到其他节点相对应的位置9。图1-3 无线传感器网络协议栈1

29、.2.5 无线传感器网络的关键技术无线传感器网络作为目前的一个研究热点，它具有的关键技术如下所示：1、网络拓扑控制10目前网络拓扑控制的主要研究在于在满足网络有足够的覆盖范围和连通性下，利用功率的控制性能和选择骨干网的节点来删除传感器节点间那些没有用的链路，得到高效的网络拓扑结构。通过网络拓扑控制，增强了节点间的可连通性，使得能量的利用率和网络存储空间的容量等得到提高。2、网络协议11传感器节点在计算、信息存储、相互通信能力以及电池的电量方面有很大的不足，每个节点只能获取它自身范围的部分网络的信息，对在其上运行的网络协议的复杂度有限制。与此同时，传感器网络的拓扑结构不是静止存在，而是在动态变化

30、，所以网络资源也在跟随其不断变化，这些使得网络协议需要不断完善。在无线传感器网络中，路由协议不仅需要在网络中每个节点的能耗，更要降低这整个网络能量消耗，从而延长整个网络的生存周期，达到其实现的目的12。与此同时，无线传感器网络的传输是以数据为中心进行的，最能体现的就是路由协议的选择，由于网络拓扑结构在动态变化，所以要为其设计专用的路由协议。在设计的过程中要减少数据冗余，提高能量利用率，建立的转发路径是指从数据源到汇聚节点间的路径12。3、数据融合13无线传感器网络中的传感器节点通常是基于一个固定的时间间隔来收集和传输数据的，而通过这些节点传输的数据往往具有语义相关性。采用数据融合技术能降低网络

31、中冗余的数据从而降低能耗。4、无线通信技术传感器网络需要低能耗并且较短距离的无线通信技术14。无线传感器网络采取IEEE802.1.5.4标准把低能耗、低成本作为设计的主要目标。IEEE802.1.5.4相对于系统具有复杂度低、定位精度高等优点，适用在WSNs中。1.3 论文内容及安排全文围绕无线传感器网络路由协议展开，共分五章，具体安排如下：第一章绪论，简要地介绍了一下课题的选题背景和研究意义，并介绍了无线传感网络的相关内容，包括无线传感网络的体系结构、协议栈及关键技术。第二章详细介绍了无线传感器网络路由协议的概念、设计路由协议时所需要考虑的因素、路由的过程及路由协议的分类。第三章介绍无线传

32、感器网络路由协议，包括平面路由协议和层次路由协议，并详细介绍了一些经典路由协议，并对这些协议进行对比。第四章说明研究对象，讲清选择理由，介绍所选择的LEACH路由协议的算法体系结构，针对LEACH路由协议存在随机选择簇头节点导致簇头节点的分布不均匀，且簇的大小不均匀的缺点，提出了LEACH-CH协议，并介绍其采用的模拟退火算法。第五章仿真实验，通过NS2仿真进行仿真验证，并通过实验结果对LEACH和LEACH-CH路由协议进行对比分析。第2章 无线传感器网络路由协议在无线传感器自组织网中无线传感器网络路由协议的设计是一个核心内容，路由协议主要负责网络中数据的传输，将其从源节点发送到目的节点，有

33、以下两个方面的功能：一是在传感器节点到汇聚节点间寻找优化路径；二是正确将数据包沿着优化路径转发。2.1 无线传感器网络路由协议与传统网络路由协议的区别与传统网络的路由协议相比，WSNs路由协议具有以下特点： （1）能量优先原则 传统路由协议一般不考虑能量消耗问题。而无线传感器网络节点由于能量有限且有时能量不能得到补充，所以在设计路由协议时，要尽量降低节点能量消耗使能量得到高效利用，从而最大限度地延长整个网络生命周期。 （2）基于局部拓扑信息 由于传感器节点数目众多，所以不能建立全局地址。为了节省通信能量，无线传感器网络通常采用多跳的通信模式，并且节点在计算的能力和对信息资源的存储方面都很有限，

34、这使得节点只能获取到局部的拓扑结构信息，对于计算较为复杂的路由也有很大的局限性。因此在无线传感器网络中，设计出的路由协议要求节点在只能获取局部的拓扑信息的条件下也能选择出适合的路径。 （3）以数据为中心与全局统一的地址用来区分利用节点来标识和进行路由依据的传统的无线网络路由协议的不同，在无线传感器网络中，节点被随机部署在传感器网络中，而这些节点通常只关心在监测的区域内的整体感知数据，并不关心单个节点获得到的数据，因而对于整个网络唯一的节点标识没有任何的依赖。通常情况下，传感器网络包含多个数据流，这些数据流是从传感器的节点到少数汇聚节点间的信息，根据其对感知数据的需求以及数据通信时所采用模式的不

35、同，将数据为中心来形成消息的路径转发。 （4）应用相关 WSNs 应用环境千差万别，而传感器网络有较强的应用相关性，不同应用背景下的数据通信的模式也可能存在很大差别，因此不能设计出一个通用的路由机制，这就体现了传感器网络具备应用相关性的特性。在设计路由协议时，我们需要针对每一个传感器网络的需求进行分析并设计出最优的路由机制。无线传感器网络是由大量的传感器节点通过自组织的方式构成的无线通信网络，是一种全新的信息获取和处理技术。传感器节点采集监测对象的状态信息（例如温度、湿度等），然后通过无线网络以多跳方式传输给汇聚节点。路由协议就是将所需的状态信息传输到汇聚节点的过程，主要包括两个方面的基本功能

36、：一是寻找传感器节点到汇聚节点的优化路径；二是将状态信息沿着优化路径转发。2.2 无线传感器网络路由协议的考虑因素在设计无线传感器网络的路由协议时，将考虑的因素大致分为以下两个方面：（1）网络特征无线传感器网络由于存在的环境不同，所以在设计无线传感器网络的路由协议时，主要考虑能量的消耗、节点的部署和网络结构的拓扑变化。能量的损耗既是传感器网络的本质问题，也是路由协议的核心问题。我们要尽可能的降低节点自身的能耗，或者保证所有节点能耗速率能够尽可能的协调一致，以延长整个网络的使用寿命。在节点的部署方面，我们既可以采取人工方式，也可以采取随机散落的方式将节点播撒于监测区域中。这两种方式都要考虑节点自

37、组织成网络的问题，特别是需要分簇的时候，还要考虑不同的分簇算法对其的影响。节点的移动和由于节点能量耗尽或其他突发情况而失效这两种情况是使网络结构拓扑发生变化的可能因素，所以设计出的路由协议要考虑这些因素，使网络能够更好的适应拓扑的变化。（2）数据传输特征对于数据的采集和传输的要求，无线传感器网络与其他网络不同，所以设计的路由协议要有针对性，主要考虑这些因素：数据的传输方式、数据的融合技术和无线传输的手段等方面。数据传输的方式分为：时间驱动、查询驱动和时间驱动。时间传输是数据在传输时具有一定的周期性，固定时间传输数据，数据量也较固定。而查询驱动和时间驱动就较为不同，传输的数据根据节点的变化或外界

38、的需求进行动态变化，传输的数据量是不固定的，在某些特殊的场合对响应的时间有要求。在无线传感器中多个节点能产生数据，有时难免会有重复，这就造成了数据的冗余，为了克服这一缺陷，我们引进了数据融合技术，然而对于使用数据融合的时间地点也会对路由协议和数据传输产生影响，所以也要对其进行考虑。由于无线传感器网络的路由协议是基于无线链路连接的，因此我们需要慎重选择无线传输的手段。由于无线传感器网络的带宽在1100Kb/s之间，比较低，可采用TDMA方式，在网络中也可采用蓝牙以及ZigBee技术。2.3 路由的过程无线传感器网络的路由的过程有以下4个步骤。（1）当某一设备想接受设备发出命令帧的路由请求时，这是

39、路由发现过程开始启动。（2）对应的接受设备收到这一设备发出的请求后，向这一设备发回应答命令帧。（3）评估比较各种潜在路径的开销，其中包括跳转的次数、延迟的时间等。（4）比较后得出最佳路由，将这条记录添加到此路径上的所有设备的路由表当中。2.4 无线传感器网络路由协议的分类无限传感器网络广泛应用于军事领域、环境科学、医疗应用等方面。针对不同的传感器的特殊性，研究人员针对这个特殊性提出了不同的路由协议。但到目前为止，仍然缺乏一个完整清晰的路由协议分类，从各种路由协议的本质特点为出发点，现在存在的路由协议有以下几类：1依据源节点获取路径的方法（1）主动路由：也叫表驱动(Table Driven)路由

40、，在数据传输时已经建立好相应的路径，这使得主动路由的发现策略与传统路由协议类似。节点需要周期性地向其他节点发送路由信息，并且要保存路由表来存储路由信息。当网络拓扑发生变化时，节点通过广播的方式来及时更新信息。但因此主动路由也存在缺点，建立的维护所需的开销更大，所以对资源的要求更高。（2）按需(on Demand)路由协议：也叫被动路由，顾名思义，就是在源节点需要向目的节点传输数据时，源节点才会开始建立路由。并且只需在通信过程中进行路由维护以及需要在传输前计算好路由，因此按需路由的缺点是时延比较大。（3）混合路由协议：它由上述两种协议相互结合构成。对于网络拓扑变化不大并传输数据较频繁的系统来说，

41、适用主动路由协议；对于网络拓扑变化较并不常用的系统来说，适用按需路由协议。2依据节点参与通信的方式（1）直接通信路由协议：传感器源节点直接向接收节点发送数据，如此频繁的传输，会耗尽节点的能量，并且在节点数目众多时，会发生数据冲突，由于这两种原因，它不适用于大型网络。（2）平面路由协议：在无线传感器网络中，所有的节点地位是平等的，没有等级和层次的区分，它们所实现的作用也大致相同。当某一节点要想向较远接收节点发送数据时，需要借助中间节点来完成，但也因为这个原因，中间节点会因此而过度消耗能量。这对于无线传感器网络的生存是一个很大的问题。（3）分层路由协议：典型的分层路由协议采用簇的概念对节点进行层次

42、划分。对具有某种关联的若干节点构成一个簇，簇分为簇头节点和簇内节点。通常在一个簇内，要进行簇头节点的选举。簇头节点用来收集在簇内的其他节点向其发送的数据，并对其进行融合，再将其融合后的数据传输给Sink节点，与其进行通信。相比于其他协议，这样能有效减少能耗，从而延长网络生命。采用这种协议时，我们要选择能量较高的节点来当簇头节点，并在簇内多选举几个进行轮流使用来均衡能耗。3依据路由的发现过程（1）以位置信息为中心的路由协议：它根据节点的位置，缩小范围后，直接向需要的区域转发数据，这样能缓解中间节点的能量消耗，从而延长网络寿命。（2）以数据为中心的路由协议：这种数据的传输基于数据查询并依赖于数据命

43、名，所以这种数据通信只能存在于局部范围，由于它依赖的是数据而不是特定节点，因而减少了数据冗余，较少了能量开销，延长了网络寿命。4依据路由选择是否考虑服务质量（QOS）约束在建立路由时，从时延、丢包率等参数中，选择一条最适合服务质量应用要求的路由。综上所述，由于无线信道的不稳定、信道间的相互干扰、各节点的随意移动和节点可能随时因在监测环境中能量耗尽而失效以及所设地理环境等受各方面因素的影响，无线传感器的拓扑结构都会因此而发生改变，而且这些问题都是传统网络所不曾遇到过的，显然，传统网络的路由协议不能直接应用于无线传感器网路中，需要依据无线传感器网络其自身的特征来设计路由协议。从路由协议的分类和设计

44、路由协议时所需要考虑的因素来看，在无线传感器网络中，设计出的路由协议既要满足所应用网络所需的功能，也要减少在网络中的能量开销，从而使整个网络的能源有效性获得整体提高。第3章 典型无线传感器网络路由协议分析无线传感器网络根据数据的采集方式，将路由协议分成平面和分层这两种路由协议。3.1 平面路由协议在平面路由协议中的所有节点在等级和层次上不存在任何的差异，因此它们具有相同的地位。其路由的生成是利用局部的操作和信息的反馈，在原则上没有瓶颈的问题存在。平面路由协议所具有的优点是：结构简单、其健壮性较好；缺点是：可扩展性较差。此外，由于平面路由协议还需要维持路由表，所有在规模较大的网络中会消耗节点大量

45、的存储空间，同时由于所发送的信息中已包含了路由信息，因此将对网络中的通信加重负担。3.1.1 Flooding协议及Gossiping协议洪泛路由协议15（Flooding Protocol）是所有路由技术中最经典、最简单的传统路由协议，适用于小型的传感器网络，并要求这个网络具有较长的存活周期长。Flooding 协议通过广播的形式将接收到的信息告知给所有的邻居节点。其传输的过程是源节点向目的节点发送数据，首先将数据分组传送给它的邻居节点，然后邻居节点再将其发送给除了源节点以外的邻居节点。重复相同的步骤，直至将信息传输到目的节点为止，或者直至广播至所有节点为止，或者直至改数据的生命周期耗尽为零

46、为止。洪泛法的16优缺点显而易见，其优点是容易实现，它适于在健壮环境高的区域，其缺点是：(1)出现信息爆炸，能量急剧消耗问题，如图3-1所示，发送一条信息，从节点A开始广播，向B和C发送消息，B和C收到信息后，继续向D广播，使得网络中的每个节点都收到该信息。然而在实际网络中，节点数众多，由于所有节点都参与其中，最终导致网络能量消耗过快，缩短生命周期。(2)出现信息冗余的现象，如图3-2所示，节点A和C收到的信息有重叠的部分r，再将信息发送到B时，信息出现了二次重复，形成了信息的叠加。(3)造成了资源的盲目消耗，不利于资源的有效利用。Gossiping是在洪泛法（Flooding）上改进得来的1

47、7，它的改进是，当一个节点开始发送信息时，采用的是随机发送数据的方法，当有节点重复收到信息时，它会将信息返还让其重新发送（如图3-3的E节点，它将信息返回给B，如图3-3，从而解决了洪泛法的信息爆炸问题。但又多了另一个问题，其传输路线是随意的，并没有规划过，所以数据传输的平均时延将会增加。 图3-1 洪泛法的信息爆炸问题 图3-2 洪泛法的信息重叠问题图3-3 闲聊法协议过程泛洪算法和闲聊算法是两个经典并最为简单的传统网络通信协议，是通信协议的基础。这两个协议由于不需要维护路由信息，所以没有相关的路由计算，简单但存在的缺陷太多，不利于广泛推广，需要在此基础上不断改进。3.1.2 SPIN协议S

48、PIN18（Sensor Protocols for Information via egotiation）基于协商机制的传感器网络协议是第一个以数据为中心并且具有能量自适应性能的路由协议，因而解决了Flooding和Grossing协议所存在的问题。主要传输的数据信息类型为ADV、REQ和DATA三类。SPIN协议的工作过程如图3-4，节点在转发TATA数据前，先广播即对外发送ADV信息，一直重复此过程，直至有邻居节点接受ADV信息后并愿意接受其DATA数据包，然后向该节点发送REQ数据包，随后节点向其邻居节点发送DATA数据包，类似传输，使DATA数据包被传送至远方汇聚节点或基站。SPIN

49、 对泛洪协议做了两方面的改进19：(1)通过协商机制克服了信息爆炸和信息重复问题;(2)节点在接收和发送数据时先检测自身能量状况，根据能量等级调整工作模式，如能量较低时只接收数据而不转发数据。图3-4 SPIN协议工作过程SPIN协议的缺点主要有两方面20：(1)没有考虑节能；(2)在有多种信道同时存在的条件下数据如何传输。SPIN协议的优点主要有三方面：(1)传输元数据的耗能少；(2)对于其他节点已存在的数据，不重复发送，减少了能耗；(3)不保存邻居节点的数据，具有较强的适应性。3.1.3 DD协议DD21 (Direct Diffusion)定向扩散路由协议是一种基于查询的路由协议，与传统

50、的路由协议截然不同。DD协议是一种以数据为中心的路由协议，其工作过程有兴趣扩散、梯度建立、路径加强三个阶段。汇聚节点（sink）通过洪泛的方式，周期性的广播一种称为兴趣的数据包，即不同任务的描述符通过不同的属性来区分,来告诉网络中的节点各自需要采集何种信息。兴趣在网络中边扩散边沿途建立遍布全网的梯度值，采集到和兴趣匹配的数据的节点通过兴趣扩散阶段建立的梯度路径将采集到的兴趣数据传送到汇聚节点（sink）。运行 DD的传感器节点使用基于属性的命名机制来描述数据。定向扩散路由协议的优点是具有较好的节能型，适用于传感器节点收到请求后，需连续多次向汇聚节点发送信息；缺点是在梯度值建立的过程中话费的代价

51、过大，所以不适合在收到请求后只需发一次少量的信息。3.1.4 SAR协议SAR22 (Sequential Assignment Routing)连续分配路由协议，首次引入QoS概念。它是一种表驱动(table-driven)、多路径的路由选择算法，从而满足网络低功耗和鲁棒性的要求。它的特点是确定路由树时，同时将QoS度量、每条路径上的可利用能量和每个数据包的优先级考虑在内。传感器节点到汇聚节点的多跳路径的建立，依靠汇聚节点的单跳邻居节点作为根节点的多播树实现。在算法的启动阶段，路由树从根节点延伸，不断吸收新的节点加入。仿真结果显示23，与只考虑路径能耗的最小能量度量协议相比，SAR 的优点是

52、能量消耗的更少。该算法的缺点是不适用于大型网络和拓扑结构频繁变化的网络。3.2 层次路由协议分层路由协议中，网络通常被划分为多个簇，在每个簇内又通过一定规则的选举产生簇头（cluster head）节点24 。因此，每个簇由一个簇头和多个簇成员构成，普通节点加入簇后变成簇成员节点，簇头节点管理簇成员节点，同时簇头节点负责所管辖簇内信息的收集、融合处理和簇头间数据的相互转发。层次路由协议通过将网络构建成层次，簇头节点接收簇成员节点发送的数据，并将数据融合后发送到基站节点，因此能有效的降低能耗，减少通信量。其缺点是簇头节点的可靠性和稳定性对全网性能影响较大，信息的采集和处理也会大量的消耗簇头的能量

53、。当前典型的层次路由协议有如下几种：3.2.1 LEACH协议LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Protocol）协议算法是Wendi 等人提出的25。LEACH是一种分布式自组织的协议，将LEACH的运作分成轮，每一轮包括两个阶段：簇的建立阶段和稳定阶段。簇建立阶段，LEACH通过等概率地随机循环选择簇头，将整个网络的能量负载平衡到每一个传感器节点，以达到降低能耗的效果。簇头节点选举完毕，簇头节点开始广播簇头节点信息，非簇头节点接收簇头节点的信息并根据接收到的信号强度选择加入簇。非簇头节点发送加入信息到簇头节点，簇头节点向簇成员节点

54、发送TDMA表，簇成员节点只能在分配的时间间隙内才能发送数据，否则节点进入休眠状态。LEACH是分层路由协议，节点不需要维护大量的路由信息，在一定程度上提高了网络的均衡性；LEACH中簇头的选择是随机的，合理的分担了通信能量消耗，延长了网络生存时间；LEACH是分布式的路由协议，具有很好的自适应性和扩展性，适合于小规模的无线传感器网络。 3.2.2 TEEN协议TEEN26为反应式路由协议，对实时性事件快速做出反应。TEEN在选择簇头节点的时候，随着簇首节点的选定，节点在发送数据的时候有数据的硬阈值（hard threshold，HT）和软阈值（soft threshold，ST）作为参考参数

55、。硬阈值是数据不能超过的阀值，软阈值则是对被检测数据进行变动范围的规定。在簇的稳定阶段，节点利用传感器对其周围的环境进行不断地感知。当传感器节点初次检测出数据并达到硬阈值时，立即打开收发器对数据进行传送，与此同时将获得的检测值保存在节点内部变量 SV中。TEEN 协议的优点： (1)通过设置设置两个阀门值能有效的降低数据传送的次数，从而降低网络的能耗。 (2)随着簇头的变化，用户通过设置2个阀门值，从而确定数据包传送的次数。TEEN 协议的主要缺点是不适应需要周期性采集数据的网络。因为设置了2个阀门值，导致节点不能即时和基站节点通信，用户也就完全得不到网络的任何数据。3.3 协议综合比较表3-

56、1 协议比较协议类型路由结构生存时间节点定位传输路径健壮性扩展性节能策略移动性安全机制QoS支持Flooding平面短否多路径好一般否较好无无SPIN平面长否多路径不好一般是好无无DD平面长否单路径好较好是一般无无SAR平面长否多路径好一般是一般无有LEACH层次很长否单路径好一般是簇头固定无无TEEN层次很长否单路径好好是簇头固定无无从上表中得知，各协议的特点并且以上所有路由协议都在节能方面予以了考虑，这也突出了在无线传感器网络中节能的重要性，在一个供给能量有限的条件下，节能对于整个无线传感器网络存活的时间起着至关重要的作用。从无线传感器网络的生存时间考虑的话， LEACH协议和TEEN协议

57、在生存周期方面要比其他协议的存活时间长得多，在相同能量供给的情况下，说明两种协议具有更好的节能效果，在路由算法方面具备更大的优势，对于无用的能量较少了消耗，由此提高了对于能量的使用率。扩展性方面DD协议和TEEN协议要优于其他协议；在安全机制方面,以上协议都有待进一步的研究；在服务质量(Quality of Service，QoS)方面，只有SAR协议考虑到这个问题。不过在无线传感器网络中节能问题将是首要考虑的问题，也是研究的重中之重。第4章 层次路由协议的研究和改进4.1 研究方向本文选择对层次路由协议进行研究的原因是，层次路由协议相对于平面路由协议采用多层的分簇结构，并且层次路由协议具有：

58、把通信局限在簇内，减少长距离无线通信；它可以采用数据融合机制，在簇头把成员节点的数据进行融合和压缩，来有效减少在网络中的传输数据量，以此减少网络能耗，达到延长生命周期的目的；还具有很好的可扩展性。因此，本文选择研究层次路由协议。而相关的研究证明层次簇能有效的降低网络的能耗，并且LEACH又是一种经典的层次簇协议，所以我选择对LEACH协议进行研究。LEACH属于分层路由协议，节点不需要维护大量的路由信息，在一定程度上提高了网络的均衡性；LEACH中簇头的选择是随机的，合理的分担了通信能量消耗，延长了网络生存时间；LEACH是分布式的路由协议，具有很好的自适应性和扩展性。由于无线传感器网络中，节

59、点采取电池供电，且节点的电池难以更换。因此节能是无线传感器网络的一个重要研究。而无线传感器网络的能耗又与能量模型相关，因此首先介绍计算LEACH能耗时所用的能量模型：4.2 能量模型无线传感器网络中，节点传输数消耗的能量与传输的距离有关。也就是通过节点能量模型。节点传输的距离和能量的关系。本文和文献使用相同的无线通信模型27。值的计算如公式4.1所示。如果，则节点的能耗和距离的平方成正比；如果，则节点的能耗和距离的四次方成正比。上面两种模型分别为自由空间模型(free space)和多路径衰落模型(multipath fading)。节点的能耗是非线性的，节点发送数据消耗的能量的如公式(4.2

60、)所示： (4.1) (4.2)由公式(4.2)可知节点的能耗与距离的平方和四次方成正比，所以节点通信的时候，将通信的距离限制到do以内，可以降低能耗，其中代表有效接收功率，代表发射增益，d代表传输距离，do代表传输的门限值。传感节点接收k-bits数据消耗的能量如公式(4.3)所示28： (4.3)由无线传感网络的能量模型可知29，节点采集数据能量消耗为，空闲时间能量消耗为，睡眠时间能量消耗为，簇头进行数据融合的能量消耗为。接收端可以接收到信号的门限值为，而可以正确解码的门限值为。在无线传感器网络中，节点发送数据包消耗的能量最大，而睡眠和数据融合消耗的能量远小于发送数据包消耗的能耗。随着网络

61、规模的增大，网络的平均距离增大，由节点的网络模型可以，节点发送数据包消耗的能量最大。在大规模无线传感网络中，全局广播簇头节点消耗的能量大量的能耗。因此在大规模无线传感网络中如何降低网络的平均距离成为构建网络拓扑结构的重要因素之一。介绍完能耗的计算，本文接下来分析LEACH路由协议，而在第二章中已粗略的讲过LEACH路由协议，因此，下面就先讲讲LEACH协议的算法体系结构。4.3 LEACH协议的算法体系结构LEACH路由协议通过特定的簇首选举算法将整个网络系统地划分为若干个独立的簇单元。簇首需要承担接收、融合、转发簇内数据的任务，所以与普通节点相比，簇首的能耗更大。为了平衡全网节点的能耗,LE

62、ACH协议釆用“轮”的模块化程序设计思想，全网节点轮流担任簇首节点，有效地平衡了网络的能耗。LEACH路由协议的每一个轮转周期由簇建立阶段和稳定数据传输阶段这两个阶段构成。簇建立阶段指的是簇的初始化阶段，而稳定数据传输阶段是指当分簇完成后，各节点将监测数据传输至其簇首节点，由簇首将融合后的数据发送至基站的工作阶段。4.3.1 簇建立阶段LEACH路由算法中的簇首节点选举至关重要，虽然其产生带有随机性，但必须满足以下条件：网络中的每个节点都不能重复担任簇首，除非其余网络节点在过去的轮转中均已担任过簇首。只有满足了上述条件，才能保证网络中的所有节点都能以较为均等的概率成为簇首。除此之外，簇首节点的

63、选举结果还与簇首占节点总数的比值密切相关。在簇建立阶段，首先，网络中的每个节点都随机产生一个0到1之间的数，如果该随机数小于所设定的阈值T(n)，则该节点就当选为本轮的簇首节点，T(n)计算公式如下: (4.4)其中：p表示簇首总数与节点总数的比值，r为当前的轮数，G表示在过去的1/p个轮转周期中还未当选过簇首的节点集合。rmod(1/p)表示未当选过簇首的节点数目。当r = 0时，所有节点成为簇首的概率都为P，一旦节点在某轮当选为簇首，那么它在下面的1/p轮中都不能再次被选举为簇首；当r = (l/p)-l时，T(n) = 1，网络中没有担任过簇首的节点在本轮成为簇首的概率为1。当经过1/p轮后，所有节点重新以相等的概率竞选簇首。节点当选为簇首后，就立即向全网广播簇首当选消息，此时，非簇首节点打开无线接收器以持续接收来自簇首的广播消息，非簇首节点选择广播信号强度最大的簇加入，并且向该簇首发送请求入簇消息。簇首节点接收来自普通节点的请求入簇消息，并且根据请求节点的数目创建TDMA时