完整版基于OPNET的无线传感器网络路由仿真与研究本科生毕业设计Word下载.docx
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完成时间:
2014年05月
摘要
无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术,其应用前景而日益受到学术界和工业界的广泛关注。
由于该领域的研究还处于起步阶段,传感器网络路由技术还有诸多的不足。
因此,无线传感器网络的路由值得我们去探索和思考。
该论文以学习无线传感器网络和OPNET为基础,研究和探索无线传感器路由及其发展趋势和研究方向。
首先,通过学习OPNET仿真平台的使用和无线传感器网络路由原理,对现有的无线传感器网络路由进行分类研究。
其次,在OPNET上进行仿真实验,以无线传感器网络的DD协议仿真为基础,在DD协议的模式上,分别进行LEACH协议的仿真和QoS路由改进。
通过不断地研究对比各类路由机制,总结仿真实验中LEACH和QoS的一些优缺点。
相比于DD协议,LEACH协议能够有效地减少能量的耗损,寿命是DD协议的两倍左右。
QoS是在DD模式上进行改进,它能很好的支持不同业务的资源需求分配,可达到全网最优能耗均衡,网络生存期大大提高。
我们可以展望一个好的无线传感器网络路由应是以减少通信量、负载均衡、支持移动性、容错性、组播路由、路由安全、可扩展性、QoS路由、跨层协议优化、与IPv6结合为发展趋势和研究方向。
关键词:
无线传感器网络路由,OPNET,DD协议,LEACH协议,QoS路由,
Abstract
Wireless
sensornetwork
isanew
informationacquisition
and
processingtechnology,its
applicationprospects
increasingly
attractedwidespreadattention
inacademiaandindustry.
Asthe
researchinthisfield
isstillinits
infancy,
therearemany
sensornetworkroutingtechnologydeficiencies.
Therefore,therouting
ofwireless
sensor
networks
isworth
exploring
andthinking.ThisthesisstudyofwirelesssensornetworksandOPNET-basedstudyofwirelesssensornetworkrouting,exploringtrendsandresearchdirectionsofwirelesssensorrouting.First,byusingwirelesssensornetworksanditsroutingprinciplesoflearningOPNETsimulationplatformforwirelesssensornetworkroutingexistingclassificationresearch.Secondly,intheOPNETsimulationexperimentstoDDwirelesssensornetworkprotocolsimulation,basedonamodelagreementDD,respectivelyLEACHroutingprotocolemulationandQoSimprovement.Throughcontinuousresearchandcomparevarioustypesofroutingmechanism,summarizesomeoftheadvantagesanddisadvantagesofLEACHsimulationandQoS.ComparedtotheDDprotocol,LEACHprotocolcaneffectivelyreduceenergyconsumption,anditslifeexpectancyisabouttwicetheDDagreement.QoSisperformedontheDDmodelimprovements,itisagoodallocationofresourcestosupportdifferentbusinessneeds,thewholenetworkcanachieveoptimalenergybalance,networklifetimeisgreatlyimproved.Wecanenvisionagoodwirelesssensornetworkroutingshouldbebasedonreducingtraffic,loadbalancing,supportmobility,faulttolerance,multicastrouting,routingsecurity,scalability,QoSrouting,cross-layerprotocoloptimization,combinedwithIPv6astrendsandresearchdirections.
Keywords:
wirelesssensornetworkrouting,OPNET,LEACH,DDprotocol,QoSrouting,
引言
近年来,随着技术的发展,无线传感器网络应用变得范围越来越广。
在环境监测、医疗、工业控制、科学研究、军事、智能家居、智能办公环境等方面都表现出巨大的前景。
我们可以大胆的预见到,将来无线传感器网络将会无处不在,将会完全融入我们的生活。
可以说,无线传感器网络将是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要技术之一。
总体而言,该领域的研究目前还处于起步阶段,传感器网络路由技术还存在很多的不足,在很多领域还无法实现。
毋庸置疑,无线传感器网络的发展潜力会十分巨大,也还有很多的地方需要我们去探索和思考。
本文基于OPNET仿真平台,首先通过对无线传感器网络的基本原理和OPNET平台操作的学习了解;
其次对现存的无线传感器网络路由进行研究分类,并研究和对比分析了各类路由协议的核心算法和路由机制;
再次利用OPNET对其中典型的路由——DD协议、LEACH路由协议和QoS路由进行仿真模拟,同时对比其他路由协议进行仿真实验,从具体的数据上探究不同路由机制优缺点,从而对现存无线传感器网络的路由进行深入的研究;
最后总结出无线传感器网络路由的一般规律、研究方向和发展趋势。
第一章绪论
1.1无线传感器网络
1.1.1无线传感器网络基本概念
无线传感器网络,即wirelesssensornetwork,简称WSN。
无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信的方式形成的一个多跳、自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象的信息,并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成无线传感器网络的三个要素。
无线传感器网络由许多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。
每一个传感器节点都由数据采集模块(传感器、AID转换器)、数据处理、控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、ACDC能量转换器)组成。
节点在网络中可以充当数据的采集者、数据中转站或组头、簇头节点的角色。
作为数据采集者时,数据采集模块收集周围环境的数据(如温度、湿度等),通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站(BaseStation)或汇节点(SinkNode)。
作为数据中转站时,节点除了完成采集任务之外,还要接收邻居节点数据,并将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或者汇节点,作为簇头节点时,节点负责收集该簇内所有节点采集的数据,经数据融合之后,发送到基站或者汇节点。
[1]
无线传感器网络所具具有的众多类型的传感器,可探测包括地震、电磁、温度、噪声、湿度、光强度、土壤成分、压力、移动物体的大小、方向和速度等周边环境中多种多样现象。
基于无线联网技术和MEMS的微传感技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。
这些潜在的应用领域可以归纳为:
军事、航空、防爆、反恐、医疗、救灾、环境、保健、工业、家居、商业等领域。
1.1.2无线传感器网络特点
无线传感器网络具有大规模、自组织、可靠性、动态性、以数据为中心、集成化、协作方式执行任务、具有密集的节点布置、自组织方式等特点。
WSN并不界定网路型态,就是可以是star、mesh、P2P或者综合以上型态的网路,但都一定具备下列的功能:
1、Sensorsmicrocontroller:
侦测、搜集以及处理环境中包含的资料,例如侦测湿度、温度等。
2、Radiofrequency:
gateway或节点用以收发资料。
3、Software:
包含在节点端的嵌入式系统以及使用者端的管理程式,软体确保资料感测的功能进行流畅及提供容易阅读的介面。
1.1.3无线传感器网络组成结构
无线传感器网络系统通常都会包括传感器节点EndDevice、汇聚节点Router和管理节点Coordinator,如图1-1所示:
节点Coordinator,如图1-1所示:
图1-1无线传感器网络系统
大量的传感器节点随机部署在监测区域内部或者附近,能够通过自组织的方式构成网络。
传感器节点监测到的数据沿着其他传感器节点逐跳的进行传输,在传输过程中监测到的数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或者卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行相应的配置和管理,发布监测任务及收集监测数据。
传感器节点处理能力、存储能力和通信的能力都相对较弱,通过小容量电池供电。
从网络功能上看,每个传感器节点除了要进行本地信息收集和数据处理之外,还要对其他节点转发而来的数据进行存储、管理和融合,并与其他节点进行协作完成一些特定任务。
汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力就相对较强,它是连接传感器网络与Internet等外部网络的网关,实现两种协议间的相互转换,同时向传感器节点发布来自管理节点的监测任务,并把无线传感器网络上收集到的数据转发到外部网络上。
汇聚节点可以是一个具有增强功能的传感器节点,有足够的能量供给、更多的Flash和SRAM中的所有信息传输到计算机系统中,通过汇编软件,可很便捷地把获取的信息转换为汇编文件格式,从而分析出传感节点所存储的程序代码、路由协议和密钥等信息,同时也可以修改程序代码,并加载到传感节点当中。
[1]
管理节点是用于动态地管理整个无线传感器网络,传感器网络的所有者通过管理节点访问无线传感器网络上的资源。
处理器
传感器ACDC网络MAC收发器
储存器
传感器模块处理器模块无线通信模块
能量供应模块
图1-2无线传感器节点模块结构
无线传感器节点通常由四部分组成(如图1-2):
1、传感器模块:
用来监测区域内信息的采集和数据转换;
2、处理器模块:
用来控制整个传感器节点的操作、存储和处理数据;
3、无线通信模块:
用来与其他传感器节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集消息,它有四种状态:
发送、接受、空闲、睡眠;
4、能量
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