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无线传感器网络能量最优路由协议研究与仿真硕士学位论文

中图分类号：

TP393.01密级：

公开

UDC：

本校编号：

硕士学位论文

论文题目：

无线传感器网络能量最优路由协议研究与仿真

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得兰州交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

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硕士学位论文

无线传感器网络能量最优路由协议研究与仿真

TheResearchandSimulationofEnergyOptimalRoutingProtocolforWirelessSensorNetwork

兰州交通大学

LanzhouJiaotongUniversity

学位论文原创性声明

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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

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本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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作者签名：

日期：

年月日

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日期：

年月日

摘要

传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术孕育了无线传感器网络。

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理、传输技术，通常包含大量的自组织成多跳无线网络的分布式传感节点。

由于无线传感器网络具有组网快捷、灵活，且不受有线网络约束的优点，无线传感器网络可以被广泛的应用于军事，商业，医疗救护，环境监测等多方面，具有广泛的应用前景。

无线传感器网络作为现代通信技术中一个新的研究领域，引起了学术界和工业界的高度重视。

由于无线传感器网络通常由大量密集的传感器节点构成，节点的能源、计算能力和带宽都非常有限，传统的无线路由协议不适合无线传感器网络。

无线传感器网络路由协议设计的首要目标是有效节约能源，延长网络生命周期。

本文主要对无线传感网络路由协议进行了研究，主要工作包括以下几个方面：

（1）根据无线传感器网络路由协议设计的要求，对经典的路由协议进行分析比对分析。

（2）对经典的以数据为中心的路由协议定向扩散算法进行学习，分析了定向扩散协议的关键技术。

（3）针对定向扩散协议存在的一些问题，引入了具有能量感知系统的临时Sink节点，提出了改进的能量感知扩散协议（EADR）。

在EADR算法中，节点的兴趣是有规律的扩散，并采用递归方式进行梯度建立和路径加强。

（4）在MATLAB仿真平台上，对原定向扩散协议与EADR能量感知扩散协议进行仿真比较。

仿真结果表明，改进后的路由协议EADR使得整个网络在较低的能耗水平下获得了较长的生命周期，具有较好的能量优化特性，适合大规模网络。

关键词:

无线传感器网络，路由协议，定向扩散，EADR

论文类型：

应用基础研究

Abstract

Wirelesssensornetwork,anewgenerationofsensornetwork,wasformedbythecombinationofsensorsembeddedcalculation,networkandwirelesscommunicationtechnology.TheWSNiswidelyappliedinmilitary,commercial,medicalandenvironmentmonitoringfields.Becauseitisflexibleandconvenient.

Thewirelesssensornetworkconsistsofalargequantityofsensornodeswhosepower,calculationabilityandbandwidtharesolimitedthattraditionalwirelessroutingprotocolisnotsuitableforwirelesssensornetwork,itisthekeypointtosavepowerandprolongthelifetimeofnetworkintheresearchofwirelesssensornetwork.Inthearticle,wedeeplyresearchtherouterprotocolofwirelesssensornetworksanddosomework.

Accordingtowirelesssensornetworkroutingprotocoldesigndesire,weanalysistheclassicroutingprotocol.

Studyoftheclassicdata-centricroutingprotocolDirectedDiffusionproliferation,analysisthedirectionalkeytechnologyofDirectedDiffusionprotocol.

DirectedDiffusionprotocolexistsomeoftheproblems,theintroductionofenergy-awaresystemswithtemporarySinknodetoimprovetheproliferationofenergy-awareprotocol（EADR）.AtEADR,theinteresteddataintherehavedisciplinarianwaytodiffusion,anduserecursivemannertogradsconstituteandstrengthen.

IntheMATLABsimulationplatform,tocomparisontheDirectedDiffusionprotocolandEnergyawareDiffusionRouting.

ThesimulationresultsshowthattheimprovedroutingprotocolEADRmaketheentirenetworkatalowerenergyleveltoobtainalongerlifecycle,withabetterenergyoptimizationofthecharacteristics,suitablelarge-scalenetwork.

KeyWords：

wirelesssensornetwork；routingprotocol；directeddiffusion；EADR

1无线传感器网络概述

传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别完成被测量对象的信息提取、信息传输及信息处理工作[1]。

目前，信息传输与处理技术已取得突破性进展，随着微电子技术的高速发展和工艺的日益成熟，传感器也朝着集成化、微型化、智能化的方向发展。

在实际应用中，很多数据采集系统具有采集范围大、采集点众多、布线困难等特点，传统的传感器通过总线方式组网，很难满足各种应用要求。

于是，融合了以上三大技术的无线传感器网络（WirelessSensorNetwork）应运而生。

无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技术组成的自组织网络，集数据的采集、传输、融合分析与一体，是信息技术的一个新领域，在军事侦察、环境监测、医疗监护、城市交通管理、仓储管理等领域具有广阔的应用前景[2]。

最早的传感器网络出现在上世纪七十年代，将传统传感器采用对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络，我们称之为第一代传感器网络。

随着传感器技术以及计算机技术的发展，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过传感控制器相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。

而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

如果说因特网构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么无限传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类和自然界的交互方式。

美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，已分别将无限传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10项技术之一[3-4]。

1.1传感器网络体系结构

1.1.1传感器网络结构

无线传感器网络的定义：

无线传感器网络是由一组传感器以Adhoc方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者[5]

传感器网络结构如图1-1所示，传感器网络系统通常包括传感器网络节点（SensorNode）、汇聚节点（SinkNode）和管理节点[6]。

大量传感器网络节点随机部署在监测区域（SensorField）内部或附近，具有无线通信与计算能力的微小传感器网络节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统，并以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，最后通过多跳网络将数据经由Sink节点链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理节点。

反之，远程管理节点也可以对网络节点进行实时控制和操纵。

图1.1一个典型的传感器网络的体系结构

1.1.2传感器网络节点

传感器网络节点是无线传感器网络中部署到研究区域中孕育收集和转发信息、写作完成指定任务的对象。

每个节点上运行的程序可以是完全相同的，唯一不同的是其ID。

传感器网络节点由传感器模块，处理模块，无线通信模块和能量供应模块四部分组成[7-9]，如图1-2所示。

图1.2传感器网络节点结构

（1）传感器模块：

传感器模块是硬件平台中真正与外部信号量接触的模块，一般包括传感器探头和变送系统两部分，探头采集外部的温度、光度和磁场等需要传感的信息，将其送入变送系统，后者完成将上述物理量转化为系统可以识别的原始电信号，并且通过积分电路、放大电路的整形处理，最后经过A/D转换成数字信号送处理器模块。

对于不同的探测物理量，传感器模块将采用不同的信号处理方式。

因此，对于温度、湿度、光度、声音等不同的信号量，需要设计相应的检测与传感器电路，同时，需要预留相应的扩展接口，以便于扩展传感器等更多的物理信号量。

（2）处理器模块：

处理器模块是无线传感器网络节点的核心，负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等多个关键任务，考虑无线传感器网络的实际特点，作为硬件平台的中心模块，除了应具备一般单片机的基本性能外，还应该有适合整个网络需要的特点。

目前，处理器模块中使用较多的是ATMEL公司的AVR系列单片机，它采用RISC结构，吸取了PIC及8051单片机的优点，具有丰富的内部资源和外部接口。

集成度方面，其内部集成了几乎所有关键部件；指令执行方面，微控制单元采用Harvard结构，因此，指令大多为单周期；能源管理方面，AVR单片机提供了多种电源管理方式，尽管节省节点能源，可扩展性方面，提供了多个I/O口，并且和通用单片机兼容，另外，AVR系列单片机提供的USART（通用同步异步收发器）控制器，SPI（串行外围接口）控制器，与无线收发模块相结合，实现了大吞吐量，高速率的数据收发。

此外，TI公司的MSP430超低功耗处理器、Motorola公司和Renesas公司的处理器以及作为32位嵌入式处理器的ARM单片机，都在无线传感器网络方面得到了广泛应用。

（3）无线手法模块：

无线收发模块用于传感器节点间的数据通信，解决无线通信中载波频段选择、信号调制方式、数据传输速率，编码方式等，并通过天线进行节点间、节点与基站间数据的收发。

目前，在无线通信领域应用较多的无线数传模块有Chipcon公司的CC1000、CC2420、CC1010，以及RFM公司的TR1000等，NORDICATMEL公司也有相关产品

CC1000工作频带为315MHz，868MHz，915MHz，具有低电压、低功耗、可编程输出功率、高灵敏度、小尺寸、集成了位同步器等特点。

其FSK数传可达72.8Kbit/s。

具有250Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议，主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活，图1.3为CC1000的模块结构图。

图1.3CC1000的模块结构图

（4）能量供应模块：

能量供应模块作为整个无线传感器节点的基础模块，是节点正常顺利工作的保证。

由于是无线网络，所以无法采用普通的工业电能，只能使用自己已存储的能源或者是自然界的给予。

因此，采用什么能源，采取什么样的供电方式显得尤为重要，本模块中必须解决好能源消耗与网络运行可靠性的关系。

1.2传感器网络的特征

无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目有时很庞大，节点分布密集，由于环境影响和能量耗尽，节点很容易出现故障。

环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化。

通常情况下，大多数传感器网络节点是固定不动的。

此外，传感器网络节点的能量、信息处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。

传感器网络节点使得无线传感网网络具有以下与传统网络不同的特点[10-11]。

（1）通信能力有限。

传感器网络的传感器的通信带宽有限而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。

传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。

（2）电源能量有限。

电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。

在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提，最大网络的生命周期。

（3）硬件资源有限。

在无线传感器网络中，节点的计算能力与内存空间受到种种限制，如价格、体积、能耗，因此，相对于普通计算机，它们的功能要弱很多。

（4）传感器数量大、分布范围广。

这个特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。

（5）网络动态性强。

网络的拓扑结构动态变化，节点加入网络或者从网络中分离的情况可以随时发生，使传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化，但是不会对整个网络产生影响。

传感器网络具有动态拓扑可重构和自调整性。

（6）多跳路由。

由于网络中节点通信半径有限，故要想与更多的节点交换信息，就必须通过中间节点进行路由。

无线传感器网络的路由无法像固定网络一样通过网关与路由器，而只能通过普通节点对信息的发送与转发完成。

（7）节点数量众多，分布密集。

为保证对目标区域的监控任务能够完成，同一时间段内会有大量传感器被投入目标区域，传感器节点的分布相当密集，利用节点之间的高连通度保证系统的容错性和抗毁性。

1.3传感器网络协议栈

与传统互联网协议栈的5层协议相对应，传感器网络也提出了一个包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的5层协议栈[12-13]，如图1.4所示。

图1.4传感器网络协议

（1）物理层：

以发送接收信号为主要功能的物理层首先要考虑的是信号的传输介质。

目前游泳的无限传感器网络大部分是基于无线电通信的，在个别应用中也使用红外线和声波等方式。

无线电通信面临的主要问题主要是无线频段的选择、信号调制技术和扩展频技术等。

能耗和成本是无限传感器网络中必须首先考虑的性能指标，而物理层是解决无线传感器网络节点体积、成本及能耗的关键，因此物理层是无线传感器网络的研究重点之一。

（2）数据链路层：

数据链路层关注的重点是介质访问控制（MAC，MediumAccessControl）。

MAC协议负责在竞争的用户中分配信道资源。

在传统网络中，主要有预置信道和随机分配信道两种基本信道分配原则。

预置信道包括频分多址接入（FDMA，FrequencyDivisionMultipleAccess）、时分多址接入（TDMA，TimeDivisionMultipleAccess）、码分多址接入（CDMA，CodeDivisionMultipleAccess）和空分多址接入等（SDMA，SpaceDivisionMultipleAccess）；随机分配信道包括802.11中使用的载波侦听多点接入（CSMA，CarrierSenseMultipleAccess）和面向无线的（MACAW，MultipleAccesswithCollisionAvoidanceforWireless）等。

（3）网络层：

网络层路由协议是网络中任意需要通信的两点间建立并维护数据传输路径的重要协议。

无线传感器网络资源严格受限，没有全局统一的逻辑地址，且网络拓扑结构频繁发生变化，所以要求路由协议必须尽量简单且能够在网络整体上达到节能，延长网络生存时间。

（4）传输层：

传输层主要负责数据流的传输控制，在网络层的基础上为应用层提供一个可靠、高质量的数据传输任务。

无线传感器网络长期工作在未知环境下，资源严格受限制，数据传输时采用多跳的通信机制，且多采用以数据为中心的工作模式，因此无线传感器网络中的传输层必须对传统的传输层协议进行改进。

（5）应用层：

应用层包括一系列基于监测任务的应用软件，由于远程测控是无线传感器网络目前主要应用，所以目前的研究热点之一是对大量传感器采集信息的分布式处理，以及其他面向应用的处理等。

除了互联网协议栈相对应的5层协议外，协议栈还包括如下特殊子层。

（1）定位和时间同步子层：

由于不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及应用环境温度和周围电磁波等的影响，即使一些节点从某一时刻开始达到精确的同步，但是，随着时间的推移，它们的误差会逐渐增加。

实际应用中精确同步很难做到，分布式系统物理时钟服务定义了一个洗头中所允许的时钟偏移最大值，只要2个时钟之间的差值小于所定义的最大时钟偏移量，就认为2个时钟保持了同步。

（2）系统管理子层：

由于许多实际的无限传感器网络系统是在长期无人值守的条件下工作的，因此，需要对网络各个性能指标进行实时监测和对节点能力耗尽、功能失效等不正常现象提前报警，从而为及时排除网络故障或追加布设节点提供帮助。

（3）拓扑生成子层：

拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供信息支持，优化MAC协议和路由协议的协议过程，提高网络协议的整体效率，减少网络能力消耗。

1.4传感器网络的关键技术

（1）网络拓扑控制[14]：

通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等奠定基础，有利于节省能量来延长网络生存期。

（2）网络协议：

由于传感器网络节点计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能力都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。

同时，传感器网络除结构动态变化外，网络资源也在不断的变化，这些都对网络协议提出更高的要求。

传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层路由协议和数据链路层协议。

（3）时间同步：

实现时间同步是传感器网络系统协同工作的一个关键机制。

目前，已提出了多个时间同步机制，其中RBS\TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是3个基本的同步机制。

（4）定位技术：

确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，根据无线传感器网络的自身特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效性和分布式计算等要求。

（5）数据融合：

数据融合技术可以与无线传感器网络的多个协议层进行结合。

因此，在设计无线传感器网络时，必须面向需求设计针对性强的数据融合方法，才能使系统最大限度的获益。

（6）网络安全：

传感器网络通常部署在无人维护、不可控制的环境中，除了具有一般无线传感器网络所面临的信息泄露、信息篡改、重防攻击、拒绝服务等多种威胁外，还面临传感器节点容易被攻击者物理操纵，并获取存储在传感器节点中的重要信息，甚至控制部分或全部网络的威胁。

1.5本论文研究的目的和意义

无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署（DARPA）于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。

如今美国国防部远景计划研究局已投入几千万美元，帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。

美国所有著名的院校几乎都有研究小组从事传感器网络相关技术的研究，著名的有UCBerkeley的SmartDusut项目、UCLA的WINS项目，以及多所研究机构联合攻关的SensIT计划等[15]。

研究初期，人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对无线传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明[16]：

传感器网络与传统网络有明显不同的技术要求。

前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。

目前，对于无线传感器网络的研究主要集中在网络层和链路层，而网络数据传输离不开路由协议。

由于无线传感器节点能量有限，且只具有局部网络信息，传感器网络中的路由协议具有很多传统网络路由协议所没有的特点。

目前，学者们己经提出了大量针对无线传感器网络的特有路由协议，这些协议有着统一的目标就是建立高能效的路由以进行可靠的数据传输，从而使网络生命周期最大化。

但是现有的无线传感器网络路由协议都存在一定的缺陷，本文的研究目的就是对现有无线传感器网络路由协议中的分级路由协议进行研究并改进，设计出新的、更适合于无线传感器网络特点的路由协议。

1.6本论文的主要工作和篇章结构

本文在对无线传感器网络及各种路由协议学习和研究的基础之上，对其中一种分级路由算法定向扩散路由协议进行研究并改进，将改进前后的算法进行性能上的仿真比较，看改进后的算法是否达到了降低传感器节点的功耗，延长网络生存周期的目的。

本文的主要篇章结构如下：

第一章为绪论，首先对无线传感器网络作了概述，介绍了无线传感器网络的结构、特征、协议栈和关键技术等。

然后阐述了本课题的研究目的、意义以及本文的主要工作。

第二章对无线传感器网络的MAC层协议做了描述，重点对无线传感器网络的路由协议进行介绍，对比分析了现有的多种无线传感器网络路由