wsns路由协议分析与仿真毕业设计(编辑修改稿)

wsns路由协议分析与仿真毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

器M A C网 络定 位 系 统移 动 系 统处 理 器存 储 器电 源 单 元 自 供 电 系 统 图 12 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 更计算机信息工程 学院毕业设计 4 小 ， 组合形成的 各模块相互 之间一起协同 完成 同 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。 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 13 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]。 计算机信息工程 学院毕业设计 5 应 用 服 务 接 口时 间 同 步 节 点 定 位传 输 控 制路 由M A C声 、 光 、 电 、 磁网 络 管 理 接 口拓扑控制服务质量安全/移动/能量网络管理应 用 层传 输 层网 络 层数 据 链 路 层物 理 层 图 13 无线传感器网络协议栈 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： 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。 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 ， 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]。 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中 冗余的数据从而降低能耗。 计算机信息工程 学院毕业设计 6 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 标准 把低能耗、低成本作为设计的主要目标。 相对于 系统具有 复杂度低、定位精度高等优点 ， 适用在 WSNs 中。 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 LEACHCH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LEACHCH路由协议进行对比分析。 计算机信息工程 学院毕业设计 7 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。 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，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：一是寻找传感器节点到计算机信息工程 学院毕业设计 8 汇 聚节点的优化路径；二是将状态信息沿着优化路径转发。 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 1~100Kb/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。 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。 计算机信息工程 学院毕业设计 9 （ 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。 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，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，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。