无线传感器网络路由协议的研究毕业论文

无线传感器网络路由协议的研究毕业论文内容摘要：

种 心 理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。 如果 在 住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解被监护病人的病情．发现异常能 够迅速抢救。 将传感器节 点 按 药品种类分别放置， 计 算机系统即可帮助辨认所开的药品，从而减少病人用 错 药的可能性。 还可以利用传感器网络长时间地收集人体的生理数据，这些数据对了解人体活动机理和研制新药品都是非常有用的。 人工视网膜是 一 项生物医学的应用项 目。 在 SSIM( Smart Sensors and Integrated Microsystems)计划中，替代视网膜的芯片 由 100 个微型的传感器组成，并置入人眼，目的 是 使得失明者或者视力极差者能够恢复到一个可以接受的视力水平。 传感器的 无 线通信满足反馈控制的 需要，有利于图像的识别 和确认。 4. 智能家居 传感器网络能够应用 在 家居中。 在家电和家具中嵌入传感器节点，通过 无线网络与 Inter 连接在 一 起，将 会 为人们提供更加舒适、方便 和 更具人性 化的智能家居环境。 利用远程监控系统 ， 可完成对家电的远程遥控，例如可以在回 家之前半小时打开 空 调，这样回家的时候就可以直接享受适合的宅温，也可以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、录像机、电脑等家电，按照 自 己的意愿完成相应的煮饭、 烧 菜、查收电话留言、选择录制电视和电台节 7 目以及 下 载网上资料到电脑中等 工 作，也可以通过图像 传感设备随时监控家庭安全情况。 5. 建筑物状态监控 美国加州大学伯克利分校的环境工程 和 计算机科学家们采用传感器网络，让大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感觉并意识别它们本身的状况．使得安装了传感器网络的智能建筑 自 动告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级来进行一系列自我修复 工 作。 未来的各种摩 天 大楼可能就会装备这种类似红绿灯的装 置 ，从而建筑物 可以自 动告诉人们当前是否安全、稳固程度如何等信息。 以上列举了西方发达国家在无线传感器方面的几种主要应用，当然，在其它的一些方面也得到了不同程度的应用，例如空间 探索等。 本次探讨和研究的意义 由引言可知 无线传感器网络 在今天的中国应该 还 是一个比较新颖的研究和应用领域。 它涉及众多学科， 我个人认为 将成为 IT 领域的研究热点之一。 无线传感器网络 (WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价 微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作的感知、采集、和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。 传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。 无线传感器网络将逻辑上的信息世界和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。 因此 它无论是在国家安全，还是国民经济诸方面均有着广阔的应用前景。 未来，无线传感器网络将向天、空、海、陆、地下一体化综合传感器网络的方向发展，最终将成为现实世界和数字世界的 接口，深 8 入到人们生活的各个层面，像互联网一样改变人们的生活方式。 美国商业周刊在预测未来技术发展的报告中，分别将 WSN 列为 21 世纪最有影响的 21 项技术和改变世界的 10 大技术之一。 由此可见研究 WSN 将是一件很有意义且时髦的工作 ，在引言中我们就可以发现，尽管我们中国的前辈们进行了卓有成效的工作，但相对美国等发达国家还有一定差距，特 别是 在 应用上。 我作为一个后来者，本着能力学识有限，旨在学习、探索、发现。 本次毕 业 设 计 主要学习了无线传感器网络的网络层和数据链路层协议。 其中网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工 作模式。 在无线传感器网络中，路 由 协议 不 仅关心单个 节 点的能量消耗．更关心整个网络能量的均衡消耗．这样才能延长整个网络的生存期。 同时，无线传感器网络 是 以数据为 中 心 的，这在路由协议中表现得最为突出， 每 个节点没 有 必要采用 全 网统 — 的编址，选择路 径 可以不用根据 节点的编址．更多的是根据感兴 趣的数据建立数据源到汇聚节点之间的转发路径。 目前提出了多种类型的传感器网络路由协议，如多个能量 感知的路由协议，定向扩散和谣传路由等基于查询的路由 协议， GEAR 和 GEM 等基于地理位置的路由协议， SPEED 和ReInForM 等支持 QoS 的路由协议。 在这么多的路由协议中 ，我主要精力放在了能量感知路由协议上，也就是祈求在这个点上能得到一些自己的发现。 后面的相关章节将 会提出一些个人观点和看法，有些可能有失偏颇，望各位老师指正。 9 本文的内容安排 第一章 绪论 包括引言， 发展 历程， 研究的意义 和论文结构分析 ； 第二章 无线传感器网络的概述 包括传感器网络体系的结构、特征和关键技术； 第三章 路由协议 ，将全面分析能量路由协议， 针对它提出了一种简单完整的处理办法，并通过分析比较两种实用的能量路由协议得出了一些有用的发现 ； 第四章 本文的重点： 路由算法的能量优化及分析方法 包括能量模块改进，协议性能评价，和 DEER算法； 第五章 路径耗能最小的路由模拟 包含通过 C语言环境模拟结果 第六 章 结论 第二章 无线传感器网络概述 传感器网络体系结构 传感器网络结构 传感器网络结构如图 21 所 示 ，传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点 (sink node)和管理节点。 大量传感器节点随机部署在 10 监测区域 (sensor field)内部或附近，能够通过自组织 方 式构成网络。 传感器节点 监 测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传 输 过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路 由 到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。 用户通过管理 节 点对传感器网络进行配置和 管 理，发 布 监测任务以及收集监测数据。 用户 监测区域 传感器节点 图 21 传感器网络体系结构 传感器节点结构 传感器节点 由 传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能 量 供应模块 四部分组成，如图 22 所示。 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理 器 模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据 以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责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数据；能 量 供应模块为传感器节点提供运行所需的能互联网和卫星 任 务管理节点 汇聚节点 E C D B A 11 量，通常采用微型电池。 图 22 传感器节点体系结构 传感器网络协议栈 随着 传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。 这个协议钱包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议 栈 的五层协议相对应。 另外，协议 栈 还包括能 量 管理平台、移 动管理平 台和任务管理平台。 这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高 效的 方 式协同合作。 传感器网络的特征 与现有无线网络的区别 无线自组网 (mobile adhoc work)是 一 个 由 几十到上百个节点组成的、 传感器模块 处理器模块 无线通信模块 传感器 AC/DC 处理器 存储器 网络 MAC 收发器 能 量 供 应 模 块 12 采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。 其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体 信 息流。 通常节点具有持续的能量供给。 传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的差别。 传感器 网 是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统， 节点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是不 动的。 另外，传感器节点具有 的 能量、处理能力、存储能力和通信能 力 等都十分有限。 传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用，这也是传感器网络和传统网络的最重要的区别之一。 传感器节点的限制 传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在一些现实 约束。 1. 电源能量有限。 传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。 2. 通信能力有限 3. 计算和存储能力有限 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致 其携 带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。 13 传感器网络的特点 1. 大规模网络 2. 自组织网络 在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置 在 没有基础结构的地方。 传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相 互 邻居 关 系预 先 也不知道，如通过 飞 机播 散 大量传 感器节点到面积广阔的原 始 森林 中 ．或随意放置到人不可到达或危险的区域。 这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过 拓 扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。 在传感器网络使用过程中，部分传感器节点 由于 能量耗尽或环境 因 素造成失效，也 有 一些 节 点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的 节 点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。 传感器网络的 自组织 性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。 3. 动态性网络 传感器网络的 拓 扑结构可 能因为下列因素 而 改变：①环境因 素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽 变化，甚至时断时通；⑦传感器网络的传感器、感知对象和观察者这 三 要素都可能具有移动 性 ；④新节点的加入。 这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构 性。 4. 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点 14 可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风 吹 雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。 传感器 节 点 往 往采 用 随机部署，如通过 飞机 撒 播或发射炮弹到指 定区域进行部署。 这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏．适应各种恶劣环境条件。 出于监测 区 域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分 困 难甚至不可维护。 传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防 止 监测数据被盗取和获取伪造的 监 测信息。 因此，传感器网络的软硬 件 必须具 有 鲁棒性和容错性。 5. 应用相关的网络 传感器网络用来感知客观物理 界 ， 获取物理世界的信息量。 客观世界的物理 量 多种多样，不可穷尽。 不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样 的要求。 6. 以数据为中心的网络 目 前的互联网是先有计算机终端系统，然后 再 互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立存在。 在互联网 中 ，网络设备用网络 中 惟一的 IP 地址标识， 资源定位和信息传输依赖于终端、路 由 器、服务器等网络设备的 IP 地址。 如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器 IP 地址。 可以说 目前 的互联网是一个以地址为中心的网络。 传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。 传感器网络 中 的节点采用节点编 号 标识，节点编号是否需要全 网统 一取决于网络通信协议的设计。 由 于传感器节 点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。 用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告 15 给某个确定编号的节点。 网络 在 获得指定事件的信息后汇报给用户。 这种以数据本身作为查询或传输线索的思想 更 接近于自然语言交流 的习惯。 所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。 传感器网络的关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待发现和研究，下面仅列出部分关键技术。 有些。