【正文】 n improved protocol that calls LEACHCH protocol. The election of cluster head nodes information global node, select the optimal node, reduce energy consumption, and prolong the work life cycle. Finally, rough NS2 simulation, pared with LEACH and LEACHCH protocol. Key words: wireless sensor works。 analyze and summarize the difference between some typical routing protocols for wireless sensor works。這些問題都會(huì) 影響網(wǎng)絡(luò)壽命。摘要 WSNs 路由 協(xié)議分析 與仿真 摘要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了傳感器、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和無線通信四大技術(shù)， 作為 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù) 方面研究 的一個(gè) 新 領(lǐng)域， 它 的應(yīng)用前景 十分廣闊，目前己經(jīng) 在 學(xué)術(shù)界和軍方 引起了 高度 的 重視。 于是本文提出了一個(gè)改進(jìn)的協(xié)議 —— LEACHCH 協(xié)議，該協(xié)議通過全局節(jié)點(diǎn)的信息選舉簇頭節(jié)點(diǎn)，選出最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，減少能耗、延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。 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 uniform。 routing protocol。 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 無線傳感器節(jié)點(diǎn)體積較小，具有快速組網(wǎng)和抗毀性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為一種全新的信息獲取方式。因此人們對它投入了更多的關(guān)注，并將其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、工業(yè)和軍事等各個(gè)領(lǐng)域。 因此 選擇和設(shè)計(jì)一個(gè)適合的路由算法是當(dāng)前的 主要任務(wù) 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電子信息 研究 領(lǐng)域 是 一個(gè)新 的發(fā)展 方向?？的螤柎髮W(xué)、南加州大學(xué)等大學(xué)也進(jìn)行了無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 在 通信協(xié)議 方面的相關(guān) 研究，提出了基于談判類協(xié)議（如 SPINPP 協(xié)議 [2]、 SPINEC 協(xié)議 [3]、 SPINBC 協(xié)議 [4]、 SPINRL 協(xié)議 [5]） 、定向發(fā)布類協(xié)議[6]、能源敏感類協(xié)議、多路徑類協(xié)議、介質(zhì)存取類協(xié)議、傳播路由類協(xié)議、基于 Cluster的協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心的路由算法。 路由協(xié)議 在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān) 著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選取任務(wù)，即 要 在 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)中 明確數(shù)據(jù) 傳輸 時(shí)通過 的具體路徑。 不同于 一般 的 有線網(wǎng)絡(luò) ， 在 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中因?yàn)椴淮嬖?實(shí)際的物理骨干網(wǎng)絡(luò) ， 其 網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)?結(jié)構(gòu) 具有自組織性 ， 而且它的 動(dòng)態(tài)性 要 更強(qiáng)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks， WSNs)是一門 集 多學(xué)科高度交叉的前沿研究課題，它 將 傳感器、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)及通信、分布式信息處理等技術(shù) 集合 于一體。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究包 含 4 類基本實(shí)體對象：目標(biāo)、傳感節(jié)點(diǎn)、 匯聚 節(jié)點(diǎn)和感知現(xiàn)場。遠(yuǎn)程任 務(wù)管理和用戶與觀測節(jié)點(diǎn)之間的 交流 是借助 外部網(wǎng)絡(luò)，如 UAV、衛(wèi)星通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等。 部署 傳感器節(jié)點(diǎn)的 方式有 火箭彈 的 發(fā)射、人工 的 埋置計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 或 利用 飛行器 進(jìn)行 播 散 等 形式 匯聚節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備， 也可以是一個(gè) 擁有 足夠能 源 供給和更多內(nèi)存 存儲(chǔ)空間 與計(jì)算 性能 的增強(qiáng)型傳感器節(jié)點(diǎn) ， 它與其他節(jié)點(diǎn)相比 通信、處理和存儲(chǔ) 信息的 能 力 較強(qiáng) 。 作為日前 的研究熱點(diǎn) 是在 遠(yuǎn)程任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)上 進(jìn)行安裝監(jiān)控和具備調(diào)試功能的軟件，例如安裝 AVRORA 監(jiān)控軟件 。 目前已存在的各類傳感器節(jié)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)原理上是 類 似 的， 其不同表現(xiàn)在對于微處理器、協(xié)議和通信方式的選擇 。 物理層 [8]： 保證 了 數(shù)據(jù) 在 傳輸 時(shí)所用 介質(zhì)的規(guī)范， 在傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。 網(wǎng)絡(luò)層： 具有發(fā)現(xiàn)、維護(hù)和選擇路由的功能 ，融合數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)各傳感器節(jié)點(diǎn)間的相互通信，其通信過程以多跳方式 并 借助中間節(jié)點(diǎn) 將信息 傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。 應(yīng)用層：在應(yīng)用層上 各種應(yīng)用的開發(fā)和使用是根據(jù)節(jié)點(diǎn)微傳感和無線連接來實(shí)現(xiàn)的。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 應(yīng) 用 服 務(wù) 接 口時(shí) 間 同 步 節(jié) 點(diǎn) 定 位傳 輸 控 制路 由M A C聲 、 光 、 電 、 磁網(wǎng) 絡(luò) 管 理 接 口拓?fù)淇刂品?wù)質(zhì)量安全/移動(dòng)/能量網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng) 用 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù) 據(jù) 鏈 路 層物 理 層 圖 13 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的 關(guān)鍵 技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為目前 的一個(gè) 研究 熱點(diǎn) ， 它具有 的關(guān)鍵技術(shù)如下所示： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?[10] 目前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?的主要研究在于在滿足網(wǎng)絡(luò)有足夠的覆蓋范圍和連通性下，利用 功率 的 控制 性能 和選擇骨干網(wǎng)的節(jié)點(diǎn) 來 刪除傳感器節(jié)點(diǎn)間 那些沒有用 的鏈路，得到高效的網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ， 路由協(xié)議 不僅需要在網(wǎng)絡(luò) 中每 個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗 ，更要降低 這整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量消耗 ， 從而 延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期 ，達(dá)到其實(shí)現(xiàn)的目的 [12]。采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)能降低網(wǎng)絡(luò)中 冗余的數(shù)據(jù)從而降低能耗 。 論文內(nèi)容及安排 全文圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議展開，共分五章，具體安排如下： 第一章緒論，簡要地介紹了一下課題的 選題背景 和 研究 意義 ，并介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)內(nèi)容， 包括 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 、 協(xié)議棧 及 關(guān)鍵技術(shù) 。 第 五 章 仿真實(shí)驗(yàn)，通過 NS2仿真 進(jìn)行仿真驗(yàn)證， 并 通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果 對 LEACH和LEACHCH路由協(xié)議進(jìn)行對比分析 。 （ 2）基于局部拓?fù)湫畔? 由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，所以不能建立全局地址。 通常 情況下， 傳感器網(wǎng)絡(luò)包含多個(gè)數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流是從傳感器 的節(jié)點(diǎn)到少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)間的 信息， 根據(jù)其 對感知數(shù)據(jù)的需求以及數(shù)據(jù)通信 時(shí)所采用 模式的不同， 將 數(shù)據(jù)為中心 來 形成消息 的 路徑 轉(zhuǎn)發(fā)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集監(jiān)測對象的狀態(tài)信息（例如溫度、濕度等），然后通過無線網(wǎng)絡(luò)以多跳方式傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。我們要盡可能的降低節(jié)點(diǎn)自身的能耗，或者保證所有節(jié)點(diǎn)能耗速率能夠盡可能的協(xié)調(diào)一致，以延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。 （ 2） 數(shù)據(jù)傳輸特征 對于數(shù)據(jù)的采集和傳輸?shù)囊?，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)不同，所以設(shè)計(jì)的路由協(xié)議要有針對性，主要考慮這些因素：數(shù)據(jù)的傳輸方式、數(shù)據(jù)的融合技術(shù)和無線傳輸?shù)氖侄蔚确矫妗? 在無線傳感器中多個(gè)節(jié)點(diǎn)能產(chǎn)生數(shù)據(jù)，有時(shí)難免會(huì)有重復(fù)，這就造成了數(shù)據(jù)的冗余，為了克服這一缺陷，我們引進(jìn)了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，然而對于使用數(shù)據(jù)融合的時(shí)間地點(diǎn)也會(huì)對路由協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響，所以也要對其進(jìn)行考慮。 （ 1）當(dāng)某一設(shè)備想接受設(shè)備發(fā)出命令幀的路由請求時(shí)，這是路由發(fā)現(xiàn)過程開始啟動(dòng)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類 無限傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療應(yīng)用等方面。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過廣播的方式來及時(shí)更新信息。 （ 3）混合路由協(xié)議：它由上述兩種協(xié)議相互結(jié)合構(gòu)成。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)要想向較遠(yuǎn)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要借助中間節(jié)點(diǎn)來完成，但也因?yàn)檫@個(gè)原因，中間節(jié)點(diǎn)會(huì)因此而過度消耗能量。通常在一個(gè)簇內(nèi)，要進(jìn)行簇頭節(jié)點(diǎn)的選舉。 3．依據(jù)路由的發(fā)現(xiàn)過程 （ 1）以位置信息為中心的路由協(xié)議：它根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置，縮小范圍后， 直接向需計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 要的區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這樣能緩解中間節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)壽命。 從路由協(xié)議的分類和設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)所需要考慮的因素來看，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)出的 路由協(xié)議 既要滿足所應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)所需的功能，也要減少在網(wǎng)絡(luò)中的能量開銷，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能源有效性獲得整體提高 。平面路由協(xié)議 所具有 的優(yōu)點(diǎn)是： 結(jié)構(gòu) 簡單 、其 健壯性 較好 ；缺點(diǎn)是：可擴(kuò)展性較差。其傳輸?shù)倪^程是源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù) ，首先將數(shù)據(jù)分組傳送給它的鄰居節(jié)點(diǎn)，然后鄰居節(jié)點(diǎn)再將其發(fā)送給除了源節(jié)點(diǎn)以外的鄰居節(jié)點(diǎn)。 (2)出現(xiàn)信息冗余的現(xiàn)象，如圖 32 所示， 節(jié)點(diǎn) A 和 C 收到的信息有重疊的部分 r，再將信息發(fā)送到 B 時(shí)，信息出現(xiàn)了二次重復(fù)，形成了信息的疊加。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 BADC（ χ）（ χ）（ χ）（ χ） ABC(q，r)(r，s)qrs 圖 31 洪泛法的信息爆炸問題 圖 32 洪泛法的信息重疊問題 A BC SED1 （ χ ）2 （ χ ） （ χ ） 34 （ χ ） 圖 33 閑聊法協(xié)議過程 泛洪算法和閑聊算法是兩個(gè)經(jīng)典 并最為 簡單的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 ，是通信協(xié)議的基礎(chǔ) 。 SPIN 協(xié)議的工作過程如圖 34， 節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā) TATA 數(shù)據(jù)前，先廣播即對外發(fā)送 ADV 信息，一直重復(fù)此過程，直至有鄰居節(jié)點(diǎn)接受 ADV 信息 后并愿意接受其DATA 數(shù)據(jù)包 ， 然后向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送 REQ 數(shù)據(jù)包，隨后節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送 DATA 數(shù)據(jù)包，類似傳輸，使 DATA 數(shù)據(jù)包被傳送至遠(yuǎn)方匯聚節(jié)點(diǎn)或基站。 SPIN 協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)主要有三方面： (1)傳輸元數(shù)據(jù)的耗能少； (2)對于其他節(jié)點(diǎn)已存在的數(shù)據(jù)，不重復(fù)發(fā)送，減少了能耗； (3)不保存鄰居節(jié)點(diǎn)的 數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。興趣在網(wǎng)絡(luò)中 邊 擴(kuò)散 邊沿途 建立遍布全網(wǎng)的梯度值 ， 采集到和興趣匹配的數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過興趣擴(kuò)散階段建立的梯度路徑將采 集到的興趣數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn) （ sink） 。它是一種表驅(qū)動(dòng) (tabledriven)、多路徑的路由選擇算法，從而滿足網(wǎng)絡(luò)低功耗 和魯棒性的要求。 仿真結(jié)果顯示 [23]，與只考慮路徑能耗的最小能量度量協(xié)議相比， SAR 的優(yōu)點(diǎn)是能量消耗的更少。 層次 路由協(xié)議 通過將網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成層次，簇頭節(jié)點(diǎn)接收簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)融合后發(fā)送到基站節(jié)點(diǎn)，因此能有效的降低能耗，減少通信量。 簇 建立階段， LEACH 通過等概率地隨機(jī)循環(huán)選擇簇頭，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平衡到每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到降低能耗的效果。 TEEN 協(xié)議 TEEN[26]為反應(yīng)式路由協(xié)議 ， 對實(shí)時(shí)性事件快速做出反應(yīng) 。當(dāng) 傳感器 節(jié)點(diǎn) 初 次檢測 出 數(shù)據(jù) 并達(dá)到 硬閾值 時(shí)，立即打開收發(fā)器 對 數(shù)據(jù) 進(jìn)行 傳送， 與此同時(shí) 將 獲得的 檢測值 保存在 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部變量 SV 中 。因?yàn)樵O(shè)置了 2 個(gè)閥計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 門值，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)不能即時(shí)和基站節(jié)點(diǎn)通信 ，用戶也就完全得不到網(wǎng)絡(luò)的任何數(shù)據(jù)。不過在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能問題將是首要考慮的問題 ， 也是研究的重中之重。 LEACH 屬于 分層路由協(xié)議 ， 節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)大量的路由信息，在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的均衡性； LEACH 中 簇頭的選擇是隨機(jī)的，合理的分擔(dān)了通信能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間； LEACH 是分布式的路由協(xié)議，具有很好的自適應(yīng)性和擴(kuò)展性。也就是通過節(jié)點(diǎn)能量模型。如果 dod? ，則節(jié)點(diǎn)的能耗和距離的平方成正比；如果 dod? ，則節(jié)點(diǎn)的能耗和距離的四次方成正比。),()()(42ifdEkEk difdEkEkdkEkEkE mpe l c fse l cam pe l ctr () 由公式 ()可知節(jié)點(diǎn)的能耗與距離的平方和四次方成正比，所以節(jié)點(diǎn)通信的時(shí)候，將通信的距離限制到 do以內(nèi)，可以降低能耗 ，其中 fsE 代表有效接收功率， mpE 代表發(fā)射增益， d代表傳輸距離， do代表傳輸?shù)拈T限值 。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，網(wǎng)絡(luò)的平均距離增大，由節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型可以，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包消耗的能量最大。 LEACH 協(xié)議的算法體系結(jié)構(gòu) LEACH路由協(xié)議通過特定的簇首選舉算法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)地劃分為若干個(gè)獨(dú)立的簇單元。簇建立階段指的是簇的初始化階段 ， 而穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段是指當(dāng)分簇完成后 ，各節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至其簇首節(jié)點(diǎn) ， 由簇首將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站的工作階段。 在簇建立階段 ， 首先 ， 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè) 0到 1之間的數(shù) ， 如果該隨機(jī)數(shù)小于所設(shè)定的閾值 T(n)， 則該節(jié)點(diǎn)就當(dāng)選為本輪的簇首節(jié)點(diǎn) ， T(n)計(jì)算公式如下 : () 其中 ： p表示