【正文】 簇頭選舉引發(fā)的通信量耗費了能量。Rumor Routing可以看做是DD的改進版本，它的優(yōu)點是避免了大量擴散過程，顯著地節(jié)省了能量；但是如果網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變動的話，性能將會大幅的下降，因此它只適合于數(shù)據(jù)傳輸量較小的情況。但是，SPIN的數(shù)據(jù)廣播機制并不能保證數(shù)據(jù)的可靠傳送，當(dāng)產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)的節(jié)點的所有鄰節(jié)點都不需要該數(shù)據(jù)時，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，以至較遠節(jié)點無法得到數(shù)據(jù)。3層體系結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議具有很好的節(jié)能性能、較高的吞吐量和較低的通信延遲，但健壯性不好。但在形成多層分簇類的過程中會額外消耗一些能源，而且，網(wǎng)絡(luò)需要形成多少層，按照什么策略形成層次等都是值得繼續(xù)探討的課題。Estrin等提出了一種2層的分簇算法。LEACH協(xié)議的明顯優(yōu)點在于隨機選擇簇頭，平均分擔(dān)路由業(yè)務(wù)，減小了能耗。節(jié)點當(dāng)選簇頭后，發(fā)布廣播告知其他節(jié)點自己是新簇頭，其他節(jié)點根據(jù)自己的簇頭之間的距離來選擇加入哪個簇，同時告知該簇頭節(jié)點。節(jié)點從0~1的隨機數(shù)中任意選擇一個數(shù)值，若當(dāng)前輪中這個數(shù)值小于設(shè)定的閾值T(n)，則該節(jié)點稱為簇頭節(jié)點。在簇形成階段，隨機選擇一個節(jié)點做為簇頭。（1）LEACH協(xié)議LEACH（LOWEnergy Adaptive Clustering Hierarchy）[3941]是MIT的Chandrakasan等為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的低功耗自適應(yīng)聚類路由算法，是一個以最小化傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損耗為目的的典型的分層次的路由協(xié)議。節(jié)點還通過反向壓力路由變更機制避開延遲太大的鏈路和路由空洞。網(wǎng)絡(luò)中的一個區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一些需要向遠方基站報告的事件而進行的通信稱之為unicast；基站向網(wǎng)絡(luò)中的某個區(qū)域所有節(jié)點發(fā)出詢問命令的通信稱為areamulticast；基站向網(wǎng)絡(luò)中的某個區(qū)域任一節(jié)點發(fā)出詢問命令的通信稱之為areaanycast。目前提出的可靠路由協(xié)議主要從兩個方面考慮：一是利用節(jié)點的冗余性提供多條路徑以保證通信的可靠性；二是建立對傳輸可靠性的估計機制，從而保證每跳傳輸?shù)目煽啃?。?dāng)2條傳輸路徑交叉在一起時，就形成1條時間區(qū)域到匯聚節(jié)點的完整路徑。每個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都維護1個鄰居列表和1個事件列表，記錄事件名稱、到事件區(qū)域的跳數(shù)以及到時間區(qū)域的下一跳鄰居節(jié)點等信息。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸量較少或者已知事件區(qū)域時，如果采用定向擴散路由機制，則需要經(jīng)過查詢消息的泛洪傳播和路徑增強機制才能確定一條優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸路徑。匹配數(shù)據(jù)可以沿“梯度”最大的方向中繼回Sink節(jié)點，整個協(xié)議的工作過程由查詢擴散，初始梯度建立和數(shù)據(jù)傳送三個階段構(gòu)成。Sink節(jié)點發(fā)出的查詢業(yè)務(wù)也用屬性的組合表示，逐級擴散，最終遍歷全網(wǎng)，找到所有匹配的原始數(shù)據(jù)。DATA為傳感器采集的數(shù)據(jù)包。SPIN協(xié)議的目的是通過節(jié)點之間的協(xié)商，解決Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議的內(nèi)爆和重疊現(xiàn)象。ECBDDSDataDataDataData 以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議是基于查詢和對目標(biāo)數(shù)據(jù)的命名之上的，通過數(shù)據(jù)聚合減少重復(fù)的數(shù)據(jù)傳送。它傳播信息的途徑是通過隨機的選擇一個鄰居節(jié)點，而不是用廣播。泛洪路由不進行維護網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拖嚓P(guān)路由計算，只負(fù)責(zé)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因此效率不高。相對于傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)而言，傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)研究的重點放在無線通信的服務(wù)質(zhì)量（QoS）上，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是隨機分布，電池供電，因此目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究重點是如何提高能量效率上，當(dāng)前流行的幾個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可簡單分為以下幾個類別。（3）魯棒性。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不優(yōu)化的路由不僅能消耗更多節(jié)點的能量，而且使某些節(jié)點過早失效，從而會把網(wǎng)絡(luò)分割成多個孤立的部分。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境千差萬別，沒有一個路由機制適合所有的應(yīng)用，設(shè)計者需要針對每一個具體應(yīng)用的需求，設(shè)計與之適應(yīng)的特定路由機制。第三，以數(shù)據(jù)為中心。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量有限，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期成為傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的重要目標(biāo)，因此需要考慮節(jié)點的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問題。另外，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強的應(yīng)用相關(guān)性，所以不同應(yīng)用中的路由協(xié)議可能差別很大，沒有一個通用的路由協(xié)議。 幾種主要的MAC層協(xié)議主要優(yōu)缺點比較MAC協(xié)議類型優(yōu)點缺點適 用 場 景SMACS/EAR固定分配類無需全局范圍內(nèi)的時間同步，避免沖突，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，并可實現(xiàn)移動節(jié)點和固定節(jié)點間的通信節(jié)點復(fù)雜性高，成本較高，不易實現(xiàn)，適用范圍也有一定的局限性適用于子網(wǎng)較少或者移動節(jié)點較少，且移動節(jié)點周圍靜止節(jié)點較多的網(wǎng)絡(luò)TDMFDM固定分配類有效地避免了沖突業(yè)務(wù)量較小時信道利用率較低適用于業(yè)務(wù)量較大的應(yīng)用場景DEANA固定分配類部分解決接收不必要數(shù)據(jù)的過度監(jiān)聽問題可擴展性差，不能很好地支持節(jié)點移動，對同步要求高適用于規(guī)模較小，且節(jié)點靜止的應(yīng)用場景TRAMA固定分配類具有較高吞吐率及較好的節(jié)能效果時延較大適用于對延時要求不高的應(yīng)用場景SMAC基于競爭類避免了沖突造成的能量浪費不易實現(xiàn)適用于拓?fù)渥兓l繁的網(wǎng)絡(luò)TMAC基于競爭類減少了空閑偵聽功耗不易實現(xiàn)適用于可變負(fù)載的場景MD基于競爭類整個網(wǎng)絡(luò)保持低功耗、低成本時延、能耗較大適用于大規(guī)模、節(jié)點低占空比運行且不需要高精度時鐘的應(yīng)用場景總的來說，基于固定分配類協(xié)議提供了可公平使用的信道，并且如果配備一個適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法，也可以很好地避免沖突。（3）MD對于很多應(yīng)用，運行能耗遠大于待機能耗，故Edgar H. Callaway提出通過減少占空比來獲得低能耗和高電池壽命的MD（Mediation Device）協(xié)議。這樣，在負(fù)載較小的情況下，節(jié)點將在空閑偵聽上耗費更多的時間。SMAC協(xié)議假設(shè)通常情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量少，節(jié)點協(xié)作完成共同的任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能夠容忍一定程度的通信延遲。基于競爭類的MAC協(xié)議一般使用廣播式信道，連接到這條信道上的節(jié)點都可以向信道發(fā)送廣播信息。TRAMA協(xié)議包括鄰居協(xié)議（NP，Neighbor Protocol）、調(diào)度交換協(xié)議（SEP，Schedule Exchange Protocol）和自適應(yīng)時隙選擇算法（AEA，Adaptive Election Algorithm）。如果節(jié)點在其發(fā)送時隙內(nèi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則在時隙的控制部分發(fā)出控制消息，指出接收數(shù)據(jù)的節(jié)點ID，然后在時隙的數(shù)據(jù)部分發(fā)送出數(shù)據(jù)。由于預(yù)先定義的信道和時隙分配方案限制了對空閑時隙的有效利用，使得當(dāng)業(yè)務(wù)量較小時信道利用率較低。雖然各子網(wǎng)內(nèi)鄰節(jié)點通信需要時間同步，但全網(wǎng)并不需要同步。（1）SMACS/EAR協(xié)議SMACS/EAR（SelfOrganizing Medium Access Control for Sensor Networks/Eavesdrop And Register）協(xié)議是結(jié)合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的MAC協(xié)議。為了使節(jié)點在無線睡眠時不錯過發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，或減少空閑偵聽，鄰居節(jié)點間必須協(xié)調(diào)偵聽和睡眠的周期，保證同時睡眠或喚醒。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點往往是通過多節(jié)點之間的協(xié)作來完成某些應(yīng)用任務(wù)，為保證節(jié)點能耗均衡，從而使網(wǎng)絡(luò)獲得最大的生存周期，公平性也是需要考慮的問題。第三章針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定向擴散路由協(xié)議進行研究，并在原有算法的基礎(chǔ)之上使用遞歸迭代進行改進，同時研究了原算法和改進算法的工作周期機制和能耗比對。 本文在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及各種路由協(xié)議學(xué)習(xí)和研究的基礎(chǔ)之上，對其中一種分級路由算法定向擴散路由協(xié)議進行研究并改進，將改進前后的算法進行性能上的仿真比較，看改進后的算法是否達到了降低傳感器節(jié)點的功耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。目前，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層，而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸離不開路由協(xié)議。如今美國國防部遠景計劃研究局已投入幾千萬美元，幫助大學(xué)進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)。（5）數(shù)據(jù)融合：數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個協(xié)議層進行結(jié)合。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，目前研究的重點是網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。（3）拓?fù)渖勺訉樱和負(fù)淇刂评梦锢韺?、鏈路層或路由層完成拓?fù)渖?，反過來又為它們提供信息支持，優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(xié)議的協(xié)議過程，提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的整體效率，減少網(wǎng)絡(luò)能力消耗。除了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧相對應(yīng)的5層協(xié)議外，協(xié)議棧還包括如下特殊子層。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源嚴(yán)格受限，沒有全局統(tǒng)一的邏輯地址，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁發(fā)生變化，所以要求路由協(xié)議必須盡量簡單且能夠在網(wǎng)絡(luò)整體上達到節(jié)能，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。MAC協(xié)議負(fù)責(zé)在競爭的用戶中分配信道資源。目前游泳的無限傳感器網(wǎng)絡(luò)大部分是基于無線電通信的，在個別應(yīng)用中也使用紅外線和聲波等方式。(7) 節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)拓?fù)淇芍貥?gòu)和自調(diào)整性。 (4)傳感器數(shù)量大、分布范圍廣。電源能量約束是阻礙傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嚴(yán)重問題。(1)通信能力有限。環(huán)境干擾和節(jié)點故障容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。 CC1000的模塊結(jié)構(gòu)圖（4）能量供應(yīng)模塊：能量供應(yīng)模塊作為整個無線傳感器節(jié)點的基礎(chǔ)模塊，是節(jié)點正常順利工作的保證。此外，TI公司的MSP430超低功耗處理器、Motorola公司和Renesas公司的處理器以及作為32位嵌入式處理器的ARM單片機，都在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面得到了廣泛應(yīng)用。因此，對于溫度、濕度、光度、聲音等不同的信號量，需要設(shè)計相應(yīng)的檢測與傳感器電路，同時，需要預(yù)留相應(yīng)的擴展接口，以便于擴展傳感器等更多的物理信號量。每個節(jié)點上運行的程序可以是完全相同的，唯一不同的是其ID。 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以Ad hoc方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者[5]傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖11所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（Sensor Node）、匯聚節(jié)點（Sink Node）和管理節(jié)點[6]。隨著傳感器技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過傳感控制器相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。在實際應(yīng)用中，很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采集范圍大、采集點眾多、布線困難等特點，傳統(tǒng)的傳感器通過總線方式組網(wǎng)，很難滿足各種應(yīng)用要求。(4)在MATLAB仿真平臺上，對原定向擴散協(xié)議與EADR能量感知擴散協(xié)議進行仿真比較。本文主要對無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進行了研究，主要工作包括以下幾個方面： (1)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的要求，對經(jīng)典的路由協(xié)議進行分析比對分析。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)快捷、靈活，且不受有線網(wǎng)絡(luò)約束的優(yōu)點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以被廣泛的應(yīng)用于軍事，商業(yè)，醫(yī)療救護，環(huán)境監(jiān)測等多方面，具有廣泛的應(yīng)用前景。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解 蘭州交通大學(xué) 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 碩 士 學(xué) 位 論 文無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量最優(yōu)路由協(xié)議研究與仿真The Research and Simulation of Energy Optimal Routing Protocol for Wireless Sensor Network蘭 州 交 通 大 學(xué)Lanzhou Jiaotong University蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理、傳輸技術(shù)，通常包含大量的自組織成多跳無線網(wǎng)絡(luò)的分布式傳感節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的首要目標(biāo)是有效節(jié)約能源，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。 在EADR算法中，節(jié)點的興趣是有規(guī)律的擴散，并采用遞歸方式進行梯度建立和路徑加強。目前，信息傳輸與處理技術(shù)已取得突破性進展，隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展和工藝的日益成熟，傳感器也朝著集成化、微型化、智能化的方向發(fā)展。 最早的傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在上世紀(jì)七十年代，將傳統(tǒng)傳感器采用對點傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，我們稱之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，已分別將無限傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項技術(shù)和改變世界的10項技術(shù)之一[34]。Internet/通信衛(wèi)星任務(wù)管理節(jié)點用戶傳感區(qū)域傳感器節(jié)點ABCDESink 一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署到研究區(qū)域中孕育收集和轉(zhuǎn)發(fā)信息、寫作完成指定任務(wù)的對象。對于不同的探測物理量，傳感器模塊將采用不同的信號