【正文】 然趨勢，是信息感知和采集的一場革命，將給人類的生產(chǎn)和生活帶來深遠的影響。 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 1 第 1章 緒 論 課題研究背景與意義 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks， WSNs) 是當今信息 研究 領(lǐng)域 的一個 新熱點， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 通常由大量密集的 微 傳感器 組 成， 是一種具有動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)的自組織網(wǎng)絡(luò)，但其 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 的 能量、計算和通信能力都比較有限。 它是多學(xué)科領(lǐng)域高度交叉的結(jié)果。 無線傳感器網(wǎng) 絡(luò) 的 最大的特點是 傳感器 節(jié)點 的 能量 十分 有限并且不可補充 ， 因此 ， 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 路由協(xié)議 起著 重要的 作用 。路由算法的性能對 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò) 整體的 生 命周期 長短、對 是 否 能 及時 準確無誤的將 觀察者 需要的數(shù)據(jù) 傳輸?shù)?、對 是 否 能給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供 支持擴展 的 大量節(jié)點 間的 協(xié)同工作等等都 有 重要 的 影響。因此 ，在 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中 不適 用 傳統(tǒng)的路由算法 ， 必須 設(shè)計 新的路由協(xié)議 來解決不同的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 其所需要的 的 獨立功能 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks， WSNs)是由 眾多 部署在 監(jiān)測 區(qū)域內(nèi)的靜止或移動的廉價 的 傳感器節(jié)點通過多跳自組織的方式形成的一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 如圖 11 所示， 描述這 整個系統(tǒng)還需 對 外部網(wǎng)絡(luò)、遠程任務(wù)管理單元和用戶進行定義 。 匯聚 節(jié)點（ sink 節(jié)點）發(fā)出控制 和查詢請求 的 指令 給網(wǎng)絡(luò)，并接收 從 傳感器節(jié)點 那獲取 的目標 消息 。傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)通過匯聚節(jié)點相連接，遠程任務(wù)管理與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信通過協(xié)議的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。 感 知 現(xiàn) 場傳 感 器 節(jié) 點s i n k 節(jié) 點（ 匯 聚 節(jié) 點 ）BCE簇簇 首 節(jié) 點簇DA外 部 網(wǎng) 絡(luò)（ U A V 、 衛(wèi) 星 通 信 網(wǎng) 、 互 聯(lián) 網(wǎng)等 ）遠 程 任 務(wù) 管 理 用 戶數(shù) 據(jù) 傳 輸 或 信 令 交 換目 標 圖 11 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu) 如圖 12 所示， 傳感器節(jié)點 的組成部分 一般包含著幾個方面 ： 傳感器 單元 、處理器 單元 、無線 收發(fā)單元和電源單元。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點隨機部署， 這些結(jié)點 可以 自組成網(wǎng) 絡(luò) ， 把在 戰(zhàn)場 上獲得的 信息 進行 收集、傳 送和相互 融合， 并將收集到的信息發(fā)送給終端用戶 。 介質(zhì)的類型可以是無線 電 、紅外和激光，它為數(shù)據(jù)終端設(shè)備提供通道并完成數(shù)據(jù)的輸送 并負 責(zé)其他一些管理工作 。 設(shè)計的時候要考慮是否易于與其他網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合 、 數(shù)據(jù) 傳輸過程中 的 能量是否被高效利用、是否以數(shù)據(jù)為中心、最好 選擇 基于屬性的尋址和 位置感知方式、數(shù)據(jù)聚集 是否只有在不阻礙無線傳感器節(jié)點 間的協(xié)同工作 時是有效的等問題。但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層還有相當一部分還未實現(xiàn)，例如 傳感器管理、任務(wù)分派與數(shù)據(jù)廣播、傳感器查詢 和 數(shù)據(jù)分發(fā)等 協(xié)議 。通過網(wǎng)絡(luò)拓撲控制，增強了節(jié)點間的可連通性， 使得 能量 的 利用率和網(wǎng)絡(luò) 存儲 空間 的 容量等 得到提高 。 與此 同時 ，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的傳輸 是以數(shù)據(jù)為中心 進行 的 ， 最能體現(xiàn)的就是 路由協(xié)議 的選擇，由于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)在動態(tài)變化，所以要為其設(shè)計專用的路由協(xié)議。 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 無線通信技術(shù) 傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低能耗 并且較短 距離的無線通信技術(shù) [14]。 第二章 詳細介紹了 無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 的 概念、設(shè)計路由協(xié)議時所需要考慮的因素、路由的過程及路由協(xié)議的分類。 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 第 2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 在無線傳感器自組織網(wǎng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計是一個核心內(nèi)容，路由協(xié)議主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸，將其從源節(jié)點發(fā)送到目的節(jié)點，有以下兩個方面的功能：一是在傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點間尋找優(yōu)化路徑；二是正確將數(shù)據(jù)包沿著優(yōu)化路徑轉(zhuǎn)發(fā)。為了節(jié)省通信能量，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常采用多跳的通信模式，并且節(jié)點 在 計算 的 能力和 對信息 資源 的 存儲 方面都很有限，這 使得節(jié)點只能獲取 到 局部 的 拓撲結(jié)構(gòu)信息， 對于 計算 較為 復(fù)雜的路由 也有很大的局限性 。 （ 4）應(yīng)用相關(guān) WSNs 應(yīng)用環(huán)境千差萬別，而傳感器網(wǎng)絡(luò)有較強的應(yīng)用相關(guān)性 ，不同應(yīng)用背景下的數(shù)據(jù)通信 的 模式 也 可能存在很大差別，因此不能設(shè)計出一個通用的路由機制，這 就體現(xiàn) 了 傳感器網(wǎng)絡(luò) 具備 應(yīng)用相關(guān)性的 特性 。路由協(xié)議就是將所需的狀態(tài)信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點的過程，主要包括兩個方面的基本功能：一是尋找傳感器節(jié)點到計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 匯 聚節(jié)點的優(yōu)化路徑；二是將狀態(tài)信息沿著優(yōu)化路徑轉(zhuǎn)發(fā)。在節(jié)點的部署方面，我們既可以采取人工方式 ，也可以采取隨機散落的方式將節(jié)點播撒于監(jiān)測區(qū)域中。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞椒譃?：時間驅(qū)動、查詢驅(qū)動和時間驅(qū)動。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是基于無線鏈路連接的，因此我們 需要慎重選擇無線傳輸?shù)氖侄巍? （ 2）對應(yīng)的接受設(shè)備收到這一設(shè)備發(fā)出的請求后，向這一設(shè)備發(fā)回應(yīng)答命令幀。針對不同的傳感器的特殊性，研究人員針對這個特殊性提出了不同的路由協(xié)議。但因此主動路由也存在缺點，建立的維護所需的開銷更大，所以對資源的要求更高。對于網(wǎng)絡(luò)拓撲變化不大并傳輸數(shù)據(jù)較頻繁的系統(tǒng)來說，適用主動路由協(xié)議；對于網(wǎng)絡(luò)拓撲變化較并不常用的系統(tǒng)來說，適用按需路由協(xié)議。這對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存是一個很大的問題。簇頭節(jié)點用來收集在簇內(nèi)的其他節(jié)點向其發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對其進行融合，再將其融合后的數(shù)據(jù)傳輸給 Sink 節(jié)點，與其進行通信。 （ 2）以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議：這種數(shù)據(jù)的傳輸基于數(shù)據(jù)查詢并依賴于數(shù)據(jù)命名，所以這種數(shù)據(jù)通信只能存在于局部范圍，由于它依賴的是數(shù)據(jù)而不是特定節(jié)點，因而減少了數(shù)據(jù)冗余，較少了能量開銷，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 第 3 章 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)數(shù) 據(jù) 的 采集方式 ， 將路由協(xié)議分 成 平面 和分層這兩種路由協(xié)議 。此外，由于平面路由協(xié)議 還 需要維持路由表，所有在規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)中會消耗節(jié)點大量的存儲空間，同時由于所發(fā)送的信息中 已 包含了路由信息， 因此將對 網(wǎng)絡(luò)中的通信 加重 負擔(dān)。 重復(fù)相同的步驟，直至將信息傳輸?shù)侥康墓?jié)點為止，或者直至廣播至所有節(jié)點為止，或者直至改數(shù)據(jù)的生命周期耗盡為零為止。 (3)造成了資源的盲目消耗，不利于資源的有效利用 。這兩個協(xié)議 由于 不需要維護路由信息， 所以沒有 相關(guān)的路由計算，簡單但 存在的缺陷太多，不利于廣泛推廣，需要在此基礎(chǔ)上不斷改進 。 SPIN 對泛洪協(xié)議做了兩方面的改進 [19 ]： (1)通過協(xié)商機制克服了 信息爆炸和信息重復(fù)問題 。 DD協(xié)議 DD[21] (Direct Diffusion)定向擴散路由協(xié)議是一種 基于查詢的路由 協(xié)議， 與 傳統(tǒng) 的路由協(xié)議 截然不同 。 運行 DD 的傳感器節(jié)點使用基于屬性的命名機制來描述數(shù)據(jù)。它的特點是確定路由樹時，同時將 QoS 度量、每條路徑上的可利用能量和每個數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級考慮在內(nèi)。該算法的缺點是不適用于大型網(wǎng)絡(luò)和拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)。 其 缺點是簇頭節(jié)點的可靠性和穩(wěn)定性對全網(wǎng)性能影響較大，信息的采集和處理也會大量的消耗簇頭的能量。 簇頭節(jié)點選舉完畢，簇頭節(jié)點開始廣播簇頭節(jié)點信息，非簇頭節(jié)點接收簇頭節(jié)點的信息并根據(jù)接收到的信號強度選擇加入簇。 TEEN 在選擇簇頭節(jié)點的時候 ，隨著簇首節(jié)點的選定， 節(jié)點在發(fā)送數(shù) 據(jù)的時候有 數(shù)據(jù)的硬閾值（ hard threshold，HT）和軟閾值（ soft threshold， ST） 作為參考 參數(shù)。 TEEN 協(xié)議的優(yōu)點： (1)通過設(shè)置 設(shè)置兩個閥門值能有效的降低數(shù)據(jù)傳送的次數(shù) ， 從而降低網(wǎng)絡(luò)的能耗 。 協(xié)議綜合比較 表 31 協(xié)議比較 協(xié) 議 類型 路由結(jié)構(gòu) 生存時間 節(jié)點定位 傳輸路徑 健壯性 擴展性 節(jié)能策略 移動性 安全機制 QoS 支持 Flooding 平面 短 否 多路徑 好 一般 否 較好 無 無 SPIN 平面 長 否 多路徑 不好 一般 是 好 無 無 DD 平面 長 否 單路徑 好 較好 是 一般 無 無 SAR 平面 長 否 多路徑 好 一般 是 一般 無 有 LEACH 層次 很長 否 單路徑 好 一般 是 簇頭固定 無 無 TEEN 層次 很長 否 單路徑 好 好 是 簇頭固定 無 無 從上表中得知， 各協(xié)議的特點并且 以上所有路由協(xié)議 都 在節(jié)能方面予以了考慮，這也突出了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能的重要性，在一個供給能量有限的 條件 下，節(jié)能對于 整個 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)存活 的 時間 起著至關(guān)重要的作用 。 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 16 第 4 章 層次路由 協(xié)議 的研究 和改進 研究方向 本文選擇 對 層次 路由協(xié)議進行研究的原因是，層次路由協(xié)議相 對于平面路由協(xié)議采用多層的分簇結(jié)構(gòu)，并且層次路由協(xié)議具有：把通信局限在簇內(nèi)，減少長距離無線通信；它可以采用數(shù)據(jù)融合機制，在簇頭把成員節(jié)點的數(shù)據(jù)進行融合和壓縮，來有效減少在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸數(shù)據(jù)量，以此減少網(wǎng)絡(luò)能耗，達到延長生命周期的目的；還具有很好的可擴展性。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點采取電池供電，且節(jié)點的電池難以更換。節(jié)點傳輸?shù)木嚯x和能量的關(guān)系。上面兩種模型分別為自由空間模型 (free space)和多路徑衰落模型 (multipath fading)。 傳感節(jié)點接收 kbits數(shù)據(jù)消耗的能量如公式 ()所示 [28]： 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17 elcrx EkkE ??)( () 由無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量模型可知 [29]，節(jié)點采集數(shù)據(jù)能量消耗為 senseE ，空閑時間能量消耗為 idleE ，睡眠時間能量消耗為 sleepE ，簇頭進行數(shù)據(jù)融合的能量消耗為 DAE 。在大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，全局廣播簇頭節(jié)點消耗的能量大量的能耗。簇首需要承擔(dān)接收、融合、轉(zhuǎn)發(fā)簇內(nèi)數(shù)據(jù)的任務(wù) ， 所以與普通節(jié)點相比 ，簇首的能耗更大。 簇 建立階段 LEACH路由算法中的簇首節(jié)點選舉至關(guān)重要 ， 雖然其產(chǎn)生帶有隨機性 ， 但必須滿足以下條件 ： 網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都不能重復(fù)擔(dān)任簇 首 ， 除非其余網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在過去的輪轉(zhuǎn)中均已擔(dān)任過簇首。 rmod(1/p)表示未當選過簇首的節(jié)點數(shù)目。簇 首節(jié)點接收來自普通節(jié)點的請求入簇消息 ，并且根據(jù)請求節(jié)點的數(shù)目創(chuàng)建 TDMA時隙表 ， 同時簇首還需要確立簇內(nèi)成員節(jié)點的CDMA (Code Division Multiple Access)編碼方式。節(jié)點持續(xù)獲取環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù) ， 并且在給定的 TDMA時隙內(nèi)完成向簇首節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù)。整個穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段的工作流程如圖 42所示。 (2) LEACH 采用基于 TDMA/CDMA的協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)包，通過該技術(shù)能有效的降低發(fā)生碰撞的次數(shù)。 LEACH 代碼分析 首先對 ，先對默認的腳本選項進行初始化： if {$id != $opt(nn_)} { 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 20 puts nonewline $id //important set node_($id) [new MobileNode/ResourceAwareNode] } else { puts ($opt(nn_) == BS) set node_($id) [new MobileNode/ResourceAwareNode $BS_NODE] } 如果不是簇頭節(jié)點則將 $opt(nn_)1個節(jié)點設(shè)置為一般節(jié)點，將 $opt(nn_)設(shè)置為 BS節(jié)點。 set high_e_nodes [list 97 19 12 87 8 22 83 55 34 72] if {[lsearch $high_e_nodes $id] == 1} { set E 2 } else { set E 200 } $node setenergy $E $opt(thresh_energy) set initf [open $opt(dirname)/ a] puts $initf $id\t$E close $initf 將不屬于 list中的能量初始化能量設(shè)置為 2，將屬于 list中的能量設(shè)置為 化能量寫到 ，將節(jié)點 id和節(jié)點初始能量寫進去。 接下來是配置節(jié)點信道和跟蹤文件： $ns_ at $node_($id) startapp ns在 0的時候啟動應(yīng)用，應(yīng)用在 分