【正文】 LEACHCH 協(xié)議的 介紹 ......................................................................................... 24 LEACHCH 協(xié)議 的 設(shè)計(jì) ......................................................................................... 26 第 5 章 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 ................................................................................................... 27 仿真平臺(tái)的介紹 .............................................................................................................. 28 仿真過程與結(jié)果分析 ...................................................................................................... 28 第 6 章 工作總結(jié)和展望 ........................................................................................................... 33 致謝 ............................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) III 前言 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks, WSNs)由大量廉價(jià)的微型 的 傳感器組成，以 無線通信方式自組織 形成的一個(gè) 的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其 作用 是 將 網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息 進(jìn)行 協(xié)作的感知、 收 集和處理 ， 并 將信息傳 送給接收者。無線傳感網(wǎng)絡(luò)同其它的通信技術(shù)相比具有巨大的潛力，其中美國(guó)商業(yè)周刊和 MIT 技術(shù)評(píng)論在未來技術(shù)發(fā)展的預(yù)測(cè)報(bào)告中，將其列為 21 世紀(jì)最有影響的 21 項(xiàng)技術(shù)和改變世界的十大技術(shù)。在需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境中布置傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)地對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理，通過無線傳輸方式發(fā)送出去，利用互聯(lián)網(wǎng)傳達(dá)給用戶。因?yàn)閷?duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集具有實(shí)時(shí)性，呈現(xiàn)出了真實(shí)的物質(zhì)世界，所以為我們的應(yīng)用和研究帶來了極大地便利。可以預(yù)計(jì)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用是一種必然趨勢(shì)，是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，將給人類的生產(chǎn)和生活帶來深遠(yuǎn)的影響。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于各 節(jié)點(diǎn) 自身能量 資源 的 有限， 而其 數(shù)據(jù)包的 輸送 需要 以 多跳 的 通信 形式送 達(dá)目的地 ， 由此可見，路由協(xié)議不但要注意每 個(gè)節(jié)點(diǎn) 在網(wǎng)絡(luò)中 的 耗能問題 ， 而且還要注重 整個(gè)網(wǎng) 絡(luò) 能量的均衡消耗 問題 ，這樣才能延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存 周 期 。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(dāng)今信息 研究 領(lǐng)域 的一個(gè) 新熱點(diǎn)， 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(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自組織網(wǎng)絡(luò)，但其 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 的 能量、計(jì)算和通信能力都比較有限。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備了 快速部署、自組織 以及 高容錯(cuò)性的特征 ，在軍事應(yīng)用、 醫(yī)療健康、環(huán)境科學(xué) 、 智能家居 等上 都 發(fā)揮著 重要的作用 ，從而 得到了世界 很多 國(guó)家 在 軍界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，成為一個(gè)公認(rèn)的新興前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。 它是多學(xué)科領(lǐng)域高度交叉的結(jié)果。 UCBerkeley（加州大學(xué)伯克利分校）提出了 利用 網(wǎng)絡(luò)連通性重構(gòu)傳感器位置的方法，并在其基礎(chǔ)上研發(fā)了傳感器操作系統(tǒng) — TinyOS[1]。 無線傳感器網(wǎng) 絡(luò) 的 最大的特點(diǎn)是 傳感器 節(jié)點(diǎn) 的 能量 十分 有限并且不可補(bǔ)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 。 路由協(xié)議 是當(dāng)今 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一 ， 在 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中， 數(shù)據(jù) 的 傳輸與 路由協(xié)議 緊密 相關(guān) 。路由算法的性能對(duì) 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò) 整體的 生 命周期 長(zhǎng)短、對(duì) 是 否 能 及時(shí) 準(zhǔn)確無誤的將 觀察者 需要的數(shù)據(jù) 傳輸?shù)?、對(duì) 是 否 能給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供 支持?jǐn)U展 的 大量節(jié)點(diǎn) 間的 協(xié)同工作等等都 有 重要 的 影響。 所以我們需要對(duì) 路由協(xié)議 進(jìn)行不斷改進(jìn) ， 優(yōu)化后的路由協(xié)議， 使 得 社會(huì)生產(chǎn)力 得到 進(jìn)一步 的 提高，使得 人們的 社會(huì)生計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 活 更加便捷 ， 使得 人民的生活質(zhì)量 也得到不斷的提高 。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(jì) 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(dú)立功能 。如果 將其 應(yīng)用在環(huán)境檢測(cè)方面，利用 具有 生物化學(xué) 特性的 傳感器網(wǎng)絡(luò) 就 可以解決對(duì)河道的水文 水質(zhì) 的 情況、水災(zāi)預(yù)警 的 檢測(cè)、野生動(dòng)植物棲息地生態(tài)環(huán)境 的 檢測(cè) 以及 森林火情 的監(jiān)控 ；如果 將其 應(yīng)用在 軍事領(lǐng)域， 使用 具有 聲音和壓力等 特性的 傳感器就 可以探測(cè)出 敵軍的動(dòng)向，人員以及車輛行動(dòng) 等各方面 信息，從而可以 獲得 最新的軍情， 還 可以對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)督和 對(duì) 戰(zhàn)場(chǎng) 做出 損失 的 評(píng)估等；如果 將其 應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 方面，我們可以 利用無線傳感器實(shí)施對(duì) 病人和老人的身體情況 的 監(jiān)控 ，例如可以通過檢測(cè)獲得 病人和老人的脈搏、血糖、血壓等數(shù)據(jù)， 在 發(fā)現(xiàn)異常情 況 時(shí)，醫(yī)生 對(duì)患者 也 可以進(jìn)行 及時(shí) 的 搶救。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks， WSNs)是由 眾多 部署在 監(jiān)測(cè) 區(qū)域內(nèi)的靜止或移動(dòng)的廉價(jià) 的 傳感器節(jié)點(diǎn)通過多跳自組織的方式形成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 微型傳感器體積小似灰塵可以在空氣中浮動(dòng)，質(zhì)量輕，又可以稱為“智能塵埃（ Smart Dust）”。 如圖 11 所示， 描述這 整個(gè)系統(tǒng)還需 對(duì) 外部網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元和用戶進(jìn)行定義 。 傳感器節(jié)點(diǎn) 將 檢測(cè) 到 的目標(biāo)信息要 經(jīng) 過 本地簡(jiǎn)單 的 處理 后 ，然后 借助相近的傳感器節(jié)點(diǎn) 通過 多跳 的形式將信息傳送給 觀測(cè)節(jié)點(diǎn)。 匯聚 節(jié)點(diǎn)（ sink 節(jié)點(diǎn)）發(fā)出控制 和查詢請(qǐng)求 的 指令 給網(wǎng)絡(luò)，并接收 從 傳感器節(jié)點(diǎn) 那獲取 的目標(biāo) 消息 。根據(jù)應(yīng)用 的 需求，還能提供 的功能有定位、能源的供應(yīng)和 移動(dòng)等 。傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)通過匯聚節(jié)點(diǎn)相連接，遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)。 通常情況下， 遠(yuǎn)程任務(wù)管理節(jié)點(diǎn) 可以 是一臺(tái) PC 機(jī)或作 為具有 強(qiáng)大 功能 的嵌入式處理設(shè)備，職能是處理 并 判斷來自匯聚節(jié)點(diǎn)傳送過來的數(shù)據(jù)信息， 與此同時(shí)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出 控制信號(hào)。 感 知 現(xiàn) 場(chǎng)傳 感 器 節(jié) 點(diǎn)s i n k 節(jié) 點(diǎn)（ 匯 聚 節(jié) 點(diǎn) ）BCE簇簇 首 節(jié) 點(diǎn)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(yuǎn) 程 任 務(wù) 管 理 用 戶數(shù) 據(jù) 傳 輸 或 信 令 交 換目 標(biāo) 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(diǎn)結(jié)構(gòu) 如圖 12 所示， 傳感器節(jié)點(diǎn) 的組成部分 一般包含著幾個(gè)方面 ： 傳感器 單元 、處理器 單元 、無線 收發(fā)單元和電源單元。 將 所有這些單元組裝 后形成的模塊甚至可以比 一個(gè)火柴盒 更計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 小 ， 組合形成的 各模塊相互 之間一起協(xié)同 完成 同 一項(xiàng)的任 務(wù) 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署， 這些結(jié)點(diǎn) 可以 自組成網(wǎng) 絡(luò) ， 把在 戰(zhàn)場(chǎng) 上獲得的 信息 進(jìn)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 。如圖 13 所示， 不同層次在網(wǎng)絡(luò)中具有不同的作用 。 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(fù) 責(zé)其他一些管理工作 。介質(zhì)訪問的選擇會(huì)影響 通信時(shí)一對(duì)一或一對(duì)多 的準(zhǔn)確連接 ， 幀差錯(cuò)傳輸控制 可以確保傳輸?shù)男畔⒌竭_(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的可靠 性。 設(shè)計(jì)的時(shí)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(diǎn) 間的協(xié)同工作 時(shí)是有效的等問題。 設(shè)計(jì)時(shí)受到無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量、處理能力和硬件的影響。但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層還有相當(dāng)一部分還未實(shí)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 。其中，時(shí)間同步 提供 同步 本地時(shí)鐘的服務(wù)， 主要是 為 保證傳感器 節(jié)點(diǎn)間 的 協(xié)同工作；節(jié)點(diǎn)定位服 務(wù) 是 在系統(tǒng)中建立起一定的空間關(guān)系 ，根據(jù) 有限的 并 位置已 知 得 節(jié)點(diǎn) ， 來 得到 其他節(jié)點(diǎn) 相對(duì)應(yīng) 的位置 [9]。通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?，增?qiáng)了節(jié)點(diǎn)間的可連通性， 使得 能量 的 利用率和網(wǎng)絡(luò) 存儲(chǔ) 空間 的 容量等 得到提高 。 與此 同時(shí) ， 傳感器 網(wǎng)絡(luò)的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 不是靜止存在，而是在 動(dòng)態(tài)變化 ， 所以 網(wǎng)絡(luò)資源也在 跟隨其 不斷變化 ， 這些 使得 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 需要不斷完善 。 與此 同時(shí) ，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的傳輸 是以數(shù)據(jù)為中心 進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)變化，所以要為其設(shè)計(jì)專用的路由協(xié)議。 數(shù)據(jù)融合 [13] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)通常是基于一個(gè)固定的時(shí)間間隔 來收集 和傳輸數(shù)據(jù) 的 ， 而通過這些節(jié)點(diǎn)傳輸 的數(shù)據(jù) 往往 具有語義相關(guān)性。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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]。 相對(duì)于 系統(tǒng)具有 復(fù)雜度低、定位精度高等優(yōu)點(diǎn) ， 適用在 WSNs 中。 第二章 詳細(xì)介紹了 無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 的 概念、設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)所需要考慮的因素、路由的過程及路由協(xié)議的分類。 第 四 章 說明研究對(duì)象，講清選擇理由，介紹所選擇的 LEACH路由協(xié)議的算法體系結(jié)構(gòu)，針對(duì) LEACH路由協(xié)議存在 隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)的分布不均勻，且簇的大小不均勻的缺點(diǎn)，提出了 LEACHCH協(xié)議 ，并介紹其采用的模擬退火算法 。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jì)是一個(gè)核心內(nèi)容，路由協(xié)議主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸，將其從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，有以下兩個(gè)方面的功能：一是在傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)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)。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由于能量有限且有時(shí) 能量不能得到補(bǔ)充，所以在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)，要盡量降低節(jié)點(diǎn)能量消耗使能量得到高效利用，從而最大限度地延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期。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(diǎn) 在 計(jì)算 的 能力和 對(duì)信息 資源 的 存儲(chǔ) 方面都很有限，這 使得節(jié)點(diǎn)只能獲取 到 局部 的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息， 對(duì)于 計(jì)算 較為 復(fù)雜的路由 也有很大的局限性 。 （ 3）以數(shù)據(jù)為中心 與全 局統(tǒng)一的地址 用來區(qū)分利用 節(jié)點(diǎn) 來 標(biāo)識(shí)和 進(jìn)行 路由依據(jù)的傳統(tǒng) 的 無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 的 不同， 在 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)中， 節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)部署在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，而這些節(jié)點(diǎn)通常只關(guān)心 在 監(jiān)測(cè) 的 區(qū)域 內(nèi) 的整體感知數(shù)據(jù)，并不關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)獲 得到 的數(shù)據(jù)，因而對(duì)于整個(gè) 網(wǎng) 絡(luò) 唯一的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí) 沒有任何的依賴 。 （ 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(qiáng)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(jì)出一個(gè)通用的路由機(jī)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 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)，是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。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(diǎn)的過程，主要包括兩個(gè)方面的基本功能：一是尋找傳感器節(jié)點(diǎn)到計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 匯 聚節(jié)點(diǎn)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)。 能量的損耗既是傳感器網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)問題，也是路由協(xié)議的核心問題。在節(jié)點(diǎn)的部署方面，我們既可以采取人工方式 ，也可以采取隨機(jī)散落的方式將節(jié)點(diǎn)播撒于監(jiān)測(cè)區(qū)域中。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)和由于節(jié)點(diǎn)能量耗盡或其他突發(fā)情況而失效這兩種情況是使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)浒l(fā)生變化的可能因素，所以設(shè)計(jì)出的路由協(xié)議要考慮這些因素，使網(wǎng)絡(luò)能夠更好的適應(yīng)拓?fù)涞淖兓? 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞椒譃?：時(shí)間驅(qū)動(dòng)、查詢驅(qū)動(dòng)和時(shí)間驅(qū)動(dòng)。而查詢驅(qū)動(dòng)和時(shí)間驅(qū)動(dòng)就較為不同，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的變化或外界的需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是不固定的，在某些特殊的場(chǎng)合對(duì)響應(yīng)的時(shí)間有要求。 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? 路由的過程 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由的過程有以下 4 個(gè)步驟。 （ 2）對(duì)應(yīng)的接受設(shè)備收到這一設(shè)備發(fā)出的請(qǐng)求后，向這一設(shè)備發(fā)回應(yīng)答命