无线传感器网络路由协议的研究毕业论文

1、无线传感器网络路由协议的研究无线传感器网络路由协议的研究 摘要 与应用高度相关的无线传感器网络具有与传统网络不同的特点，因此传 统路由协议不能有效地用于无线传感器网络。本文分析了无线传感器网络的 特点，着重研究了当前一些较为重要的路由协议的核心路由机制，并比较了 这些路由协议的类别、特点和主要应用范围，主要围绕其网络层协议中的能 量感知路由协议进行深入分析，重点研究能量路由原理、能量多路径路由原 理、基于树的能量有效路由协议以及新型集中式能量有效路由协议等，并通 过对几种路由协议的分析和研究得出了一些有用的结论。最后对无线传感器 网络未来的研究策略与发展趋势进行了展望。 关键词：无线传感器网络

2、 ,能量感知路由协议 ,路由机制 ,能量多路径路由 research on routing protocols in wireless sensor network abstract wireless sensor networks，being different from traditional networks and highly dependent on applications，cannot adopt traditional protocols efficiently in its application of network routingthis paper describes

3、 the routing protocol characteristics of wireless sensor networks and presents the classification of complicated routing protocols standards. after key mechanisms of the existing representative routing protocols are analyzed, the comparison of the classifications，characteristics and application of d

4、ifferent protocol are implementedin this paper, the energy sensor routing protocol of network layer protocol are mostly analyzed and studied, which includes energy routing theory, energy multiplex paths routing theory, tree-energy routing and a centrality-energy routing .by comparing several kinds o

5、f routing protocol, some essential conclusion are drown. finally，the important features of routing protocols possess are summarized and the future research strategies and trends are prospected. keywords： wireless sensor network , energy sensor routing protocol , energy multiplex paths routing theory

6、 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导 教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中 特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机 构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过 贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计 （论文）的规定，即：按照学校

7、要求提交毕业设计（论文）的印 刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电 子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、 数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学 校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：

8、年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 目目录录 目录.i 第一章 绪论.1 1.1 研究的背景.1 1.2 wsn 的发展历程.3 1.3 我国和世界其他国家的研究情况.4 1.4 本次探讨和研究的意义.7 1.5 本

9、文的内容安排.9 第二章 无线传感器网络概述.9 2.1传感器网络体系结构.9 2.1.1 传感器网络结构.9 2.1.2 传感器节点结构.10 2.2 传感器网络的特征.11 2.2.1 与现有无线网络的区别.11 2.2.2 传感器节点的限制.12 2.2.3 传感器网络的特点.13 2.3 传感器网络的关键技术.15 第三章 路由协议.17 3.1概述.17 3.2路由协议分类.19 3.3三种路由协议的简介.20 3.3.1 基于查询的路由.20 3.3.2 地理位置路由.22 3.3.3 可靠路由协议.23 3.4 能量感知路由.25 3.4.1 能量路由.25 3.4.2 能量多路

10、径路由.27 3.4.3 基于树的能量有效路由协议.30 3.4.4 一种新型集中式能量有效路由协议.31 第四章 路由算法的能量优化及分析方法.40 4.1 路由算法的能量模块改进.40 4.1.1 现有路由算法降低节点能耗方法.40 4.1.2 改进节点的能量模块.44 4.2 协议性能评价方法.47 4.2.1 网络仿真软件分析.48 4.2.2 网络仿真软件比较.51 4.3 deer 算法 .53 4.3.1 算法介绍.53 4.3.2 算法优点.53 4.3.3 能量消耗模型.54 4.3.4路由协议.55 4.3.5 能量消耗和时延约束.60 4.3.6 算法简要总结.62 第五

11、章 路径耗能最小的路由模拟.62 5.1 模拟构思.62 5.2 模拟过程.63 5.3 网络寻找最小耗能路径过程.64 5.4 用 c 语言实现以上过程结果.66 第六章 总结.67 6.1 本次工作总结.67 6.2 将来进一步研究的方向.68 参考文献.71 外文翻译.1 译文.1 原文.8 第一章绪论 随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，20 世纪 90 年代末在美国出现了现代意义的无线传感网络（wireless sensor network,wsn）技术。其后，该技术相继被一些重要机构预测为将改变世界 的重要新技术，相关研究工作在世界各主要发达国家轰轰烈烈的开

12、展起来。 1.1 研究的背景 近年来，微处理器和无线通信技术的不断进步产生了能够进行局部信息 处理和无线通信的分布式设备，这种体积小、价格低廉且低能耗的节点被称 作传感器节点。每个传感器节点仅能进行有限的信息处理，但是大量节点相 互协作就可以详细观测一个给定的物理环境。大量这样的传感器节点通过无 线通信技术自组织构成了无线传感器网络。无线媒介可以是红外设备或者无 线电等。与传统的网络不同，无线传感器网络是依靠密集的散布以及相互协 作来完成它们的任务。 无线传感器网络由大量无线传感器节点互连而成，是传感器向微型化、 智能化和无线通信化的延伸。根据传感器节点在使用中是否移动，可将无线 传感器网络分

13、为静态网络和动态网络，其中大多数是静态网络。在静态网络 中，传感器节点被随机地或按一定要求布置在监测区域内，并根据用户的要 求，可对温度、湿度、噪声、光强度、压力等环境参数进行测量，或者感知 物体的运动速度和方向等。在动态网络中，传感器节点一般被安置在可移动 的物体上，如车辆或被监测的动物，它将随物体的移动而移动。由于无线传 感器网络应用前景广阔，它己经成为国内外的研究热点。作为一项正在发展 中的技术，无线传感器网络还有许多技术问题需要解决。无线传感器网络应 能达到以下要求: 1.低能耗。低能耗的要求基于两种原因:一是由于传感器节点的体积小，因此 能量供给有限;二是由于传感器网络的工作环境往往

14、难以更新电池或因更新代 价大而不可操作。节点的能耗大小对无线传感器网络的生存时间具有重大影 响，是其核心优化目标之一。 2.可扩展。由于传感器节点可能非常多，因而要求其应用的各项技术能有效 用于大规模网络。 3. 自适应。能够适应环境、网络拓扑等动态变化以及网络的高冗余特性等。 4.简单。由于传感器节点的能力受限，因而现实可行的技术应简单有效。 针对无线传感器网络的诸多要求和特点，目前围绕这一领域的研究内容 很多.主要可分为节点层面和网络层面两大部分。在节点层面的研究内容主要 包括传感器技术、低功耗芯片技术、无线通信技术等，网络层面的研究内容 主要包括低能耗路由技术、低能耗mac协议、协同定位

15、技术、时钟同步技术、 数据融合技术等。 作为无线传感器网络通信层的核心技术，本课题着重研究低能耗路由技 术。传感器网络应达到的要求使它的路由协议设计面临着节能和提高扩展性 两个关键性问题。现有的路由协议都不能很好地解决这两个问题，因此有必 要针对传感器网络的特点和需求研究专门的协议。综上所述，传感器网络路 由技术的研究很有挑战性，是一个开放性的研究课题。 1.2 wsn 的发展历程 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。最早的代表性论述出现在 1999 年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会 议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003 年，美国

16、技术评论杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项 未来新兴技术。同年，美国商业周刊未来技术专版，论述四大新技术时， 无线传感器网络也列人其中。美国今日防务杂志更认为无线传感器网络 的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2004 年(ieee spectrum)杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络 的发展和可能的广泛应用。能够预计，无线传感器网络的发展和广泛应用， 将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。 无线传感器网络是从传感器网络开始的，传感器网络经历了如图 1-1 所 示的发展历程。第一代传感器网络出现在 20 世纪

17、70 年代。使用具备简单信 息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感 器网络；第二代传感器网络，具备获取多种信息信号的综合能力，采用串， 并接口(如 rs-232、rs-485)和传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感 器网络；第三代传感器网络出现在 20 世纪 90 年代后期和本世纪初，用具备 智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域 网络，成为智能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究研发，现在成形 并大量投入使用的产品还没有出现用大量的具备多功能多信息信号获取能 力的传感器，采用自组织无线接入网络，和传感器网络控制器连接，构成无 线传

18、感器网络。本文所介绍的无线传感器网络就是指第四代传感器网络。 图 1-1 传感器网络发展历程 1.3 我国和世界其他国家的研究情况 我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动， 首次正式出现于 1999 年中国科学院的“信息与自动化领域研究报告”中，作 为该领域提出的五个重大项目之一（当时的项目名称：重点地区的灾害监测、 预警和决策支持示范系统） 。随着创新工程试点工作的深入，2001 年中国科 学院依托上海微系统所成立微系统研究和发展中心。该中心在无线传感器网 络方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包过上海微 系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、

19、软件所以及中国科技大学 等十余个研究所和高校。经过几年的努力，初步建立了传感器网络系统的研 究平台， 在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动机站和应 用系统等方面取得了很大进展。2004 年 9 月相关成果在北京进行了大规模外 场 演示，部分成果已在实际工程系统中使用。2005 年新年伊始，中国科学院召 开了信息口相关研究所关于无线传感器网络技术的研讨会，共商无线传感器 网络下一步的发展大计。目前，微型、高可靠、多功能、集成化的传感器， 低功耗、高性能的专用集成电路，微型、大容量的能源，高效、高可靠的网 络协议和操作系统，面向应用、低计算量的模式识别和数据融合算法，低功 耗

20、、自适应的网络结构，以及在现实环境的各种应用模式等课题是我国科研 人员研究的重点。 美国在20世纪90年代就开始了传感器网络的研究工作，并首先在军方应 用和推广。其中同期著名的企业代表有美国的chipcon公司，它基于zigbee技 术的主流芯片是cc2420系列等，欧洲有helicomm公司的ip_link1270等代表产 品。ip_link1270 是完全符合ieee802. 15. 4 标准与zigbee 规范的2. 4 ghz 无线收发模块，射频部分使用freescale 的mc13191/ 13192/13193 芯片, mcu 使用的是freescale 公司的mc9s08gt60

21、 芯片。 2003年初，美国的加州大学伯克利分校( university of california,berkeley)、 加州大学洛杉矶分校(university of california,los angeles)和康奈尔大学 (cornell university)等很多所大学和研究机构开始有非常丰富的研究成果。特 别是他们在实际应用上做的尤为出色。 1. 军事应用 传感器网络已经成为军事c4isrt系统必不可少的一部分，受到军事发 达 国家的普遍重视，各国均投入了大量的人力和财力进行研究。美国的darpa 很早就启动了sensit(sensor information technolo

22、gy)计划。该计划的目的就是 将多种类型的传感器、可重编程的通用处理器和无线通信技术组合起来，建 立一个廉价的无处不在的网络系统，用以监测光学、声学、震动、磁场、湿 度、污染、毒物、压力、温度、加速度等物理量。 2. 环境观测和预报系统 随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。传 感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜 和家禽的环境状况和大面积的地表监测等，可用于行星探测、气象和地理研 究、洪水监测等，还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的 研究等。 3. 医疗护理 传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种心理 数据

23、，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

24、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 internet 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 电视和电台节目以及下载网上资料到

25、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。 1.4 本次探讨和研究的意义 由引言可知

26、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

27、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

28、； 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

29、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。 1.5 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

30、，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 2.1.1 传感器网络结构 传感器网络结构如图 2-1 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

31、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 2-1 传感器网络体系结构 互联网和卫 星 任务管理节点 汇 聚 节 点 e c d b a 2.1.2 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 2-2 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 行所需的能量，通常采用微型电池。 图 2-2 传感器节点体

32、系结构 2.1.3 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 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 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。 2.2 传感器网络的特征 2.2.1 与现有无线网络的区别 无线自组网(mobile ad-hoc network)是一个由几十到上百个节点组成的、

33、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

34、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。 2.2.2 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。 2.2.3 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，

35、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

36、：环境因素或电能耗 尽造成的传感器节点出现故障或失效；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；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；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

37、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

38、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

39、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。 2.3 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。 有些在目前还是特别前沿的技术，就没作过多解释。 1. 网络拓扑控制 对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意 义。通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和 mac 协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础， 有利 于节省节点的能量来延长网络的生存期。所以，拓扑控制是无线传感器网络 研 究

40、的核心技术之一。 2. 网络协议 由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十 分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不 能太复杂。同时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断交化，这些 都对网络协议提出了更高的要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形 成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协 议。本文后面要探讨的能量感知路由协议就是网络层协议的一种。 3. 网络安全 4. 时间同步 5. 定位技术 6. 数据融合 7. 数据管理 8. 无线通信技术 传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。ieee 802. 15.4

41、 标准是针 对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要 目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供统一标准。由 于 ieee 802. 15.4 标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处故 很多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。 9.嵌入式操作系统 10.应用层技术 第三章 路由协议 3.1 概述 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包 括两个方面的功能；寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着 优化路径正确转发。ad hoc、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供 高服务质量和公平高效地利用网络带宽，这些

42、网络路由协议的主要任务是寻 找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避 免产生通信拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重 点。在无 线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充因此路由协议需要高 效利用能量，同时传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结 构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。传感器网 络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可能差别很大，没有个 通用的路由协议。此外，传感器网络的路由机制还经常与数据融合技术联系 在一起，通过减少通信量而节省能量。因此，传统无线网络的路由协议不适 应于无线传感器网络。

43、与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点： (1)能量优先。传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消 耗问题。而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为 传感器网络路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网 络能 量均衡使用的问题。 (2)基于局部拓扑信息。无线传感器网络为了节省通信能量通常采用多 跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量 的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和 资源有限的情况下，如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个 基本问题。 (3)以数据为中心。传

44、统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的 依据，而无线传感器网络中大量节点随机部署，所关注的是监测区域的感知 数据，而不是具体哪个节点获取的信息，不依赖于全网唯一的标识。传感器 网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的 需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。 (4)应用相关。传感器网络的应用环境干差万别，数据通信模式不同，没 有一个路由机制适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。 设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。 针对传感器网络路由机制的上述特点，在根据具体应用设计路出机制时， 要满足下面的传感器网

45、络路由机制的要求： （1）能量高效。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输 路径而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。 传感器节点的资源有限，传感器网络的路由机制要能够简单而且高效地实现 信息传输。 （2）可扩展性。在无线传感器网络中，检测区域范围或节点密度不同， 造成网络规模大小不同；节点失败、新节点加入以及节点移动等，都会使得 网络 拓扑结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应网络结 构 的变化。 （3）鲁棒性。能量用尽或环境因素造成传感器节点的失败，周围环境影 响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些无线传感器网络的 不可靠特性

46、要求路由机制具有一定的容错能力。 (4)快速收敛性。传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽 等资源有限，因此要求路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化， 减少通信协议开销，提高消息传输的效率。 3.2 路由协议分类 镇对不同的传感器网络应用，研究人员提出了不同的路由协议。但到目 前为止，仍缺乏一个完整和清晰的路由协议分类。本章从具体应用的角度出 发，根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，将路由协议分为四 种类型，并详细介绍和分析能量路由协议。四种类型的路由协议分别是： (1)能量感知路由协议。高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个 显著特征，早期提出的一些传感器网

47、络路由协议往往仅考虑了能量因素。为 了强调高效利用能量的重要性，因此将它们划分为能量感知路由协议。能量 感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最 长网络生存期等问题。 (2)基于查询的路由协议。在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不 断查询传感器节点采集的数据。汇聚节点(查询节点)发出任务查询命令、传 感 器节点向查询节点报告采集的数据。在这类应用中，通信流量主要是查询节 点 和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器节点的采样信息在传输路 径上通常要进行数据融合通过减少通信流量来节省能量。 (3)地理位置路由协议。在诸如目标跟踪类应用中，往往需要唤醒距离跟 踪目

48、标最近的传感器节点，以得到关于目标的更精确位置等相关信息。在这 类应用中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置，把节点的位置 信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点路由功能，还可以降低系统专 门维护路由协议的能耗。 (4)可靠的路由协议。无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较 高要求，如可靠性和实时性等。而在无线传感器网络中，链路的稳定性难以 保证，通信信道质量比较低，拓扑变化比较频繁，要实现服务质量保证，需 要设计相应的可靠的路由协议。 3.3 三种路由协议的简介 3.3.1 基于查询的路由 （1）定向扩散路由 定向扩散(directed diffusion ,dd)是一种基于

49、查询的路由机制。汇聚节点 通过兴趣消息(interest)发出查询任务，采用洪泛方式传播兴趣消息到整个区 域或 部分区域内的所有传感器节点。兴趣消息用来表示查询的任务，表达网络用 户对监测区域内感兴趣的信息，例如监测区域内的温度、湿度和光照等环境 信息。在兴趣消息的传播过程中，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向 的从数据源到汇聚节点的数据传输梯度(gradient)。传感器节点将采集到的数 据沿着梯度 方向传送到汇聚节点。 定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建立以及路径加强 三个阶段。图 3-1 显示了这三个阶段的数据传播路径和力向。 汇 聚 节 点 源源 汇聚 节点 (a) 兴

50、趣传播 (b) 梯度建立 (c) 加强路径 图 3-1 定向路由扩散机制 汇聚节点 源 （2）谣传路由 谣传路由机制引人了查询消息的单播随机转发，克服了使用洪泛方式建 立转发路径带来的开销过大问题。它的基本思想是：事件区域中的传感器节 点产生代理(agent)消息，代理消息沿随机路径向外扩散传播，同时汇聚节点 发送 的查询消息也沿随机路径在网络中传播。当代理消息和查询消息的传输路径 交叉在一起，就会形成一条汇聚节点到事件区域的完整路径。 3.3.2 地理位置路由 在传感器网络中,节点通常需要获取它的位置信息，这样它采集的数据才 有意义。如在森林防火的应用中，消防人员不仅要知道森林中发生火灾事件

51、， 而且还要知道火灾的具体位置。地理位置路由假设节点知道自己的地理位置 信息，以及目的节点或者目的区域的地理位置，利用这些地理位置信息作为 路由选择的依据，节点按照定策略转发数据到目的节点。地理位置的精确 度和代价相关，在不同的应用中会选择不同精确度的位置信息来实现数据的 路由转发。 （1）gear 路由 gear(geographical and energy aware routing ) 路由机制根据事件 区域的地理位置信息，建立汇聚节点到事件区域的优化路径，避免了洪泛传 播方式，从而减少了路由建立的开销。 gear 路由假设已知事件区域的位置 信息，每个节点知道自己的位置信息和剩余能量

52、信息，并通过一个简单的 hello 消息交换机制知道所有邻居节点的位置信息和剩余能量信息。在 gear 路由中，节 点间的无线链路是对称的。 (2) gem 路由 传感器网络有三种存储监测数据的主要方式，分别是本地存储(local storage)、外部存储(external storage)和数据中心存储(data-centric storage)。gem(graph embedding)路由是种适用于数据中心存储方式的地 理路由。gem 路由的基本思想是建立一个虚拟极坐标系统，用来表示实际的 网络拓扑结构。网络中的节点形成一个以汇聚节点为根的带环树(ringed tree)，每个节点用到树

53、根的跳数距离和角度范围来表示，节点间的数据路由 通过这个带环树实现。 3.3.3 可靠路由协议 某些传感器网络应用对于数据传输的可靠性提出了比较高的要求，因此 传感器网络路由中的一个重要方面是研究可靠路由协议。传感器节点由于有 限能量供应和工作环境恶劣经常面临失效问题，这为研究适合于传感器网络 的可靠路由协议增加了困难。 目前，研究人员提出的可靠路由协议主要从两个方面考虑：一是利用节点 的冗余性提供多条路径以保证通信可靠性；二是建立对传输可靠性的估计机 制，从而保证每跳传输的可靠性。另外，某些传感器网络应用需要节点间通 信具有定的实时性。 (1) 基于不相交路径的多径路由机制 在传感器网络中，

54、引人多路径路由是为了提高数据传输的可靠性和实现 网 络负载平衡。在多路径路由中，如何建立数据源节点到汇聚节点的多条路径 是首要问题。在定向扩散路由中，当有数据查询需要时，汇聚节点首先通过 洪泛兴趣消息形成传输梯度然后建立数据源节点到汇聚节点的多条路径， 最后通过路径加强消息选择一条主路径传输数据。当主路径失败时，定向扩 散路由需 要使用周期性低速率的洪泛过程重新建立主路径。 (2) reinform 路由 在传感器网络中，传感器节点是数据源，把监测数据发送给汇聚节点。 reinform(reliable information forwarding using multiple paths)路

55、由从数据源 节点开始考虑可靠性需求、信道质量以及传感器节点到汇聚节点的跳数， 决定需要的传输路径数目，以及下一跳节点数目和相应的节点实现满足可 靠要求的数据传输。 reinform 路由的基本过程是：首先，数据源节点根据传输的可靠性要求 计算需要的传输路径数目；然后，在邻居节点中选择若干节点作为下跳转 发节点，并给每个节点按照一定比例分配路径数日：最后，数据源节点将分 配的路径数作为数据报头中的个字段发给邻居节点。邻居节点在接收到数 据源节点的数据后将自己视作数据源节点、重复上述数据源节点的选路过 程。 (3) speed 协议 在有些传感器网络应用中，汇聚节点需要根据采集数据实时作出反应，

56、因此传感器节点到汇聚节点的数据通道要保持一定的传输速率。speed 协议： 是一个实时路由协议，在一定程度上：实现了端到端的传输速率保证、网络 拥塞控制以及负载平衡机制。为实现上述目标，speed 协议首先交换节点的 传输延 迟，以得到网络负载情况；然后节点利用局部地理信息和传输速率信 息作出路 由决定，同时通过邻居反馈机制保证网络传输速率在个全局定义的传输速 率阈值之上。节点还通过反向压力路由变更机制避开延迟太大的链路和路由 空洞。 speed 协议主要由以下几部分组成： (1)延迟估计机制，用来得到网络的负载情况，判断网络是否发生拥塞； (2) sngf 算法 ，用来选择满足传输速率要求的

57、下一跳节点； (3)邻居反馈策略(nfl)是当 sngf 路由算法中找不到满足传输速率要求的 下一跳节点时采取的补偿机制； (4) 反向压力路由变更机制，用来避免拥塞和路由空洞。 speed 协议中各部分之间的关系如图 3-2 所示。 反向重路由 sngf 邻居表 信标交换 nfl 延迟估计 mac 图 3-2 speed 协议框架 3.4 能量感知路由 3.4.1 能量路由 能量路由是最早提出的传感器网络路由机制之一，所以本文将重点分析 和探讨它。能量路由根据节点的可用能量(power available ,pa)或传输路径上 的能量需求，选择数据的转发路径。节点可用能量就是节点当前的剩余能

58、量。 图 3-3 所示的网络中，大写字母表示节点，如节点 a，节点右侧括号内 的数字表示节点的可用能量。图中的双向线表示节点之间的通信链路，链路 上的数字表示在该链路上发送数据消耗的能量。源节点是一般功能的传感器 节点，完成数据采集工作。汇聚节点是数据发送的目标节点。 在图 3-3 中，从源节点到汇聚节点的可能路径有： 路径 1：源节点ba汇聚节点，路径上所有节点 pa 之和为 4，在 该路径上发送分组需要的能量之和为 3； 路径 2：源节点cba汇聚节点，路径上所有节点 pa 之和为 6， 在该路径上发送分组需要的能量之和为 6； 路径 3：源节点d汇聚节点，路径上所有节点 pa 之和为 3

59、，在该路 径上发送分组需要的能量之和为 4； 路径 4：源节点fe汇聚节点，路径上所有节点 pa 之和为 5，在该 路径上发送分组需要的能量之和为 6。 能量路由策略主要有以下几种： (1)最大 pa 路由：从数据源到汇聚节点的所有路径中选取节点 pa 之和 最大的路径。在图 3-3 中路径 2 的 pa 之和最大，但路径 2 包含了路径 1，因 此 f(pa=4) e(pa=1) d(pa=3) =2 5 a =2 4 a 源节点c(pa=2) =2 9 a b(pa=2) =1 2 a a(pa=2) =2 3 a =2 10 a =2 6 a =1 7 a 汇聚节点 =1 1 a =1

60、1 a =2 8 a 图 3-3 能量路由算法示意图 不是高效的从而被排除，选择路径 4。 (2)最小能量消耗路由：从数据源到汇聚节点的所有路径中选取节点耗能 之和最少的路径。在图 3-3 中选择路径 1。 (3)最少跳数路由：选取从数据源到汇聚节点跳数最少的路径。在图 3-3 中选择路径 3。 (4)最大最小 pa 节点路由：每条路径上有多个节点，是节点的可用能量 不同，从中选取每条路径中可用能量最小的节点来表示这条路径的可用能量。 如路径 4 中节点的可用能量最小为 1，所以该路径的可用能量是 1。最大最小 pa 节点路由策略就是选择路径可用能量最大的路径。在图 3-3 中选择路径 3。