基于智能优化的无线传感器网络路由算法改进

1、基于智能优化的无线传感器网络路由算法改进姓 名 学 院 专 业 指导教师 职 称 年 月 日 设计任务书 题目基于智能优化的无线传感器网络路由算法改进学生姓名学院名称专业班级课题类型实际课题课题意义在无线传感器网络中，除了较低花销实现数据的高速传输，还要求在各种生存环境中，网络具有适应性和生存能力。无线传感器网络(WSN)能够工作在恶劣的环境下，不受环境的限制，因此无线传感器网络在未来的移动通信网络应用中有着重要的影响和作用。无线传感器网络通常部署在人员难以到达或者值守的地方，而传感器的电池能源是有限的，因此设计一个好的通信路由协议对提高无线传感器网络的生存时间来说十分重要。本课题主要对当前比

2、较热门的无线传感器网络及其路由协议算法进行了研究，再对搜索性能优良的群智能搜索策略粒子群算法进行了深入的研究。参考和研究了国内外最新的发展状况，并通过对WSN网络路由的特点研究，分析了主要路由协议的不足，结合粒子群算法，对分层分簇路由协议在簇的形成和路由选择上进行了优化, 从而达到均衡网络能耗，延长网络生存周期的目的。 课题的研究将粒子群算法引进到传统的LEACH路由协议中，对网络中簇头节点动态选择最优节点，这对于提高网络的生存时间是十分重要的。任务与进度要求 开题报告、任务书的填写、提交、审核 深入研究与课题相关国内外文献资料，熟悉matlab仿真工具 完成理论部分总结并进行公式推导。完成m

3、atlab主要公式调用演示模型模块 完成核心模块并进行系统调试，在调试中进一步完善系统的各项功能，同时开始撰写毕业论文 对系统进行修改及细节调整，根据老师意见修改论文，并进行毕业设计答辩的准备 答辩主要参考文献1蒋建峰. 基于PSO算法优化的无线传感器网络LEACH协议J. 苏州大学学报：工科版, 2011, 31(1):1-5. DOI:10.3969/j.issn.1673-047X.2011.01.001. 2王刚，王长山，陕西西安710071. Leach协议簇头节点选取策略的改进J. 微电子学与计算机, 2009, 26(7):254-256.3 胡星华, 骆坚, 谭珊珊等，固定簇的

4、LEACH半径自适应簇头改进算法J. 传感技术学报, 2011, 24(1):79-82. DOI:10.3969/j.issn.1004-1699.2011.01.017.4 周晓斐，改进粒子群算法优化低功耗自适应集簇分层的路由算法，激光杂志，2014，第35卷第12期5 游晓黔, 李明隆, 杨佳. 无线传感器网络LEACH协议的研究与改进J. 重庆邮电大学学报：自然科学版, 2011, 23(6):746-751. DOI:10.3979/j.issn.1673-825X.2011.06.019.6Kulkarni R V, Forster A, Venayagamoorthy G K.C

5、omputational intelligence in wireless sensor networks: A surveyJ. Communications Surveys & Tutorials, IEEE, 2011,13(1): 68-96.7Gungor V C, Lu B, Hancke G P. Opportunities and challenges of wireless sensor networks in smart grid J. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2010, 57(10):3557-3

6、564.8Rostami M J,Emrani Zarandi A A,Hoseininasab S M.MSDP with ACO:A maximal SRLG disjoint routing algorithm based on ant colony optimizationJ.Journal of Network and Computer Applications,2012,35(1):394-4029 Cai J, Sun J. A Clustering Routing Algorithm Based on Adaptive PSO in WSNsC. /The. 2008:1 -

7、4.起止日期 备注院长 教研室主任 指导教师 开题报告表 年 月 日姓名 学院 专业计算机班级 题目基于智能优化的无线传感器网络路由算法改进指导教师 一、 与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：1. 国内外研究情况：LEACH协议，全称是“低功耗自适应集簇分层型协议”(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)，是一种无线传感器网络路由协议。基于LEACH协议的算法，称为LEACH算法。LEACH是MIT的Chandrakasan等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法。与一般的平面多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEA

8、CH可以将网络生命周期延长15%，主要通过随机选择簇首,均衡网络负载实现。粒子群算法(PSO，Particle Swarm Optimization)的思路来源于对鸟类群体行为的研究，是一种初始化一组随机值，再通过迭代来搜索最优解的智能算法。国内方面，苏州的将建峰1，在其论文中针对LEACH协议的优缺点提出了一种新的改进算法ILEACH，能够使簇头分布更加均匀，相互之间的距离保持一个较优值。西安电子科技大学的王刚2，在其论文中对leach协议簇头节点选取策略进行改进，选取簇头节点时考虑了节点能量，节点配置密度，并由此提出了NCHS-Leach（Novel Cluster Head Select

9、ing Leach）协议，从而达到延长网络生命周期的目的。湖南大学的胡星华3等人在其论文中针对无线传感器网络路由协议LEACH算法中簇头选择不合理以及能量损耗不均匀的缺点，提出了一种基于LEACH的节能算法LEACH-RA，该算法将所有节点分为固定的簇，簇内节点根据所处簇的半径进行自适应的选择簇头，从而达到延长网络生命周期的目的。上海电机学院的周晓斐4，针对LEACH算法的簇头分布不合理、网络能耗不均的问题,在LEACH协议的基础上,在其论文中提出了一种改进粒子群算法优化低功耗自适应集簇分层路由算法。首先将分割线的选择问题转化成带约束的非线性优化问题,然后利用粒子群算法求解,并针对粒子群算法的

10、不足进行相应的改进。有效提高了网络的能量利用率,能够实现节点之间的能耗均衡,使无线传感器的网络生存时间得到延长。重庆邮电大学的游晓黔5，在其论文中提出了一种基于LEACH的能量高效分簇路由算法。在该算法中，网络中的节点形成固定的分簇，根据簇内各节点的剩余能量依次竞争簇头，同时尽量减少节点与基站之间的通信，从而达到延长网络生命周期的目的。华南理工大学的Jingming Cai6等人，在其论文中提出了一种基于智能优化的分簇路由算法(APSO)，并与经典的分簇路由算法比较，获得了更好的数据收敛和更长的网络生存周期。国外方面，美国的自然科学基金委员会于2003年投资3400万美元支持相关基础理论的研究

11、，并且制订了WSN研究计划，美国国防部和各军事部门也对WSN给予了高度的重视，设立了一系列的军事传感器 网络研究项目，把WSN作为一个重要研究领域。无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是一种由大量传感器节点组成的多跳网络,节点经常部署在恶劣的环境中,由于传感器的节点能量有限,而且一般不能更换电池和充电,因此,当传感器节点的能量耗尽后,就会死亡,当节点死亡超过一定的比例,那么整个无线传感器网络就死亡终止通信,文献7中研究了如何设计能量平衡的路由算法,延长无线传感器网络生存时间。为了提高节点能量利用率,降低能量消耗,文献8中的许多学者对节点路由算法进行了大量、深

12、入的研究,提出了许多有效的无线传感器路由算法。Mohammad Java Rostami9等人提出一种最大共享风险链路组(SRLG)中源节点到目的节点之间平均带宽最大、能量消耗最小的链路，从而提高网络的生命周期。主要参考文献：1蒋建峰. 基于PSO算法优化的无线传感器网络LEACH协议J. 苏州大学学报：工科版, 2011, 31(1):1-5. DOI:10.3969/j.issn.1673-047X.2011.01.001. 2王刚，王长山， Leach协议簇头节点选取策略的改进J. 微电子学与计算机, 2009, 26(7):254-256.3 胡星华, 骆坚, 谭珊珊等，固定簇的LEA

13、CH半径自适应簇头改进算法J. 传感技术学报, 2011, 24(1):79-82. DOI:10.3969/j.issn.1004-1699.2011.01.017.4 周晓斐，改进粒子群算法优化低功耗自适应集簇分层的路由算法，激光杂志，2014，第35卷第12期5 游晓黔, 李明隆, 杨佳. 无线传感器网络LEACH协议的研究与改进J. 重庆邮电大学学报：自然科学版, 2011, 23(6):746-751. DOI:10.3979/j.issn.1673-825X.2011.06.019.6 Cai J, Sun J. A Clustering Routing Algorithm Bas

14、ed on Adaptive PSO in WSNsC. /The. 2008:1 - 4.7Kulkarni R V, Forster A, Venayagamoorthy G K.Computational intelligence in wireless sensor networks: A surveyJ. Communications Surveys & Tutorials, IEEE, 2011,13(1): 68-96.8Gungor V C, Lu B, Hancke G P. Opportunities and challenges of wireless senso

15、r networks in smart grid J. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2010, 57(10):3557-3564.9Rostami M J,Emrani Zarandi A A,Hoseininasab S M.MSDP with ACO:A maximal SRLG disjoint routing algorithm based on ant colony optimizationJ.Journal of Network and Computer Applications,2012,35(1):394-4022

16、课题研究的主要内容： 本课题主要对当前比较热门的无线传感器网络及其路由协议算法进行了研究，再对搜索性能优良的群智能搜索策略粒子群算法进行了深入的研究。参考和研究了国内外最新的发展状况，并通过对WSN网络路由的特点研究，分析了主要路由协议的不足，结合粒子群算法，对分层分簇路由协议在簇的形成和簇头选择上进行了优化，从而达到均衡网络能耗，延长网络生存周期的目的。3目的和意义： 随着无线传感器网络在工业、农业、军工等行业的广泛应用，有关无线传感器网络的生存周期问题也越来越受到国内外学者的关注。因此无线传感器网络在未来的移动通信网络应用中有着重要的影响和作用。无线传感器网络通常部署在人员难以到达或者值守

17、的地方，而传感器的电池能源是有限的，因此设计一个好的通信路由协议对无线传感器网络的生存时间来说十分重要。二、进度及预期结果：起止日期主要内容预期结果开题报告、任务书的填写、提交、审核深入研究与课题相关国内外文献资料，熟悉matlab仿真工具完成理论部分总结并进行公式推导。完成matlab主要公式调用演示模型模块 完成核心模块并进行系统调试，在调试中进一步完善系统的各项功能，同时开始撰写毕业论文对系统进行修改及细节调整，根据老师意见修改论文，并进行毕业设计答辩的准备答辩完成完成完成完成 完成 完成完成课题的现有条件 通过本科四年的学习，具备了计算机网络相关的知识，掌握了高等数学，线性代数，概率与

18、统计学等数学工具，初步学会使用matlab，有一定的编程基础及查阅国内外相关领域文献的自学能力。审查意见指导教师： 年 月 日学院意见主管领导： 年 月 日 摘 要在无线传感器网络中，除通过较低的开销实现高效的数据传输外，还要求网络能够适应各种环境，在各种环境中生存。有限的和不可补充的能源供应是无线传感器网络研究过程中的主要问题。因此，在无线传感器网络技术的研究过程中，整个无线传感器网络寿命的最大化是一个关键问题。对网络的分簇是延长整个网络的寿命的最有效的手段之一。在本文中，研究了传统分簇策略的特点，分析了传统分簇协议的不足，结合粒子群算法，提出了一种新的分簇路由算法。该算法将粒子群算法引进到

19、传统的LEACH路由协议中，对分层分簇路由协议在簇的形成和路由选择上进行了优化, 从而达到均衡网络能耗，延长网络生存时间的目的。将我们的技术的性能与著名的LEACH传感器网络协议比较。仿真结果表明，我们提出的改进方法比与其做对比的算法具有更好的网络寿命。关键词：无线传感器网络；分簇算法；粒子群算法；LEACH路由协议ABSTRACTWireless sensor networks (WSNs) can be deployed in a variety of harsh environments with good adaptability and survivability in additi

20、on to lower cost of energy to achieve high-efficiency data transmission. In the research of wireless sensor networks, energy restrictions and non-replaceable battery is the main problem currently facing. Therefore, during the study of wireless sensor network technology to maximize the whole wireless

21、 sensor network lifetime is an important issue. The clustering is one of the most effective means to extend the life of the entire network. In this dissertation, after a thorough study of the characteristics of traditional clustering strategies and the shortcomings of traditional clustering protocol

22、, a new clustering routing algorithm is proposed to combine the traditional LEACH with particle swarm optimization. The PSO is introduced to help with the cluster head selection. The resulting routing scheme can balance overall network energy consumption and prolong the life span of the WSN. The per

23、formance of our technology is compared with the famous LEACH sensor network protocols. Simulation results show that our proposed method can improve network life span compared with the original LEACH.Key words：Wireless Sensor Networks; Hierarchical Clustering Algorithm; Particle Swarm Optimization (P

24、SO) Algorithm; LEACH Routing Protocol目 录第一章 绪 论11.1选题背景11.2国内外研究现状21.2.1无线传感器网络21.2.2无线传感器网络路由协议简介31.2.3分簇路由协议研究现状31.3本论文的研究内容及结构41.3.1本论文主要研究内容41.3.2论文结构5第二章 无线传感器网络62.1传感器节点基本结构62.2传感器网络及其体系结构62.3传感器网络的特点及应用72.3.1 无线传感器网络的特点72.3.2 无线传感器网络的应用82.4本章小结9第三章 无线传感器网络路由协议103.1 WSN路由协议概述103.2 路由协议分类103.3

25、LEACH分簇路由协议113.3.1 LEACH协议基本思想113.3.2 LEACH协议的优缺点123.3.3 本章小结13第四章 粒子群优化算法144.1粒子群算法简介144.2粒子群算法思想及详细流程164.3 本章小结：17第五章 引入粒子群优化算法的LEACH协议185.1 算法简介185.2 算法思想185.3 算法流程215.4 本章小结21第六章 仿真与结果分析226.1仿真工具介绍226.2仿真环境配置：226.3仿真结果分析236.3.1 100个节点的随机分布实验246.3.2 200个节点的随机分布实验266.4本章小结28第七章 总结与展望297.1 总结297.2

26、展望29附录134附录242谢 辞43第一章 绪 论1.1选题背景人们从上世纪90年代末期开始研究无线传感器网络。WSN的研究横跨了多个学科。传感器网络能够部署在非常恶劣的环境中，这些地方往往是人类不可达的。很多传感器节点大都工作在没有任何保护的野外，经常受到太阳的暴晒和风吹雨淋，甚至遭到不相关人员或动物的破坏。因此传感器的生产必须要从适应各种环境、不易损坏、坚固这三个方面考虑1。无线传感器网络的应用前景是很广阔的，但是由于传感器节点处理能力、节点能量、储存空间以及网络带宽方面的限制，无线传感器网络 (Wireless Sensor Networks，WSN)的大规模应用仍然有很多有待克服的问

27、题。因此在研究WSN的过程中，制订一个满足需求的高效路由算法是当前的重点。根据数据的传输途径不同，可以将现有的无线传感器网络路由协议大致分为四类234：地理位置信息路由协议、集群结构的路由协议、以数据为中心的路由协议和基于QoS (Quality of Service，服务质量)的路由协议。其中分簇路由协议中最经典的是LEACH路由协议。LEACH协议从传输数据的数量和所消耗的能量上进行了优化，提高了网络的生存时间，但是LEACH协议并不是完美的，还是有一些问题需要解决的。例如支持LEACH协议的网络协议与硬件必须能够支持射频功率的自适应与动态调整；另外，协议中簇头选取的的方法并不是最优的。针

28、对簇头选择的方法，有人提出了LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)的改进协议。其中，引入模拟退火算法的LEACH-C (LEACH Centralized)协议5是LEACH算法改进的一大里程碑，该协议从簇头的选择方面对传统分簇算法进行了优化，从而使得簇首节点的分布更为合理。西安电子科技大学的王刚6，在其论文中为了达到对LEACH协议的簇首节点选取策略的改进，在簇头的选取时充分考虑了节点的剩余能量和配置密度，并提出了一种新的NCHS-Leach (Novel Cluster Head Selecting Leach)协议，该协议从一定程

29、度上延长了网络的生存周期。湖南大学的胡星华7等人在其论文中提出了一种LEACH-RA (LEACH Radius Adaptive)算法，这个算法通过将网络中所有的节点分成多个固定的簇，解决了LEACH算法的簇头选择策略不合理问题以及解决了网络总能量的损耗不均匀的缺点，从而达到延长网络生命周期的目的。1.2国内外研究现状1.2.1无线传感器网络WSN技术随着网络技术与电子技术的迅速发展逐渐趋于成熟。WSN是一个以多跳路由形式和自动组网形式构成的无线网络，网络中的大量传感器节点有移动和静止两种状态8。WSN中的所有节点协同地对环境信息进行感知与采集，并且通过自身处理系统的处理。最终，通过无线发送

30、器将这些处理之后的数据信息发送给工作人员。无线传感器网络拥有多种类型的传感器，可以从多个维度探测环境中的信息。无线传感器网络在生活中的应用也很广泛。网络中的传感器节点采用随机的方式分散在整个网络中，并且通过自组织的形式构成监控网络9。各个传感器节点采集的环境数据信息可以沿着一条或者多条路径采用逐跳的方式进行数据传送，被传送的数据在传送的过程中可能会被一个或多个节点处理，数据经过多跳后传送给基站节点，数据最终会通过因特网传给用户。人们从上世纪90年代末期开始研究无线传感器网络。从2000年开始，传感器网络引起了国内外各界学者的研究兴趣，许多国外学者陆续启动了与WSN有关的项目。在其中最典型的是美

31、国的国家研究部门，他们通过各种途径投入大量资金来支持WSN技术的研发。WSN的研究横跨了多个学科，具有鲜明的跨学科研究特点。因此无线网络传感器一定要坚固，寿命也要有保证。还有传感器节点在各种环境下都得能正常工作。与传统的网络协议采用五层网络协议标准一样，WSN通常也采用该标准，即：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层10。除此之外，协议栈中还具有多种管理平台，主要负责资源的共享以及多种任务的共享，协同各传感器节点高效工作和在动态的WSN中收发所收集的数据信息。自组网是一种对等网，规模一般比较大（从几十个节点到上百个节点不等）。从很多方面来看，WSN与自组网在很多方面都不同11。第一点，W

32、SN是一种集成了无线通信、监测和控制的网络体系，并且WSN的节点分布比自组织的网络更加密集，总的节点数目更多；但是随着时间的推移，网络中节点的剩余电量会越来越少，除此之外，网络中的节点也会因为老化而出现问题；在人们所研究的WSN对象中,传感器节点大多数是不会移动的。众所周知，传感器节点具有有限的通信能力，处理能力和能量12，这些因素都制约这WSN的发展与普及。比较传统的无线网络虽然也考虑能耗的问题；但是传感器网络把能源的高效利用作为其首要设计目标。1.2.2无线传感器网络路由协议简介正如我们所知道的那样，WSN有很广阔的应用前景。但是传感器的处理能力有限，节点能量有限，节点的存储空间储存空间，

33、网络的带宽有限，WSN的大规模应用仍然有很多有待克服的问题。因此在对WSN及其路由协议进行研究与发展的过程中，制订出一个满足需求的高效的路由协议理论上来说是非常重要的。根据数据的传输途径不同，可以将现有的WSN路由协议大致分为四类13：第一类是以数据为中心的路由协议；第二类是集群结构的路由协议；第三类是地理位置信息路由协议，最后一类是基于查询的路由协议。环境因素在很大程度上影响了无线传感器网络的性能，我们将无线传感器网络路由协议的分类列于下表：表1-2 WSN路由协议分类表路由协议分类路由协议以数据为中心的路由协议SPIN、Directed Diffusion、Flooding集群结构的路由协

34、议LEACH、TEEN、APTEEN、TTDD地理位置信息路由协议GEAR、GME、GPSR、TBF基于查询的路由协议Directed Diffusion、COUGAR、ACQUIRE1.2.3分簇路由协议研究现状国内方面，苏州的蒋建峰14，在其论文中针对传统的LEACH协议的优缺点提到了一种能够均匀地分布簇头的新算法- Improved LEACH简称ILEACH，该算法能使整个网络中所有的簇头节点相互之间的距离保持一个较优值。西安电子科技大学的王刚15，在其论文中把节点的剩余能量和节点分布的稀疏情况考虑进来，从而改进了LEACH分簇路由算法。并由此提出了Novel 簇头选择协议（Novel

35、 Cluster Head Selecting Leach，NCHS-Leach），这个协议从很大程度上提高了WSN的生存时间。湖南大学的胡星华等人在其论文中提出了一种LEACH-RA (LEACH Radius Adaptive)算法，这个算法通过将网络中所有的节点分成多个固定的簇，解决了LEACH算法的簇头选择策略不合理问题以及解决了网络总能量的损耗不均匀的缺点。上海电机学院的周晓斐16，针对传统LEACH算法簇首节点的不规则的分布不与不均匀的网络能量消耗等问题,在其论文中提出了一种结合了LEACH协议与粒子群的算法，这个算法以自适应的方式进行分簇，在一定程度上降低了网络功耗。重庆邮电大学

36、的游晓黔17，在其论文中提出了一种基于LEACH的能量高效分簇路由算法。在这个算法中，网络中的各节点划分成多个固定的簇，各簇中簇首节点选择的依据是距离簇内各节点的平均距离必须尽可能小，同时也必须最大可能地减少节点与基站之间的通信，从而达到延长网络生命周期的目的。华南理工大学的Jingming Cai18等人，在其论文中提出了一种基于智能优化的分簇路由算法，并与经典的分簇路由算法比较，获得了更好的数据收敛和更长的网络生存周期。国外方面，美国的自然科学基金委员会于2003年投资3400万美元支持相关基础理论的研究，并且制订了WSN研究计划，美国国防部和各军事部门也对WSN给予了高度的重视，设立了一

37、系列的军事传感器 网络研究项目，把WSN作为一个重要研究领域。从那年后，有很多军工企业开始把WSN当成了主攻的研究方向，开启了很多与WSN有关的军事研究项目。一般部署WSN的环境并不好，而网络中的传感器又不能充电和更换电池,随着网络中各节点能量的不断消耗,会有节点陆续死亡,当节点死亡的比例超过一定的百分比,那么整个WSN会停止工作,文献19中研究了如何设计均衡能耗的算法,延长无线传感器网络生存时间。为了提高节点能量利用率,降低能量消耗,文献20中的许多学者对节点路由算法进行了大量、深入的研究,提出了许多有效的无线传感器路由算法。Mohammad Java Rostami21等人提出一种最大共享

38、风险链路组中源节点到目的节点之间平均带宽最大、能量消耗最小的链路，从而提高网络的生命周期。1.3研究内容及论文结构1.3.1主要研究内容由于传感器节点能量有限，这一先天性不足是很难改变的。因此，为了尽可能的延长无线传感器网络的生存周期，采用好的分层分簇路由算法是很有必要的。本文主要对当前比较热门的LEACH路由协议算法进行了研究，再对搜索性能优良的群智能搜索策略粒子群算法进行了深入的研究。参考和研究了国内外最新的发展状况，并通过对WSN网络路由的特点研究，分析了主要路由协议的不足，结合粒子群算法，对分层分簇路由协议在簇的形成和簇头选择上进行了优化。利用MATLAB仿真平台，对网络场景进行适当的

39、模拟，将优化后的算法进行了仿真实验，分析了仿真结果，与其他分簇路由算法进行了比较，然后得出结论。1.3.2论文结构第一章详细介绍了本课题的选题背景，国内外研究现状及本人所做的主要工作；第二章对传感器的基本结构，WSN的体系结构和WSN的应用前景进行了详细的介绍；第三章针对传统经典的分层分簇路由协议进行介绍，并且详细描述了其算法流程；第四章介绍了粒子群优化算法这一经典的智能优化算法，并且描述了整个算法的详细步骤；第五章是本文的重点章，在该章节中提出了一种基于粒子群的无线传感器网络路由改进算法，并详细分析了该算法的可行性和实用性。第六章为仿真实验章，对提出的新算法和传统分簇算法进行仿真实验，分析结

40、果，进而得出结论。第七章为对本论文的总结以及对课题前景的展望。第二章 无线传感器网络2.1传感器节点基本结构传感器由能量供应模块、无线通信模块、处理器模块、传感器模块22构成的。如图2-1所示。其中，传感器模块是整个传感器的基础，主要任务是对监测区域内的环境信息进行采集并转换成数据信息；处理器模块是传感器的核心模块，它的主要工作是控制和协调整个传感器节点，将本节点采集到的数据以及收到的其他节点发来的数据进行存储和处理；主要从事本节点与网络中各节点进行正常通信的是无线通信模块，负责交换各自的控制信息和收发数据信息，该模块虽然简单，但也是耗能最大的模块；最后一个模块是能量供应模块，它的任务是为传感

41、器节点提供运行所需的能量，实现该模块功能的电子器件通常是微型电池。图2-1 传感器节点结构232.2传感器网络及其体系结构WSN一般是由非常微小的传感器节点组成，这些节点具有数据处理和无线通信的功能，通常是以随机的方式分布在监控地区。WSN是一种用于测控的“智能”自治系统，这个系统具有在变化的环境中自动地完成用户派给的任务的能力24。无线传感器网络是一种测控网络。网络节点的设置和投放是随机的，节点之间一般采用无线的方式进行通信。另外，网络的拓扑结构采用自组织的形式。数据的交互、数据的预处理及数据的采集是各节点协同完成用户指派任务的必要条件。通常采用多跳或者对等的通信方式。WSN既可以以独立系统

42、的形式存在，又可连接到Internet上。图2-2是一个典型的WSN的整体构架及网络拓扑结构。由图中可以看出，WSN是由远程用户接收装置、处理部分、环境数据信息采集部分、汇聚节点(Sink)及传感器节点组成。所有传感器节点以随机或有规律地散布在待感知区域内，每个节点都能够采集环境信息并将其转化为数据信息，然后使用平面自组多跳路由协议把处理好的数据信息无线传送到最近的汇聚点，同时汇聚节点也可以向网络中的各节点发送数据信息。一般网络中的汇聚节点与互联网采用有线的方式直接相连的，用户可以通过Internet与WSN中各个节点实现数据传输和通信。图2-2 WSN整体构架及网络拓扑结构252.3传感器网

43、络的特点及应用2.3.1 无线传感器网络的特点（1）超大规模 无线传感器网络的规模是非常庞大的，传感器节点的数目成千上万。对整个传感器网络性能的评估重点是看所有节点协同工作的能力，而不是单个节点的性能。（2）无人值守 无线传感器网络往往被布置在这样一些地方，这些地方是不便于人为检测的。因此每个节点也只能依靠自身所携带的电源供电。因此传感器的寿命大都不是很长，这是WSN部署时必须要考虑的问题之一。（3）易受物理环境影响(动态性强) WSN被分布在没有任何防护的户外，而传感器网络所处的环境并不是一成不变的，时刻变化的环境会在一定程度上影响传感器的正常工作。又因为网络中的节点是协同工作的，这很有可能

44、导致整个网络组成结构的变化，从而影响整个网络的性能。另一方面就是随着节点能量的消耗，整个网络的状态也会跟着变化。（4）无中心和自组织性 WSN是没有中心的网络。WSN中所有节点的工作是协同的，它们可以自发地组织和更新网络。（5）动态变化的网络拓扑 由于网络中的移动终端设备的运动状态可以随意变化，设备上面的无线电波发送装置的类型非常多，发送信号的强度也会随着节点能量的减少而削弱；由于当地的气候和地况等综合因素的影响，网络的拓扑结构很难不发生不可预知的变化。除此之外，WSN中各节点之间的通信会相互干扰，影响数据接收的正确率。由于WSN的路由策略是自学习的，随着时间的变化网络的拓扑结构也会发生变化。

45、2.3.2 无线传感器网络的应用（1）WSN在医疗领域的主要应用： 监测人类的健康指数在WSN网络技术日趋成熟的今天，智能穿戴设备正逐渐走进人们的生活中26。通过镶嵌在智能穿戴设备上的传感器节点来检测人们的健康情况，然后再将这些检测到的数据信息发送给健康监管中心（医院），从而达到对疾病预测的目的。医学上提倡的早发现，早治疗的疾病观可以使用带有传感器的智能设备来实现。帮助医护人员追踪和监控患者对于精神病患者、老年痴呆症患者等的这一类健忘型患者，通过给没位患者佩戴一个定位传感器的方法确定病人的位置来避免患者的丢失。 医院的药品管理通过给每类药品配置传感器节点，使所有药品实验联网，从而可以达到自动取

46、药的操作，这样做大大减轻了医护人员的负担，同时也降低了取错药的几率。（2）WSN的智能家居应用： 家用电器的自动化将传感器节点镶嵌到家用电器中，可以将家用电器进行联网，即使你身在远方，也可以通过远程终端对家里面的电器发送指令。这样使得家用电器更加智能化。 智能家居智能家居就是通过物联网技术将家里面的所有东西联网，当然智能家居是一种以人为中心的家庭智能化项目。（3）WSN的商业用途： 控制办公室的温度办公室的空调大都是中央空调，气流的分布不均匀是中央空调的诟病，我们可以通过在各个房间的出风口位置加入温度和风速检测器，通过检测出风口的温度和风速来智能地调节空调的功率。 车辆监管目前使用WSN对车辆

47、的监管主要有两方面：一种是给每辆车安装传感器节点，监测车辆的违章行为；另外一种是通过WSN的定位技术给车辆定位，避免被盗。 物流管理给正在配送的物品安装定位传感器节点，货主可以很方便地随时查询自己的货物目前所处的位置。当自己的货物到达时可以在第一时间知道，去除了焦急的等待。（4）WSN的在军事方面的用途：可以对己方武器进行监控，对作战地的环境及天气做出预测，也可以对军事要塞进行定位。2.4本章小结本章首先通过图示介绍了无线网络传感器的物理层的基本结构及其工作原理，同时还讲述了无线传感器网络的体系结构，同时还指出无线传感器网络具有超大规模、无人值守、动态性强、无中心和自组织性、具有动态变化的拓扑

48、结构的特点。除此之外，本章还详细地介绍了无线传感器网络给人们的日常生活带来哪些便利及在未来的潜在应用。第三章 无线传感器网络路由协议3.1 WSN路由协议概述路由协议在无线传感器网络中具有的核心地位，从路由角度来看，由于传感器节点的能量有限，且只能获得局部拓扑信息，无线传感器网络具有很多既不同于传统无线网络又不同于移动自组织网络的自身特点27。首先，对于无线传感器网络路由协议来说，比起单个节点的能耗更加注重整个网络能耗的均衡。因为如果网络中的能耗不均匀的话，可能会出现某些节点过早死亡的现象，从而导致部分区域无法覆盖，产生“能量空洞”现象。所以一个优化的路由协议是以均衡网络能耗为目的的。3.2

49、路由协议分类 传感器网络中的路由协议按照结构划分可以分为平面型路由协议和层次型路由协议两种。传感器网络路由协议大都采用多跳的形式在节点和Sink之间建立数据传输路径。传统无线网络和Ad hoc网络中已有的路由协议一般都不适合传感器网络的特点和要求。大部分传感器网络的节点是固定的，只有出现节点死亡后更新路由表信息才是有必要的28。在平面路由协议中，传感器网络中的各节点都是平等的。节点以对等的方式完成路由的建立、维护和数据的传输。平面路由适用于规模比较小的网络，不适用于大型网络。随着节点数量的增加、网络规模的扩大，平面路由协议会出现大量的数据冗余，从而导致能量效率的降低。常见的平面路由协议有Flo

50、oding、Gossiping DD (Directed Diffusion)、SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)、SAR (Sequential Assignment Routing)29等。层次路由协议也就是以分簇为基础的路由协议。协议将整个网络划分为相连的区域，也称为簇。网络中的节点按照功能可以被分为簇内成员节点和簇头节点两种，簇内成员节点负责监测周围的环境信息，采集感兴趣的数据，然后将数据发送到所在簇的簇头节点。而簇头节点负责管理本簇的成员节点，为各个节点分配时间片，收集簇内成员节点的信息然后发送到汇聚节点，簇头

51、节点还负责融合所收集的数据。由于簇头节点对数据进行了融合，使数据通信量大大减少，另外簇内大部分节点只有在自己的时间片内才会被唤醒，其他时间可以关闭通信模块，从而在很大程度上延长了整个网络的生命周期。当前，大规模的无线传感器网络都采用基于分簇的层次路由协议。在传统的层次路由协议中比较经典的是LEACH协议30。本文的主要内容就是对LEACH协议进行探讨，试图提出一个能量消耗更加均衡的高效分簇路由协议。3.3 LEACH分簇路由协议3.3.1 LEACH协议基本思想LEACH协议是一个周期性地分簇并随机选择簇头的过程31。网络循环地随机选择簇首节点，网络中非簇头的普通节点以就近的原则分别加入相应的

52、簇。每一个周期分为建立簇和稳定传输数据两个阶段。在数据传输过程中，又分为非簇首节点将采集的数据信息直接传送给各自的簇首和簇首将收到的数据处理后再传送给各基站节点两个过程。簇头节点基站簇普通节点图3-1 LEACH协议网络结构图为了平均整个WSN的能耗，LEACH将整个无线传感器网络分成多个簇32。在分簇算法中，WSN分簇的策略大致如下：第一步选择簇头。第二步是每个簇首节点都对全网络广播自身的位置信息；其它非簇头节点加入最近的簇。一个节点被选为簇头的依据是：随机产生一个01之间的数，并拿它与提前设定好的某个阈值T(n)进行比较，如果阈值大的话，就被选为簇首。阈值T(n)的计算公式如下：Tn=kN

53、-kr mod(n/k)0如果nG其他情况（3.1） 公式（3.1）中，n表示WSN中总的传感器节数目，k为每一个轮中被选为簇首节点的数目，r为已经完成的轮数，G为整个无线传感器网络的总轮数。每一个周期中，节点会在自己被选为簇首后将自己被选为簇首的事实和自己的位置信息以广播的形式告知全网。其它非簇首节点在网络中根据所接收到的无线电信号强度确定属于哪一个集群簇，并告知相应集群的簇首。然后，簇首节点会依照所收到的普通节点的信息，采用时分多址的方式 33为簇内各个节点分配相应的时间片让其进行数据传输。持续稳定的信息数据的传送工作就在簇首节点给各节点分配好时间表之后。最后簇首节点会对所接收到的数据进行

54、去冗余与融合的操作，从而保证发送的数据量尽可能的少，进而再将处理后的数据转发给基站节点。这样LEACH协议的一个周期就结束了，进入下一个周期。LEACH算法的流程图如下所示：图3-2 LEACH协议流程图3.3.2 LEACH协议的优缺点LEACH协议的特点有：（1）簇头节点通过将本身采集的数据以及收到的来自其它节点的数据进行去冗余和融合的处理然后再转发给基站节点34，来减少需要传输的信息量。（2）LEACH采用基于码分多址与时分多址的的MAC (Media Access Control)层机制来减少簇内和簇间的冲突。（3）因为WSN中传感器节点对数据信息进行周期性的集中采集，所以这个协议应用

55、于不间断监测的系统中是很合适的。（4）如果使用终端的用户对数据信息的实时性要求的不是特别严格的话，该协议非常适用，因为这个协议的数据传输不是周期性的，可以积攒一定量的数据之后再传输，传输的时间是非常自由的，因此可以减少数据的传输次数，从而可以使节点的能耗更加节约。（5）为了保证整个网络中具有同样的能量分布，这个协议在下一个周期开始的时候都要进行簇头的重新选择。当然，LEACH协议也有其不足之处，有待进一步的改进：（1）LEACH协议的节点能支持多种MAC协议，不光如此，LEACH还假设基站节点能与网络中的所有节点进行直接通信，所以这个算法只能适用于不太大的WSN中。（2）这个协议没有给出对于整个网络来说的最合适的簇头数目，只给出了网络中簇头的数目与所有节点数目的比率。这很容易带来网络中的簇头数与整个网络的规模不匹配的问题。比如说在某一轮的某一区域中没有簇头节点或者簇头节点过多的现象，这对网络负载均衡是很不利的。（3）LEACH算法对每个节点的初始化能量都是相等的，不光如此，LEACH还假定各节点在做相同操作时的能耗都相同。所以LEACH对具有高能耗节点的网络来说是不适合的。3.3.3 本章小结本章详细介绍了无线传感器网络的路由协议，按照路由协议的结构和策略把传统的路由协议划分为平面路型路由协议和层次型路由协议两种。本章对分层分