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1、摘 要 无线传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，是传感器技术、嵌入式 计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术相结合的产物。与传统网络相比，无 线传感器网络具有造价低、功耗低、布局灵活性强、监测精度高等特点，因此在军事、 医疗、家用等多个领域均有广阔的应用市场。 本文重点研究基于无线传感器网络的泛洪式路由协议，无线传感器网络节点数量 庞大、单个节点资源有限，其路由协议设计的首要目标是提高能量有效性，延长网络 寿命。本文总结了 WSN 的概念、结构、特点，分析了 WSN 的关键性技术问题及网络 协议；研究了 WSN 的网络协议体系和路由协议的分类，分析比较了目前国内外学者提 出的几种
2、有代表性的路由协议及其性能优缺点；选择了 flooding 路由协议为研究重点， 分析了该路由算法的具体实现，针对传感器节点能量及传输范围有限等特点，提出了 一种基于延迟的自适应泛洪路由算法，首先通过源节点在网内用较小的路由请求报文 和路由回复报文来建立路由，路由建立的过程中自适应地确定等待时间以使更优的路 由请求报文得到转发，然后源节点再沿着建立好的路径转发较大的数据报文。并采用 MATLAB 网络仿真工具对该路由协议进行了整体仿真，并对其数据进行了分析。仿真 实验表明新算法较 Flooding 节能，能较好的克服 Flooding 算法中报文冗余度高、能耗 大等不足。 关键词：无线传感器网
3、络；flooding 路由协议；MATLAB 仿真 ABSTRACT Wireless sensor networks are a new research field of computer science and technology. They are the integration of sensor techniques, nested computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication techniques. Comparing with traditional
4、networks, the wireless sensor networks features with low cost, low power loss, flexible layout and high monitor precision, therefore the sensor networks can be used for various application are as such as military, chemical, home. This article focus on wireless sensor networks based on the Pan Hung-r
5、outing protocol, wireless sensor network nodes large number of individual nodes with limited resources, the routing protocol designed first and foremost objective is to improve energy efficiency and extend the network lifetime. This paper summarizes the WSN the concept, structure and characteristics
6、 of the WSN the key technical problems and network protocols; study of the WSN system and network routing protocol agreement the classification, analysis and comparison of the current domestic and foreign scholars have proposed several representatives The routing of the agreement and its performance
7、 advantages and disadvantages; chosen the flooding focus on routing protocols, analysis of the routing algorithm to achieve the specific, the sensor nodes the limited scope of energy and transmission characteristics, a delay based on the Adaptive Flood routing algorithm, first of all through the nod
8、es in the network source in the smaller routing, and routing the request to restore the text to create a routing, routing the process of establishing adaptive to determine the waiting time to make better Routing the request was transmitted by text, and then another source nodes along the path forwar
9、d the establishment of good data on the larger text. MATLAB and use the network simulation tool for the overall routing protocol simulation, and the data were analyzed. The simulation shows that the new algorithm than Flooding energy-saving, can better overcome Flooding algorithm message redundancy
10、and high energy consumption, such as the insufficient. Keywords：WSN；flooding routing protocols；MATLAB Simulation 目 录 1 绪 论.1 1.1 课题背景.1 1.2 国内外技术研究现状.2 1.3 课题研究的目的和意义.3 2 WSN 综述.4 2.1 WSN 的概念.4 2.2 WSN 的结构.4 2.2.1 节点结构.4 2.2.2 网络体系结构.5 2.3 WSN 协议栈.6 2.4 WSN 的拓扑结构.7 2.5 WSN 的特点.10 2.6 WSN 的关键性技术问题11
11、2.6.1 功耗问题.12 2.6.2 节能策略.12 2.6.3 通信问题.14 2.6.4 网络安全问题.15 2.6.5 定位问题.15 2.6.6 数据管理.15 2.6.7 服务质量.16 2.6.8 嵌入式操作系统.16 3.WSN 路由协议算法分析16 3.1 WSN 路由协议的分类方法.17 3.2 几种典型路由协议的分析.18 3.2.1 平面路由协议.18 3.2.2 分层路由协议.21 4Flooding 路由协议的分析与研究27 4.1 泛洪算法模型.27 4.2 算法流程图.28 4.3 基于延迟的自适应洪泛路由算法.29 4.3.1 算法中用到的报文和数据.29 4
12、.3.2 SFD 算法描述30 4.3.3 性能比较尺度.31 4.3.4 理论分析.32 5 Flooding 路由协议的 MATLAB 仿真35 5.1 MATLAB 仿真平台介绍.35 5.2 算法仿真实验参数.38 5.3 实验结果.39 6结 论42 致 谢.43 参考文献.44 附录 A：英文原文.45 附录 B：中文翻译.51 附录 C：程序代码.55 沈阳理工大学学士学位论文 1 1 绪 论 1.1 课题背景 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 WSN 下一个世
13、纪面临的发展机遇。2003 年，美国技术评论杂志在论述未来新兴 十大技术时，WSN 名列第一；同年，美国 Business week 预测的未来四大新技术： 效用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官，QSN 也列入其中。2004 年 (IEEE spectrum杂志发表一期专集传感器的国度 ，论述了 WSN 的发展和可能 的广泛应用。可以预计，WSN 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。有专家预计，WSN 的广泛应用是一种必然趋势， 它的出现将会给人类社会带来极大的变革。传感器网络的发展主要经历了 4 代： (1)第一代：上世纪 70 年代，就
14、出现了具有简单模拟信号传输功能的传统传感器所组 成的点对点输出的测控系统网络。该网络具有简单信息获取能力，只是初步实现了 信息的单向传递，其缺点是布线复杂、抗干扰性差。 (2)第二代：随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络具有了获取多种信息的综 合处理能力，并通过采用串/并接口与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理 能力的传感器网络。 (3)第三代：20 世纪 90 年代后期，出现了基于现场总线技术的智能传感器网络。现 场总线是连接智能化现场设备和控制室的全数字、开放式的双向通信网络智能传感 器的通信技术进入局域网阶段，其局部测控网络通过网关和路由器可以实现与 Intimae 灯 Int
15、ranet 连接。 (4)第四代：大量多功能传感器被运用，并采用无线通信机制，因此也称为。WSN， 正处于研究和开发阶段。 WSN 是一种无基础设施的网络，由一定数目的传感器节点构成，它综合了 传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能协作地 实时监测、感知和采集节点部署区域的各种环境或监测对象的信息(如光强、温 度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些数据进行处理，获得详 沈阳理工大学学士学位论文 2 尽而准确的信息，通过无线网络最终发送给观察者。在环境监测、医疗护理、抢 险救灾、智能家居、工业生产控制以及商业等领域具有广阔的应用前景。 1.2 国内外技术研究
16、现状 目前，国内外 WSN 研究主要集中于网络协议、能量、定位、可靠性、网络架构以 及数据处理等问题，网络协议的研究是其中的热点之一。针对无线自主网络的特点， 经过多年的研究，国内外的研究人员相继提出了许多专门应用于无线自主网络的路由 协议。目前提出的各种路由协议基本上可以按照三种思路进行分类。 (1) 按照获取路由信息的时机分类，可分为主动路由协议和按需路由协议。主动路由 有 DSDV、WRP、STARA；按需路由协议主要有 DSR、AODV。 (2) 按照网络的层次分类，可分为平面结构路由和层次结构路由。平面路由协议主要 有 flooding、SPIN、DD、HREEMR、SAR；层次结构路由主要有 LEACH、PEGASIS 等。 (3) 按照协议的功能分类，可分为支持地理定位辅助路由和不支持地理定位辅助路由； 支持服务质量 QoS 的路由协议和不支持 QoS 的路由协议；支持组播通信的路由协议和 不支持组播通信的路由协议等。地理定位辅助协议主要有 MECN 和 SMECN。 无线传感器网络的研究起始于 20 世纪 90 年代末期，由于具有巨大的应用价值， 它己
