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1、基于LEACH协议的无线传感器网络混合路由协议的研究 全日制硕士学位论文申请人姓名梅茜指导教师许合利学位类别工学硕士专业名称计算机应用技术研究方向计算机网络技术河南理工大学计算机科学与技术学院二一三年六月于基于LEACH协议的无线传感器网络混合路由协议的研究Research onHybrid RoutingProtocol forWireless SensorNetworks Basedon LEACHProtocolTP393密级公开UDC004单位代码10460基于LEACH协议的无线传感器网络混合路由协议的研究Research onHybrid RoutingProtocol forWi
2、reless SensorNetworks Basedon LEACHProtocol申请人姓名梅茜学位类别工学硕士专业名称计算机应用技术研究方向计算机网络技术导师许合利职称教授提交日期xx-04答辩日期xx-06河南理工大学学河南理工大学明学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文基于LEACH协议的无线传感器网络混合路由协议的研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一
3、切相关责任。 学位论文作者签名:年月日河南理工大学学位论文使用授权声明本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，允许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和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名导师签名年月日年月日日致谢时光转瞬即逝，三年的研究生生活即将拉下帷幕。 回首这三年的求学历程，心中感慨颇多。 我由最初基础理论知识不扎实、专业技能不突出到如今能独立
4、完成本课题中相关的研发工作，这一切成长都离不开导师的教导、亲人的支持、朋友的帮助。 在论文即将完成之际，我要向所有关心和帮助过我的导师、亲人、朋友致以最诚挚的感谢。 首先要感谢我的导师许合利教授，在我研究生求学期间，从生活和学习等各方面都给我悉心的教导和关怀。 从课题的选择到最终论文的完成，许老师都给了我很多优秀的建议和指导，指点我从正确的方向去学习和研究。 同时，许老师严谨的治学态度、一丝不苟的科研精神、认真的工作态度都让我受益匪浅，并激励我不断进步。 其次要感谢王利红老师和各位师兄师姐们，对我在无线传感器网络方向的入门和学习给予了很大的帮助，有了你们，我才能在课题的研究上走的更远，衷心的感
5、谢你们。 感谢在生活中一直关心我、支持我的朋友、同学，是你们陪我度过了一个个难关，一起在学习和生活中慢慢成长，因为你们，我的研究生生活变得丰富多彩，谢谢你们。 最后，我要感谢我的父母、我的家人，你们竭尽全力在物质上和精神上给予我支持和鼓励，在很多个艰难的抉择面前，是你们在身后的支持让我走到现在，谢谢你们的理解和支持。 I摘要无线传感器网络(Wireless sensorworks，WSN)技术作为一种新型的、智能的信息获取、信息处理和信息传输技术，因其自组织、可维护、无人看守、抗毁性强等特点被广泛应用于智能交通、健康医疗、军事侦察、生物研究等各行各业，受到越来越多的专家和组织机构的重视。 但是
6、由于传感器节点电池能量有限、通信能力有限、计算和处理能力有限，使得能耗优化问题成为WSN技术的重点研究问题。 而在针对能耗优化提出的节能策略中，路由节能策略是解决节点能效问题的基本方法，根据实际的应用设计出合理的路由协议，能在很大程度上提高网络的能耗优化性、可扩展性、鲁棒性等。 在对路由协议的研究中，分簇路由协议因其具有拓扑控制和路由的双重功能而成为目前研究的热点问题。 本文以经典自适应分簇路由协议LEACH协议为主要研究对象，分析其不足，并通过对WSN中能耗的分析和计算，指明分簇多跳短距离通信协议对大规模WSN中节能优化的必要性，在对LEACH协议簇头选举阶段的阀值公式进行改进后，针对簇内单
7、跳通信模式的局限性提出了采用量子遗传算法的多跳混合路由协议。 首先，本文归纳总结了WSN国内外研究现状和关键技术，并对WSN巨大的应用价值、特点、体系结构、节点结构、网络结构做了简单介绍。 为后文对WSN中能耗的分析和计算奠定理论基础。 其次，本文对WSN的能耗分析和计算进行了详细的描述，介绍了针对当前WSN能耗问题提出的几种节能策略，通过分析指明路由节能策略的重要性。 接着分类介绍了几种典型的路由协议。 再次，本文重点研究了LEACH协议的算法流程并提出了新的改进协议混合路由协议。 该改进协议在簇头竞争阶段，将节点的剩余能量、节点的邻居节点数目、节点到基站的距离三个因素考虑在内，寻找剩余能量
8、相对较高、距离基站相对较近、邻居节点数相对较多的节点成为簇头。 在分簇完成之后，簇内节点采用量子遗传算法进行簇内通信。 最后，通过将该混合路由协议与LEACH协议、另外两种经典的LEACH改进算法进行MATLAB仿真实验，证明了混合路由协议有效的降低了节点的能量消耗，均衡了网络能量负载，延长了网络的生命周期。 无线传感器网络(Wireless SensorNetworks，WSN)1-4是由大量随机部署在监测区域的体积小、成本低、能量有限的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点组成的。 网路中各节点通过无线通信的方式协同的感测、采集、处理、传送在网络覆盖区域内用户感兴趣的事件或参数信息，形
9、成一个自组织的单跳或者多跳的网络系统。 节点中内置的各种传感器可用于针对不同应用而感测监测区域中不同的信号，从而采集到各种用户需要的数据，并通过节点的无线通信方式将这些数据通过互联网或卫星传送给用户。 由于无线传感网络具备潜在和广泛的应用价值，吸引了众多研究者从事WSN技术的研究和开发工作。 在无线传感器技术出现之前，人们已经对不同类型的有线、无线网络进行了深入研究，但由于WSN低功耗、低成本、自组织、自适应、无人值守、抗毁性强、部署迅速等特点，导致WSN与当前成熟的有线、无线网络相比具有更大的优势，能应用于各种环境特别是传统传感器网络无法部署的区域，这也决定了WSN无论是在通信协议还是工程应
10、用方面都和传统的有线、无线网络有很大的不同。 虽然如此，一方面，传感器技术、低功率电子学以及低功率射频(Radio Frequency，RF)设计技术的发展和进步使人们已经能够开发微型的、可通过无线网络互相连接的、相对低廉的低功率传感器。 另一方面，WSN大部分被部署于环境恶劣、人员无法到达的区域，扩展了传统的传感器网络的应用范围和规模，是一种人类的物理世界与信息世界联系的新方式，因此，WSN技术引起了各国学者的重视和研究。 因为WSN巨大的应用价值，各国学者和研究机构都纷纷对其基础理论和实际河南理工大学硕士学位论文2应用做了大量研究，取得了一定的成果。 但是其中仍然存在很多技术“瓶颈”，很多
11、关键性的技术问题并没有获得高效的解决办法。 目前，WSN中亟待解决的关键性问题就是能耗优化问题。 传感器节点体积小，因而数据处理能力、数据存储能力、电池容量都有限，而传感器节点一般是随机抛洒到具有复杂地貌的地区或人类无法接近的恶劣甚至非常危险的环境中，电池能源是无法更换的、不可以再充电和不可再生的。 因此网络中的节点常常因为电池能量耗尽而失效或被废弃，导致整个网络的寿命缩短。 虽然已经提出了大量的节能策略，但应用到具体实际中的很少，仍需要加强理论研究，并通过实地测试来验证节能策略的有效性和正确性。 目前，节能策略的研究是WSN技术的研究重点之一。 已经针对能耗优化问题从传感器节点本身和网络通信
12、协议层的各层提出了相应的节能策略。 总体来说，对WSN的通信协议层的研究主要是针对数据链路层和网络层，通过这两层的跨层协议的研究能在很大程度上降低网络的能耗，延长网络的生命周期。 而路由协议的节能策略是对网络层的能耗优化设计中最为关键的一种，对优化网络性能有至关重要的作用。 路由协议分析与设计的核心就是通过有效的路径搜寻来减少整个网络通信的能量消耗，从而延长网络的生命周期。 目前，对WSN路由协议的研究已经有了很大的进展，先后提出了平面路由协议、分层路由协议、基于位置的路由协议、基于机会的路由协议等等。 本课题就是在这样的背景下提出的，通过分类介绍路由协议的运行流程，了解路由协议设计的要求和目
13、标，并通过对层次型分簇路由协议的经典协议LEACH协议的研究和分析，提出比LEACH协议和其他改进算法更优良的混合路由协议，该协议在选举簇头时对LEACH协议中阀值的计算进行了改进，能有效均衡网络整体的能量消耗，并在簇内通信中引进量子遗传算法，能适用于大规模的WSN的应用，有效的降低节点的能量消耗，延长整个网络的生命周期。 1.2国内外研究现状WSN在国防军事、智能交通、环境监测、健康医疗、智能家居等很多方面都具有十分广阔的应用前景，引起了大批学者的兴趣和关注。 但是它涉及了计算机网络技术、现代传感器技术、分布式信息处理技术等多种技术，要实现WSN应用，需要解决很多关键的技术问题。 为此，许多
14、国家和研究机构都很重视对WSN技术1绪论3基础理论和关键技术的研究。 在国外，美国是最早对WSN技术进行研究的国家，20世纪70年代末，美国军方基于对军用侦察系统的需求提出了WSN的构想。 1978年，美国国防部高级研究计划局(Defense AdvancedReaserch ProjectsAgency，DARPA)提出了分布式传感器网络计划，在卡耐基-梅隆大学组成了有多个高校组成的研究小组，对分布式传感器网络的通信和计算等问题进行了研究。 20世纪80年代至90年代末，美国军方和DARAP又联合设立了对WSN技术和系统的研究，如“智能微尘”(SmartDust)5、“无线综合网络传感器”(
15、WINS)6、“传感器信息技术”(SensorIT)7等。 1999年，美国商业周刊杂志提出WSN是21世纪最重要的技术之一。 而美国MIT技术评论杂志认为WSN技术是未来十大新兴技术的首要技术。 2000年，美国国防部将智能传感器网络(Smart SensorWeb)列为5个国防尖端领域之一，并将其作为一项优先发展的研究计划，并相继提出和实施了“灵巧传感器网络通信”、“无人值守地面传感器群”、“战场环境侦察与监视系统”等项目。 xx年，美国今日防务杂志认为无线传感器网络技术的发展和应用将引发一场划时代的技术变革。 近年来，美国通过各种渠道包括国际自然科学基金和国防部等投入了大量资金给大学和研究机构进行无线传感器网络相关理论和应用的研究，美国政府的积极态度使得现在几乎美国所有的著名大学和研究机构都在对无线传感器网络技术进行研究和实验。 在以上各种项目的支持下，很多大学和研究所都提出了许多解决WSN技术问题的解决方案，开发出了许多可以用于实际应用的通信协议和软硬件平台，进行了大量的有关WSN应用的现场试验。 如麻省理工学院(Mas
