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1、无线传感器网络论文学 号：学生所在学院：软件学院学 生 姓 名 ： 任 课 教 师 ： 教师所在学院：软件学院2012 年 6 月11 级研高效节能 WSN路由算法Mi软件学院Abstract: Network architectures and protocol are the very important aspects in the design of wireless sensor network (WSN).Since nodes in a sensor network is a severe energy constraints, network architectural des
2、ign has been effected by the energy consumption and the operational lifetime of the whole network.In order to prolong the lifetime of WSN network, energy efficiency of the sources should be considered.We propose an energy efficient routing algorithm by using the broadcast to establish routing table,
3、 which is periodically transmitting and performing analysis through simulation method.Keywords:Wireless Sensor Network；energy efficient；routing；broadcasting摘要：在设计无线传感器网络（WSN）中网络体系结构和协议是非常重要的方面。由于传感器网络节点是有严重的能量约束的，网络体系结构的设计在很大程度上受能量消耗和整个网络的运行寿命的影响。为了延长 WSN 网络生命周期，应该考虑能源的高效率。我们提出了一种能量有效的路由算法，使用广播的形式建立
4、路由表，这样就能够是周期性发送并通过仿真方法进行性能分析。关键字：无线传感器网络；能源效率；路由协议；广播1.前言无线传感器网络（WSN）是由包括传感器的网络组成的，这些传感器能监测静态物理现象，如温度，压力，湿度和位置以及发送到 Sink 节点。一个 WSN 网络通常由大量的部署在一个感兴趣区域的传感器节点所组成。这些传感器节点拥有，有限的处理，存储容量和有限的能源容量。传感器节点一般由电池供电。在大多数的情况下，他们被部署在一个荒芜恶劣或者是敌方战场的环境中，那里是非常困难甚至不可能更换电池或对电池进行充电。为了延一个传感器网络的运行寿命，在传感器网络设计每一个方面都应该考虑能量效率。本次
5、研究所提出的路由协议，不仅可以反映网络状况，而且可以有限硬件资源的 WSN 中降低能源消耗。2.前期工作下面先来介绍一下 WSN 传统的路由算法：低能量自适应聚类层次（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy ，LEACH)是基于一种聚合技术，能将原始数据结合或聚合成一个更小规模的数据，使其能让所有单独孤立的传感器只执行有意义的信息。为此，LEACH 将一个网络分割成一些分簇的传感器，这些集群是使用本地化的协调控制来进行构造，不仅能减少传输到 Sink 节点的数据量，而且能使路由和数据传播有更好的可扩展性和稳定性。由于传感器的能量损耗取决于距离和传输数据
6、的大小，LEACH 试图在短距离、减少传输量和接收操作的情况下，发送数据1。定向扩散（Directed diffusion），是使用洪泛的方法在整个传感器网络中传播查询的技术。在定向扩散中，一个传感器产生的数据是由一个确定的属性值对来定义。一个查询回答的生成来响应一个名叫兴趣节点，是中心数据。定向扩散频繁的利用时空相关的数据流，更适用于密集的，静电传感器网络。因此，他们不是非常适合在低耦合情况的类型网络，例如，移动传感器网络2。信息协商传感器协议（Sensor Protocols for Information via Negotiation，SPIN)的设计方式，是提高经典洪泛协议和克服它们
7、可能导致的问题，例如，先前讨论的内爆和重叠。此外，在洪泛使用时，使传感器盲目消耗其现有可使用的资源。SPIN 协议有资源意识和资源自适应。正在运行 SPIN协议的传感器能够对整个网络计算，发送和接收数的据请求进行能量消耗的计算。因此，他们可以对自己的资源有效利用作出明智的决定3。3.协议的提出一个 WSN 是由大量密集部署的传感器节点组成的。其中，每个节点的状态变化频繁。本协议应能妥善应对变化，在资源有限的传感器节点的操作和降低能耗。在 WSN 中大多数数据模式是一个多对一的类型，传感器节点的数据发送到一个单一的 sink 节点。传输到 sink 节点的数据之间是广播、多信道广播、多播数据包，
8、其目的是查询，补丁程序和控制信息传输。这些数据根据应用服务来区分传输时间和间隔。因此，该传感器节点只能对到 sink 节点的路径进行操作。每个节点的路由是指它的路由选择表。路由表在 24 小时期间进行更新，并且采用广播信息的方式构造。不论何时，Sink 所广播的消息通过一个节点时，都增加了消息的跳数。每个节点分析从邻居节点接收到的广播消息的 ID。如果节点收到同一个 ID 的消息超过 3 次，节点决定基于跳数的路径优先和发送者的能量水平以及更新其路由表单。表 1.路由广播消息的域域名 含义ID 广播消息标识符Flag 广播信息分为 3 类：路由构造信息；路由表更新信息；正常的广播消息节点标示符
9、 发送者标识符位置信息 发送者位置信息到 sink 的跳数 源到 sink 的跳数能量水平 发送者剩余能量水平首先，sink 是传播广播包到邻居节点。接收到的数据包每个节点将收到数据包的 ID 同 临时存储的数据 ID 进行比较。节点可能通过其他途径接收广播数据包很多次。节点记录有相同 ID 的数据包和控制由于重复广播数据包带来的能源成本。节点存储接收的广播数据包到临时内存并增加记录、计数。当临时内存的消息同接收的数据包有相同的 ID 时，节点比较它的标识符。如果节点收到相同的 ID 和节点标识符，那收到的数据包是冗余的。在这种情况下，节点将丢掉接收的广播数据包。如果节点的计数器达到预定的最大
10、值，节点确定基于临时内存路径优先，更新路由表并丢掉应该从邻居节点接收的所有广播数据包。一些节点一直等待接收数据包因为节点计数器的值没有达到最大上限。为了避免这种情况，当节点收到到广播数据包开始，节点设置接收等待定时器。如果该节点计数器的值没有达到最大，节点就根据临时内存更新路由表单。图 1.路由表的构建算法图 1 是路由表的构建算法。brdcst_count 广播数据包计数器。tmp_brd 是管理接收广播数据包的类对象。这个类包括以下几种方法：empty()检查临时内存，检查临时内存是否为空。insert()存储接收的广播数据包到临时内存，确定基于跳数的路径优先以及能量水平。comp()比较
11、临时内存的数据包和接收的广播数据包。MAX 是为接收的广播包计数器预先定义的值。如果接收计数器是最大值，节点 drop 所有应该接收来自邻居节点的包。modify()改变节点标识符和从接收广播数据包到邻居节点的 sink 节点的跳数。图 2，3 描述路由表的构建机制。图 2.路由表构造机制图 3.路由表构造机制 2在图 3 中，节点 2 接收同节点 1，节点 3 相同的数据包。节点 2 接收广播数据包 3 次并更新路由表。但节点 1 和节点 3 不能接收广播数据包 3 次。每个节点拥有“接收等待定时器” 。如果当接收等待定时器结束，该节点还不能接收广播数据包 3 次，节点根据临时内存更新路由表
12、单。4 性能分析和结果4.1试验配置我们提出的性能分析机制使用模拟方法进行。图 4 描述了我们模拟的节点结构设计。进行模拟的环境：英特尔酷睿 2 四核 Q9550 2.83GHz, a CPU, RAM 8GM, Windows 7, 操作系统, Visual studio 2010.图 4.节点配置模拟是由 25 个节点形成 5x5 矩阵网格建设。节点 n（x，y）只有四直接传播：n(x1,y) 和 n(x,y1)。Sink 更新路由表发送广播数据包。接收等待计时器的值设置为 3 秒。在模拟中，节点只发送接收到的数据包。这一事实决定了路径的优先级局限于跳数。为了分析结果，结果包括：节点 ID
13、（位置信息） ，拥塞水平，下一个节点和每个节点到 sink 的跳数。如果所有节点的路由表更新结束，我们就可以分析所有节点的路由表单。4.2模拟结果和分析图 5 显示路由表的边缘节点，是 n(0,4), n(4,0), n(4,4)。当接收等待计时器计数结束，边缘节点更新路由表，因为边缘节点只有 2 个邻居节点。节点（4 , 4）有到 sink 相同跳数的路径。图 5.路由表的边缘节点和到 sink 有相同跳数的节点节点 n(3,4) 和 n(4,3)到 sink 有相同的跳数，但 n(3,4)拥挤程度低于n(4,4)。因此，我们提出的机制不仅反映跳计数也在部分网络中影响拥塞程度。这样，我们提出
14、的机制能支持节能和适当的网络状态的路由服务通过基于跳数和拥塞避免路由表的构建。5.总结无线传感器网络受到一些网络资源的限制，能源是最关键的资源，因为它决定了传感器寿命。因此，传感器的算法设计应该是尽可能的节能以延长其寿命。本文提出了一种使用广播的能量有效的路由算法。提出的算法基于能量水平和跳数计算构造最优路径，还可以执行的动态路由通过管理大量接收次数。本文提出了网络协议算法，通过广播包的计算来减少过多的资源成本。LEACH 协议不足的改进：LEACH 协议研究方向主要是针对 LEACH 协议不足，已经提出了大量的改进协议4。但是关于能量异构性以及节点剩余能量的问题还是存在很大的研究前景，分簇路
15、由中的许多路由协议都是在节点初始能量在相同的同构传感器网络中提出的。然而能量的异构性也是普遍存在的，比如为了延长无线传感器网络寿命，在原有的网络添加新传感器节点，这些节点能量就比原来节点的能量高。因此，分簇协议中能量异构性的存在将是在 WSN 中关于 LEACH 协议可改进的一个比较主要方向5。另外，还可以将节点的剩余能量作为一个选择簇头的参数，并尽量减少对协议复杂度增加6。参考文献1 胡 钢 ，谢冬梅 ，吴元忠. 无线传感器网络路由协议 LEAC H 的研究与改进,传感技术学报，20072Shujiang LI,Xin MA,Xiangdong WANG,Minghao TAN. Energ
16、y-efficient multipath routing in wireless sensor network considering wireless interference, J Control Theory Appl, 2011 9 , 1271323Yong-Jae Jang,Si-Yeong Bae,Sung-Keun Lee. An Energy-Efficient Routing Algorithm in Wireless Sensor Networks,the NIPA (NIPA-2011-(C1090-1121-0009)4Lin Wang,Antonio Fern andez Anta,Fa Zhang,ChenyingHou，Zhiyong Liu。Energy-Efficient Network Routing with Discrete Cost Functions，LNCS 7287, 20125陈雪娇，李向阳.WSN
