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1、第一章 无线传感器网络1.1 研究背景与意义在当代大多数信息技术领域中,作为基础的传感器技术取得了飞快的发展,在获取信息方面是一种很重要的方式。它作为基础知识出现在物联网等一些新兴概念中,随着现代传感器技术的发展,人们获取信息数据的技术的方式由过去单一化逐渐的朝微型化和网络的转变,带来了无线传感器网络的迅猛发展。 近年来,随着技术水平的大规模提高,无线传感器网络的应用条件越来越成熟,应用围也越来越广。例如在环境监测中,可以用于监测大气成分、温度、湿度、亮度、压力、噪声等; 在医疗方面,在病人身上安置传感器,可以随时远程监控病人病情; 在工业控制中,许多大型设备需要监控关键部件的技术参数;在科学
2、研究领域,传感器网络提供了一种新型的研究手段,可以应用在地震、火山活动过程、生态系统微观行为的观察等研究中;在军事领域,传感器网络可应用在战场监测及武器装备试验中,也可以用于对军用物资的管理; 传感器网络与农业结合,对农作物和环境进行监测,根据实际情况调整水分、肥料和杀虫剂的使用量,可以达到低耗费、低污染、高产出的目的;在交通控制领域,车辆若装有传感器,可以监测车辆位置、速度、道路状况和车辆密度等信息,有助于司机了解路况。此外,无线传感器网络在智能家居、智能办公环境等方而也大有用武之地。因此,无线传感器网络的研究与开发成为近年来信息领域的研究热点1。1.2 无线传感器网络1.2.1 无线传感器
3、网络的基本概念1WSN 概述无线传感器网络是由分布在一定围的大量传感器节点组成,各节点之间多以无线多跳无中心方式连接,并且能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域目标对象的信息,并将相应信息返回给观察者。从上述定义可以看到,传感器、感知对象和观察者是传感器网络的 3 个基本要素；无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式,用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。传感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。节点间以 A
4、dHoc 方式进行通信,每个节点都可以充当路由器的角色,并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、无线通信部件和软件这几部分构成,电源为传感器提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、获取外界的信息,并将其转换为数字信号。处理部件负责协调节点各部分的工作,如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存,控制感知部件和电源的工作模式等。无线通信部件负责与其他传感器或观察者的通信。软件则为传感器提供必要的软件支持,如嵌入式操作系统、嵌入式数据库管理系统等。观察者是传感器网络的用户,是感知信息的接收者和应用者。观察者可以是人,也可以是计算机或其他设
5、备。例如,军队指挥官可以是传感器网络的观察者；一个由飞机携带的移动计算机也可以是传感器网络的观察者。一个传感器网络可以有多个观察者。一个观察者也可以是多个传感器网络的用户。观察者可以主动地查询或收集传感器网络的感知信息,也可以被动地接收传感器网络发布的信息。观察者将对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策,或对感知对象采取相应的行动。感知对象是观察者感兴趣的监测目标,也是传感器网络的感知对象,如坦克、军队、动物、有害气体等2。感知对象一般通过表示物理现象、化学现象或其他现象的数字量来表征,如温度、湿度等。一个传感器网络可以感知网络分布区域的多个对象。一个对象也可以被多个传感器网络所感知。2WS
6、N 特点 从路由的方面来看,无线传感器网络既不同于传统因特网和蜂窝移动网,也不同于移动自组网。无线传感器网络主要特点如下：1 微型传感器价格低廉。 适合大规模应用,微型传感器集成了多种功能 ,如无线通信、数据采集、数据处理等,并且微型传感器体积小,适合隐蔽安装,也被称为智能尘埃。2 节点资源有限。节点微型化导致了节点硬件资源有限。节点通常由电池供电,一般情况下 5 号电池供电,半年左右就需要更换,所以节点的能源是受限的,一旦电池能量耗尽,节点便无法继续提供服务。3 节点数目众多。为了能够捕获精确信息,需要在目标区域放置大量节点 ,以防出现盲区,数目众多的节点可以给网络提供冗余,保证了网络的健壮
7、性,不会因为某个节点出现差错,导致工作异常。4 动态拓扑。因为无线传感器工作时,受到多种外界环境因素的制约和干扰 ,某些节点可能会随时终止工作, 节点本身也可能是移动的,所以无线传感器网络的拓扑不是一成不变的, 而是处在变化中。5 自组织网络。在现实的应用中,节点安放的位置可能无法预先精确定位 ,相邻情况也无法准确估计, 这就要求节点能够自组网络,自动进行配置及通信,相互协调工作,对不断变化的网络拓扑做出响应。6 多跳路由。因为无线节点的功率都比较小,为了节省电力,信号覆盖围往往很有限,不可能覆盖整个网络,信号的对外传输需要相邻的节点来完成,这就要求网络中的节点还要担负路由的工作,要参与信号的
8、转发,每个节点都要担负中继的角色,信号往往经过多个网络中节点接力传输后才能到达汇聚点3。1.2.2 无线传感器网络体系结构无线传感器网络一般包括传感器节点、sink 汇聚节点和任务管理节点,这些节点可以通过人工、机械、飞行器抛撒等方式随机部署到监测区域,一般的无线传感器网络的结构如图 1-1所示。 图1-1 无线传感器网络的体系结构 Fig.1-1 The system architecture of WSN无线传感器网络根据需要和应用环境的不同,其结构可能会做出相应的调整。在传感器节点部署好以后,传感器节点会以自组织的形式构成无线网络,通过多跳中继的方式将采集到的数据发送给 sink 汇聚节
9、点,同时,sink 汇聚节点也可以同样的方式将信息发送给各个传感器节点。最终,借助于长距离通信或 internet,sink 节点将监测区域的感知数据发送给远端的任务管理节点。3网络拓扑结构 在 WSN 中,主要可以分为二种结构。分别为平面结构和分层网络结构。当区域的节点数量偏小时,基本采用平面拓扑方式。相反,当网络规模很大,节点数目众多,此时应采用分层网络结构4。 平面结构存在于平面结构的网络中的节点都是完全相同。在规定的通信围,它们可以和任意节点进行通信,有的节点能量耗尽不能工作,网络受其影响较小,可以看出平面结构的容错性较高。为保证区域的节点都可以正常的接收发送数据,因此每个节点都要存储
10、详细的路由信息,显然能量利用率很低。 分层结构在分层结构的网络中的节点有三种存在方式。一个完整网络是有许多的簇组成,而每个簇都含有一个簇头节点和普通成员节点,而传感器节点和通信节点又构成了普通成员节点。这里的普通节点功能单一,没有较为复杂的工作任务,减少了路由记录的过程,扩展性很强。但其也存在不足,因为执行分簇路由算法,因而在能量消耗上和网络运行的稳定程度上都存在一定困难。1.2.3无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络具有广泛的应用前景,已经成为信息领域研究的一个热点问题。由于它具有鲜明的多学科交叉特点,从关键技术的研究来看,研究的热点和难点主要集中在以下几个方面： MAC 层协议。无线传
11、感器网络的 MAC 层协议必须达到如下两个目标：一是创建网络基础设施,为节点间的通讯建立链路；一是传感器节点间公平地共享通信资源。由于节点的能量限制和数量巨大,而且无线信道存在单向性和广播性等特点,如何设计有效的媒体访问控制策略,减少通信冲突,节省能量就成了 MAC 层协议研究的主要容。 路由协议。它是无线传感器网络的一个核心问题。传感器节点能量有限,设计的路由协议不能太复杂,可以尝试以数据为中心,或者利用节点的位置信息进行路由,同时还需要考虑数据融合等操作,传统的无线网络路由协议不再适合或不完全适合于无线传感器网络。 时空约束。无线传感器网络是应用相关的网络,必须使用时间和空间信息对所感知的
12、事件进行刻画,而传感器节点通常又基于空间关系决定其所采取的动作,同时,时间对协议的运行也有显著的影响。因此该网络具有时间和空间约束。 网络安全。无线传感器网络部署在真实的物理空间,缺少专门的维护,安全受到严峻的挑战。该网络可能受到非法用户入侵、节点遭到俘获、路由欺诈等构成的安全威胁。因此,如何保证网络在执行秘密任务时产生可靠的数据就成了必须在设计网络时考虑的问题。 能源感知计算。节能是传感器网络设计中不可回避的一个核心问题,主要包括节点能源管理、网络能源优化和自适应能源计算。对于传感器节点,需要实现计算、通信和存储相互协调的能源管理；对于整个网络,需要考虑通信的分布、动态的拓扑管理、计算与通信
13、的权衡以及如何减少通信中不必要的额外开销。 数据的融合与管理。无线传感器网络的很多应用如目标跟踪、识别,需要多个传感器节点相互交换获取的多种数据信息协同处理才能完成。对于能量有限的传感器网络而言,如何选择参与协作的节点,根据资源消耗和应用需要均衡信息分布,是非常重要的问题。尤其当节点部署密集时,感知信息高度冗余,而网络带宽有限,高效的数据融合算法就显得至关重要5。1.3本文主要容及安排本文研究的主要容：首先,对无线传感器网络的概念、特点、体系结构及关键技术等进行介绍与研究,接着根据 WSN 的拓扑结构,主要研究它的路由协议,再对其中的一些典型的协议进行分析与比较。其次,分析几种协议的优缺点,选
14、择 LEACH 协议作为研究重点,深入研究分析 LEACH 协议的优缺点等,介绍在LEACH 基础上改进的经典算法。 最后,以前面的研究分析作为基础,在 LEACH 算法的模式上进行改进,详细阐述改进协议的关键点、网络模型、能量模型、改进技术,并将改进后的算法与 LEACH 协议及一些经典算法进行仿真,分析相关仿真实验结果。本文的主要工作是通过对 LEACH 协议的研究分析,针对不足之处,进行部分改进,改进了簇头选取方式、规了成簇围等,并用 MATLAB 语言进行仿真实验,仿真结果表明经过改进的协议优于 LEACH 协议。安排如下：第 1 章介绍本论文研究背景和目的,无线传感器网络进行了概述,
15、介绍了无线传感器网络体系结构和特点,分析了无线传感器网络的关键技术,制定出本论文的研究容及论文安排。第2章重点分析无线传感器网络传统的路由算法,讲述了路由协议的种类,简单介绍各类别中的典型算法,对算法优点及不足加以说明,并进行做表比较。重点介绍LEACH算法过程,并对LEACH算法进行深入的分析研究。第3章在 LEACH 算法基础上,提出存在问题和改进方法,分别在簇头选取、簇形成和簇间通信进行研究与部分改进,描述具体算法。并且对改进算法通过 MATLAB 语言进行仿真,并在多方面性能上与三种典型协议进行分析与比较,评价改进算法的效果。第 4 章对本文的研究与改进做一个总结,并阐述 WSN 路由协议的发展趋势及未来研究方向。第二章 无线传感器网络的路由协议2.1无线传感器网络路由协议概述 无线传感器网络作为一种无线多跳的自组织网络,其信道不稳定、信道间干扰、节点的移动性和实效性等特点,使得传统互联网路由协议不再适应于无线传感器网络。在 WSN 中,路由协议是至关重要的,由于 WSN 网络节点的能量有限、数据传递采用多跳路径,大多数节点不能与网关直接通信并且节点分布的位置是未知的,这些都导致无法继续沿用传统路由协议。网络的性能及工作效率的高低,这些都和路由协议的设计紧密相连,它不仅是网络中传感器节点传递消息的桥梁,也是网络层的
