1、1毕业设计开题报告计算机科学与技术无线传感器网络路由协议研究一、选题的背景与意义选题背景随着微机电系统、无线通信技术、微型传感器技术和嵌入式技术的飞速发展，集数据采集、处理及通信功能于一体的无线传感器网络开始得到广泛的研究。网络层的路由协议是无线传感器网络研究的关键问题之一，它完成把数据分组从源节点引导到目的节点的功能。无线传感器节点是随机分布，电池供电，绝大部分的能量消耗是集中在无线通讯模块上，约占整个传感器节点能量消耗的80。因此，目前提出的传感器节点通讯网络路由协议主要是围绕着减少能量消耗延长网络生命周期而进行设计的。AOMDV多路径路由协议是无线传感器网络最重要的协议之一。通过它可以获
2、得多条通信路径并且能够减少路由发现延迟，实现负载均衡，能够显著节省节点能量和防止瓶颈的产生。LEACH协议是传感器中具有负载均衡的很有用的一种协议。LEACH协议以循环的方式随机选择蔟首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。这两种协议的研究对无线传感器路由协议的改进有很大帮助。由于无线信道的广播特性，无线网络中任一节点发送的无线信号都可能被其通信范围的节点接收到。当局部空间范围内有两个以上的节点同时发送时，就有可能在接收节点处发生信号叠加，造成冲突，以至于接收节点无法正确接收到发送的信息。有效协调多个节点共享信道资源，避免冲
3、突发生时无线网络面临的关键问题之一，直接影响着无线资源的使用效率、网络吞吐和时延等重要性能。所以，媒质接入控制（MAC）协议的研究也是无线传感器网络的重要课题之一。课题意义无线传感器网络是当前信息领域研究的热点，路由技术是无线传感器网络通信层的核心技术。目前，无线传感器网络路由协议研究的首要目标就是能量的高2效利用，通过对网络层的路由协议的研究和分析，总结出优化的措施，同时基于NS2仿真平台对LEACH协议和AOMDV协议进行仿真和实验，在实验的基础上，对协议给予改进和优化，设计有效的路由协议来提高通信质量、降低能量损耗、延长网络的生存时间，这是无线传感器网络的核心问题之一。同时，在MAC层上
4、，也有相应的协议，用于保证整个传感器网络的正常通信。通过对SMAC协议的理论原型的建立和仿真测试，总结出其节省能量的方法。双管齐下，对路由协议进行研究的同时，也对MAC层协议加以分析，对提高无线传感器网络的性能有很大帮助。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1、研究的基本内容是1深入理解和掌握无线传感器网络的基本技术原理2分析和研究无线传感器路由协议通过对实际场景进行理论分析，建立LEACH协议的理论原型。主要通过综合考虑候选节点的地理位置、剩余能量等参数来进行网络协议的选择，从而有效地降低能量与位置不佳的节点被选为簇首的可能性，进一步保证网络内节点能量负载的均衡性，提高LEACH协议优化能量
5、使用效率的性能。利用NS2平台对建立的LEACH协议的理论模型进行实际的仿真测试，并对LEACH协议中网络生命周期、存活节点个数等方面性能进行分析。通过对实际场景进行理论分析，建立AOMDV协议理论原型。主要通过如何在多路径中选择最短路径以及减少太长的路径的路由信息等方面来优化AOMDV协议，以避免出现长路径路由，实现减少时延，均衡负载效果。利用NS2平台对建立的AOMDV协议的理论模型进行实际的仿真测试，并对LEACH协议的网络时延、路由寻找、负载均衡传输等方面性能进行分析。3分析研究MAC层协议通过对实际场景进行理论分析，建立SMAC协议的理论原型。针对SMAC协议存在无法使节点的活动时间
6、根据通信负载动态变化以及节点休眠带来的延迟问题进行研究和分析，给予改进，利用NS2平台对建立的理论原型进行实际的仿真测试，并对其性能进行分析。2、研究拟解决的主要问题31LEACH协议对实际场景中LEACH协议进行分析并建立理论模型，在NS2环境中搭建LEACH协议，依据仿真后的数据，分析出LEACH协议的性能。并对LEACH协议进行总结和分析，给予改进后仿真验证。2AOMDV协议对实际场景中AOMDV协议进行分析并建立理论模型，在NS2环境中搭建AOMDV协议，依据仿真后的数据，对其进行分析，并作出改进，然后进行仿真验证。3MAC层协议对根据实际场景分析建立的SMAC协议理论原型进行仿真测试
7、，依据仿真后的数据，分析其各种能量消耗方式中节省能耗的方法，比如空闲侦听、冲突、串音和控制开销。三、研究的方法与技术路线1、研究的方法由于本课题的独特性加上难度方面的因素，目前所能采用的主要研究方法是理论论证结合实验和建模分析的研究方式。对于MAC层的SMAC协议主要采用的是理论论证的方式；对于网络层的路由协议LEACH协议和AOMDV协议采用实验研究和基于模型的方式来进行深入分析。2、技术路线本课题中所包含的技术路线主要包括1LEACH协议的研究和改进，在NS2平台中搭建LEACH协议仿真环境（用C语言添加或修改协议模块），并用NS2平台建立仿真拓扑（用OTCL语言编程实现），依据仿真后的数
8、据，分析LEACH协议的性能（用AWK脚本语言编程进行分析），并在GNUPLOT下编程显示分析结果。2AOMDV协议的研究与改进，在NS2平台中搭建AOMDV协议仿真环境（用C语言添加或修改协议模块），并用NS2平台建立仿真拓扑（用OTCL语言编程实现），依据仿真后的数据，分析AOMDV协议的性能（用AWK脚本语言编程进行分析），并在GNUPLOT下编程显示分析结果。3SMAC协议的研究与分析，在NS2平台中搭建SMAC协议仿真环境（用C语言添加或修改协议模块），并用NS2平台建立仿真拓扑（用OTCL语言编程实现），依据仿真后的数据，分析SMAC协议的性能（用AWK脚本语言编程进行4分析），并
9、在GNUPLOT下编程显示分析结果。四、研究的总体安排与进度本课题的总体安排和进度主要可以分成以下几个方面1、2010年12月2011年1月开题阶段，主要是熟悉课题，并收集相关的资料和书籍进行阅读和领悟。2、2011年2月2011年3月理论研究阶段，收集文献综述，并设计相关的理论模型。3、2011年4月2011年4月30，结合理论模型，设计具体的实施方案，并在仿真环境中进行仿真实验，同时对数据进行分析和研究。在以上基础上，提出问题，并进行相关的扩展和学习。4、2011年5月15月30，对研究所得到的数据和结论进行归纳，以报告的形式进行总结，最后完成本课题的研究和学习。五、主要参考文献1UCBE
10、RKELEY,LBL,XERO研究人员NS手册，20072JAECHUNGANDMARKCLAYPOOL,NS2BYEXAMPLE，20053柯志亨等NS仿真实验多媒体和无线网络通信M电子工业出版社，20094戴世瑾，张翼德等无线传感器网络的路由协议研究与分析J计算机应用研究，2006,23122942975孙利民无线传感器网络M清华大学出版社，20056于宏毅，李鸥等无线传感器网络理论、技术与实现M国防工业出版社，20087张少军无线传感器网络技术及其应用M中国电力出版社，20108金光网络技术实践教程M电子工业出版社，20099XIAOFANGLI,YINGCHIMAOASURVEYONT
11、OPOLOGYCONTROLINWIRELESSSENSORNETWORKSNANJING,CHINA，200810HEINZELMANWRCHANDRAKASANABALAKRISHNANHANAPPLICATIONSPECIFICPROTOCOLFORWIRELESSMICROSENSORNETWORKSJIEEETRANSACTIONSONWIRELESSCOMMUNICATION，2002L4660670511百思论坛HTTP/WWWBAISINET/FORUM4401HTML12NS2使用手册HTTP/HPDSEENCKUEDUTW/SMALLKO/NS2/NS2HTMWIRELES
12、S_SENSOR_NETWORK13通信世界网，HTTP/WWWCWWNETCN/6毕业设计文献综述计算机信息技术无线传感器网络路由协议研究摘要路由协议是无线传感器网络的重要组成部分，节能是无线传感器网络路由协议设计所要解决的首要问题。本文重点分析了低功耗路由协议LEACH，同时简单介绍了其他几种典型的路由协议，并对各路由协议进行了综合比较。另外，还分析了MAC协议中基于竞争机制的典型协议，并进行了总结。关键字路由协议；节能；MAC协议；1引言由传感器、无线通信和网络三大技术融合而形成的传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。而无线传感器网络1是计算机科学和通信技术的一个新的研究领域，由于其
13、广阔的应用前景，近年来受到了越来越多的关注，各种面向具体应用的无线传感器网络路由协议应运而生。无线传感器网络由大量微型传感器节点组成，且这种微型传感器节点能量有限而且一旦布设后不再更换，因此能量是无线传感器节点最重要的资源，它直接关系着网络的使用寿命。所以节能问题成为研究无线传感器网络一个主要的目标。2无线传感器网络的路由协议路由协议时网络中传感器节点相互通信的基础，同时也是网络层的主要功能。无线传感器网络中节点的电源续航能力、数据处理能力、通信带宽以及数据存储能力都很有限，由于无线传感器网络的特殊性，无法直接采用传统的路由协议，即使ADHOC的路由协议也无法直接使用。为无线传感器网络层设计有
14、效的路由协议来提高通信质量、降低能量损耗、延长网络的生存时间是无线传感器网络技术的核心问题之一2。21低功耗路由协议LEACH协议LEACHLOWENERGYADAPTIVECLUSTERINGHIERARCHY是MIT的CHANDRAKASAN等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应分层路由算法3。它是以循环的方式随机选择簇头节点,将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中,从而达到降低网络能源消耗,提高网络整体生存时间的目的。LEACH在运行过程中不断地循环执行簇的重构过程。每个簇重构过程可以用轮的概念来描述。每个轮可以分成两个阶段初始化和稳定工作两个阶段。7初始化阶段即簇的形成阶段。在
15、每一轮的初始化阶段,每个传感器节点都要决定自己是否充当簇头节点。簇头节点必须从那些没有当过簇头节点的节点中选择,直到网络中的所有节点都当过簇头节点,然后再进行重新选举。簇头节点还会使用压缩技术处理数据，减少发送的数据量，进而大大节约了能量。22其他典型路由协议221DD协议DDDIRECTEDDIFFUSION是ESTRIN等人专为无线传感器网络设计的路由协议4。汇聚节点将查询任务封装成兴趣消息INTEREST的形式,采用洪泛方式传播兴趣消息到其他节点,兴趣消息用来表达用户对监测区域内感兴趣的信息。在兴趣消息的传播过程中,协议逐跳地在每个节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输梯度。节点将
16、采集到的数据沿着梯度方向传送到汇聚节点。定向扩散的最大特点是引入网络梯度的概念,其优势在于扩散过程能够将按照经验选取的较优路径缓存以实现节能,并且提高节点间的有效性、鲁棒性和协作的可扩展性。222GEAR协议GEARGEOGRAPHICALANDENERGYAWAREROUTING是一种典型的地理位置路由协议5。该算法的提出基于以下思想在传感器网络中向适当区域发送查询时,此查询数据中包含了位置属性信息,因此,可以利用这一信息将在整个网络中扩散的信息传送到适当的位置区域中。该算法引入了预估费用ESTIMATEDCOST和学习费用LEARNINGCOST,通过比较两者值的大小来选取更接近汇聚节点的
17、传感器节点作为下一跳。GEAR利用能量和地理信息作为启发式选择路径向目标区域传送数据,它是在DD的基础上提出的,但由于GEAR只考虑向某个特定区域发送兴趣,而不是像DD那样发布到整个网络,因此,GEAR相对DD更加节省能量。223SPIN协议SPINSENSORPROTOCOLSFORINFORMATIONVIANEGOTIATION协议6的设计思想是每个节点在发送数据前通过协商来确定其他节点是否需要该数据；同时,节点通过元数据确定接收数据中是否有重复信息存在。节点通过3种消息进行通信ADV数据描述，REQ数据请求和DATA数据。源节点在传送DATA信息之前,首先向相邻节点广播包含DATA数据
18、描述机制的ADV信息,需要该DATA信息的邻节点向信息源发送REQ请求信息,源节点在收到REQ信息后,有选择地将DATA信息发送给相应的邻节点。收到DATA后,该邻节点可以作为信息，按照前述过程将DATA信息继续传播到网络中的其他节点。该协议的优点是ADV消息减8轻了内爆问题；通过数据命名解决了交叠问题；节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告，避免了资源利用盲目的问题，进而有效地节约了能量。其缺陷是当产生或收到数据的节点的所有邻节点均不需要该数据时，将导致数据不能继续转发，会使较远节点无法得到数据。23无线传感器网络路由协议总结节能是无线传感器网络最重要的特征，因而高效地利用能量是无
19、线传感器网络路由协议设计的根本出发点。LEACH和PEGASIS具有很好的节能策略，SPIN，DD，GEAR也分别具有相应的节能策略。但是，无线传感器网络与应用高度相关，所以路由协议在节能的前提下还能要满足以下方面的性能要求以数据为中心、支持数据融合、基于节点定位、具有可扩展性、鲁棒性、提供QOS支持等。依据上述性能指标,对描述的路由协议特点进行对比的结果如表1所示。表1协议节能数据融合节点定位扩展性鲁棒性QOS支持LEACH很好有不是好好不是PEGASIS很好有不是好好不是SPIN好有不是受限好不是GEAR好没有是受限好是DD好有不是受限好不是3MAC层协议有效调节多个节点共享信道资源，避免
20、冲突发生是无线网络面临的关键问题之一，直接影响着无线资源的使用效率、网络吞吐和时延等重要性能。媒质接入控制（MAC）协议，又称为多址接入协议，就是为解决次问题而引入的无线发送控制规程。31典型的MAC协议311SMAC协议SMAC协议是一种典型的基于竞争的随机访问协议MAC协议，它是建立在IEEE8021MAC协议7的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出来的传感器网络MAC协议。其冲突避免机制类似于IEEE80211DCF，采用物理载波侦听和虚拟载波侦听两种方式冲突发生概率，RTS/CTS握手机制避免隐藏终端问题。此外，SMAC首先引入了周期激活/休眠机制以避免空闲侦听，如图11所示，每
21、个节点周期地再一段时间内侦听信道，等待是否有业务到来，然9后进入休眠直到下一激活期开始。SMAC协议具有良好的扩展性，不要求严格的时间同步，但是它也存在着节点活动时间无法根据通信负载动态变化以及节点休眠带来的延迟问题7。图11节点的周期侦听休眠时序32SHIFT协议SHIFT协议7的设计目标是对于检测到时间的N个节点，使其中R个节点能在最短的时间内无冲突成功发送出事件监测消息，而抑制剩余NR个节点的消息发送。SHIFT协议使用了竞争窗口长度CW固定的窗口，节点不是从发送窗口选择发送时隙，而在不同的时隙选择发送数据的概率，如果能选择一种发送概率分布，使每个时隙上有且仅有一个节点发送成功的概率最大
22、，就能达到使监测到同一事件的多个节点在竞争窗口前面的各个时隙内不断无冲突发送的目的。SHIFT协议的核心就是选择合适的发送概率分布，为不同的时隙在整个竞争节点集中筛选出一个发送节点。SHIFT协议的主要优点是消息的发送概率分布，为不同的时隙在整个竞争节点集中筛选出一个发送节点。4总结由于WSNS资源有限且与应用高度相关，研究人员在设计路由协议时采用了多种策略。其中好的协议应具有以下特点针对节点能量高度受限，路由协议必须要高效利用能量以便延长网络生存时问；针对节点数据有相关性、包头开销大、节点能量有限等特点，路由协议需要采用数据聚合、数据过滤等技术；针对节点移动性不大的特点，路由协议不需要维护节
23、点的移动性；针对节点因所处位置及承担的责任不同而导致负载不平衡的特点，路由协议需采用通信量负载均衡技术；针对网络相对封闭、不提供计算等特点，路由协议只在SINK点考虑与其他网络互连；针对网络节点不常编址的特点，路由协议需采用基于数据或基于位置的通信机制；针对节点易失效的特点，通信协议需采用多路径机制。基于竞争的MAC协议在一定程度上节省了能力，在有些应用场合有较大的应用，但是其降低了宽带利用率和增加了通信时延，另外基于竞争的协议没有确切地保证不同节点的数据包的优先级。因此，其需要解决的是提供一个实时性的统计上界、限制优先级倒置的概率以建立统计上的端到端的时延保证。如果将路由层的设计渗透到MAC
24、层中，采用跨层设计，实现对节点工作模式的有效控制，10减少控制开销，从而取得更好的网络性能。这也是无线传感器网络发展的一个方向。参考文献1孙利民无线传感器网络M清华大学出版社,20052何志亨,程荣祥,邓德隽NS2仿真实验多媒体和无线网络通信M,电子工业出版社,20093HEINZELMANW,CHANDRAKASANA,BALAKRISHNANHENERGYEFFICIENTCOMMUNICATIOAPROTOCOLSORWIIELESSSENSORNETWORKSAIEEEPROCEEDINGSOFTHEHAWAIIINTERNATIONALCONFERENCESYSTEMSCIENCES
25、OOC2090300530144INTANAGONWIWATC,GOVINDANR,ESTRINDDIRECTEDDIFFUSIONFORWIRELESSSENSORNETWORKINGTRANSACTIONSONNETWORKING,2003,1112165YUY,GOVINDANR，ESTRINDGEOGRAPHICALANDENERGYAWAREROUTINGAREEURSIVEDATADISSEMINATIONPMTOOOLFORWIRELESSSENSORNETWORKSRUCLACOMPUTERSCIENCEDEPARTMENTTECHNICALREPORTUCLACSDTR一01
26、0023,20016KULIKJ,HEINZELMANW,BALAKRISHNANHNEGOTIATIONBASEDPROTOCOLSFORDISSEMINATINGINFORMATIONINWIRELESSSENSORNETWORKSJWIRELESSNETWORKS,2002,831691857于宏毅,李欧,张效义无线传感器网络理论、技术与实现M,国防工业出版社,20088张少军,无线传感器网络技术及应用,中国电力出版社,201011本科毕业设计（20届）无线传感器网络路由协议研究12摘要【摘要】随着微型传感器技术、无线通信技术、微机电系统和嵌入式技术的飞速发展，集数据采集、处理及通信功能
27、于一体的无线传感器网络开始得到广泛的研究。而路由协议是网络传感器节点互相通信的基础，同时也是网络层的主要功能。所以对路由协议的研究是非常必要的。本文主要对无线传感器网络路由协议进行了研究，主要做的工作有以下几方面（1）阐述了无线传感器网络的相关概念，如无线传感器网络的特点、体系结构等。重点介绍了无线传感器路由协议，并详细介绍了AOMDV协议和LEACH协议。通过对AOMDV协议与AODV协议进行仿真对比，分析了AOMDV协议的平均延时、分组投递率、吞吐量等性能，同时也对LEACH协议在节能方面进行了分析。（2）介绍了无线传感器网络的MAC层协议，详细分析了SMAC协议，并与80211协议比较，
28、分析两种协议消耗能量、平均延时等性能，最后对SMAC协议作出总结。（3）本文最后对所有工作做了总结，并进一步展望了无线传感器网络的发展方向和未来。【关键词】无线传感器网络；路由协议；能量消耗；平均时延13ABSTRACT【ABSTRACT】WITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFMICROELECTROMECHANICALSYSTEMS,WIRELESSCOMMUNICATIONTECHNOLOGY,MICROSENSORTECHNOLOGYANDEMBEDDEDTECHNOLOGY,WIRELESSSENSORNETWORKINCLUDINGDATAACQUISITION,PROC
29、ESSINGANDCOMMUNICATIONSFUNCTIONSBEGANTOBEEXTENSIVELYSTUDIEDGENERALLY,WIRELESSSENSORNETWORKSHASALARGENUMBEROFSENSORNODESINDENSECOMPOSITION,SOTHATTHECOMPOSITIONOFTHENODE,COMPUTINGPOWERANDBANDWIDTHAREVERYLIMITED,TRADITIONALWIRELESSROUTINGPROTOCOLSARENOTSUITABLEFORWIRELESSSENSORNETWORKSWIRELESSSENSORNET
30、WORKROUTINGPROTOCOLTHEPRIMARYGOALOFDESIGNEDISTOEFFECTIVELYSAVEENERGYANDPROLONGNETWORKLIFECYCLETHISPAPERFOCUSESONTHESTUDIESOFWIRELESSSENSORNETWORKROUTINGPROTOCOLSANDDOSOMEWORKFIRST,WEDESCRIBEDTHECONCEPTSOFWIRELESSSENSORNETWORKS,SUCHASFEATURESANDARCHITECTUREOFWIRELESSSENSORNETWORKS,ETCWEFOCUSEDONWIREL
31、ESSSENSORNETWORKROUTINGPROTOCOLS,ANDDETAILEDTHEAOMDVPROTOCOLANDLEACHPROTOCOLBYAGREEMENTWITHTHEAODVPROTOCOLAOMDVSIMULATIONCOMPARISON,ANALYZEDTHEAVERAGEDELAY,PACKETDELIVERYRATIOANDTHROUGHPUTPERFORMANCEOFTHEAOMDV,BUTALSOANALYZEDLEACHPROTOCOLONENERGYSAVINGSECOND,WEINTRODUCEDAWIRELESSSENSORNETWORKMACLAYE
32、RPROTOCOL,GAVEADETAILEDANALYSISOFTHESMACPROTOCOL,COMPAREDWITHTHE80211PROTOCOLANDSMACPROTOCOLTOANALYZETHEENERGYCONSUMPTION,AVERAGEDELAYANDOTHERPROPERTIES,CONCLUDEDTHEFINALAGREEMENTONTHESMACFINALLY,WEHADASUMMARYOFALLWORKDONEANDFURTHERPROSPECTEDOFTHEWIRELESSSENSORNETWORKDEVELOPMENTANDINTHEFUTURE【KEYWOR
33、DS】WIRELESSSENSORNETWORKS,ROUTINGPROTOCOL,ENERGYCONSUMPTION,AVERAGEDELAY14目录摘要12ASTUDYONROUTINGPROTOCOLSFORWIRELESSSENSORNETWORK错误未定义书签。ABSTRACT13目录141绪论1611引言1612无线传感器概述16121无线传感器网络的概念16122无线传感器网络的特点1713无线传感器网络体系结构18131无线传感器网络体系结构18132传感器节点的组成1814课题研究背景及意义1915本论文的主要研究内容20151拟解决的主要问题20152论文主要内容202仿真
34、工具介绍2121NS2简介2122NS2的功能模块2223NS2网络仿真过程2324NS2结果分析2425NS2中的模块和各种协议的对应关系253无线传感器网络路由协议2531无线传感器网络路由协议概述2532路由设计中的性能指标2633路由协议设计的关键问题分析26331能量有效性26332数据传输可靠性27333AOMDV协议和AODV协议27334AODV协议28335AOMDV协议28336AOMDV协议与AODV协议的仿真与比较29337AOMDV性能分析37338AOMDV协议总结3834网络分层路由LEACH协议39341LEACH协议安装及运行过程41342实验结果分析4234
35、3LEACH协议总结454无线传感器网络路由协议4741无线传感器网络MAC层协议概述4742SMAC协议4715421SMAC协议概述47422SMAC协议原理48423SMAC协议与80211协议比较49424SMAC协议仿真51425SMAC协议总结535总结和展望5451全文总结5452展望未来54参考文献55致谢错误未定义书签。161绪论11引言WSN技术被认为是现代社会中能够对经济、社会、和信息技术发挥重要作用的技术，该技术有巨大的发展潜力，其应用成果将会对社会产生很大的影响。WSN技术的应用领域也十分广泛，越来越多的不同行业的研究者也开始进入这一研究，同时这也极大的促进了无线传感
36、器网络的快速发展。12无线传感器概述121无线传感器网络的概念无线传感器网络WSNWIRELESSSENSORNETWORKS是由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络。它综合了现代网络及无线通信技术、嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术等，通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算模块对信息进行处理，并通过无线通信网络或其他形式的传输网络将信息传送至远端监控中心1。无线传感器网络由网关节点（SINK节点）、传输网络、无线传感器节点和远程监控中心4个基本部分组成，其组成结构如图11所示1。图11无线传感器网络的基本部分组成无线传感器网络的微型传感器具有通信能力、感知和计算
37、，它主要是由电源、感知单元、传输单元、和存储单元组成，对感知对象进行信息采集、存储和简单的计算后，通过传输网SINK节点传输网络监控中心监测现场区域监测节点17络的方式将信息传送给监控中心。一组微型传感器通过ADHOC方式组成无线传感器网络，网络中的传感器可以协作处理、感知和采集被监控区域的感知对象的数据及信息，并发布给用户。ADHOC网络通常也被称为自组织网络或无固定设施的网络，它能够灵活、快速和方便地自动组网，无线传感器网络属于ADHOC网络。无线传感器节点在需要被监测的区域内分布，主要是监测物理参量、信息等。网关节点将监测到的传感器节点的数据传送到远端的监控中心。122无线传感器网络的特
38、点无线传感器网络是一门融合多种新科技并具有鲜明跨学科特点的新技术。无线传感器网络特点如下（1）组网的方式是自组织。组网不用受限于固定的网络设施，通过分布式网络协议，传感器节点形成自组织网络，并可以自动调整来适应节点的移动、加入和退出，网络中多个激活节点可以自动、快速地组成一个独立的网络。（2）无中心结构。网络中所有节点构成一个对等式网络，各节点的地位是对等。节点可以随时离开或加入网络，网络中的部分节点发生故障并不影响整个网络的运行。（3）网络有动态拓扑。无线传感器网络中的节点可能由于故障或电池耗尽从网络中退出，也可能是按照设定的程序从网络运行中退出；网络外的无线传感器节点可以随时加入到网络中；
39、传感器节点具有移动属性。除节点移动以及节点的加入和退出导致网络拓扑变化外，节点能量耗尽或环境因素等因素也能导致节点故障或失效。为增强监测精度而新加入节点，均能导致网络拓扑结构动态变化。（4）采用多跳式路由进行路由传递。无线传感器网络中的节点通信距离较短，节点与相邻节点能直接通信。而要实现在网络覆盖范围之内的较远节点通信，则需要通过中间节点进行路由传递数据。无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，每个节点既能发送信息，又能转发信息，节点采用多跳式传递来完成各个传感器节点向SINK节点数据的发送。（5）高冗余性。由于大型无线传感器网络节点数量众多，所以要使无线传感器网络具有较高的网络链路
40、、节点以及采集数据的冗余特性，以保证整个系统的工作容错能力和高可靠性。18（6）硬件资源及功能有限性。无线传感器节点由于受体积、价格和携载能源等方面的限制，其计算、数据存储能力、存储空间都很有限，决定了在节点操作系统设计过程中，协议层次和内容不能过于复杂。（7）电源续航能力小。由于网络节点是由电池供电，而电池本身的续航能力较小。在许多应用场所中，无法对电池充电或更换电磁，当传感器节点电能用完，该节点就失去了作用。所以进行无线传感器网络设计时，要关注传感器节点的节能，并采取一定的技术方法来实现它。13无线传感器网络体系结构131无线传感器网络体系结构（1）支持动态协议栈的结构。这种体系结构是指允
41、许应用程序根据实际需求和应用环境动态加载协议栈，目的就是解决节点资源有限的问题4。（2）层次性的结构。该结构注重于代码的可重用性，从而可以节约相关的资源。（3）自适应体系的结构。自适应体系结构应用信息交换服务的思想，将分立的协议组件有机地连接，可以通过跨层设计的思想优化资源配置及应用等，从而提高网络的生命周期。（4）可编程体系结构。可编程的体系结构注重网内数据的处理，通过数据共享与融合，简化部分机制算法、协议，提高网络的性能。（5）自管理和自恢复的体系结构。这种系统结构将传统管理和服务功能融为一体，提高了网络的工作效率。（6）支持多任务的结构。在网络层和应用引入了状态层，根据网络环境及具体应用
42、目的和应用需求对网络节点进行功能性的划分。（7）基于代理的体系结构。基于代理体系结构便于应用程序的设计，同时支持多功能和多任务并采用代理的方式提高网络的可扩展性。132传感器节点的组成无线传感器节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块组成。各个组成模块的功能主要如下（1）传感器模块。其主要用于感知以及获取被监测对象的信息和有关的物理量，并将19其转换为数字信号。（2）处理器模块。处理器模块有可以调节电源工作的模式，可以更好的节能。处理器模块能够处理存储传感器采集的信息数据，并且对传感器节点各部分的工作进行协调。另外还要处理其他节点发来的相关数据。（3）无线通信模块。主要负责通过
43、传输网络及无线信道将处理器输出的数据传送给监控中心。一般情况下，无线通信模块具有较短距离进行通信、低耗能的特点。（4）电源模块。为其他模块提供工作电源。图12传感器网络节点的组成114课题研究背景及意义随着无线通信技术、嵌入式技术、微型传感器技术和微机电系统的飞速发展，集数据采集、处理及通信功能于一体的WSN开始得到广泛的研究。而网络层的路由协议是WSN研究的关键问题之一，它完成把数据分组从源节点传送到目的节点，这也是网路层的主要功能。无线传感器节点是随机分布的，而且又是电池供电，绝大部分的能量主要集中消耗在无线通讯模块上，约占整个传感器节点能量消耗的80。因此，对WSN路由协议的研究是非常重
44、要和迫切的，尤其是对能量消耗的研究，意义重大。AOMDV多路径路由协议是无线传感器网络路由协议中重要的协议之一。通过它可以获得多条通信路径并且能够减少路由发现延迟，实现负载均衡，能够显著节省节点能量和防止瓶颈的产生。LEACH协议是传感器中具有负载均衡的很有用的一种协议。LEACH协议以传感器模块无线通信模块处理器模块传感器A/D转换CPU存储器D/A转换收发器电源模块20循环的方式随机选择蔟首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。对这两种协议进行研究和总结，对无线传感器路由协议的认识和提高有很大帮助。无线信道具有广播的特性
45、，所以无线网络中任一节点发送的无线信号都可能被其通信范围的节点接收到。当有两个以上的节点在局部空间范围内同时发送信号时，在接收节点处就有可能发生信号叠加，导致冲突，以至于接收节点无法接收到正确的信息。对多个节点共享信道资源进行有效协调，避免冲突发生是WSN面临的关键问题之一，因为这直接影响着无线资源的网络吞吐、时延和使用效率等。所以，媒质接入控制（MAC）协议的研究也是无线传感器网络的重要课题之一。在上述背景下，本课题对无线传感器网络的SMAC协议进行模拟仿真研究，然后比较和分析，测试其性能，最后总结出协议的性能和特点。15本论文的主要研究内容151拟解决的主要问题本论文中主要是对无线传感器路
46、由协议进行研究，包括路由层的AOMDV协议、LEACH协议以及MAC层的SMAC协议，主要是AOMDV与AODV的性能比较，LEACH协议分析，SMAC协议的分析与80211协议的比较。实验的环境是网络仿真软件NS2。通过NS2进行仿真模拟，并通过对仿真出的数据进行分析和比较，得出结论。152论文主要内容本文的内容主要有以下几个方面第一章对无线传感网络，特别是WSN路由协议概念进行了简单介绍，综合阐述了本论文研究的背景，意义和讨论主要内容。第二章对实验所需工具NS2网络模拟软件及其用法进行介绍。第三章主要讨论无线传感器路由协议，分别模拟AOMDV协议与AODV协议两种仿真场景，在NS2环境中搭
47、建网络，模拟其机制运作，根据仿真结果，分析AOMDV协议的性能。另外还仿真了LEACH协议，分析了其在运作过程中能耗的特点。21第四章主要讨论MAC层的SMAC协议，SMAC协议在加入同步机制与不加入同步机制两种情况下与80211协议做比较，分析其平均时延、能量消耗等因素。第六章对全文做了总结，并对无线传感器网络的未来发展做了展望。2仿真工具介绍21NS2简介NS22是NETWORKSIMULATORVERSION2网络模拟器的简写，NS2是一种网络仿真集成环境，这是一个很好的分析网络传输的仿真、研究网络拓扑结构的工具，而本质上它是一个离散事件模拟器。与其它的网络仿真工具相比，NS对应用数据流
48、的仿真能力尤为突出模拟平台采用C语言编写，并使用OTCL语言编写命令和配置接口。NS2也为进行局域网的仿真而实现了多播以及一些MAC子层协议。NS2的开发语言是OTCL和C，提供了仿真网络各层次所必需的基本元素，但各层次元素之间的联系是很松散的，并不像实际网络中联系的这么紧密。如下图所示，从一个简单用户的角度看13，NS2是面向对象的TCL脚本器，即OTCL3，这个解释器由模拟事件调度、网络组装模块库和网络组件对象库等组成。换句话说，使用NS2，就是用OTCL脚本语言编写程序、设置和运行模拟网络；用OTCL脚本语言初始化一个事件调度器，设置网络的拓扑结构；用网络对象和它的成员函数通过使用事件调
49、度器通知网络源什么时候启动、什么时候结束。22NS2可以完成的功能包括191构建网络拓扑。NODE和LINK构成了NS2中的网络拓扑，其中NODE大约可被看作是对实现网络底三层设备的一个模拟，LINK则可被视为是对物理传输链路的模拟。2实现RTP协议的AGENT。NS2中，AGENT是对某一个网络协议的模拟，NS2预先实现了UDPAGENT和TCPAGENT以及一些常用网络应用协议的AGENT。3加载应用数据流由APPLICATION/TRAFFIC来实现。RTPAGENT本身已实现了产生数据流的工作，无须加载APPLICATION。22NS2的功能模块许多功能模块被封装在NS2仿真器内，其中包括链路、节点、代理和数据包格式等基本功能模块，下面就来介绍一下这几个基本的功能模块。（1）事件调度器目前总共有四种不同数据结构的调度器在NS2内，分别是日历表、实时调度器、堆、和链表。（2）链路（LINK）链路的作用是连接网络节点，因此它是由多个组件组成。链路管理分组的丢弃、到达和离开的形式是队列。（3）节点（NODE）节点是TCLOBJECT的对象构成的复合型组件，路由器和端节点可以用节点来表示。（4）代理（AGENT）代理主要用于网络层分组的接收和产生，同时在各个层次的协议实现时也可以用。每一个代理都被连接到一个网络节点上，然后该网络节点分配一个端口号OTCI面向
