1、 本科毕业论文 （ 20 届） 无线传感器网络二维地理路由仿真研究 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 武汉科技大学本科 毕业设计 I 摘 要 随着定位技术的发展 , 基于地理位置的路由协议受到广泛的关注与研究。 基于地理位置的路由协议是无线传感器网络路由 协议研究的一个重要方向。 对无线传感器二维地理路由进行仿真研究，可以通过采用 GPSR 协议来进行仿真研究。 本文首先介绍了无线传感器网络的基本知识以及无线传感器网络的路由协议的基本概念 。本文主要是对无线传感器网络路由协议中的基于地理位置信息的路由协议仿真研究，选择了无线传感器网络中地理路由
2、协议 GPSR。为了便于研究，然后详细分析了GPSR 协议中的贪婪转发及信标发送机制 , 遇到路由空洞时的局部优化问题 ,边界转发中所使用的右手法则和平面拓扑图的构造以及边界转发的实现等问题。 在进行仿真之前，本文简单的介绍了 NS2 以 及如何在 NS2 中添加 GPSR 协议。仿真实验中，共使用了6 个仿真场景，采用了 GPSR 与 DSDV 对比分析的方法。通过仿真实验可以得出结论，在一定的环境下， GPSR 协议是优于 DSDV 协议的 。 关键词 ：无线传感器网络； 二维地理路由； GPSR； 仿真 武汉科技大学本科 毕业设计 II Abstract With the develop
3、ment of positioning technology, the location-based routing protocol has gained significant attention and several implementations of the research have been investigated. The location-based routing protocol is expected to be one important subject of researches on routing protocols for Wireless Sensor
4、Networks. We take two-dimensional geographic routing for wireless sensor, by using GPRS protocol to carry out simulation study. First, this paper introduces the basic knowledge of wireless sensor networks and basic concepts of wireless sensor network routing protocols. This article is a routing prot
5、ocol for wireless sensor networks based on location information of routing protocol simulation studies which used the wireless sensor network geographic routing protocol GPSR. In order to facilitate the research, and then this paper analyzes the mechanism of greedy forwarding and beacon transmitting
6、 mechanism in GPSR protocol , local optimization problems when meeting routing voids, boundary forward used in the right hand rule and planar topology structure and boundary forwarding realization. Before simulation, the paper briefly describes the NS2 and how to add GPSR protocol in NS2. Simulation
7、 experiments, using a total of six simulation scenarios, using the method of comparative analysis GPSR and DSDV. The simulation results can be concluded that, under certain circumstances, GPSR protocol is better than DSDV protocol. Keywords: Wireless sensor networks; Geographic routing; GPSR; Simula
8、tion 武汉科技大学本科 毕业设计 III 目 录 1 绪论 .1 1.1 研究背景和意义 .1 1.2 内容组织结构 .2 2 无线传感器网络概述 .3 2.1 无线传感器网络的体系结构 .3 2.1.1 无线传感器网络的系统构架 .3 2.1.2 传感器节点的结构 .4 2.1.3 无线传感器网络的体系结构 .4 2.1.4 分层的网络通信协议 .5 2.2 无线传感器网络特性 .6 2.3 无线传感器网络的应用 .7 2.4 无线传感器网络路由协议 .8 2.4.1 无线传感器网络路由协议及其特点 .8 2.4.2 无线传感器路由协议分类 .9 2.5 无线传感器网络地理路由介绍 .1
9、0 2.5.1 地理路由基本原理 .10 2.5.2 无线传感器网络二维地理路由 .10 2.6 本章小结 .11 3 贪婪周边无状态路由 GPSR .12 3.1 基本思想 .12 3.2 关键技术 .12 3.2.1 信标发送机制 .12 3.2.2 局部优化问题 .12 3.2.3 边界转发 .13 3.3 GPSR 协议的优缺点 .17 3.4 本章小结 .17 4 NS2中 GPSR的添加 .18 4.1 NS2 .18 4.2 在 NS2 中添加 GPSR 协议 .19 4.3 本章小结 .19 5 仿真实验 .20 5.1 DSDV 简介 .20 武汉科技大学本科毕业设计 IV
10、5.2 仿真参数的设置 .20 5.2.1 节点的设置 .20 5.2.2 仿真场景 .21 5.2.3 代理及应用设置 .22 5.3 性能评价指标 .23 5.4 仿真结果及性能分析 .23 5.5 本章小结 .26 结束语 .27 参考文献 .28 致 谢 .29 武汉科技大学本科 毕业设计 1 1 绪论 1.1 研究背景和意义 在当今信息技术飞速发展的时代，微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低能耗多功能传感器的快速发展，使得传感器在其微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络研究起步于 20 世纪 80 年代，集合了传感测量 、微电子系统、
11、嵌入式计算以及网络通信等多种学科的最新成就，是一门新兴综合性科学技术，是现代高新技术领域的重要组成部分。无线传感器网络 (Wireless Sensor Networks, WSNs)就是由在监测区域内部署大量的传感器节点，通过无线通信的方式形成一个多跳的自由组织的通信网络系统。无线传感器网络极大拓展了人类的信息获取能力，通过将客观世界的物理信息与传输网络连接在一起，为人类提供了最为直接、有效、真实的物理世界信息。人们通过传感器网络直接感知物理世界，从而极大地增强了现有网络的功能和人类认识世界的 能力。 无线传感器网络是由大量集成有信息采集、数据处理和无线通信等功能的节点通过无线通信的方式组成
12、的多跳自组织网络。其旨在协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，让观察者知道何时何地发生何种事件。无线传感器网络中，很多应用需要用到地理位置信息。例如，在大面积环境探测中需要知道道感兴趣事件发生的地点；森林火灾灾情监测中，需要知道火灾发生的地域；在军事战场态势监测中，不仅要及时了解战场各种事件发生与否，同时也要知道该事件发生的地域，以便迅速采取有效行动。无线传感器照络中所感知的信息具有地域性。地理位置 信息服务具有很重要的作用；同时地理位置信息作为路由选择的依据，对数据的转发具有很强的导向性。 路由协议是研究无线传感器网络的一个热门方向，经过多年的研究，国内外各国学者已经设计了多种
13、路由协议，其中有许多路由协议对于新的路由协议的设计和研究有着很好的启发和借鉴意义。无线传感器网络的路由协议是将数据信息从源节点传输到目的节点的机制。 大多路由协议是通过路由探测包获得网络中节点之间的连接关系和链路特性来确定路由并存储路由表。基于链路状态建立的端到端的路由会因路由中的一个或几个节点的失效、移动而经常中断，需要不断地进 行路由维护。它不适应网络拓扑动态变化快的情况。层次化路由策略是局部的先应式路由与全局的反应式路由的结合，以期达到提高数据传输效率和网络可扩展性的目的。但是，尽管融合了上述两种路由机制，它仍然需要维护那些正在使用的端到端的路由信息，所能承受的网络动态变化也有限。 基于
14、地理位置信息的路由协议能够很好地解决上述问题。随着定位技术的发展，节点可以方便地获得本身、邻节点及目标节点的地理位置信息。节点利用这些位置信息，避免路由探测包的盲目泛洪，进行有效的路由发现和路由维护，甚至可以基于无状态的武汉科技大学本科毕业设计 2 分布式的非端到端的数据转发 。其中以地理位置信息为基础的贪婪路由算法在整个数据传输中不需要建立端到端的基于全局链路状态的路由，不需要存储路由信息表，也不需要发送路由更新信息，只要求网络中每个节点准确的存储周围邻节点的状态信息即可节省能量的消耗，降低节点的内存、处理要求；同时能提供很好的数据传输保证，具有良好的网络可扩展性和鲁棒性。 综上所诉， 利用
15、地理位置信息的路由协议在可扩展性、对动态拓扑的适应能力和节省能量方面均优于以往的基于链路连接性的协议，应用前景广阔。然而，对于利用地理位置信息的路由协议，仍需要进一步关注和研究。 近年来，已有一 些学者开展了基于地理位置信息的路由协议方面的研究工作，并取得了一定的进展。 1.2 内容组织结构 第一章介绍了无线传感器网络的起源及发展；指明了无线传感器网络中基于地理位置信息的路由协议的优越性；说明了基于地理位置信息的路由协议还有待发展；最后概述了本文的主要内容及结构。 第二章对无线传感器网络的基本知识进行了说明，分别介绍了无线传感器网络的体系结构、无线传感器的网络特性、无线传感器网络的原理，以及无
16、线传感器网络的应用。随后，介绍了无线传感器网络的路由协议，引出了无线传感器网络二维地理路由。 第三章详 细地分析了 GPSR(贪婪无周边状态路由 )协议。 第四章简单的介绍了 NS2 以及如何在 NS2 中添加 GPSR 协议。 第五章给出了 4 个仿真场景，对 4 个场景加以适当的利用，分别采用 GPSR 协议及DSDV 协议进行仿真分析，并得出结论。武汉科技大学本科 毕业设计 3 2 无线传感器网络概述 2.1 无线传感器网络的体系结构 2.1.1 无线传感器网络的系统构架 无线传感器网络 12就是通过飞机撒播、人工布置和机器投射等方式部署在监测区域内大量廉价微型低能耗低速率的传感器节点组
17、成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的无线网络系统 ，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，通过多跳方式将数据传回汇聚节点 (Sink)，最后借助终端节点通过 Internet、Intranet 或通信卫星实现传感器网络与信息处理中心通信 ,将区域内监测到的数据传送到信息处理中心进行集中处理。一种典型的无线传感 器网络结构 如下图 2.1 所示，通常 包括传感器节点 (sensor node)、汇聚节点 (sink node)和管理节点，即 无线传感器网络的三个要素是 传感器 、感知对象和观察者 。 汇 聚 节 点管 理 节 点ABCDE卫 星互 联 网移 动 通
18、 信 网 络终 端 用 户监 测 区 域传 感 器 节 点图 2.1 无线传感器网络的系统构架 其中，传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能来看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。汇聚节点的处理能 力、存储能力和通信能力都比普通的传感器节点强，它连接传感器网络与 Internet 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部
19、网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功武汉科技大学本科毕业设计 4 能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 2.1.2 传感器节点的结构 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图 2.2 所示： 定 位 系 统 移 动 系 统传 感 器A / D 转 换处 理 器存 储 器收 发 器M A C网 络电 源 单 元 自 供 电 系 统传 感 单 元处 理 单 元无 线 收 发 单 元图 2.2 传感器节点的结构 传 感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器
20、节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。 由于传感器节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度的节约电能，在硬件设计方面邀尽量的采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源；在软件设计方面，各通信协议都应该以节能为中心 ，必要时可以牺牲一些其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。 2.1.3 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑这三个部分组成
21、，如下图 2.3 所示。 武汉科技大学本科毕业设计 5 应 用 服 务 接 口 网 络 管 理 接 口时 间 同 步 定 位传 输 控 制路 由M A C声 、 光 、 电 、 磁网络管理安全/移动/能量服务质量拓扑控制网 络 通 信 协 议网 络 管 理 平 台图 2.3 无线传感器网络的体系结构 2.1.4 分层的网络通信协议 无线传感器网络的体系类似于传统 Internet 网络中的 TCP/IP 协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 (1)物理层协议 物理层负责数据的调 制、发送与接收。物理层传输方式涉及 DSN 采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。 DSN
22、 采用的传输媒体主要有 :无线电、红外线、光波。研究核心是传感器软、硬件技术。 (2)数据链路层 负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。目前对 DSN 数据链路层的研究集中在媒体访问控制子层 (MAC)。 DSN 的 MAC 协议的两个主要目标是组网络；共享信道接入。 (3)网络层 主要完成数据的路由转发，实现传感器与传感器、传感器与观察者之间的通信，支持多传感器协作完成大型感知任务。 DSN 路由协议必须具备以下一些特征 :协议简单、节能；以 数据为中心，具有数据融合能力；具有可扩展性和健壮性传输协议。网络层主要研究传感器网络通信协议和各种传感器网络技术。传感器网络通信协议研究包括 :研究现有通信协议的性能，确定各种现有协议对于传感器网络的可用性以及优缺点；以数据为中心的新的通信协议的研究，包括通用能源有效性路由算法的研究、面向应用的能源有效性路由算法的研究、动态传感器网络的路径重构技术的研究等 4。 (4)传输层 无线传感器网络的传输层负责数据流的传输控制，主 要通过汇聚节点采集网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、 Internet 或者其他的链路与外部网络通信，是保证服务质量的重要部分。
