分類號： 學(xué)校代號： 11845 密級： 學(xué) 號： 2240704335 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文 （ 工 學(xué) 碩 士 ） 支持移動 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 分簇 路由協(xié)議研究 湯子隆 指導(dǎo)教師 姓名、職稱 ： 程良倫 教授 企業(yè) 導(dǎo)師 姓名、職稱 ： 無 專業(yè) 或 領(lǐng)域 名 稱： 控制理論與控制工程 學(xué) 生 所 屬 學(xué) 院 ： 自動化學(xué)院 論 文 答 辯 日 期： 2010 年 5 月 25 日 11845 o.:2240704335 A s 010 510006摘 要 I 摘 要 由 傳感器，微機電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)融合而形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)前國際上備受關(guān)注的，由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點，可廣泛應(yīng)用于軍事，國家安全，環(huán)境科學(xué)，交通管理，反恐維和以及災(zāi)害預(yù)測等領(lǐng)域。如何高效地使用有限的節(jié)點能量來延長網(wǎng)絡(luò)生存時間，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。 本文以網(wǎng)絡(luò)能量高效均衡利用為前提，加入對移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠性捄吐酚蓞f(xié)議這兩個關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究。 本文首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的研究情況進(jìn)行了闡述，對分簇路由協(xié)議目前的研究情況進(jìn)行 了 介紹，其中重點介紹了幾種典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議， 再提出引入移動 針對 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 路由協(xié)議的 特點 ，本文提出基于地理信息分簇的路由協(xié)議。該協(xié)議按照一定的距離將整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個簇，根據(jù)剩余能量的多少，簇頭在簇頭按照一定的規(guī)則輪轉(zhuǎn)。簇內(nèi)則按照改進(jìn)的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)過程轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。 然后提出支持移動 于移動 文提出的協(xié)議采用簇頭轉(zhuǎn)發(fā)機制，即所有數(shù)據(jù)匯集到一個離 該簇頭節(jié)點向 過程分為兩個階段 ,第一個階段是自動選擇階段， 擇與其最近的簇頭節(jié)點通信。第二個階段是 個階段只有一個簇頭與 他簇頭節(jié)點也是按照改進(jìn)后的貪婪算法將數(shù)據(jù)傳輸至此簇頭節(jié)點，這個簇頭節(jié)點再將數(shù)據(jù)傳輸至 仿真實驗表明，本文提出的協(xié)議能夠均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，數(shù)據(jù)傳輸至 關(guān)鍵詞 ： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 分簇 ； 移動 東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 y of to a by of be in to of to to of of on a if on to be in a is in in is to to to of a to to is is is is is in II to to to in to 錄 摘 要 . I . 錄 . . 一章 緒 論 . 1 題的研究背景和意義 . 1 究背景和意義 . 1 目來源 . 2 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 2 論文的主要研究內(nèi)容 . 6 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其路由協(xié)議 . 7 線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計面臨的挑戰(zhàn) . 7 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點 . 7 線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗特點分析 . 8 線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的目標(biāo) . 10 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入移動 . 11 有的路由協(xié)議綜述 . 12 章小結(jié) . 19 第三章 一種基于地理信息分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 . 20 于地理信息的分簇過程 . 20 統(tǒng)模型 . 20 簇條件 . 21 簇算法 . 22 頭輪轉(zhuǎn) . 23 目 錄 V 內(nèi)路由 . 27 信半徑優(yōu)化 . 27 由建立 . 28 真實驗 . 29 . 30 真參數(shù)選取 . 31 真結(jié)果分析 . 32 章小結(jié) . 34 第四章 一種新的支持移動 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 . 35 統(tǒng)模型 . 35 . 36 擇合適的簇頭節(jié)點 . 36 制階段 . 38 . 38 進(jìn)的貪婪推進(jìn)過程 . 39 輸路徑優(yōu)化 . 40 徑回路 . 40 于標(biāo)簽的路徑優(yōu)化 . 41 真實驗 . 42 能指標(biāo) . 42 真比較 . 42 章小結(jié) . 45 結(jié)論與展望 . 46 參考文獻(xiàn) . 48 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 . 53 攻讀學(xué)位期間參加的科研項目 . 54 獨創(chuàng)性聲明 . 55 致 謝 . 56 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 . I . . . . 1 . 1 . 1 . 2 . 2 . 6 . 7 . 7 . 7 . 8 . 10 . 11 . 12 . 19 第三章 . 20 . 20 . 20 . 21 . 22 . 23 . 27 . 27 . 28 . 29 . 30 . 31 . 32 . 34 第四章 A . 35 . 35 . 36 . 36 of . 38 . 38 . 39 . 40 of . 40 . 41 . 42 . 42 . 42 . 45 . 46 . 48 . 53 . 54 . 55 . 56第一章 緒 論 1 第一章 緒 論 題的 研究背景 和 意義 究背景 和 意義 在當(dāng)今信息技術(shù)飛速發(fā)展的時代，隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微機電系統(tǒng)（ 技術(shù)的發(fā)展，推動了低成本、低功耗、多功能的微型無線傳感器的快速發(fā)展。 由大量無線傳感器節(jié)點組成的新的網(wǎng)絡(luò)形態(tài) 隨之應(yīng)運而生。 借助于節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器，測量周邊環(huán)境中的熱，紅外，聲納，雷達(dá)和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體大小、速度和方向等眾多物理現(xiàn)象。 該網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知、采集和處理節(jié)點分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并將處理后的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)中的基站節(jié)點（ ，為人們提供可靠的信息支持 123。 在現(xiàn)代應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各個領(lǐng)域都得到了極大發(fā)展。在軍事領(lǐng)域，通過飛機散播等方式 4，將大量無線傳 感器節(jié)點散步在敵方陣地，可以收集到各種有利的信息，如果有一部分傳感器節(jié)點遭到破壞而失效時，其他傳感器節(jié)點 仍然可以工作。在環(huán)境監(jiān)測方面，可以將無線傳感器節(jié)點布置在山體，河流等監(jiān)控對象中，通過采集監(jiān)控對象微觀變化，為研究人員提供可靠的研究信息 5。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療健康，空間探索和搶險救災(zāi)等領(lǐng)域，也有著廣泛的應(yīng)用 6。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點由能量有限的電池供電，所以傳感器節(jié)點的使用時間受到限制。而傳感器節(jié)點數(shù)量巨大，分布區(qū)域廣泛，所在環(huán)境復(fù)雜，通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的，因此，如何 延長傳感器節(jié)點 壽命 成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計面臨的重大挑戰(zhàn)。其中，設(shè)計合理的路由協(xié)議就是重要的方法之一 789101112。 近年來， 隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，移動終端已經(jīng)可以隨時接入互聯(lián)網(wǎng)。移動終端存在廣泛，與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間具有間斷連通性，有空閑的通信與計算資源可以廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 利用，體積小巧，方便攜帶，能夠隨時把數(shù)據(jù)提供監(jiān)測者等優(yōu)良特性。 同時，引入移動 以平衡無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的能量消耗，有效地避免“路由空洞”問題，從而提高整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間 13 因此，如何設(shè)計高效可靠的支持移動 由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計往往基于已有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如果對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，就可以有效提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的效率和性能。分簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以自動生成層次型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗，減小路由表尺寸，便于管理等優(yōu)點。研究分簇結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議，對減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗具有重要意義。 支持移動 僅可以從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面控制 能量消耗，而且移動 擇能量高的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這樣就從兩方面控制整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。而且隨著移動通信技術(shù)的進(jìn)步，移動 此，設(shè)計 支持移動 1617 目來源 本學(xué)位論文的 研究工作來源于以下 項目： 國家自然科學(xué)基金“ 60673132） ； 廣東省自然科學(xué)基金“ （ 07117421） 。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 現(xiàn)有的路由協(xié)議按照拓?fù)漕?型劃分 為 平面型 路由協(xié)議 ，基于地理信息的路由協(xié)議和層次型路由協(xié)議。這些路由協(xié)議都能夠在一定程度上解決數(shù)據(jù)傳輸和均衡能耗的問題。其中層次型路由協(xié)議，也就是分簇路由協(xié)議的研究最為廣泛。 隨著手持通信設(shè)備的快速發(fā)展，采用移動 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將越來越廣泛。采用移動 以有效均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，而且更加便于人們采集傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的信號。 目前涉及移動 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議還不是很多，本文第一章 緒 論 3 提出支持移動 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議，具有一定的學(xué)術(shù)價值。 國內(nèi)外對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都進(jìn)行了廣泛研究，引 起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界，工業(yè)界以及政府部門的極大關(guān)注。美國許多大學(xué)及公司均投入了大量人力財力用于研發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品。 及 18。許多學(xué)術(shù)機構(gòu)，例如 ，也在大力推進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用。 司在 2002年制訂了基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展規(guī)劃， 2003 年制訂了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃。美國 公司的“智能塵?！?、“ 目已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用測試。英國，日本，意大利等國也已經(jīng)開展該領(lǐng)域的研究工作。 19 目前主要的移動 用 它應(yīng)具備以下 6個特征 : （ 1） 體積小 ,便于攜帶 磅左右 ,可方便地握在手中或放在衣服的口袋里。 （ 2） 具有很強的通信能力 過有線或無線的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。具有良好的人機界面 筆替代鍵 盤作為主要輸入手段 ,并逐步向語音輸入過渡。 （ 3） 具有適用的應(yīng)用軟件 但囊括了電子記事本的所有功能 ,如日程管理、地址管理和電話號碼管理等 ,同時 ,還具有一些臺式微機才提供的軟件 ,如文字處理軟件和電子表格軟件等。 （ 4） 價格低廉 ,易于接受 00美元 ,甚至接近 200美元。 （ 5） 可長時間地在無交流電源的場所使用 并配備高容量的電池。它通常應(yīng)能在不更換電池或不重新充電的條件下 ,連續(xù)使用 48小時以上 。 目前 ,從事 發(fā)工作的美國公司主要有 :、 本公司主要有 :卡西歐、夏普、松下及東芝等。除了美國和日本之外 ,歐洲、韓國和我國臺灣等地的公司在這一領(lǐng)域中也不甘心落后 ,紛紛加入了 前 ,歐洲的西門子、菲利浦、英國電訊、荷蘭電訊和臺灣的宏基、神寶、倚天及韓國的三星、金星、標(biāo)準(zhǔn)電訊等都在努力研究和開發(fā)自己的 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 典型 的平面型 路由協(xié)議主要包括洪泛 (由協(xié)議 20、信息協(xié)商傳感器協(xié)議 122、定向擴散 (由協(xié)議 2324、謠傳 (由協(xié)議 25、閑聊 (由協(xié)議 26和前向主動查詢 由協(xié)議 27。典型的基于地理位置信息的路由協(xié)議有 由協(xié)議 28、 由協(xié)議 29、 由協(xié)議 30 、能量位置意識路由 31等。 基于簇的路由協(xié)議主要有： 人在 2000 年提出的低能量自適應(yīng)聚類 分層由協(xié)議 32是第一個 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇 路由協(xié)議。大部分 分簇 路由協(xié)議都是在 基礎(chǔ)上發(fā)展而來的 ，例如 。 夠 節(jié)約能量的主要原因是它運用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和 動態(tài)分簇 路由技術(shù)， 節(jié)點根據(jù)某個 閾值自主決定是否當(dāng)選為簇頭， 由此提高網(wǎng)絡(luò)的可擴展性和魯棒性。一旦分簇完成，簇頭節(jié)點就采用數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)進(jìn)行匯聚，將整個后的數(shù)據(jù)傳輸給 點。一段時間后，網(wǎng)絡(luò)又進(jìn)入了另一次的分簇階段。 能量有效性數(shù)據(jù)收集協(xié)議 33路由協(xié)議。 該協(xié)議 是在 協(xié)議的主要觀點是在傳感器網(wǎng)絡(luò)中行程一條傳輸鏈。 數(shù)據(jù)從 一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點的過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€“集合”節(jié)點，由該節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)送給 于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都具有和 此，每個節(jié)點都有可能成為“集合”節(jié)點，因此就均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗。 人提出了敏感閾值能量有效 由協(xié)議 34。 主動型傳感器網(wǎng)絡(luò)持續(xù)檢測周圍的物質(zhì)現(xiàn)象，并以恒定的速率發(fā)送