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路由算法

摘要

无线传感器网络路由算法设计是当前各高校研究的热点课题之一，由于传感器节点受到体积和成本等因素的限制，节点的能量和存储空间都非常有限。

本文对移动sink节点的无线传感器网络做了系统分析，并结合蚁群算法中的信息素思想提出了一种适应于网络拓扑结构快速变化的信息素标识算法。

通过模拟仿真得知此算法相对于其他无线传感器网络算法具有更高的数据传输成功率、较长的网络寿命以及较低的数据传输延时。

关键词：

无线传感器网络移动sink节点信息素

ABSTRACT

WSNroutingalgorithmdesignisoneofthehottopicsoftheresearch,thesensornodesislimitedbyfactorssuchassizeandcost,energystoragespaceofthenodesareverylimited.MobilesinknodeinWSN,systemsanalysis,combinedwiththeideologyofthepheromoneintheantcolonyalgorithmpheromoneidentifythealgorithmadapttorapidlychangingnetworktopology.LearnedthroughthesimulationofthisalgorithmcomparedtootherWSNalgorithmhasahigherdatatransfersuccessrate,alongernetworklifetimeandlowerdatatransmissiondelay.

KeyWords:

WirelessSensorNetworkS；antcolonyalgorithm；mobilesink；

目录

第1章引言1

1.1选题背景及意义1

1.2国内外的研究现状2

1.3课题的难点、重点、核心问题及方向3

第2章无线传感器网络组成结构5

2.1无线传感器网络结构5

2.2无线传感器网络节点的限制5

2.3无线传感器网络的特点7

2.4路由协议的特点9

第3章关于移动sink节点的一种路由算法11

3.1问题描述11

3.2数据收集11

3.3网络模型12

3.4算法构建12

3.5队列管理15

第4章模拟仿真17

4.1仿真环境17

4.2对比算法简介18

4.3默认参数时性能对比18

4.4节点密度对性能影响19

4.5通信半径对性能影响22

4.6储存队列对性能影响24

4.7本章小结25

第5章全文总结27

5.1总结27

5.2论文的不足27

参考文献28

致谢29

第1章引言

1.1选题背景及意义

随着半导体技术和通信技术的发展，我们已经由PC时代和网络时代，进入后PC时代。

自MarKWeiser在1991年首次提出普适计算（UbiquitousComputing）思想以来，普适计算作为2l世纪的计算模式，日益受到人们的关注和重视。

其中，无线传感器网络技术是普适计算思想大系统中的一个典型应用。

无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。

无线传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现普适计算的理念。

无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。

在军事领域中，无线传感器网络多用于恶劣地形或敌控区的侦察工作，W无线传感器网络节点一经部署就无法补充能量，故而无线传感器网络节点必须体积小、工作时间长、抗干扰和入侵能力强。

在工业控制领域中，无线传感器节点一般是可以设计安放在固定位置上的，除了监测目标内部信息的情况之外，一般没有隐蔽性的要求，甚至可以对每个节点进行电池的更换，所以在工业控制领域中对无线传感器节点的体积和电池工作时间要求并不严格，在通信手段的选择上也相应较为灵活。

但工业控制领域一般要求无线传感器对周围环境的变化要足够敏感，同时要在高噪音、高湿度、高温、高气压以及重粉尘、重油污等恶劣情况下仍然可以正常工作。

在环境监测领域中，无线传感器节点一般不会有很大的位移，故而节点体积也可以不必做得太小，但是对于节点的材质有很高的要求，一般都要求节点在任何情况下都不会污染环境，这样一般就需要采用环保型甚至可以生物降解材料的电子元件来制造节点，节点的成本会增加。

在医学领域中，无线传感器的功能是实时测量和监测人体的生理数据，随着人的活动，无线传感器节点之间的相对位移十分频繁，无线传感器节点位移的距离远大于节点自身的大小，且带有强烈不规则性。

把不同应用领域内对无线传感器的体积、节能、规模、实时性、材料、信息安全等属性的要求进行对比分析，可以得到表1.1。

表1.1应用于不同领域的无线传感器网络节点属性要求

体积

能量

可回收

实时性

材料

信息安全

军事

毫米级

数月

不可

强

抗干扰

强

工业

无限制

数月

可以

中

无特殊

中

灾害监测

无限制

数月/数年

可以/不可

强

无特殊

中

环境监测

无限制

数月

可以

中

无污染

中

人体体外

厘米级

数天

可以

强

无特殊

中

人体体内

大分子级

数小时

不可

中

抗排斥

中

通过表1-1可以看出，无线传感器网络路由算法的设计需要针对其即将应用的领域和执行的任务的特性来设计。

即为每一种应用场景设计最契合要求的算法，这是最理想的状态。

1.2国内外的研究现状

无线传感器网络的研究起始于20世纪90年代末期。

由于无线传感器网络的巨

大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关

注。

自2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，美国自

然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，支持相关基础理论的研究。

美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。

美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了传感器网络方面的研究工作。

同本、德国、英国、意大利等科技发达国家也对无线传感器网络表现出了极大兴趣，纷纷展开了该领域的研究。

但是，目前大部分的研究尚处于起步阶段，少数投入实用的商业产品距离实际需求还相差甚远。

我国在传感器网络方面的研究工作还很少，目前，国内一些高等院校与研究

机构已积极开展无线传感器网络的相关研究工作，主要有清华、中科院软件所、

浙江大学、哈尔滨工业大学、中科院自动化所、中国人民大学等。

目前国内研究

热点主要集中在穿戴式计算、上下文感知环境、智能教室等领域，在支持无线传

感器网络的无线通信网络技术的研究尚不多见。

随着无线传感嚣网络应用的日益

发展与不断深入，支持无线传感器网络的无线通信网络技术、超微型嵌入式实时

操作系统等若干关键技术的研究将成为未来无线传感器网络应用的发展趋势和热点。

1.3课题的难点、重点、核心问题及方向

要设计出优秀的无线传感器网络路由算法，就不得不对无线传感器网络路由算法的约束做研究。

经过分析、归纳、总结，无线传感器网络路由算法的约束主要有以下三类。

（1）能量约束

从无线传感器网络发展的现状中可以看到，目前无线传感器元件一般是以电池

作为能源进行工作的。

当电池能源耗尽的时候，无线传感器元件就将丧失工作能力，从而退出网络并被废弃或者直到其更换新的电池为止；当一个WSN中的多个无线传感器节点能源耗尽时，该WSN的传输能力就将大大下降，同时会增加其他信道上的流量从而加剧其他无线传感器节点的能量消耗；研究表明，当约四分之一的无线传感器节点能源耗尽的时候，该WSN就将濒临瘫痪。

如果无线传感器网络各节点是部署在不可充电的环境中，则能量消耗方面的因素直接决定着无线传感器网络的寿命。

在这种情况下，节能将会成为算法设计中的要点。

（2）算法特性约束

无线传感器网络路由协议由泛洪、直接传输二种协议发展而来，目前有基于拓扑信息等几大类。

每种协议不可避免地会在某些方面有所不足。

泛洪协议是指向其传输范围内的每一个节点均转发数据，这样必然会有一条路径使得数据最快到达，虽然这样最快，但是消耗能量过多，同时过度占用了网络资源，故而泛洪协议的应用范围有限。

直接传输协议是指每个节点仅向sink节点传输数据，不与其他任何普通节点进行数据传输，这样虽然最省能源，也避免了信息内爆，但是发送时间最慢，而且数据发送失败的几率很大，故而直接传输协议的应用范围更小。

基于拓扑信息的协议是将整体或者局部的拓扑信息保存在节点上，当数据到来时利用已知的拓扑信息来进行计算，从而确定最佳的转发路径，这样的协议虽然具有很快的速度和较低的能源消耗，但是需要花费一定的代价去维护拓扑表，而且这种维护并非是一劳永逸的，当环境发生改变，或者某些无线传感器的能源耗尽后，原有的拓扑结构可能会发生变化，可能会失去一些信道，可能会由于某些点的缺失或者Sink节点的重新选择而造成拓扑结构的效率低下，故而需要定期重新优化拓扑结构。

有些路由协议本身具有某一方面的不足之处，例如基于地理位置信息的路由算法以每个传感器元件的地理位置作拓扑，其理论上只向最接近理想传输方向的节点传输信息，但一旦遇到了无线传感器节点部署中受到环境的限制而不可避免形成的空洞部分，如水塘等，而理想传输方向又只能延伸到一个死胡同方向时，这条信息将传进死胡同，而无法继续传输。

所幸的是目前流行的每种无线传感器网络路由算法都会针对其基础算法的“先天不足”作出相应的修改和补充以弥补缺点，达到较好的效果。

路由协议无疑是当前无限传感器网络研究的热点之一，由于WSN具有资源受限的特性，故而在其路由协议方面，同样要求非常苛刻。

故而，只有针对特定的应用背景设计路由协议，才可能实现信息传输的高效。

目前，WSN路由协议研究还有一些根本性的问题需要进一步地研究、解决。

第2章无线传感器网络组成结构

2.1无线传感器网络结构

无线传感器网络由两种节点组成：

传感节点、汇聚节点。

如图2.1所示。

传感节点负责将传感器采集到的传感数据通过多跳路由转发传送到汇聚节点。

传感器节点具有传统网络节点终端和路由的双重功能，除进行本地信息收集和处理外，还对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合，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相对较强，它既可以是具有增

强功能的传感器节点，有足够的能量和更多的内存与计算能力，也可以是带有

无线通信接口的特殊网关设备。

它连接传感器网络与Internet等外部网络，通过

协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，发布管理节点的监测任务，同时将收集的数据转发到外部网络。

图2.1无限传感器网络结构图

2.2无线传感器网络节点的限制

（1）电源能量有限

传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。

由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员无法到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。

如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。

传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。

随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。

图2．2所示是DeboraEstrin在Mobicom2002会议上的特邀报告中所述传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。

传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输1比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量。

图2.2传感器节点能量消耗情况

从图中可以看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，所以如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计需要考虑的问题。

（2）计算和储存能力有限

传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。

为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。

如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。

随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发出很多超低功耗微处理器。

除了降低处理器的绝对功耗外，现代处理器还支持模块化供电和动态频率调节功能。

利用这些处理器的特性，传感器节点的操作系统专门设计了动态能量管理和动态电压调节模块，可以更有效地利用节点的各种资源。

动态能量管理是当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的睡眠状态。

动态电压调节是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能力，从而节约微处理器的能耗，很多处理器

都支持电压频率调节。

2.3无线传感器网络的特点

（1）大规模网络

为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。

传感器网络的大规模性包括两方面含义：

一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。

传感器网络的大规模性具有如下优点：

通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比：

通过分布式处理大量的采集信息能够提高检测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求：

大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能：

大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。

（2）自组织网络

在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。

传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撤大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险区域。

这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。

在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加检测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。

传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的变化。

（3）动态性网络

传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：

①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；

②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；

③传感器网络的传感器、感知对象和观察着这三要素都可能具有移动性；

④新节点的加入。

这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。

（4）可靠的网络

传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。

传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机播撤或发射炮弹到指定区域进行部署。

这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣坏境条件。

由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护困难甚至不可维护。

传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。

因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

（5）以数据为中心的网络

目前的互联网是先有计算机终端系统，然后在互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立存在。

在互联网中，网络设备用网络中惟一的球地址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的口地址。

如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器口地址。

可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。

传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。

传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。

由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。

用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。

网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。

这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。

所以

通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。

例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。

事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置信息。

2.4路由协议特点

路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能：

寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。

adhoc、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。

在无线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。

传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路由协议。

此外，传感器网络的路由机制还经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量而节省能量。

因此，传统无线网络的路由协议不适应于无线传感器网络。

与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点：

（1）能量优先

传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。

而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。

（2）基于局部拓扑信息

无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。

在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。

（3）以数据为中心

传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由依据，而无线传感器网络中大量节点随机部署，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，不依赖于全网惟一的标识。

传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。

（4）应用相关

传感器网络的应用环境干差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。

设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。

针对传感器网络路由机制的上述特点，在根据具体应用设计路由机制时，要满足下面的传感器网络路由机制的要求：

（1）能量高效

传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由，传感器节点的资源有限，传感器网络的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。

（2）可扩展性

在无线传感器网络中，检测区域范围或节点密度不同，造成网络规模大小不同；节点失败、新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。

（3）鲁棒性

能量用尽或环境因素造成传感器节点的失败，周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些无线传感器网络的不可靠特性要求路由机制具有一定的容错能力。

（4）快速收敛性

传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，因此要求路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议开销，提高消息传输的效率。

第3章关于移动sink节点的一种路由算法

3.1问题描述

sink节点作为无线传感器网内数据汇聚的中心．是无线传感器网络中最为重要部分。

它承担着发送上层命令的同时也接受下层节点请求的任务。

由于网络中所有数据都要向sink节点汇聚数据，一方面，在无线传感器网络中，每个节点接受来自其它节点的信息，并以广播的形式发送蛤其它邻近节点，依次循环下去，最终将信息发送蛤sink节点，但网络中节点数目过多．会造成信息的重叠，因而浪费能量；另一方面，由于受到节点能量的限制，这些节点会困通信任务繁重而过早消耗完自身的能量而死亡．从而使网络瘫痪。

sink节点可分为固定sink节点和移动sink节点同定sink节点无法移动，只能在原地持续性地收集数据，需要每隔一段时间便将源节点的数据传送给提出查询的sink节点。

该方式一般用于特定点的监测，数据传输路径较为同定。

但是这样会使得位于传输路径上的节点能量快速消耗。

其他节点的能量无法充分利用，造成传输路径中断。

移动sink节点的位置会经常改变，常用于移动目标的追踪和实时性的监控。

sink节点的移动会导致路由的改变。

sink节点在每一次移动都必须通过泛洪来重建路由，导致泛洪过度泛滥。

无形中大量消耗节点的能量。

本算法的特点在于用蚁群算法的“信息素”系统来标识节点与路径的能量/数据传输状态，每个数据包通过对于不同节点与路径信息素浓度来自主选择节点传输数据。

从而在保证信息传递的情况下减少了每次因为sink节点移动而带来的信息泛洪，实现了能量的有效利用，延长网络寿命。

3.2数据的收集

数据收集是无线传感器网络最主要的用途之一。

无线传感器网络的数据收集

可以定义为：

通过传感器节点的相互协作感知并收集网络覆盖区域内用户感兴趣

的数据，并可靠地传输到汇聚节点的过程。

根据具体应用需求的不同，无线传感器网络数据收集方式可以划分为3类：

（1）周期性的数据收集

即传感器节点根据给定的时间间隔周期性地感知监控区域的数据，如温度、湿度、压力、震动等，并将这些数据传输给汇聚点。

查询驱动的数据收集，是指用户通过汇聚点发出查询请求，其中包括需要的数据类型、时间和空间范围等。

传感器节点收到请求消息后，向汇聚节点发送符合用户需要的数据。

（2）事件驱动的数据收集

即当传感器节点检测到某些数据值超过了设定的阈值时，表明监测区域中发生了特定的事件，传感器节点将记录下事件的参数，如事件类型、发生时间、位置等信息，并向汇聚节点报告。

由于周期性的睡眠/侦听工作模式、节点失效以及节点的移动等原因，无线传感器网络的拓扑结构变化频繁；而且节点采用节约能量的短距离通信技术，传感器节点感知到的数