精品无线传感器网络多径路由抗干扰的研究毕业论文设计.docx

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精品无线传感器网络多径路由抗干扰的研究毕业论文设计

无线传感器网络多径路由抗干扰的研究

摘要

作为一种新型的测控网络，无线传感器网络因为种先进技术的综合和良好的应用前景，受到研究界的一致关注。

作为核心技术之一的路由协议直接影响着无线传感器网络的性能。

相较于单经路由技术而言，多径路由技术因其独特的优势而被寄予更多的关注，但是这种优势在实际网络运行中的发挥一直受到多路径之间相互干扰的影响和制约。

因此，研究无线传感器网络中的多径路由技术以及抗干扰能力，其意义非常重大。

本文的研究目的在于设计一种能量高效的多径路由及抗干扰算法，所研究内容主要包括以下三部分：

（1）首先叙述总结了关于多径路由技术及抗干扰算法的基础知识，分析探讨了多径路由的概念模型、基础结构、传输模式、技术优势、发展方向；然后就无线网络中的“干扰”概念进行了阐述，对当前研究中常见的两种干扰模型进行了介绍，并对这两种模型做出了几何化分析；最后对以上两种模型在应用中所采用的抗干扰策略进行了介绍。

（2）在多径路由技术中，网络效能的优化能通过流量调节来实现，基于这一理念完成了能效优化多径路由模型的构建，模型充分考虑到了流量分配对能耗的传输和均衡的影响，其优化目标是无线网络中剩余能量的最大值和最小值之间的能量方差。

在该模型的基础上设计出一种多径流量算法，利用该算法合理调配多路径上的流量，使得网络能量的利用率显著提高，既有效降低了传输能耗，同时又实现了能耗均衡。

（3）针对多条路经之间的相互干扰对多径路由造成的严重影响，设计出一种基于联合信道分配及功率控制两种技术的抗干扰算法。

其基本原理是集合所有的链路可选信道，计算出切换信道和抗干扰所产生的能量代价，通过概率方法确定信道，然后用虚拟功率对符合条件的信道施行控制博弈，就可得出节点的发射功率。

实验表明，该联合信道分配和功率控制两种技术所优化设计出来的抗干扰技术，能够非常好的抵抗多径路由所产生的相互干扰。

关键词：

无线传感器网络，多径路由，流量分配，抗干扰，信道分配，功率控制

Abstract

Wirelesssensornetworkisanovelmeasureandcontrolnetworkwhichcompositesmultipleadvancedtechnologies,andithasdrawnwidespreadattentionoftheresearchfieldduetoitsgreatapplicationprospect.Routingprotocolasoneofthekeytechnologiesinwirelesssensornetworkdirectlyreactsonthepreferencesofnetwork.Multi-pathroutinghasbeenwidelyattendedduetotheuniqueadvantageswhichsingle-pathroutingdoesn’thave,butthemultipathinterferencehasbecomeamainfactorthatrestrictstheadvantageofmultipathplayedinactualnetworkoperation.Therefore,ithasboththeoreticalandpracticalsignificanceforwirelesssensornetworkstostudyonmulti-pathroutingandanti-interference.

Thispaperaimstodesignakindofenergyefficientmulti-pathroutingandanti-interferencealgorithm,Specificresearchworksareasfollows:

（1）Relevantbasicknowledgeoftheresearchonmultipathandanti-interferenceweresummarized,themodel,structure,transmitmode,advantagesanddevelopingtrendofmultipathroutingwereanalyzedatfirst,thenweexpoundthedefinitionofinterferenceinwirelessnetwork,introducetwokindsofwidelyusedinterferencemodelinresearchfieldandgivethegeometricanalysisofthem,finally,twokindsoftypicalanti-interferencestrategieswereintroduced,theselaythefoundationforthedesignofourmultipathandanti-interferencealgorithm.

（2）Basedonthethinkingofmultipathroutingcanoptimizeenergyefficiencythroughflowallocation,weconsidertheinfluenceofflowonbothtransmissionenergyconsumptionanditsequilibriumcharacteristic,takemaximumofthetotalremainingenergyandminimumoftheremainingenergyvarianceasoptimalobjectivestobuildenergyefficiencyoptimizationmulti-pathroutingmodel.Thenamulti-pathflowallocatingroutingalgorithmhasbeenproposedbasedonthemodel,itcanoptimizeenergyefficiencyofthenetworkbyreasonablyallocatingtheflowonmulti-path,andachievethegoalofreducingenergyconsumptionandbalancingitsdistributionsimultaneously.

（3）Accordingtotheproblemthatthereexistsinterferenceseriouslybetweenmultiplepathinmultipathrouting,ajointchannelallocationandpowercontrolalgorithmforinterferencemanagementinwirelesssensornetworkhasbeenpresented.Inthisalgorithm,availablechannelsetisestablishedforeachlink,andchannelisprobabilisticallocatedaccordingtotheenergycostofanti-interferenceandchannelhopping,thenvirtualpowercontrolgameoneachchannelisplayedtodeterminenodes’transmitpower.Simulationresultsshowthat,ouralgorithmcanachievethegoalofreducinginterferenceenergy-efficientlybyoptimaldesignofjointtheanti-interferencetechnologiesofchannelallocationandpowercontrol.

Keywords：

wirelesssensornetwork;multipathrouting;anti-interference;flowallocation;channelallocation;powercontrol

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题研究背景与意义1

1.2课题研究现状及存在问题2

1.3主要研究内容及组织结构安排7

第2章WSN多径路由及抗干扰研究基础9

2.1引言9

2.2无线传感器网络多径路由研究分析9

2.2.1多径路由模型9

2.2.2多径路由的结构及传输模式10

2.2.3多径路由的优势及未来发展趋势12

2.3无线传感器网络抗干扰研究分析13

2.3.1无线网络中的干扰13

2.3.2无线网络干扰模型14

2.3.3无线传感器网络抗干扰技术20

2.4本章小结22

第3章WSN多径流量分配路由算法23

3.1引言23

3.2能效优化多径路由模型24

3.2.1模型建立24

3.2.2模型简化及分析25

3.2.3模型求解27

3.3多径流量分配路由算法29

3.3.1信息交换阶段29

3.3.2多路径统计阶段30

3.3.3流量分配阶段31

3.4仿真实验与性能分析32

3.4.1网络传输能耗特性分析33

3.4.2网络能耗均衡特性分析34

3.4.2算法能效特性综合分析35

3.5本章小结36

第4章WSN联合信道分配和功率控制抗干扰算法37

4.1引言37

4.2联合信道分配和功率控制抗干扰模型37

4.3联合信道分配和功率控制抗干扰算法43

4.3.1信道分配阶段44

4.3.2功率控制阶段45

4.4仿真实验与性能分析46

4.4.1信道分配仿真实验与分析47

4.4.2功率控制仿真实验与分析50

4.4.3算法抗干扰特性综合分析54

4.5本章小结54

结论55

参考文献57

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果62

致谢63

作者简介64

第1章绪论

1.1课题研究的背景与意义

作为一种新型测控网络，无线传感器网络（英文缩写WSN）之所以能够对需要监测的环境实现对信息的实时监测和收集，并向终端用户及时提供和传输这些信息[1,2]，主要是因为其汇集了多种现代化高科技技术，包括无线通讯、传感器、智能化信息系统、嵌入式分布计算等，WSN涉及到多个技术领域，各学科之间高度交叉，因而成为当前国际上的前沿研究热点而备受关注[3]。

图1-1中是一个较为常用的WSN网络结构图。

从图中可以看出，WSN最基本的构成要素是节点，在监测区域内分布着大量的节点，节点的组成部分主要有四个基本单元，分别是传感器、处理器、无线通信和电源。

对这些节点来说，主要是在相互配合协调之下采集、获取并向终端客户传输数据信息，其传输的前提是所有节点共同汇集成密集的节点网络，其传输的中间介质是基站（sink），其数据传输的方式采取的是多跳。

对终端客户来说，也能够通过特定的设备，对网络中的节点实现遥控操作[4]。

图1-1WSN网络的典型结构

在上世纪70年代，美国军方就开始了对WSN的研究，并在战场监测中进行了实践应用[5]。

90年代以后，针对WSN的研究，美国军方开始与其国内的众多著名大学进行合作，将研究推向更广泛、更深入的领域，其中包括斯坦福、加州伯克利、加州洛杉矶等美国的常青藤名校。

也是自那时起，在美国之外，西欧的英、法、德，东亚的日、印等众多国家全或联合、或独立，都开始加入到研究队伍中来，继而引起了更多的国家和地区加入研究，由此掀起了全球范围内研究WSN领域的浪潮。

在国内，对WSN的研究也已经在很多高等院校、科研院所、研究机构中广泛开展，中国国家自然科学基金会对此一直非常支持并大力资助。

相比传统的网线网络来说，WSN网络的规模更大、组织能力更强，而且还具有一些之前没有的新特征，例如WSN网络是以数据信息为核心的，其路由为多跳，其拓扑为动态。

因此在未来可被广泛应用于支持军事战争、监测环境信息、探索空间资源、开发智能交通、抢险救灾、医疗保健、商业开发等众多领域，其应用前景被一直看好，其发展空间引人遐想[6]。

因此在继互联网之后，WSN成为IT领域的又一个热点技术，将对21世纪的产业变革产生巨大推动力，更会深刻影响到未来的人类社会生活。

在美国的许多知名杂志在讨论未来的新技术时几乎全部给予WSN很高的评价，《商业周刊》在1999年评选的在新世纪里作用和影响最大的21项新技术，其中就包括WSN[7]；《MIT技术评论》在2003年2月曾进行一项评选调查，在被认为对世界具有推动和改变作用的10项新技术中，WSN位居第一位[8]；《商业周刊》在2003年8月也曾作出预测，在21世纪的高科技领域产业中，WSN将成为四个支柱之一[9]。

当前，作为一项新兴技术，无论是对WSN理论体系的研究，还是对其在应用上的开发，都还处于探索阶段。

而在WSN网络的技术体系中，路由技术是其中的核心，路由协议的性能直接影响到WSN网络的性能，是WSN网络的各项功能得以实现的基础技术，因而在研究中成为热点对象，也是其中的难点对象。

其功能可以描述为：

对网络拓扑的实时状态及时全程掌握，对多个节点的数据传输信息进行交换，将源节点与其相匹配的目的节点联系起来，在两者之间建立合适的传输路径，依此传输相关数据信息。

因为在研究与设计路由协议时，要充分考虑WSN的一些传统网络所没有的新特性，而且也要与实际应用相结合起来，所以这个课题具有非常大的挑战性，同时也具有非常重要的理论意义和非常广泛的应用价值。

考虑到WSN的传感器节点能量受限这一显著特征，设计WSN路由协议的首要目标就是建立能量有效的数据传输路径和安全的数据传输机制，使得WSN的应用期限不断增加[10]。

1.2课题研究的现状与存在的问题

当前，单径路由和多经路由是WSN路由协议的2个主要方向，划分的依据是路由协议在数据传输时使用的路径数量的不同。

单径路由的优势在于其简单的结构和较少的通信开销量，从而在设计难度不高，相对较为简单，存储所占用的虚拟空间也不多；但其缺点在于没有很好的容错性[11]，如果第一次建立的路径无法进行数据传输就无法再继续使用，只得再次启动建立新的路由，需要消耗大量能量，不符合WSN的特点。

以下5个单径路由协议在研究和实际应用中较为常见：

（1）Gossiping协议[12]：

又称为闲聊协议，属于单径路由协议中的经典类型，每一个节点的数据转发对象都是随意选择的，数据通过不同的邻居节点一直传递到目的节点。

该协议设计起来非常简单，执行起来也很容易，但却使得传输实时性大为降低，协议扩展性也难以体现。

（2）Rumor协议[13]：

在该协议中数据信息是被随机传送的，如果Agent包的数据传输路径遇到路由查询请求包的路径，则在交汇处构建路由，否则数据信息将沿着原路径继续传输。

该协议的数据传输所消耗的能量较多，并不适合于大量的网络事件。

（3）GPSR协议[14]：

对网络中的所有节点按照地理位置实行统一编址，节点通过这些编址信息就能够直接路由，而无需再建立和维护路由表，使传输时延减少。

该协议的缺点是可能会使网络流量呈现不均匀分布，对网络的连通性和网络寿命有所影响。

（4）LEARCH协议[15]：

该协议最先提出了路由分层，在网络的各个节点内利用簇头采集和获取数据信息，然后向sink节点传输，这过程中所使用的簇头是随机选择的，这样固然能使网络的能量使用趋于均衡状态，有利于网络使用期限的增加，但同时也会耗费大量的能量。

（5）SPEED协议[16]：

这是一种适时路由协议，其决定路由的依据是节点的地理位置信息，并充分考虑到了QoS参数，如传输速率、网络拥挤、负载平衡等。

该协议的优点在于所构建的路径QoS性能优良，缺点在于需要耗费大量的网络能量。

单经路由在不断增大的网络规模和越来越多的信息传递的形势下，表现出越来越明显的局限性，例如网络负载不均衡、数据传输过程不安全、宽使用率较低、容易造成路径堵塞等。

相对来说，多经路由在这些方面的优势明显要好很多，所以正在越来越成为研究的重点领域和发展的主要方向。

以下7中多径路由协议在研究和应用中比较常见：

（1）Floodin协议：

又称为泛洪协议，比较简单但却很经典，当某一个节点发送数据时，就会在数据到达目的节点或者数据包过期之前，用广播的方式向邻居节点传递信息。

该协议的缺点主要是数据容易出现重复、信息可能会发生内爆等。

（2）SPIN协议[17]：

该协议为了减少数据重复现象，化解信息内暴矛盾，在构建多路径的时候引进了“三次握手”的路径机制，但这也带来过分依赖数据需求的问题，数据在传输过程中被一个节点拒收，也无法再向其他节点传输，这就造成了数据传输中断的问题。

（3）DD协议[18]：

该多经路由协议将数据信息作为协议的核心部分，在数据传输过程中首先对所有节点进行兴趣查询，然后按照查询结果所呈现的信息分布，逐个确定数据传输的反向路径。

该协议的优点在于良好的健壮性和较少的数据通信量，缺点在于过大的开销和一定程度上的时延。

（4）HREEMR协议[19]：

该协议在传输数据时先通过最优主路径的构建连通源节点与目的节点，所采用的方法是本地化的形式；然后通过多条备用路径的构建与主路径连接起来，如果主路径在传输信息时出现故障或者失误，则立即通过备用路径来修复或者暂时代替数据传输任务。

（5）MDR协议[20]：

该协议在平时状态下并不会主动构建路径，当源节点需要向目的节点传输数据时，才开始在两者之间构建起多条路经，这样就能够节省大量的网络能量；当构建起多条路经后，数据信息就会同时通过这些路经并行传输，可靠性、安全性大大提升。

（6）H-SPREAD协议[21]：

该协议所构建的是一种“多对一”的分布式多路径，在一个节点处交汇的路径有很多条，而且彼此之间并不连通，数据信息的获取采用的是混合机制，这种方式的优点在于节约大量的网络能量，路径构建的效率大为提升，数据传输过程也更为安全、更加可靠。

（7）按需MSR协议[22]：

为了实现负载平衡，在该协议中，多条路经的建立是根据源节点与目的节点之间的数据需求而定，路径的选择是根据权重函数由源节点而定。

其优点是网络吞吐量有所提高、网络延迟有所、丢包率有所减少，缺点是较大的数据计算量。

在设计WSN多径路由时，因为要考虑到WSN的节点能量受限，所以要将网络能效的提高和使用期限的增加作为首要的前提条件。

与单经路由相比，在网络负载平衡、能量消耗均衡上多经路由已经有了很大改善和提高，但多径路由协议的优化路径一旦建立就会被固定下来，此后就会被反复多次使用，这一缺点目前在实际应用中普遍存在。

反复的利用一条优化路径将极大地消耗节点的能量，对多经路由发挥其优势造成一定的制约，使得网络能耗的分布不规则，网络的使用期限也受到一定程度的影响。

而且，针对上面几个多径路由协议的分析与设计都只是在理论下开展的，在实际应用中，多径路由协议面临的困难问题还有很多，其中多路径的相互干扰最为严重。

目前，在无线网络传输过程中，对传输效率和质量形成最大障碍的就是不同路径相互的信息干扰，这种干扰所造成的制约性作用和破坏性后果在WSN多径路由中表现的尤为突出。

在当前的研究和实际应用中，为有效降低这种信息干扰的影响所采用的抗干扰技术主要有两种：

一种是信道分配，另一种是功率控制。

信道分配抗干扰技术是通过内部信道之间的调配，使有干扰的传输数据相互分开，分别在频率不同的信道上并行传输，这不仅有效降低了通信干扰对数据传输的影响，也使得各个信道得到了更广泛、更充分的使用。

为了通过分配不同的信道已达到促使网络干扰降低的目的，文献[23-25]、文献[26]都对抗干扰技术展开了不同层面的探索，前者将焦点放在了ad-hoc网络环境上，后者则将焦点放在了mesh网络环境上。

以上文献在进行技术探索时忽略了网络能量因素的影响，所以得出的抗干扰算法与WSN的要求并不相符。

在文献[27]中，创造的MMSN算法是在抗干扰算法研究领域的一个创新，这也是明确系统性研究多信道MAC协议的第一篇文献。

MMSN算法中涉及到的信道分配方式一共有四个：

一是在两跳内，任意两个节点所使用的信道均不会重复出现；二是在两跳内，可以使用的信道出现不足时，节点传输数据的信道将随机产生；三是在一跳内，节点的信道是通过监视所有信道后选择出来的；四是节点对其他信道的选择，是通过自身ID与伪随机数生成器而得到的。

从以上可以看出，这种算法的优点在于确实能使得网络干扰有所降低，但其缺点也很明显，无形中对网络资源形成一定的阻碍，使得信道得不到充分利用。

为了解决这一问题，在对WSN的抗干扰的研究中不断出现更灵活、更动态的信道分配算法[28,29]，一种效率更高、安全性更好的动态信道分配算法在文献[30]中被设计出来，专门为密集WSN所设计的动态信道分配在文献[31]