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wsns路由协议分析与仿真

WSNs路由协议分析与仿真

摘要

无线传感器网络集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术，作为计算机科学技术方面研究的一个新领域，它的应用前景十分广阔，目前己经在学术界和军方引起了高度的重视。

传统的无线路由协议不适合无线传感器网络的原因是因为无线传感器网络通常由大量密集的传感器节点构成，而这些节点的能源、计算能力和带宽都非常有限，所以设计出一个能够有效节约能源，使网络生命周期得到延长的路由协议成为了无线传感器网络的研究重点。

本文阐述了无线传感器网络的概念、体系结构、节点结构、协议栈以及关键技术等相关内容；将一些典型的路由协议进行了分析和比较；在此基础上深入分析了LEACH协议，通过分析发现，在随机选择簇头的方案上，LEACH协议存在以下问题：

（1）簇头节点分布不均匀；

（2）簇的大小相差较大；（3）能量低的节点可能被选作簇头；（4）簇数目不能保证为最优值。

这些问题都会影响网络寿命。

于是本文提出了一个改进的协议——LEACH-CH协议，该协议通过全局节点的信息选举簇头节点，选出最优节点，减少能耗、延长网络生存周期。

最后通过NS2仿真对比LEACH和LEACH-CH协议。

关键词：

无线传感网络；路由协议；LEACH协议；NS-2软件

TheAnalysisandSimulationofWSNsroutingprotocol

Abstract

Wirelesssensornetworksareintegrationofsensor,embeddedcomputation,networksandwirelesscommunicationtechnologyoffour.Asanewresearchfieldofcomputerscienceandtechnology,ithasabroadapplicationprospectandhasbeenhighlyvaluedbyacademicandmilitary.Traditionalwirelessroutingprotocolisnotsuitableforwirelesssensornetworksbecausewirelesssensornetworks（WSNs）usuallyconsistofalargenumberofintensivesensornodes,andthenodesareverylimitedinenergy,computingpowerandbandwidth,thusdesignaroutingprotocolthatcaneffectivelysaveenergyandmakethenetworklifecycleextendedbecomesafocusoftheresearchonwirelesssensornetworks.

Thispaperintroducestheconcept,thearchitecture,thenodestructure,protocolstackandthekeytechnologyrelatedcontentofwirelesssensornetworks;analyzeandsummarizethedifferencebetweensometypicalroutingprotocolsforwirelesssensornetworks;Onthebasisofthat,thepapermakesadeepanalysisofLEACHprotocol,throughtheanalysisfoundthat,LEACHagreementexiststhefollowingproblemsduetotherandomselectionofclusterheadscheme:

（1）theclusterheadnodedistributionisnotuniform;

（2）thesizeoftheclusterislarger;（3）thenodeswithlowenergymaybeselectedasclusterhead;（4）thenumberofclustersisnotguaranteedtobeoptimalvalue.Theseproblemswillaffectthenetworklifetime.

ThispaperproposesanimprovedprotocolthatcallsLEACH-CHprotocol.Theelectionofclusterheadnodesinformationglobalnode,selecttheoptimalnode,reduceenergyconsumption,andprolongthenetworklifecycle.Finally,roughNS2simulation,comparedwithLEACHandLEACH-CHprotocol.

Keywords:

wirelesssensornetworks;routingprotocol;LEACHprotocol;NS-2

4.3LEACH协议的算法体系结构18

前言

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSNs）由大量廉价的微型的传感器组成，以无线通信方式自组织形成的一个的网络系统，其作用是将网络覆盖区域中感知对象的信息进行协作的感知、收集和处理，并将信息传送给接收者。

无线传感网络涉及计算机和通信，人工智能、自动控制等多学科的综合技术。

无线传感网络同其它的通信技术相比具有巨大的潜力，其中美国商业周刊和MIT技术评论在未来技术发展的预测报告中，将其列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的十大技术。

无线传感器节点体积较小，具有快速组网和抗毁性强的特点，成为一种全新的信息获取方式。

在需要监测的环境中布置传感器节点，这些节点实时地对周围环境进行数据采集，经过简单的处理，通过无线传输方式发送出去，利用互联网传达给用户。

利用这种传感器节点的无线传感器网络可以在任何时间、环境下有效地获取客观世界的物理信息，并通过互联网将数据共享。

因为对环境数据的采集具有实时性，呈现出了真实的物质世界，所以为我们的应用和研究带来了极大地便利。

因此人们对它投入了更多的关注，并将其应用在农业、医疗、工业和军事等各个领域。

可以预计，无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势，是信息感知和采集的一场革命，将给人类的生产和生活带来深远的影响。

无线传感器网络因其宽广的应用前景而受到广泛的关注，而为了实现无线传感器网络的大范围覆盖，必须通过多跳中继的形式来传送数据，这就要依靠相对应路由协议的支持，因而路由协议也就成为了当前备受瞩目的研究热点。

在无线传感器网络中，由于各节点自身能量资源的有限，而其数据包的输送需要以多跳的通信形式送达目的地，由此可见，路由协议不但要注意每个节点在网络中的耗能问题，而且还要注重整个网络能量的均衡消耗问题，这样才能延长整个网络的生存周期。

因此选择和设计一个适合的路由算法是当前的主要任务。

第1章绪论

1.1课题研究背景与意义

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSNs）是当今信息研究领域的一个新热点，无线传感器网络通常由大量密集的微传感器组成，是一种具有动态拓扑结构的自组织网络，但其网络节点的能量、计算和通信能力都比较有限。

传感器网络由于其广泛的应用，使其成为当今的研究热点之一。

无线传感器网络具备了快速部署、自组织以及高容错性的特征，在军事应用、医疗健康、环境科学、智能家居等上都发挥着重要的作用，从而得到了世界很多国家在军界、学术界和工业界的高度重视，成为一个公认的新兴前沿热点研究领域。

无线传感器网络在电子信息研究领域是一个新的发展方向。

它是多学科领域高度交叉的结果。

它充分结合了微电子、现代网络及无线通信技术、嵌入式计算、分布式信息处理技术等先进技术。

UCBerkeley（加州大学伯克利分校）提出了利用网络连通性重构传感器位置的方法，并在其基础上研发了传感器操作系统—TinyOS[1]。

康奈尔大学、南加州大学等大学也进行了无线传感器网络在通信协议方面的相关研究，提出了基于谈判类协议（如SPIN-PP协议[2]、SPIN-EC协议[3]、SPIN-BC协议[4]、SPIN-RL协议[5]）、定向发布类协议[6]、能源敏感类协议、多路径类协议、介质存取类协议、传播路由类协议、基于Cluster的协议、以数据为中心的路由算法。

无线传感器网络的最大的特点是传感器节点的能量十分有限并且不可补充，因此，在无线传感器网络中路由协议起着重要的作用。

无线传感器网络路由协议产生的主要原因是因为其与AdHoc网络有较大不同：

因为传感器网络中存在许多传感器节点，而它又无法为每一个节点都创建一个自己独有的身份认证，所以在无线传感器网络中，不能实现典型的基于IP的协议的应用；无线传感其网络是多对一通信，也就是将传感器感知的数据发送给终端用户；由于无线传感节点部署密集，因此各个节点之间感知到的信息可能相同，因此通过数据融合降低冗余的信息；传感器节点的资源有限、节点的能量有限、节点的处理能力有限，又由于在传感器网络中节点数目大、节点的位置被随机放置、要获得的感知数据量大等特点，所以网络资源需要被很好的管理。

路由协议是当今无线传感器网络研究的热点之一，在无线传感器网络中，数据的传输与路由协议紧密相关。

路由协议在网络中承担着数据转发节点的选取任务，即要在无线传感器网络中明确数据传输时通过的具体路径。

路由算法的性能对无线传感器网络整体的生命周期长短、对是否能及时准确无误的将观察者需要的数据传输到、对是否能给无线传感器网络提供支持扩展的大量节点间的协同工作等等都有重要的影响。

因此，在无线传感器网络中路由协议占有举足轻重的地位。

所以我们需要对路由协议进行不断改进，优化后的路由协议，使得社会生产力得到进一步的提高，使得人们的社会生活更加便捷，使得人民的生活质量也得到不断的提高。

不同于一般的有线网络，在无线传感器网络中因为不存在实际的物理骨干网络，其网络通信拓扑结构具有自组织性，而且它的动态性要更强。

因此，在无线传感器网络中不适用传统的路由算法，必须设计新的路由协议来解决不同的无线传感器网络其所需要的的独立功能。

凭借在性能方面良好的路由协议，今后无线传感器网络可以应用的领域也十分的宽广。

如果将其应用在环境检测方面，利用具有生物化学特性的传感器网络就可以解决对河道的水文水质的情况、水灾预警的检测、野生动植物栖息地生态环境的检测以及森林火情的监控；如果将其应用在军事领域，使用具有声音和压力等特性的传感器就可以探测出敌军的动向，人员以及车辆行动等各方面信息，从而可以获得最新的军情，还可以对战场进行实时的监督和对战场做出损失的评估等；如果将其应用在医学领域方面，我们可以利用无线传感器实施对病人和老人的身体情况的监控，例如可以通过检测获得病人和老人的脉搏、血糖、血压等数据，在发现异常情况时，医生对患者也可以进行及时的抢救。

1.2无线传感器网络概述

1.2.1无线传感器网络的概念

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSNs）是一门集多学科高度交叉的前沿研究课题，它将传感器、嵌入式计算、网络及通信、分布式信息处理等技术集合于一体。

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSNs）是由众多部署在监测区域内的静止或移动的廉价的传感器节点通过多跳自组织的方式形成的一个网络系统。

其作用是将覆盖网络的区域内对感知对象的监测信息协同地进行检测、处理和传送，并将信息传输给观察者。

微型传感器体积小似灰尘可以在空气中浮动，质量轻，又可以称为“智能尘埃（SmartDust）”。

1.2.2无线传感器网络体系结构

无线传感器网络的研究包含4类基本实体对象：

目标、传感节点、汇聚节点和感知现场。

如图1-1所示，描述这整个系统还需对外部网络、远程任务管理单元和用户进行定义。

要形成对目标的感知现场，需要通过大量传感器节点随机分布并自组织构成网络。

传感器节点将检测到的目标信息要经过本地简单的处理后，然后借助相近的传感器节点通过多跳的形式将信息传送给观测节点。

远程任务管理和用户与观测节点之间的交流是借助外部网络，如UAV、卫星通信网、互联网等。

汇聚节点（sink节点）发出控制和查询请求的指令给网络，并接收从传感器节点那获取的目标消息。

传输无线数据以及协同其他节点工作的作用。

根据应用的需求，还能提供的功能有定位、能源的供应和移动等。

部署传感器节点的方式有火箭弹的发射、人工的埋置或利用飞行器进行播散等形式

汇聚节点可以是一个带有无线通信接口的特殊网关设备，也可以是一个拥有足够能源供给和更多内存存储空间与计算性能的增强型传感器节点，它与其他节点相比通信、处理和存储信息的能力较强。

传感器网络与外部网络通过汇聚节点相连接，远程任务管理与传感器网络之间的通信通过协议的转换来实现。

汇聚节点把从其他节点那获得到的数据消息传输给外部网络，与此同时发出远程任务管理提交的任务。

通常情况下，远程任务管理节点可以是一台PC机或作为具有强大功能的嵌入式处理设备，职能是处理并判断来自汇聚节点传送过来的数据信息，与此同时向汇聚节点发出控制信号。

作为日前的研究热点是在远程任务管理节点上进行安装监控和具备调试功能的软件，例如安装AVRORA监控软件。

图1-1无线传感器网络体系结构

1.2.3无线传感器网络节点结构

如图1-2所示，传感器节点的组成部分一般包含着几个方面：

传感器单元、处理器单元、无线收发单元和电源单元。

图1-2传感器节点的结构

传感器节点除了包括以上核心单元，还可以包括如具备定位、移动和自供电特性的系统等其他辅助单元。

将所有这些单元组装后形成的模块甚至可以比一个火柴盒更小，组合形成的各模块相互之间一起协同完成同一项的任务。

目前已存在的各类传感器节点，在实现原理上是类似的，其不同表现在对于微处理器、协议和通信方式的选择。

无线传感器网络节点随机部署，这些结点可以自组成网络，把在战场上获得的信息进行收集、传送和相互融合，并将收集到的信息发送给终端用户。

1.2.4无线传感器网络协议栈

无线传感器网络的协议栈的组成包含物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层[7]。

如图1-3所示，不同层次在网络中具有不同的作用。

物理层[8]：

保证了数据在传输时所用介质的规范，在传输介质上传输数据的比特流。

介质的类型可以是无线电、红外和激光，它为数据终端设备提供通道并完成数据的输送并负责其他一些管理工作。

数据链路层：

无线传感网络的数据链路层的作用是将数据转化成帧、进行帧检测、对数据结构进行检测、进行介质访问和对差错的控制。

介质访问的选择会影响通信时一对一或一对多的准确连接，帧差错传输控制可以确保传输的信息到达目标节点的可靠性。

网络层：

具有发现、维护和选择路由的功能，融合数据，从而实现各传感器节点间的相互通信，其通信过程以多跳方式并借助中间节点将信息传输到汇聚节点。

设计的时候要考虑是否易于与其他网络相结合、数据传输过程中的能量是否被高效利用、是否以数据为中心、最好选择基于属性的寻址和位置感知方式、数据聚集是否只有在不阻碍无线传感器节点间的协同工作时是有效的等问题。

传输控制层：

传输控制层负责传输和控制数据流，利用汇聚节点收集数据并维护数据，在保障通信质量部分起到很大的作用，能实现无线传感器节点和基站节点之间有效、可靠的通信。

设计时受到无线传感器节点的能量、处理能力和硬件的影响。

应用层：

在应用层上各种应用的开发和使用是根据节点微传感和无线连接来实现的。

但在无线传感器网络的应用层还有相当一部分还未实现，例如传感器管理、任务分派与数据广播、传感器查询和数据分发等协议。

该层上支撑服务包括：

时钟同步和传感器节点定位。

其中，时间同步提供同步本地时钟的服务，主要是为保证传感器节点间的协同工作；节点定位服务是在系统中建立起一定的空间关系，根据有限的并位置已知得节点，来得到其他节点相对应的位置[9]。

图1-3无线传感器网络协议栈

1.2.5无线传感器网络的关键技术

无线传感器网络作为目前的一个研究热点，它具有的关键技术如下所示：

1、网络拓扑控制[10]

目前网络拓扑控制的主要研究在于在满足网络有足够的覆盖范围和连通性下，利用功率的控制性能和选择骨干网的节点来删除传感器节点间那些没有用的链路，得到高效的网络拓扑结构。

通过网络拓扑控制，增强了节点间的可连通性，使得能量的利用率和网络存储空间的容量等得到提高。

2、网络协议[11]

传感器节点在计算、信息存储、相互通信能力以及电池的电量方面有很大的不足，每个节点只能获取它自身范围的部分网络的信息，对在其上运行的网络协议的复杂度有限制。

与此同时，传感器网络的拓扑结构不是静止存在，而是在动态变化，所以网络资源也在跟随其不断变化，这些使得网络协议需要不断完善。

在无线传感器网络中，路由协议不仅需要在网络中每个节点的能耗，更要降低这整个网络能量消耗，从而延长整个网络的生存周期，达到其实现的目的[12]。

与此同时，无线传感器网络的传输是以数据为中心进行的，最能体现的就是路由协议的选择，由于网络拓扑结构在动态变化，所以要为其设计专用的路由协议。

在设计的过程中要减少数据冗余，提高能量利用率，建立的转发路径是指从数据源到汇聚节点间的路径[12]。

3、数据融合[13]

无线传感器网络中的传感器节点通常是基于一个固定的时间间隔来收集和传输数据的，而通过这些节点传输的数据往往具有语义相关性。

采用数据融合技术能降低网络中冗余的数据从而降低能耗。

4、无线通信技术

传感器网络需要低能耗并且较短距离的无线通信技术[14]。

无线传感器网络采取IEEE802.1.5.4标准把低能耗、低成本作为设计的主要目标。

IEEE802.1.5.4相对于系统具有复杂度低、定位精度高等优点，适用在WSNs中。

1.3论文内容及安排

全文围绕无线传感器网络路由协议展开，共分五章，具体安排如下：

第一章绪论，简要地介绍了一下课题的选题背景和研究意义，并介绍了无线传感网络的相关内容，包括无线传感网络的体系结构、协议栈及关键技术。

第二章详细介绍了无线传感器网络路由协议的概念、设计路由协议时所需要考虑的因素、路由的过程及路由协议的分类。

第三章介绍无线传感器网络路由协议，包括平面路由协议和层次路由协议，并详细介绍了一些经典路由协议，并对这些协议进行对比。

第四章说明研究对象，讲清选择理由，介绍所选择的LEACH路由协议的算法体系结构，针对LEACH路由协议存在随机选择簇头节点导致簇头节点的分布不均匀，且簇的大小不均匀的缺点，提出了LEACH-CH协议，并介绍其采用的模拟退火算法。

第五章仿真实验，通过NS2仿真进行仿真验证，并通过实验结果对LEACH和LEACH-CH路由协议进行对比分析。

第2章无线传感器网络路由协议

在无线传感器自组织网中无线传感器网络路由协议的设计是一个核心内容，路由协议主要负责网络中数据的传输，将其从源节点发送到目的节点，有以下两个方面的功能：

一是在传感器节点到汇聚节点间寻找优化路径；二是正确将数据包沿着优化路径转发。

2.1无线传感器网络路由协议与传统网络路由协议的区别

与传统网络的路由协议相比，WSNs路由协议具有以下特点：

（1）能量优先原则

传统路由协议一般不考虑能量消耗问题。

而无线传感器网络节点由于能量有限且有时能量不能得到补充，所以在设计路由协议时，要尽量降低节点能量消耗使能量得到高效利用，从而最大限度地延长整个网络生命周期。

（2）基于局部拓扑信息

由于传感器节点数目众多，所以不能建立全局地址。

为了节省通信能量，无线传感器网络通常采用多跳的通信模式，并且节点在计算的能力和对信息资源的存储方面都很有限，这使得节点只能获取到局部的拓扑结构信息，对于计算较为复杂的路由也有很大的局限性。

因此在无线传感器网络中，设计出的路由协议要求节点在只能获取局部的拓扑信息的条件下也能选择出适合的路径。

（3）以数据为中心

与全局统一的地址用来区分利用节点来标识和进行路由依据的传统的无线网络路由协议的不同，在无线传感器网络中，节点被随机部署在传感器网络中，而这些节点通常只关心在监测的区域内的整体感知数据，并不关心单个节点获得到的数据，因而对于整个网络唯一的节点标识没有任何的依赖。

通常情况下，传感器网络包含多个数据流，这些数据流是从传感器的节点到少数汇聚节点间的信息，根据其对感知数据的需求以及数据通信时所采用模式的不同，将数据为中心来形成消息的路径转发。

（4）应用相关

WSNs应用环境千差万别，而传感器网络有较强的应用相关性，不同应用背景下的数据通信的模式也可能存在很大差别，因此不能设计出一个通用的路由机制，这就体现了传感器网络具备应用相关性的特性。

在设计路由协议时，我们需要针对每一个传感器网络的需求进行分析并设计出最优的路由机制。

无线传感器网络是由大量的传感器节点通过自组织的方式构成的无线通信网络，是一种全新的信息获取和处理技术。

传感器节点采集监测对象的状态信息（例如温度、湿度等），然后通过无线网络以多跳方式传输给汇聚节点。

路由协议就是将所需的状态信息传输到汇聚节点的过程，主要包括两个方面的基本功能：

一是寻找传感器节点到汇聚节点的优化路径；二是将状态信息沿着优化路径转发。

2.2无线传感器网络路由协议的考虑因素

在设计无线传感器网络的路由协议时，将考虑的因素大致分为以下两个方面：

（1）网络特征

无线传感器网络由于存在的环境不同，所以在设计无线传感器网络的路由协议时，主要考虑能量的消耗、节点的部署和网络结构的拓扑变化。

能量的损耗既是传感器网络的本质问题，也是路由协议的核心问题。

我们要尽可能的降低节点自身的能耗，或者保证所有节点能耗速率能够尽可能的协调一致，以延长整个网络的使用寿命。

在节点的部署方面，我们既可以采取人工方式，也可以采取随机散落的方式将节点播撒于监测区域中。

这两种方式都要考虑节点自组织成网络的问题，特别是需要分簇的时候，还要考虑不同的分簇算法对其的影响。

节点的移动和由于节点能量耗尽或其他突发情况而失效这两种情况是使网络结构拓扑发生变化的可能因素，所以设计出的路由协议要考虑这些因素，使网络能够更好的适应拓扑的变化。

（2）数据传输特征

对于数据的采集和传输的要求，无线传感器网络与其他网络不同，所以设计的路由协议要有针对性，主要考虑这些因素：

数据的传输方式、数据的融合技术和无线传输的手段等方面。

数据传输的方式分为：

时间驱动、查询驱动和时间驱动。

时间传输是数据在传输时具有一定的周期性，固定时间传输数据，数据量也较固定。

而查询驱动和时间驱动就较为不同，传输的数据根据节点的变化或外界的需求进行动态变化，传输的数据量是不固定的，在某些特殊的场合对响应的时间有要求。

在无线传感器中多个节点能产生数据，有时难免会有重复，这就造成了数据的冗余，为了克服这一缺陷，我们引进了数据融合技术，然而对于使用数据融合的时间地点也会对路由协议和数据传输产生影响，所以也要对其进行考虑。

由于无线传感器网络的路由协议是基于无线链路连接的，因此我们需要慎重选择无线传输的手段