無線傳感器網絡分簇路由協議研究(已修改)

　

【正文】 中南大學 碩士學位論文 無線傳感器網絡分簇路由協議研究 姓名：左睿 申請學位級別：碩士 專業：控制科學與工程 指導教師：羅大庸 20200501 摘要 摘要 無線傳感器網絡（ＷＳＮ）集成了傳感器、嵌入式計算、分布式信息 處理和無線通信四大技術，是一種全新的信息獲取、處理和傳輸技術。 它可應用于軍事、環境監測、醫療救護、商業等領域，因而具有十分 廣闊的應用前景，引起了學術界和工業界的高度重視。 第一，介紹了無線傳感器網絡的基本概念和路由協議的研究現 狀， 通過對整個網絡的均衡性和節點耗能的分析比較，得出了分簇路 由協議在網絡生命周期方面的的優勢。 第二，有針對性的研究無線傳感器網絡分簇路由協議，從簇首 選擇、簇的形成和簇問路由三方面重點分析了ＬＥＡＣＨ（ＬｏｗＥｎｅｒｇｙ ＡｄａｐｔｉｖｅＣｌｕｓｔｅｒＨｉｅｒａｒｃｈｙ，低功耗自適應集簇分層性協議），ＮＳ２ 仿真結果表明，ＬＥＡＣＨ協議大大提升了整個網絡生存周期。 第三，針對ＬＥＡＣＨ協議在簇首選擇和簇的形成過程中的能耗不 均，不考慮簇首節點的剩余能量和簇的大小，易出現 “ 熱點＂問題， 提出了一種新的基于能量 和距離的ＥＤＣＨ（ＥｎｅｒｇｙａｎｄＤｉｓｔａｎｃｅ ＣｌｕｓｔｅｒｉｎｇＨｉｅｒａｒｃｈｙ）協議，并通過ＮＳ２仿真表明其大大提升了網 絡生命周期。 第四，為解決ＬＥＡＣＨ協議和ＥＤＣＨ算法在簇間路由中由于簇首節 點直接與基站通信而導致的遠端簇首節點耗能過大，進而導致整個網 絡過早死亡的問題，引入剩余能量大的的最小傳輸能量的多跳路由， 提升了整個網絡的生存時間。 最后，綜合基于能量和距離的簇首選擇、非均勻分簇和剩余能量 大的的最小能量傳輸多跳路由三方面的改進，加上討論簇首數的最優 化計算，提出了一種新的基于 能量和距離的多跳路由分層型協議 ＥＤＭＲＣＨ（ＥｎｅｒｇｙａｎｄＤｉｓｔａｎｃｅＭｕｌｔｉ — ｈｏｐＲｏｕｔｉｎｇＣｌｕｓｔｅｒｉｎｇ Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ），通過ＮＳ２仿真表明，ＥＤＭＲＣＨ算法大大提升了網絡生命 周期和網絡可擴展性。 關鍵詞無線傳感器網絡，分簇路由協議，ＬＥＡＣＨ，ＥＤＭＲＣＨ，網絡壽命 碩士學位論文Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ（ＷＳＮ）ｗｈｉｃｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｆｏｕｒｍａｊｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏ ｇｉｅｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ，ｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｉＳａｎｅｗ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔｃａｎ ｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｍｉｌｉｔａｒｙ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｍｅｄｉｃａｌｃａｒｅ，ｂｕｓｉｎｅｓｓ ａｎｄｏｔｈｅｒｆｉｅｌｄｓ．Ｓｏ ｉｔｈａｓｖｅｒｙｂｒｏａｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓ，ｗｈｉｃｈｌｅｄ ａｃａｄｅｍｉｃａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｙａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏ． Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔｉｏｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔｓｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｂａｌａｎｃｅ ｏｆｔｈｅｅｎｔｉｒｅｎｅｔｗｏｒｋａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｎｏｄ ｅｓ．＇ ｃｌｕｓｔｅｒｈｉｅｒａｒｃｈｙｈａｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｌｉｆｅｃｙｃｌｅ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｉｔａｎａｌｙｓｅｓｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｃｌｕｓｔｅｒｉａｇｈｉｅｒａｒｃｈｙ ｐｒｏｔｏｃ０１．Ｆｏｃｕｓｉｎｇｏｎｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔｓｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｃｈｏｉｃｅｆｒｏｍｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒ ｈｅａｄ，ｃｌｕｓｔｅｒｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｍｕｌｔｉ — ｈｏｐＲｏｕｔｉｎｇｏｆｔｈｅＬＥＡＣＨ（Ｌｏｗ ＥｎｅｒｇｙＡｄａｐｔｉｖｅＣｌｕｓｔｅｒＨ ｉｅｒａｒｃｈｙ），ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈＮＳ２ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ＬＥＡＣＨｐｒｏｔｏｃｏｌｇｒｅａｔｌｙｅｎｈａｎｃｅｄｔｈｅｅｎｔｉｒｅｎｅｔｗｏｒｋ ｌｉｆｅｃｙｃｌｅ． Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｆｏｒｕｎｅｑｕａｌｐｏｗｅｒｃｏｓｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆ ｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄａｎｄｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃｌｕｓｔｅｒｓ，ｔｈｅＬＥＡＣＨｐｒｏｔｏｃｏｌｄｏｅｓｎｏｔ ｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅｒｅｍａｉｎｉｎｇｅｎｅｒｇｙｏｆｔｈｅｃｌ ｕｓｔｅｒｈｅａｄａｎｄｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅ ｃｌｕｓｔｅｒ，Ｔｈｉｓｌｅａｄｔｏｔｈｅ 168。 ｈｏｔｓｐｏｔｓ ” ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ，ａｎｅｗ ＥｎｅｒｇｙａｎｄＤｉｓｔａｎｃｅＣｌｕｓｔｅｒｉｎｇＨｉｅｒａｒｃｈｙｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＥＤＣＨ）ｈａｓｂｅｅｎ ｐｏｉｎｔｅｄ．ＴｈｒｏｕｇｈＮＳ２ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＥＤＣＨｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｌｉｆｅｃｙｃｌｅｏｆｎｅｔｗｏｒｋ． Ｆｏｕｒｔｈｌ ｙ，ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍａｂｏｕｔｔｈｅｅｎｅｒｇｙｔｏｏｌａｒｇｅｃｏｓｔｏｆｔｈｅ ＬＥＡＣＨａｎｄＥＤＣＨｐｒｏｔｏｃｏｌｃａｕｓｅｄｂｙｄｉｒｅｃｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄａｎｄｔｈｅｂａｓｅｓｔａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｌｅｄｔｏｐｒｅｍａｔｕｒｅｄｅａｔｈｓ ａｃｒｏｓｓｔｈｅｗｈｏｌｅｎｅｔｗｏｒｋ，ｍｕｌｔｉ — ｈｏｐｒｏｕｔｉｎｇｈａｓｂｅｅｎｐｏｉｎｔｅｄ．Ｔｈｉｓ ｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｌｉｒｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅｅｎｔｉｒｅｎｅ ｔｗｏｒｋ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔｓａｂｏｕｔｃｈｏｉｃｅｏｆｅｎｅｒｇｙａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ — ｂａｓｅｄｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄ，ａｄｊｕｓｔｔｏｔｈｅｓｉｚｅｏｆｃｌｕｓｔｅｒａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ舶ｍｔｈｅｂａｓｅｓｔａｔｉｏｎａｎｄｍｕｌｔｉ — ｈｏｐｒｏｕｔｉｎｇ，ｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈｔｈｅ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｎｕｍｂｅｒｏｆｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄｓ， ａｎｅｗＥｎｅｒｇｙａｎｄ ＤｉｓｔａｎｃｅＭｕｌｔｉ．ｈｏｐＲｏｕｔｉｎｇＣｌｕｓｔｅｒｉｎｇＨｉｅｒａｒｃｈｙｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＥＤＭＲＣＨ） ｈａｓｂｅｅｎｐｏｉｎｔｅｄ．ＴｈｒｏｕｇｈＮＳ２ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ＥＤＭＲＣＨ ｐｒｏｔｏｃｏｌｇｒｅａｔｌｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｌｉｆｅｃｙｃｌｅｏｆｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｎｅｔｗｏｒｋ ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ． ＫｅｙｗｏｒｄｓＷＳＮ，ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＬＥＡＣＨ，ＥＤＭＲＣＨ ， ｎｅｔｗｏｒｋ１ｉｆｅｔｉｍｅ 原創性聲明 本人聲明，所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標注和致謝 的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不 包含為獲得中南大學或其他單位的學位或證書而使用過的材料。與我 共同工作的同志對本研究所作的貢獻均已在論文中作了明確的說明。 作者簽名：日期：丑年￡月冱日 學位論文版權使用授權書 本人了解中南大學有關保留、使用學位論文的規定，即：學校 有權保留 學位論文并根據國家或湖南省有關部門規定送交學位論文， 允許學位論文被查閱和借閱；學校可以公布學位論文的全部或部分內 容，可以采用復印、縮印或其它手段保存學位論文。同時授權中國科 學技術信息研究所將本學位論文收錄到《中國學位論文全文數據庫》， 并通過網絡向社會公眾提供信息服務。 ? 名：墟聊簽拜嗍耳錳一 碩｛：學位論文第一章緒論 １．１課題背景 第一章緒論 隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發展和日益成熟，眾多 具有通信、計算能力的傳感器通過無線方式連接，相 互協作，共同完成特定的應 用任務，這些微型傳感器構成的無線傳感器網絡（ＷＳＮ，ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ） 引起了人們的極大關注。 無線傳感器網絡是一種特殊的Ａｄ－ｈｏｃ網絡，綜合了傳感器技術、嵌入式計 算技術、分布式信息處理技術和無線通信技術，能夠協作地實時監測、感知和采 集各種環境或監測對象的信息，并對其進行處理和傳送。它是由大量的密集部署 在監控區域的智能傳感器節點構成的一種網絡應用系統。由于傳感器節點數量眾 多，部署時只能采用隨機投放的方式，其位置不能預先確定；在任意時刻，節點 間通 過無線信道連接，自組織網絡拓撲結構；傳感器節點間具有很強的協同能力， 通過局部的數據采集、預處理以及節點間的數據交互方式來完成全局任務，并將 結果通過多跳通信方式傳送到ｓｉｎｋ節點。與當前的移動通信網絡、無線局域網 等相比較，無線傳感器網絡具有很大的發展潛力。 首先，無線傳感器網絡是無需基礎設施支持的，各節點間可以自組成網。其 次，無線傳感器網絡是一種面向數據獲取的應用型分布式、高密度、動態鏈接的 無線網絡體系，主要針對缺乏或難以建立通信基礎設施的地域，以無線網絡通信 為平臺提供數據。更主要的是，當前的無線 通信及電子技術的發展使得開發無線 傳感器節點成本降低，而節點的功耗也降低，但是功能卻更加完善。這促使世界 各地的研究者開始了對無線傳感器網絡的研究。可以預計，無線傳感器網絡的發 展和廣泛應用，將對人們的社會生活和產業變革帶來極大的影響和產生巨大的推 動。Ｇａｒｔｎｅｒ指出到了2020年，大部分物品上都會有被動式的識別標簽，它們 可以被自動識別和定位。樂觀的估計，智能無線網絡和感應設備的成本不會超過 ５０美分。傳感器采用低功耗ＣＰＵ，集成無線和傳感芯片、特定的網絡算法，并將 通過電磁輻射獲得能源。到時候計算機 將為傳感器所取代，傳統網絡也終將被傳 感器網絡所取代。 無線傳感器網絡作為計算機科學技術的一個新的研究領域，在軍事、環境監 測、醫療、商業等領域都有重要的科研價值和十分廣闊的應用前景，己經引起了 學術界和工業界的高度重視和極大關注。被認為是將對２１世紀產生巨大影響力 的技術之一，成為目前無線通信網絡的一個新的研究熱點。 碩七學位論文第一章緒論 １．２無線傳感器網絡概述 １．２．１無線傳感器網絡體系結構 在傳感器網絡中，節點通過飛機布撒 Ⅲ ，人工布置等方式，大量部署在感 知 對象內部或者附近。這些節點通過自組織方式構成無線網絡，以協作的方式感知、 采集和處理網絡覆蓋區中特定的信息，可以實現對任意地點信息在任意時間的采 集，處理和分析。這種以自組織形式構成的網絡，通過多跳中繼方式將數據傳回 Ｓｉｎｋ節點（基站），最后借助Ｓｉｎｋ鏈路將整個區域內的數據傳送到遠程控制中心 進行集中處理。一個典型的傳感器網絡的體系結構包括分布式傳感器節點（群）、 Ｓｉｎｋ節點、互聯網和用戶界面等。 傳ｔ 圖１－１無線傳感器網絡體系結構圖 １．２．２無線傳感器網絡節點結構和特征 傳感器節點通常是一個 微型的嵌入式系統瞳１，它的處理能力、存儲能力和通 信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網絡功能來看，每個傳感器 節點兼顧傳統網絡節點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數據 處理之外，還要對其它節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合等處理，同時與 其它節點協作完成一些特定任務。 Ｓｉｎｋ節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它連結傳感器網絡 與Ｉｎｔｅｒｎｅｔ等外部網絡，實現兩種通信協議的轉換，同時發布管理節點的監測 任務，并把收集的數據轉發到外部網絡上。Ｓｉｎｋ節點既可以是一個具 有增強功 能的傳感器節點，有足夠的能力供給和更多的內存與計算資源，也可以是沒有監 圖１－２傳感器節點結構圖 碩一Ｌ學位論文第一章緒論 傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部 分組成，如圖１－２所示。傳感器模塊負責檢測區域內信息的采集和數據轉換；處 理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其它 節點發來的數據；無線通信模塊負責和其它傳感器節點進行無線通信，交換控制 消息和收發采集數據；能量供應模塊為傳感器節點提供運 行所需的能量，通常采 用微型電池口１ 無線自組網是一個由幾十到上百個節點組成的，采用無線通信方式的，動態 組網的多跳的移動性對等網絡。其目的是通過動態路由和移動管理技術傳輸具有 服務質量要求的多媒體信息流。通常節點具有持續的能量供給ｎ１。 無線傳感器網絡與傳統的Ａｄ — ｈｏｃ網絡相比，有很多相似之處，但同時也存 在著很大的差別。傳感器網絡是集成了監測、控制以及無線通信的網絡系統，節 點數目更為龐大（上千甚至