【毕业学位论文】（Word原稿）支持移动SINK的无线传感器网络分簇路由协议研究-控制理论与控制工程

分类号： 学校代号： 11845 密级： 学 号： 2240704335 广东工业大学学位论文 （ 工 学 硕 士 ） 支持移动 无线传感器网络 分簇 路由协议研究 汤子隆 指导教师 姓名、职称 ： 程良伦 教授 企业 导师 姓名、职称 ： 无 专业 或 领域 名 称： 控制理论与控制工程 学 生 所 属 学 院 ： 自动化学院 论 文 答 辩 日 期： 2010 年 5 月 25 日 11845 o.:2240704335 A s 010 510006摘 要 I 摘 要 由 传感器，微机电系统和网络三大技术融合而形成的无线传感器网络已成为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，可广泛应用于军事，国家安全，环境科学，交通管理，反恐维和以及灾害预测等领域。如何高效地使用有限的节点能量来延长网络生存时间，提高数据传输效率，已成为无线传感器网络面临的首要挑战。 本文以网络能量高效均衡利用为前提，加入对移动无线传感器网络拓扑的有话和路由协议这两个关键技术问题进行研究。 本文首先对无线传感器网络当前的研究情况进行了阐述，对分簇路由协议目前的研究情况进行 了 介绍，其中重点介绍了几种典型的无线传感器网络分簇路由协议， 再提出引入移动 针对 无线传感器网络的 路由协议的 特点 ，本文提出基于地理信息分簇的路由协议。该协议按照一定的距离将整个无线传感器网络划分为若干个簇，根据剩余能量的多少，簇头在簇头按照一定的规则轮转。簇内则按照改进的贪婪转发过程转发数据。 然后提出支持移动 于移动 文提出的协议采用簇头转发机制，即所有数据汇集到一个离 该簇头节点向 过程分为两个阶段 ,第一个阶段是自动选择阶段， 择与其最近的簇头节点通信。第二个阶段是 个阶段只有一个簇头与 他簇头节点也是按照改进后的贪婪算法将数据传输至此簇头节点，这个簇头节点再将数据传输至 仿真实验表明，本文提出的协议能够均衡网络能耗，延长网络寿命，数据传输至 关键词 ： 无线传感器网络； 分簇 ； 移动 东工业大学硕士学位论文 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 录 摘 要 . I . 录 . . 一章 绪 论 . 1 题的研究背景和意义 . 1 究背景和意义 . 1 目来源 . 2 内外研究现状 . 2 论文的主要研究内容 . 6 第二章 无线传感器网络及其路由协议 . 7 线传感器网络路由协议设计面临的挑战 . 7 线传感器网络的特点 . 7 线传感器网络能耗特点分析 . 8 线传感器网络路由协议设计的目标 . 10 无线传感器网络中引入移动 . 11 有的路由协议综述 . 12 章小结 . 19 第三章 一种基于地理信息分簇的无线传感器网络路由协议 . 20 于地理信息的分簇过程 . 20 统模型 . 20 簇条件 . 21 簇算法 . 22 头轮转 . 23 目 录 V 内路由 . 27 信半径优化 . 27 由建立 . 28 真实验 . 29 . 30 真参数选取 . 31 真结果分析 . 32 章小结 . 34 第四章 一种新的支持移动 无线传感器网络路由协议 . 35 统模型 . 35 . 36 择合适的簇头节点 . 36 制阶段 . 38 . 38 进的贪婪推进过程 . 39 输路径优化 . 40 径回路 . 40 于标签的路径优化 . 41 真实验 . 42 能指标 . 42 真比较 . 42 章小结 . 45 结论与展望 . 46 参考文献 . 48 攻读学位期间发表的学术论文 . 53 攻读学位期间参加的科研项目 . 54 独创性声明 . 55 致 谢 . 56 广东工业大学硕士学位论文 . 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 绪 论 1 第一章 绪 论 题的 研究背景 和 意义 究背景 和 意义 在当今信息技术飞速发展的时代，随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统（ 技术的发展，推动了低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的快速发展。 由大量无线传感器节点组成的新的网络形态 随之应运而生。 借助于节点中内置的形式多样的传感器，测量周边环境中的热，红外，声纳，雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体大小、速度和方向等众多物理现象。 该网络能够协作地实时监测、感知、采集和处理节点分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并将处理后的数据传送到网络中的基站节点（ ，为人们提供可靠的信息支持 123。 在现代应用中，无线传感器网络在各个领域都得到了极大发展。在军事领域，通过飞机散播等方式 4，将大量无线传 感器节点散步在敌方阵地，可以收集到各种有利的信息，如果有一部分传感器节点遭到破坏而失效时，其他传感器节点 仍然可以工作。在环境监测方面，可以将无线传感器节点布置在山体，河流等监控对象中，通过采集监控对象微观变化，为研究人员提供可靠的研究信息 5。 无线传感器网络在医疗健康，空间探索和抢险救灾等领域，也有着广泛的应用 6。 由于无线传感器网络中的传感器节点由能量有限的电池供电，所以传感器节点的使用时间受到限制。而传感器节点数量巨大，分布区域广泛，所在环境复杂，通过更换电池的方式来补充能源是不现实的，因此，如何 延长传感器节点 寿命 成为了无线传感器网络设计面临的重大挑战。其中，设计合理的路由协议就是重要的方法之一 789101112。 近年来， 随着通信技术的进步，移动终端已经可以随时接入互联网。移动终端存在广泛，与传感器网络之间具有间断连通性，有空闲的通信与计算资源可以广东工业大学硕士学位论文 2 利用，体积小巧，方便携带，能够随时把数据提供监测者等优良特性。 同时，引入移动 以平衡无线传感器网络中各节点的能量消耗，有效地避免“路由空洞”问题，从而提高整个无线传感器网络的吞吐量，延长无线传感器网络的生存时间 13 因此，如何设计高效可靠的支持移动 由于网络协议的设计往往基于已有的网络拓扑，如果对拓扑结构进行优化，就可以有效提高网络协议的效率和性能。分簇的拓扑结构，可以自动生成层次型的网络拓扑结构，提高网络的可扩展性，适合大规模网络。分簇拓扑结构具有均衡网络节点能耗，减小路由表尺寸，便于管理等优点。研究分簇结构的路由协议，对减少无线传感器网络的能量消耗具有重要意义。 支持移动 仅可以从网络拓扑结构方面控制 能量消耗，而且移动 择能量高的节点转发数据。这样就从两方面控制整个无线传感器网络的能量消耗。而且随着移动通信技术的进步，移动 此，设计 支持移动 1617 目来源 本学位论文的 研究工作来源于以下 项目： 国家自然科学基金“ 60673132） ； 广东省自然科学基金“ （ 07117421） 。 内外研究现状 现有的路由协议按照拓扑类 型划分 为 平面型 路由协议 ，基于地理信息的路由协议和层次型路由协议。这些路由协议都能够在一定程度上解决数据传输和均衡能耗的问题。其中层次型路由协议，也就是分簇路由协议的研究最为广泛。 随着手持通信设备的快速发展，采用移动 无线传感器网络的应用将越来越广泛。采用移动 以有效均衡网络能耗，而且更加便于人们采集传感器网络收集的信号。 目前涉及移动 无线传感器网络路由协议还不是很多，本文第一章 绪 论 3 提出支持移动 无线传感器网络分簇路由协议，具有一定的学术价值。 国内外对无线传感器网络都进行了广泛研究，引 起了国内外学术界，工业界以及政府部门的极大关注。美国许多大学及公司均投入了大量人力财力用于研发传感器网络相关技术，标准与产品。 及 18。许多学术机构，例如 ，也在大力推进无线传感器网络的研究和应用。 司在 2002年制订了基于微型传感器网络的新型计算发展规划， 2003 年制订了传感器网络研究计划。美国 公司的“智能尘埃”、“ 目已经进入应用测试。英国，日本，意大利等国也已经开展该领域的研究工作。 19 目前主要的移动 用 它应具备以下 6个特征 : （ 1） 体积小 ,便于携带 磅左右 ,可方便地握在手中或放在衣服的口袋里。 （ 2） 具有很强的通信能力 过有线或无线的方式发送和接收数据。具有良好的人机界面 笔替代键 盘作为主要输入手段 ,并逐步向语音输入过渡。 （ 3） 具有适用的应用软件 但囊括了电子记事本的所有功能 ,如日程管理、地址管理和电话号码管理等 ,同时 ,还具有一些台式微机才提供的软件 ,如文字处理软件和电子表格软件等。 （ 4） 价格低廉 ,易于接受 00美元 ,甚至接近 200美元。 （ 5） 可长时间地在无交流电源的场所使用 并配备高容量的电池。它通常应能在不更换电池或不重新充电的条件下 ,连续使用 48小时以上 。 目前 ,从事 发工作的美国公司主要有 :、 本公司主要有 :卡西欧、夏普、松下及东芝等。除了美国和日本之外 ,欧洲、韩国和我国台湾等地的公司在这一领域中也不甘心落后 ,纷纷加入了 前 ,欧洲的西门子、菲利浦、英国电讯、荷兰电讯和台湾的宏基、神宝、倚天及韩国的三星、金星、标准电讯等都在努力研究和开发自己的 广东工业大学硕士学位论文 4 典型 的平面型 路由协议主要包括洪泛 (由协议 20、信息协商传感器协议 122、定向扩散 (由协议 2324、谣传 (由协议 25、闲聊 (由协议 26和前向主动查询 由协议 27。典型的基于地理位置信息的路由协议有 由协议 28、 由协议 29、 由协议 30 、能量位置意识路由 31等。 基于簇的路由协议主要有： 人在 2000 年提出的低能量自适应聚类 分层由协议 32是第一个 无线传感器网络分簇 路由协议。大部分 分簇 路由协议都是在 基础上发展而来的 ，例如 。 够 节约能量的主要原因是它运用了数据压缩技术和 动态分簇 路由技术， 节点根据某个 阈值自主决定是否当选为簇头， 由此提高网络的可扩展性和鲁棒性。一旦分簇完成，簇头节点就采用数据融合和数据压缩技术进行汇聚，将整个后的数据传输给 点。一段时间后，网络又进入了另一次的分簇阶段。 能量有效性数据收集协议 33路由协议。 该协议 是在 协议的主要观点是在传感器网络中行程一条传输链。 数据从 一个节点传到另一个节点的过程中进行数据融合，最终将数据传输到一个“集合”节点，由该节点把数据发送给 于网络中的节点都具有和 此，每个节点都有可能成为“集合”节点，因此就均衡了网络能耗。 人提出了敏感阈值能量有效 由协议 34。 主动型传感器网络持续检测周围的物质现象，并以恒定的速率发送