课题题目

无线传感器网络路由协议的分析比较研究

学生姓名

胡斌斌

专业班级

信工0801

指导教师

马良

职称/学位

目的及意义（含国内外的研究现状分析）：

1、目的意义

   随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，众多具有通信、计算功能的传感器通过无线方式连接，相互协作，同物理世界进行交互，共同完成特定的应用任务，这些微型传感器构成的传感器网络(SensorNetwork)引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协同实时监测感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。

   无线传感器网络处于新技术的最前沿，IEEE还没有成立无线传感器网络的标准制定小组，国际上从2000年开始出现一些有关传感器网络研究的结果的报道，但是，这些研究成果处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远。总体而言，我国在无线传感器网络方面的研究工作还很少。由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时展开这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。

2、国内外研究现状

   无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期，从2000年起，国际上开始出现一些有关无线传感器网络发展和研究的报道。特别是日本、美国以及一些欧洲国家对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作，其中美国通过国家自然科学基金会、国防部和各军事部门都投入巨资制定并实施无线传感器网络的研究计划。现在，在军事领域、民用领域和学术界掀起无线传感器网络的研究热潮，并已取得了一定的研究成果。

   2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统。该研究属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。该系统把检测有毒气体的化学传感器和网络技术融于一体，当安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物质，就会自动向管理中心通报，自动进行引导旅客避难的广播，并封锁有关入口等。该系统除了能够在专用管理中心进行监视之外，还可以通过WWW进行远程监视。

   我国最近几年也开始重视WSNs技术的研究。国家自然科学基金委员会资助了很多WSNs研究项目，包括重点项目和面上项目。在“中国未来20年技术预见研究”报告中，有7项技术课题直接论述了传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中有两个与WSNs研究直接相关。

基本内容和技术方案：

本课题在介绍无线传感器网络及其特点的基础上，对无线传感器网络通信协议进行研究。其中考虑到节能是无线传感器网络设计中最重要的方面，着重对影响能耗的网络层路由协议和数据链路层MAC协议进行了分析。研究内容如下：

1．研究并总结无线传感器网络的概念、结构、应用及相关技术；

2．分析现有典型路由算法的原理和工作机制，特别是LEACH；

3．在仿真平台上仿真实现现有的典型路由协议-LEACH；

4．提出对LEACH协议的改进方案LEACH-NEW协议；

5．在仿真平台上实现LEACH-NEW协议，并比较分析它和LEACH协议的优劣。

指导教师签名：                年    月    日

文献综述：

传统的无线网络路由协议设计的主要目的是为网络提供高的服务质量和高效的利用带宽，而对于节能的考虑只是一个次要的方面；但是传感器网络路由协议设计的首要目标是高效节能，延长整个的网络生命周期。路由协议的任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由，从而为用户可靠地传递数据。由于传感器网络资源严重受限，因此路由协议的设计必须遵守执行计算简单、节点保存信息少等原则。

在层次型路由协议中，网络通常被划分为簇(cluster)，每个簇由一个簇首(cluster head)和多个簇成员(cluster member)组成。这些簇首形成高一级的网络，在高一级网络中又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。分级结构中，簇首不仅负责所管辖簇内信息的收集和融合处理，还负责簇间数据的转发。

层次型路由协议中每个簇的形成通常是基于传感器节点的保留能量和与簇首的接近程度，同时为了延长整个网络的生存期．簇头的选择需要周期更新。层次路由的优点是便于管理，适合大规模的传感器网络环境，可扩展性较好，能够有效的利用稀缺资源(比如：无线带宽等)，可以对系统变化做出快速反应，并提供高质量的通信服务。缺点是簇头的可靠性和稳定性对整个网络性能影响较大，簇的维护开销较大。

层次型路由协议典型代表主要有：LEACH，TEEN，PEGASIS。

1、低功耗自适应分簇路由算法(LEACH)

LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算法是一种自组织、自适应的分簇协议，它通过随机选择簇首，将中继通信业务平均的分配到整个无线传感网络。LEACH定义了“轮”(round)的概念，每一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。在初始化阶段，随机地产生簇首，成为簇首的节点向周围广播信息，其他节点根据接受到广播信息的强度来选择它所要加入的簇，并告知相应的簇首，从而动态的形成簇。在稳定工作阶段，簇内节点把数据发给簇首，由簇首对数据进行必要的融合处理并把结果发送到 Sink 节点。由于簇首需要完成数据融合、与 Sink 节点通信等工作，因此簇首的能量消耗非常高。各节点需要等概率地轮流担任簇首，这样才能使网络中所有节点比较均衡地消耗能量，有利于延长整个网络的生存期。

在网络建立初期每个节点从 0 到 1 的随机数中任意选择一个数值，若当前轮中这个数值小于设定的阈值 T(n)( 如下)：

T(m)=

则该节点成为本轮的簇首节点。其中 p 为期望的簇首节点数在所有传感节点数的百分比；r 是当前轮数，G 是在最后的 1/p 轮中未成为簇首节点的节点集。根据这样的阈值，在整个 1/p 轮中每个节点都会成为簇首，并保证每轮的簇首节点数为 (n 为所有传感节点总数)。在第一个轮(round 0)中r=0，各个节点以 p 的概率成为簇首，成为簇首的节点在往后的 1/p- 1 次轮中不在担当簇首，未担当过簇首的节点成为簇首的概率增加。依次递推至第1/p- 1 轮，此前未担当过簇首的节点在本轮中阀值 T=1，将肯定成为簇首。之后，所有的节点再次恢复成为簇首的能力。

LEACH协议的特点是分层和数据融合，相对泛洪、定向扩散等平面式路由协议它是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议，其后的大部分层次式路由协议都是在它的基础上发展而来的。采用LEACH协议可以使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEACH可以将网络生存周期延长15%。但是LEACH协议中动态分簇也带来了拓扑变换和大量广播等额外开销。

2、典型路由协议的比较

定向扩散、LEACH 和 TEEN 协议在设计中充分考虑了能源的有效利用，成倍地提高了整个网络的生存周期，但是无线传感器网络的应用千差万别，不同的路由协议在不同的环境表现出各自的特色和优势，因此不能绝对的判断哪种协议最优。从信息处理、路由优化方式和网络体系结构等不同方面对前述几种典型的路由协议进行了一个综合比较，如表4-2所示：

表 4-2 典型路由协议综合比较

3、路由协议下一步研究方向

针对不同的无线传感器网络应用，目前还缺乏一种普遍适用的路由算法。定向扩散和LEACH 协议分别从“以数据为中心”和“聚类分簇”两个方面给出了提高能量使用效率从而提高无线传感器网络生存周期的方向。如本文介绍的TEEN和PEGASIS协议，就是在LEACH协议的基础上研究出的。LEACH协议可以将网络生存周期延长15%。但是LEACH协议中动态分簇也带来了拓扑变换和大量广播等额外开销。TEEN协议便利用过滤的方式大大地减少数据传送的次数，比LEACH算法更节能。而PEGASIS协议通过数据融合降低了收发过程的次数，降低了整个网络的功耗，其支持的传感器网络的生命周期又是LEACH的近两倍，PEGASIS的缺点是开销大。所以设计者需要针对不同的应用环境，根据不同的数据通信模式和组网结构，设置相适应的特定路由协议。

进度安排：

2012.1——2012.2  查阅相关资料。

2012.2——2012.4   完成开题报告并开题、文献综述和外文翻译。进行模块设计，构造程序框架。

2012.4——2012.5   编程实现所设计的各模块的功能，并进行系统的仿真。完成论文框架。

2012.5——2012.6   认真撰写毕业论文，做好毕业答辩准备。

指导教师意见：