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1、无线传感器网络LEACH路由研究与实现BACHELORS DEGREE THESISOF WUHAN UNIVERSITYWireless sensor network LEACH routingresearch and implementationCollege ：Subject ：Name ：Directed by ：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
2、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。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：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。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：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
3、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。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书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。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日郑 重 声 明本人呈交的
4、学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名：_ 日期：_摘要无线传感器网络（WSN）集成了传感器、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信四大技术，是一种全新的信息获取、处理和传输技术。它可应用于军事、环境监测、医疗救护、商业领域等，因而具有十分广阔的应用前景，引起了学术界的高度重视。本文重点研究WSN的LEACH路由协议，无线传感器网络节点数量庞大
5、，单个节点资源极其有限，其路由协议设计的首要目标就是提高能效性，延长网络寿命。本文总结了WSN的发展历程、概念、结构及应用，分析了WSN的关键技术问题，研究了WSN路由协议的分类，并分析和比较了目前比较有代表性的路由协议及其优缺点，有针对性的选择了LEACH路由作为研究重点，实现了LEACH路由的路由算法，在此基础上分析了其存在的问题，并针对这些问题在原有的算法的基础上提出了改进方案：由于簇首的选择没有考虑到节点能量的问题，于是改进了阈值T(n)的计算问题。对上述改进，本文采用在C+下进行了模拟和分析。模拟结果表明，改进后的路由算法比原LEACH路由算法：系统整体能耗降低，网络生命周期提高10
6、%。关键词：WSN；无线传感器网络；路由协议；LEACH；能量有效性ABSTRACTWireless sensor network, which is made by the convergence of sensor, embedded computing,distributed information processing and wireless communication technologies, is a new information acquisition,processing and transmission technologies. It can be used in m
7、ilitary, environmental monitoring,medical and commercial, etc.it has a wide application future. Both academia and industries are very interested in it.The study of LEACH routing protocol for WSN is the main part of this dissertation.The numbers of sensor node in WSN are numerous and single node is e
8、xtraordinarily limited in resource. The all-important aim of designing routing protocol of WSN is to reduce the overall energy dissipated in the network and to maximize the network lifetime. We summed up the development history, concept, structure of WSN and analyzed the key technical issues and net
9、work protocols of WSN. we studied the network protocols of WSN and routing protocols on the classification system. We analyzed and compared some routing protocols from their advantages and disadvantages that proposed by oversea researcher; we choose LEACH routing protocol as the research target. We
10、analyzed its insufficient. Based on the original algorithm, we put forward their improvement projects: Due to the selection of cluster-heads failed to consider node energy question, and improved threshold T (n) calculation problem.To the improvement above,using C+ to simulate and analyze.The simulat
11、ion results indicate that improved routing algorithm compared with LEACH:the overall low consumption,network life cycle increased by 10%.Key words: WSN; Wireless sensor network; routing protocol; LEACH; Energy efficiency目录第1章前言1.1研究背景11.2WSN研究现状21.3本课题的研究内容3第2章无线传感器网络（WSN）概述2.1WSN结构42.1.1WSN的体系结构42.
12、1.2WSN的节点结构62.2WSN应用72.2.1环境的监测和保护72.2.2医疗护理72.2.3军事领域82.2.4其它领域82.3无线传感网络的技术难点8第3章WSN路由技术概述分析3.1路由的过程103.2路由协议的关键问题分析103.2.1能量有效性103.2.2可扩展性103.2.3数据传输可靠性113.3路由协议的分类113.3.1按源节点获取路径的方法113.3.2按节点参与通信的方式123.3.3按路由的发现过程123.3.4按路由选择是否考虑服务质量（QoS）约束133.4典型的路由协议分析133.4.1洪泛路由(Flooding)133.4.2Gossiping路由协议1
13、43.4.3SPIN协议143.4.4DD（Directed Diffusion）定向扩散路由协议163.4.5Rumor 路由协议（谣传路由）163.4.6GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)路由协议173.4.7LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）路由协议183.4.8协议性能的比较19第4章LEACH路由原理与实现4.1LEACH的原理204.1.1簇的形成204.1.2稳定工作阶段214.2LEACH路由的实现214.3LEACH路由的优缺点分析234.3.1分簇算法问题234.3.2
14、簇间的通信方式问题23第5章LEACH路由的改进5.1算法改进方案245.2改进方案的实现245.3LEACH与改进方案的仿真对比25第6章总结参考文献致 谢附录第1章前言1.1研究背景无线传感器网络是一种特殊的Ad-Hoc无线网络，由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。它可以协调地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。传感器网络经历了如下几个历程，如图1.1：第一代传感器网络诞生在20世纪70年
15、代，使用具有简单信息获取能力的传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络产生在90年代初，采用的传感器具有获取多种信息的综合能力，采用串/并接口与传感控制器相连，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代传感器网络产生在90年代末，采用具有智能获取多种信息的传感器，用现场总线连接传感控制器，构成 LAN（Local Area Network），成为智能化传感器网络；第四代传感器网络，目前正在研究开发，采用大量的具有多功能、多信息获取能力的传感器，用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成 WSN。网络连接 总线连接 接口覆盖 直接覆盖 域覆盖 面覆盖 线覆盖 点
16、覆盖 1965 1980 1995 2005 第一代 第二代 第三代 第四代 图1.1 传感器发展历程1.2WSN研究现状无线传感器网络的研究起始于20世纪90年代末期，最早的代表性论文出现在1999年，题目为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了WSN下一个世纪面临的发展机遇12。2003年美国技术评论杂志3在论述未来新兴十大技术时，WSN名列第一；同年，美国Business Week预测的未来四大新技术：效能计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官，WSN也列入其中。2004年IEEE Spectrum杂志发表一期专集传感器的国度，论述了WSN的发展和应用。
17、可以肯定的说，WSN的发展和应用，将对人类的生活以及产业变革带来很大的影响和产生巨大的推动力4。WSN是一种无基础设施的网络，由一定数目的传感器节点构成，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能协作地实时监测、感知和采集节点部署区域的各种环境或监测对象的信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些数据进行处理，获得详细而准确的信息，通过无线网络最终发送给观察者。在环境监测、医疗护理、抢险救灾、智能家居、工业生产控制以及商业等领域具有广阔的应用前景。WSN与传统固定网络有很大的不同。在其研究初期，人们认为成熟的Internet技术加上Ad H
18、oc路由机制对WSN的设计是足够充分的，但是深入地研究表明，WSN有不同于传统无线网络和Ad Hoc网络的特点，前者以数据为中心，而后两者以传输数据为目的。与WSN最为相似的是移动自组织网络（mobile ad hoc networks，简称MANET），共同点是无线自组织多跳网络，邻居发现和路由发现都是自动的，不同有5678： WSN节点不移动或很少移动，节点可达上千，远大于MANET的几十个节点，并且 MANET节点移动性强、是移动的对等体之间的数据或语音通信；WSN的数据包较小，因而数据传输开销更大，并且节点的计算、存储、通信能力更有限；传感器节点通信高能耗，数据计算低能耗，这种差异在M
19、ANET中并不重要；WSN一般独立成网，主要用于监测功能，是以数据为中心的网络，MANET则能为分布式应用提供互联、计算能力；WSN网络流量具有多对一和一对多的特点，其节点合作完成监测任务，与应用高度相关，数据相关性较大，节点一般没有统一编址（在某些应用中可对节点编址），节点标识（如地址等）的作用并不是非常重要，因为应用程序不关心单节点上的信息，中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存却很有必要。WSN的上述特点使得一些为众多传统固定网络与MANET设计的路由协议和算法不适合WSN的特点和应用要求5。在密集型的WSN中，相邻节点间的距离较短，低功耗的多跳通信模式可以节省能源，同时增加了通
20、信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。WSN路由设计的重要目标是降低节点能量损耗，提高网络生命周期，WSN中这些独特的要求和制约因素为其研究提出了新的技术问题。其中，路由协议的研究与设计近年来受到国内外研究学者的重视，研究人员正在努力研究适合WSN的路由协议。1.3本课题的研究内容WSN应达到的要求使它的路由协议设计面临着节能和提高扩展性两个关键性问题。现有的路由协议都不能很好地解决这两个问题，因此有必要针对WSN的特点和需求研究专门的协议或改进现有的协议。本文重点研究WSN的LEACH路由协议，无线传感器网络节点数量庞大，单个节点资源极其有限，其路由协议设计的首要目标就
21、是提高能效性，延长网络寿命。本文总结了WSN的发展历程、概念、结构、特点及应用，分析了WSN的关键技术问题，研究了WSN路由协议的分类，并分析和比较了目前比较有代表性的路由协议及其优缺点，有针对性的选择了LEACH路由作为研究重点，实现了LEACH路由的路由算法，在此基础上分析了其存在的问题，并针对这些问题在原有的算法的基础上提出了改进方案：由于簇首的选择没有考虑到节点能量的问题，于是改进了阈值T(n)的计算问题。综上所述，WSN路由技术的研究很有挑战性，是一个开放性的研究课题。第2章无线传感器网络（WSN）概述无线传感器网络是由分布在一定范围大量传感器节点组成，各节点间多以无线多跳的无中心方
22、式进行连接，能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域的目标对象的信息，并返回观察者10。其组网方式以及节点结构都与传统的网络有着明显的区别，本章将对无线传感器网络的基本概念到应用以及技术挑战作简单的介绍。2.1WSN结构2.1.1WSN的体系结构传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)，汇聚节点(sink node)和管理节点10，如图2.1所示。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网
23、或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。Sink nodeInternet and SatellitesTask manager node Sensor nodesSensor fieldUSER 图2.1 WSN经典体系结构 常见的WSN的3种网络拓扑结构：层次、网状、链式结构。(1) 基于簇(Cluster)的层次结构如图2.2，每个轮换，按某种算法选择簇里面的节点作为簇首，它就是分布式处理的簇中心，簇中其它节点把数据传送簇首，由簇首完成信息的处理和融合，然后由簇首以多跳通信方式或者直接方式传送给sink节点。Sink node Mon
24、itoring Area ClusterNodeHead in cluster 图2.2 WSN分层结构(2) 基于网(Mesh )的平面结构，在这种结构下WSN连成一张网如图2.3所示，网络非常健壮，网络伸缩性好；在个别链路和传感器节点失效时，不会引起网络分裂。可以同时通过多条路由传输数据，传输可靠性非常高，只要对数据进行一定的前向纠错编码，基本不需要采用基于端到端应答的重传通信机制。 Sink普通节点 图2.3 WSN网状结构 (3)基于链(Chain)的线结构，在这种结构下传感器节点被串联在一条或多条链上，链尾与sink节点相连，如图2.4。sink普通节点图2.4 WSN链状结构2.1
25、.2WSN的节点结构传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统11，它的基本组成包括如下几个模块：传感器模块(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理器模块(由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、无线通信模块(由无线通信模块组成)、以及能量供应模块，如图2.5所示，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它节点协同工作的能力，依据应用需求，还可能携带定位，能源补给或移动等模块。传感器模块 处理器模块 无线通信模块传感器 收发器 处理器 AC/DC MAC 网络
26、存储器 能量供应模块 图2.5 传感器节点结构传感器节点的目标是网络感兴趣的对象及其属性，有时特指某类信号源。传感器节点通过目标的热、红外、声纳、雷达或震动等信号，获取目标温度、光强度、噪声、压力、运动方向或速度等属性。传感器节点对感兴趣目标的信息获取范围称为该节点的感知视场，网络中所有节点感知视场的集合称为该网络的感知视场。当传感节点检测到的目标信息超过设定阀值，需提交给观测节点时被称为有效节点。观测节点具有双重身份。一方面，在网内作为接收者和控制者，被授权监听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器网络发布查询请求或派发任务；另一方面，面向网外作为中继和网关完成传感器网络与外部网络间信号和数
27、据的转换，是连接传感器网络与其它网络的桥梁。通常假设观测节点能力较强，资源充分或可补充。观测节点有被动触发和主动查询两种工作模式，前者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发，后者则周期扫描网络和查询传感器节点，较常用。2.2WSN应用无线传感器网络可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络使它可以应用到军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。2.2.1环境的监测和
28、保护随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏，比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件，无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。2.2.2医疗护理无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手，英特尔公司推出了无线传感器网络的家庭护理技术，该
29、技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项目CAST(Center for Aging Services Technologies )的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以及家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，“在开发家庭护理技术方面无线传感器网络是非常有前途的领域”。2.2.3军事领域由于无线传感器网络具有密集、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于
30、恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途，美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研发。2.2.4其它领域无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。传感器网络的体系结构受应用驱动。总的说来，灵活性、容错性、高密度以及快速部署等传感器网络的特征
31、为其带来了许多新的应用、在未来，有许多广阔的应用领域可以使传感器网络成为人们生活中的一个不可缺少的组成部分，实现这些和其他的传感器网络的应用需要自组织网络技术。然而，传统Ad hoc网络的技术并不能够完全适应于传感器网络的应用。因此，充分认识和研究传感器网络自组织方式及传感器网络的体系结构，为网络协议和算法的标准化提供理论依据，为设备制造商的实现提供参考，成为当前无线传感器网络研究领域中一项十分紧迫的任务。也只有从网络体系结构的研究人手，带动传感器组织方式及通信技术的研究，才能更有力地推动这一具有战略意义的新技术的研究和发展。2.3无线传感网络的技术难点尽管无线传感网络应用前景广阔，但是真正的
32、让无线传感网络大良的投入正常运行并达到预期的目标还有许多难点。当前无线传感网络的难点技术主要有以下几个方面。第一，传感器节点制作工艺和成本，无线传感网络中的节点受其应用环境的要求需要恰当的大小、足够的功能和合适的成本，这就对节点的制作工艺有了严格的要求，从而可以让节点在恶劣条件下大面积的布置。第二，传感器节点的功率和睡眠控制，对传感器节点的功率和睡眠的控制目的就是要减少节点的能量消耗，延长其使用寿命。功率控制是通过降低节点的发射功率来延长网络的生存时间，并没有考虑空闲侦听时的能量消耗和覆盖冗余。无线通信模块在空闲侦听时的能量消耗与收发状态时相当，覆盖冗余也造成了很大的能量消耗。所以只有使节点进
33、入睡眠状态，才能大幅度地降低网络的能量消耗。因此，控制节点的功率和睡眠对节点的能量控制都有很大的影响。第三，传感网络的传输协议，无线传感网络的通信协议研究主要在MAC层协议、网络层协议和高可靠性和安全性的数据传输这三点上。其中，无线传感网络的数据传输安全主要从两方面考虑：一方面是从维护路由安全的角度出发，利用经典的多径路由算法，将数据包分解成子数据包，通过多条路由传递，数据包在网关处重建，以增强系统的安全性和稳健性。另一方面是将注意力集中在安全协议方面，已经有学者提出了两种适用于无线传感网络的基本安全协议算法：SNEP和TESLA。目前有关无线传感网络安全方面的研究主要还是在安全协议的设计上，
34、但是作为第二道防线的检测和响应方面的考虑还显不够。第四，数据的管理、查询、分析和挖掘，以数据为中心，面向具体应用是无线传感网络与传统网络系统的主要区别之一。无线传感网络以数据为中心的特点使其与数据库系统类似，即无线传感网络可视为一个支持感知数据查询的数据库，因此很多研究者采用数据库研究方法来研究无线传感网络。高效合理的数据管理技术是无限传感网络完成其功能的必要条件之一。第3章WSN路由技术概述分析无线传感器网络节点间以Ad Hoc方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复链接的功能。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，主要包括两个方面
35、的功能：一是寻找源节点和目的节点间的优化路径；二是将数据分组沿着优化路径正确地转发。传统无线网络，如Ad Hoc、WLAN等，其主要目标是提供高服务质量和高效的利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务就是寻找源节点到目的节点间通信延时最小的路径，从而提高效率，而WSN路由会考虑到能量消耗这一重要问题。3.1路由的过程无线传感器网络的路由过程主要分为以下四个步骤：第一，某一个设备发出路由请求命令帧，启动路由发现过程；第二，对应的接收设备收到该请求命令后，回复应答命令帧；第三，对潜在的各条路径开销（跳转次数、延时）进行评估比较；第四，将评估确定之后的最佳路由记录添加到此路径上各个设备的路由表中。网
36、络中的各个节点都会保持一个路由表，该表由目的节点和下一跳地址组成，对于某一个节点来说，当收到了一个数据分组，该节点将检查该分组的目的节点地址，并将此地址与路由表中的目的地址相匹配，找出下一跳地址，并将此分组转发给相应的节点。3.2路由协议的关键问题分析3.2.1能量有效性提高能量有效性是WSN从硬件设计到软件开发都必须考虑的问题。从路由协议设计的角度有两种思路提高能量有效性：一是节能，寻找节能路由，减少路由建立和维护的控制开销，提高路由可靠性；二是能耗均衡，从空间上调度能量资源，使网络中节点能量均衡消耗。3.2.2可扩展性可扩展性是指网络的性能不随着网络中节点的数量增加而有明显的下降两类重要策
37、略：一是分层路由，网络分成若干层，低一层的群首构成高一层的网络，节点地位不同，群首为局部控制中心，负责群内路由、信道接入、休眠调度等，大多数节点作为群成员其操作相对简单，控制开销较低；二是地理路由，地理位置信息实际上体现节点间相对拓扑关系，利用这一信息路由能很大程度上降低用于收集拓扑信息付出的开销，提高协议的可扩展性地理路由使用的前提是节点能获得自己和目的节点的地理位置信息，对于节点有移动性，任意两个节点之间都可能进行通信的网络，为获得目的节点位置信息需不断更新位置信息，开销较大，地理路由的优势就不明显。3.2.3数据传输可靠性数据传输的可靠性直接关系到WSN是否能给用户提供准确、全面和可靠的
38、信息，而WSN中节点无线通信能力弱，应用环境复杂，实际的链路质量比较低。如何保证数据传输的可靠性是WSN路由设计中的一个关键问题，影响WSN数据传输可靠性原因：第一，无线信道上的碰撞导致分组无法正确接收；第二，节点故障使路由不可用，导致分组丢失；第三，链路不可靠，导致分组传输出错或丢失。解决路由协议数据传输可靠性的策略有：第一，建立多路径路由，可以建立信源节点到目标节点的多条路径，选择最优路径作为主路径，其他路径为备份。也可以使用多条路径发送原始分组的多个副本，即使其中一些传输丢失也不会影响端到端的可靠性。第二，选择可靠链路。3.3路由协议的分类鉴于无线传感器网络的特殊性，为无线传感器网络设计
39、特有的路由协议具有非常重要的意义，目前已经提出了许多的路由协议，各种路由协议在不同的应用环境和性能评价指标下各有千秋。针对不同应用环境的各种路由协议，根据一些特定的标准对路由协议加以分类，主要有以下几种分类方法。3.3.1按源节点获取路径的方法1主动路由协议：该协议要在数据传输之前先建立好相应的路径，路由发现策略类似于传统的路由协议。网络的每个节点都要周期性地向其他节点发送最新的路由信息，并且每一个节点都要保存一个或更多的路由表来储存路由信息。当网络拓扑结构发生变化时，节点就在全网内广播路由信息，这样每一个节点就能连续不断地获取网络信息。主动路由建立、维护的开销大，资源要求高。2按需路由协议：
40、只有在源节点需要发送数据到目的节点时，源节点才发起创建路由的过程。因此，路由表内容是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。通信过程中维护路由，通信完成后便不再进行维护。按需路由协议在传输前需计算路由，因此延时比较大。3混合路由协议：混合路由则综合利用主动和按需两种方式。一般来说，对于经常使用并且拓扑变化不大的网络部分可以采用主动路由协议的方式建立维护相应的路由信息，而对于传输数据比较少或拓扑变化较快的网络部分，则采用按需路由的方式建立路由，以取得效用和时延的折中。3.3.2按节点参与通信的方式1直接通信协议：传感器节点直接发送数据给接收节点，在这种网络中，如果网络比较大的话，节点的
41、能量会很快用光。另外，随着节点数目的增加，网络中的数据冲突将变得更加严重。由于能耗和冲突的原因，这种路由方式在规模稍大的无线传感器网络中都难应用。2平面路由协议：网络中的所有节点都地位平等，实现的路由功能也大致相同。当一个节点需要发送数据时，可能以其他节点为中转节点进行转发，最后到达接收节点。通常来说，在接收节点附近的节点参与数据中转的概率要比远离接收节点的节点参与的概率高，因此，接收节点附近的节点由于过于频繁地参与数据中转，会较快地用完能量而成为死亡节点，这对于能量严重受限的无线传感器网络来说，是一个严重的问题。3层次路由协议1415：将传感器节点分成不同的簇群，簇群内收集的监控信息都交给簇
42、头节点，簇头节点可以通过数据聚集和融合减少传输信息量，最后簇头节点把处理后的数据传送给终端节点。相比于其他路由协议，层次路由协议能满足传感器网络的可扩展性，有效地减少传感节点的能量消耗，从而延长网络寿命。显然，此类协议中，簇头节点的能量消耗远大于其他节点，因此此类网络协议可以选择满足条件的节点轮流担当簇头节点来均衡能耗。3.3.3按路由的发现过程1以位置信息为中心的路由协议18：它利用节点的位置信息，把查询或数据转发给需要的地域，从而减少数据的传送范围。许多传感器网络的路由协议都假设节点的位置信息已知，所以可以方便的利用节点的位置信息将节点分为不同的域，基于域进行数据的传输来缩小传送范围，减少
43、中间节点的能耗，从而延长网络的寿命。2以数据为中心的路由协议16171819：它提出对传感器网络中的数据用特定的描述方式命名，数据传输基于数据查询并依赖数据命名，所有的数据通信都限制在局部范围内。这种方式的通信不再依赖于特定的节点，二是依赖于网络中的数据，从而减少了网络中传送的大量重复冗余数据，降低了不必要的开销，从而延长网络的寿命。3.3.4按路由选择是否考虑服务质量（QoS）约束保证QoS的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等参数，从多条可行的路由中选择一条最适合QoS应用要求的路由；或者根据业务类型，保证满足不同业务需求的QoS路由协议。由于无线传感器网络路由协议繁多，分类方法也
44、很多，除了以上方法外还有根据路径数量、根据应用场合、根据数据传输方式等其他分类方法。下面将介绍一些典型的路由协议。3.4典型的路由协议分析3.4.1洪泛路由(Flooding)扩散法(Flooding)13是一种传统的网络路由协议，不需要知道网络拓扑结构和使用任何路由算法，接收到消息的节点以广播的形式转发给所有的邻居节点。协议内容如图3.1所示：源节点S希望发送一块数据给节点D，节点S首先通过网络将数据副本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点S外。如此继续下去，直到将数据传输到目标节点D为止或者为该数据所设定的生命期限（在传
45、感器网络里面通常定义为最大跳数）变为零为止或者所有节点拥有此数据副本为止。洪泛路由（Flooding）的优点有：第一，实现简单；第二，不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源；第三，适用于健壮性要求高的场合。洪泛路由（Flooding）的不足在：第一，存在信息爆炸(Implosion)问题，即出现一个节点可能得到一个数据多个副本的现象；第二，出现部分重叠(Overlap)现象，如果处于同一观测环境的两个相邻同类传感器节点 同时对一个事件作出反应，二者采集的数据性质相同，数值相近，那么，这两个节点的邻居节点将收到双份数据副本；第三，盲目使用资源，即扩散法不考虑各节点能量使用状况因而无法作出相应的自适应路由选择。图3.1 Flooding协议过程3.4.2Gossiping路由协议 Gossiping13协议是对Flo
