三维空间下传感器节点移动的节能分簇路由协议研究.pdf

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1、硕士论文 三维空间下传感器节点移动的节能分簇路由协议研究 目录 摘兰要。I A b s t r a c t I I I 1 绪论1 1 1 三维移动网络算法的研究现状一1 1 1 1 移动无线网络算法的研究现状和进展1 1 1 2 三维无线网络的研究现状和进展2 1 2 课题背景3 1 2 1 三维空间下路由的应用3 1 2 2 移动路由的应用3 1 3 课题研究目的和意义一4 1 4 论文的主要研究内容4 1 5 论文结构安排5 2 典型路由协议的分析。7 2 1 路由算法和路由协议7 2 1 1 路由协议设计的目标和性能考量标准7 2 1 2 路由算法原理8 2 1 3 路由协议的分类8

2、2 2 典型无线路由协议分析一9 2 2 1 平面路由协议9 2 2 2 分层路由协议1 1 2 3 典型路由协议的比较1 3 2 4 本章小结1 4 33 D L E A C H D 协议的设计1 5 3 1L E A C H 分簇协议的详细分析1 5 3 1 1S e t u p 簇建立阶段15 3 1 2S t e a d y s t a t e 稳定传输阶段1 6 3 1 3L E A C H 协议的性能分析1 8 3 23 D L E A C H D 协议模型介绍2 0 3 2 13 D L E A C H D 协议的网络模型2 0 3 2 23 D L E A C H D 协议的无

3、线通讯模型2 0 3 33 D L E A C H D 协议簇的建立2 1 V 目录 硕士论文 3 3 13 D L E A C H D 协议最优簇首数目的确定一2 1 3 3 23 D L E A C H D 协议阈值T ( n ) 的定义一2 3 3 4 实验仿真结果分析2 4 3 4 1 仿真参数2 4 3 4 2 基于小网络空间协议的实验仿真结果分析一2 4 3 4 3 基于大网络空间协议的实验仿真结果分析2 6 3 5 本章小结2 8 4 一种三维空间下节点移动的分块路由算法( 3 D N M E E l 冲L 协议) 。3 1 4 1 算法简述31 4 2 传感器节点移动模型31

4、4 2 1 几种典型的随机移动模型3 2 4 2 2 本文协议所采用的随机移动模型3 2 4 33 D N M E E R P L 协议的网络模型3 3 4 3 13 D N M P P R E L 协议实现的前提条件3 3 4 3 23 D N M P P R E L 协议的能耗模型和数据聚合模型3 4 4 43 D - N M E E R P L 协议建立3 5 4 4 1 网络分块与节点密度3 5 4 4 23 D N M E E R P L 协议最优簇首个数的计算3 7 4 4 33 D N M E E R P L 协议簇首选择阈值公式的设计3 9 4 4 43 D - N M E E

5、 R P L 协议建立总过程4 l 4 53 D N M E E R P L 协议路由多跳机制4 1 4 5 1 单跳路由与多跳路由的对比一4 2 4 5 2 簇内路由多跳机制一4 3 4 5 3 簇问路由多跳机制一4 5 4 6 本章小结4 8 5 实验仿真及结果分析。5 1 5 1M A T L A B 仿真软件介绍51 5 1 1M a t l a b 概j 苤5l 5 1 2M a t l a b 的系统结构51 5 2 协议性能评价标准5 2 5 3 协议仿真结果及分析5 3 5 3 1 仿真参数和环境5 3 5 3 2 基于小移动网络空间协议的实验仿真结果分析5 4 5 3 3 基

6、于较大移动网络空间的协议实验仿真结果分析6 3 V I 硕士论文 三维空间下传感器节点移动的节能分簇路由协议研究 5 4 总结6 8 6 总结与展望6 9 致谢7 l 参考文献。7 3 V I I 硕士论文 三维空间下传感器节点移动的节能分簇路由协议研究 1 绪论 无线传感器网络是一种广泛应用于计算和无线通讯中的高新技术，是一种重要的信 息获取和处理技术平台【l 】。随着社会的发展，移动无线传感器技术的逐步推广以及对低 功耗无线通信技术的迫切需求，节能移动无线传感器网络的研究已经成为热点。 移动传感器网络是指节点部分或者全部可以移动的一类传感器网络，具有非常广泛 的应用价值，如移动车辆的监测、

7、将传感器安置在移动的动物身上感知其周围的环境变 化和它的活动特征【2 J ，将传感器部署在海下对海洋的水质和渔群信息进行监测等【3 】。在 这些应用中，传感器节点会受到自身或者自然因素( 如水流、风力) 的影响而发生移动。 而作为一个移动的网络，为了使节点和节点之间、节点与基站之间进行有效的通信，必 须在节点之间建立合适的路由【2 1 。而节点的移动会造成网络拓扑结构的变化，通信链路 连接的断裂，信号传输的延迟，网络能耗的增加从而缩短整个网络的寿命。另外，目前 很多网络场景属于大规模立体的三维空间，因此针对移动三维网络的节能路由协议的设 计非常必要。 1 1 三维移动网络算法的研究现状 随着无

8、线传感器网络的不断发展，静态网络算法已经不能满足不同应用的需求。移 动网络作为一种新兴的网络已经被很多学者和研究人员所关注。目前，针对不同的应用 需求提出了一系列的路由算法。而对于三维和移动的传感器网路的研究也已经取得了一 些成果。 1 1 1 移动无线网络算法的研究现状和进展 2 0 0 2 年，G a u r a vS u k h a t m e 博士带领其研究小组于美国加州大学( U n i v e r s i t yo f S o u t h e r nC a l i f o r n i a ) 成功的开发出世界第一个可移动传感器节点R o b o m o t e 平刨引，该 平台是移

9、动传感器节点的典型代表。同时，G a u r a vS u k h a t m e 也提出了一种能量收获算 法【4 1 ，该算法通过移动的传感器节点对无线传感器网络的能源进行维护和管理，实验结 果表明该算法可以很好的延长无线传感器网络的生命周期。另外，他们也针对传感器节 点移动的网络提出了一种部署算法【4 】，该算法可以实现有约束条件下的传感器节点的最 大覆盖率。2 0 0 2 年，荷兰、意大利等国家一起联合开发了E Y E S ( E n e r g yE f f i c i e n tS e n s o r N e t w o r k s ) 项引5 。，该项目的目标是开发能量高效的架构和

10、算法用于建立自组织、可移 动的无线传感器网络。柏林工业大学的A d a mW o l i s z 率领其研究小组提出了移动传感器 网络分布式朋艮务算法【6 】。2 0 0 3 年，美国加州大学伯克利分校，利用模块化的组件开发 出了C o t s B o t s 移动机器人平台【6 J ，该平台被用于分布式机器人的研究。2 0 0 4 年，美国 N o t r eD a m e 大学成功开发出了M i c o b o t 移动节点平刨7 1 。2 0 0 5 年，M I T 的M e d i a 实验室 1 1 绪论 硕士论文 针对主动式移动传感器节点的能耗问题提出了主动式移动传感器节点的思路，

11、目前国内 外只有该研究d , N 在从事主动移动传感器节点方面的研究工俐引。最近几年，学者们通 过移动节点来改善网络的吞吐量，D G o l d e n b e r g 和J L i n 通过邻居节点来控制节点的移 动设计了低能耗的网络算法【8 】，P B a s u 和J R e d i 利用传感器节点的移动特性设计了重联 通网络算法p J 。 近年来，国家科学自然基金会也加大了这方面研究的支持力度。国内部分高校以及 一些科研院所都在从事移动传感器网络方面的相关研究，并取得了较好的成果。如对移 动传感器节点的部署和动静节点的交互问题的研究，I p v 6 无线移动路由器的设计【1 0 1 ，

12、 移动感知网络的定位算法及自适应路由算法的研究等【10 1 。 目前，移动传感器节点不管是在体积和成本还是功能和能耗方面都不是很理想，研 究人员和研究机构正在就这些方面进行突破。随着移动传感器技术的不断发展以及研究 的深入，具备移动性的传感器网络将会被广泛的应用于各研究领域，以速度更快、效率 更高、能耗更少的标准为人们传递数据和信息。 1 1 2 三维无线网络的研究现状和进展 随着三维网络应用的不断发展，三维场景如高空、山区、林区、水下等越来越受到 关注，先后提出了C B L A L S 、3 D M D S 、3 D D R L 、B o u n d i n g C u b e 1 l 】等

13、一系列三维空间 下的节点定位算法，在此基础上又使用移动信标对三维网络进行辅助定位提出了 L a n d s c a p e 一3 D 和3 D - A D A L 两个典型的三维定位算法【1 1 1 ，而对于三维网络空间的覆盖增 强问题，提出了一种三维水下覆盖控制算法，利用分布式算法调节传感器节点在水下的 深度，从而实现节点在水下三维空间中的最大覆盖率。为便于对海洋中数据的采集，将 传感器节点部署在海下组成三维监测网路，采用协同的工作方式对水下三维区域中的数 据进行采集【l2 1 。目前，科学家们主要对新兴的水下和地下的传感器三维网络系统进行开 发和研究，G L O B E C O M 0 4

14、 、I P S N 0 5 I l3 J 等国际会议上都出现了专门论述三维传感器网 络的文章I l 制。美国康奈尔大学计算机学院的3 D N e t 小组，美国伊利诺斯州立大学D C L 实验室，美国佐治亚理工学院的B W N 实验室【1 5 】，法国巴黎第十三C N R S 研究中心，台 湾交通大学电子信息学院等一系列研究机构正在开展与三维网络相关的理论研究【1 6 】。另 外，针对三维网络路由算法的设计大都是以“能量”为主要度量来选择簇首或者根据相 应的三维空间特性来设计分簇算法。 总体来说，对于三维网络路由协议的研究还在起步阶段，三维网络相比较于二维网 络具有其特殊性，对实际监测环境具有

15、更高的依赖性，现有的一些二维网络路由算法的 研究成果不能简单的推广至三维网络来应用，因此对于三维空间下路由算法的研究任重 而道远。 2 硕士论文 三维空间下传感器节点移动的节能分簇路由协议研究 1 2 课题背景 当今的时代是通讯的时代、信息的时代，发达的信息科技给我们的社会和人们的生 活带来了便捷和享受。传感器技术作为信息化网络最关键的基础技术，在信息革命的推 动下近年来经历了一场前所未有的变革。单一化、巨型化的传感器技术逐步向集成化、 微型化、网络化转变并取得了显著地成果。而随着传感器技术的不断向前发展，路由技 术也越来越受到学者和研究人员的关注，适用于不同环境下的新路由协议不断涌现。当 前

16、大部分传感器路由协议算法都是针对传感器节点和接收器节点处于静止状态的情形 提出的，而很多网络中传感器节点是可移动的，传统的路由协议无法满足节点移动网络 的要求【1 7 J ，另外现实中很多网络的监测区域属于大规模立体空间，传统的路由协议几乎 都是针对二维的监测区域设计的，所以应该把三维空间下路由协议的设计作为当前路由 协议研究的重点。 1 2 1 三维空间下路由的应用 目前大多数传感器网络节点的分布都是位于二维平面的，网络模型也都是二位平面 下的拓扑结构，而在现实生活中大规模的立体环境下的传感器网络大多应该从三维拓扑 结构来考虑。如在水下的网络环境中，传感器节点部署在不同的深度网络拓扑结构是三

17、 维的，这种三维的网络给路由设计和节点定位带来了新的挑战。再如地下土壤污染监测， 将传感器节点埋在不同的地下深度，通过电磁波与地下部署的传感器节点进行通信【l7 1 ， 这样就构成了固定结构的三维网络。另外，无线三维网络的应用还体现在地下矿井的安 全探测、智能地雷、地下设施装置监测等方面【l 引。而对于森林大范围覆盖的特殊环境， 研究人员针对监测森林火灾状况，提出了三维空间下高覆盖率的连通性以保证信息的高 效实时传递【l 圳。而保证在这样的三维空间进行高效、精确的通信是非常必要的，所以三 维路由协议的研究具有广阔的应用前景。 1 2 2 移动路由的应用 节点具备移动性的传感器网络称为移动传感器

18、网络( M o b i l eW i r e l e s sS e n s o r N e t w o r k ) ，简称M W S N l 2 0 】。当前很多领域都应用到移动传感器网络，如将传感器部署 在水下对水质进行监测、将传感器安置在动物身上对动物的活动特征进行观察【2 1 1 、将传 感器安放在伞兵身上来观测他们周围的环境变化【2 1 1 。军事方面，如监视敌军的火药装备、 目标跟踪、核攻击或者生物攻击等1 2 。医疗方面，可用于监测病人的生理数据、控制患 者的行动以及监控药品的用量等B 。在这些工程中，传感器节点都是在随机移动的，而 大多数情形下传感器节点的移动都是无法预知的，即传

19、感器节点的移动是随机的、不规 则的，那么如何保证传感器节点移动的情形下网络通信能够顺利完成，是移动路由要解 决的核心问题【2 2 I 。 l 绪论 硕士论文 1 3 课题研究目的和意义 移动的传感器技术已经在医学、环境监测、军事等许多方面得到应用【2 引，而且应用 前景非常广阔。另外，现实生活中很多检测环境属于大规模的立体的网络，网络的拓扑 结构是三维立体结构，所以三维空间下节点移动的传感器网络技术的研究已经称为热 点。 但是移动无线传感器网络也有其缺陷，部署于监测区域中的传感器节点都是通过电 池来供电的，监控区域环境恶劣一旦节点发生故障或者能量耗尽，很难给电池充电或者 更换电池。因此如何提高

20、网络能量利用率、降低网络能耗是当前移动传感器网络重点要 解决的问题。此外，由于移动的传感器网络节点的不停移动，导致网络拓扑结构不断发 生变化、网络的实时性很差影响网络的生命周期。而网络所采用的路由协议【2 3 】直接影响 网络通信过程中的能量消耗，本文的主要工作是设计针对三维空间下节点随机移动的传 感器网络的节能路由协议，提高能量利用率从而有效的延长网络的生命周期，具有非常 重要的应用价值。 1 4 论文的主要研究内容 本文主要针对三维空间下节点随机移动的无线路由协议的节能性进行研究，论文首 先对3 D L E A C H 协议的分簇思想做了详细的分析，在此基础上设计了最优簇首数目的 计算方法

21、和新的簇首选择公式提出了3 D L E A C H D 协议，通过仿真结果分析可知 3 D L E A C H D 协议比传统的3 D L E A C H 协议和3 D D E E C 协议节能效果好。 接下来本文的重点是，提出了一种在三维空间下节点可以随机移动的节能无线路由 协议3 D - N M E E R P L 协议。论文中先分析了传感器节点的随机移动模式，在 3 D L E A C H D 协议的基础上又将最优簇首个数的计算公式以及簇首阈值公式做了进一 步的改进，考虑到三维空间下节点在不停的随机移动，会出现监测区域中节点密度分布 不均匀的情形。如果仍采用3 D L E A C H D

22、 协议的簇首选择公式，会导致簇首节点在网 络中分布不均以及节点在传输数据时浪费更多的能量。所以论文中又引入了一个衡量标 准一密度因子，加入密度因子之后避免了节点密度小的传感器节点被选为簇首。由于本 文研究的是规模较大且节点具备移动性的路由协议，所以传统的单跳路由模式不再适合 本文提出的新路由协议，3 D - N M E E R P L 协议簇内节点和簇问节点通信时均采用多跳的 路由机制，本文给出了具体的跳数选择公式。最后将3 D N M E E R P L 协议在M A T L A B 的测试平台上进行仿真，通过仿真结果得到：3 D N M E E R P L 协议的节点剩余能量、网 络的生命

23、周期、网络数据包转发量比3 D L E A C H D 协议和3 D D E E C 协议提高了很多。 4 硕士论文 三维空间下传感器节点移动的节能分簇路由协议研究 1 5 论文结构安排 本论文共分为六章，具体章节内容安排如下： 第一章，绪论，首先简单介绍了移动传感器网络，对三维移动网络算法的研究现状 和应用背景进行详细阐述，分析了论文的研究目的和意义，简单介绍了论文的研究内容 和具体章节的布局安排情况。 第二章，首先分析了无线路由协议的特点和分类，然后对平面路由协议和层次路由 协议进行分析，详细的介绍了最典型的两类路由协议并将它们的优缺点进行对比。 第三章，对最传统的分簇路由协议L E A

24、C H 协议进行详细的分析，将其拓展到三维 空间下引出了3 D L E A C H 协议。在此基础上设计了新的最优簇首数目的计算公式和簇 首选择的阈值公式提出了3 D L E A C H D 协议，最后通过仿真得出3 D L E A C H D 协议具 有较好的节能效果。 第四章，提出了一种三维空间下节点随机移动的节能路由协议3 D - N M E E R P L 协议。 首先介绍了节点随机移动的两种模式，然后设计了新的簇首最优个数计算公式和簇首选 择机制。协议建立后的数据传输阶段即稳定阶段，簇内和簇间节点通讯过程中采用多跳 的路由机制，文中给出了具体跳数的选择方法。 第五章，将3 D - N

25、 M E E R P L 路由协议移植到M A T L A B 平台上进行仿真，对网络的 生命周期、节点的剩余能量、基站接收数据包量三个方面进行了对比分析，得出 3 D - N M E E R P L 路由协议具有良好的节能优势。 第六章，对本文的主要研究工作进行总结，并对未来的工作提出了展望。 硕士论文 三维空间下传感器节点移动的节能分簇路由协议研究 2 典型路由协议的分析 传感器网络路由协议的主要目的是为网络中的源节点到目的节点寻找最优路径，并 把数据沿着最优路径正确的传输过去【2 4 1 。一般的传感器网络工作中，传感器节点将自身 采集到的数据先转发给s i n k 节点，s i n k

26、 节点将数据处理融合后转发给终端用户。对于移 动传感器网络，拓扑结构不断变化，采用多跳的数据传输方式即将一部分节点作为传输 数据的中介节点，数据先由源节点转发给中介节点，再由中介节点转发到s i n k 节点【2 4 】。 通过这样的方式，可以避免距离s i n k 节点较远的节点很快死亡。在源节点和s i n k 节点 之间找到一条合适的路径即选取合适的节点作为数据传输的中介节点，将对网络的性能 产生巨大的影响，也是无线路由协议研究的核心部分。 2 1 路由算法和路由协议 路由算法( R o u t i n gA l g o r i t h m ) 1 2 4 1 是指实现某种路由功能的计算

27、方法。是网络层中 路由协议的核心，路由算法主要任务是支持建立和维护传输信息分组的传输路径。目前 提出的路由算法各不相同，它们通过不同的度量机制来确定最优数据传输路径。 路由协议( R o u t i n gP r o t o c 0 1 ) 1 2 4 1 是路由算法的具体实现形式，为数据分组传输制定 一定的约束条件和标准。路由协议是根据路由算法寻找最佳路径并建立维护路由表，方 便数据正确的转发。 2 1 1 路由协议设计的目标和性能考量标准 路由算法的设计通常具备以下几个方面的目标【2 5 】： ( 1 ) 最优化，设计的路由算法选择最佳数据传输路径的能力，该指标是通过m e t r i c

28、 的权值来衡量的 ( 2 ) 简洁性，设计的路由算法要简单已实现，以尽量较少物理资源的消耗和提供最 高效的功能为目标。 ( 3 ) 稳定性，设计的路由算法必须能够经得起非正常环境的考验，如硬件故障、操 作失误等。 ( 4 ) 收敛性，路由算法能够在路由信息更新之后，重新快速计算数据传输的最佳路 径，以达到所有路由器的一致公认。 ( 5 ) 灵活性，当网路环境发生变化时，路由算法可以很快的为所有路由选择新的最 佳数据传输路径。 衡量一个路由算法设计好坏目前还没有一个统一的标准，主要最主要的参考度量见 图2 1 所示。 2 典型路由协议的分析 硕士论文 图2 1 路由协议性能考量标准 2 1 2

29、路由算法原理 路由算法必须为路由协议提供高效、准确的功能，尽量减少如软件的应用和开销( 2 5 1 。 而当软件在资源有限的计算机上运行时，这时算法的高效性显得尤为重要。路由算法的 具体实现流程见图2 2 所示。 ，、 f 接收到数据包1 二竺竺 N O 芝? 乡怛竺 N O t f l 的设备为本设备的子设备1 叫直接到目的设备路由 N O N 0 刮苎! 兰兰竺H 兰竺竺竺皇 Y E S 际未习J 开始选择路由J 图2 2 路由算法原理图 2 1 3 路由协议的分类 目前对路由协议的分类没有一个统的标准，按照不同的标准可以分为不同的路由 协议，具体路由协议的分类见图2 3 所示【2 6 】

30、。 8 力 ， 一， 能 由 一H 由 路 一临镅受附立H否Y该Y一扪瑟善 2 2 典型无线路由协议分析 图2 3 路由协议分类 路由协议的主要任务【27 j 是：在传感器节点与汇聚节点之间建立路由，并进行数据传 输。设计路由协议的前提必须简单，节点之间交换的路由信息不能太多，节点存储的状 态信息不能太多，而在转发数据时，尽量减少能量的消耗和信息的冗余度和出错率【2 8 】。 本文就路由协议的层次结构的不同，对平面路由协议和层次路由协议进行详细的分析。 2 2 1 平面路由协议 平面路由协议中传感器节点之间没有层次的差别，每一个传感器节点除了对数据进 行采集之外，还可作为路由节点为其它节点充当

31、数据转发的路由者。该类协议简单、易 实现，适合规模较小的网络。 2 典型路由协议的分析 硕士论文 ( 1 ) F l o o d i n g ( 洪泛) 路由协议 平面路由协议中最典型的是F l o o d i n g 路由协议【2 8 】，其原理是网络中的传感器节点将 自己采集到的数据或由其它节点转发来的数据，通过广播的方式传输到其邻居节点，而 邻居节点再以相同的方式转发给自己的邻居节点，如此反复直到数据最终被传输到目标 节点【2 9 1 。F l o o d i n g 协议虽然容易实现，但是容易引起消息的重叠，比如同一节点收到了 来自不同节点转发的相同的数据信息。这样就造成了传感器节点能

32、量的浪费、信道的拥 挤，会大大降低网络的生命周期【3 0 l 。如图2 4 所示，当原节点A 要向目的节点D 发送 消息时，首先节点A 要向其邻居节点B 和C 广播所要传输数据的副本，节点B 和C 将 收到消息广播给各自的邻居节点，反复循环下去，直到数据到达目的节点D 。 图2 。4F l o o d i n g 的内爆现象 ( 2 ) 定向扩散协议( D i r e c tD i f f u s i o n ，D D ) D D 路由协议1 3 U J 是一种基于查询的以数据为中心的路由协议，协议中汇聚节点采用 泛洪的方式周期性的广播消息包。S i n k 节点通过消息包告诉网络中的节点各自

33、所需接收 的数据信息，同时也建立起了传输路径。如果节点采集到的数据和消息包的一致，那么 就会沿着传输路径将消息传送给s i n k 节点。该算法的实现分为三个阶段：兴趣扩散、梯 度场建立以及数据传输1 3 1 1 。具体原理如图所示： 在兴趣扩散阶段，如图2 5 所示，s i n k 节点将查询报文广播给每一个传感器节点，从 而找到与之匹配的原始数据信息。为了加强传输的可靠性，这些消息包需要重复的发送， 在传输过程中，沿途的一些中间节点就会对消息包进行缓存，并计算消息包的梯度，每 个节点就都建立从源节点到汇聚节点的梯度场，简单的讲一个节点的梯度是指从该节点 到s i n k 节点的跳数【3 2

34、 1 。梯度建立之后，传感器节点就会沿着梯度下降最快的方向将自己 采集到的数据传输到s i n k 节点。兴趣扩散结束之后，梯度场的建立也结束了，由于每个 传感器节点都沿着各自的梯度场将采集到的兴趣消息传播给周围的节点，而周围的节点 以同样的方式将数据传播到s i n k 节点。最终，s i n k 节点会收到来自多条路径转发的数据， 为了减少网络的通信量，有效的利用能量，s i n k 节点会择优选择出一条最合适的路径， 之后的数据都会沿着该条路径进行传输，提高了网络的可拓展性【3 引。具体实现见图2 5 所示。 I O 硕士论文 三维空间下传感器节点移动的节能分簇路由协议研究 源 节 点

35、O O 址_ 叫芦q 址叫) 湖 O O 图2 5D D 协议定向扩散路由机制 ( 3 ) S P I N 协议 S P I N 协议是一种自适应的路由协议，该协议在洪泛的基础上作了改进。传感器节 点在传输数据之前，要和周围的节点进行协商，确保将正确的数据传输给所需要的节点， 减少不必要的网络能耗【3 引。 S P I N 协议包括三类消息【3 4 】：A D V 消息、R E Q 消息和D A T A 消息，通过这三种消息 对数据进行转发。当传感器节点发送数据时，就要像邻居节点广播A D V 数据包，如果 有节点愿意接收数据包时，就会回复一个R E Q 消息作为响应，表示希望接收该数据。 而

36、源节点通过D A T A 消息来封装自己采集到数据和元数据头。S P I N 的具体工作流程如 图2 6 所示。如果传感器节点有数据需要发送，那么在发送D A T A 消息之前，需先发送 一条A D V 消息，而在转发路径上的某个中间节点收到A D V 消息后，愿意帮助转发数 据，则需给源节点回复一条R E Q 消息，源节点在收到R E Q 消息回复后，将D A T A 消息 发送给该中间节点，如此循环下去最终数据包传送到s i n k 节点【“ J 。 图2 6S P I N 协议工作流程 2 2 2 分层路由协议 分层路由协议其实是将无线网络分成若干个簇的方法，每个簇通过一定的算法选举 出

37、一个簇首，其余为非簇首节点。每一个非簇首节点只在自己的时隙即簇首规定的时间 内，才可以与簇首进行通信，其余的时间都处于休眠状态。该机制不仅减少网络的能耗， 同时也避免了信道的拥挤。与平面路由相比分层路由具有良好的扩展性，可以大大的降 低网络能量的消耗提高能量利用率。 ( 1 ) L E A C H 协议 L E A C H 协议是最早的分簇路由算法【36 1 ，同构网络中的很多无线算法都是基于 L E A C H 协议提出的，而异构网络的一些算法也借鉴了L E A C H 协议的一些思想，如簇 首选择的思想。L E A C H 协议的主要思想是按照“轮”来执行的，每轮分为两个阶段。 2 典型路

38、由协议的分析 硕士论文 首先簇建立阶段，每个传感器节点产生一个O 到1 之间的随机数，如果该随机数的值小 于预设的阈值，则该节点被选为簇首I j 川。 第二个阶段为稳定传输阶段，簇首节点采用T D M A 的方式，对自己的簇成员节点 进行信道的分配。每个簇成员节点只能在自己分配的时隙与簇首节点进行通信，簇首将 簇成员节点传来的数据进行融合，再转发给汇聚节点。 L E A C H 协议的循环的簇首选择机制，均衡了网络的能量消耗。避免了单个节点成 为簇首以后由于能量的过渡消耗和失效的缺陷。该协议的缺点之处是每个节点都与汇聚 节点直接进行通信，对于一些检测区域比较大的网络，采用单跳路径进行通信，增加

39、节 点的能耗，影响网络的生命周期 3 8 1 。 由L E A C H 协议发展来的协议还有L E A C H C 和L E A C H F 协议【39 1 ，这两种协议的 不同之处是簇首选择机制的不同，L E A C H C 协议在簇首选择的时候，节点不再是自由 竞争的模式，每个节点将自己的位置信息以及当前节点的剩余能量的信息发送到汇聚节 点，汇聚节点通衡量节点的剩余能量以及节点的距离，来选择哪些节点适合称为簇首。 而L E A C H F 协议是在簇建立之前，先建立一个簇成员列表，每个节点按照列表的次序， 依次作为簇首【4 0 J 。该方法的好处是避免了由于频繁分簇和选簇首而造成的能量额外

40、的消 耗。缺点是不能处理网络中部分节点失效以及由于节点移动造成的拓扑结构变化问题。 ( 2 ) P E G A S I S 协议 P E G A S I S 协议延续采用了L E A C H 协议动态选举簇首的方法。P E G A S I S 协议不同 于L E A C H 协议的地方是，不再将网络分为若干个簇，而是将网络视为一个簇称为链【4 1 | 。 同样该协议的运作可以分为两个阶段：链建立阶段和数据传输阶段。假设网络中的所有 节点都是静止的，且初始能量和采集传输数据的能力是相同的。网络中的节点都了解其 邻居节点的位置信息，传感器节点获取自己与周围节点的距离，采用信号检测和应答机 制检测的

41、办法来建立链【4 2 1 。如此循环下去，直到整个网络形成一条链路。 在P E G A S I S 协议的数据传输阶段，采用的是令牌环的方式。在数据开始传输时， 从链路的末端C 0 开始，C n 先将采集到的数据传给C 1 ，C 1 将接收的信息和自身的信息融 合之后一起传输给C ，C ，以相同的方式收集C d 发来的信息，最后将所有信息进行处理 融合并传输给s i n k 节点【4 3 l 。P E G A S I S 协议的具体数据传输流程如图2 7 所示。 1 2 八 ( s i n k ) U 图2 7P E G A S I S 算法数据传递过程 该协议的优势同样是避免了频繁的建簇和选

42、择簇首，节省了网络能量的消耗。同时 硕士论文 三维空间下传感器节点移动的节能分簇路由协议研究 节点采用多跳的方式与s i n k 节点进行通信，簇内节点的通信也仅限于自己的邻居节点， 大大节约了能量，延长了网络的寿命。而实验也证明了，P E G A S I S 协议的网络寿命是 L E A C H 协议的2 倍。但P E G A S I S 协议也有其不足之处，网络只有一个簇首节点，簇首 在传输数据的过程中，负荷较大一旦簇首能量耗尽，网络就会瘫痪。另外，链路如果过 长，会造成数据传输的延迟，对实时性要求高的网络P E G A S I S 协议不会适用】。 ( 3 ) T E E N 协议 无线

43、传感器网络一般分为两种类型，一种是响应型一种是主动型m 】。响应型网络主 要用于检测特定的事件，只有特定的事件发生时，发送单元才会打开；而主动型网络是 对周围的环境进行持续的检测，并将检测到的结果以恒定的速率发送到s i n k 节点。T E E N 协议作为典型的响应型网络协议，通常会先定义两个门限值：软门限和硬门限【4 l 】。在传 感器节点给簇首节点发送数据时，必须要满足这样的条件：当传感器节点检测到的数据 值大于硬门限值，此时节点需向簇首发送信息，反之则不需要发送，节点继续检测。当 传感器节点采集到的数据值大于硬门限值，而其变化值小于软门限值时，节点需向簇首 发送信息，反之则不需要发送。 2 3 典型路由协议的比较 在2 2 节中对当前几种典型的路由协议进行了介绍，主要分析了各个协议的设计思 想和特点。下面将分别对它们的节能性、网络周期、Q o S 支持、数据聚合能力、可扩展 性、以数据为中心等性能进行分析总结3 9 1 ，比较结果如表2 1 所示。 表2 1 几种典型路由协议的性能比较 协议名称节能网络周期 Q o S 支持 数据融合可扩展性以数据为中心 D I R E C T 不好不好否否差否 F l o o