无线传感器网络高效路由协议设计与实现.docx

无线传感器网络高效路由协议设计与实现ronggang导语：集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，本文在借鉴了各类成熟路由协议的根底上，以有效节约能源，设计出一种基于协商机制的层次型路由协议摘要：集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，本文在借鉴了各类成熟路由协议的根底上，以有效节约能源，延长网络生命周期为目的，设计出一种基于协商机制的层次型路由协议。并最后经ns2平台上的仿真测试，NBLEP根本到达了无线传感器网络路由协议设计目的。关键字：无线传感器网络;协商机制;NBLEP;NS2align=centerbDesignandimplementforhighefficiencyrouteprotocolofwirelesssensornetwork/b/alignAbstract:WirelessSensornetworkWSN,whichisintegratedwithsensor，nestedcomputation,networksandwirelesscommunicationtechnologies,isanoveltechnologyaboutacquiringandprocessinginformation.Paperisbasedonsortsofmatureroutingprotocols,andintentonlower-consummationandextendednetworklifecycle,thenauthorputforwardanewandefficientroutingprotocolwhatisanegotiationbasedhierarchicalroutingprotocolNBLEP.Atlast,throughsimulationtestingonNS2platform,NBLEProutingprotocolachievedthedesigngoalforwirelesssensornetwork.Keywords:wirelesssensornetwork;negotiationbased;NBLEP;NS2无线传感器网络是一种无根底设施的无线网络，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，可以协作地实时监测、感悟和收集网络分布区域内的各种环境或者监测对象的信息，并对这些数据进展处理，获得详尽而准确的信息，随后传送到需要这些信息的用户。麻省理工学院的（）技术评论）杂志TechnologyReview评出了对人类将来生活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络即位于这十种新技术之首。无线传感器网络处于新技术的最前沿，目前尚存在着许多值得讨论的热点课题，国内外学者正在进展深化研究。不同的研究人员对无线传感器网络的许多问题都有不同观点。2现有路由协议分析无线传感器网络的路由协议目前正是国外研究的热点，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。论文扼要介绍其中一些典型的路由协议，这里将分析这些协议的根本原理，借鉴前人的设计思想，进而结合无线传感器网络的特点，设计出新的更合适的路由协议。2.1扩散法扩散法Flooding是一种传统的网络路由协议。当节点S需要发送数据给节点D时，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的节点D或为该数据所设定的生命期限变为零为止，亦或者所有节点均拥有此数据副本。扩散法实现简单，不需要消耗过多的计算资源，适用于强健性要求高的场合。但是该方式同时存在信息爆炸，局部重叠等问题，盲目资源消耗，一个节点可能出现一个数据多个副本的现象。2.2SPIN协议SPIN是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。其目的是通过使用节点间的协商制度和资源自适应机制，解决扩散法存在的缺乏之处。为了防止出现扩散法的信息爆炸问题和局部重叠现象，SPIN协议在传感器节点传送数据之前彼此进展协商，以确保只传输有用数据。同时在传输或者接收数据之前，每个传感器节点都检查各自可用的能量状况，处于低能量程度时那么中断某些操作。SPIN的缺点在于在传输新数据的经过中，直接向邻居节点播送ADV数据包，而没有考虑其所有邻居节点由于自身能量的原因，不愿承当起转发新数据的功能，导致新数据无法传输出现“数据盲点，进而影响整个网络信息的采集。2.3MTE协议在MTE协议中，传感器节点选择离自己平面间隔最近的邻居节点进展路由中转。这种路由协议的优点是简单、开销小，每个节点只需要找到通往Sink节点的下一跳节点，随后将数据发送给它便可。而缺乏之处那么在于靠近Sink节点的传感器节点会一直承当路由器的角色，节点之间负载不平衡，越靠近Sink节点的传感器节点可能越快耗尽自己的能源，并最终导致死亡，缩短整个网络的生命周期。除上述路由协议外，较为成熟的无线传感器网络路由协议还包括有DirectedDiffusion、LEACH、TEEN、APTEEN协议等，由于篇幅的原因在这里便不一一表达了。但值得提出的是LEACH基于聚类的路由协议协议在无线传感器网络路由协议中占有重要地位，论文所提到的协议NBLEPNegotiation-BasedLowEnergyProtocol的提出和设计便是基于该根底上的。3NBLEP路由协议设计在无线传感器网络路由协议设计经过中，不仅对其要求具有传统计算机路由协议正确性、强健性、稳定性、公平性、最优性等特性，更需要考虑无线传感器网络的以下详细特殊性能：第一、能源有效性。由于无线传感器网络节点能量有限，所以路由协议设计必须将有效利用能源放在第一位。第二、简单性。相对于传统网络而言，传感器节点的运算才能和存储才能及其有限，因此需要量身定制一种简单有效的路由协议。第三、多路性。典型的无线传感器网络通常工作在人类无法忍受的恶劣的环境中，为了防止单个节点的失效影响整个网络的效率，需要要求每个节点尽可能维护多条路由。基于以上理论，作者设计了一种层次型聚类、基于协商机制、采用集中式与分布式相结合、维护多条路由、低功耗动态自适应的按需式路由协议NBLEP路由协议。3.1层次型NBLEP路由协议把本来地位平等的传感器节点按照其所处位置和能源的不同情况，根据网络规模的大小和应用的需要，实现层次划分。协议将整个无线传感器网络划分成不同的簇类，簇类中的节点处于不同的层次，能源较高的节点处于较高的级别，承当较多的任务，不仅进展感悟和向上层节点传输自己的新数据，而且中转下层节点传递过来的数据、进展数据交融;能源较低的节点处于较低的级别，只进展感悟和向上层节点传输的任务。每个节点的路由表中只需维护其上层节点的信息。3.2协商机制NBLEP路由协议实如今数据传输阶段，簇内节点采用元数据协商的方式向簇头节点传输自身收集的数据，簇头节点接收完所有簇内普通节点传输的数据，经过数据交融后，再向Sink节点传输数据。3.3多路由维护NBLEP路由协议为了保证路由的可靠性，每个簇类的普通节点都维护着一个备用簇首节点的信息，一旦本簇的簇首节点由于异常原因失效这种情况在实际应用中很可能发生，立即参加备用簇首节点所在的簇，实现了到Sink节点的多条路由，到达路由强健性的目的。3.4低功耗，自适应NBLEP路由协议设计簇内每个普通节点都使用能源控制，在属于自己的时槽中，才翻开发送装置，进展数据传输;在不属于自己的时槽中，关闭发送装置。每过一个回合每个回合由簇形成阶段和数据传输阶段组成都会进展簇类的动态划分和簇头节点的重新选择，使每个节点成为簇头节点的时机均等。采用以上几类方式相结合，实现了节点“睡眠机制，防止了无效数据的传输，有效的节约了能源。4NBLEP路由协议仿真测试由于硬件平台配置的限制，暂时无法在真实环境下运行和测试本路由协议，因此此次的测试工作建立在ns2仿真平台上。在仿真经过中，作者使用数组不同参数进展测试，以反响出NBLEP路由协议是否到达了协议的设计目的。4.1仿真平台建立ns2是美国DARPA支持的工程VINT中的核心局部，它主要面向网络协议研究者。由于ns2具有免费、开放源代码、可扩大性好等优点而在各种网络的仿真测试中获得了广泛应用。在仿真环境中，作者使用100个无线传感器节点和1个固定位置的Sink节点以实现NBLEP路由协议，无线传感器节点随机分布在100100的平面区域内，Sink节点远离感悟区域，场景如图1所示。每个无线传感器节点的初始能源为2J，数据包大小为500Bytes，元数据大小为25Bytes。根据无线传感器之间、无线传感器与Sink节点之间接收、发送器间隔的不同，会使用自由空间传播和多路衰减模型两种不同的模型。假如接收、发送器之间的间隔小于某个临界值时，使用自由空间模型;假如接收、发送器之间的间隔大于某个临界值，那么使用双途径模型。模型类型直接决定了节点间的传输功率，传输功率就是接收的阈值Pr-thresh和发送、接送器之间间隔d的函数。由于不同类型节点之间，不同间隔通信采用不同的传输模型，因此NBLEP路由协议完美实现了低功耗、分层次的性能。而多路由维护、协商机制那么表达在报文构造的设计中。图2显示了一个回合传输的时间图，包括簇形成阶段和数据传输阶段，簇形成阶段较短，数据传输阶段用时很长，在数据传输阶段中簇内普通节点向簇头节点传输数据，簇头节点进展数据处理后，再向Sink节点传输。4.2仿真结果分析对于无线传感器网络，目前并没有统一的标准来评测不同的路由协议，根据实际情况，作者使用以下两个参数对NBLEP路由协议进展评测：Sink节点接收到的数据包总量：该参数说明了Sink节点在运行经过中所接收到的由簇头节点传输的数据包的总数。存活节点数：这个参数说明了随着时间的推移，仍然存活的节点的总数，是表达路由协议是否属于能源有效性协议的一个重要指标。此处以其中一次测试的结果为例来进展讲明：由图3可以看出，随着时间推移，由于能源的消耗，节点逐渐死去。其中0秒-2100秒期间，作者采用集中式成簇算法;1200秒-2100秒期间，大量节点能源耗尽而死，在2100秒时，存活节点只剩余30个占节点总数的30%，因此2100秒-3600秒，作者开场转而采用分布式成簇算法;采用该算法后，节点死亡速度大大减缓，讲明分布式成簇算法有效地延长了整个网络的生命周期。再由图4可以看出，在0秒-2100秒期间，作者采用集中式成簇算法;由于Sink节点清楚的解析全局拓扑，形成了有效的簇类，所以Sink节点接收到的数据包迅速增长。2100秒以后，从图3可知，由于节点大量死亡，开场转而采用分布式成簇算法，节点之间自己选举产生的簇类不如Sink节点产生的簇类有效，再加上节点继续死亡，Sink节点接收到的数据包增长相对缓慢。由上述仿真结果可以证实NBLEP路由协议使得整个网络在较低的能耗程度下获得较高的吞吐量，获得较长的生命周期。无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术，在特殊领域，它有着传统技术不可比较的优势，同时也必将开拓出不少新颖而有价值的商业应用。由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内在这样特殊领域所作的研究工作还较少，本文作者根据对目前较为成熟的几类路由协议的分析借鉴，最后设计出一种层次型、基于协商机制、采用集中式与分布式相结合、维护多条路由、低功耗动态自适应的按需式路由协议NBLEP路由协议。论文最后使用ns2平台对NBLEP路由协议进展仿真测试，以证明NBLEP路由协议根本到达了设计要求。参考文献：1任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络.软件学报,Vol14No.72003128112912徐雷鸣庞博赵耀ns与网络模拟北京：人民邮电出版社2003年度1581743吴振纲，陈虎.PLC的人机接口与编程J.微计算机信息，2005，8-1：21-23。4L.Akyildiz,W.Su,Y.Sankarasubramaniam,andE.Cayirci,ASurveyonSensorNetworksIn:IEEECommunicationsMagazine,Vol.40,No.8,2002.1021145ManjeshwarA,AgrawalDP.TEEN:Aroutingprotocolforenhancedefficiencyinwirelesssensornetworks.In:Proceedingsofthe15thParallelandDistributedProcessingSymposium.SanFrancisco:IEEEComputerSociety,2001.202020216HeinzelmanW,ChandrakasanA,BalakrishnanH.Anapplication-specificprotocolarchitectureforwirelessmicrosensornetworksIn:IEEETransactiononWirelessCommunications,2002,10:660670