本科毕业论文-无线传感器网络的节能研究.docx
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1、摘 要无线传感器网络作为计算、通信和传感器技术相结合的产物,成为计算机科学领域一个活跃的研究分支。其中,针对无线传感器网络路由协议的研究更是研究的重点,因为网络层路由协议的设计直接影响无线传感器网络的整体工作水平和实用化进程。本文针对无线传感器网络性能特点进行分析研究,并得出无线传感器网络最重要的技术指标是能量衰减。通过对以LEACH 协议和MRPS 协议为代表的分簇路由协议的研究,发现目前所提出的分簇路由协议整体性能还有待进一步改善。因此,本文提出了一种基于区域能量均匀分配的带管理节点的分簇路由协议,该协议综合考虑了网络负载平衡、多跳、节点密度、节点剩余能量和数据融合等因素,利用能量无限制的
2、汇聚节点以集中式方式进行分簇,将整个监测区域固定划分为多个小区域,每个小区域作为一个簇,并且在每个簇内引入一个管理节点。管理节点负责定时查询簇头节点的状态,并且以分布式方式实现簇头的重新选举,避免了每轮分簇阶段的能量消耗。本文详细描述了所提出路由协议的实现过程,对其性能进行了理论分析,理论分析表明该协议比LEACH 协议和MRPS 协议延长了网络的生命周期,具有更好的整体性能和实用价值。关键词:无线传感器网络;分簇;路由协议;节能;数据融合AbstractAs a result of the combination of low power computing, wireless commun
3、ication and micro sensor technology, wireless sensor networks have become an active branch of the researches in computer science. Among these studies, research against the routing protocols is a hotspot, because it will have a direct influence on the working level and the practicability of the wirel
4、ess sensor networks.This paper analyzes the routing protocols of wireless sensor networks that the most important skill is to reduce the using of energy. However, through the researches against the cluster-based routing protocols represented by LEACH and MRPS, we find that the performance of the clu
5、ster-based protocols is needed to be improved. On this basis, we propose a cell-based cluster routing protocol with monitoring node, which comprehensively considered factors such as load-balanced of network, multi-hops, dandify of nodes, energy of nodes left, data aggregation and so on. This protoco
6、l clusters the monitoring district into fixed cells by the sink node whose energy can be recharged in a centralized way. A cell is considered as a cluster, and every cluster has a monitoring node in charge of queering the status of the cluster head at scheduled time and presiding the electing of the
7、 cluster head in a distributed way, avoiding the energy consumption in the phase of cluster forming every round.This paper describes the proposed protocol in detail and gives a theoretical analysis on the performance of the proposed protocol. The theoretical analysis result demonstrate that the prop
8、osed protocol prolongs the lifetime of the network comparing with LEACH protocol and MRPS protocol and has a great use value.Keywords: wireless sensor network, cluster, routing protocol, energy-efficient, data aggregation目 录第1章 概述11.1 无线传感器网络11.2 无线传感器网络节点结构31.3 无线传感器的协议栈41.4 无线传感器网络节点能耗分析51.5 本课题的研
9、究目的61.6 本文的主要工作7第2章 无线传感器路由协议82.1 无线传感器网络路由协议82.2 无线传感器网络路由协议设计要求92.3 无线传感器网络分簇算法基本概念92.3.1 平面路由协议92.3.2 分簇路由协议102.3.3 分簇算法基本目标及其性能评价122.3.4 分簇路由协议性能分析132.4 LEACH 协议132.4.1 LEACH算法132.4.2 分簇阶段142.4.3 稳定数据通信阶段152.4.4 LEACH 协议特点152.5 MRPS协议16第3章 EDEBCRP-MN协议设计193.1 EDEBCRP-MN 协议假设条件193.2 EDEBCRP-MN 协议
10、无线通信模型193.3 EDEBCRP-MN 协议分簇阶段203.3.1 管理节点的引入223.3.2 节点命名机制222.3.3 确定最优簇头数223.4 EDEBCRP-MN协议报文格式243.5 EDEBCRP-MN协议工作过程253.5.1 节点死亡253.5.2 更换簇头节点263.5.3 簇内路由273.5.4 簇间路由28第4章 EDEBCRP-MN协议性能分析294.1 网络生存时间294.2 簇头节点发送数据到聚集节点成功率29总结31参考文献33附录:35致谢75第1章 概述1.1 无线传感器网络作为一种典型的普适计算(Pervasive Computing)的应用,无线传
11、感器网网络(Wireless Sensor Network,简称为WSN)通过大量部署在监测区域内的传感器节点,采集网络覆盖区域内感知对象的信息,通过多跳的无线通信方式,将收集、处理后的信息提供给终端用户,无线传感器网络包括传感器节点、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。无线传感器网络融合了现代通信、微电子机械系统和微电子等领域的最新技术,改变了人类与自然界的交互方式,将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起,WSN不需要固定的网络支持,具有快速展开、抗毁性强等特点,可广泛应用与军事侦察、环境监测和预报、健康护理、智能家居、城市交通等领域。无线传感器网络作为21世纪最有影响的21
12、项技术和改变世界的10大技术之一,对它的研究最早起步于20世纪90年代末期,从21世纪开始,传感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注,美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划,特别是美国通过国家自然基金委员会、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。我国的中科院、哈尔滨工业大学、清华大学、西北工业大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究,2004年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工作中来。无线传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等多学科交叉的领域,成为当今信息领域新的研究热
13、点,有非常多的关键技术有待研究,例如网络拓扑控制、网络协议、定位技术、时间同步、数据融合、数据管理、无线通信技术等。目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad hoc网络等,与这些网络相比,无线传感器网络具有以下鲜明的特点:(1)分布式。网络中没有严格的控制中心,所有节点地位平等,节点之间通过分布式的算法来协调彼此的行为,是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络,任何节点的故障不会影响整个网络的运行。(2)自组织。通常网络所处理的环境及网络自身有很多不可预测因素。比如,节点的位置不能预先精确设定;节点之间的相邻关系预先也不知道;部分节点由于能量耗尽或其它原因死亡,新的节点
14、加入到网络中;无线通信质量受环境影响不可预测、网络环境中的突发事件不可控。这样就要求节点具有自组织的能力,无需人工干预和任何其他预置的网络设施,可以在任何时刻,任何地方快速展开并自组织网,自动进行配置和管理,通过适当的网络协议和算法自动转发监测数据。(3)拓扑变化。网络中节点具备移动能力;节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效,或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量;加之无线信道之间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响,这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化,而且变化的方式与速度难以预测。这些要求网络系统能够适应拓扑变化,具有动态可重构的性能。(4)
15、多跳路由。由于节点发射功率的限制,节点的覆盖范围有限,通常只能与它的邻居节点通信,如果要与其覆盖范围以外的节点进行通信,则需要通过中间节点的转发。此外,多跳路是由普通网络节点协助完成的,没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者,也可以是信息的转发者。(5)动态性强。无线传感器网络工作在一定的物理环境中。不断变化的外界环境(如天线通信链路时断时续,突发事件产生导致网络任务负载变化等)往往会严重影响系统的功能,这就要求传感器节点能够随着环境的变化而适时地调整自身的工作状态。此外,网络拓扑结构的变化也要求系统能够很好地适应自身动态多变的“内在环境”。(6)以数据为中心,在无线传感器网络中
16、,人们通常只关心某个区域内某个观测指标的数值,而不会去关心单个节点的观测数据。这就是无线传感器网络以数据为中心的特点,它不同于传统网络的寻址过程,能够快速、有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近与自然语言交流的习惯。用户使用传感器网络查询事件时,直接将所关心的事件通告给网络,而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。(7)规模大,密度高。为获取尽可能精确、完整的信息,无线传感器网络通常密集部署在大片的检测区域中,其节点的数量和密度较无线自组织网络成数量级地提高。它并非依靠单个设备能力的提升,而是通过
17、大量冗余节点的协同工作来提高系统的工作质量。(8)安全性差。由于采用了无线信道、分布式控制等技术,网络更容易受到被动窃听、主动入侵等攻击。因此,网络的通信保密和安全性十分重要,信道加密、抗干扰、用户认证和其他安全性措施都需要特别考虑,以防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。由于无线信道自身的物理特性,通常使得它所能提供的网络带宽相对有线信道要小得多。此外,节点能量的变化、周围地势地貌以及自然环境的影响,使得网络的无线通信性能也会经常变化,甚至通信有可能时断时续。因此,如何设计可靠的通信机制以满足网络的通信需求是无线传感器网络所面临的一个重要问题。1.2 无线传感器网络节点结构 传感器模块 处
18、理器模块 无线通信模块 传感器 AC/DC 处理器 网络 MAC 收发器能量供应模块图1.1 触感器节点结构图传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和能量供应单元四部分组成,它通常是一个微型的嵌入式系统,如图1.1 所示。传感单元用于感知、获取检测区域内的信息,并将其转换为数字信号,它由传感器和数/模转换模块组成;处理单元负责控制和协调节点各部分的工作,存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据,它由嵌入式系统构成,包括处理器、存储器等;无线收发单元负责与其它传感器节点进行通信,交换控制信息和收发采集数据,它由无线通信模块组成;电源单元能量为传感器节点提供正常工作所必需的能源,通常采
19、用微型电池。此外,传感器节点还可以包括其他辅助单元,如移动系统、定位系统和自供电系统等。由于需要进行比较复杂的任务调度与管理,处理器单元还需要包括一个功能较为完善的微型化嵌入式操作系统,如美国UC Berkeley大学开发的Tiny OS。目前已有多种成型的传感器节点时间,如Berkeley 的Motes, ICTCAS/PHKUST的BUDS,Intel的iMote等,它们在现实原理上是相似的,只是采用了不同的微处理器、不同的协议和通信方式。由于传感器节点采用电池供电。一旦电能耗尽,节点就失去了工作能力。为了最大限度地节约电能,在硬件设计方面,要尽量采用低功耗器件,在没有通信任务的时候,切断
20、射频部分电源;在软件设计方面,各层通信协议都应该以节能为中心,必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标,已获得更高的电源效率。1.3 无线传感器的协议栈传感器网络的协议栈类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系,包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,与传统互联网协议栈的五层协议相对应,另外,传感器网络的协议栈还包括功率管理平台、移动管理平台和任务管理平台,如图1.2所示:应用层传输层网络层数据链路层物理层 移动管理平台 任务管理平台 能量管理平台 图1.2 无线传感器网络协议栈各层协议和平台的功能如下:(1)物理层。无线传感器网络的物理层负责信号的调制和数据的收发,所采用的
21、传输介质主要有无线电、红外线、光波等。(2)数据链路层。无线传感器网络的数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制,其中,媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信;差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标。(3)网络层。无线传感器网络的网络层负责路由发射和维护,通常,大多数节点无法直接与网关通信,需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。(4)传输层。无线传感器网络的传输层负责数据流的传输控制,主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数据,并使用卫星、移动通信网络或者其他的链路与外部网络通信,是保证通信服务质量的重要部分。(5)用层包括一系列基于监测任务的应用层软件
22、;(6)功率管理平台管理传感器节点如何使用能源,在各个协议层都需要考虑节省能量;(7)移动管理平台检测并注册传感器节点的移动,维护到汇聚节点的路由,使得传感器节点能够动态跟踪其邻居节点的位置;(8)(8)任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。1.4 无线传感器网络节点能耗分析传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步,处理器和传感器模块的功耗变得很低,绝大部分能量消耗在无线通信模块上。图1.3所示是 Deborah Estrin 在 Mobicom 2002 会议上的特邀报告(Wireless Sensor Networks, Part
23、 IV: Sensor Networks Protocols)中所述传感器节点各部分能量消耗的情况,由图1.3可知,传感器节点的大部分能量消耗在无线通信模块。图1.3 传感器节点能量消耗情况由于无线通信模块占了整个节点能耗的主要部分,因此,对无线通信模块的能耗管理非常重要,采取以下措施可以减少无线通信模块的能量损耗。(1)少通信流量通过减少通信模块发送和接收的比特数,能降低无线通信模块的能耗。减少通信流量有以下几种方法:(a) 本地计算和数据融合:对传感器节点采集的原始数据和各个节点汇集的相关数据进行处理,发送有用信息,有效减少通信量;(b) 减少冲突:如果两帧同时发送,它们会相互重叠,结果导
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- 本科 毕业论文 无线 传感器 网络 节能 研究
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