传感器网络中基于子网的数据汇聚路由算法
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资料介绍：
1.2 传感器网络路由技术研究现状
集数据采集，处理及通信功能于一体的无线集成网络传感器（Wireless Integrated Network Sensors）[13]具有体积小、价格低以及在近距离内采用无线方式进行相互通信等良好特性，在环境与军事监控，地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。但外界环境的不确定性经常导致需要布置成百上千的传感器协同工作，因此对由大规模无线集成网络传感器（传感器节点）构成的传感器网络（Sensor Network）的研究正逐渐引起关注，并被认为是本世纪的一项挑战性的研究课题[14,15,16]。
与传统网络相比，传感器网络具有以下特性：1. 传感器网络中节点分布的稠密性，一般含有成百上千个节点。因此，各节点不可能分配一个全局唯一的ID，也不可能维护全局信息；2. 传感器网络中节点能量，存储空间及计算能力等资源的有限性；3. 和Ad hoc网络类似，传感器网络中没有骨干网络，网络通信拓扑具有自组性，且其动态性更强。 因此，传统网络中的路由算法不适合传感器网络，必须针对传感器网络的特性来研究新的路由算法。
目前提出的传感器网络路由协议主要有两类：路由协议平面和层次路由协议。典型的平面路由有SAR（Sequential Assignment Routing）[17]，SPIN（Sensor Protocol for Information Negotiation）[18] 和定向传播路由DD（Directed Diffusion）[19]等。SAR依据每条路径上的能量资源和QoS要求来决策路由，为了避免因节点故障重新计算路由所带来的开销，SAR采用多路径路由方案。SPIN的协议主要思想是减少因采用洪泛（Flooding）广播而引入的开销。由于传感器网络主要目的是收集传感器数据，因此DD路由方案以数据为中心考虑路由，和传统网络中基于地址的路由协议（Address-Centric,简称AC）不同，DD采用基于数据的路由协议（Data Centric，简称DC）。文献[20]从节约能量的角度比较了AC和几种基于DC的路由算法，分析和实验结果表明基于DC的路由算法具有更好的性能。但上述算法均属于集中式算法，要求每个传感器节点维护全局性的网络状态信息， 因此不具备良好的可扩性和可维护性。由于平面路由协议要求所有传感器节点均具有路由功能，导致了节点因能量消耗过快而失效，因此使得网络拓扑结构经常发生变化，路由性能较低。为了尽可能地延长节点的生存期限，提高网络的稳定性与路由性能，研究人员提出了层次路由的思想。在层次路由中只有一部分节点负责路由信息的转发，因此可以达到延长大部分节点生存期限的目的。典型的层次路由协议包括LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[21]，TEEN（Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）[22] 和 PEGASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems）[23]等。LEACH是一种基于簇的路由协议，即本簇内所辖的节点以TDMA的方式分时向本簇的簇头传输数据，数据经簇头汇聚和压缩后，再向Sink发送。通过这种方式减少大多数节点的能量消耗，延长节点的生存期限。其它的层次路由协议基本上是在LEACH的基础上进行改进。 内容来自think58
1.3 论文构成及研究内容
论文主要分为六个部分：
第一章主要介绍了无线传感器网络的研究背景和研究意义，阐明了目前传感器网络路由技术的研究现状，并提出了一些具有挑战性的问题。
第二章主要是无线传感器网络的概述，包括无线传感器网络的简单介绍，无线传感器网络的体系结构的介绍和无线传感器网络的应用。
第三章主要介绍传感器GPS定位,每个传感器节点可以通过GPS定位系统了解自身的相对位置，这也是本论文基于子网的数据汇聚路由算法的基础。
第四章主要是介绍基于子网的数据汇聚路由算法，一种基于传感器节点自身定位的路由算法，其中包括提出的“子网”和能量核的概念和数据汇聚后的路由算法。
第五章主要是对此算法的模拟仿真实验的介绍，以及对此算法的性能分析和比较，包括算法的节能性和网络跳数，并比较分析各种算法的优缺点。
最后总结全文，分析此论文中的基于子网的数据汇聚路由算法。
传感器网络中的定向传播模型
2.2.1数据汇聚
数据汇聚是指将从不同源节点接收到的数据进行合并压缩的处理过程，主要包括以下几种方法。
1. 简单汇聚：即从不同源节点接收到的数据进行简单汇总。
2. 压缩汇聚：即从不同源节点接收到的数据进行同类项合并，从而实现数据压缩。
3. 复杂汇聚：即利用max，min等多输入单输出函数对从不同源节点接收到的数据进行聚合处理。
2.2.2定向传播模型
图2.1所示为传感器网络通信结构。传感器节点利用传感器部件采集被监测对象的原始数据，经过处理器部件处理后，通过无线网络传输到一个目的节点（Sink）,Sink再通过因特网或卫星传输到用户数据处理中心。定向传播模型中，传感器网络中的节点不以地址作为标识ID，而是以节点可以提供的数据作为寻址依据。即Sink在网络中广播以某种数据格式构成的消息询问它所感兴趣的监测数据，这种消息简称为兴趣。与这种兴趣匹配的节点（称为源节点）响应这种查询（称为事件），并回送监测数据给Sink。因为节点分布的稠密性，存在有多个节点匹配兴趣，部分节点可能向Sink回送同样的监测数据。为了节约节点的能量，提高节点的生存期限，这种数据可以在传输路径上先进行汇聚，然后再传输给Sink。
集数据采集，处理及通信功能于一体的无线集成网络传感器（Wireless Integrated Network Sensors）[13]具有体积小、价格低以及在近距离内采用无线方式进行相互通信等良好特性，在环境与军事监控，地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。但外界环境的不确定性经常导致需要布置成百上千的传感器协同工作，因此对由大规模无线集成网络传感器（传感器节点）构成的传感器网络（Sensor Network）的研究正逐渐引起关注，并被认为是本世纪的一项挑战性的研究课题[14,15,16]。
与传统网络相比，传感器网络具有以下特性：1. 传感器网络中节点分布的稠密性，一般含有成百上千个节点。因此，各节点不可能分配一个全局唯一的ID，也不可能维护全局信息；2. 传感器网络中节点能量，存储空间及计算能力等资源的有限性；3. 和Ad hoc网络类似，传感器网络中没有骨干网络，网络通信拓扑具有自组性，且其动态性更强。 因此，传统网络中的路由算法不适合传感器网络，必须针对传感器网络的特性来研究新的路由算法。
目前提出的传感器网络路由协议主要有两类：路由协议平面和层次路由协议。典型的平面路由有SAR（Sequential Assignment Routing）[17]，SPIN（Sensor Protocol for Information Negotiation）[18] 和定向传播路由DD（Directed Diffusion）[19]等。SAR依据每条路径上的能量资源和QoS要求来决策路由，为了避免因节点故障重新计算路由所带来的开销，SAR采用多路径路由方案。SPIN的协议主要思想是减少因采用洪泛（Flooding）广播而引入的开销。由于传感器网络主要目的是收集传感器数据，因此DD路由方案以数据为中心考虑路由，和传统网络中基于地址的路由协议（Address-Centric,简称AC）不同，DD采用基于数据的路由协议（Data Centric，简称DC）。文献[20]从节约能量的角度比较了AC和几种基于DC的路由算法，分析和实验结果表明基于DC的路由算法具有更好的性能。但上述算法均属于集中式算法，要求每个传感器节点维护全局性的网络状态信息， 因此不具备良好的可扩性和可维护性。由于平面路由协议要求所有传感器节点均具有路由功能，导致了节点因能量消耗过快而失效，因此使得网络拓扑结构经常发生变化，路由性能较低。为了尽可能地延长节点的生存期限，提高网络的稳定性与路由性能，研究人员提出了层次路由的思想。在层次路由中只有一部分节点负责路由信息的转发，因此可以达到延长大部分节点生存期限的目的。典型的层次路由协议包括LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[21]，TEEN（Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）[22] 和 PEGASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems）[23]等。LEACH是一种基于簇的路由协议，即本簇内所辖的节点以TDMA的方式分时向本簇的簇头传输数据，数据经簇头汇聚和压缩后，再向Sink发送。通过这种方式减少大多数节点的能量消耗，延长节点的生存期限。其它的层次路由协议基本上是在LEACH的基础上进行改进。 内容来自think58
[资料来源：http://think58.com]
1.3 论文构成及研究内容
论文主要分为六个部分：
第一章主要介绍了无线传感器网络的研究背景和研究意义，阐明了目前传感器网络路由技术的研究现状，并提出了一些具有挑战性的问题。
第二章主要是无线传感器网络的概述，包括无线传感器网络的简单介绍，无线传感器网络的体系结构的介绍和无线传感器网络的应用。
第三章主要介绍传感器GPS定位,每个传感器节点可以通过GPS定位系统了解自身的相对位置，这也是本论文基于子网的数据汇聚路由算法的基础。
第四章主要是介绍基于子网的数据汇聚路由算法，一种基于传感器节点自身定位的路由算法，其中包括提出的“子网”和能量核的概念和数据汇聚后的路由算法。
第五章主要是对此算法的模拟仿真实验的介绍，以及对此算法的性能分析和比较，包括算法的节能性和网络跳数，并比较分析各种算法的优缺点。
最后总结全文，分析此论文中的基于子网的数据汇聚路由算法。
传感器网络中的定向传播模型
2.2.1数据汇聚
数据汇聚是指将从不同源节点接收到的数据进行合并压缩的处理过程，主要包括以下几种方法。
1. 简单汇聚：即从不同源节点接收到的数据进行简单汇总。
2. 压缩汇聚：即从不同源节点接收到的数据进行同类项合并，从而实现数据压缩。
think58好，好think58 [来源：http://think58.com]
3. 复杂汇聚：即利用max，min等多输入单输出函数对从不同源节点接收到的数据进行聚合处理。
2.2.2定向传播模型
图2.1所示为传感器网络通信结构。传感器节点利用传感器部件采集被监测对象的原始数据，经过处理器部件处理后，通过无线网络传输到一个目的节点（Sink）,Sink再通过因特网或卫星传输到用户数据处理中心。定向传播模型中，传感器网络中的节点不以地址作为标识ID，而是以节点可以提供的数据作为寻址依据。即Sink在网络中广播以某种数据格式构成的消息询问它所感兴趣的监测数据，这种消息简称为兴趣。与这种兴趣匹配的节点（称为源节点）响应这种查询（称为事件），并回送监测数据给Sink。因为节点分布的稠密性，存在有多个节点匹配兴趣，部分节点可能向Sink回送同样的监测数据。为了节约节点的能量，提高节点的生存期限，这种数据可以在传输路径上先进行汇聚，然后再传输给Sink。