vc传感器网络中基于子网的数据汇聚路由算法毕业设计
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密 惠 保
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资料介绍：
目录
1. 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 传感器网络路由技术研究现状 3
1.3 论文构成及研究内容 5
1.4 小结 5
2．传感器网络概述 6
2.1无线传感器网络及特性 6
2.2传感器网络中的定向传播模型 7
2.2.1数据汇聚 7
2.2.2定向传播模型 7
2.3无线传感器网络应用 9
2.4小结 10
3．传感器网络的全球定位系统 11
3.1传感器网络的全球定位系统介绍 11
3.2传感器网络的全球定位系统的应用 11
3.3传感器网络的全球定位系统的应用 13
3.4小结 13
4．基于子网的数据汇聚路由算法 14
4.1子网模型 14
4.2分布式“能量核”周期性生成算法 15
4.2.1. 简单连通无向图 15
4.2.2. 能量核生成算法 15
4.3 路由算法 16
4.3.1. 数据汇聚基本原理 16
4.3.2数据汇聚路由算法 16
4.4 小结 17
5．算法性能对比分析 18
5.1模拟仿真实验 18
5.1.1. 模拟仿真实验开发工具 18
5.1.2. 模拟仿真实验介绍 18
5.2算法性能分析 23 think58
5.3小结 24
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录A 29
绪论
1.1 课题背景及意义
无线传感器网络是由大量的传感器节点和一个或多个汇聚节点构成的无线自组网，把传感器采集的数据以多跳的方式路由到基站。其潜在应用领域很广，可用于环境监测、军事侦察、战场态势监测、工业监控、医疗卫生、气象预测、空间探索等众多领域。然而，传感器节点都由具有有限能源的电池供电，因而能源有限，同时，传感器网络通常布置在无人值守的恶劣甚至危险的远程环境中， 更换电池或对电源进行充电是不现实的，因此设计高效的路由协议，减少能量消耗以增加网络生存期是研究传感器网络挑战之一。
早在1999年，美国的《商业周刊》就将“网络化的微型传感器技术”评为21世纪最重要的21项技术之一[1]。这种集成了数据采集、数据处理和数据通信三大功能的微型化、智能化、网络化和多样化的分布式传感器系统正是我们今天所说的“无线传感器网络(Wireless Sensor Network WSN)”。它融合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织的无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。 think58好，好think58 [资料来源：http://THINK58.com]
虽然无线传感器网络的出现和发展己经有近30年的时间了，但直到近些年，随着中央处理芯片和高精度传感器等硬件成本的下降，无线传感器网络的研究和应用才日益深入和广泛。目前，低成本的无线传感器网络己经可以应用于机动目标跟踪[2]、环境和气象监测[3]、生物群落观侧[4]、洪灾预警[5]、农田管理[6]、智能家居[7]、智能交通[8]、辐射监测[9]、定位的Crieket[10]和Echo[11]，以及用于医学的SSIM[12]等众多领域。
由于传感器网络中的每个节点都具有数据采集、数据处理和数据通信的功能，因此每个节点都是一个微型智能单元;进一步设想，如果我们给每个节点加入命令执行和机械动作执行功能的话，我们甚至可以认为一个传感器节点就是一个微型机器人。那么，由成千上万这样的微型传感器节点互联所组成的网络系统就可以一个智能化网络化的大型机器人一样协同工作。
在通信方式上，由于传感器网络的每个节点都是一个独立的可路由的单元，其路由方式和传统的有专门路由设施的无线通信不太一样，它的无线通信是没有专门的路由设施的，每一个节点都可以充当路由器，属于一种多跳网络。因此，相对于传统的无线通信方式，把传感器网络称为无基础设施网络(Non-infrastructure Network)，而把传统的无线通信网络，如Ad Hoc, GSM, CDMA和GPS等，称为有基础设施网络(Infrastructure Network)。如图1-1所示，是一个散布在战场用于战场态势监测的无线传感器网络，传感器节点可以根据监测到的数据向准备作战的部队指挥官报告敌方坦克的运动情况等信息。
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. 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 传感器网络路由技术研究现状 3
1.3 论文构成及研究内容 5
1.4 小结 5
2．传感器网络概述 6
2.1无线传感器网络及特性 6
2.2传感器网络中的定向传播模型 7
2.2.1数据汇聚 7
2.2.2定向传播模型 7
2.3无线传感器网络应用 9
2.4小结 10
3．传感器网络的全球定位系统 11
3.1传感器网络的全球定位系统介绍 11
3.2传感器网络的全球定位系统的应用 11
3.3传感器网络的全球定位系统的应用 13
3.4小结 13
4．基于子网的数据汇聚路由算法 14
4.1子网模型 14
4.2分布式“能量核”周期性生成算法 15
4.2.1. 简单连通无向图 15
4.2.2. 能量核生成算法 15
4.3 路由算法 16
4.3.1. 数据汇聚基本原理 16
4.3.2数据汇聚路由算法 16
4.4 小结 17
5．算法性能对比分析 18
5.1模拟仿真实验 18
5.1.1. 模拟仿真实验开发工具 18
5.1.2. 模拟仿真实验介绍 18
5.2算法性能分析 23 think58
[资料来源：http://www.THINK58.com]
5.3小结 24
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录A 29
绪论
1.1 课题背景及意义
无线传感器网络是由大量的传感器节点和一个或多个汇聚节点构成的无线自组网，把传感器采集的数据以多跳的方式路由到基站。其潜在应用领域很广，可用于环境监测、军事侦察、战场态势监测、工业监控、医疗卫生、气象预测、空间探索等众多领域。然而，传感器节点都由具有有限能源的电池供电，因而能源有限，同时，传感器网络通常布置在无人值守的恶劣甚至危险的远程环境中， 更换电池或对电源进行充电是不现实的，因此设计高效的路由协议，减少能量消耗以增加网络生存期是研究传感器网络挑战之一。
早在1999年，美国的《商业周刊》就将“网络化的微型传感器技术”评为21世纪最重要的21项技术之一[1]。这种集成了数据采集、数据处理和数据通信三大功能的微型化、智能化、网络化和多样化的分布式传感器系统正是我们今天所说的“无线传感器网络(Wireless Sensor Network WSN)”。它融合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织的无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。 think58好，好think58 [资料来源：http://THINK58.com]
虽然无线传感器网络的出现和发展己经有近30年的时间了，但直到近些年，随着中央处理芯片和高精度传感器等硬件成本的下降，无线传感器网络的研究和应用才日益深入和广泛。目前，低成本的无线传感器网络己经可以应用于机动目标跟踪[2]、环境和气象监测[3]、生物群落观侧[4]、洪灾预警[5]、农田管理[6]、智能家居[7]、智能交通[8]、辐射监测[9]、定位的Crieket[10]和Echo[11]，以及用于医学的SSIM[12]等众多领域。
由于传感器网络中的每个节点都具有数据采集、数据处理和数据通信的功能，因此每个节点都是一个微型智能单元;进一步设想，如果我们给每个节点加入命令执行和机械动作执行功能的话，我们甚至可以认为一个传感器节点就是一个微型机器人。那么，由成千上万这样的微型传感器节点互联所组成的网络系统就可以一个智能化网络化的大型机器人一样协同工作。
在通信方式上，由于传感器网络的每个节点都是一个独立的可路由的单元，其路由方式和传统的有专门路由设施的无线通信不太一样，它的无线通信是没有专门的路由设施的，每一个节点都可以充当路由器，属于一种多跳网络。因此，相对于传统的无线通信方式，把传感器网络称为无基础设施网络(Non-infrastructure Network)，而把传统的无线通信网络，如Ad Hoc, GSM, CDMA和GPS等，称为有基础设施网络(Infrastructure Network)。如图1-1所示，是一个散布在战场用于战场态势监测的无线传感器网络，传感器节点可以根据监测到的数据向准备作战的部队指挥官报告敌方坦克的运动情况等信息。
[来源：http://think58.com]
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
[来源：http://www.think58.com]