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基于无线传感器网络路由协议的研究
江南大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络路由协议的研究 姓名：李露露 申请学位级别：硕士 专业：计算机软件与理论 指导教师：乐红兵
摘要摘要无线传感器网络（ＷＳＮ）融合了微传感器、嵌入式计算、现代网络和无线通信四大 技术，作为一种新的计算模式推动着科技的发展和社会的进步。它能够通过各类集成化 的微型传感器协作地实时感知、处理信息，从而为人们提供大量真实可靠的监测信息， 在军事应用、环境监测、空间探索和灾难拯救等领域具有极为广阔的应用前景。路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节点的机制。在无线传感器网络中，节点的能量非常有限，且不易补充，因此其路由协议的设计要以降低节点能量消耗，延长整体网络生命周期为主要目标。 在对比分析各类典型的路由协议基础上，重点研究了ＬＥＡＣＨ协议。针对ＬＥＡＣＨ协议中簇头节点与基站单跳通信带来的问题，提出了一种基于生成树的ＬＥＡＣＨ协议一，ＥＡＣＨ．Ｔ协议。ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议中，由簇头节点组成以基站节点为根的一棵树，网络中的所有节点都选择最低深度的邻居簇头节点作为父亲节点，并将数据包向前传递给父亲节点。若某个节点不在任何簇头节点的通信范围之内，则允许其请求另一个叶子节点成为父亲节点。簇头节点在接收叶子节点传来的数据的同时，还接收比其在树中深度高的簇首节点传来的数据包，并将这些数据包进行融合处理，最后再沿着树的路径传送直至基站。 在ＴｉｎｙＯＳ平台下对ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议进行仿真，实验结果表明，相比Ｆｌｏｏｄｉｎｇ协议 和原ＬＥＡＣＨ协议，ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议能够减少网络原始数据通信量，因而具有很好的节 能效果，延长了网络生命周期。最后，我们从均衡网络负载延长网络生命周期的角度出发，提出基于多路径的 ＧＥＡＲ协议――ＭＧＥＡＲ协议。该协议中，建立了从源节点到目的节点的多条路径。同样在ＴｉｎｙＯＳ下进行仿真，结果表明，ＭＧＥＡＲ协议相比ＧＥＡＲ协议能够延长网络生命周期。关键词：无线传感器网络，ＬＥＡＣＨ协议，ＧＥＡＲ协议，节能，ＴｉｎｙＯＳＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ（ＷＳＮ）．ｗｈｉｃｈｉＳ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｓｅｎｓｏｒｓ，ｅｍｂｅｄｄｅｄａｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ｍｏｄｅｒｎｎｅｔｗｏｒｋｓａｎｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｉｓｎｏｖｅｌ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ ｓｏｃｉａｌ ｐｒｏｇｒｅｓｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｉｃｒｏ．ｓｅｎｓｏｒｓ．ｉｔ Ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｎｃａｌｌｐｒｏｖｉｄｅａｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ｉｔ ｈａｓｂｒｏａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｉｎ ｍｉｌｉｔａｒｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｉｎ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｒｅｓｃｕｅ，ｓｐａｃｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｏｕｔｉｎｇ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｉＳａ ＳＯ ｏｎ．ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｈｉｃｈｓｅｎｓｏｒｔｒａｎｓｍｉｔｓｔｈｅ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｔｈｅｓｏｕｒｃｅｎｏｄｅｓ ｔｏ ｔｈｅｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ ｎｏｄｅｓ．Ｉｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋ．ｔｈｅｅｎｅｒｇｙ ｏｆｔｈｅ ｎｏｄｅ ｉＳｖｅｒｙ ｌｉｍｉｔｅｄａｎｄｎｏｔｅａｓｙｔｏ ｒｅｃｈａｒｇｅ，ＳＯ ｔｈｅ ｆｏｒｅｍｏｓｔ ｇｏａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｕｔｉｎｇ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｄ ｔｈｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｒｏｕｔｉｎｇ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ， ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｆｏｃｕｓｅｄｏｎＬＥＡＣＨ（１０ｗ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｈｉｅｒａｒｃｈｙ）ｐｒｏｔｏｃ０１．Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅＬＥＡＣＨ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｈａｓ ｓｏｍｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｌｕｓｔｅｒ ｈｅａｄｓ ｓｔａｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｌｙ，ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅａｗｉｔｈａｔｈｅ ｂａｓｅ ｓｐａｎｎｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｄ ＬＥＡＣＨ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｂａｓｅｄｏｎｔｒｅｅ－－ＬＥＡＣＨ?Ｔ ｐｒｏｔｏｃ０１．Ｉｎ ｔｈｅ ＬＥＡＣＨ?Ｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｉｔ ｇｅｎｅｒａｔｅｄｔｒｅｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄ ｂｙｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒ－ｈｅａｄｓ ａｎｄｓｅｌｅｃｔｓａｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ ａｓ ｔｈｅ ｒｏｏｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒｅｅ．Ｅｖｅｒｙ ｎｏｄｅ ｉｎ ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｐａｒｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ ｄｅｐｔｈ ｆｒｏｍ ｉｔｓ ｎｅｉｇｈｂｏｒ ｔｏ ｉｔｓ ｐａｒｅｎｔ．Ｉｆ ａ ｎｏｄｅ ｉｓ ｎｏｔｃｌｕｓｔｅｒ－ｈｅａｄｓ．ａｎｄｚｏｎｅｔｈｅｎ ｆｏｒｗａｒｄｓ ｃｌｕｓｔｅｒ－ｈｅａｄｓ，ｔｈｅ ｐａｃｋｅｔｓｉｔｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｏｆａｎｙＣａｎｂｅ ａｌｌｏｗｅｄ ｔｏ ｓｅｌｅｃｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅａｎｏｔｈｅｒｌｅａｆ ｎｏｄｅ ａｓ ｉｔｓｔｈｅｄａｔａｌｅａｆｎｏｄｅｓ．ｂｕｔ ａｌＳＯ ｒｅｃｅｉｖｅ ｐａｃｋｅｔｓｐａｒｅｎｔ．ｎｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｃｌｕｓｔｅｒ－ｈｅａｄｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｅｃｅｉｖｅ ｂｙ ｔｈｅ ｃｌｕｓｔｅｒ－ｈｅａｄＳ ｗｈｉｃｈ ｌｏｃａｌｈａｖｅ ｈｉｇｈｅｒ ｄｅｐｔｈ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒｅｅ．Ａｆｔｅｒ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｃｌｕｓｔｅｒ－ｈｅａｄｓｐｅｒｆｏｒｍｄａｔａｆｕｓｉｏｎ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅｎＳｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅｓｅｎｄ ｔｈｏｓｅ ｐａｃｋｅｔｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｔｒｅｅ ｐａｔｈ ｔｉｌｌ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ． ＬＥＡＣＨ．Ｔ ｐｒｏｔｏｃ０１ ｂａｓｅｄｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅｔｈｅ ＴｉｎｙＯＳｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ＬＥＡＣＨ，ＬＥＡＣＨ―Ｔ ｉｓ ｍｏｒｅｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄ Ｃａｎｐｒｏｌｏｎｇ ｔｈｅＦｉｎａｌｌｙ，ｗｅｎｅｔｗｏｒｋ ｌｉｆｅｔｉｍｅ． ｐｒｏｌｏｎｇ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋｌｉｆｅｔｉｍｅ ｉｎ ｔｈｅｔｅｒｍｓ ｏｆ ｂａｌａｎｃｉｎｇｔｈｅｌｏａｄ，ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｔｈｅ ｍｕｌｔｉ．ｐａｔｈ ｂａｓｅｄ ＧＥＡＲ 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象的信息，并对其进行处理，以自组多跳方式传送给观察者，从而可以使人们随时随地 获取大量真实可靠的监测信息。ＷＳＮ具有甚为广阔的应用价值：在军事领域１３ｌ，ＷＳＮ 已成为Ｃ４ＩＳＲＴ（Ｃｏｍｍａｎｄ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ，Ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ ａｎｄＴａｒｇｅｔｉｎｇ）系统不可或缺的一部分，受到了军事发达国家的普遍重视；在空间探索和灾难拯救等特殊领域，可以通过飞机布撒等方式放置在人类无法进入或避免进入的环境中，从而采集到人类需要的有效信息。在目标跟踪，大鸭岛海燕监测，冰 河监测，电子牧场，火山监测等领域都有其成功的应用实例【４，５，６，７，８】。加州大学伯克利分 校的Ｊａｓｏｎ Ｌｅｓｔｅｒｌ９】博士曾形象的描述无线传感器网络的概念和应用前景：Ｓｅｎｓｉｎｇ＋ＣＰＵ＋Ｒａｄｉｏ＝Ｔｈｏｕｓａｎｄｓ ｏｆｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ。无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的生产生活和社会进步带来极大的影响和产生巨大的推动。 路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节点的机制，作为无线传感器网络核心 技术之一，已成为国内外研究的热点。在无线传感器网络路由研究的早期，人们曾以为 成熟的Ｉｎｔｅｍｅｔ技术与Ａｄ ｈｏｅ路由机制的相融合对无线传感器网络的设计已经足够，人 们曾认为Ａｄ ｈｏｅ网络协议与ＷＳＮ通信协议机制相似，可以将现有的Ａｄ ｈｏｅ网络协议 直接用于ＷＳＮ。然而，无线传感器网络是传感器技术、现代网络、无线通信技术以及分布式计算技术的交融，而不是它们的简单相加。研究表明【ｌＯ，１１ｌ：传感器网络不同于传统的无线网络（如蜂窝网络ＷＬＡＮ、和移动Ａｄ ｈｏｅ网络），前者是以数据为中心，后者 则以传输数据为目的。为适应更加广泛的应用程序，传统无线网络的设计强调将与功能 相关的一切处理都放在网络的终端系统上，中间节点只负责数据分组的转发Ｉｌ ２‘。但在ＷＳＮ中，节点是任意散落在被监测区域内，例如飞行器撒播、人工埋置或火箭弹射等 方式并以白组织形式构成网络，因而网络的拓扑结构与节点间距离是不确定的。另外还 有其节点的能量和计算、存储能力更为受限，节点数量更庞大，且没有统一标识以及节点更易失效等特点，从而使得无线传感器网络路由协议设计与传统的无线Ａｄ Ｈｏｄ网络有很多不同。 这些独特的要求和制约因素为无线传感器网络路由协议的研究提出了新的课题，设江南大学硕士学位论文计一种适用于无线传感器网络的路由协议成为一项具有挑战性的关键技术。１．２研究目的及意义传统无线网络的首要设计目标是提供高效带宽利用和高服务质量，能量消耗放在次要位置，而在无线传感器网络中，节点的能量是极其有限且不易补充，网络中的传感器 往往由于电源能量的原因经常失效和废弃，电源能量约束是阻碍无线传感器网络投入实 际应用的关键因素。因此，无线传感器网络的协议设计首要目标是降低能量消耗，从而 延长网络的生命周期。能耗控制技术是网络中降低能耗的一种有效手段，目前的研究主要集中在数据链路层和网络层。其中网络层路由协议是影响传感器网络能量消耗的关键因素。 根据ｎｅｂｏｒａｈ Ｅｓｔｒｉｎ在ＭｏｂｉｅｏｍＺｏｏＺ会议上的特邀报告所述，在无线传感器网络中，无线通信模块是传感器节点主要能量消耗，节点传输信息要比执行计算时更消耗电能， 传输ｌｂｉｔ信息１００ｍ距离需要的能量大约相当于执行３０００条指令消耗的能量【１ ３１。针对 路由协议，从节能的角度出发，通过数据融合技术，减少原始数据通信将是一种可选的方案。 另外，还可以从均衡网络节点的流量出发，建立多径路由，均衡网络负载，提高整个网络能量的利用率。总之，以延长整个网络的生命周期为目标，设计一种能量高效利用，实现信息高效传输的无线传感器路由协议值得研究。１．３国内外发展现状无线传感器网络因其巨大的实用价值和发展前景引起了世界各国高度重视，自２０世纪９０年代起，美国和欧洲在军事部门、工业界、学术界均相继启动了许多关于传感 器网络的研究计划１１，１４，１５Ｊ： １．军事部门： 除开展Ｃ４ＩＳＲＴ计划、ＳｍａｒｔＳｅｎｓｏｒ Ｗｅｂ、传感器组网系统等研究项目外，２００１年美国陆军还提出“灵巧传感器网络通信”计划，并于２００１＂－－＇２００５年度批准实施；为使基层部队指挥员能根据需要将传感器灵活部署到任何区域，美国陆军确立了“无人值守地面传感器群”项目。此外，美国海军还确立了“传感器组网系统”项目。２．工业界：１９９５年美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计２０２５年 全面投入使用；２００２年ｌＯ月２４日英特尔公司发布“基于微型传感器网络的新型计算 发展规划＂。该计划宣称，英特尔将实现无线传感器网络在环境监测、森林灭火、预防医学乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。 ３．学术界：２００３年美国自然科学基金委员会制定无线传感器网络研究计划，展开对“嵌入式智能传感器”的研究，并投资３４００万美元支持相关基础理论的研究，这也是美国有关Ｉｎｔｅｍｅｔ ２最主要的未来规划之一。国外许多大学和科研机构也已开展大量 无线传感器网络的研究，如ＵＣＬＡ研制的Ｍｉｃａ系列传感器节点被用于无线传感器网络的研究和开发；哈佛大学研究传感器网络中通讯的理论基础等。此外，英国、日本、意大利、德国等科技发达国家表现出浓厚的兴趣，并开始投入到该领域的研究工作中。我国在传感器网络方面的研究工作起步较晚，但从２００３年起，国内的一些科研单２第一章绪论位和大学，如清华大学、中国科学院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、浙江大学等也初 步开展了这一领域的研究工作，主要是操作系统、无线传感器结点的硬件设计、节能技 术、网络路由技术、覆盖控制技术等。总体而言，我国在无线传感器网络方面的研究工作相对较少。 由于无线传感器网络是－－Ｉ＇－Ｊ新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。无线传感器网络是通信、计算和传感器三项技术结合的产物，涉及到很多关键技术， 如嵌入式操作系统、无线通信技术、软硬件实现、网络协议、拓扑控制、时间同步、定 位技术、数据融合、网络安全等【ｌ】。路由协议作为无线传感器网络的关键技术之一，已 成为国内外研究的热点。为满足不同应用需求，研究人员已提出多种路由协议，包括有平面路由协议如ＳＰＩＮ、Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ、Ｒｕｍｏｒ ｒｏｕｔｉｎｇ，分层路由协议如ＬＥＡＣＨ、 ＰＥＧＡＳＩＳ、ＴＥＥＮ、ＡＰＴＥＥＮ以及基于地理位置信息的路由如ＧＡＦ、ＧＥＡＲ、ＭＥＣＮ、 ＧＰＳＲ等等。在众多的路由协议中，地理位置路由协议被许多研究者看作是能量和处理 资源严重受限的ＷＳＮ网络最有前途的解决方案之一【ｌ ６＇１７１，ＧＥＡＲ路由协议在选择转发节点的同时均衡节点的剩余能量，以提高网络的生存期，成为研究的重点。针对无线传 感器网络流量不均的问题而提出均衡网络负载，建立多径路由也是一种可选的方法。另外，分层路由算法【１８】作为层次拓扑控制算法，在网络中形成骨干网节点和普通节点，并 且和路由紧密结合，成为ＷＳＮ中一类重要的路由协议。ＬＥＡＣＨ协议是这一类中的典型，许多协议也都是在此基础上发展而来，但ＬＥＡＣＨ协议本身存在一些局限性，对 ＬＥＡＣＨ协议的改进仍是一个开放的问题。总之，融合多种技术，设计满足应用需求的无线传感器网络路由协议仍在研究之中。１．４无线传感器网络简介１．４．１无线传感器网络的概念 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量集成化的传感器节点组成，节点间通过多跳自组织方式，协作地感知、采集和处理被检测对象的信息，从而获得详尽准确的信息，并传送到需要这些信息的观察者。其体系结构一般形式如图１．１所示【２】。图１．１无线传感器网络的体系结构Ｆｉｇ．１―１ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ３江南大学硕士学位论文该网络主要由感知网络、传输网络以及用户管理网络组成。其典型工作方式为：被 部署的大量ＷＳＮ节点之间通过自组织形式构成一个感知网络，在其内部，每个节点兼 具主机和路由器的双重功能，采集的数据通过节点间的协作转发达到基站（ｓｉｎｋ节点）。 为提高信息的可信度和精度，感知数据在向ｓｉｎｋ节点传输的过程中，可能需要经过多次融合处理，或者根据需要对多个原始数据进行本地综合归纳，从更高的信息层次判断被 监测区域所发生的事件。通过基站，ＷＳＮ可以与外界卫星网络或Ｉｎｔｅｍｅｔ互联。无线传感器网络通过传感器节点相互协作进行数据通信，传感器节点一般包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分，如图１．２所示。传感器节点通常选用嵌入式ＣＰＵ，并用快闪存储器（Ｆｌａｓｈ）作为存储器部件，并且选用嵌入式操作系统（典型的如ＴｉｎｙＯＳ）来进行任务调度与管理。图ｌ－２传感器节点结构图Ｆｉｇ．１?２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｏｄｅ１．４．２无线传感器网络的特点 尽管无线传感器网络也属于Ａｄ．ｈｏｃ网络，并具有Ａｄ ｈｏｃ网络的移植性、自组织性等共同特征，但与一般Ａｄ．ｈｏｃ网络相比而言，无线传感器网络仍存在诸多差异，主要具备如下特点【２０１： （１）传感器节点的能量、存储空间和计算能力更为有限传感器节点体积微小，通常携带有限的电池能量。而且由于各种条件限制，通过更 换电池的方式来补充能量是不现实的，因此节点的能量有限。另外，节点的计算和存储能力都很低，无法进行复杂的计算和数据存储。无线通信带宽有限，并且通信环境恶劣。总之就目前状况，很难迅速缓解传感器节点资源紧张的状况，所以资源受限是ＷＳＮ的 首要挑战。 （２）自组织与动态性．在无线传感器网络中，节点通常是任意散落在被监测区域内，如飞行器撤播、或火箭弹射，这就要求节点具有自组织的能力。另外，新节点加入、已有节点电能耗尽或通 信链路带宽发生变化都可能引起网络的拓扑结构发生改变，因此，无线传感器网络的自 组织性要能够适应这种网络拓扑结构的变化，并具有动态的系统可重构性。 （３）多跳路由４第一章绪论节点发射功率有限，当它要与覆盖范围外的节点通信时，需要中间节点的转发。每个节点都兼具路由的功能。（４）网络内节点数目大、密度高 由于传感器网络通常工作在人难以接近或者危险的区域内，如军事战场，从而使得 必须布置大量的传感节点并使之协同工作才能完成信息收集等任务。传感器节点一般都是数以千计、或者数以万计，并且节点分布非常稠密。 （５）数据为中心的网络传统的互联网是以地址为中心，而ＷＳＮ是任务型网络，以数据本身作为查询或传 输线索，更接近于自然语言交流。所以，ＷＳＮ是一个以数据为中心的网络，并且由于节点数目大，很多节点会采集到相同类型的数据，因此要求一些节点具有数据融合能力， 减少数据冗余。 （６）安全性差 由于采用无线信道、分布式控制、有限电源等技术，节点更容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺睡眠、虚假路由等各种形式的网络攻击。而且，传感器节点往往直接暴露在外部，使其更容易受到安全威胁。 （７）应用相关 无线传感器网络具有非常广泛的应用前景和实用价值，但各种不同的应用场所决定 着对它的要求不同，其硬软件平台和网络协议也有很大差别，所以没有一个统一的通信 协议平台。不同的无线传感器网络应用之间虽然存在一些共性，但在开发传感器更高效 的目标系统时，应针对每一个具体应用采取相应的策略，这是传感器网络不同于传统网 络的显著特征。１．４．３无线传感器网络的应用 无线传感器网络融合微传感器技术、现代网络和无线通信技术，在军事应用、工业 控制、环境监测、空间探索和灾难拯救等领域具有极为广阔的应用前景，如下图１．３所示：５扛南大学碗士学位论文冒箨学≮凳黎～柰：！名二二西蔓ｌ 氚蒜意ｒ―而斋撼焉｝一、篓兰川薷一、蠹＼釜堡．ｙ”。。、一ｊ豢芸三图１－３无线传感器网络的应用领域Ｆｉｇ．Ｉ?３ｔｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ【亍翥≯蓑孓圣１．军事应用吲：目前已有许多科学研究以军事需求为背景，例如Ｃ４ＩＳＲＴ（Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｃｏｍｍａｎｄ，Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ，Ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ ａｎｄＴａｒｇｅｔｉｎｇ）计划、Ｓｍａｒｔ ＳｅｎｓｏｒＷｅｂ、传感器组网系统、无人值守地面传感器群、灵巧传 感器网络通信、网状传感器系统等。无线传感器网络因具有可自组织、快速部署、高容 错性和隐蔽性强等得天独厚的技术优势，使其非常适合在军事上应用。利用无线传感器 网络能够实现对敌军装各和兵力的监控、目标的定位、战场的实时监视、战场评估、核 攻击监测和搜索等功能。在战场，指挥员往往需要及时获取武器装备和军用物资供应情 况的信息，部署的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据信息转发至指挥部， 展后通过融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。在战争中。通过铺设传感 器网络对军事要地和冲突区域的监测也至关重要的；另外还可以直接将传感器节点通过 飞机撒向敌方阵地，在敌方做出反应之前迅速收集利于作战的信息。在生物和化学战中． 利用无线传感嚣网络及时、准确地探测爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间，从而 最大可能地减小伤亡。 与卫星和地面雷达系统相比，无线传感器网络在军事应用具有很多潜在的优势Ｉ“Ｊ： （１）传感器节点多角度、多方位信息的综合有效提高了信噪比，这恰是独立的卫星和 地面雷达系统难以征服的技术问题之一。 （２）传感器网络节点成本低廉，并且采集的数据具有大量冗余，这为整个系统提供了 较强容错性。 （３）传感器节点布置在监测目标附近，这大大消除了环境噪声对系统性能的影响。 （４）节点中多传感器的应用有利于提高监测信息的综合性能指标。 （５）部署大量成本低，体积小的节点，能够形成覆盖大面积的目标监测区域。第一章绪论（６）设置少量具有移动能力的节点，可以对网络拓扑结构进行调整，能够有效地消除 监测区域的盲点和阴影。 ２．工业控制可以通过ＷＳＮ对工厂运作过程实时监控，这将大幅度改善工厂的运作条件，大大 降低设备检查的成本，并且可以提早发现问题，这将有更多的时间来解决问题，从而了提高工作效率。另外，ＷＳＮ还能对预知和减少生产事故损失起到很大作用。 ３．环境科学随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。采用一些传统 的方法无法及时、准确地采集原始数据，传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便。例如，大鸭岛海燕监测、跟踪昆虫的迁移、研究环境变化对农作物的影响等。 此外，还可以利用无线传感器网络监测河水水位、降雨量和土壤水分，并对爆发山洪的 可能性进行预测【２２１。 ４．远程健康监控和医疗 如果在老人或病人身上装置传感器节点来定期检测人体内的脉搏、葡萄糖水平或含 氧饱和度等病变信息，并及时将信息反馈给本人或医生，这样就有可能省掉专门的陪护 人员。在英国家庭中已利用ＷＳＮ进行健康监控的实例，如利用地毯下的压力传感器测量病人的行动及体重变化，在抽水马桶里安装传感器以便及时分析排泄物观察病人的康复状况【２３１。此外，还可以在被监测对象身上的安装微型传感器来收集生理数据，这些数 据将有利于研制新药品。在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。总之，无 线传感器网络为未来的远程健康监控和医疗提供了更加方便快捷的技术手段。 ５．空间探索 利用航天器部署大量传感器网络节点，对星球表面进行长时间的监测已成为可能，这也可以帮助人类实现探索宇宙星球的梦想。为进行未来的火星探测，美国国家航空航天局（ＮＡＳＡ）的ＪＰＬ（Ｊｅｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）实验室已研制Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｅｂｓ【２４１，并且在弗罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。６．其他领域微型化、自组织和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这决定了其在商 业领域也有发挥的余地。例如，嵌入家具和家电中的传感器可提供智能家居环境；应用传感器网络可以成功进行城市车辆监测和目标跟踪；此外，在交互式玩具、交互式博物 馆、仓库管理、抢险救灾、工厂自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都将有着巨大的应用前景和实用价值。 综上所述，无线传感器网络技术可以应用到实际生活的方方面面，人们对此有着美 好的憧憬。无线传感器网络具有很大的潜在价值，若该项技术目前面临的能源、成本和 体积等问题得以解决，其前景将不可估量。１．５论文的组织结构本文的结构安排如下：７江南大学硕士学位论文第一章，介绍了无线传感器网络的研究背景、目的及意义以及国内外发展现状，并 概述了无线传感器网络概念、特点、以及各个领域的应用。第二章，分析了无线传感器网络路由协议特点和设计标准，对几种典型的路由协议做了重点分析和比较，最后，指出路由协议设计面临的挑战和研究策略。运作过程，以及ＬＥＡＣＨ的优缺点。提出了一种基于树的ＬＥＡＣＨ协议＿Ｉ，ＥＡＣＨ－Ｔ协议。详细描述了ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议的运行过程，并对其性能进行理论分析。第三章，选择具有代表性的ＬＥＡＣＨ协议，对其进行重点介绍，包括其物理模型、第四章，首先介绍了ＴｉｎｙＯＳ操作系统，然后给出了ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议在ＴｍｙＯＳ下的具体实现过程，并对仿真结果进行分析。通过比较原有的ＬＥＡＣＨ协议和ＬＥＡＣＨ．Ｔ协 议中整个网络节点的生命周期，进一步说明了ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议的可行性。 第五章， 从均衡网络负载，延长网络生命周期的角度出发，针对ＧＥＡＲ路由协议选择最佳路径之后，固定使用该条路径，容易导致该条路径节点能量首先耗尽，提出一种基于多路径的ＧＥＡＲ协议――ＭＧＥＡＲ协议。最后，对本文做了总结和展望。８第二章无线传感器网络路由协议的分析第二章无线传感器网络路由协议的分析２．１无线传感器网络路由协议概述在无线传感器网络的体系结构中，网络层中的路由协议非常重要，其主要功能是寻找源节点到目的节点的优化路径并且将数据分组沿着优化路径正确转发【２Ｊ。在传统无线网络路由协议中，关键是如何公平高效地利用网络带宽和提高服务质量，其主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延时较小的传输路径，同时提高整体网络的利用率，均衡网络流量并避免产生拥塞等，能源消耗并不是这类网络考虑的首要因素。与传统无线网络路由协议相比，ＷＳＮ路由协议有如下特点【２５】：１．能量有限。在无线传感器网络中节点的能量非常有限，通常节点部署在人类无 法或难以接近的环境中，更换电池补充能量似乎是不太可能，所以传感器网络路由协议 要以能延长整个网络的生存期为主要设计目标，减少节点能量消耗，实现信息高效传输。２．以数据为中心。无线传感器网络中，观察者关注的是被监测区域的感知信息，而不是某个节点的数据，不依赖于全网统一标识。传感器网络通常是多对一的传输模式，即感知数据由多个传感器节点向少数基站节点汇聚，按照对数据通信模式、感知数据的 需求和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。３．基于局部拓扑信息。在无线传感器网络中，短距离多跳通信模式往往更节省通 信能量，但节点有限的存储能力和计算能力，使得节点不能进行太复杂的路由计算，也不能存储大量的路由信息。所以在该网络中，路由协议必须基于局部拓扑结构信息和适应资源有限的环境，且简易高效。４．数据存在冗余。ＷＳＮ节点数目一般有成千上万且分布密集，节点采集的数据存在大量冗余，所以在传输过程中节点可以进行过滤、融合减少传输分组的数量。 ５．应用相关。无线传感器网络有巨大的应用价值，但各种应用场所不同决定着数据通信模式、组网结构不同，没有哪一种路由协议适合所有的应用情况，设计时需要针 对具体应用的需求，设置相适应的路由机制。２．２无线传感器网络路由协议设计标准尽管ＷＳＮ也属于移动自组网（ＭＡＮＥＴ，ＭｏｂｉｌｅＡｄｈｏｅＮｅｔｗｏｒｋ，但其路由协议的特点使已有的Ａｄ Ｈｏｅ路由协议不能直接在ＷＳＮ中使用，ＷＳＮ路由协议的设计需要与其特点相结合。无线传感器网络路由协议也需要尽可能满足正确性、健壮性、稳定性等传 统网络路由协议所具有的特性，但其更注重以下特殊要求【２５Ｊ：１．能量第一：由于无线传感器节点能量有限且不易补充，故其路由协议的首要设 计目标是尽可能以最少的能量消耗满足应用需求，提高资源整体利用率，延长网络生命周期，其次再考虑服务质量（ＯｏＳ）。能量有限性是ＷＳＮ与传统Ａｄ ｈｏｅ最主要的区别，无线传感器节点成本低廉，体积微小，一般是采用电池供电。而典型的无线传感器网络 节点是部署在危险或人类无法接近的恶劣的环境中，比如军事战场或火山周围。节点电９江南大学硕士学位论文池能量耗尽则意味着失去使用价值。ＷＳＮ路由协议应具有节能策略，在不影响路由协 议的正常运行的情况下设备“睡眠”机制。 ２．力求简单：传感器节点的计算处理能力、存储能力都十分有限，在ＷＳＮ中，这种硬件资源有限的节点却兼具主机和路由器的双重功能，为这种节点资源有限网络设计一种适用的路由协议，要求路由协议的算法简单和报文有效，占用存储空间少。３．使用数据融合技术。 由于ＷＳＮ内节点数目庞大，布置密集，相邻区域的传感器节点所采集信息具有相似性，使用数据聚合技术，从邻居节点的协作中过滤冗余数据， 提取数据特征形成信息，从而可以减少信息通信量，有利于节省能量消耗和减少网络拥 塞。 ４．可扩展性：在无线传感器网络中，节点通常是任意散落在被监测区域内，网络规模随着检测区域范围或节点密度而变化，节点失效，新节点加入以及节点移动等，都 会使网络拓扑结构动态变化，这就要求路由协议具有可扩展性，能适应网络结构的变化。５．鲁棒性：在ＷＳＮ中，已有节点失效或移动以及无线信道冲突都可能引起网络拓扑变化，其路由协议设计需要这种高度频繁的拓扑变化，且使用较少的能源开销。主要是保证失效路径的及时恢复和低能量代价重建路由。 ６．迅速收敛性：ＷＳＮ拓扑结构动态变化时，路由表需要重新建立到发送，直至稳 定，而节点能量、存储空间和通信带宽等资源有限，为适应这种网络拓扑的动态变化，需要路由机制能够快速收敛，尽可能减少通信协议开销。２．３无线传感器网络路由分类无线传感器网络应用广泛，为满足不同应用需求，人们研究了众多的路由协议，一般可以将现有的路由协议分为三种：平面路由（ＦｌａｔＮｅｔｗｏｒｋｓ Ｒｏｕｔｉｎｇ）、层次路由（ＨｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋｓ Ｒｏｕｔｉｎｇ）和基于位置（Ｌｏｃａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ Ｒｏｕｔｉｎｇ）的路由。１．平面路由协议平面路由协议中每个传感器节点地位作用相同，在网络中没有主次之分，共同协作 执行采集信息的任务。由于ＷＳＮ传感器节点数目庞大，给每个节点都统一分配标识符几乎不可行，因此适用于以数据为中心的路由。这类协议是由基站（Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ）对监测 数据按照属性命名，发送查询消息到目的区域，然后等到目的区域的节点返回采集信息。 典型的有洪泛（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）路由协议【２６１，基于协商的路由协议（ＳＰＩＮ，ＳｅｎｓｏｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｖｉａ Ｎｅｇｏｔｉａｔｉｏｎ）［２７１、定向扩散（ＤＤ，ＤｉｒｅｃｔｅｄＰｒｏｔｏｃｏｌｓ ｆｏｒＤｉｆｆｕｓｉｏｎ）协议【２８】。其中，ＤＤ路由协议的提出是平面路由协议的一次飞跃，此后的许多路由协议如Ｒｕｍｏｒｒｏｕｔｉｎｇ［２９１、Ｅｎｅｒｇｙ．ａｗａｒｅ ｒｏｕｔｉｎｇｔ３０１、ＣＡＤＲｌ３１１、ＡＣＱＵＩＲＥｔ３２１，ＣＯＵＧＡＲ［３３１等，都是在ＤｉｒｅｃｔｅｄＤｉｆｆｕｓｉｏｎ基础上或者借鉴其思想而提出的。 ２．层次路由协议（分簇路由） 在分簇路由协议中，传感器节点的功能地位有所不同，它先将传感器节点划分成一 个个簇，每个簇由单个簇首节点（或称簇头节点）和多个簇内节点（或称成员节点）组成。簇内节点先将监测数据首先传给簇首节点，簇首节点具有较高的控制权限，对数据１０第二章无线传感器网络路由协议的分析进行融合处理后再转发给基站，以减少网络通信量和节省能耗。这类协议能适合大规模 网络环境，具有较好的可扩展性。ＬＥＡＣＨｔｌ９】是传感器网络中最早提出的层次路由协议， 其他的层次式路由协议，包括ＰＥＧＡＳＩＳｔ３４１、ＴＥＥＮｌ３５１、ＡＰＴＥＥＮｌ３６】等协议都是在ＬＥＡＣＨ的基础之上衍生而来。 ３．基于位置的路由协议这类路由协议往往需要ＧＰＳ定位系统或其他类型定位算法计算节点的位置信息，然后利用这种位置信息将数据转到目标区域，从而有效避免了向全网广播数据带来的过 多能量消耗。利用位置信息可以计算两节点之间的距离，估计能量的消耗，从而能够方 便地选择更节能、高效的路径传输监测数据，以延长网络的寿命。典型协议有ＧＰＳＲｌ３ ７。、 ＧＥＡＲｌ３８１、ＧＡＦｔ３９１、ＭＥＣＮ［４０１等。此外，还可根据文献【４ｌ】中路由协议采用的通信模式、路由结构、路由建立时机、状态维护、节点标识和投递方式等策略对无线传感器网络路由协议进行更多的分类，总结 表２．１所示，由于研究人员组合多种策略来实现路由机制， 属于不同的类别。 表２－１无线传感器网络路由协议分类Ｔａｂｌｅ２－１ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ所以同一路由协议也可以ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ２．４常见无线传感器网络路由协议的分析与比较本节我们将重点介绍几种典型的ＷＳＮ路由协议，并对其进行分析比较。江南大学硕士学位论文２．４．１路由协议的分析１、Ｆｌｏｏｄｉｎｇ（洪泛）协议【２６１图２．１内爆问题Ｆｉｇ．２―１ Ｉｍｐｌｏｓｉｏｎ Ｐｒｏｂｌｅｍ图２－２重叠问题Ｆｉｇ．２―２ Ｏｖｅｒｌａｐ ＰｒｏｂｌｅｍＦｌｏｏｄｉｎｇ是一种传统的网络路由协议，它无需维护网络的拓扑结构和进行复杂的路由计算， 行，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有邻居节点。这个过程重复执直到数据包到达目的地或者过期才停止传播。Ｆｌｏｏｄｉｎｇ协议思想简单，易于实现，适用于健壮性要求高的场合。但是存在信息内爆、消息重叠、盲目使用资源等缺点。消息内爆是指节点从其多个邻居节点中收到一个数据的多个副本，如图２．１所示，结点 Ｄ收到两份由结点Ａ发出的消息。消息重叠是指部署在同一监测区域内的节点采集到相同的信息，然后将类似的数据包发送给相同的邻居结点，如图２．２所示，结点Ｃ从结 点Ａ和结点Ｂ处都收到了关于ｒ的信息。盲目使用资源是指不考虑能量使用的限制， 在任何情况下都转发数据。２、ＳＰＩＮ（ｓｅｎｓｏｒ ｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｖｉａｎｅｇｏｔｉａｔｉｏｎ）１２７１ＳＰＩＮ是一组最早的具有自适应功能的路由协议，它通过信息协商机制来解决洪泛 协议中的“内爆”和“重叠”问题，节省了能量的消耗。该协议的基本思想是：采用元数据来描述原始数据，邻居节点根据元数据中的描述信息来判断是否需要传送原始数据。 ＳＰＩＮ协议中使用ＡＤＶ、ＲＥＱ和ＤＡＴＡ这三种类型的消息进行通信。首先，节点广播 ＡＤＶ消息，表示有数据发送，当接收到ＲＥＱ请求信息时，才向发送ＲＥＱ消息的源节 点单播发送包含原始数据的ＤＡＴＡ。协议的优点是：通过发送小ＡＤＶ消息，节点直接协商通信，有效缓解了内爆问题；通过数据命名避免了交叠问题；节点发送ＡＤＶ通告 时综合考虑自身资源和应用信息，解决了资源盲目利用问题。但ＳＰＩＮ协议也存在一些缺点：当节点产生或收到数据后，若其所有邻节点都不需要该数据，那么将导致该数据不能顺利转发，较远处节点也就无法获得数据；若网络中ｓｉｎｋ点布置较多时，问题尚不严重，反之，则是一个很严重的问题；且在某ｓｉｎｋ点对大量数据都感兴趣时，其周围的 节点能量更容易被耗尽；并没有根本解决信息内爆问题，在网络规模较大时，ＡＤＶ内爆仍然存在。ＳＰＩＮ协议的路由建立与数据传输如图２．３所示。１２第二章无线传感器网络路由协议的分析ｔ８）ＡＤＶ琴散 纠ＡＤＶ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ图２－３例数据请求 倒Ｄａｔａｒｅｑｕｅｓｔ纠数据发送 纠Ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳＰＩＮ协议的路由建立与数据传输Ｆｉｇ．２－３ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ａｎｄ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ＳＰＩＮ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ３、Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ路由协议【２８】俐请求扩散 倒Ｒｅｑｕｅｓｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ例梯度场建立 例Ｇｒａｄｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ何数据传输 纠Ｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ图２－４ＤｉｒｅｃｔｅｄＤｉｆｆｕｓｉｏｎ路由原理Ｆｉｇ．２－４ Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ定向扩散（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ，ＤＤ）路由协议是Ｅｓｔｒｉｎ等人专门为ＷＳＮ设计的路由策 略，是一个重要的基于数据查询驱动的路由协议，其显著特点是用兴趣（ｉｎｔｅｒｅｓｔ）来表示 ｓｉｎｋ节点发出的查询业务，ｉｎｔｅｒｅｓｔ是一组＜属性，值＞的组合，当ｓｉｎｋ节点需要采集数 据时，发送ｉｎｔｅｒｅｓｔ消息，并逐级扩散，泛洪到全网，找到所有匹配的原始数据。ＤＤ路由协议引入“梯度＂来表示网络中间节点在方向继续查询获得匹配数据源的可能性，并用一组标量值表示，值越大，表示搜索到匹配数据的成功率越大。这样，在整个网络中就为ｓｉｎｋ节点的查询建立了一个“梯度”场，并形成多条从数据源到ｓｉｎｋ节点的路径， 然后依据梯度的标量值选择增强其中的一条，用于数据的传输。ＤＤ路由协议的实现机 制与ＳＰＩＮ协议有很大区别，在ＳＰＩＮ中，由节点广播元数据，以允许感兴趣的其他节点来请求发送消息，而在ＤｉｒｅｃｔｅｄＤｉｆｆｕｓｉｏｎ中，是由ｓｉｎｋ节点发出数据查询请求，采用按需的路由机制。ＤＤ路由协议可以分为周期性的请求扩散、梯度建立和数据传输三个阶段：１．请求扩散，由基站发送出ｉｎｔｅｒｅｓｔ消息，ｉｎｔｅｒｅｓｔ消息包括目标区域、任务类型和梯度值等参数，以广播形式遍历全网；２．梯度场建立阶段，收到ｉｎｔｅｒｅｓｔ消息的节点，建立起该节点到ｓｉｎｋ点传递数据的梯度关系：３．数据传输阶段：若节点检查到自己存１３江南大学硕士学位论文有与ｉｎｔｅｒｅｓｔ消息中相匹配的数据，则将数据沿着加强的最优路径转发到ｓｉｎｋ节点，ＤｉｒｅｃｔｅｄＤｉｆｆｕｓｉｏｎ路由原理如图２．４所示。ＤｉｒｅｃｔｅｄＤｉｆｆｕｓｉｏｎ具有很多优点：节点仅与邻居节点通信，因此不用全局的地址机制；为了节省能量消耗，每个节点都可以进行数据融合；数据的发送是基于按需查询的，节点无需维护拓扑结构，因此可以减少能量消耗。然而，由于它是基于查询驱动的路由 协议，因而不适用于环境监测等某些紧急上报应用的无线传感器网络。另外，对于不同 的应用，需要定义不同的＜属性，值＞对，从而限制了它的应用。４、Ｒｕｍｏｒ Ｒｏｕｔｉｎ９１２９］在ＷＳＮ一些应用中，如果只有少量的数据需要从源节点传递到ｓｉｎｋ节点，那么 ＤＤ路由协议建立梯度的开销就太大了，因而，研究学者提出了Ｒｕｍｏｒ Ｒｏｕｔｉｎｇ。在ＷＳＮ中的事件数量很少，而查询数量很多的情况下，可以选择广播事件的方法，以节省频繁查询带来的能耗。Ｒｕｍｏｒ Ｒｏｕｔｉｎｇ协议的核心思想是将查询的消息发送至刚检测到具体 事件的节点来获取相应信息，而不是向整个网络广播。该协议借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大的思想。当节点监测到事件后将其保存，同时创建包括事件和源 节点信息的生命周期比较长的Ａｇｅｎｔ数据包，并通过一条或多条随机路径转发。收到Ａｇｅｎｔ数据包的节点根据事件和源节点信息建立反向路径，并将Ａｇｅｎｔ再次随机发送到相邻节点，再次发送前，也可以在Ａｇｅｎｔ增加其己知的事件信息。ｓｉｎｋ点的查询请求也 沿着一条随机路径转发，当两路径交叉时则路由建立；若不交叉，ｓｉｎｋ点可广播查询请求。当ｓｉｎｋ节点较多，而网络事件很少，需要频繁查询时，Ｒｕｍｏｒ协议表现出良好特性。但是，如果网络事件非常多，将会增加维护事件表和收发Ａｇｅｎｔ的额外开销。５、ＴｉｎｙＯＳＢｅａｃｏｎｉｎｇ协议【４２】这种协议比较简单，首先需要对节点编址，然后ｓｉｎｋ节点周期性广播路由更新消息。在ｓｉｎｋ节点通信范围内的节点收到更新消息后，将发送消息的节点作为父亲节点保存在路由表中，然后将该消息在物理信道上广播，从而构成了一颗以ｓｉｎｋ点为根的广度优先的生成树。ＴｉｎｙＯＳ Ｂｅａｃｏｎｉｎｇ协议一般适用于在小规模网络，在较大网络中，会有一些缺陷：首先，由于沿物理信道广播，将会导致节点和ｓｉｎｋ节点间跳数增多，带来较长延 迟；其次，依据接收到ｂｅａｃｏｎｉｎｇ的时序建立路径，而不进行任何优化，扩展性较差，而且广播路由更新消息还会带来额外的能量消耗；最后，ｓｉｎｋ节点周围的节点需要频繁 参与数据传输，可能会首先耗尽能量而失效，从而影响整体网络的生命周期。 ６、ＬＥＡＣＨ（１０ｗｅｎｅｒｇｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇｈｉｅｒａｒｃｈｙ）［１９ｌＬＥＡＣＨ是ＭＩＴ的Ｃｈａｎｄｒａｋａｓａｎ等人为ＷＳＮ设计的低功耗自适应分层路由算法， 这是第一个提出数据聚合的分层路由协议。ＬＥＡＣＨ协议的核心思想是，将网络中的节 点分为簇头节点和簇内成员节点。由于簇头节点需要协调簇内节点的工作，负责数据的 融合和转发，能量消耗相对较大，所以ＬＥＡＣＨ采用周期性地随机选择簇头节点以均衡 网络中节点能量消耗，从而达到延长网络生命周期目的。ＬＥＡＣＨ是一个具有代表性的 分层路由协议，其他分簇路由协议如ＴＥＥＮ、ＰＥＧＡＳＩＳ等都是在ＬＥＡＣＨ协议的基础上 发展起来的。在第三章中我们将会详细介绍。１４第二章无线传感器网络路由协议的分析７、ＰＥＧＡＳＩＳ（ｐｏｗｅｒ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｇａｔｈｅｒｉｎｇｉｎｓｅｎｓｏｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）ｔ３４１是在ＬＥＡＣＨ协议的基础上发展而来，是ＬＥＡＣＨ协议的一种改进版本。ＰＥＧＡＧＩＳ假设网络中的传感器节点是同构且静止，并且所有节点能够通过发送能量递减的测试信号来了解彼此的位 置关系，这样，每个节点只和它的临近节点进行数据传输。ＰＥＧＡＧＩＳ协议中所有节点形成一个聚簇，每一轮只选一个节点作为簇头，簇头可以参照位置关系计算出到ｓｉｎｋ节点的最优回路链。如图２．５所示，假设从Ｎ１到Ｎ５都有数据发送给簇头节点，每个节点利用贪婪算法 选择最近的节点通信，节点Ｎ１可以将数据转发给Ｎ３，Ｎ３收到Ｎ１发来的数据后，其与本身感知数据进行融合处理，然后再转发给Ｎ５，同理，Ｎ２的感知数据首先发送给 Ｎ４，Ｎ４融合处理后再将数据转发给Ｎ５，Ｎ５收到Ｎ２和Ｎ４的数据后，和自己的感知数据进行融合，然后发送给簇头节点，然后由簇头节点数据发送给ｓｉｎｋ节点。Ｎｊ簇头图２－５ ＰＥＧＡＳＩＳ协议中的聚类Ｆｉｇ．２－５ ＰＥＧＡＳＩＳ Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ＰｒｏｔｏｃｏｌＰＥＧＡＳＩＳ采用数据融合技术减少了数据的发送和接收，不需要周期性地动态选择 簇头节点，采用最佳链路进行数据传输，有效的减少了网络信息流量，降低了能量消耗。实验证明，ＰＥＧＡＧＩＳ协议的网络生命周期是ＬＥＡＣＨ协议的２＂－＇３倍。然而，在每一 轮建立最优回路链时，节点要通过发送能量递减的测试信号来了解其他节点的位置信息，从而带来额外的资源消耗。此外，因为网络中每一轮只选择一个簇头，这容易使簇头成为瓶颈，簇头节点出现故障，则路由失效。观测到的数据最后只被融合成一条信息发送给基站，所以这种协议仅适用于一些监测数据大量冗余的网络。 ８、ＴＥＥＮ（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｐｒｏｔｏｃ０１）ｔ３５】ＴＥＥＮ也是ＬＥＡＣＨ算法的一个改进协议，但是，该协议在簇的建立过程中，簇头节点当选后，根据与ｓｉｎｋ点距离形成层次结构簇首。簇头节点除通过ＴＤＭＡ机制实现 对节点的调度外，还向全网节点广播两个阈值（即硬门限和软门限）来过滤数据。当节点 第一次监测到超过硬门限的数据时，则向簇头传输数据，并将当前监测数据保存为监测值（ｓｅｎｓｅｄ ｖａｌｕｅ，简称ｓｖ）。在此之后，节点需要同时满足监测值大于硬门限且当前监测值与ＳＶ之差绝对值不小于软门限时，节点才向簇头发送数据。若节点发送数据，则将ＳＶ置为当前监测值。该协议利用软、硬门限大大减少了数据发送次数，有效节省了能量消耗，并且层次型簇头结构不要求节点具有远距离通信能力。但由于设置门限屏蔽了 一些数据发送，因此不适合周期性上报数据的应用。ＴＥＥＮ协议中聚类构成的层次结构江南大学硕士学位论文如图２－６所示。．２图２－６ＴＥＥＮ协议的网络结构Ｆｉｇ．２．６ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎＴＥＥＮ Ｐｒｏｔｏｃ０１９、ＧＰＳＲ路由协议（ＧｒｅｅｄｙＰｅｒｉｍｅｔｅｒ Ｓｔａｔｅｌｅｓｓ Ｒｏｕｔｉｎｇ）１．３７１ＧＰＳＲ是一个典型的利用位置信息建立路由路径的协议。在ＧＰＳＲ协议中，网络节 点都被统一编址，各节点了解自身及邻居节点位置信息。中间节点转发数据时利用贪婪算法尽可能沿直线转发。假设节点Ｓ需要向节点Ｄ转发数据时，它会在自己的所有邻居 节点中选择离节点Ｄ最近的节点（设为Ｎ）作为下一跳节点，然后将分组转发给Ｎ。该过程是一个迭代过程，直到数据分组到达目标区域。在此过程中，当某一个节点Ｍ的所有邻居节点到Ｄ的距离都远时，则面临了路由空洞，导致数据无法传输，当面临这种情况，数据分组将采用边界转发策略来解决此问题。该协议无需在节点中建立、维护路由表，不需要存储路由信息表，也不需要发送路由更新信息，几乎是一个无状态的协议；且中间节点总是选择离目标区域最近的节点作为下一跳节点转发数据，数据传输时延小：且在网络连通性不被破坏的情况下，一定能够发现可达路由。但是，当源节点和ｓｉｎｋ 点分别集中在两个区域时，由于网络通信流量不平衡易导致部分节点负载过重能量首先 耗尽，从而破坏网络连通性；另外，需要ＧＰＳ定位系统或其他方法计算节点位置信息， 仅适用于移动性不强的场合。１ ０、ＧＥＡＲ路由协议（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ－ＡｗａｒｅＲｏｕｔｉｎｇ）ｐ卅ＧＥＡＲ算法是一种比较成熟的基于地理位置的路由协议，它结合了ＤＤ和ＧＰＳＲ算法的思想，并且节点在转发数据选择下一跳节点时考虑了邻居节点的能量因素。路由的主要思想是：利用位置信息使得“兴趣”的传播仅到达目标区域，而不是传播到整个网络，从而避免洪泛传播方式，减少路由建立的开销。在ＧＥＡＲ协议中，每个节点保存邻居节点的估计代价和修正代价，估计代价的计算依据节点的剩余能量信息和到目标区域的距 离，当没有路由空洞时，估计代价等于修正代价。若节点的所有邻居节点到目标区域的 路由代价都比自己的大，就陷入了路由空洞。此时，就需要估计代价的修正。我们将会在第五章中详细介绍。１６第二章无线传感器网络路由协议的分析２．４．２路由协议的比较前面已经对无线传感器网络几种典型的路由协议进行了分析，每种路由协议都其各 自的特点，很难确定哪种协议最为优越。在此，我们从路由协议的网络结构、传输路径、 数据融合、支持Ｑｏｓ、是否查询驱动以及其移动性、扩展性、健壮性等方面进行总结， 如表２．２所示。表２－２常见路由协议的比较Ｔａｂｌｅ ２－２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｒｏｕｔｉｎｇ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ２．５无线传感器网络路由协议的研究策略针对ＷＳＮ的特点和设计要求，研究人员综合采用各种技术策略，提出了众多的路 由协议。但是，在路由研究取得了较快进展的同时，仍然面临一些挑战，针对这些挑战 需要采取相应的措施来解决。我们将ＷＳＮ路由协议面临的挑战和需采取的措施总结如 下： １．能量高度受限ＷＳＮ节点的电池能量有限，在路由协议中应尽量减少数据通信量，实现信息高效传输，路由选择时不仅要考虑低能耗的传输路径，而且要从整个全局出发，使整个网络 能量均衡消耗，从而延长网络生存时间。 ２．数据融合 ＷＳＮ节点采集的数据具有相关性，存在大量冗余，所以在数据传输过程节点需进 行数据融合或数据过滤，以减少传输分组的流量。很多路由协议在数据传输中采用融合 或过滤技术，从而实现了节能和数据传输优化的目标。但是这过程又会增加时延，如何 均衡能量和延时值得进一步研究。 ３．通信流量不平衡１７江南大学硕士学位论文ＷＳＮ是典型的多对一通信模式，即由大量传感器源节点流向汇聚节点，因此流量 分布极为不均，传输方向不对称，从而导致网络节点负载不平衡。路由协议设计时应使 用更加灵活路由策略，让各个节点分担数据传输，保持网络能量消耗均衡。比如可在分 簇路由协议中采用动态簇头；在路由选择中依据概率选择下一跳节点，而非采用某一条稳定路径。 ４．具有容错性 恶劣的监测环境易导致传感器节点能量耗尽或发生故障，以及无线通信链路的不可 靠，都要求路由协议具有一定的容错能力或快速的路由修复能力。因此，在计算路由时 应尽量利用节点易获得的网络信息，从而在路由失效时能够尽快得到恢复；另外，还可 以采用多路径传输来提高数据传输的可靠性。 ５．路由安全与认证机制 ＷＳＮ自身的特点决定其路由协议更易受到安全威胁。在ＷＳＮ路由协议中，路由 信息更容易受到各种路由攻击，现有的路由协议很少考虑安全问题，在实际应用中，路 由协议的设计必须具有安全机制。由于ＷＳＮ节点的计算能力、存储资源和能量均有限， 传统网络的公钥加密、数字签名等安全机制不再适用，在ＷＳＮ路由设计时，可以采用轻量级的加密算法，如ＲＣ５［４３】或加入容侵策略等可以在一定程度上抵制安全威胁。６．不统一编址 ＷＳＮ节点数目庞大并以数据、位置为中心，全网一般不进行统一编址，因此ＷＳＮ 路由协议将继续向基于位置和基于数据的方向发展。１８第三章ＬＥＡＣＨ协议及其改进第三章ＬＥＡＣＨ协议及其改进３．１研究概述在第二章中已经提到，可以将现有的路由协议分为三种：平面路由协议、分簇路由协议和基于位置的路由协议。其中，分簇路由协议将节点分为簇头节点（或称簇首节点）和成员节点（或称簇内节点），并且簇头节点和成员节点传送数据过程中承担的地位和 功能不同。簇头节点对成员节点采集的数据管理并进行融合，然后再转发给基站节点， 成员节点只负责采集数据给所在簇的簇头节点。与单层路由协议相比，分簇路由协议具 有很多优势，具体表现在：１．分簇路由协议使用数据融合技术，减少能量消耗，且较好 的均衡网络负载，能有效延长网络生存周期；２．分簇路由协议参与路由计算的节点数目相对较少，节省了路由表的存储空间，有效降低了维护路由表的内存开销和交换路由信息所带来的通信开销；３．通过选举产生簇头，管理簇内成员，形成相对稳定的子网络，从而减少了受拓扑结构变化的影响，更容易克服传感器节点移动带来的问题，并且可以提高网络的扩展性，适合大规模网络；４．簇头节点在网络中可以充当中转站的作用，通过对簇内成员节点采集的信息融合管理，能方便地向基站转发，基站也可以通过簇头节点有效地向簇内节点发送查询命令，这是单层路由协议所不能及的。因此，分簇路由协 议成为ＷＳＮ路由协议中研究的重点。ＬＥＡＣＨ［１９ｌ（Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｌｕｓｔｅｄｎｇ Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）协议是一种低功耗自适应分层路由算法，这是第一个提出数据聚合的分层路由协议，在分层路由协议中最具有代表 性，其他分层路由协议如ＴＥＥＮ、ＰＥＧＡＳＩＳ等都是在ＬＥＡＣＨ协议的基础上发展起来的。ＬＥＡＣＨ协议利用轮转动态选择簇头节点，能得到资源最佳的分配，是一个优化能量利用率的协议体系。所以，ＬＥＡＣＨ协议在ＷＳＮ分簇路由协议中占有重要的地位，值得 深入研究。３．２３．２．１ＬＥＡＣＨ－Ｉ办．议ＬＥＡＣＨ协议的物理基础 ＬＥＡＣＨ协议使用一阶无线电能量消耗模型，如图３．１所示，图３．１一阶无线电能量消耗模型Ｆｉｇ．３－１ Ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｏｒｄｅｒ ｒａｄｉｏ ｍｏｄｅｌ１９江南大学硕士学位论文该模型有如下几个明显特征【删：（１）ｓｉｎｋ节点固定，ｓｉｎｋ节点有足够的能量供应。（２）网络中所有节点同构，初始能量相同且有限。 （３）通信信道对称，即若发送同样大小的消息，节点Ａ发送给节点Ｂ消耗的能量 与节点Ｂ发送给节点Ａ消耗的能量相同。 （４）无线电信号在各个方向上消耗的能量相同。根据图３．１所示的这种模型，节点发送部分的能量消耗包括节点发送电路的能量消耗与放大电路部分能量消耗之和，接收部分只包含接收电路的能量消耗。 当无线收发器传输数据时，传感器节点发送ｋ比特消息所消耗的能量为：眦咖‰删喁“啦｛畿二鬈暑端＠?，传感器节点接收这个消息所消耗的能量为：Ｅ胱（ｋ，ｄ）＝Ｅ斛一咖（ｋ）＝ｋＥ。胁 其中Ｅ。ｋ是发送电路和接收电路每单位数据包消耗的能量，且通常（３．２）Ｅ。胁＝５０彬／ｂｉｔ，ｄ是信道传输距离。ＥⅨ一咖（后）＜＜Ｅｒｘ一～（ｋ，ｄ），因此信号在无线信道传输中的能量消耗与距离ｄ∥成正比（卢是由无线通道决定的常量）。当采用自由空间模型，∥＝２，占声＝ｌＯｐＪ／ｂ／ｍ２，而当ｄ≥ｄｏ，ｄｏ＝０ｉ？ｉ＝８７ ｍ１４４］适用多路衰减模型，∥＝４，占，Ｆ－－Ｏ．００１３Ⅳ／ｂ／ｍ４。因此，根据发送节点和接收节点之间的距离，发送节点可以使用不同的能耗模型计算发送数据所需要的能量。３．２．２ＬＥＡＣＨ协议工作流程 ＬＥＡＣＨ是ＷＳＮ中第一个基于分簇的路由算法，它将网络中的节点分为簇头节点和簇内节点。由于簇头节点需要协调簇内节点的工作，负责数据的融合和转发，能量消 耗相对较大，所以ＬＥＡＣＨ采用周期性地随机选择簇头节点以均衡网络中节点能量消耗。从而达到延长网络生命周期目的。ＬＥＡＣＨ协议以“轮”作为运作周期，每一轮分成两个阶段：建立阶段和稳定传输阶段，为了节省频繁选择簇头带来的能量开销，数据的稳 定阶段的持续时间要长于建立阶段的时间。在每轮的建立阶段，所有节点用ＣＳＭＡ的ＭＡＣ协议广播“短消息”通信，自组织成簇，每个簇选取一个节点作为簇头节点。簇形 成之后，簇头节点负责为簇内节点建立一个ＴＤＭＡ时隙表。簇建立完成后，簇内节点根据簇内ＴＤＭＡ方案将每帧采集的数据发送给簇头节点，簇头节点对接收到的数据经过过滤冗余数据融合处理后传送给基站，其过程如图３．２所示。第三章ＬＥＡＣＨ协议及其改进Ｓｅｔ－ｕｐＳｔｃａｄｙ－ｓｔａｔｅＦｒａｍｅＲｏｕｎｄＦｌ”铹铂劳ｏ瑚？Ｖ＃ｑ驾；｝褫；ｒ。ｒｏ’硼，∞础 奠 ：。筋。磁《ｔ，‰嬲 Ｔｉｍｅ。。图３－２ＬＥＡＣＨ协议运行周期Ｆｉｇ．３?２ Ｒｕｎ－ｃｙｃｌｅ ｉｎ ＬＥＡＣＨ ｐｒｏｔｏｃｏｌ１簇建立阶段 首先每个节点产生０．１之间的一个随机数，如果这个数小于阈值丁（，ｚ），则向所有 节点广播自身成为当前轮的簇头信息。阈值丁（刀）计算方法如下：刀∈Ｇｍ卜｛１－ｐ（ｒ一（３．３） 其他其中，Ｐ为预设的簇头节点在所有传感节点中所占的概率，厂是当前轮数， Ｇ是在前１／轮中尚未成为簇头节点的节点集合。从阈值丁（刀）的计算公式中可以看出，在每轮循环中，如果当前节点已担任过簇头， 则把丁（疗）设为０，表示该节点一定不会再次当选。对于尚未当选过的节点，则以概率担任簇头，式３．３使每个节点在一定轮数内只成为一次簇头节点。当，．＝０时，由式３．３得丁（刀）＝Ｐ，即首轮每个节点成为簇头节点的概率为ｐ；随着轮数的增加，阐值Ｔ（ｎ）也随之增大，剩余节点当选簇头的概率将会逐渐增大。当，．＝１／Ｐ．１时，即第１／Ｐ轮时，丁（摊）＝ｌ，表示前（１７Ｐ．１）轮尚未当选过簇头节点此轮必定当选。节点一旦当选为簇头节点，则向全网用ＣＳＭＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ－Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）的 ＭＡＣ协议广播“短消息＂，所有的簇头节点广播“短消息＂时使用同样的发射功率，并且该广播消息中包含了簇头节点的ＩＤ。在此过程，非簇头节点的接收器一直处于工作状态，用于接收簇头节点发来的“短消息＂。若节点接收到来自不同簇头节点的广播消 息，则根据收到消息的信号强弱，选取信号最强的“短消息’’的发送源节点作为自己的簇头节点，并加入那个簇中，同时向簇头节点发送一个短消息，该消息包含了节点自身 的ＩＤ和簇头ＩＤ。从理论分析，接收到的信号强度越大，他们之间的通信功耗越小，距 离也就越短。这样，非簇头节点就加入了通信距离最近的簇头节点所在簇，成为该簇的成员节点。成员节点也用ＣＳＭＡ的ＭＡＣ协议通知簇头节点，自己已经加入这个簇。在这个过程中，簇头节点的接收器也一直接收成员节点的请求加入消息。当簇头节点收 到了来自成员节点的请求加入消息后，根据簇内成员节点的数目，簇头节点生成一个 ＴＤＭＡ时隙表，并广播到达成员节点，告知其在何时可以发送数据。ＴＤＭＡ的时隙分２１江南大学硕士学位论文配机制保证了簇内通信不发生冲突。成员节点仅在规定的时隙发送数据到簇头节点，其 他时刻应该关闭无线通信模块，以节省能量消耗。在建立阶段，主要是相邻节点交互“短 消息＂动态地形成簇并随机产生簇头，并不发送实际感知数据。２稳定传输阶段 若网络中簇已经形成，并且簇头节点已经生成ＴＤＭＡ时隙表，就进入数据的稳定 传输阶段。假设传感器节点有连续数据需要发送，成员节点根据簇内ＴＤＭＡ机制，在属于自 己的时隙里，将每帧采集的数据发送给自己的簇头节点。若属于自己的时隙尚未到来，则成员节点可以关闭收发器以节省能耗。但在整个传输阶段的过程中，簇头节点的接收器必须一直处于工作状态，用于接收来自不同成员节点的数据。在一轮的数据传输完成 后，簇头节点将对接收到的数据进行融合处理，压缩成一个新的复合信号发送到基站。持续一段时间后，开始新的一轮，整个网络进入下一轮运作周期。在网络处于正常工作 状态时，一般有多个簇同时工作，簇与簇之间难免会相互受到影响。为了解决这个问题， 不同的簇内部通信采用ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ．Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓｉｎｇ）机制。假设某个节点当 选了簇头节点，那么，该簇头节点就可以从一组扩展码中选出一个扩展码作为本簇的识别码，并广播通告本簇中的成员节点。从而在簇内通信的时候，可以过滤其他簇的信号， 减少了簇间相互干扰的问题。由于簇头节点需要完成数据的融合和转发双重工作，且簇头节点与基站的通信往往是一个远距离的通信，因此消耗能量较多，这正是为何ＬＥＡＣＨ 协议需要周期性随机选择簇头节点的原因所在。３．２．３ＬＥＡＣＨ协议的性能分析ＬＥＡＣＨ动态随机选取簇头节点，由不同的节点以概率当选簇头节点，将消耗能量较多的融合、转发任务轮流地分配给网络中的节点，有效避免了某些节点能量过快耗尽，能够较好地均衡网络负载，提高整体网络的性能；采用分层结构，节点不需要储存大量 的路由信息，也不需要很复杂的计算功能，路由信息的储存以及路径的选择简单明了， 非常适用于结构简单的传感器网络；簇头节点对接收的数据也进行压缩融合处理，大大减少了网络原始数据传输通信量。因此，ＬＥＡＣＨ在性能上要大大优于直接通信协议和静态簇首协议。研究表Ｎｔｌ９１：ＬＥＡＣＨ协议比平面直接通信协议网络寿命（首节点能量耗尽时间）延长了约８倍，比分簇路由算法中固定簇首协议网络寿命延长了约１０倍。 但是，ＬＥＡＣＨ算法周期性随机选取簇头节点也会带来一些问题ｔ可能会出现部分 簇头节点相距基站较远，若此时簇头节点与基站通信仍然采用单跳路径模式，则会消耗 较多能量，而且扩展性较差，不适合较大规模的网络；网络中簇头节点的位置经常会发生变化，可能某些处于网络边缘的节点不在任何簇首节点的通信范围之内，被网络所分 离；当节点的通信距离有限时，还可能出现簇头节点不能与基站顺利通信等等。针对ＬＥＡＣＨ协议存在的问题，本文将在下一节中进行详细分析并提出一种基于生成树的改进ＬＥＡＣＨ协议――Ｉ，ＥＡＣＨ．Ｔ协议。第三章ＬＥＡＣＨ协议及其改进３．３ＬＥＡＣＨ．Ｔ：基于树的ＬＥＡＣＨ协议３．３．１问题描述 在第３．２节中已经详细介绍了ＬＥＡＣＨ协议，并提到ＬＥＡＣＨ协议存在的一些不足之处：（１）簇头节点选择的随机性可能会导致部分簇头节点相距基站很远。我们假设簇 头节点有足够能量可以直接与基站进行通信，若传感器节点初始能量相同且分布在很广 的范围，依据无线电能量消耗模型，信号在无线信道传输中的能量消耗与距离ｄ卢成正比（胆或阴）。若此时簇头节点与基站通信仍然采用单跳路径模式，则离基站较远的簇头节点就会首先耗尽能量而失效，从而影响了网络整体的生存周期，并且扩展性较差， 不适合较大规模的网络，如图３．３（口）所示。簇内节点 远处簇头 簇头节点●不能与基站通信簇头ｆｊ∥部分簇头离基站较远‘矽部分簇头不能与基站通信 倒Ｓｏｍｅｃｌｕｓｔｅｒ－ｈｅａｄｓ ｆａｒ ａｗａｙ Ｓｉｎｋ何Ｓｏｍｅｃｌｕｇｅｒ．ｈｅａｄｓ Ｃａｌｌ’ｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈＳｉｎｋ被分离簇内节点、～～，～‘－．－－＿，●，－，，，纠部分簇内节点被网络分离纠Ｓｏｍｅｃｏｍｍｏｎ ｎｏｄｅｓ ｉｓ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｎｅｔｗｏｒｋ图３．３ＬＥＡＣＨ协议局限性Ｆｉｇ．３－３ Ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｉｎ ＬＥＡＣＨ ｐｒｏｔｏｃｏｌ（２）在ＬＥＡＣＨ协议中，我们假设簇头节点有足够能量直接与基站进行通信，但 是在实际情况中节点的通信距离很有限（如Ｍｉｃａ２、Ｍｉｃａ２Ｄｏｔ、Ｍｉｃａｚ等），并不能支持 这种假设，也就是说，网络中可能会出现一些簇头节点不能顺利向基站转发数据，如图３－３（ｂ）所示。 （３）簇头节点选择的随机性还可能会导致某些簇头节点处于网络的边缘或每个簇中节点数目分布不均衡，某些簇内节点离簇头节点较远，需要消耗较多能量才能与簇头江南大学硕士学位论文节点进行通信，这也不利于全网络负载的均衡。另外，若节点通信距离有限，可能某些 节点不在任何簇头节点的通信范围之内，即这些节点不属于任何簇，这些节点会在本轮 被网络所抛弃，这些因素都会影响到网络的生命周期，如图３－３（ｃ）所示。（４）在节点被选为簇头后，可能出现多个簇头节点同时向基站传送数据的现象，会导致网络冲突，发生数据包丢失的情况。针对上述ＬＥＡＣＨ协议的局限性，提出一种改进ＬＥＡＣＨ协议一，ＥＡＣＨ－Ｔ协议。３．３．２网络模型建立对ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议的节点和网络模型，我们做如下假设：（１）ｓｉｎｋ节点固定，ｓｉｎｋ节点有足够的能量供应，但是其他节点与ｓｉｎｋ直接通信 则需要较高能量；（２）网络中所有节点结构相同且初始能量相同；（３）节点具有较强的计算能力，并支持ＴＤＭＡ、ＣＤＭＡ等多种不同的ＭＡＣ协议；（４）网络中节点可调整发送功率，并能够对无线收发器工作能耗进行调节；（５）网络中节点分布密集，采集到的监测数据存在大量的冗余，可以采用数据融 合技术减少原始数据传输量；（６）某些节点可能会有小范围移动，并且由于实际需要，网络中可能添加部分节 点。前面五种假设与ＬＥＡＣＨ协议对节点和网络模型假设相同【４５，４６１，支持最后一项的假 设可以提高网络的扩展性和移动性。３．３．３ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议描述１．思想来源 （一）多跳通信 在３．２．１节中已经提到ＬＥＡＣＨ协议使用一阶无线能量消耗模型，该模型中，当无线收发器发送数据时，传感器节点发送ｋ比特消息所消耗的能量为：驯叫Ⅲ…㈨“啪㈣妒｛陋ｋＥａ妇ｅｃ＋＋等２。（（ｄ捌＜ｄｏ。ｊ（３．１）从式３．１可知，离基站较远的簇头节点会首先耗尽能量而失效，从而影响网络生命周期，且对节点的通信半径有所要求，不适合较大规模的网络，为避免这种情况，对ＬＥＡＣＨ协议中簇头节点与基站单跳通信模式加以改进，远离基站的簇头节点可通过中继簇头节点与基站通信。从而较好的平衡网络负载，延长网络生命周期，且可适用于大面积监测环境，扩大了其应用范围。 （二）数据融合 在１．２节中，已经提到，在无线传感器网络中，无线通信模块是传感器节点主要能量消耗，节点传输信息要比执行计算时更消耗电能，传输ｌｂｉｔ信息１００ｍ距离需要的能 量大约相当于执行３０００条指令消耗的能量【１３】。因此，从节能的角度出发，通过采用数２４第三章ＬＥＡＣＨ协议及其改进据融合技术，减少原始数据通信将是一种可选的方案。 在ＬＥＡＣＨ协议中，有簇头节点对簇内成员节点采集的信息进行融合处理再转发， 但是，传感器网络中一般节点分布密集，数目庞大，采集的数据具有高度冗余性，相邻簇头节点转发的信息还是具有相关性，因此，可以再次融合。 综合上述两点，设计一种基于簇头树的ＬＥＡＣＨ协议，由簇头节点形成以基站为根 的一颗树，簇头沿着树的方向转发数据，则可以实现多跳通信，同时，簇头对深度较高的簇头节点转发的数据还可以再次融合，因此可以从多方面减少能量消耗，节省宝贵的电能。２．协议的核心思想同ＬＥＡＣＨ协议一样，ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议运行周期也被划分为一个个轮。在每一轮的开始阶段，网络中的每一个节点依据概率当选簇头节点。在ＬＥＡＣＨ―Ｔ协议中，为使离基站较远的簇头节点能方便地与基站通信，由簇头节 点组成以基站节点为根的一棵树，并令基站的深度为０。网络中的所有节点（包括簇头 节点）都选择最低深度的邻居簇头节点作为父亲节点，并可以将数据包向前传递给父亲 节点。对于基站节点来说，父亲节点实际上就是与其相连接的计算机ＰＣ。簇头节点接收叶子节点传来的数据，与此同时还会接收比其在树中深度高的簇头节点传来的数据包，通过将这些数据进行融合处理，最后将数据包沿着生成树路径传送至基站。经过树中簇头节点的层层融合处理，就可大大减少原始数据传输量，从而降低能耗。因为在网 络中簇头节点随机选择，其位置经常会发生变化，所以可能有部分叶子节点不在簇头节 点的通信范围之内。为了解决这个问题，ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议允许一个叶子节点在无邻居簇 头节点时请求与之相邻的另一个叶子节点成为其父亲节点。３．具体描述ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议运行周期被划分为一个个轮，并通过增加轮数来定义新的一轮开始。 每一轮可以分为簇头选择建立阶段、路由更新建立阶段和数据传输阶段。下面将对这三个过程进行详细说明。 （一）簇头选择建立阶段 在每一轮的开始阶段，由基站节点发送更新路由数据包（包含轮转数）来通知网络中的所有节点。接收到路由更新消息的节点依据概率当选簇头节点，依概率选定簇头节点 的目的和方法与ＬＥＡＣＨ协议相同。簇头节点选定后，由簇头节点来形成树状结构，基 站作为树根。基站本身就是一个簇头，深度定义为０，其他簇头节点的深度在每一轮刚 开始时初始设置为无限大。在基站节点一跳通信范围内的节点收到路由更新消息后，将 基站作为父亲节点加载到邻居表中，将自己的深度定为ｌ，然后将该更新消息在物理信道上广播。广播消息类型如表３．１所示。 通过广播信息，每个节点可以获得邻居节点表，邻居节点表中包含节点ＩＤ，节点 深度等信息。如表３．２所示。江南大学硕士学位论文表３－１广播消息定义亿山ｌｅ ３－ｌ Ｔ１１ｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｏａｄｃａｓｔ ｎｅｗｓ２ ｂｙｔｅｓ２ ｂｙｔｅｓ２ ｂｙｔｅｓ２ ｂｙｔｅｓ２ ｂｙｔｅｓＢｏｏｌｅａｎＢｏｏｌｅａｎ广播消息的部分数据结构具体含义如下：ａｄｄｒ（２ ｂｙｔｅｓ）一成为簇头的节点地址 ｎｏｄｅＩＤ（２ ｂｙｔｅｓ）一节点的地址 ｄｅｐｔｈ（２ ｂｙｔｅｓ）一节点在树中的深度 ｒｏｕｎｄ（２ ｂｙｔｅｓ）一当前轮数 ｅｎｅｒｇｙ（２ ｂｙｔｅｓ）一节点的剩余能量ｉｓＣｌｕｓｔｅｒＨｅａｄ（Ｂｏｏｌｅａｎ）一节点的簇头节点状态 ｂｅｃｏｍｅＣｌｕｓｔｅｒＨｅａｄ（Ｂｏｏｌｅａｎ）一节点是否应该成为簇头节点 表３．２邻居节点表Ｔａｂｌｅ ３－２ Ｎｅｉｇｈｂｏｒ ｎｏｄｅｓ ｔａｂｌｅｎｏｄｅＩＤ ｎｏｄｅｌＤｎｅｉｇｈｂｏｒｎｅｉｇｈｂｏｒｄｅｐｔｈ ｄｅｐｔｈｉｓＣｌｕｓｔｅｒＨｅａｄ ｉｓＣｌｕｓｔｅｒＨｅａｄｅｎｅ哩ｙ ｅｎｅ理∥当邻居节点表建立成功后，网络中所有节点在邻居表中选择生成树中深度最低的簇头节点作为自己的父亲节点，并将自己的深度设为父亲节点深度加ｌ，基站将ＵＡＲＴ（与计算机通信相连接的地址）作为父亲节点地址。若某个节点的邻居表中没有父亲节点， 则成为网络分离节点，此时请求相邻的叶子节点成为簇头节点，此成为簇头节点的地址会加载到路由表中。通过这种方法，则可以有效避免产生网络分离节点。 下面以图来进行说明这个过程。如图３．４所示：ｂ图３．４生成树建立过程Ｆｉｇ．３―４ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ以基站Ｔ０为树的根，定义ＴＯ的深度为０，基站本身也就是一个簇头，其他节点深第三章ＬＥＡＣＨ协议及其改进度初始定义为无限大。基站ＴＯ发送路由更新消息（携带新的轮转号），Ｔ１，Ｔ１’，ａ，ｂ 首先接收到该路由更新消息，这些节点将基站作为父亲节点保存在邻居表中，同时依据 概率当选簇头。假设Ｔ１，Ｔｌ’当选簇头，ａ，ｂ是普通节点。Ｔｌ，Ｔ１’，ａ，ｂ因其父亲节 点是基站，基站的深度定为０，故它们将自己的深度定为１，再在区域内广播消息，广 播消息类型如上表３．１所示，同时收集邻居节点消息。 假设ａ收集到Ｔ１，Ｔｌ’的广播消息，则确认是其邻居，依据该消息携带的节点编号，簇头状态，深度和剩余能量信息建立邻居表，但是，ａ的最低深度邻居簇头是基站，故 依然选择基站为父亲节点。同样，当节点ｔ，Ｔ２’接收到邻居节点Ｔｌ’的广播路由更新消 息后，判断自己簇头状态。假设Ｔ２’以概率当选为簇头，而ｔ未当选。在判断簇头状态后，ｔ，Ｔ２’均将Ｔ１＇作为父亲节点，并广播该路由更新消息。Ｔｌ，，Ｔ２’接收到ｔ的广播 消息后，将ｔ加载到邻居表中，但由于ｔ不是簇头，因而不会改变原有父亲节点。Ｔ也会收到Ｔ２’的广播消息，并且比较Ｔ２’与原来父亲节点Ｔ１’的深度，Ｔ２’深度为２，高于Ｔ１’的深度，因此，ｔ会继续保持Ｔｌ’作为父亲节点。 其他节点也会依据同样办法，选择邻居节点中深度最低的簇头节点作为父亲节点。 当路由更新消息广播遍历全网后，则形成了一颗以基站为根，由簇头形成的一颗树。且每个节点都选择了最低深度的簇头节点作为父亲节点。在这过程中，可能会有两种特殊情况： （１）簇头节点演变为簇内节点。 如图中所示，Ｔ３以概率当选为簇头节点，且在树中的深度为３，但其没有簇内节点。 虽然其通信范围内的节点ｎ离Ｔ３的范围较近，但因为ｎ有更低深度的邻居簇头节点Ｔ２， 因此会选Ｔ２为父亲节点，当Ｔ３通信范围内的所有节点都选择其他深度较低的簇头节点 为父亲节点时，Ｔ３演变为簇内节点。 （２）簇内节点演变为簇头节点。ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议中，允许某个叶子节点在无邻居簇头节点时请求与之相邻的另一个叶子节点成为其父亲节点，在图中Ｓ没有任何邻居簇头节点，此时，它会请求邻居节点 ｒｎ成为父亲节点。这样，ｒｎ就演变成为了簇头节点。 上述两种情况的发生，可以避免因随机产生簇头节点导致某个区域簇头过于密集或 者某个区域没有簇头节点的发生。 （二）路由更新建立阶段在ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议的路由更新建立阶段中，关键是需要进行周期性地路由更新，路 由更新的目的是使节点获取其自身剩余能量，判断是否为簇头以及确定簇头节点在树中 的深度等信息，并且通过互发广播消息，收集邻居节点相应的信息，更新邻居节点表。具体流程如下： 路由更新建立过程会发生在每一轮的开始阶段。当节点接收到基站发送的路由更新 消息，则将更新消息中携带的轮号与之前保留的轮号进行比较，若为新的轮转号，则依据概率当选簇头并重新设置其邻居表。最后将其节点编号、能量、簇头状态以及在树中 的深度等信息在通信范围内广播，并且也收集邻居节点相应的信息。通过节点间的广播江南大学硕士学位论文消息，可以更新其邻居表。更新邻居表的过程如下：首先为邻居表中每一条目增加一个时间标记值，当节点接收到其邻居节点编号，它 就在其邻居表中寻找一个相应的条目，同时也会寻找表中最早死亡的节点和树中深度最大的叶子节点和簇头节点。 如果给定节点编号和表中某一条目相匹配，该条目就会更新当前节点的簇头状态， 深度和能量状态。时间标记值会被设置为０，并且条目会被设置为活动状态。如果节点编号和邻居表中的条目不相符合，就执行以下步骤： （ａ）如果在表中发现了一个已经死亡的节点，该死亡节点的相应表中条目会被一个新节点的条目所取代。 （ｂ）如果表中总条目数值未达到最大值，则新节点的条目会增加。当在表中增加 一个条目时，与该条目相对应的域值会被设置，编号域值设置为新节点编号，簇头节点 状态、深度和链路强度都被记录。时间标记值会被设置为０，并且条目会被设置为活动 状态。（ｃ）表中存在叶子节点，且新节点是叶子节点且其能量大于表中最低能量的叶子节点，那么最低能量的叶子节点在表中条目会被新节点替代。 （ｄ）如果新节点是簇头节点，并且其接收数据能量大于在表中最低能量的簇头节 点，那么最低能量的簇头节点在表中条目会被新节点替代。若某个节点是无可连接的簇头节点，时间标记值增加。一旦时间标记值达到最大值后就开始寻找可连接的叶子节点，叶子节点地址域会被设置，并且此节点会被接下来的 路由更新数据包要求成为一个簇头节点。当一个父亲节点被选择或一个叶子节点被选为簇头节点时，时间标记值会被重新设置为０。路由更新流程图如下：第三章ＬＥＡＣＨ协议及其改进芝多陋定时器启动ｌ是随机当选簇头ｌ更新邻居表ｌ是选择父亲节点ｌ ｌ Ｉ广播自身消息Ｉ竺竺Ｉ图３．５路由更新流程图Ｆｉｇ．３－５ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｕｔｉｎｇ ｕｐｄａｔｅ（三）数据传输阶段 当网络中所有节点都选择了父亲节点后，就进入了数据传输阶段。叶子节点将采集到的传感器数据传给父亲节点，簇头节点在接收叶子节点传来的数据的同时，还接收比其在树中深度高的簇头节点传来的数据包，并将这些数据进行融合处理，最后再传给其 父亲节点。这是一个逐层融合的过程，如图３－６所示，基站深度为Ｏ，簇头节点Ａ１，Ｂｌ 的深度为ｌ，Ａ２，Ｂ２深度为２。Ａ２接收其节叶子点ｓ，ｔ等节点发送的数据后，进行数 据融合处理，然后转发给父亲节点Ａ１。Ａ１收集叶子节点ｍ、ｎ等节点的数据的同时还 会接收Ａ２转发的数据，并再次进行数据融合处理后将数据包转发至基站。同样Ｂ２接 受其叶子节点的信息，进行数据融合后再转发给父亲节点Ｂ１，Ｂｌ将Ｂ２发送的数据包 与其叶子节点采集到的信息再次进行数据融合后转发。从图中可以看出，远离基站的簇头节点通过选择较低深度的邻居簇头节点作为父亲节点转发数据，从而避免了长距离通信而消耗过多的能量，并且通过传感器数据的逐层融合过程能够减少原始数据传输量，以多方面节省能量消耗。江南大学硕士学位论文ｎｏ图３＿６数据传输过程说明Ｆｉｇ．３－６ Ｔｈｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ３．３．４ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议理论分析针对一个新的路由协议可以从多个方面进行评价，下面我们主要从理论上分析ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议的优缺点。 优点： １．能量高效利用 通过构造生成树，避免了簇头节点与基站远距离直接通信，从而能够有效降低能耗。 另外，当节点更新邻居表条目时，总是优先替换能量较低的节点条目，这样也能够均衡 网络能量消耗，最大化网络生命周期。 ２．使用数据融合簇头节点在接收叶子节点传来的数据的同时，还接收比其在树中深度高的簇头节点 传来的数据包，并将这些数据进行融合处理。通过树中簇头节点的逐层融合，减少了原始数据通信量。 ３．适应动态拓扑变化 若有节点发生移动或因能量耗尽而失效，则会引起网络拓扑变化，通过定期更新节 点邻居表，使节点能够获得邻居节点的最新信息，这种基于局部信息重新恢复路由，具 有快速收敛性，从而适应网络拓扑的动态变化。 另外，当网络拓扑变化引起某些节点无可连接的簇头节点时，还可以通过设置时间标记值判断节点是否有可达的簇头节点，若没有，时间标记值增加，达到最大值，就从其邻居表中选择相邻叶子节点成为簇头节点，这样就避免了由于拓扑变化而产生网络孤 立节点。 ４．扩展性 新节点加入时，由于每一轮开始，基站都需要发送路由更新消息，且节点周期性广 播自己的存在，可以动态生成节点邻居表，新加入的节点可以依照相同方法选择父亲节 点，从而提高了网络扩展性。 ５．容错性 若网络中出现失效节点，则在路由更新时会被邻居节点发现，并从邻居表中删除该 失效节点的相应条目，这能够有效避免选择失效的父亲节点而导致数据包不能正确的转 发，具有较好的容错性。３０缺点：１．该协议主要用于节点分布密集，数据具有高度冗余的场景中，使用数据融合，将数据融合逐层转发，但该协议不适合节点采集信息相关性不高的场合。且该协议未考虑 时延，丢包率等情况，是以牺牲ＱｏＳ来换取能量。２．靠近基站在树中深度较低的簇头节点依然需要频繁转发深度较高簇头的信息包，能量负载不平衡情况没有根本解决。 ３．ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议在每一轮开始节点需要广播自身信息，更新邻居表。这也会带来 通信开销和存储开销。我们提出ＬＥＡＣＨＡ．Ｔ协议的主要目的是遵循无线传感器网络路由协议能量优先的 标准，减少网络中节点的能量消耗，延长网络的生命周期。因此，在下一章，本文会针 对此主要目标，通过仿真实验来验证ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议的能量有效性。３ｌ江南大学硕士学位论文第四章ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议仿真实验在本章中，我们以ＴｉｎｙＯＳ作为仿真实验平台对ＬＥＡＣＨ．Ｔ协议进行仿真测试，以验证改进后的ＬＥＡＣＨ协议具有较好的节能效果，能够延长生命周期。４．１ＴｉｎｙＯＳ操作系统介绍ＴｍｙＯＳ［４７】是伯克利大学专为ＷＳＮ而开发的一种轻量级、低功耗的嵌入式操作系统，它采用基于组件的架构方式，以快速实现各种应用。ＴｉｎｙＯＳ的编程语言为ｎｅｓＣ，其程 序采用模块化设计，这使得它能适应硬件的多样性，允许应用程序重用一般的软件服务 与抽象。目前，它已经被成功的应用到多种硬件平台上，具有很高的应用价值和研究意 义，是一个适用于网络嵌入式系统的编程框架。在这个框架内采用组件结构，其设计目 标是使该系统可以适应不同的应用，并具有代码量小、高并发性、能耗少、鲁棒性强等 特点。１．ＴｉｎｙＯＳ的仿真软件ＴＯＳＳＩＭＴＯＳＳＩＭ是一个离散事件仿真软件，被设计用来支持ＴｉｎｙＯＳ系统的应用程序在ＰＣ 机上进行仿真实验。ＴＯＳＳＩＭ的主要目标是为了ＴｉｎｙＯＳ应用提供一个高逼真的模拟。为了达到这个目的，ＴＯＳＳＩＭ的焦点是模拟ＴｉｎｙＯＳ的执行环境。ＴＯＳＳＩＭ模拟ＴｉｎｙＯＳ的行为在一个很低的层面上，在模拟过程中段代码都是立即执行的。ＴＯＳＳＩＭ提供了２ 个基本的无线通信模式，默认的“简单’’模式使每一个节点在一个单独的单元。数据包 通过无线信号无差错的发送并且被网络中的每一个节点所接收。ＴＯＳＳＩＭ能模拟多个传感器节点运}