无线传感器网络flooding路由协议的MATLAB仿真.docx

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无线传感器网络flooding路由协议的MATLAB仿真

摘要

无线传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，是传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术相结合的产物。

与传统网络相比，无线传感器网络具有造价低、功耗低、布局灵活性强、监测精度高等特点，因此在军事、医疗、家用等多个领域均有广阔的应用市场。

本文重点研究基于无线传感器网络的泛洪式路由协议，无线传感器网络节点数量庞大、单个节点资源有限，其路由协议设计的首要目标是提高能量有效性，延长网络寿命。

本文总结了WSN的概念、结构、特点，分析了WSN的关键性技术问题及网络协议；研究了WSN的网络协议体系和路由协议的分类，分析比较了目前国内外学者提出的几种有代表性的路由协议及其性能优缺点；选择了flooding路由协议为研究重点，分析了该路由算法的具体实现，针对传感器节点能量及传输范围有限等特点，提出了一种基于延迟的自适应泛洪路由算法，首先通过源节点在网内用较小的路由请求报文和路由回复报文来建立路由，路由建立的过程中自适应地确定等待时间以使更优的路由请求报文得到转发，然后源节点再沿着建立好的路径转发较大的数据报文。

并采用MATLAB网络仿真工具对该路由协议进行了整体仿真，并对其数据进行了分析。

仿真实验表明新算法较Flooding节能，能较好的克服Flooding算法中报文冗余度高、能耗大等不足。

关键词：

无线传感器网络；flooding路由协议；MATLAB仿真

Abstract

Wirelesssensornetworksareanewresearchfieldofcomputerscienceandtechnology.Theyaretheintegrationofsensortechniques,nestedcomputationtechniques,distributedcomputationtechniquesandwirelesscommunicationtechniques.Comparingwithtraditionalnetworks,thewirelesssensornetworksfeatureswithlowcost,lowpowerloss,flexiblelayoutandhighmonitorprecision,thereforethesensornetworkscanbeusedforvariousapplicationareassuchasmilitary,chemical,home.

ThisarticlefocusonwirelesssensornetworksbasedonthePanHung-routingprotocol,wirelesssensornetworknodeslargenumberofindividualnodeswithlimitedresources,theroutingprotocoldesignedfirstandforemostobjectiveistoimproveenergyefficiencyandextendthenetworklifetime.ThispapersummarizestheWSNtheconcept,structureandcharacteristicsoftheWSNthekeytechnicalproblemsandnetworkprotocols;studyoftheWSNsystemandnetworkroutingprotocolagreementtheclassification,analysisandcomparisonofthecurrentdomesticandforeignscholarshaveproposedseveralrepresentativesTheroutingoftheagreementanditsperformanceadvantagesanddisadvantages;chosenthefloodingfocusonroutingprotocols,analysisoftheroutingalgorithmtoachievethespecific,thesensornodesthelimitedscopeofenergyandtransmissioncharacteristics,adelaybasedontheAdaptiveFloodroutingalgorithm,firstofallthroughthenodesinthenetworksourceinthesmallerrouting,androutingtherequesttorestorethetexttocreatearouting,routingtheprocessofestablishingadaptivetodeterminethewaitingtimetomakebetterRoutingtherequestwastransmittedbytext,andthenanothersourcenodesalongthepathforwardtheestablishmentofgooddataonthelargertext.MATLABandusethenetworksimulationtoolfortheoverallroutingprotocolsimulation,andthedatawereanalyzed.ThesimulationshowsthatthenewalgorithmthanFloodingenergy-saving,canbetterovercomeFloodingalgorithmmessageredundancyandhighenergyconsumption,suchastheinsufficient.

Keywords：

WSN；floodingroutingprotocols；MATLABSimulation

1绪论

1.1课题背景

无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。

随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了WSN下一个世纪面临的发展机遇。

2003年，美国《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，WSN名列第一；同年，美国Businessweek预测的未来四大新技术：

效用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官，QSN也列入其中。

2004年（（IEEEspectrum》杂志发表一期专集《传感器的国度》，论述了WSN的发展和可能的广泛应用。

可以预计，WSN的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。

有专家预计，WSN的广泛应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

传感器网络的发展主要经历了4代：

（1）第一代：

上世纪70年代，就出现了具有简单模拟信号传输功能的传统传感器所组成的点对点输出的测控系统网络。

该网络具有简单信息获取能力，只是初步实现了信息的单向传递，其缺点是布线复杂、抗干扰性差。

（2）第二代：

随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络具有了获取多种信息的综合处理能力，并通过采用串/并接口与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络。

（3）第三代：

20世纪90年代后期，出现了基于现场总线技术的智能传感器网络。

现场总线是连接智能化现场设备和控制室的全数字、开放式的双向通信网络智能传感器的通信技术进入局域网阶段，其局部测控网络通过网关和路由器可以实现与Intimae灯Intranet连接。

（4）第四代：

大量多功能传感器被运用，并采用无线通信机制，因此也称为。

WSN，正处于研究和开发阶段。

WSN是一种无基础设施的网络，由一定数目的传感器节点构成，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，能协作地

实时监测、感知和采集节点部署区域的各种环境或监测对象的信息（如光强、温

度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些数据进行处理，获得详

尽而准确的信息，通过无线网络最终发送给观察者。

在环境监测、医疗护理、抢

险救灾、智能家居、工业生产控制以及商业等领域具有广阔的应用前景。

1.2国内外技术研究现状

目前，国内外WSN研究主要集中于网络协议、能量、定位、可靠性、网络架构以及数据处理等问题，网络协议的研究是其中的热点之一。

针对无线自主网络的特点，经过多年的研究，国内外的研究人员相继提出了许多专门应用于无线自主网络的路由协议。

目前提出的各种路由协议基本上可以按照三种思路进行分类。

（1）按照获取路由信息的时机分类，可分为主动路由协议和按需路由协议。

主动路由有DSDV、WRP、STARA；按需路由协议主要有DSR、AODV。

（2）按照网络的层次分类，可分为平面结构路由和层次结构路由。

平面路由协议主要有flooding、SPIN、DD、HREEMR、SAR；层次结构路由主要有LEACH、PEGASIS等。

（3）按照协议的功能分类，可分为支持地理定位辅助路由和不支持地理定位辅助路由；支持服务质量QoS的路由协议和不支持QoS的路由协议；支持组播通信的路由协议和不支持组播通信的路由协议等。

地理定位辅助协议主要有MECN和SMECN。

无线传感器网络的研究起始于20世纪90年代末期，由于具有巨大的应用价值，它己经引起了世界许多国家的军事界、工业界和学术界的极大关注。

从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究的报道，美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，支持相关基础理论的研究。

在美国自然科学基金委员会的推动下，美国的加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。

美国国防部和各军事部门都对传感器网络高度重视，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。

美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了传感器网络方面的研究工作。

日本、德国、英国、意大利等科技发达国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。

我国在WSN方面的研究工作刚刚开始，清华大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学等单位已经进行了该领域的研究工作，但目前主要集中在介绍国外的研究进展，提出新的研究问题，尚未见有新的协议提出。

由于WSN是一门新兴技术，IEEE尚未成立WSN的标准制定小组，美国也是在2000年才开始出现一些有关WSN研究结果的报道，所以国内与国际水平的差距并不大，电子科技大学计算机学院正在开展WSN路由协议的设计和仿真工作，力争在5年内达到国际水平。

但WSN尚未达到完全实用阶段，大部分工作仍处在仿真和实验阶段，仿真规模在数百至数千个节点，实验规模在几十个节点左右。

1.3课题研究的目的和意义

如前所述，WSN有着广泛而有价值的应用领域，比如水工建筑物安全监测，大型工程建筑物的运行安全，结合现代监测理论及WSN技术，布置节点实现无人值守，为设计施工及时反馈信息，对减轻观测的劳动强度，提高安全监控的技术水平，具有重大的社会经济效益和应用价值。

而在个人通信和接入网等方面的应用则具有良好的商业前景。

因此，对WSN网络技术的研究既有重要的社会意义又蕴含着潜在的经济价值。

因此它已经引起了世界工业界和学术界的极大关注，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。

而从网络层模型的角度分析，每一层都有需要结合WSN的特点进行细致研究的问题，己有的研究主要集中在网络层和链路层。

网络数据传输离不开路由协议，路由协议是其组网的基础。

路由技术是WSN通信层的核心技术。

路由选择问题是WSN网络构建时所要着重考虑的一个问题，从路由的角度来看，WSN有其自身的特点，使它既不同于传统网络，又不同于无线自组网Adhoc网络。

传统的无线Adhoc网络路由协议不适合用于WSN，我们必须设计全新的、适合于WSN特点的路由协议。

路由协议作为影响网络性能的一个重要因素，是确保WSN网络正常运行的关键。

虽然己提出了很多的协议，但是到底那一种是最合适的还没有一个定论。

因此研究这些路由协议，比较分析哪一种路由协议是相对合适的显得尤为重要，也是此论文的意义所在。

本课题重点研究基于无线传感器网络的泛洪式路由协议，无限传感器网络节点数量庞大、单个节点资源有限，其路由协议设计的首要目标是提高能量有效性，延长网络寿命。

本文总结了WSN的概念、结构、特点，分析了WSN的关键性技术问题及网络协议；研究了WSN的网络协议体系和路由协议的分类，分析比较了目前国内外学者提出的集中有代表性的路由协议及其性能优缺点；选择了flooding路由协议为研究重点，分析了该路由算法的具体实现，并采用MATLAB网络仿真工具对flooding路由协议进行了整体仿真，并对其数据进行了分析。

2WSN综述

无线传感器网络是传感器技术、网络通信和计算机技术的集大成者，是一种全新的信息获取和处理技术。

美国《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时,更是将无线传感器网络名列第一；美国BusinessWeek预测的未来四大新技术：

效用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官，无线传感器网络也列入其中。

有专家预计，无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

2.1WSN的概念

无线传感器网络是由一个个具有数据采集、计算和通信能力的传感器节点，通过自组织网络形成的一个动态、自适应的分布式计算平台。

每个传感器都是典型的嵌入式系统，具有存储容量小、运算能力差、功耗低、易失效的特点。

2.2WSN的结构

2.2.1节点结构

在不同应用中，传感器节点的结构不尽相同，但一般都由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图2.1所示。

传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，传感器的类型是由被监测物理信号的形式决定的，如用于温度监测的铂电阻传感器，用于压力传感的电容式传感器等;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发送来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池，不过已有公司探索从周围环境取得能量并将其转换成微瓦电能的方法。

图2.1传感器网络节点结构

2.2.2网络体系结构

在传感器网络中,节点任意散落在被监测区域内,这一过程是通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的。

节点以自组织形式构成网络,通过多跳中继方式将监测数据传到sink节点,最终借助长距离或临时建立的sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。

卫星链路可用作sink链路,借助游弋在监测区上空的无人飞机回收sink节点上的数据也是一种方式,UCBerkeley在进行UAV（unmannedaerialvehicle）项目的外场测试时便采用了这种方式。

如果网络规模太大,可以采用聚类分层的管理模式,图2.2给出了传感器网络体系结构一般形式的描述。

图2.2传感器网络的体系结构

2.3WSN协议栈

无线传感器网络协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输联网协议栈的五层协议相对应，如图2.3所示。

另外，协议栈还包括动管理平台和任务管理平台。

这些管理平台使得传感器节点能够按照同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源平台的功能如下：

（1）物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；

（2）数据链路层负责数据成帧，帧检测、媒体访问和差错控制；

（3）网络层主要负责路由生成与路由选择；

（4）传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要；

（5）应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；

（6）能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层量；

（7）移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；

（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。

图2.3无线传感器网络协议栈

2.4WSN的拓扑结构

在无线传感器网络中，传感器节点是体积微小的嵌入式设备，采用能量有限的电池供电，它的计算能力和通信能力十分有限，所以除了要设计能量高效的MAC协议、路由协议以及应用层协议之外，还要设计优化的网络拓扑控制机制。

对于自组织的无线传感器网络而言，网络拓扑控制对网络性能影响很大。

良好的拓扑结构能够提高路由协议和MAC协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面提供基础，有利于延长整个网络的生存时间。

所以，拓扑控制是传感器网络中的一个基本问题。

在无线传感器网络中，网络的拓扑结构控制有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面:

（1）影响整个网络的生命周期。

基于无线传感器网络有限的能量，节能是网络设计主要考虑的问题之一，拓扑控制的一个重要目标就是在保证网络连通性和覆盖率的情况下，尽量合理高效地使用网络能量，延长整个网络的生存时间。

（2）减小节点间通信干扰，提高网络通信效率。

无线传感器网络中节点通常密集分布，如果每个节点都以大功率进行通信，会加剧节点之间的干扰，降低通信效率，并造成节点能量的浪费。

另一方面，如果选择太小的发射功率，会影响网络的连通性。

（3）为路由协议提供基础。

在无线传感器网络中，只有活动的节点才能进行数据转发，而拓扑结构控制可以确定由哪些节点作为转发节点，同时确定节点之间的邻居关系。

（4）影响数据融合。

无线传感器网络中的数据融合指传感器节点将采集的数据发送给中心节点，中心节点进行数据融合，并把融合后的数据发送给汇聚节点。

而中心节点的选择是拓扑结构控制的一个重要内容。

（5）弥补节点失效的影响。

传感器节点可能部署在恶劣的环境中，在军事应用中甚至部署在敌方区域中，所以很容易受到破坏而失效。

这就要求网络拓扑结构具有鲁棒性以适应这种情况。

无线传感器网络特定的应用环境及其固有的特征，对传感器网络拓扑结构的设计提出了新的要求。

在无线传感器网络中，节点需要完全以自组织的形式构成自治型网络，并且能够工作在无人值守的恶劣环境当中。

到目前为止，无线传感器网络拓扑结构的研究主要集中在两个方向，即平面型拓扑结构和层次型拓扑结构。

（1）平面型拓扑结构

平面型拓扑结构，所有节点的地位平等、作用相同，既采集数据又进行数据通信的中转，网络中不存在集中式控制中心。

为了有效地节省能量，远距离节点之间以多跳通信方式，如图2.4所示。

平面结构网络比较简单，无需任何的结构维护过程，节点根据预定的路由协议自组织成无线网络。

由于随机分布、高密度等特性，源节点和目的节点之间可能存在多条传输路径，如图2.4中节点A和E之间存在两条路径:

A一>C一>D一>E和A一>C一>F一>E，既可以使用多条路径实现负载分担，也可以为不同的数据传输需求选择适当的路径。

平面结构网络中所有的传感器节点理论上是对等的，不存在瓶颈和单点故障，所以比较健壮，但是网络规模受限，动态扩展性差，难以维护。

在平面结构中，源节点为了获得目的节点信息通常需要传输大量的查询消息，而且由于网络的动态性，如节点失效、增加等，维护这些动态变化的路由信息需要发送大量的控制消息。

网络规模越大路由维护的开销就越大，当网络的规模增加到某个程度时，网络的所有带宽可能被路由协议消耗掉，所以平面式结构的网络扩展性较差。

图2.4平面型拓扑结构

（2）层次型拓扑结构

层次型拓扑结构中，网络根据具体应用需求，如地理区域、能源、应用类型等，划

分为簇（Cluster），每个簇由一个簇头节点和多个簇成员构成，多个簇头节点抽象成高

一级的网络，在高一级网络中可以继续分簇，形成更高一级网络，最终形成多层次组织

结构的传感器网络，如图2.5所示。

图2.5层次拓扑结构

层次型拓扑结构中，不同层次以自己的局部概念进行交互，聚集起来实现期望的全局任务。

分层组织结构中，簇内成员节点负责感知任务，以多跳方式将采集的信息发送到簇头节点。

簇头节点作为簇类的中心节点，担负着与远程终端通讯、发布簇类管理信息、执行更高层次的数据融合和数据分析等使命。

为了有效利用能源和延长网络的生命周期，簇头节点通常依据能量概率分布由网络节点轮流充当。

这样可以使簇头节点的高能量消耗平均到网络节点上，同时也避免了固定簇头引起的网络的脆弱性和不稳定性，

而且可以通过簇拆分来增加簇的个数或者簇聚合形成更高一级网络来提高整个网络的容量。

但缺点是，为了维护层次化结构需要仔细设计簇头选择算法。

而且簇间节点为了完成数据通信需要经过簇头转发，因此不一定能使用最佳路由，例如图2.5中的A、B节点，物理距离很接近，在平面结构中可以直接通信，但分簇后需要通过两个簇的簇头中继进行通信。

2.5WSN的特点

（1）传感节点体积小，成本低，计算能力有限

无线传感器网络是在MEMS技术、数字电路技术基础上发展起来的，传感节点各部分集成度很高，因此具有体积小的优点，当然从应用角度讲，减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素。

传感网络是由大量的传感节点组成的，单个节点的成本直接影响到网络的总体成本，如果总体成本比使用传统传感器的成本高，势必会影响无线传感网络的竞争力。

由于体积、成本以及能量的限制，嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，因此传感器的计算能力十分有限。

（2）传感节点数量大、易失效，具有自适应性

根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个甚至更多。

此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。

因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。

（3）通信半径小，带宽很低

无线传感器网络是利用多跳来实现低功耗下的数据传输，因此其设计的通信覆盖范围只有几十米。

和传统无线网络不同，传感器网络中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据，因此流量较小。

根据目前观察到的现象特性来看，传感数据所需的带宽将会很低（l~100kbi灯s）。

（4）电源能量是网络寿命的关键

无线传感器网络中通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，只能选择钮扣式电池供电，电源能量极其有限，网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃，因此电源效率是设计考虑的关键因素。

（5）以数据为中心的网络

对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。

比如在智能家居应用中人们可能希望知道“现在客厅的温度室多少”，而不会关心“2号节点感测到的温度是多少”。

以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以对感知数据的管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上对感知数据进行管理和处理。

2.6WSN的关键性技术问题

无线传感器网络与传统的无线网络（如WLAN和蜂窝移