基于无线传感器网络的低功耗信息收集机制研究Word文件下载.docx
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目录
1绪论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文研究内容与结构 3
2无线传感器网络概述 4
2.1无线传感器网络基本概念 4
2.1.1无线传感器网络体系结构 4
2.1.2传感器网络的特征 4
2.2无线传感器网络的应用 5
2.3无线传感器的关键技术 8
3无线传感器网络路由协议 11
3.1无线传感器网络路由协议概述 11
3.2无线传感器网络路由协议分类 12
3.3无线传感器网络路由协议的特点及设计要求 13
3.4无线传感器网络路由的典型协议 15
4LEACH算法协议 24
4.1LEACH协议工作原理 24
4.1.1簇的构建阶段 25
4.1.2稳定工作阶段 27
4.2LEACH协议的能量传输模型 28
4.3LEACH算法的仿真 29
4.3.1LEACH算法的仿真模型 29
4.3.2仿真实验参数的设置 30
4.3.3LEACH算法仿真过程 31
4.3.4LEACH算法仿真结果分析 35
结论 36
致谢 37
参考文献 38
附录A英文原文 39
附录B汉语翻译 45
附录C程序代码 49
58
1绪论
1.1课题研究背景与意义
无线传感器网络（WirelessSensorNetworks）是由许多传感器以自组织的方式构成的无线网络，这些传感器都必须具有收集信息、处理信息、传输信息的能力，通过部署足够量的传感器到需要监控的区域，人们可以方便的收集到想要检测到的信息。
无线传感器网络使逻辑上的信息世界与客观上的物理世界相结合，改变了人与自然的交互方式。
作为一种新型的网络，它越来越受到各界人士的关注，2003年美国MIT科技评论在预测未来技术的报告中，将无线传感器网络列为了二十一世纪改变世界的十大技术之一。
传感器网络也被誉为未来全球的三大高科技产业之一。
国家中长期科技发展规划纲要（2006-2020）把传感器网络与智能信息处理列为重点领域及其优先主题之一。
无线传感器网络与普通的无线网络有着很大的不同，规模比普通无线网络要大，是动态的自组织网络，并且高度面向应用的以数据为中心的网络。
节点也不像普通的无线网络，在传感器网络中的节点能量是有限的，并且不能充电。
所有的信息处理策略都必须考虑到尽可能地降低节点能耗，以便延长网络和整个系统的寿命。
虽然传感器节点的能量、通信能力、计算能力和存储能力都很有限，但每个节点还是要在特定的环境中完成特定的任务，因此构造无线传感器网络必须要有非常先进的技术支持，收集、处理和传输信息这三个基本功能也正好是现代信息技术的三大基础。
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，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。
2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。
同年，美国《商业周刊》未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列人其中。
美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。
2004年（IEEESpectrum）杂志发表一期专集：
传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。
可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活、产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
1.2国内外研究现状
1998年，美国国防部提出了“智能尘埃”的概念，最先开始无线传感器网络技术的研究，目的是为监控敌方的活动情况而不被察觉。
2001年，美国陆军提出“灵巧传感器网络通信”计划，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，以便成倍提高单一传感器的能力，从而提高未来战斗系统的生存能力。
2002年，英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，该规划主要致力于微型传感器网络在医学、环境监测、森林灭火、海底板块和行星探测等领域的应用。
同年欧盟提出了一项为期3年的EYES（自组织和协作有效能量的传感器网络）计划，主要研究无线传感器网络的构架、节点的协作、网络协议和安全等。
美国科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，研究领域涉及能感知有毒化学物、生物攻击等的传感器节点、分布环境下传感器网络的特性等问题。
2005年，对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代可靠性高、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性，资助金额达4000万美元。
此外，美国交通部、能源部、美同国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。
美国著名院校几乎都有研究小组在从事无线传感器网络相关技术的研究。
加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、哈佛大学等在无线传感器网络研究领域成绩较为突出。
加拿大、英国、德国、意大利和日本等国家的研究机构也加入了无线传感器网络的研究。
欧盟的Philips、FranceTelecom、Siemens、Ericsson等公司，日本的NEC、欧姆龙、OKI、Sky2等公司都开展了无线传感器网络的研究。
我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中。
国内的一些科研单位和大学，如中国科学院自动化所、软件所及清华大学、哈尔滨工业大学从2002年开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。
重庆大学也在同一时间开始研究嵌入式无线传感器网络节点、可重构技术、无线传感器中的定位等技术。
2004年，中国国家自然科学基金委员会将一项无线传感器网络项目（面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论）列为重点研究项目；
2005年，将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划；
2006年，将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。
国家发改委下一代互联网（CNGI）示范工程中，也部署了无线传感器网络相关的课题。
2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。
国内也有越来越多的企业开始关注无线传感器网络技术的发展，开始推出针对无线传感器网络及ZigBee的解决方案。
1.3本文研究内容与结构
本文主要是针对无线传感器网络路由协议的研宄，在分析比较了部分经典的路由协议后，重点描述了LEACH路由协议，本论文以无线传感器网络的研究为背景，在有关无线传感器网络文献的基础上，对LEACH协议进行详细的研究和分析。
论文结构安排如下：
第一章为绪论，首先介绍了本文的课题背景，阐述了本课题的研究目的以及意义，并介绍了国外研究进展，最后说明了本论文的主要工作；
第二章分析了无线传感器网络的体系结构、特征、关键技术和应用等相关概念；
第三章阐述了无线传感网路由协议这一关键技术，对无线传感器网络的路由协议进行介绍，对比分析了现有无线传感器网络中的多种路由协议和算法，归纳总结了无线传感器网络路由协议的特点以及设计无线传感器网络路由协议应该考虑的因素。
第四章对无线传感器网络中的低功耗自适应分簇分层型协议LEACH协议进行研究和分析，详细描述了LEACH路由协议的机制和算法流程，并介绍了LEACH协议的能量传输模型。
最后基于MATLAB软件对LEACH算法进行仿真，并对结果进行分析。
第五章对全文进行总结，并得出结论。
2无线传感器网络概述
2.1无线传感器网络基本概念
2.1.1无线传感器网络体系结构
传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。
大量传感器节点部署在检测区域内或者附近，能够通过自组织方式构成网络。
传感器节点检测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中检测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。
在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。
如下图所示：
图2.1无线传感器网络组织结构图
2.1.2传感器网络的特征
（1）无线传感器网络是以数据为中心的网络，相当于分布式的网络数据库，要查询的数据分布在所有或部分节点中。
每一个节点具有端节点和路由器两者的作用。
由于传感器节点数目巨大，传感器节点没有必要采用IP地址，可以使用局部能够区分的标号标识。
（2）无线传感器网络邻居节点数据的相似性。
网络中的相邻节点可能监测同一个事件，从不同的监测点得到同一事件的相关数据，存在冗余数据，将这些数据进行融合，方可有效地节省网络资源。
（3）无线传感器网络节点的电源容量有限。
网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。
其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池用完，这个节点也就失去了作用。
因此在无线传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
（4）无线传感器网络的硬件资源有限。
节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通计算机功能要弱很多，这就决定了各个协议层次不能太复杂。
（5）无线传感器网络是无中心的。
网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，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，具有很强的抗毁性。
2.2无线传感器网络的应用
无线传感器网络最初主要应用于军事领域，随着技术的发展，传感器节点的成本越来越低，功能越来越强大，目前在民用领域也取得了巨大的进展。
随着技术的进步和经济的发展，传感器网络将越来越多的应用到社会生活的各个方面。
比如家庭采用无线传感器网络负责安全、调控、节电和保健等；
企业和社区采用无线传感器网络负责保卫与安全、供应监侧、人员流动与车辆进出等：
服务业采用无线传感器网络负责商品流通、服务环境秩序、金融流通安全等。
在各种社会活动中，无线传感器网络的应用更是举不胜举。
（1）军事应用
无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此最早就是应用于军事活动。
利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监测、目标的定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。
通过飞机或者炮弹直接将传感器节点播撤到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感器网络，就能够非常隐蔽而且近距离准确地收集战场信息，迅速获取有利于作战的信息。
传感器网络可以通过分析采集到的数据，得到十分准确的目标定位，从而为火控和制导系统提供精确的制导。
利用生物和化学传感器，可以准确地探侧到生化武器的成分，及时提供情报信息，有利于正确防范和实施有效的反击。
无线传感器网络已经成为军事C4ISRT（command,control,communication,computing,
intelligence,surveillanceandtargeting）系统不可少的一部分，受到军事发达国家的普遍重视，各国均投入了大量的人力和财力进行研究。
（2）环境监测
待测数据分布在较大的区域内的情况，比如探测温度，环境监控理所当然的成为传感器网络的又一大用途。
无线传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表检测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等。
ALERT系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土坡水分，并依此来预测爆发山洪的可能性。
还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等。
无线传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息地生态监侧。
美国加州大学伯克利分校Intel实验室和大西洋学院联合在大鸭岛（GreatDuckIsland）上部署了一个多层次的传感器网络系统，用来监测岛上海燕的生活习性。
（3）医疗护理
无线传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括检测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。
如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生利用无线传感器网络就可以随时了解被监护病人的病情，发现异常能够及时抢救。
人工视网膜是无线传感器网络在医疗护理方面的典型应用。
在SSIM（SmartSensorsandIntegratedMicrosystems）计划中，替代视网膜的芯片由100个微型的传感器组成，井置入人眼，目的是使失明者或者视力极差者能够恢复到一个可以接收的视力水平。
传感器的无线通信满足反馈控制的需要，有利于图像的识别和确认。
（4）智能家居
无线传感器网络还能够应用在家居系统中。
2004年3月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。
该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、以及残障人士的家庭生活，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。
智能家居网络系统是将家庭中各种与信息有关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，井保持家庭设施与住宅环境的和谐与协调的系统。
基于无线传感器网络的智能家居网络主要是由若干无线传感器节点、无线执行机构、家居无线控制中心组成，其中无线传感器节点分布于需要监测的区域内，执行数据采集、处理和通信等工作：
无线执行机构负责启动声光报带、摄像监控、自动喷淋等功能；
家居无线控制中心处理、转发来自无线传感器节点的信息，并且与Internet连接进行远程控制。
（5）交通控制
无线传感器网络在交通车辆控制领域已经有相当长的应用历程了。
大多数十字路口都有空中的或者地面的传感器来检测车辆和进行交通灯控制。
更进一步，视频摄像头经常用来监控路面情况，采集的视频图像传输到中心控制处的人工控制员处。
然而，这种传感器和通信网络在造价方面比较昂贵，因此交通监控往往只用在一些比较重要的路段。
低成本的无线传感器网络会彻底改变这种局面，廉价的传感器和嵌入式网络功能可以在任何一个十字路口安装，进行交通检测统计以及测速等等。
这些传感器和邻居节点进行通信最终形成一个“全球性的交通大网”，人工操作员或者自动控制器可以通过网络查询信息并发出控制指令。
另一个典型的应用是把每辆汽车上都装上传感器，当两辆汽车擦身而过时，可以相互交换一些各自知道的信息，信息包括：
交通拥塞地点，以及各自的行车速度和目的地址。
这些汇总信息可以通过车辆之间的交互进行传播，然后司机可以通过这些信息尽量选择其它的路径以避开交通拥塞路段。
（6）其它商业应用
自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域有不少的机会。
比如：
1）工业自动化生产线上的品管控制，利用传感器去监测不良产品。
2）传统办公室的空调系统是中央控制，各地方冷热不均，使用传感器网络，各角落的传感器可以知道当时的环境状况，进而要求控制当时的气温或空气流动。
虽然传感器网络最初主要应用于军事领域，但是随着技术的发展，传感器节点的成本越来越低，功能越来越强大，目前在民用领域也取得了巨大的进展。
随着技术的进步和经济的发展，传感器网络必将会越来越多的应用到社会生活的各个方面。
2.3无线传感器的关键技术
到现在为止，传感器网络的研究大致经过了两个阶段：
第一阶段主要偏重利用MEMS技术设计小型化的节点设备，代表性的研究项目有WINS和SmartDust。
对于网络本身问题的关注和研究可以认为是传感器网络研究的第二个阶段，目前正在成为无线网络研究领域的一个不小的热点。
无线传感器网络的关键技术问题主要包括以下几个方面：
路由问题、能量问题、安全问题、同步技术、服务质量等。
（1）路由问题：
路由协议的目的是在源节点和目的节点之间建立可靠的路由，保证数据的传输。
传感器网络节点数量多，为了避免由于节点地址带来的大量的负荷，不可能构造一个全球的地址方案：
此外，由于节点能量受限且大都处于静止状态等特点，使得传感器网络不能采用传统的基于IP的路由协议。
并且Adhoc网络中现有的路由协议，如动态源路由协议（DynamicSourceRoutingDSR）和基于距离矢量的按需路由（AdhocOnDemandDistanceVector.AODV）协议等，也不完全适用于无线传感器网络。
原因如下：
首先，传感器节点主要使用广播通信的方式，而Adhoc网络通常是点到点通信；
其次，传感器节点有功率、计算能力以及存储能力的限制，不能采用复杂Adhoc路由算法；
再次，传感器网络中的节点在应用环境中密集分布、网络的拓扑变化很快，必须为此设计新的路由算法。
这些独特的要求和制约因素为无线传感器网络的研究提出了新的技术问题，我们要设计出实现可靠，讲究能量效率，且能保证网络能量消耗平衡的路由协议。
（2）能量问题
在多数情况下，传感器网络中的节点都是由电池供电，电池容量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网路来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络生存时间长达几年甚至数年。
如果网络中的节点因为能量耗尽而不能工作，会带来网络拓扑结果的改变以及路由的重新建立等问题，甚至可能使得网络分成不连通的部分，造成通信的中断。
因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能地节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。
首先在功能上，由于无线传感器网络大都是为某一专用目的而设计的，去掉不必要的功能，可以节省能量，延长节点生存时间。
因此，无线传感器网络设计应考虑两点原则：
延长网络工作时间、减少不必要的功能，突出专用性。
其次，可以设计专门的提高传感器网络能量效率的协议以及采用专门的技术，这些协议和技术涉及到网络的各个层次，如物理层可以采用超宽带无线通信技术，MAC层可以采用适合节点在休眠和工作状态间切换的接入协议，网络层可以以能量作为路由度量等。
此外，还可以采用跨层设计的方式，提高网络的能量效率。
（3）安全问题
在无线传感器网络中，大量的传感器节点密集分布在一个区域里面，消息可能需要经过若干节点才能到达目的地，而且传感器网络具有动态性和多跳结构，要求每个节点都应具有路由功能。
由于每个节点都是潜在的路由节点，因此更容易受到攻击，使网络不安全。
网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务，安全的路由算法可以直接影响无线传感器网络的安全性和可用性。
安全路由协议一般采用多路径路由、身份认证、链路层加密和认证、双向连接认证和认证广播等机制，有效地提高网络抵御外部攻击的能力，增强路由的安全性。
在安全保障方面主要有安全组播和密钥管理两种方式。
1）安全组播：
无线传感器网络可能设置在敌对环境中，为了防止信息提供者向网络注入伪造信息，需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播。
2）密钥管理：
无线传感器网络有诸多限制，例如能力限制，使其只能使用对称密钥和Hash技术；
电源能力限制，应使其在无线传感器网络中尽量减少通信，因为通信的耗电将大于计算的耗电；
传感器网络还应该考虑数据融合技术等减少数据冗余的问题。
在部署节点前，将密钥预先配置在节点中，通常，预配置的密钥方案通过预存的秘密信息计算会话密钥，由于节点存储和能量的限制，预配置密钥管理方案必须考虑节省存
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