基于WSN的多路径节能路由算法研究

论文总字数：16906字

目 录

1 引言 3

1.1 研究背景 3

1.2国内外研究现状 3

1.3研究目的和意义 4

2无线传感器网络概述 4

2.1 无线传感器网络概念 4

2.2 无线传感器网络结构 5

2.3 无线传感器网络特点 6

2.4 无线传感器网络关键技术 7

3 无线传感器网络路由协议概述 7

3.1 路由协议概述 7

3.2经典路由协议分类 8

4 LEACH协议 8

4.1协议概述 8

4.2协议算法分析 9

4.3簇头的选取 10

5 基于LEACH的改进路由算法 11

5.1基于能量和距离的改进路由算法 11

5.1.1 算法改进 11

5.1.2 仿真及结果分析 12

5.2基于移动汇聚节点的改进路由算法 15

5.2.1移动方式的选取与性能比较 15

5.2.2 沿固定轨迹移动的性能比较 18

5.3伪代码 20

6 总结与展望 21

参考文献: 21

致 谢 23

基于WSN的多路径节能路由算法

程双双

，China

Abstract :WSN based multi-path routing algorithm is used to handle node failures and improve the reliability of data routing.. In order to make a multi path routing algorithm adapting to the application sensitivity, the communication nodes in the network should be able to determine the degree of the determination of the path is disjoint. Here, we propose a novel routing algorithm based on WSN. We extend the K is connected to the connecting K-X connectivity， X is the node threshold represents the maximum value of the shared values of any two identified the K paths. Including: a) based on on-demand routing; b) in the routing found during data exchange in use tags to find the threshold X; c) because of the use of threshold tab, so it is safe. Use simulation to prove the efficiency of the algorithm and evaluate the additional cost.

Keywords:wireless sensor network；multipath energy saving routing algorithm；Secure multipath routing；

c

1 引言

无线传感器网络是由很多小型的传感器节点构成的并且传感器节点是由无线收发器、天线、处理器、内存和一块短寿命电池构成的。这些传感器被限制在计算机和沟通能力方面。WSNs主要用在收集数据与感知样本，然后将其发送到中心网站去进行分析。与有线网络不同的是，传感器节点可以被部署在恶劣的环境中，使他们极易受到物理和逻辑上的安全攻击。

WSNs以不自然的基础设施，易于调度和独立于任何预先存在的结构，这使得WSNs路由协议的设计非常具有挑战性。事实上，由于节点移动性和干扰发生，路线可能很容易被打破。此外，节点间的连接可能限制带宽并且节点会出现资源匮乏。为了减缓这些问题，多路径路由算法被发展作为一个可选择的解决方案来提高路由过程的效率。他们利用资源实施容错冗余和多样性,负载平衡和端到端交付延迟最小化。

1.1 研究背景

随着现代通信技术和传感技术的快速发展，无线传感网络也得到了飞速的发展，根据可用的节点数量，建立的路线可能不是完全不相交的。而大多数的多径路由算法采取了利益最大的建立不相交路径，节点的性能可能会受到严重影响，资源可以被迅速耗尽，特别是如果路线包括多跳数和节点密度高。为了应对这个问题，扩展的多路径路由算法将是有用的，在路由发现并创造一个容错和性能之间的平衡期间，要定义和开发一个不相交的阀值。

1.2国内外研究现状

由于传感器技术和通信技术的快速发展，无线传感网络也得到了飞速的发展，所以国内外大量的科研人员对其非常感兴趣。又由于无线传感网络的使用有一定的局限性，所以如何高效打的利用无线传感网络，成了当下最重要的一个科研问题。

在中国，2007年，南通大学的科研人员们对传感器技术展开了很深的研究。为了解决重负载问题，他们将孤立的节点逐个联系起来。通过大量实验和分析，这些科研人员证明了传感器节点技术不仅可以提高网络负载量，还能平衡网络节点。2012年，南京大学、南京邮电大学和苏州大学城市轨道交通学院，在江苏省无线传感网高技术的研究重点实验室和宽带无线通信和传感网技术教育部重点实验室中的一些科研学者们将sub-slink无线传感器网络的传感器节点中，这使得节能路由算法能够很快适应移动网络环境。在此外，在路由算法的研究基础上，他们对路由的连通度进行修改，并且取得较好的节能效果。。

国外方面，2010年，Hyungjoo Lee等一些学者对无线传感器数据发布计划与传感器节点团体的网络展开了研究，他们经过大量的实验得到了每个传感器节点都保持着紧密的合作，从而使得RBDD提供高效的数据传输，并且提高了网络的效率。在2002年，美国Intel公司发布了一项“基于微型传感器网络的新型计算发展规则”。之后，Intel将全部精力致力于微型传感器网络在各个行业中的应用。

无线传感器网络的安全运行，完全归功于无线传感器网络中的传感器节点。但是出现了一个问题，能耗低的性能低，性能高的同时能耗也很高。所以，如何使其高效的运行同时降低能耗成为了我们研究的课题，也就是基于WSNs的多路径节能路由算法。

1.3研究目的和意义

毫无疑问，如果本文中研究的课题实现了，那么无线传感网络将成为我们未来使用的网络，这将大大提高网络的利用效率。

K连通性是被多路径使用的一个概念路由。在两个通信节点之间，它定义了一个最小数量的K不同路径。发送数据前，传感器节点应该保证一组K路径在它本身和基站之间是可用的。然后通过可选择的路径发送重复的数据副本来降低通信失败的概率。几个命题是根据文献来设计多路径路由算法。例如，多路径按需路由算法。确保在源头和目的地之间建立分离。它将原始数据打包进K部分，并发送这些新的子包而不是可用路径的整个包。当目的地接收到一个路由请求信息才会意识到路径的存在。它返回包含许多旅行很远的啤酒花的一个路径答复。每个节点接受一个路由应答，跳数的增加消息，然后将消息通过最初的路由请求转发到邻包。这种解决方案可能会导致大量的网络开销。在动态多路径源路由，每个节点为了找到更好的给予可用宽度的路径转发数据包而写下自己的宽度。BEGHR利用节点位置转发数据，需要使用定位系统，如全球定位系统。然后，不同节点对资源的需求是相当高的，这会影响电池的寿命。

无线传感网络的利用也很广，例如军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、防恐、反恐、危险区域远程控制等诸多领域。

2无线传感器网络概述

在当初，发达的互联网和通信技术大大促进了无线传感器网络的发展。它已经成了IT精英们重点研究的对象。无线传感器网络中具有大量的廉价的、低功耗的传感器节点，这些节点之间是以多跳的方式进行通信。传感器网络是由一组传感器以特定的方式构成的，是为了采集和处理网络区域中感知对象的信息，然后发布给观察者。

2.1 无线传感器网络概念

无线传感器网络的特点是：大规模、自组织、动态性、可靠的、与应用相关且以数据为中心的网络。在本文中，引入了K连通性的概念，它被推广到x是一个不相交阀值并代表节点的最大阀值的k-x连通性里，在K建立路径的设置中共享任何两个路径。这个概念被应用于一个安全的按需路由算法，。在路由发现去携带阀值x的期间，在报文交换中使用标签。由于椭圆门限签名的使用，它是安全地，并利用看门狗的原理去容忍几种路由攻击。

2.2 无线传感器网络结构

无线传感器网络的主要结构是由通信结构，节点结构，拓扑结构以及通信协议栈这四大部分构成。

从下图可以看出，通信结构和拓扑结构是无线传感网络中必不可少的，当然，节点结构和通信协议栈也非常重要。无线传感器网络中的网关相当于一座桥，负责传输网络与传感节点的之间的通信。然后再通过基站把数据传送到数据服务站，在数据服务站里进行数据的采集和处理。

图2.1 无线传感器网络的通信结构

节点结构如下图2.2所以。我们可以看出传感器网络会根据需求的不同而产生与之相对应的应用，虽然需求不同，但传感单元、数据处理单元、数据传输以及电源这四部分是必不可少的。

图2.2 传感器网络的节点结构

拓扑结构相对来说会复杂点，分为星状网、网状网、混合网三种。分别如下图的2.3(a)、2.3(b)、2.3(c)所示，星状网非常简单，就是传感器节点与汇聚几点之间相互通信，这种通信方式能耗少，但局限性也很大。

而网状拓扑结构中只有传感器节点，因此网状结构是传感器节点之间相互通信，所以通信的路径不止一条，因此产生故障的几率很小。这种结构的有点非常明显，可靠、传输速率快、能够实现资源共享等。但缺点也非常明显，就是能耗非常大。

混合网其实就是星状网和网状网的结合体，是由路由器和中继器构成的，它集星状网和网状网的优点和缺点于一身。

图2.3 无线传感器网络的拓扑结构

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