无线传感器网络flooding路由协议的MATLAB仿真.docx

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1、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

2、；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FIOoding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

3、Wirelesssensornetworksareanewresearchfieldofcomputerscienceandtechnology.Theyaretheintegrationofsensortechniques,nestedcomputationtechniques,distributedcomputationtechniquesandwirelesscommunicationtechniques.Comparingwithtraditionalnetworks,thewirelesssensornetworksfeatureswithlowcost,lowpowerloss,f

4、lexiblelayoutandhighmonitorprecision,thereforethesensornetworkscanbeusedforvariousapplicationareassuchasmilitary,chemical,home.ThisarticlefocusonwirelesssensornetworksbasedonthePanHung-routingprotocol,wirelesssensornetworknodeslargenumberofindividualnodeswithlimitedresources,theroutingprotocoldesign

5、edfirstandforemostobjectiveistoimproveenergyefficiencyandextendthenetworklifetime.Thispapersummarizes(heWSNtheconcept,structureandcharacteristicsoftheWSNthekeytechnicalproblemsandnetworkprotocols;studyoftheWSNsystemandnetworkroutingprotocolagreementtheclassification,analysisandcomparisonofthecurrent

6、domesticandforeignscholarshaveproposedseveralrepresentativesTheroutingoftheagreementanditsperformanceadvantagesanddisadvantages;chosenthefloodingfocusonroutingprotocols,analysisoftheroutingalgorithmtoachievethespecific,thesensornodesthelimitedscopeofenergyandtransmissioncharacteristics,adelaybasedon

7、theAdaptiveFloodroutingalgorithm,firstofallthroughthenodesinthenetworksourceinthesmallerrouting,androutingtherequesttorestorethetexttocreatearouting,routingtheprocessofestablishingadaptivetodeterminethewaitingtimetomakebetterRoutingtherequestwastransmittedbytext,andthenanothersourcenodesalongthepath

8、forwardtheestablishmentofgooddataonthelargertext.MATLABandusethenetworksimulationtoolfortheoverallroutingprotocolsimulation,andthedatawereanalyzed.ThesimulationshowsthatthenewalgorithmthanFloodingenergy-saving,canbetterovercomeFloodingalgorithmmessageredundancyandhighenergyconsumption,suchastheinsuf

9、ficient.Keywords:WSN；floodingroutingprotocols；MATLABSimulation目录15J.1课题背景51.2国内外技术研究现状62WSN综述72.1WSN的概念8282.2.1节点结构82.2.2网络体系结构92.4WSN的拓扑结构Il2.5WSN的特点132N的美键性技术12.6.1功耗问强152.6.2节能策略16263通信问题172.6.4网络安全问题1g2.6.5定位问题182.6.6数据管理182.6.7服务质量192.6.8嵌入式操作系统193.WSN路由协议算法分析203.1WSN路由协议的分类方法203.2几种典型路由协议的分析21

10、3.2.1平面路由协议213.2.25)L-Ijiv244FlGGding路由协议的分析与研究294.1泛洪算法模型304.2算法流程图304.3基于延迟的自适应洪泛路由算法314.3.1算法中用到的报文和数据*324.3.2SFD算法描述33433性能比较尺度345Flooding路由协议的MATLAB仿真375.1MATLAB仿真平台介绍375.3实验结果416结论43*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+*+44附录A：英文原文46附录C：程序代码561绪论1.1课题背景无线传感器网络是新兴的下

11、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

12、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

13、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

14、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、AODVo(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、HREEMRSAR；层次结构路由主要有LEACH、PEG

15、ASIS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SMECNo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、

16、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

17、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

18、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A

19、dhoc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。虽然已提出了很多的协议，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

20、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、一一完整版学习资料分享一一一传感器网络、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

21、的出现将会给人类社会带来极大的变革D2.1WSN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，如用于温度监测的伯电阻传感器，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

22、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，不过己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

23、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完整版学习资料分享一-2.3WSN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

24、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任务管理平台移动管理平台能量管理平台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

25、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

26、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

27、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

28、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:AC一D-E和ACFE,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

29、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

30、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

31、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，减小节点尺寸也是一一完整版学习资料分享一一一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

32、，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(I-100kbi灯s)。(4)电源能量是网络寿命的关

33、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

34、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和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外,大部分节点都是静止的。因为它们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,设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。当然,从理论上讲,太阳能电池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还Ief相当的难度。在无线传感器网络的研究初期，

35、人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的,但深入的研究表明:传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心,后者以传输数据为目的.为了适应广泛的应用程序,传统网络的设计遵循着“端到端的边缘论思想,强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上,中间节点仅仅负责数据分组的转发,对于传感器网络,这未必是一种合理的选择。一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识（如地址等）的作用在传感器网络中就显得不是十分重要,因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、

36、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中,相邻节点间的距离非常短,低功耗的多跳通信模式节省功耗,同时增加了通信的隐蔽性,也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。2.6.1功耗问题作为一种微电子设备,无线传感器节点只能配置电池，电池电量一般小于0SAh,电压为1.2v-3.3V。在一些具体应用中，电池更换是不现实的。所以，节点生命期严重依赖于电池供电的持续时间。在WSN中，每个节点都起着数据采集器和路由器的双重作用。一些节点的故障会引起拓扑的明显变化，可能要求重建路由或重组织网络。所以，能量保护和能量管理至关重要。传感

37、节点的主要功能是感知、处理和数据传输，其能耗也主要分布在这三个方面。感知能耗与具体应用环境中携带的不同传感单元有关。通信能耗在节点能耗中比例最大，需要考虑启动功耗、接收功耗和发送功耗，无线电收发器能耗公式如下：PC=NrEon+乙）+oun+rC?（R。+%）（2.1）其中，Pc为无线通信功耗；Pr和PR分别为无线发送和接收器件的功耗；PouT为无线发送器的输出功率；Ton、Ron伽分别为每个单位时间内无线发送器和无线接收器的打开的时间：T、RST分别为发送和接收的启动时间；Nt、NR为单位时间内接收和发送的次数，依赖于任务和采用的媒介访问控制（MAC）策略；Ton也可写成LR,L为数据包大小

38、，R为数据传输速率。数据处理功耗比通信功耗要小得多，例如:假定瑞利衰落且能量与距离的4次方成正比损耗，实验表明，无线传输IK比特的数据100米的能量可以让100MIPS/W的处理器处理300万条指令。因此尽可能地进行本地数据处理而减少数据的无线传输是降低WSN能耗的有效办法之一。针对数据采集、接收、发送和计算这四者的能耗问题，curtSChUrgerS等人进行了实验。实验结果表明，发送数据(TX)的能耗略大于接收数据(Rx),二者远大于数据处理(计算)和数据采集的能耗。2.6.2节能策略由于无线通信是WSN能耗的主要部分，因此对无线收发系统的能耗管理非常重要，可以采取以下措施减少通信模块的能量

39、损耗。(1)减少通信流量减少通信流量的方法有：a.本地计算和数据融合b.减少冲突，增加错误检测和校正机制d.减少控制包的开销和包头长度(2)增加睡眠时间无线通信模块有发送、接收、空闲和睡眠4种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。从实验中可以看到：无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，而在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。因此不需要通信时，尽快进入睡眠状态是WSN协议设计重点考虑的问题。(3)采用多跳短距离无线通信方式无线通信消耗能量E与通信距离d的关系为E=kd1。其中

40、，参数n满足关系2fn1tdkII育1IItukIIImtt2=2:WORD亮整版可编辑专通费料分享=叶=图2.6状态转换和能量的关系(5)动态电压调度(dynamicvoltagescheduling,简称DVS)DVS的主要原理是基于负载状态动态调节供电电压来减小系统功耗，并被应用到PDA之类的个人移动设备上。可将其应用到WSN中，如图2.7所示的功率控制原理图。节点上的嵌入式操作系统负责调度来自不同任务队列的请求接受服务，并实时监测处理器的利用率和任务队列的长度，负载观测器依据这两个参数的序列值计算负载的标称值。，直流/直流变换器参照该值输出幅值为A的电压，支持处理器的正常工作。这构成了

41、一个典型的闭环反馈系统。控制理论中成熟的方法可以为该系统中各个模块的设计提供有力的支持。传感器节点大部分时间计算负载较低，在低负载时调低微处理器的电压可以有效节约能量。w2.6.3通信问题WSN内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其它电子信号干扰而受到影-完整版学习资料分享一响，如何安全有效的进行通信是个有待研究的问题。WSN需要具有能对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获低功耗短距离的无线通信技术。IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，由于它的网络特征和WSN存在很多相似之处，故很多研究机构将它作为WSN的无线通信平台。超宽带技术(UWB)是一种极具

42、潜力的无线通信技术。超宽带技术具有系统复杂度低、能提供精确至数厘米的定位精度等优点，非常适合应用于WSN。2.6.4网络安全问题安全是系统可用的前提，WSN是网络家庭的新成员，像其他网络一样需要考虑安全问题。WSN的安全问题主要以下几个方面：(1)传统无线电磁干扰；(2)对路由机制进行攻击；(3)对能量的攻击，侵入节点导致网络的某些节点和网络段互发大量的垃圾数据，使WSN能量迅速耗尽，网络分立，形成监测黑洞，无法完成正常的监测工作；针对以上各种不同的攻击方式，一般可采用扩频通信、SenSor接入认证/鉴权、数据水银和数据加密技术以提高网络的安全性。基本思想有两种:一种是从维护路由安全的角度出发

43、，寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全。如果路由协议被破坏导致传送的消息被篡改，那么对于应用层上的数据包来说没有任何的安全性可言。另一种是把着重点放在安全协议方面。2.6.5定位问题WSN的定位机制与算法包括两部分:节点自身定位和外部目标定位,前者是后者的基础。获得节点位置的一个直接方法就是使用全球定位系统GPS,但该定位装置价格昂贵而且在有遮挡的情况下使用效果不佳;对于精度不高的还可以采用LPS(LOCalPositionSystem),为每个节点都配备GPS定位装置是一个高成本的设计思想，是一个不现实的想法，因此一般采用GPS+绝对定位或相对定位来实现。2.6.6数据管理从数据存储的角度来

44、看，无线传感器网络可被视为一种分布式数据库。以数据库的方法在无线传感器网络中进行数据管理，可以将存储在网络中的数据的逻辑视图与网络中的实现进行分离，使得无线传感器网络的用户只需要关心数据查询的逻辑结构，无需关心实现细节。虽然对节点感知到的数据进行抽象在一定程度上影响执行效率，但可以显著增强传感器网络的易用性。美国加州大学伯克利分校的TinyDB系统_完整版学习资料分享一一和Cornell大学的CoUgar系统是目前具有代表性的传感器网络数据管理系统。传感器网络的数据管理与传统的分布式数据库有很大的差别。由于传感器节点能量受限且容易失效，数据管理系统必须在尽量减少能量消耗的同时提供有效的数据服务

45、。同时，传感器网络中节点数量庞大，且传感器节点产生的是无限的数据流，无法通过传统的分布式数据库的数据管理技术进行分析处理。此外，对传感器网络数据的查询经常是连续的查询或随机抽样的查询，这也使得传统分布式数据库的数据管理技术不适用于传感器网络。2.6.7服务质量在某些应用中，数据应是刚感受到的一段时间内，否则数据将无用的。因此，范围潜伏期为数据传送是另一个条件，时间约束的应用。然而，在许多应用中，节约能源是直接关系到网络的一生，被认为是相对来得重要数据的质量发送。当能量耗尽之时，该网络可能必须减少质量，以减少节点能量损耗和从此延长整个网络寿命。因此,路由协议能量是必须有这个必备的条件。2.6.8

46、嵌入式操作系统传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限地内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。传感器节点有两个突出的特点。一个特点是并发性密集，即可能存在多个需要同时执行的逻辑控制，这需要操作系统有效地满足这种发生频繁、并发程度高、执行过程比较短的逻辑控制流程;另一个特点是传感器节点模块化程度很高，要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制。上述这些特点对设计面向无线传感器网络的操作系统提出了新的挑战。3.WSN路由协议算法分析3.1WSN路由协议的分类方法WSNS路由协议负责在Sink点和其余节点间可靠地传输数据。由于WSNS与应用高度相关，单一的路由协议不能满足各种应用需求，因而人们研