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1、-基于无线传感器网络的低功耗信息收集机制研究学士学位论文-第 49 页摘 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。路由技术对无线传感器网络的生命周期有着至关重要的影响。能量有限性是无线传感器网络的最重要的特性，在网络路由算法中也是优先考虑的一个主要因素。分簇路由具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点，已成为当前路由技术一个十分重要的研究方向。本文对现有的无线传感器网络路由协议进行了分类和比较研究，然后有针对性地选择了典型的分簇式路由协议LEACH协议作为研究对象。LEACH 协议使用了自适应成簇
2、技术和簇头节点的轮换技术。它将所有节点分为若干簇，使用簇头节点的轮换技术使每个簇随机选举一个簇头。簇形成后系统进入稳定工作阶段，开始信息的收集和传递。分簇的方式可以优化资源分配，提高能量使用效率。论文最后，采用MATLAB软件对LEACH协议的网络生存时间进行了研究和仿真，实验结果表明，算法具有较好的节能性和可扩展性。关键词：无线传感器网络；LEACH路由协议；MATLAB仿真AbstractRouting technology is vital to the lifecycle of wireless sensor network.One important feature of wirel
3、ess sensor networks is that the energy is limited.This feature is considered to be the main element in routing algorithm of WSN.As an active branch of routing technology, cluster-based routing protocols havemany advantages, such as network topology management, energy minimization,data aggregation an
4、d so on,which has become a very important routing technology research.The LEACH protocol uses the adaptive clustering and cluster head node rotation technique. It will be all the nodes are divided into several clusters, the cluster head nodes rotation technology enables each cluster random elect a c
5、luster head. After the formation of cluster,system entered into a stable stage, information collection and transmission. The clustering method can optimize the allocation of resources, improve energy use efficiency. Finally, using MATLAB software on the LEACH protocol network survival time was studi
6、ed and the simulation, experimental results show that the algorithm has better energy saving, and extended propertiesKey words：WSN；LEACH routing protocols；MATLAB Simulation目 录1 绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 国内外研究现状21.3 本文研究内容与结构32 无线传感器网络概述42.1 无线传感器网络基本概念42.1.1 无线传感器网络体系结构42.1.2 传感器网络的特征42.2 无线传感器网络的应用52.3
7、无线传感器的关键技术83 无线传感器网络路由协议113.1 无线传感器网络路由协议概述113.2 无线传感器网络路由协议分类123.3 无线传感器网络路由协议的特点及设计要求133.4 无线传感器网络路由的典型协议154 LEACH算法协议244.1 LEACH协议工作原理244.1.1 簇的构建阶段254.1.2 稳定工作阶段274.2 LEACH协议的能量传输模型284.3 LEACH算法的仿真294.3.1 LEACH算法的仿真模型294.3.2 仿真实验参数的设置304.3.3 LEACH算法仿真过程314.3.4 LEACH算法仿真结果分析35结 论36致 谢37参考文献38附录A
8、英文原文39附录B 汉语翻译45附录C 程序代码491 绪论1.1 课题研究背景与意义无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)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
9、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
10、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(IEEE Spectrum)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
11、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
12、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
13、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、France Telecom、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。
14、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
15、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
16、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，
17、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，
18、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
19、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、
20、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
21、。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,surveillance and targeting)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。
22、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(Great Duck Island)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
23、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(Smart Sensorsand Integrated Microsystems)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
24、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
25、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
26、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
27、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Smart Dust。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
28、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Ad hoc网络中现有的路由协议，如动态源路由协议(Dynamic Source Routing DSR)和基于距离矢量的按需路由(Ad hoc On Demand Di
29、stance Vector. 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Ad hoc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Ad hoc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
30、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
31、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
32、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
33、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储空间和减少通信开销。（4）网络拓扑控制：传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，删除节点之间不必要的无线通信链路，生产一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。功率控制方面目前已经提出了COMPOW，LINT/LILT，CBTC，LMST，RNG，DRNG和DLSS等算法，层次型拓扑控制目前提出了TopDisc，GAF，LEACH和HEED等算法。 （5）网络协议：由于传感器网络节点的硬件资源有限
34、和拓扑结构的动态变化，网络协议不能太复杂但又要高效。目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定检测信息的传输路径，目前提出了多种类型的协议，如多个能量感知的路由协议，定向扩散和谣传路由等基于查询的路由协议，GEAR和GEM等基于地理位置的路由协议，SPEED和ReInForM等支持的QoS的路由协议。数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。目前提出了S-MAC、T-MAC和Sift等基于竞争的MAC协议，DEANA、TRAMA、DMAC和周期性调度等时分复用的MAC协议等。（6）时间同步：时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的
35、一个关键机制。Jeremy Elson和Kay Romer在2002年8月的Hot Nets-I国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的研究课题，在传感器网络研究领域引起了关注。目前已提出了多个时间同步机制，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。（7）定位技术：位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的检测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。目前的定位技术有基于距离的定位，如基于TOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等；和与距离无关的定位算法，如质心算法、D
36、V-Hop算法、APIT算法等等。3 无线传感器网络路由协议3.1 无线传感器网络路由协议概述无线传感器网络是指大量的通过无线联网的传感器节点采用自组织方式构成的网络，是一种全新的信息获取和处理技术。节点间距离很短，一般采用多跳(multi-hop)、对等(peer to peer)的无线通信方式分布式无线传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到internet上，使用户可以远程访问。无线传感器网络中有三类最基本的实体：目标(Target)、传感节点(Sensing Node)和观测节点(Observer Node)。目标是应用相关的信号源：传感节点是目标信息的监测者，数量众多、
37、分布广泛但资源有限，节点间以无线多跳的无中心方式连接；观测节点作为接收者(Sink)和控制者(Commander)，监听和处理网络事件消息，向网络发布查询请求或派发任务，通常情况下网络中目标节点和观测节点可1个或多个，可静止或运动；传感节点数目众多，通常为静止的，其中有效节点（采集到目标有价值信息的传感节点）是有限的，且在时域和空域上变化。路由就是将有效节点信息传输至观测节点的过程。无线传感器网络的路由协议设计是很具有挑战性的，它不同于传统的无线网络。首先，无线传感器网络节点没有全球唯一的网络标识符，传统的有线、无线网络中，每个节点都有唯一的id用于路由。传感器网络是以数据为中心，某些节点之间
38、的路由是不需要的，而且，大量的传感器节点意味着大量的id，很可能传送id号所需要的数据量比实际上需要传输的数据量还要大，因此无线传感器网络中不能采用传统的路由协议；第二，无线传感器网络中的所有节点都充当源节点的功能，向全网唯一的目的节点sink节点发送数据；第三，因为在被观测对象内部或附近部署了大量的传感器节点，这些传感器节点采集到的数据都是相同或相近的，存在大量的冗余信息，没有必要将这些数据全部发送给汇聚(sink)节点。这就需要路由协议具有很强的数据融合能力，从而节约电能，提高带宽利用率；第四，传感器节点具备的电能和存储能力以及处理能力都是有限的，需要强大的资源管理和任务调度能力，因此路由
39、设计必须将有效利用能源放在第一位，将服务质量(Qos)放在第二位考虑；第五，无线传感器网络中的大部分节点不像传统的Ad hoc网络中的节点一样快速移动，因此没有必要花费很大的代价频繁地更新路由表信息。在无线传感器网络的体系结构中，网络层的路由协议设计非常的重要，且随着应用和网络基础结构的不同路由协议也有所差别。无线传感器网络层的主要目标是：寻找用于传感器网络的高能效的路由建立和可靠的数据传输方法，从而使无线传感器网络寿命最长。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到达目的节点，它主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。在无线传感器网络中，节
40、点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络节点数目巨大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。3.2 无线传感器网络路由协议分类无线传感器网络路由协议从驱动机制的角度可以分为主动式路由协议、按需式路由协议和混合式路由协议：主动式路由协议，所有的路由在使用之前已经形成；按需式路由协议只有在需要使用的时候才形成；混合式路由协议是将上述两种思想结合起来的一种新的路由协议。由于无线传感器节点资源受限，且传感器网络中节点数目众多，传感器节点没有足够的空间用来存储大量的路由表，因此在实际中，按需式路由协议和混合式路由协议更受青睐。无
41、线传感器网络路由协议从网络拓扑结构的角度可以分为：平面路由协议和分级路由协议。在平面路由协议中，所有节点的地位是平等的，通过局部操作和反馈信息来生成路由，原则上不存在瓶颈问题。平面路由协议的优点是简单、易扩展，其缺点是缺乏对通信资源的优化管理，每一个节点都需要知道到达其它所有节点的路由，维护动态变化的路由需要大量的控制信息。在分级路由协议中，网络通常被划分为簇(cluster)，每个簇由一个簇头(cluster-head)和多个簇成员节点(cluster-member)组成，簇成员节点负责采集数据，并将采集到的数据转发给簇头，簇头节点负责簇内部数据的接收和数据融合，然后将数据转发给更高层次的簇
42、。簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，不同层次的节点的作用不同。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性，其缺点是簇头节点能量消耗大，可能会成为整个网络的瓶颈。无线传感器网络路由协议还有其它的分类方法凶。根据传输过程中采用路径的多少，可分为单路径路由和多路径路由。单路径路由节约存储空间，数据通信量少；多路径路由容错性强，健壮性好，且可以从众多路由中选择一条最优路由。根据是否以地理位置来标识目的地、路由计算中是否利用地理位置信息，可分为基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议。根据路由选择是否考虑QoS约束，可分为保证QoS的路由协议和不保证QoS的路由协议。保证Qo
43、S的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等QoS参数，从众多可行路由中选择一条最适合QoS应用要求的路由。3.3 无线传感器网络路由协议的特点及设计要求无线传感器网络路由协议负责在传感器节点和汇聚节点之间建立路由，可靠地传输数据。它主要有两方面的功能：寻找节点之间的优化路径，和将数据分组沿着优化路径正确转发。无线传感器网络中的路由协议具有很多传统网络路由协议没有的特点：（1）无线传感器网络的路由协议关心整个网络能量的均衡消耗。因为传感器节点能量有限，所以降低整个协议的能量开销，并且尽量在节点之间均衡消耗能量，才能尽可能地延长网络生命周期。（2）无线传感器网络的路由协议是以数据为中心的。传
44、统网络采用的是以地址为中心的路由方式。而无线传感器网络是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点或者负责节点的路径。（3）无线传感器网络的路由协议具有应用相关性。需要在不同的应用条件下使用不同的路由协议，没有一个通用的路由协议。针对不同的无线传感器网络应用，人们研究了许多不同的路由协议。根据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，运用多种分类方法对其进行了分类。主要分类有：（1）基于层次的路由协议这类路由协议也可成为基于等级的路由协议。在这类路由协议中，将传感器节点划分到一个个的簇，簇头主要负责自己簇内的路由和对采样的数据进行融合，然后再转发到 Sink
45、 节点，以用来减少网络流量。这类路由协议的典型代表包括 LEACH,TEEN和 PEGAGIS。其中 TEEN 和 PEGAGIS 是从 LEACH 发展而来的。文中以 LEACH 为例来说明该路由协议的基本思想。（2）以数据为中心的路由协议这类路由协议基于数据查询服务，对检测数据按照属性命名，对属性相同的数据在传输过程中进行数据融合，从而减少冗余数据的传输。这类协议同时继承了网络层路由任务和应用层数据管理任务，这类路由协议的代表有 Flooding，Gossiping，SPIN，DD协议。（3）基于位置的路由协议这类路由协议首先假设整个网络内的每个节点都知道其精确的位置信息，然后利用位置信息
46、将数据转发到目标区域，这样就不必为了找到目标节点而向这个网络广播数据。由于 GPS定位技术的发展，才使得研究人员设计出了一些基于位置的路由算法。在大多数的情况下，利用位置信息可测量一对多节点之间的距离，以便为数据报选择更节省能量的传输路径。这类路由协议的典型代表是RR和GEAR。此类路由协议一般具有算法简单、扩展性好、易于实现的特点，相对于其他的协议来讲，此协议是一种比较理想的路由协议，但是它必须在一定的条件下才能实，并且其数据融合能力比较差。（4）基于QoS要求的路由协议这类协议在提供数据路由功能的同时也满足了一定 QoS要求。其中最典型的协是SAR 协议，还有近几年 M.Younis 等提
47、出来的协议，该协议借用与 Internet 中相似的 QoS措施，为数据流选择能保证传输延时的路径。无线传感器网络路由协议设计考虑的因素有：（1）节能 (Energy efficiency)：能源有效性是无线传感器网络设计中要考虑的重要因素。节点低能耗和网络能耗均衡，延长网络生命周期，是无线传感器网络路由设计的首要目标。无线传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗少的消息传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择能够使整个网络能量均衡消耗的路由。（2）容错性(Fault tolerance)：也称为网络的健壮性，传感器节点容易因为能量耗尽或环境干扰而失效，但部分传感节点的失效不应该影响整个网络的任
48、务。周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些不可靠因素都要求无线传感器网络的路由具备一定的容错能力。（3）可扩展性(Scalability)：在一些应用中可能需要成百上千个传感节点，节点失败、新节点加入以及节点移动等，都会使得无线传感器网络的拓扑结构动态发生变化，这就要求网络的机制具有很强的可扩展性，能够动态地适应网络规模和节点个数的变化，保证网络应用的需求。（4）传输延迟(Latency)：传感器网络的延迟时间是指观察者发出请求到收到应答信息所需时间。我们必须尽可能减少时延，保障无线传感器网络通信中的实时性。如在战场敌军地区位置监测系统中，需要将敌军的位置及时地传回，这就要求我们设计的无线传感器网络路由协议传抽延迟尽可能的小。（5）数据融合(Data aggregation)：无线传感器网络节点数据时空分布，有较大的冗余数据融合的基本思想就是将多个不同源节点传来的数据进行融合，消除冗余，减小数据传输量，提高信息的精度和可信度，获得更符合实际需要的结果，节省电能。（6）快速收敛