无线传感器网络技术与应用现状的研究毕业论文［精品论文报告］

无线传感器网络技术与应用现状的研究毕业论文［精品论文报告］内容摘要：

知区域为 Q和 R，节点 B感知区域为 R和 S。 节点 A和 B向节点 C发送自身感知数据时，监测区域 R被发送了两次，因此造成了数据冗余现象的产 生。 图 洪泛中的“内爆”现象 A B D C DATA 中北大学 2020 届毕业论文 第 16 页 共 54 页 图 洪泛中的“重叠”现象 SPIN是一类基于协商机制的自适应传感器网络路由协议。 该类协议基于以下两个基本思想设计 : 第一，各节点通过元数据进行协商，通过传输包含信息类型的元数据来减少数据传输量 ； 第二，改进了 Flooding协议的监测区域“重叠”问题和“信息爆炸”问题。 SPIN类协议认为网络中的每个节点都可以充当基站 (Base Station)的角色。 这使得用户能够查询任意节点的内容，快速获得自身需要的信息。 该协议利用网络中相邻节点具有相似数据的特性。 SPIN1有三种类型的消息帧 (如图 )，ADV,REQ和。 当一个节点有数据可共享时，它可用 ADV数据包对外广播 ； REQ用于请求发送数据。 当一个节点希望接收 DATA数据包时，发送 REQ数据包 ； DATA包含元数据和采集数据。 SPIN2协议和 SPIN1协议类似，不同的是增加了能量约束，如果节点的能量的低于某个临界值，则其不参加广播等活动。 关于其它 SPIN协议如 下 : SPINBC:适用于广播信道。 SPINPP:适用于点对点通信，采用单跳路由。 SPINEC:适用于点对点通信，采用能量约束机制。 SPIN类协议的优点在于由于该类协议只需要局部信息，而不需要全局拓扑信C A B R S Q R,Q R,S 中北大学 2020 届毕业论文 第 17 页 共 54 页 息，因此能够适用于拓扑结构变化的网络。 另外，该协议与 Flooding协议相比，由于使用了协商机制，减少了冗余数据的发送量，因此节省了能量。 图 SPIN协议工作过程示意图 定向扩散 (Directed Difusion)是一种新的以数 据为中心的通信模型。 其突出特点是引入了梯度来描述网络中间节点对该方向继续搜索获得匹配数据的可能性。 该协议要求传感器节点产生的所有数据均以属性一值对命名。 通过将来自不同源节点的数据聚集再重新路由来达到消除冗余和最大程度降低数据传输量的目的。 该协议创建源节点到单一目的节点的多条路径，增加了数据的可靠性 [18]。 在定向扩散协议中，传感器节点测量事件的发生，并在其相应的邻居节点之间建立梯度 (Gradients)信息。 基站通过广播兴趣 (Interest)消息来获得需要的数据。 兴趣消息描述传感器网络所要完成的工作，该 消息通过网络节点单跳扩散(hopbyhop)传播。 与此同时，梯度被建立指向发送该消息 (interest)的节点。 如当基站通过发送兴趣消息来查询特定数据，接收到该兴趣的传感器节点转发该兴趣消息。 最终，每一个接收到该兴趣消息的传感器节点都建立了一条指向发送兴趣消息节点方向的梯度。 该过程一直进行，直到从源节点到目的节点建立了一条完整的梯度路径。 工作过程详见图。 DATA REQ ADV ADV ADV ADV REQ REQ REQ DATA DATA DATA a e d c b f 中北大学 2020 届毕业论文 第 18 页 共 54 页 与前面提到的 SPIN类协议相比，定向扩散协议有两点不同。 第一，定向扩散协议着重于需求数据的查询，这通过以 Flooding的形式传播查询来实现。 而在 SPIN类协议中，传感器节点广播自身允许其它节点查询的数据信息。 第二，在定向扩散中，相邻节点在进行数据传送时能够进行数据缓冲与数据融合 ； 而在 SPIN类协议中，不需要维持定向扩散协议中的全局网络拓扑信息。 另外，由于定向扩散协议是基于查询驱动的协议因此不能用于要求传送持续性数据的应用。 图 定向扩散协议工作过程示意图 除以上两种平面路由协议外，谣传路由协议也是比较重要的平面路由协议。 谣传 (Rumor)路由主要用于不能获得地理位置信息的环境。 通常情况下，当没有节点位置限制时，定向扩散协议广播查询信息到整个网络。 但在查询节点少量数据信息的情况下，通过 Flooding方式向整个网络广播查询需要浪费大量的能量。 在事件信息较小而查询信息较多时，可以采用广播事件 (Event)信息的方法来代替广播查询 (Query)信息。 谣传路由协议的思想就是路由查询信息到特定节点，这些节点己经获得了特定的事件，而不是采用向整个网络广播查询的方法来获得特定的事件。 为了通过向整个网络广播事件，需要产生一个特定的信息包 (Agent)。 该包在整个网络内传输本地局部的事件信息。 当某个节点产生关于某个事件的查询时，事件表内已经存储该信息的节点就会响应该查询，这就避免了路由整个网络的能量消a b c 事件区域 左侧首节点都为源节点 右侧末节点都为汇聚节点 中北大学 2020 届毕业论文 第 19 页 共 54 页 耗。 该路由协议仅仅维持从源节点到目的节点的一条路径，而前面提到的定向扩散协议可以通过多条路径传送信息。 如图 (a)所示，节点 A的探测区域内，发生了Eventl事件。 节点 A将该事件封装成 Agent消息包的形式向网络中的 B传送， B之后向C转发该 Agent消息包， C又向 D转发该消息包。 经过该过程，网络中的节点 D的事件表里都有了 Eventl事件和该事件发生的路径。 在图 (b)中，当节点 E向 D节点发送 Eventl事件的查询， D节点会反馈给 E节点 Eventl事件发生的路径 (图(c)).经过该过程， Eventl事件的发生路径就己经被建立起来了 (图 (d)). 图 谣传路由协议工作过程 层次型路由协议 层次路由协议又称为分级路由协议，其基本思想是选一定数量的节点作为簇头CH(Cluster Head)节点，簇头节点通常具有较高的能量，负责其所在区域的内信息的处理和转发 :其它节点为非簇头节点 NCH(Non Cluster Head)，用于对监控对象周围的数据信息采集工 作。 因此，在该层次化结构中，各个节点之间不是平等的关系。 另外，该类协议通常在 CH节点进行数据的汇集和融合，减少网络中需要传送的数据量，以节省能量 .层次路由协议通常有两个主要工作过程 :一是创建簇过程，即通过某种具体策略选择 CH节点，该 CH节点和其管理的 NCH节点共同构成簇结构。 一是数据中北大学 2020 届毕业论文 第 20 页 共 54 页 汇集、融合和转发过程，即 NCH节点收集特定区域内的事件信息，并将该信息发送给 CH节点， CH节点在对收集的 NCH节点的数据进行融合后，转发给其它 CH节点或直接发送给基站 (BS)。 层次路由协议首先解决了传感器网络节点数目庞大的问题。 随着节点密度的增加，单层网络结构会引起网关 (Gateway)节点的能量消耗过大，而通过分簇的方法，可以有效的解决该问题。 另外，单层网络由于传输路径经过节点个数较多 (即跳数较多 )，这就使网络传输延时较大，对于一些实时性网络，不能及时探测、追踪重要事件的发生。 层次路由协议主要有低能量自适应聚类 LEACHE(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)路由协议 [19]、敏感 阈 值能量有效路由 TEENE(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)协议、周期性自适应敏感 阈 值能量有效路由 APTEEN(Adaptive Periodic ThresholdSensitive Energy Efficient sensor Network Protocol)协议 [20]、能量有效性数据收集路由协议PEGASIS(PowerEfficient Gathering in Sensor Information Systems)[21]等。 下面分别介绍这些协议。 LEACH是基于聚类的分布式路由协议 (如图 )，该协议随机选择一些传感器节点作为簇头 CH(Cluster Head)节点，并采用轮换 CH节点的方式平均能量消耗 .在 LEACH协议中， CH节点对从其它节点收集的数据进行压缩以减少需要传送的数据，然后发送给基站 BS(Base Station)。 经过一段固定的时间间隔后，又会随机选择一定的节点作为新的 CH节点。 由于该协议采用的分布式的数据收集方式，并且 NCH节点间隔性的工作，因此适用于对某个地区进行长时间的监控 [19]。 LEACH协议的工作过程分为两个阶段，建立阶段和稳定阶段。 在建立阶段，建立簇结构，选 择簇头 ； 在稳定阶段，将数据传送到基站。 为了节省能量，稳定阶段应该比建立阶段持续更长的时间。 中北大学 2020 届毕业论文 第 21 页 共 54 页 图 LEACH协议分簇示意图 建立簇过程中，预先确定一个 p值，该值表示簇头节点的百分比。 传感器节点随机产生一个在 0和 1之间的 r值。 如果 r小于闽值 T(n)，则节点变为当前轮的簇头节点 (阈 值是根据期望簇头的百分比计算出来的 )。 如式 ， 11 m o d ( )(),0P nGPrTn P   , 如 果否 则 () 其中， T(n)为第 n个节点在第 r轮成为 CH的概率， P为 CH节点占总节点数的百分比， r为当前轮数， G为在前 1/P轮中未充当 CH节点的集合。 该协议使用 TDMA/CDMA的 MAC层协议来减少簇内和簇间的通信碰撞。 在稳定阶段， NCH节点在 MAC层以时分多路 TDMA(Time Division Multiple Access)的形式向CH节点发送数据。 CH节点对这些数据进行处理，在每帧结束时以载波监听多路访问CSMA(Carrier Sense Multiple Access)的方式将其转发给基站 BS(Base Station)。 LEACH协议的特点 : 第一， LEACH采用的 MAC协议减少了 NCH节点的能量消耗。 其采用的 TDMA机制使NCH节点在属于自己的时间片内向 CH节点发送数据，而在其它时间内处于休眠状态。 第二， LEACH是一种自组织协议。 由于 CH节点消耗的能量较大，因此采用随机选取 CH节点的方式平均能量消耗。 簇 Nch 节点 Ch 节点 Sink 节点 监控区域 中北大学 2020 届毕业论文 第 22 页 共 54 页 第三， LEACH中所有的节点的结构和能量相同，更容易在实际中应用。 第四， LEACH协议中的稳定阶段要比建立簇阶段长的多。 LEACH虽然有以上优点，但也存在如下缺点。 第一，由于按照一 定的概率选择簇头，因此实际的簇头数量并不是一个确定的值。 第二，由于簇在形成过程中是自适应分布式的，因此簇头并不是网络中最优的节点。 针对以上问题， Heinzelman等人提出了 LEACHC协议。 LEACH协议是分布式的路由协议，而 LEACHC协议是集中式的路由协议。 LEACHC协议采用模拟退火(Simulated Annealing Approach)的方法，按照与节点剩余能量有关的概率公式，选取 k个最优的 CH节点来构建聚类。 该协议与 LEACH相比有效提高了基站接收到的数据量，延长了网络的生命周期。 但由于采用集中式控制方式，各节点都要与基站进行通信，因此不能应用于大规模的传感器网络 [19]。 能量有效性数据收集协议 典型的是 PEGASIS。 该协议采用链式传输数据的方式(如图 )，每个传感器节点从邻居节点传送和接收数据，在该该条数据链中仅有一个节点与 Sink节点进行通信。 节点收集的数据沿着数据链路逐条传输。 在传输过程中，接收该数据的节点将数据进行融合后，发送个该链路的下一个节点，直到数据最后传送的 Sink节点。 该协议主要有两点提高 :一是由于采用链式传输路径，节点只需与最近的邻居节点进行通信； 二是节 点通信过程广泛采用了数据融合技术[21]。 虽然与 LEACH协议相比，该协议有效地延长了网络的生命周期，但是由于其采用链式传输路由，导致传输延迟很大。 另外，由于采用单个链路的结构，如果该路径中有一个节点由于某种原因而发生故障，则该节点就会变成网络传输的瓶颈，这种影响直到新的一轮开始重新构成链路时才能够消除。 中北大学 2020 届毕业论文 第 23 页 共 54 页 图 PEGASIS协议中的链式传输 HierarchicalPEGASIS协议扩展了 PEGASIS协议，并有效地解决了以上问题。 HierarchicalPEGASIS协议形成数 据传输的树形结构，下层节点向上层节点传输数据，最后到达根节点 —— 基站 BS。 由于该协议采用了多层链式传输的结构，因此有效地解决了由于跳数过多造成数据传输的延迟过大的问题。 敏感闽值能量有效路由 TEEN(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)协议 (如图 )。 T。