无线传感器网络路由协议研究毕业论文

无线传感器网络路由协议研究毕业论文
目录
前言 (I)
第1章无线局域网技术 (2)
1.1 引言 (2)
1.2 无线局域网的组成及工作原理 (2)
1.2.1 无线网卡 (2)
1.2.2 无线接入点 (2)
1.3 无线局域网的主要特征 (2)
1.3.1 网络拓扑结构 (2)
1.3.2 传输媒质及传输方式 (2)
第2章无线局域网的分析与发展 (3)
2.1 引言 (3)
2.2 无线局域网的现状 (3)
2.4 无线局域网的发展前景 (4)
第3章无线传感器网络路由协议分析 (5)
3.1 引言 (6)
3.2 无线传感器网络简介 (7)
3.3 无线传感器路由协议的特点 (10)
3.3 无线传感器网络路由协议分类 (17)
3.3.1 基于梯度的路由协议 (12)
3.3.2 基于等级的路由协议 (14)
3.3.3 基于平面的路由协议 (2)
3.3.4基于位置的路由协议 (2)
第4章无线传感器路由协议比较研究与趋势 (15)
4.1 引言 (16)
4.2 路由协议的比较研究 (17)
4.2.1 泛洪方式【Flooding】 (12)
4.2.2 集群方式(Clustering) (14)
4.2.3 地理信息方式(Geographic) (2)
4.3.1 基于服务质量方式 (12)
4.3 无线传感器路由协议的发展方向 (17)
注释 (26)
致谢 (27)
参考文献 (28)
附录一 (30)
附录二 (31)
前言
目前，人们工作、生活已经离不开互联网，上网也成为人们工作、生活中的必需。

在解决了办公室的上网问题以后，人们又在考虑如何在出行的时候也能方便地上网。

无线局域网满足了人们的这种需求，这个领域也正在成为发展非常迅猛的市场之一。

无线局域网(WLAN，Wireless IDca1 Area Networks)是计算机网络技术与无线电通信技术结合的产物，是在有线局域网的基础上发展起来的。

与有线局域网相比，无线局域网采用的是无线链路(Cable-free link)构成网络。

局域网广泛应用于办公自动化、工业自动化和银行等金融系统，并且符合队、公安部门等其它特殊场合的要求。

具有很大的发展潜力。

无线传感器网络(WSN)是传感器技术、通信技术和计算机技术相结合的产物，南于无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在了一起，改变了人类与自然界的交互方式，因而它具有了广泛的应用前景。

美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2l世纪最有影响的技术和改变世界的技术之一。

本文介绍了无线局域网的技术，并且设想了一下它的发展趋势。

也详细的分析了影响路由协议性能的一些因素，最后对主要的路由协议进行了分析和阐述。

第一章无线局域网技术
1.1 引言
目前，人们工作、生活已经离不开互联网，上网也成为人们工作、生活中的必需。

在解决了办公室的上网问题以后，人们又在考虑如何在出行的时候也能方便地上网。

无线局域网满足了人们的这种需求，这个领域也正在成为发展非常迅猛的市场之一。

1.2 无线局域网的组成及工作原理
1.2.1 无线网卡
无线网卡是在无线局域网的覆盖下，通过无线连接网络上网所使用的无线终端设备。

无线网卡一般由网络接口控制器(NIC)、扩频调制及解扩解调单元及微波收发信机单元等三部分组成，如图l所示。

其中：NIC为网络接口控制单元；BBP是基带处理单元；IF是中频调制解调器；RF是射频单元。

图1 无线局域网网卡的组成
NIC可以实现IEEES02．I1的协议规的MAC层功能，主要负责接入控制，在移动主机有数据要发送时，NIC负责接收主机发送的数据，并按照一定的格式封装成帧，然后根据多址接入协议(在WLAN中为IEEE802．11协议)把数据帧发送到信道中去。

当接收数据时，NIC根据接收帧中的目的地址，判别是否是发往本机的数据，如果
是则接收该帧信息，并进行CRC校验。

为了实现上述功能，NIC还需要完成发送和接收缓存的管理，通过计算机总线进行DMA操作和I／O操作，与计算机交换数据后面三个单元组成一个通信机，用来实现物理层功能，并与NIC进行必要的信息交换。

由于宽带无线IP网络中的通信业务具有宽带、突发的特点，因此对通信机提出了更高的要求。

BBP在发送数据时对数据进行调制，IF处理器把基带数据调制到中频载波上去，再由RF单元进行上变频，把中频信号变换到射频上发射。

在接收数据时，先由RF单元把射频信号变换到中频上，然后由IF进行中频处理，得到基带接收信号。

BBP对基带信号进行解调处理，恢复位定时信息，把最后获得的数据交给NIC 处理。

事实上，在物理实现上可以将不同的功能单元组合到一起。

例如NIC与BBP 处理器都工作在基带，可以将两者集成到一起；IF可以全数字化，它与BBP结合在一起可以更方便地实现一些功能。

无线网卡的软件主要包括基于MAC控制芯片的固件和主机操作系统下的驱动程序。

固件是网卡上最基本的控制系统，主要基于MA C 芯片来实现对整个网卡的控制和管理。

在固件中完成了最底层、最复杂的传输／K 送模块功能，并向下提供与物理层的接I21，向上提供一个程序开发接口，为程序开发人员开发附加的移动主机应用功能提供支持。

1.2.2无线接入点(AP)
无线接入点作为移动终端与有线网络通信的接入点，其主要任务是协调多个移动终端对无线信道的访问，所以其功能主要对应于0sI模型中的MAC层。

和有线以太网中的Hub类似可以实现。

无线网络的帧格式(IEEDq02．11帧)与有线网络的帧式(IEEES02．3帧)之间的转换；负责本CELL的管理，包括终端的登陆、认证、散步和漫游的管理；具有简单网管功能。

做到“操作透明性”和“性能透明性”。

从逻辑上讲，AP由无线收发部分、有线收发部分、管理与软件部分及天线组成，如图2所示。

图2 AP组成图
上有两个端口，一个是无线端口，所连接的是无线小区中的移动终端；另一个是有线端口，连接的是有线网络。

在AP的无线端口，接收无线信道上的帧，经过格式转换后成为有线网格式的帧结构，再转发到有线网络上；同样，AP把从有线端口上接收到的帧，转换成无线信道上的帧格式转发到无线端口上。

AP在对帧处理过程中，可以相应地完成对帧的过滤及加密工作，从而可以保证无线信道上数据的安全。

1.3 无线局域网的主要特征
1.3.1网络拓扑结构
WLAN拓扑结构可分为有中心(Hub-Based)和无中心(Peer to peer)局域网两类。

在有中心结构的网络拓扑中，设有一个无线节点充当基站，所有节点访问均由其控制，每个节点只要在中心站覆盖围之就可与其它节点通信，并且中心节点为访问有线主干网提供了一个逻辑节点，这与蜂窝式移动通信的方式非常相似。

这种结构的缺点是抗毁性差，中心节点的故障容易导致整个网络的瘫痪；对于无中心结构的网络，要求其中任意节点均可与其它节点通信，所以又称自组织网络(Ad hoc)。

由于无中心节点控制网络的接入，各节点都具有路由器功能，又都可以竞争共用信道，为此，大多数无中心结构的WLAN都要采用CS^ 类型的MAC协议。

应该指出的是，自组局域网在军用和民用领域都有很好的应用前景，在军事领域中，由于战场往往没有预先建好的固定接入节点，携带移动站的战士就可以利用临时建立的移动自组网络进行通信。

这种组网方式也能够应用到作战的地面装甲
车辆和坦克群，以及海上舰艇群、空中的机群。

由于每一个移动设备都具有路由器的转发分组的功能，因此，这种自组局域网的生存能力非常好。

在民用领域，当出现自然灾害时，在抢险救灾中利用移动自组网络进行及时的通信往往也是很有效的，因为这时事先已经建好的固定网络基础设施可能都已被毁坏。

1.3.2 传输媒质及传输方式
WLAN的传送介质有两种，即无线电波和红外线，前者使用居多。

红外线局域网有较强的方向性，适于近距离通信。

而采用无线电波作为媒体的局域网，覆盖围大，而且，这种局域网多采用扩频技术，发射功率比自然背景的噪声低，有效的避免了信号的偷听和窃取，使通信非常安全，具有很高的实用性。

无线局域网采用微波传输，使用的频段有三个，L频段、S频段、C频段。

目前大多数产品使用S频段（2．4GHz～2．4835GHz)，在这些波段的WLAN的产品大多数采用扩频调制方式，主要有DS和FH两种。

第二章无线局域网的分析与发展
2.1 引言
无线局域网(Witeless local—al-ea network，WLAN)是90年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。

通俗的说，无线局域网就是在不采用传统电缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏在墙里，网络却能够随着你的需要移动或变化。

进入90年代以来，随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端的广泛应用，为了实现任何人在任何时间、任何地点均能实现数据通信的目标，要求传统的计算机网络由有线向无线，由固定向移动，由单一业务向多媒体发展，更进一步推动了wLAN的发展。

过去几年，人们对无线局域网(WLAN)硬件的需求有了显著的增长，无线局域网很快从新奇的技术发展成为生活必需品。

2005年WLAN芯片组出货量突破1亿套大关，k~2oo]年不足1000万套增长了10多倍，这些数字说明WLAN市场正在快速扩。

2.1 无线局域网的现状
无线局域网在各行业的广泛应用取得了引人瞩目的成果，展示了极为广阔的市场前景，它将创造崭新的生活和工作风尚。

从市场划分上看，根据客户的不同需求划分为几个不同的层次：家庭应用／小型办公室／企业应用／公众服务。

2.1.1家庭应用
目前家庭部使用计算机已经成为必需，很多家庭已经拥有两台以上的电脑。

家庭电脑的应用，已经从学习计算机知识和文字处理，过渡到了信息获取。

同时国宽带服务越来越多，很多家庭已经选择了使用宽带服务。

但家中布线是最头疼的问题之一。

家庭只有一个LAN口，却有两台以上电脑需要上网。

另外，一般宽带服务只给家庭提供一个IP地址，多个电脑需要进行连接还得共享这一个IP。

在这种环境下，最理想的解决方法是选择一台无线局域网网关设备，覆盖家庭的全部面积。

无线局域网家庭网关不但提供无线的连接，同时也承担了共享IP的路由功能。

家中的计算机，只要安装无线局域网网卡，就可以通过AR连接上Internet。

这样家中的网络相当简洁方便，台式机安装USB接口的网卡，可以任意选择摆放的房间和位置。

2.1.2小型办公室
很多小型的公司需要建立一个部的局域网，传统的方法是在办公室进行有线布线，每个座位附近安装一个局域网的RJ45接口。

计算机安装网卡，通过网线连接到网口，使用HUB或者交换机建立一个小型的局域网，提供文件共享，打印，共享Internet连接等等服务。

对于很多小型公司来说，布线的综合成本比较高。

在这种情况下，小型公司可以考虑利用无线局域网来实现办公室的网络部署。

在办公室安装一个无线局域网的接入点(AP，Access Point)，每个机器安装一个无线网卡，可以在一个小时建立起公司部网，快速进入工作状态。

2.1.3企业应用
大型企业一般都已经有了成熟的有线网络，这时无线局域网成为大型企业部网络的一个延伸和补充。

对于会议室进行无线覆盖，可以为参加会议的人员便利的网络连接，方便会议中的资料演示和文件交换。

2.1.4公众服务
利用无线局域网为公众提供服务是最近才出现的新概念，含义就是在热点地区，比如机场，酒店，会展中心等，利用无线局域网进行覆盖，为客户提供高速
的宽带无线连接。

随着笔记本电脑的普及，大量在旅途中的商业人士希望能够在机场或者酒店等区域能够连接上网。

无线局域网的特性刚好能够在这样的小围提供高速无线连接，因此已经在3G推出之前成功地服务了大量客户。

在一些大型的国际会议上，无线局域网就为参会者和记者提供覆盖全部会场的Internet连接，效果非常好。

用户携带配有无线网卡的笔记本电脑，就可以在这类区域无线上网。

2.2 无线局域网的发展前景
从无线局域网的进一步推广应用来看，未来的研究方向主要集中在安全性、移动漫游、网络管理以及与3G等其他移动通信系统之间的关系上。

2.2.1安全问题
IEEE802．1 1协议标准建议使用两种安全解决方案。

一种是IEEE 802．1 1安全任务组(TGi)构建的安全框架——鲁棒型安全网络(RSN)。

这种网络用IEEE 802．Ix提供基于端口的接入控制、鉴权和密钥管理。

该标准用可扩展鉴权协议(EAP)实现对用户的鉴权。

鉴权服务器和用户之间使用远程鉴权拨入用户服务协议(RADIUS)进行通信，RA DIUS协议在网络接入的鉴权、授权和计费( )中得到广泛采用。

由于IEES02．Ix主要是针对有线局域网设计的，在无线局域网中使用IEE802．Ix不可避免地存在漏洞。

所以，尽管它对无线局域网的安全性能有很大改善，802．ix
和802．1l的结合仍然不能提供足够的安全。

另一种方式则是目前广泛应用于局域网络及远程接入等领域的虚拟专用网(VPN)安全技术。

与802．11 b标准所采用的安全技术不同，在IP网络中，VPN主要采用IPSec技术来保障数据传输的安全。

对于安全性要求更高的用户，将现有的VPN安全技术与802．11b安全技术结合起来，是目前较为理想的无线局域网络的安全解决方案。

2.2.2漫游切换问题
无线局域网的漫游问题是继安全问题之后的一个至关重要的问题。

在无线网络中，如果一边使用无线局域网接入服务，—边移动接入位置，那么一旦移动终端超越子网覆盖围，IP数据包就无法到达移动终端，正在进行的通信将被中断。

为此，IETF制定了扩展IP网络移动性的系列标准。

所谓移动IP，就是指在IP网络上的多个子网均可使用同一IP地址的技术。

这种技术是通过使用被称为本地代理(Home Agent)和外地代理(Foreign Agent)的特殊路由器对网络终端所处位置的网
络进行管理来实现的。

在移动IP系统中，可保证用户的移动终端始终使用固定的IP地址进行网络通信，不管在怎样的移动过程中皆可建立TCP连接并不会发生中断。

在无线局域网系统中，广泛的应用移动IP技术可以突破网络的地域围限制，并可克服在跨网段时使用动态主机配置协议(DHCP)方式所造成的通信中断、权限变化等问题。

2.2.3无线网络管理问题
相对于有线网络，无线局域网具有非常独特的特性，因此必须建立相应的无线网络管理系统。

除了系统结构、用户需求和典型应用等模块之外，一个好的无线网络管理系统还必须考虑以下因素：①标准的网管通信方式。

网管子系统通常与中央主机相连。

网管子系统必须基于工业标准的管理协议(比如SNMP)，这样才能监视主机和子系统之间每条链路上的状态信息，并可根据状态信息快速分析和解决出现的问题。

②网络监视和报告。

主机必须能够监视无线网络系统中所有单元。

考虑到无线网络的连接性不如有线网络那样稳定，无线网络管理系统必须监视和报告无线信号的变化以及接入点的业务类型和负载情况，还须能自动发现进入无线网络体系结构的新设备。

③有效地利用带宽。

尽管随着新技术的发展，无线网络的可用带宽逐步增大，但还是远远小于有线局域网的带宽。

因此，在实际应用中必须考虑带宽的合理使用。

2.2.4无线局域网与3G
无线局域网是否会对第三代移动通信系统构成威胁是近年来业界关心的一个问题。

实际上，无线局域网与3G采用的是截然不同的两种技术，用于满足不同的需要。

与3G不同的是，无线局域网并不是一个完备的全网解决方案，而只是用于满足小型用户群的需求。

无线局域网与3G可以互补，因此不会对3G运营商造成威胁，运营商还可以从无线局域网和3G的共存中获得好处。

NorthStream的研究表明，无线局域网与3G和GPRS的结合可增加用户的满意程度和业务量，从而增加移动运营商的利润。

作为3G 的一个重要补充，无线局域网可用于在诸如机场候机厅、宾馆休息室和咖啡厅等地方建立无线Internet连接。

第三章无线传感器网络路由协议分析
3.1 引言
随着电子器件制造工艺和无线通信技术的发展，以大量具有片上微处理能力的微型传感器节点组成的无线传感器网络逐渐成为工业界和学术界研究的热点问题 J。

低成本、低功耗、多功能传感器在军事、工业、交通、环保等许多领域得到广泛应用，尤其是在没有骨干网络存在的情况下，比如人员无法到达区域，战场等破坏性强的地域等，传感器网络应用前景更为广泛。

本章介绍了无线传感器网络路由协议的特点以及对它进行了一系列的分类。

3.2 无线传感器网络简介
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种特殊的无线自组网，它是由大量密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统。

其快速方便的部署特性和完备的监控能力使其被广泛应用于军事、工业过程控制、卫生保健和环境监测等领域。

在无线传感器网络中一般有一个或多个节点充当数据汇聚点(Sink)，网络中传感器节点收集的数据，通过多跳的方式传送到Sink点，Sink点将融合后的数据通过有线或无线的方式传送给观察者。

随着电子器件制造工艺和无线通信技术的发展，以大量具有片上微处理能力的微型传感器节点组成的无线传感器网络逐渐成为工业界和学术界研究的热点问题 J。

低成本、低功耗、多功能传感器在军事、工业、交通、环保等许多领域得到广泛应用，尤其是在没有骨干网络存在的情况下，比如人员无法到达区域，战场等破坏性强的地域等，传感器网络应用前景更为广泛。

为加快其实用进程，相关机构已建立了若干演示系统，相关研究成果也很多。

但是，相对于传统的网络相关问题的研究进展而言，该领域还是处于探索阶段。

通常，传感器网络中主要有两种类型的节点：传感器节点(sensor，结构如图1所示)和接收器节点(sink)，传感器节点主要用于事件的感知(数模／模数转换)以及分组数据的传输(考虑到普遍性，本文不区别异构传感器节点组成的传感器网络)而接收器节点则具有人机界面，可以接人其它类型的网络体系，它也是所有传感器节点数据传输的目标节点。

总体而言，无线传感器网络普遍具有以下特征：
（1）大量具有有限资源(能量，片上运算能力，存储空间，通信距离)的传感器节点以预定义或者随机散布的方式存在；
(2)基于传感器节点在应用中会以随机散布和高密度存在的情况，所以通常不对其进行统一IP编址，同时相关协议能支持节点自组织形成长效的网络结构；(3)相关协议支持传感器节点间自动协作和交换控制信息，传感器节点不具备人机控制界面，而这也是区别于Ad Hoc网络的重要特征。

3.3 无线传感器网络路由协议的特点
任何网络的数据传输都离不开路由协议。

路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能寻找源节点和目的节点的优化路径，将数据分组沿着路径正确转发。

无线传感器网络的路由协议干传统
络路由协议相比，具有如下特点
l，能源有效性
传感器节电体积微小，通常只能携带能量十分有限的电池。

由于传感器节电结点个数众多，成本要求低廉，地域分布广。

而且部署区域环境复杂，所以传感器节点通过更换电池的方式是不现实的，因此延长整个网络的生存期成为无线传感器路由协议设计的首要目标。

2、以数据为中心
由于节点分布不是预先计划的，而且节点位置也不是预先确定的，这样就有一些节点由于发生较多错误或者不能执行指定任务而被中止运行。

为了在网络中监视目标对象，在路由协议中配置冗余节点是必要的，节点之间可以通信和协作，共享数据，这样可以保证获得被监视对象比较全面的数据。

3、网络的容错性和高度协作性
在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，这样做的目的是减少无线链路中传送的数据量，只有与其他节点相关的信息才在链路中传送。

传感器节点容易因为能源耗尽或环境干扰而失效。

部分传感节点的失效不应影响整个网络的任务。

这就需要设计专门的路由协议，既能适应高度的拓扑时变，又不引入过多的协议开销或过长的路由发现延迟。

4、规模更大，可扩展性更高
无线传感器网络应能支持数百甚至上千个结点。

网络规模更大意味着路由协议收敛时间更长，网络规模越大，主动路由协议的路由收敛时间和按需路由协议的路由时间发现就越长，而网络拓扑保持不变的时间间隔就越短。

因此路由设计应该满足大量节点协作。

3.4无线传感器网络路由分类
3.4.1 基于梯度的路由协议
此类路由协议的基本思想是建立一个类似于地球引力场一样的梯度场，以
sink为中心，则当source得到数据后，数据可以自动地从源发送到目的，其中每个节点将维护一个梯度值。

其代表协议有DDE。

和GRAB，本文以DD(又称为定向扩散)为例说明其主要思想。

DD是Ertrin等人专门为SN设计的路由策略，它是以数据为中心的路由协议，与已有的路由算法的实现机制截然不同。

节点用一组属性值来描述其需要的数据或者收集到的数据，比如其属性值可以是由类型(type)、监测围(reet)、时间标签(timestamp)、梯度域集(gradient field，按照能耗最小化的原则引导数据扩散的方向)等组合的。

DD具体实现分为3个阶段(如图2～图4)。

图2表示sink向整个网络扩展其“兴趣”(Interest)，表示其需要的数据类型，其中“梯度”将与整个业务请求的扩散过程相联系，而兴趣将是按照前面提出的一组属性值构成的。

图3表明梯度场的建立，节点将根据其记录的兴趣为某种类型的梯度计算一个梯度值，值越大则沿该方向获得匹配数据的可能性越大，这种处理将最终在整个网络中为sink的请求建立一个“梯度场”。

图4表示梯度场建立之后，一旦有匹配数据，该数据即可自动地沿着梯度最大的方向经过多跳回到sink。

DD最大的特点是引入了“梯度”概念，从而得到一种分布式算法，其基本思想源于生物学中的蚂。