2010届通信工程专业毕业设计（论文）
1.3 本文研究内容及意义
本文以无线传感器网络为研究对象，主要研究多跳通信方式的网络层路由协议，并利用NS2仿真软件实现目的序列距离矢量路由协议。研究内容主要包括以下几个方面：
(l) 介绍了无线传感器网络的发展、概念、体系结构、特点以及应用。
(2) 分析和实现目的序列距离矢量路由协议(DSDV)。主要分析了DSDV路由协议的工作原理和运行机制，以及DSDV路由协议的数据包转发过程，并在理论上证明了DSDV无路由环路及如何解决路由波动问题。
(3) 在NS2上运用C++语言实现了目的序列距离矢量路由协议(DSDV)的仿真，对仿真过程中产生的数据进行分析，从中发现网络拓扑和找到路由路径，并对结果加以分析，进一步深化对DSDV路由协议的认识和了解。
现代信息科学由信息的生成、获取、存储、传输、处理及其应用六大部分组成，其中信息技术产业链和应用环节的前提是信息的获取。如果没有提取到信息，就没有信息的传输处理和应用，也就没有信息化。无线传感器网络的基本功能是获取信息。借助于传感器，可以把被测的物理量转换为相应的电量输出，来实现信息的传输、处理、记录、显示和控制等操作。随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络，一方面可以克服单一节点作用范围的局限，有效扩展信息感知的空间范围；另一方面，可以对多个传感器所采集的信息作融合或综合处理，以便能够从多方位对事物进行刻画。
然而由于传感器节点存在计算能力、存储能力、携带能量十分有限的缺点，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，因此其上只能运行相对比较简单的网络协议。同时，网络资源随着拓扑结构的动态变化也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。路由协议主要作用是寻找源节点到目的节点通信的最优化路径，它对整个网络的利用率提高，避免产生通信拥塞和均衡网络流量至关重要。可以认为，路由协议的好坏决定了整个网络的通信质量和生存周期。因此，研究多跳通信方式和能量有效性的网络层路由协议成为无线传感器网络基础研究的热点，也成为无线传感器网络其它方面研究的基础。
3
张志超： DSDV路由协议分析与仿真
第2章 无线传感器网络及其路由技术概论
2.1 无线传感器网络概述
2.1.1 无线传感器网络定义
无线传感器网络[6](wireless sensor network，WSN)就是由大量密集布设的智能传感器节点构成的网络，它采用自组织方式配置节点，节点间通过协同工作完成感知、数据采集、简单处理并通过多跳通信方式最终将监测区域的数据信息传送给观察者。由于传感器节点数量众多，而布设时只能采用随机投放的方式，因此传感器节点的位置不能预先确定，这就决定了各节点间通过无线信道连接，以自组织网络为拓扑结构，以多跳对等方式进行通信。节点具有简单的计算能力、预处理能力，通过局部的数据采集处理并转发给其它节点，最终把监测数据传送给观察者。 2.1.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络中的节点采用无线方式进行组网，不需要有线基础设施的支持。可以随时随地组建网络，自由地进行通信。各节点本身既是主机又是路由器，既进行信息采集，又转发收到的信息包。其具有以下特点：
(l) 硬件资源有限[7]。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、存储能力都比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
(2) 能量有限。传感器节点被随机布设在监测区域内，没有有线设备的支持，只能靠自身的电池提供能量。传感器节点要收发信息、处理信息都要消耗能量。一旦能量耗尽就会造成传感器节点的失效，出现监测空白。要解决这个问题，一是要通过设计合适的网络协议，减少传感器节点的能耗，使传感器节点能够工作得更长久。对于网络层协议而言就是要减少路由信息的传递，降低路由开销，还要适应拓扑不断变化的网络。降低协议的复杂性，减少处理协议的开销。二是要在网络工作过一段时间后，向网络中补充一些传感器节点。
(3) 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节
4
2010届通信工程专业毕业设计（论文）
点进行路由。在有线网络中，使用网关和路由器来实现多跳路由，而无线传感器网络中没有专门的路由设备，只能由普通网络节点完成多跳路由。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。
(4) 自组织网络。在布设传感器节点的时候通常采用随机散布的方式，例如采用飞机在需要检测的地方进行散播或者由人随机放置。各节点的邻近关系不确定。并且在通信过程中有些传感器节点因为能量耗尽或环境因素的影响而失效，一些通信节点又可能为了弥补失效节点而补充进来，导致网络拓扑的变化。因而无线传感器网络要能够通过节点之间的协调，以适应不断变化的自身条件和外部环境。
(5) 网络动态性[8]。无线传感器网络具有一定的动态性，网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效，因此，网络的拓扑结构会经常动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化，另外无线传感器网络必须具有可重构和自调整性。
无线传感器网络类似于Ad Hoc网络，多跳通信、自组织网络、能量有限。虽然有许多的共同点，但无线传感器网络绝不是Ad Hoc网络的一个子集。它在很多方面有别于Ad Hoc网络。由于这些区别的存在，我们就不能直接将Ad Hoc网络中的协议直接应用于无线传感器网络，而是根据自身特点，对Ad Hoc网络的协议进行必要的改进，进行专门的设计。
2.1.3 无线传感器网络的应用
无线传感器网络作为二十一世纪巨大影响力的技术之一，有着巨大的应用前景。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，借助目前形式多样的传感器节点，可以探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。通过把这些传感器节点在探测区域的大量散布，可以实现多种应用：
(1) 军事应用
传感器网络研究最早起源于军事领域，实验系统有海洋声纳监测的大规模传感器网络，也有监测地面物体的小型传感器网络。现代传感器网络应用中，通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域，如敌方阵地内，收集到有用的微观数据；在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为传感器网络整体仍能完成观察任务。传感器网络的上述特点使得它具有重大军事价值，可用于监测人员、装备等情况以及单兵系统；通过在人员、
5
张志超： DSDV路由协议分析与仿真
装备上附带各种传感器节点，可以让各级指挥员比较准确、及时地掌握己方的保存状态；监测敌军进攻；评估战果；核能、生物、化学攻击的侦察等地方。
(2) 智能交通
无线传感器网络具备功耗低、传输距离远、可靠性高、组网能力强的优良特性，可以为智能交通系统的信息采集提供一种有效手段，可以监测路口各个方向上的车辆，根据监测结果，改进信号控制算法，提高交通效率。在交通信息采集中，终端节点可以定时收集和感知区域内车辆的相关信息。当车辆进入监控范围后，采集车辆的行驶速度等信息，并将信息传送给下一个节点。当下一个节点感应到该车辆时，结合车辆在两个传感器节点间的行驶时间，就可估算出车辆的平均速度。多个终端节点将各自采集并初步处理后的信息通过汇聚节点汇聚到网关节点，进行数据融合，获得道路车流量与车辆行使速度等信息，从而为交通信号控制提供精确的输入信息。
(3) 建筑监控
在建筑物局部形成一个无线传感器网络，分布在建筑物不同位置的传感器节点把建筑物各点的压力值、摩擦力、张力值、振动幅度等不同数据通过sink节点发送到数据处理中心。数据处理中心依据这些传感器节点传送来的信息，绘制相应的监控曲线。由于建筑物所处的位置通常都位于设有有线基础设施的城市或其附近，sink节点可以通过GSM等传统通信网络把采集到的数据传送给附近的数据处理中心，人们可以对此进行相关的分析，因此就通过WSN实现了对建筑物随时随地的远程监控。
(4) 安全监控
在上海世博会的召开期间，为了确保世博会期间各方面的安全，特别是水、电、煤气、交通等重要基础设施和会展场馆等重要场所的安全。作为一种新兴的检测技术，WSN具有快速布置、自组织等特性，胜任大范围、多信号的分布式检测，可以在安全预警、应急处理和灾后恢复中发挥重要作用。在2010年世博会的安全保障中，WSN应用过程如下所述：(1)根据待检测目标和预期应用环境，设计和开发集成了相关传感器的节点；(2)将这些传感器节点布置在检测区域，经过简单的初始化配置，这些节点组网形成WSN，并准备接受检测任务；(3)根据控制台的命令完成有关检测任务，并定期汇报或紧急报告检测信息至控制台。
6
2010届通信工程专业毕业设计（论文）
2.2 无线传感器网络的结构
2.2.1 分层结构
无线传感器网络的分层结构如图2.1所示。MAC层和物理层协议采用的是IEEE802.15.4。IEEE802.15.4是针对低速无线个人区域网络(LR-WPAN)制定的标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。IEEE802.15.4的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，所以许多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。
应用、安全、多媒体 应用层传输层网络层可靠、确认、流量控制、吞吐量连接/无连接、路由、可达性介质访问、功率管理、帧格式信道编码、无线传输、调制解调 数据链路层IEEE802.15.4 物理层
图2.1 无线传感器网络的分层结构
2.2.2 节点硬件结构
一个传感器节点由四个基本部分组成[9]。如图2.2所示：一个感测单元、一个处理单元、一个收发单元和一个供电单元。感测单元就是传感器模块中负责监测区域内信息采集和数据转换。处理单元主要负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据。收发单元负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；供电单元负责为传感器节点提供运行所需的能量。
供 电 单 元处理单元存储器传感器ADC处理器收发器收发单元感测单元位置查找系统移动设备图2.2 传感器节点结构图
7