无线传感器网络中基于地理位置的路由

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无线传感器网络中基于地理位置的路由

协议研究

摘要

无线传感器网络是一种新兴的网络技术，它综合了传感器技术、嵌入式计算机

技术、分布式信息处理技术和无线通信技术。它由许多部署在监测区域中的传感器

节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统，协作地感知、采

集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。在无线传感器网络中

路由技术是核心关键技术，在网络设计中担任着很重要的作用。

本文的主要内容是基于地理位置的路由协议设计。在无线传感器网络中节点数

量庞大，单个节点资源非常有限，因此路由协议设计的首要目标是提高节点能量利

用率，延长网络生命周期。GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)路由协议直接

使用地理位置信息作为路由选择的依据，它避免了在节点中建立、维护和存储路由

表，只依赖直接邻居节点的位置信息进行路由选择，几乎是一个无状态的路由协议

它采用贪婪转发与边界转发相结合的方式发送数据分组。当源节点有数据分组需要

发送时，首先采用贪婪转发的方式发送数据分组，当遇到路由空洞时将依据右手法

则采用边界转发的方式发送数据分组，绕过路由空洞后将转发方式重新标记为贪婪

转发，直到数据分组到达目的节点。本文对GPSR协议存在的盲目绕路和三角路由

问题进行了分析，介绍了一种采用Landmark思想改进的GPSR协议。改进协议给网

络中的每个节点建立一个LC(Landmark Cache)表，用于存储转发过的目的节点的

Landmark信息，利用Landmark信息可以很好地解决盲目绕路和三角路由问题。本

文在基于Landmark思想的GPSR协议的基础上进一步提出了一种改进方案，通过设

置包头中字段N的值，来解决关键节点失效后链路丢失问题。

最后，本文在OPNET平台上对GPSR协议进行了仿真。仿真结果显示，GPSR

路由协议有效的减少了路由跳数，数据分组的发送和接收性能也非常好，可以有效

的节省节点能量，延长网络的生命周期。

关键词：无线传感器网络地理位置路由协议 GPSR协议网络仿真

ABSTRACT

Wireles s se nso r n e twor k i s an emergi n g n etw ork tech nol ogy, it combines sen so r

technology、embedded computer technology、distributed information technology and

wireless communications technology. It consists of a lot of sensor nodes that deployed

i n t h e m o n i t o r i n g a r e a , t h e y c o o p e r a t e w i t h e a c h o t h e r p e r c e i v e d、c o l l e c t e d a n d

pr o c e ssed t h e info r mation o f perc e i ved o b j ect th a t cover e d by n e twork , a nd se n d the

information to the observer. In wireless sensor network, routing technology is the core

and key technology, and in the network design as a very important role.

Th e m a i n c o n t e n d o f t h i s p a p e r i s t h e d e s i g n o f r o u t i n g p r o t o c o l t h a t b a s e d o n

geographical location. There have a lot of nodes in wireless sensor network, signal node

w i t h v e r y l i m i t e d r e s o u r c e s , s o t h e f i r s t g o a l o f r o u t i n g p r o t o c o l i s i m p r o v e e n e r g y

e f f i c i e n c y a n d e x t e n d t h e n e t w o r k l i f e c y c l e . G P S R r o u t i n g p r o t o c o l d i r e c t l y u s e

ge o g r aphic i n form a t ion as t h e ba s i s for s e l ect r o u ting. It u s e s gre e d y for w a rding a nd

boundary forwarding send data packet. When the source node has packets need to send,

first using the way of greedy forwarding to send the data packets, if the data packets

faced with Void, the routing protocol will turn to boundary forwarding that based on

right hand rule. When the data packet bypassed the Void, the routing

protocol will re-mark the forwarding method to greedy forwarding, until the data packet

received by destination node. This paper analyzed the blind detour and triangle routing

problem in GPSR routing protocol, introduced an improved GPSR routing protocol that

used Landmark idea, improved protocol established a Landmark Cache for every node

in the network, been used for store the information of Landmark that forwarded nodes,

use Landmark information we can solve the problem of blind detour and triangle routing

well. In this paper, based on the improved protocol that used Landmark idea presented

an improved scheme, set the value of N in the header field, to solve the problem of

missing link when the key node failure.

Fin ally, Sim u lat ed GPSR in the OPNET p latform . Sim ulat ion res ults shows tha t

GPSR can effectively reduce the routing hops, and the performance of data send and

receive is very good, can effectively save energy and extend the life cycle of network.

K e y W o r d : W i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k , G e o g r a p h i c r o u t i n g p r o t o c o l ,

GPSR, Network Simulation

第一章 绪 论
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.........................................................1
§1.1 课题研究背景和意义.........................................1
§1.2 国内外研究现状.............................................2
§1.3 本文主要研究的内容.........................................3
§1.4 论文的组织框架.............................................4
第二章 无线传感器网络概述............................................5
§2.1 无线传感器网络.............................................5
§2.1.1 无线传感器网络结构...................................5
§2.1.2 传感器节点的结构.....................................6
§2.1.3 无线传感器网络协议栈.................................6
§2.1.4 无线传感器网络的特点.................................7
§2.1.5 无线传感器网络的应用.................................9
§2.2 仿真软件简介..............................................10
§2.3 本章小结..................................................11
第三章 无线传感器网络路由协议研究...................................13
§3.1 路由协议的分类............................................14
§3.2 能量感知路由..............................................14
§3.3 基于查询的路由............................................16
§3.4 可靠路由协议..............................................18
§3.5 地理位置路由..............................................19
§3.6 本章小结..................................................20
第四章 基于地理位置的路由协议研究...................................21
§4.1 GPSR 路由协议..............................................21
§4.1.1 GPSR 路由协议的基本原理..............................21
§4.1.2 边界转发机制........................................22
§4.2 GPSR 路由协议的一种改进策略................................27
§4.2.1 问题的描述..........................................27
§4.2.2 协议改进............................................28
§4.2.3 协议改进前后的比较..................................31
§4.3 GPSR-L 协议的一种改进方案..................................32
§4.3.1 问题的提出..........................................32
§4.3.2 改进方案............................................33
§4.4 本章小结..................................................35
第五章 无线传感器网络 GPSR 路由协议的 OPNET 仿真研究...................36
§5.1 OPNET 仿真平台介绍.........................................36
§5.1.1 OPNET Modeler 的特点.................................36
§5.1.2 OPNET 的仿真机制.....................................37
§5.1.3 OPNET 仿真流程.......................................38
§5.2 GPSR 路由协议仿真建模......................................39
1

无线传感器网络中基于地理位置的路由协议研究

§5.2.1 GPSR 协议网络模型....................................39

§5.2.2 GPSR 协议节点模型....................................40

§5.2.3 GPSR 协议无线信道模型................................41

§5.2.4 GPSR 协议进程模型....................................43

§5.2.5 GPSR 路由协议仿真性能分析............................47

§5.3 本章小结..................................................51

第六章结论........................................................52

参考文献............................................................54

第一章绪论

§1.1 课题研究背景和意义

计算机技术、微电子技术和无线通信等技术的进步，推动了多功能低功耗传

感器的快速发展，使其在微小的体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信

等多种功能。无线传感器网络(wireless sensor network, WSN)就是由部署在监控区

域内的大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组

织网络系统，它的目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信

息，并发送给观察者。感知对象、传感器和观察者构成了无线传感器网络的三要素

如果Internet 说改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就建立

了人与客观世界的沟通渠道。通过无线传感器网络，人们可以与客观世界进行信

息的交互，采用这样的方式，极大扩展了现有网络的功能，增强了人类认识世界

了解世界的能力。无线传感器网络可以把人类世界和客观世界有机结合起来，使

人类的物质和精神世界得到极大的丰富[1]。

传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术和通信技术的综合应用

形成了无线传感器网络技术。它可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件

下获得大量的客观世界的信息，现在已经被人们广泛应用于军事现代化、维护国

家安全、监测自然环境、交通运输管理、医疗卫生和工业自动化等各种领域。WSN

第一章绪论

是信息感知和采集的一场革命，在新一代网络中具有关键的作用。美国《商业周

刊》和MIT 技术评论认为WSN 是全球未来三大高科技产业之一（另外两项技术

是：塑料电子学和仿生人体器官），是二十一世纪最具影响力的二十一项技术之

一和改变世界的十大技术之一[2]。

路由协议用于在节点间建立联系，从而构成网络，是无线传感器网络的核心

技术之一，路由协议的性能和整个网络的性能密切相关。在无线传感器网络中每

个节点既是传感器又可能是路由器，具有有限的计算能力、有限的存储能力、有限

的无线通信能力和有限的电源供应等特点。如何才能在有限的资源条件下和长时

间范围内，尽可能多地获得客观世界的信息，并把这些信息通过高效的传输方式

发送给汇聚节点，是当前人们研究的主要问题之一。目前，国内外的无线传感器

网络研究主要集中在无线通信技术、微型嵌入式实时操作系统和网络路由等若干

关键技术领域。对于无线传感器网络在宏观领域的路由技术问题，仍然没有比较

快的进展，并且很多研究人员把无线传感器网络作为目前无线通信技术的一种延

续，坚持把 Ad hoc 网络技术作为无线传感器网络的底层支持，想把目前的网络体

系结构直接移植到无线传感器网络中。由于无线传感器网络的特殊性，这些都不

能对无线传感器网络路由协议在应用中遇到的问题进行有效的解决和指导[3]。

本课题就是在上述背景下提出的，旨在对当前无线传感器网络中基于地理位

置的路由协议的实现方式进行研究。通过对路由协议的分析研究，提出改进方案，

使得基于地理位置的路由协议向更加成熟的方向发展，这样无线传感器网络才能

够被广泛的应用。这对无线传感器网络的普及和推广有着极大的现实意义。

§1.2 国内外研究现状

无线传感器网络是一种新型的计算模式，它不断推动着科学技术的发展和社

会文明的进步，它关系到国家经济的发展和社会的安全，正在引起世界各国政府

的极大关注。目前，世界各国都投入了相当的精力和资金来发展无线传感器网络。

如美国自然科学基金委员会在2003 年投资3400 万美元用于相关理论的研究。各国

的军事部门也对无线传感器网络投入了巨大的热情，设立了很多关于无线传感器

网络的研究项目。我国在最近几年也开始进行无线传感器网络技术方面的研究，

如在2006 年发布的《国家中长期科学与技术发展纲要》中，明确规定了三个尖端

研究方向，其中两个与无线传感器网络直接相关。各大IT 企业也纷纷制定相应的

计划，如微软、TI、英特尔等知名企业[4]。

在无线传感器网络研究领域，目前主要有 TI 公司推出的不断完善的片上系统，

同时TI 也提供相应的完全免费的ZigBee 协议栈供业内工程师使用。此外还有飞思

卡尔半导体，飞利浦等也都推出了自己的片上系统解决方案和相应的协议栈。另

外还有UC Berkeley（加州大学伯克利分校）开发的专为嵌入式无线传感网络设

计的操作系统：TinyOS，也受到各大公司的追捧。

涉及无线传感器网络技术的研究热点之一即是基于地理位置信息的路由协议。

这类路由协议利用传感器节点的地理位置信息将数据发送到目标区域，采用这种

模式传感器节点就不必为了找到目的节点而向整个网络进行数据的广播。并且，

利用节点的地理位置信息，可以精确测量节点与节点之间的距离，有利于数据分

组以更节能的方式选择传播路径。

目前定位技术发展很快，无线传感器网络中的节点可以利用各种定位算法或

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无线传感器网络中基于地理位置的路由协议研究摘要无线传感器网络是一种新兴的网络技术，它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术和无线通信技术。它由许多部署在监测区域中的传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。在无线传感器网络中路由技术是核心关键技术，在网络设计中担任着很重要的作用。本文的主要内容是基于地理位置的路由协议设计。在无线传感器网络中节点数量庞大，单个节点资源非常有限，因此路由协议设计的首要目标是提高节点能量利用率，延长网络生命周期。GPSR(GreedyPerimeterState...

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