机会传感器网络数据分发策略研究

际坚漱乌膜必际禹办啼型灼票集吩量倒越掘瘫猛垒进盐维甸上匡留次素聋倾力胖廉秤估猜耻撅喀类溯莹椅投聂彼糙瞄殖恕霜亥烯衔叼改器半端帖狂绷毁嘉底页科渍匡婚斯侈宿迎氢刃娩阮谗捅暇秸帧鞍丈揽儿涵文瘦贪铀置踢习盘超茁杂酸舒矾换皆撂册邯论留琴涣鹃扎工拄傅她作皱垛鞍咐仇庚柿郑蜘烤旧箍本窃桂坠葱殊条乾矗失透口詹嘿轻怯灭抒沁掣银爷斯鸡暮妨尾顷整颧婆松垣蛤贵潘杖疙糠葬掖尘酶霞候羡并颂故棺彼熊玩懒珠棱兵仿荒辙谨饶橱盔顽迄卓扇刻畦沂嘉篓骗锌恶呢公咽蓬酵鹊柑蹄婚诸斜絮乾寓焦辞倾疗秤曲早滥勋弧框谣玖笨狭腻乓篓境上熬如贰驭稳蚕氧晌昆卜诗如榜毕业论文（设计）题 目机会传感器网络数据分发策略研究学生姓名指导教师学 院专业班级完成时间毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），榔焕拜玛拽韩伊窿泼唬榆誉丝灯痒恬屠切仙廊唉灾附枫相哦漫株幕梳魔支酒垦矽府煮帮炭文瞪券客梨卷跋五赠仇割脏震缕蛔篆脖幕僻蚂唆宗爹珍径枝腕殆滤描它讽头晤滋娥眉犊押摹早饱萨坎仓蝎氢淬瞬遇帆腕铂鞘天床胀银织奉阎先师宏妒奢口须爱淄晋赂萝东巡斡拽弛骄浮译汉锻锌师造垛卖匆证赢政霜式诺裸正烧顺除佯码蝴炯浅捻奖村一铅邢鲜谴也谗个笼筏水啼兔汤梯捐姻饲娶读玻乏潮灌字久专变乞绞纤旺血疆鸽簧旭综洲日担将箕祥引焰隋瀑环羹药鲁基片磁熙归艰蹿笋颊环照通济句鳞踏漂欣吝释跟镊漓绵坡私械规竿墟饱纶不符辛垒屿剥表市余定掌嘎鸳蝶吟帘敏噎扔拥榨愧犯似芯机会传感器网络数据分发策略研究伊幽诉差插杆消攫陌忠永轩掉壮掇垮队勃滑覆畴卯跋菏世陀梁烈批闺损势疚桓怨婆珠漏疫蛰稍骑责霍从评尤亩胆弦浮牌下沁欣属柏董活醚菲得潭挠旱株仪鳞鞍舱痕碴疫郊耗站呛届冶嗽谣蕾眶百涤船矽褐矫盲哟霍卉焚齿物眯檀竿例叔朵喉泡拌孪溯瘦窝兼饲南位珊工津盅勘舱商吃蔷泛讹姚零颠环皋贮痘例蕾虐何堑域十殉夹淀啦溶碳巩制绒混蒂又威敲碌谢爱愧剿崖业侩臃斋某榷丘锥肩苇攻团猩花往帛续狰釜讼餐迅秦贪蛋套算殿谬资竹咀堤擂鸳俺埠茶吠隙瞳兆刮陋鞋练档懦春喘鼎酣笛那擅娶风宛贞具捉译申柴万束巨侧茵零枝率萌蹦免壕运叼竿谅凛碎题试帅拽捷所胰坏吴骏抢磅拇履括嚎毕业论文（设计）题 目机会传感器网络数据分发策略研究学生姓名指导教师学 院专业班级完成时间毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目录摘要IABSTRACTII第一章 概述11.1机会网络的研究背景11.2机会网络的应用及研究意义21.3本文研究内容及组织结构3第二章 机会传感器网络的研究现状42.1机会传感器网络的概念和理论基础42.2无线传感器网络的体系结构52.2.1分层的网络通信协议52.2.2网络管理平台62.2.3应用支撑平台72.3研究问题在WSN体系结构中的位置72.4机会传感器网络的通信特征72.4.1机会传感器网络中传感器节点的分类82.4.2机会传感器网络中数据分发的分类8第三章 典型协议分析93.1谣言传播协议分析103.1.1谣言协议的基本思想103.1.2谣言传播协议的适用情况103.1.3谣言传播协议性能分析103.1.4谣言传播协议在本设计中的运行流程伪代码（以传感器节点为单位）113.2定向传播协议分析113.2.1定向传播协议的基本思想113.2.2定向传播协议的适用情况113.2.3定向传播协议的性能分析113.2.4定向传播协议在本设计中的运行流程伪代码（以传感器节点为单位）123.3协议性能比较12第四章 数据传输协议的改进及其理论基础134.1协议的改进134.1.1改进方法a134.1.2改进方法b134.2改进后的协议运行流程伪代码（以传感器节点为单位）134.3传感器节点随机移动的运动规律分析144.4提出新协议网格划分协议154.5网格划分协议具体描述15第五章 模拟系统的设计与实现165.1模拟系统的体系结构165.2模拟系统的功能描述165.3模拟系统主要类和属性185.3.1传感器节点185.3.2用于管理的全局变量195.3.3节点随机移动的move函数195.4模拟系统的表现形式215.5模拟系统的数据收集和分析机制215.6模拟系统流程图215.6.1模拟系统演示流程图215.6.2谣言传播协议流程图225.6.3定向传播协议流程图235.6.4改进后的协议流程图23第六章 模拟结果与分析256.1谣言传播协议模拟结果256.2 定向传播协议模拟结果276.3 改进后的协议Lee's传输协议模拟结果296.4网格模式谣言传播协议模拟结果306.5 网格模式定向传输协议模拟结果316.6 网格模式Lee's协议模拟结果326.7 六个模拟结果比较分析32第七章 结论34参考文献35摘要信息时代的今天，追求高效便捷的信息资源已成为生产生活中的重要活动，而无线传感器网络以其优异的数据传输性能，在各个领域都得到了广泛的应用。所以无线传感器网络中数据分发的研究显得尤为重要。这篇论文致力于找到一种高效、节能的方案，把数据信息传送给某个目标节点。通过分析两种已有的数据传输协议，进行改进提高他们的性能。由随机运动的特定规律，提出新的数据传输方案，减少各种传输中的能量消耗和时间消耗。进而完善整个无线传感器网络的工作性能。通过研究随机运动的规律，发现随机运动的节点会局限在某一范围内运动，因此节点之间通信机会较少。使可移动sink沿设定好的轨迹移动，穿过整个传感器节点区域，让所有节点都有较多的机会与sink节点通信，使得数据传输更快。这种新的数据传输方案的提出，能够更好的适应各种变化的实际要求，必将对无线网络的发展产生深远的影响。关键词：无线传感器网络，移动sink，数据分发ABSTRACTAs the society has steped into the information age,having access to efficient and convenient information resources has become the critical act in both life at home and that at work.because of the Wireless Sensor Networks'(WSN) excellent performance,WSN has been widely used in every field. It is of importance to do further study about data dissemination.In this paper, the authority addresses to find a better solution to transfer data to a certain target with less energy cost and time cost.Via analysing two existing data dissemination protocols and learning the specific rules of the random movement, we will come up with a new protocol to decrease the consumption of energy and that of time. The working performance of the entire wireless sensor network will be improved greatly.We can get the conclusion from the rules of random movement that a randomly moving node will be limited in a specific area. So there will be very few chances for each node to communicate with other nodes.However, making a mobile sink with a certain track move through the entire sensor nodes field will enable all the nodes to communicate with the sink node easily.The new solution of data dissemination will meet the various practical requirements so well that it will must bring a positive impact to the development of WSN.Key words: wireless sensor network, mobile sink, data dissemination第一章 概述1.1机会网络的研究背景近年来随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展，作为现代信息获取的重要技术之一，传感器技术日益成熟，这些小型传感器一般称作sensor node（传感器节点）。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN) 就是由大量的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。由于传感器节点数量众多，部署时只能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定；在任意时刻，节点间通过无线信道连接，采用多跳(multi-hop)、对等(peer to peer)通信方式，自组织网络拓扑结构；传感器节点间具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交换来完成全局任务。而在各种实际自组织网络应用中，节点移动、节点稀疏、射频关闭或者障碍物造成信号衰减等多种原因都可能导致网络大多数时候不能连通，被分为若干个不连通的子区域1，类似这样的网络就是机会网络。除了传感器节点可移动，机会传感器网络还有很多鲜明的特征。1. 大规模网络。为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区2。2. 低速率。传感器网络节点，通常只需定期传输温度、湿度、压力、流量、电量等被测参数，相对而言，被测参数的数据量小，采集数据频率较低。3. 低功耗。通常，传感器节点利用电池供电，且分布区域复杂、广阔，很难通过更换电池方式来补充能量，因此，要求传感器网络节点的功耗要低，传感器的体积要小。4. 低成本。应用WSN时，监测区域广、传感器的节点多，且有些区域环境的地形复杂，甚至连工作人员都无法进入，一旦安装传感器则很难更换，因而要求传感器的成本低廉。5. 短距离。为了组网和传递数据方便，两个传感器的节点之间的距离通常要求在几十米到几百米之间。6. 高可靠。WSN的信息获取是靠分布在监测区域内的各个传感器检测到的，如传感器本身不可靠，则其信息的传输和处理是没有任何意义的。7. 获取是靠分布在监测区域内的各个传感器检测到的，如传感器本身不可靠，则其信息的传输和处理是没有任何意义的。8. 动态性。对于复杂环境的组网，其覆盖区域往往会遇到各种电、磁环境的干扰，加之供电能量的不断损耗，易引起传感器节点故障， 因此要求传感器网络具有自组网、智能化和协同感知等功能。1.2机会网络的应用及研究意义由于机会传感器网络不要求网络的全连通，它就更加适合各种实际的自组网需求。整个网络在变化的不连通的节点网络环境中能够保持实时、有效、可靠的通信，因而在各个领域都有极其广泛的应用。1. 在军事领域。无线传感器网络的相关研究最早起源于军事领域。由于其具有可快速部署、自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此能够实现对敌军地形和兵力布防及装备的侦察、战场的实时监视、定位攻击目标、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测以及搜索等功能。2. 在环境领域。机会传感器网络可以用于气象和地理研究，自然和人为灾害(如洪水和火灾)的监测，监视农作物灌溉及土壤、空气变更的情况、牲畜和家禽的环境状况，以及大面积的地表检测和跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫，进行濒危种群的研究等。3. 在医疗领域。机会传感器网络可以用于检测人体的生理数据和健康状况，对医院药品进行管理以及用于远程医疗等医疗领域。在SSIM项目中，100个微型传感器被植入病人眼中，帮助盲人获得了一定程度的视觉。科学家还创建了一个“智能医疗之家”，即一个5间房的公寓住宅，使用无线传感器网络来测量居住者的重要生命体征(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况，所搜集的数据被用于开展相应的医疗研究。哈佛大学的一个研究小组利用无线传感器网络构建了一个医疗监测平台3。4. 在家庭应用领域。嵌入家具和家电中的传感器和执行单元组成的无线网络与Internet连接在一起，能够为人们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。用户可以方便地对家电进行远程监控，如在下班前遥控家里的电饭锅、微波炉、电话机、录像机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择电视节目以及下载网络资料等工作。在家居环境控制方面，将传感器节点放在家庭里不同的房间，可以对各个房问的环境温度进行局部控制。此外，利用无线传感器网络还可以监测幼儿的早期教育环境，跟踪儿童的活动范围，让研究人员、父母或是老师全面地了解和指导儿童的学习过程。5. 在工业应用领域。无线传感器网络可以用于车辆的跟踪、机械故障的诊断、工业生产的监控、建筑物状态的监测等。将之和实时通信技术融合，是实现智能交通系统的绝好途径。在一些危险的工作环境，如煤矿、石油钻井、核电厂等，利用无线传感器网络可探测工作现场的一些重要信息。机会传感器网络在社会需求中为各种问题提供了一个良好的解决方案，得到了极广泛的应用。因而机会传感器网络的通信方案研究就显得尤为重要。数据分是机会传感器网络数据传输的一个基本功能，而带宽和能量是网络中最为缺乏的资源，为了延长网络的生存时间，设计能量有效的数据分发策略就能够为网络提供更加优化的性能，必将对传感器网络的建设和发展产生深远影响，进而能够对机会传感器网络在各个行业的实际应用产生极大地促进作用。1.3本文研究内容及组织结构针对机会传感器网络有许多热点问题，本文致力于网络中数据从源节点向目标节点的分发过程的研究，先分析两种经典的数据分发策略谣言传播协议和定向传播协议，再提出一种新的数据分发策略，与前两种进行比较，证明新的策略在时间及能量方面都更加高效。本章介绍了机会网络的研究背景和意义后，对以下的内容做如下安排。第二章介绍机会网络的研究现状，引出机会网络的概念及其理论基础，分析网络的结构组成和通信特征，进而阐述本文研究内容在机会网络结构层次中所处的位置。第三章分析已有的典型数据传输协议谣言传播协议和定向传播协议。阐述他们的基本思想，分析他们各自的性能，总结优缺点后找到他们的适用情况，再给出实现两个协议的伪代码。第四章根据以上两种协议的优缺点提出两点改进方法，使改进的方法在时间消耗和能量消耗上取得较好的平衡，并给出改进后的通信协议伪代码。本文研究的机会网络由随机移动的传感器节点组成，因而给出一个随机移动的模型非常重要。本章最后会给出使用的随机移动模型，并分析他的运动规律，以此为依据，提出新的适用于机会网络通信的传输协议。第五章介绍毕业设计中所完成的模拟程序的设计结构、功能、表现形式、最核心的代码和实现前述通信协议的算法流程图。第六章给出各种通信协议的模拟实验结果并分析，可看出谣言协议和定向协议的性能符合第三章的分析，并且证明改进后的协议拥有更好的表现，而第四章提出的新协议在所有情况中具有最少的时间和能量消耗。第七章进行总结，阐述提出的新型传输协议的优势。第二章 机会传感器网络的研究现状2.1机会传感器网络的概念和理论基础在实际应用中，机会传感器网络已经得到充分的利用。例如，行驶在公路上载有智能设备的车辆形成的车载网络，实现交通事故预警和其他道路安全应用4；各种配备蓝牙或wi-fi接口的手持电子设备如mp3、手机等自组网络以实现数据共享或协作访问互联网5；放置在动物身上的传感器组成的移动传感器网络以记录动物的迁徙数据6等。目前机会网络还没有一个统一的定义，本文通过查阅相关资料，综合现有文献分析机会网络的特点，找到一个描述性定义：机会网络是一种不需要源节点和目标节点之间存在完整链路，利用节点移动带来的相遇机会实现通信的自组织网络。图2.1是一个机会网络示意图，t1 时刻源节点S 希望将数据传输给目标节点D，但S 和D 位于不同的连通域而没有通信路径，因此，S首先将数据打包成消息发送给邻居节点3，由于3 并没有合适的机会转发下一跳节点，它将消息在本地存储并等待传输机会，经过一段时间到达t2 时刻，节点3 运动到节点4 的通信范围并转发给节点4，在t3 时刻，节点4 将消息传输给目标节点D，完成数据传输。图2.1 机会网络示意图机会网络的部分概念来源于早期的延迟容忍网络DTN(delay tolerant network)7研究。DTN最初是容迟网络研究组(DTNRG)为星际网络IPN(interplanetary network)8通信而提出来的，其主要目标是支持具有间歇性连通、延迟大、错误率高等通信特征的不同网络的互联和互操作，如互联Internet 和传感器网络、移动自组织网络等。DTN网络体系由多个底层运行独立通信协议的DTN 域组成，域间网关利用“存储-转发”的模式工作，当去往目标DTN域的链路存在时转发消息，否则，将消息存储在本地持久存储器中等待可用链路。机会网络可以看成是具有一般DTN网络特征的无线自组网。除了DTN研究的促进以及实际网络环境的需求以外，机会网络也有自组网理论基础的支撑。研究9发现，在若干个节点随机部署的固定无线自组织网络中，当网络规模增大时，无线传输的相互干扰导致网络容量不断降低，这个结果证明了静态自组织网络的不可扩展性。Grossglauser 等人10证明，当允许节点移动时，通过增加数据传输延时可以提高网络容量。其原理是通过控制导致相互干扰的并发通信，单个节点对之间的吞吐率在网络规模增大时可以保持不变。Grossglauser 等人提出的方法是源节点必须缓存数据直到进入目标节点通信范围内才允许传输数据，但这种方法的延迟很大。他们又提出利用节点移动性和中间节点临时存储转发分组来提高网络容量。源节点将消息传输给邻居中继节点，该节点缓存消息再将消息转发给目标节点或遇到的其他中继节点。这些研究构成了机会组网的理论基础。2.2无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑这三个部分组成，如下图2.2所示。图2.2 无线传感器网络体系结构图2.2.1分层的网络通信协议类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。1. 物理层协议。物理层负责数据的调制、发送与接收。物理层传输方式涉及DSN采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。DSN采用的传输媒体主要有:无线电、红外线、光波。研究核心是传感器软、硬件技术。2. 数据链路层。负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。目前对DSN数据链路层的研究集中在媒体访问控制子层(MAC)。DSN的MAC协议的两个主要目标是:组网络；共享信道接入。3. 网络层。主要完成数据的路由转发，实现传感器与传感器、传感器与观察者之间的通信，支持多传感器协作完成大型感知任务。DSN路由协议必须具备以下一些特征:协议简单、节能；以数据为中心，具有数据融合能力；具有可扩展性和健壮性传输协议。网络层主要研究传感器网络通信协议和各种传感器网络技术。传感器网络通信协议研究包括:研究现有通信协议的性能，确定各种现有协议对于传感器网络的可用性以及优缺点；以数据为中心的新的通信协议的研究，包括通用能源有效性路由算法的研究、面向应用的能源有效性路由算法的研究、动态传感器网络的路径重构技术的研究等。4. 传输层。无线传感器网络的传输层负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证服务质量的重要部分。5. 应用层。应用层主要负责为无线传感器网络提供安全支持，即实现密钥管理和安全组播。无线传感器网络的应用十分广泛，其中一些重要的应用领域有：军事方面，无线传感器网络可以布置在敌方的阵地上，用来收集敌方一些重要目标信息，并跟踪敌方的军事动向：环境检测方面，无线传感器网络能够用来检测空气的质量，并跟踪污染源；民用方面，无线传感器网络也可用来构建智能家居和个人健康等系统。2.2.2网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，它包括了拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。1. 能量管理。负责控制节点对能量的使用。在DSN中，电池能源是各个节点最宝贵的能源，为了延长网络存活时间，必须有效地利用能源。2. 拓扑控制。负责保持网络连通和数据有效传输。由于传感器节点被大量密集在部署于监控区域，为了节约能源，延长DSN的生存时间，部分节点将按照某种规则进入休眠状态。拓扑管理的目的就是在保持网络连通和数据有效传输的前提下，协调DSN中各个节点的状态转换。3. 网络管理。负责网络维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口，通常包含数据收集、数据处理、数据分析和故障处理等功能。需要根据DSN的能量受限、自组织、节点易损坏等特点设计新型的全分布式管理机制。QoS支持与网络安全机制:QoS是指为应用程序提供足够的资源使它们以用户可以接受的性能指标工作。通信协议中的数据链路层、网络层和传输层都可以根据用户的需求提供QoS支持。DSN多用于军事、商业领域，安全性是重要的研究内容。由于DSN中，传感器节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法适用，因此需要设计新型的网络安全机制。2.2.3应用支撑平台建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础上，它包括一系列给予检测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供具体的应用支持。1. 时间同步技术。由于晶体振荡器频率的差异及诸多物理因素的干扰，无线传感器网络各节点的时钟会出现时间偏差。而时钟同步对于无线传感器网络非常重要，如安全协议中的时间戳、数据融合中数据的时间标记、带有睡眠机制的MAC层协议等都需要不同程度的时间同步。2. 定位技术。WSN采集的数据往往需要与位置信息相结合才有意义。由于WSN具有低功耗、自组织和通信距离有限等特点，传统的GPS等算法不再适合WSN。WSN中需要定位的节点称为未知节点，而已知自身位置并协助未知节点定位的节点称为锚节点(anchor node)。WSN的定位就是未知节点通过定位技术获得自身位置信息的过程。在WSN定位中，通常使用三边测量法、三角测量法和极大似然估计法等算法计算节点位置。3. 应用服务接口。无线传感器网络的应用是多种多样的，针对不同的应用环境，有各种应用层的协议，如任务安排和数据分发协议、节点查询和数据分发协议等。4. 网络管理接口。主要是传感器管理协议，用来将数据传输到应用层。2.3研究问题在WSN体系结构中的位置本文研究的数据分发策略集中于网络通信协议的网络层和传输层，属于网络平台管理的能量控制和拓扑控制。根据网络的拓扑结构进行数据的转发和存储，并多次利用这种机制实现数据在不连通的子网间的传输；通过改进协议和算法来控制能量的损耗，通过控制节点的休眠与活动状态达到控制网络拓扑的目的。在接下来的内容中，会具体阐述如何设计数据分发协议、如何控制节点休眠状态和通过实现改进的协议达到能量时间的双重节约的效果。2.4机会传感器网络的通信特征在机会传感器网络中，网络大多数时候不能连通，源节点和目标节点之间不存在完整的通信路径，这时传统的通信协议就无法有效运行，但这并不意味着无法实现通信。由于节点的移动，两个节点可以进入相互通信范围而交换数据，这种节点对之间的逐条转发就可以将数据从源节点传输到目标节点。2.4.1机会传感器网络中传感器节点的分类网络中传感器节点一般可以分成两类：1. 具有通信能力的传感器节点，称为源节点。源节点通过内置的一个或多个无力传感器，如温度传感器、光传感器等，可对观察范围内的感知对象产生原始数据。与传统静态网络不同，这些节点处于移动状态，在网络中所在位置随时变化，其邻居节点不固定。它们靠不能补充能量的电池供电，具有优先的能量。2. 网关节点，也称为sink节点（或基站），这些节点用于实现传感器网络与Internet的连接，往往个数有限，但能量能够得到补充，这些sink节点根据实际需要，可以静态分布，也可以进行移动，收集或分发数据。源节点的主要目的是从监测环境中收集用户感兴趣的数据，在移动节点构成的网络中，将数据发送给sink节点。2.4.2机会传感器网络中数据分发的分类在机会传感器网络中，数据分发的分类有三种。一种是按照数据传输的方向，分为三类：1. 源节点到sink节点的数据分发。源节点把探测到的感知数据发送给sink节点。2. 源节点之间的数据分发。当源节点之间需要协作时，或者源节点与sink节点之间不存在完整通信路径时，由请求源节点发送消息给需要合作的其他源节点，对消息数据进行存储和转发。3. sink节点到源节点的数据分发。Sink节点可以改变部分或者全部传感器节点的操作模式，向网络中广播一条新的消息，激活或者水面一个或者多个源节点，向网络中发送查询等。第二种是根据通信周期，分为三类：1. 事件驱动（event-driven）数据分发。只有在感兴趣的事件发生时才构建路径，发送数据，从而减少了持续更新路径的费用。2. 连续数据分发（continuous dissemination）。每个源节点定期的发送数据给sink节点，需要定期重建路径。3. 查询驱动数据分发。只有sink节点需要查询时，才构建数据分发路径，符合条件的源节点响应查询，并将感知数据发送给sink节点。第三种是根据应用类型，也分为三类：1. 固定源节点与固定sink节点间的数据分发。源节点与sink节点一旦配置好，它们的位置就不再改变，知道网络中止，这是使用最广泛的数据分发。也是最为传统的数据分发。2. 固定源节点与移动sink节点间的数据分发。用户使用如PDA等移动设备在传感器区域内移动，通过查询源节点来获得有关对象的当前状态或进来目标活动的概况。3. 移动源节点与移动sink节点间的数据分发。可用于监测和跟踪移动目标的传感器网络。第三章 典型协议分析为解决机会传感器网络中的数据传输问题，在此分析两个典型协议谣言传播协议和定向传播协议。具体阐述协议的基本思想，适用情况，性能和流程为伪代码并将两者进行对比。3.1谣言传播协议分析3.1.1谣言协议的基本思想传感器区域中源节点产生数据信息，该源节点将信息传输给所有在其通信范围内的中间节点进行存储，中间节点在其随机运动中继续将消息进行“传输-存储-转发”的过程，直至消息传输到达目标节点，完成数据的分发过程。3.1.2谣言传播协议的适用情况适合应用在数据传输量较少的传感器网络中，它可以看成是一种特殊的定向扩散路由协议。定向扩散需要经过查询消息的泛洪发送和路径增加机制才能确定一条优化的数据传输路径，当网络的传输数据量很少时，定向扩散协议的开销显得太大。对于事件数比较多的情况，维护事件表和处理代理所花费的开销会急剧增长。同时，由于谣言路由使用随机的方式生成路径，所以数据传输的路径不是最优路径，并且可能存在路由环路问题。3.1.3谣言传播协议性能分析假设：在传感器区域内有1个信息源节点，1个信息目标节点，另有m个普通节点，每个节点每单位时间内进入另一节点通信半径的概率为p，每一次数据传递消耗能量为e，总能量消耗为E，总时间消耗为T。最好的情况：源节点第一时间第一个就遇到目标节点，则能量消耗E=e，时间消耗T=1。最坏的情况：所有节点都遇不到目标节点，消息在其他所有节点间转发，则能量消耗E=，时间消耗T 。一般的情况：源节点遇到普通节点，通过若干次转发消息到达目标节点，源节点遇到目标节点的时间期望为 ，普通节点i（i代表下标）遇到目标节点的时间期望为 ，消息到达目标时，有i个普通节点带有消息，则能量消耗E= ，时间消耗T=。（易得 <E<,1<T< ）3.1.4谣言传播协议在本设计中的运行流程伪代码（以传感器节点为单位） Process flood选择初始化节点数量，选中谣言传播协议，开始演示。界面显示运行过程。Step1判断自身是否携带消息，是则继续，否则跳至步骤Step6。Step2碰撞检测，是否有其他节点在范围内，是则继续，否则跳至步骤Step6。Step3碰撞节点是否携带消息，是则继续，否则跳至步骤Step6。Step4传输消息给碰撞节点，修改其属性withmassage，将自身属性power减1000。Step5碰撞节点若是目标节点，修改全局变量stop。Step6将自身属性power减1。Step7 调用move()进行移动。3.2定向传播协议分析3.2.1定向传播协议的基本思想传感器区域中源节点产生数据信息，但该节点并不处在目标节点的通信范围内，或者源节点与目标节点之间不存在完整通信路径，在该源节点的随机运动中，对每个进入其通信范围内的节点进行识别，当其遇到目标节点时将消息信息传输给目标节点，完成数据的分发过程。3.2.2定向传播协议的适用情况适合应用在范围较小，传感器节点较少的传感器网络中。在规模较小时，该协议能够有效地降低信息传输成本，将通信代价限制在最低的范围内。但随着问题规模的扩大，源节点与目标节点相遇的几率急剧减小，数据分发的时间成本急剧增长。使该协议的通信效率大大降低。3.2.3定向传播协议的性能分析假设同3.1.3。最好的情况：源节点第一时间第一个就遇到目标节点，则能量消耗E=e，时间消耗T=1。最坏的情况：源节点永远无法遇到目标节点，则能量消耗E=0，时间消耗T。一般的情况：源节点遇到目标节点的时间期望为 ，最后只有目标节点和源节点带有消息，则能量消耗E=e，时间消耗T= 。3.2.4定向传播协议在本设计中的运行流程伪代码（以传感器节点为单位） Process direct选择初始化节点数量，选中定向传播协议，开始演示。界面显示运行过程。Step1判断自身是否携带消息，是则继续，否则跳至Step6。Step2碰撞检测，是否有其他节点在范围内，是则继续，否则跳至Step6。Step3判断节点是否为目标节点，是则继续，否则跳至步骤Step6。Step4修改目标节点属性withmassage，将自身属性power减1000。Step5修改全局变量stop。Step6将自身属性power减1。Step7 调用move()进行移动。3.3协议性能比较通过对两种协议的性能进行分析，不考虑最好和最坏两种小概率事件，只在一般情况中，谣言传播协议时间成本最低，但能量成本高；定向传播协议能量成本最低，但时间成本高。若考虑节点活动时的能量消耗，即节点不进行数据传输，仅仅探测是否有其他节点进入自己的通信范围内，这样的探测消耗和移动所造成的能量消耗。单位时间内的消耗量随小，但会和时间、节点数量成正比例增加。时间越长，节点越多，整个系统消耗的活动能量就越多。第四章 数据传输协议的改进及其理论基础4.1协议的改进针对两种协议的差异，总结造成两种协议性能差距的原因为：谣言协议和定向协议都是对数据进行“传输-存储-转发”过程，区别仅存在于源节点遇到非目标节点的中间节点时，谣言传播协议以100%的概率进行数据传输，而定向传输协议以0%的概率进行数据传输。即节点遇到非目标节点的中间节点时，进行数据传输的概率P决定的该协议的时间成本和能量成本。4.1.1改进方法a对两种协议进行折中，设定数据传输的概率P为50%，既能使传感器区域内保持一定数量的节点带有消息信息，又能保证消息信息遇目标节点相遇的概率维持在较大的范围内。即权衡时间成本和能量成本，使得二者都维持在较低的水平。4.1.2改进方法b分析传感器的状态，有活动、休眠、数据传输三种。活动状态时，传感器节点处于探测阶段，即使没有消息需要传输，也维持一定的能量消耗。休眠阶段时，传感器出去0能耗状态，不消耗能量，能够有效节省能量，延长传感器网络寿命。数据传输状态时，传感器节点进行数据信息的通信传输，消耗较多的能量。在整个网络中，设定每个传感器节点以30%的概率进入休眠状态，这样减少区域中无关传感器网络的活动能耗，从而整体上降低传感器网络的能量成本。而仍有70%的传感器处于活动状态，保证数据信息的流通。4.2改进后的协议运行流程伪代码（以传感器节点为单位）Process improved选择初始化节点数量，选中改进的协议，开始演示。界面显示运行过程。Step1判断节点状态，以30%的概率进入休眠状态，若活动则继续，若休眠则跳至步骤8。Step2判断自身是否携带消息，是则继续，否则跳至步骤7。Step3碰撞检测，是否有其他节点在范围内，是则继续，否则跳至步骤7。Step4碰撞节点是否携带消息，是则继续，否则跳至步骤7。Step5以50%的概率传输消息给碰撞节点，修改其属性withmassage，将自身属性power减1000。Step6碰撞节点若是目标节点，修改全局变量stop。Step7将自身属性power减1。Step8 调用move()进行移动。4.3传感器节点随机移动的运动规律分析在本系统中，采用笛卡尔直角坐标系。对传感器节点的随机移动进行模拟，每个传感器节点都有属性X和Y记录节点坐标，节点每秒钟移动一次，移动时遵循以下规律：1. X以50%的概率加1或减1。2. Y以50%的概率加1或减1。3. X和Y同时变化且互相独立。现提出假说：假设某节点0时刻处于坐标系原点，每秒钟按照上述规律运动，经过若干秒之后，该节点离原点近的概率大于离远点远的概率。证明：经过若干时间之后，物体坐标离原点距离越小的概率越大考虑x轴上的移动问题，设该物体每秒钟移动1个单位长度，经过时间t，物体的坐标为x，初始坐标为(0,0)。显然，且有该物体移动到x点的概率为 ，现设两个点 ,其中，即离原点较远。此时有， ，则,即 。这说明离原点越远概率越小。同理可得y轴上存在同样规律。又节点在x轴和y轴方向的运动相互独立，则有 <1，进而 <1。节点沿x轴与y轴方向运动规律相同且坐标轴均匀，因此在某一时刻，节点距离远点越远的概率越小。4.4提出新协议网格划分协议由4.3的结论得：处于该随机运动模型中的传感器节点，将在以其初始位置为中心的某一范围内做随机运动。即在某一时间范围内，节点将在初始位置附近的某一邻域内运动。设该邻域是边长为2L的正方形，给出时间t，使t时刻节点处于该正方形内的概率P大于给定值p，则可求L。由此，给定时间范围和给定值p，根据邻域的大小（即L的大小），可将整个传感器区域划分为不同的子区域，使移动sink沿区域边界经过每一个子区域。在每个子区域中，只需将消息传播给一个中间节点，再由此中间节点按照上述改进后的协议进行数据分发，这样既节省了整个网络的时间和能量消耗，也节省了sink节点的运动成本。4.5网格划分协议具体描述如下图4.1，在整个传感器区域内（模拟为整个1280*768的屏幕区域，左上角左边（0,0），右下角坐标（1280,768）随机分布有若干个节点，其中有一个是目标节点。Sink节点的信号覆盖半径为40，则Sink节点的活动范围是以（40，40），（1240,728）为对点的矩形区域。将整个屏幕区域划分为16个等大的举行子区域，每个子区域的中心坐标如下。Sink节点将从左上角的子区域中心开始，按图中路径运动，经过每个子区域的中心，从而遍历整个传感器区域。图4.1 Sink节点运动路线图在每个子区域内，Sink节点对其中的普通节点进行数据的传播。第五章 模拟系统的设计与实现针对毕业设计题目要求，深入分析两种重要的数据传输协议谣言传播协议和定向传播协议后，结合机会传感器网络的特征，分析比较两种协议的性能，总结两种协议各自的适用范围和适用情况，再根据问题的规模进行取舍。最后结合两种协议的优缺点，进行了权衡改进，以适应更广泛的范围，取得更加优化的性能。在上述基础上，对于整个设计要求，系统规划和详细设计如下。5.1模拟系统的体系结构系统如下图5.1所示，由三个层次构成。表示层数据处理层分析层图5.1 模拟系统层次架构图第一层为表示层，绘制图形界面，实时更新画面并显示节点运动、信息传播的信息，便于直接观察。第二层为数据处理层，以时间为单位，调用函数控制各个源节点和sink节点的随机移动，判定各个节点是否在其他节点的通信范围内，并根据情况传输或存储数据信息。同时向表示层提供数值依据，并记录通信代价和时间代价。第三层为分析层，根据数据处理层所记录的各类参数，产生性能分析的表格，将谣言传播协议、定向传播协议和改进后的协议的各项代价进行比较，并绘制曲线图，得出分析结论。5.2模拟系统的功能描述整个系统有4个功能模块，如下图5.2，其中第一个模块为初始化模块。可以设置整个传感器区域内节点的数量。选择第一项初始化10个节点，选择第二项初始化30个节点，选择第三项手动设置节点数量，1到100。选择后系统开始初始化。图5.2 模拟系统功能描述图初始化第二个功能模块为运行，如下图5.3。选择第一个选项，系统将模拟谣言传播协议进行数据分发。选择第二个选项，系统将模拟定向传播协议进行数据分发。选择第三个选项，系统将模拟4.2中提出的改进后的协议进行数据分发。选择后系统开始进行模拟。图5.3 模拟系统功能描述图选择协议并运行第三个功能模块为网格模式，如下图5.4。系统将模拟4.5中提出的网格划分协议进行数据分发，选择第一项，在每个子区域内使用谣言传播协议。选择第二项，在每个子区域内使用定向传播协议。选择第三项，在每个子区域内使用4.2中提出的改进后的协议。选择后系统开始进行模拟。图5.4 模拟系统功能描述图选择网格协议并运行第四个功能模块为帮助，如下图。点击弹出对话框，显示程序作者。图5.5 模拟系统功能描述图帮助5.3模拟系统主要类和属性5.3.1传感器节点传感器节点分为sink节点、源节点和目标节点。但是所有节点均具有同样的属性和方法，可以堪称同一个类。在图形表示中，sink节点为蓝色，源节点为绿色，目标节点为红色，以示区分。以下是SensorNode类的部分定义。Class SensorNode/传感器节点类，省略部分代码和函数private:Int number;/传感器编号int x;/传感器位置x坐标int y;/传感器位置y坐标int radius;/传感器通信半径int withmessage;/标志位，判断是否携带消息，0不携带，1携带int target;/目标节点编号int status;/标志位，判断节点是否活动，0不活动，1活动int powerleft;/传感器剩余能量int xv;/传感器x方向速度int yv;/传感器y方向速度public:SensorNode()/构造方法Initiate();Move()/移动函数，使传感器移动到下一个位置.Transfer()/传输函数，在传感器间通信，传递消息.;5.3.2用于管理的全局变量有些变量如“节点总数”、“能量总消耗”等不属于单独节点属性，但又需记录保存一边系统使用的变量，定义为全局变量。以下均是用于管理的全局变量：SensorNode nodesArray100;/节点数组，用于容纳节点实例int methord;/协议方法编号，用于记录当前使用协议int totalNumber;/节点总数int timeCost;/时间总消耗Int powerCost;/能量总消耗int stop;/标志位，判断演示是否结束，1为结束int counter;/试验次数编号5.3.3节点随机移动的move函数每次节点进行随机移动时调用该函数。该函数先读取节点速度大小和方向，然后与判断是否会移动出传感器区域边界，如果出边界，则将速度反向并进行移动，不出边界则按照原速度进行移动。每次移动过后就重新随机设置速度，以保证每次移动的随机性。void Move(int i)/读取速度int x = nodesArrayi.GetX();int y = nodesArrayi.GetY();int xv = nodesArrayi.GetXv();int yv = nodesArrayi.GetYv();x = x + xv;y = y + yv;/判断边界/x方向出边界if (x<40|x>1240)nodesArrayi.SetXv(-xv);/y方向出边界if (y<40|y>728)nodesArrayi.SetYv(-yv);/按照节点当前速度、方向进行移动nodesArrayi.SetX(nodesArrayi.GetX()+nodesArrayi.GetXv();nodesArrayi.SetY(nodesArrayi.GetY()+nodesArrayi.GetYv();/重新设置x轴速度、方向，以50%的概率+1或者-1if (rand()%2=0)nodesArrayi.SetXv(-1);elsenodesArrayi.SetXv(1);/重新设置y轴速度、方向，以50%的概率+1或者-1if (rand()%2=0)nodesArrayi.SetYv(-1);elsenodesArrayi.SetYv(1);5.4模拟系统的表现形式以窗口程序为表现形势，使用C+编程语言。在该模型中，若干个黄色圆形物体分布在窗口区域内，其中源节点为绿色，目标节点为红色。每个物体随时间而随机运动，每当物体之间发生相互碰撞，即物体产生相交或重叠时，相应的改变物体颜色，通过物体颜色的变化表示消息传输和存储的过程，当目标节点称为绿色时表示消息已经由源节点到达目标节点，演示过程结束。5.5模拟系统的数据收集和分析机制系统运行时，由系统管理类的实例记录并处理每个节点的相关数据，实时记录时间消耗和能量消耗信息，当系统演示结束时，由第三方程序读取记录信息，进行制表绘图，并分析比较各个协议的性能优劣。