摘 要

无线传感器网络已经不在跟过去一样是一个单独的领域了，现在一直逐步发展的在各种各样的领域都有所涉及，并且在各个领域都占有非常重要的地位，尤其是学术界与工业界。它涉及到的学科众多，应用范围宽阔，并且按照目前的发展趋势，很快就有希望成为最有发展前景的网络研究技术之一。无线传感器网络的组成说复杂也不复杂，说简单也并不是很简单，它是由多个具有检测功能的传感器节点融合而成的，这些节点各有各的作用，有的是为了采集数据，有的则是具有通信和储存的功能，他们互相之间通过无线通信技术进行连接，并建立一个自组织并且多跳的网络系统，将传感器数据传播到远程处理、可视化、分析和存储系统。节点之间需要有稳定的数据传输，而如何把数据稳定的从开源节点传输到目的节点，就就需要一个良好的路由协议来完成了。选取一个良好的路由协议的有时能决定整个系统的效率和稳定，它能确保数据的高效传输和寻找最优路径。

我写这篇论文就是想要能够弄清楚路由协议在整个无线传感网络中的作用，并且还要弄清楚它是以什么样的形式在OPNET上执行仿真的，并且灵活运用已经学过的WSNs的工作原理来搞清楚OPNET仿真平台是怎么工作的。还要通过分析不同路由协议的案例，将目前人们熟知的关于无线传感网络的路由协议分出不同的类别，以便于接下来工作和学习。还要灵活运用已有知识对路由策略的原理深入了解，分析总结优缺点，用数据图像分析得出较为优秀的路由协议。我们期待一个好的无线传感网络应当是以负载均衡、路由安全、支持移动性、跨层协议优化为发展趋势。

关键词：无线传感网络；OPNET； 路由协议；仿真

Abstract

Wireless Sensor Network (wsn) has been paid much attention in many fields, especially in academia and industry. It involves a wide range of disciplines, applications, has been one of the most popular network research technology. Wireless Sensor Network (wsn) is composed of several monitoring sensor nodes with functions of data acquisition, communication and storage in a certain area. They form a multi-hop, self-organizing network system through wireless communication, and transmit sensor data to remote processing, visualization, analysis and storage systems. The data transmission is dependent on the reliable routing between the source node and the destination node, which is accomplished by the routing protocol. The implementation of routing process will affect the efficiency of the whole network, it can ensure the efficient transmission of data and find the optimal path.

The purpose of this paper is to study the routing protocol in Wireless Sensor Network, including how to simulate on OPNET, how to use existing knowledge to study OPNET simulation platform, and how to combine the working principle of WSNs Several classical routing protocols are used as examples to classify the existing Wireless sensor network. Make a visual topology of wireless sensor, learn how to use OPNET, deeply understand the principle of routing strategy, analyze and summarize the advantages and disadvantages, use data image analysis to get a better routing protocol. We expect a good Wireless sensor network to be load balancing, routing security, support for mobility, and cross layer protocol optimization.

Key Words: Wireless Sensor Network; OPNET; routing protocol; Simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容及结构安排 2

1.3.1 本文研究内容 2

1.3.2 本文结构安排 3

第2章 无线路由协议研究 4

2.1无线传感网概述 4

2.2 无线传感网络特点 5

2.3 无线传感器网络的路由协议 6

2.4 AODV路由协议算法 8

2.5 LEACH路由协议 10

2.6 本章小结 11

第3章 OPNET仿真 12

3.1 opnet基本概念 12

3.2 OPNET Modeler的基本应用技术 13

3.3 OPNET Modeler建立网络拓扑结构 14

3.4 仿真结果与分析 18

第4章 总结与展望 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

时代的进步推动着科技的进步，在科技日益进步的今天，通讯技术、嵌入式技术和传感器技术也有了突飞猛进的进步，相比于过去，他们早已形成了一套相对完整和成熟的技术体系。以前的传感器只是单纯的测量数据然后让科学家分析所采取的数据，但随着无线通信技术的快速发展，人们现在已经能将各种功能的传感器通过无线技术连接到一起，成为一个可以完成一系列复杂命令的整体，并且科学家也非常有兴趣研究怎么才能组合出一套非常完美的具有丰富功能的现代化无线传感器网络。新兴的无线传感器网路拥有一套非常完善的技术体系，它融合了单纯的传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术以及无线通信技术为一体，能够在测量周围环境和各种事物的物理信息的同时也能侦测其感受，并且能够将它所收集到的各种信息分类处理在进行综合，然后将处理完的各类信息发送给用户终端和基站。无线传感网络打破了人类过去的世界认知的局限性，让人类能够从不同的角度、开阔的视野和更深的层次去了解我们这个世界，并且还有效地将我们目前所有的网络功能拓宽了很大程度。很大程度上帮助了我们研究更实用的路由协议，如虎添翼，将会对人类社会的发展提供巨大能量。

无线传感器网络的发展可分为以下几个阶段:

（1）在上世纪七十年代，科学家已经研究出来最基本的传感器，他仅仅拥有简单的传输简单模拟信号的功能，但也实现从一点到另一点传输信息的基础功能了，还能够简单的采取一些不复杂的信息。但由于技术的限制，当时的传感器大多非常容易被干扰

（2）无线传感器网络的蓬勃发展，也促进了传感器的快速发展，使得传感器开始可用对所收集到的基础信息进行简单的处理功能，这也是传感器的一大突破。

（3）上世纪末，智能传感器系统的出现使无线传感网络开始有了突飞猛进的发展，它可以将通过互联网络的连接，将传感器与实验室的各种设备连接起来，能够使设备与无线传感器之间实现数据的实时传输，这也为未来的无线传感器网络的发展指出了一个明确的方向

（4）无线传感器网络名字的由来完全是因为在无线通信的领域，大量的具有许多功能的传感器被用作无线通信的工具，并且发展迅速。照目前的发展趋势，我们可以看到未来无线传感器网络将会对我们每个人的生活和各行各业的发展带来无法估计的帮助。各个行业领域都将运用到无线传感技术，需要他的辅助来推动发展。

1.2 国内外研究现状

在未来，无线传感器网络可以非常普遍的用于军事领域、医疗领域、救灾现场等等一系列场景，这都要归功于它有着我们过去传统的网络系统都没办法比得上的种种优点。因为它的众多实用的优点，越来越多的国家与组织开始有非常浓厚的兴趣来研究这个技术。他虽然是在上世纪末才开始被研究，但到今天已经成为了所有国家和组织的热门研究项目。在本世纪初，在世界媒体上才开始出现关于这项技术发展和研究的报道，这让一些没有研究过这项技术的国家产生了非常大的好奇心和危机感，以美国为代表的欧美国家迅速集结科学家开始了对这项技术的研究，并且许多科学家和专业人士预测，在未来无线传感器网络可能将会成为世界上最尖端的高级科技之一，因此美国对这项研究投入了极大的人力和物力。到现在为止，美国也已经取得了很显著的成就，并将这项技术运用于各种领域，成为了在这项技术领先的不多的国家之一。

美国的海军还把这项技术与自己的海上战斗互联网络进行了一定程度的连接，把具有高性能的传感器与自己的作战系统通过无线通信技术连接，高效率的网络传输能够将交战信息快速传达，并生成高质量的态势信息，提供给人类，进而转化为更高质量的作战能力。

我们国家也已经开始了对这项技术的研究，在我们国家许多的重点高校和研究院都成立了相关的研究项目，像清华大学、复旦大学和哈尔滨工业大学等国家重点院校都成立了相关的项目研究组，而且国家也对所有研究此项目的组织有非常大力的支持和非常丰厚的资助，尤其是在重点项目上面，我们国家也是非常重视这项技术的发展的。在国家如此大力支持的前提下，我们国家也取得了非常显著了的成就，我们也发表了七篇学术技术类的课题，而且在其中直接提到并讲解了无线传感器网络的技术。

在目前已经完成的项目研究的基础上，我们可以发现主要的研究还应该放在链路层的研究和网络层的研究上。WSN跟其他网络系统不同，他是一个没有基础性设施的新型网络技术，它将很多拥有其他功能的技术与自己的传感器通过无线通讯技术连接在一起，以达到能够实时监控和测量目标数据并将所测得的数据及时的反馈给在控制室需要数据的专家，这项技术有很广阔的应用前景，我们可以用在医疗领域用来监控病人，也可以用在环境监控领域用来实时监控环境的情况和污染的情况，还可以用于救灾现场用于寻找被困住的受灾伤员甚至可以用在智能家居的领域，是我们的生活充满便捷，让我们拥有更加方便快捷的日常生活。所以这项技术的发展前景难以估量。

1.3 本文研究内容及结构安排

1.3.1 本文研究内容

本文主要研究，运用opnet仿真软件，对WSN（wireless sensor net）中比较经典的几种路由协议进行仿真。熟悉opnet软件层次化的网络结构，Modeler基础建模过程。了解Mobile Adhoc Networks与Low Energy Clustering Hierarchy路由算法的运作方式，在不同规模应用场景中进行理论分析，建立LEACH、Adhoc协议的理论原型，通过候选节点的特质找出较为优秀、合适的路由协议进行数据传输和处理，减少总广播量，实时更新路由信息，以达到能损耗最低、能量负载的均衡、网络存活周期长等结果。

1.3.2 本文结构安排

第一章叙述了课题研究背景，简略介绍了当前无线传感网络产业快速的发展导致了信息时代变革的浪潮，作为WSN核心部分的路由策略所扮演的角色，承担的任务，以及存在挑战和研究意义。然后调研了国内外关于WSN的一些发展现在的状况，简要概括他们所用到的一些技术，并且讲解了这篇论文主要介绍的内容。

第二章详细地介绍了无线传感网络所具有网络结构，结合系统拓扑结构，详细阐述了路由协议如何通信和连接方式，解释了如何让源节点能够与基站进行稳定的通信。最后概述了本次仿真所使用到的各种路由协议的特点，算法结构。

第三章介绍了仿真平台opnet如何操作，设置的具体步骤，最终实现移动自组网和分簇协议的仿真，描述了详细的步骤，如何一步步实现。随后解释了仿真结果，以及各类曲线对比以及背后的意义。对比两种协议的优缺点，使用的范围。

第四章简要地概括了现有的工作，存在的不足以及对于无线传感技术今后的展望。希望能推动社会人类的进步。

第2章 无线路由协议研究

2.1无线传感网概述

无线传感网络结构

图2.1 无线传感网络结构

由图2.1网络结构图可以看出，无线传感网络包含大量传感器节点，通过一个个的传感器采集所需要的数据，并且将数据上传至网络并进行计算或者直接将数据综合，然后将不同的大量的传输节点汇总，汇总到一个总的网关节点，然后通过无线通信技术将所收集或计算后的数据经过发送设备或卫星传输至管理器终端节点，有终端节点收取数据后，再根据数据而调整自己的指令，从而使系统正常工作

无线传感器节点结构

数据在系统中是不断流动的，流动的方向已经在图中以箭头的形式标识出来。它是由四个部分组成的：第一部分是传感器模块部分：这一部分主要的任务就使收集所需要收集目标区域或事物的物理数据并将数据转换成为可传输的信号；第二部分使处理器模块部分：在这一部分是可以处理上一部分所传输上来的数据并将其存储下来；第三部分是由无线通信模块组成，主要负责与其他的传感器部分进行数据的传输和指令的传输，他一共有四种状态，发送信息时就是发送状态，接收数据时就是接受状态、无工作时就是处于空想状态，在节省能源时将会进入睡眠状态；第四部分就是电源模块，这一部分主要负责电池，从这一部分为整个系统中的所有传感器和模块供给工作所需要的能量，这一模块的电池一般都是使用微电池电池供能。

图2.2 无线传感器节点结构

2.2 无线传感网络特点

无线传感器网络的特点主要有以下几点：

（1）电源能量有限。目前所有用电的设备都面临着一个巨大的问题，那就是电池的容量并不是无限的，传感器也并不例外，而且一般需要用到电池供能的传感器大多放置在一些环境极其危险的地方，工作人员很难去二次更换电池，而无法更换电池就会导致电池电量耗尽后传感器也会随之报废，这样会造成极大的资源浪费。所以研究更大容量的电源和研究如何提高传感器的能量利用率和节能效果以达到使无线传感器网络使用时限变长的目的

（2）无线方式连接。传感器是收集数据所要用的仪器，但是一般需要收集数据的地方都不会有很好的环境，人工铺设线路将成为一个非常困难的工程，因此无线连接方式成为最适合传感器使用的方式，他不需要有提前建立好的传输线路，只需要覆盖网络就能实现数据的传输，这对于那些工作人员无法亲自深入的危险环境是非常适用的。

（3）通讯能力有限。因为传感器所使用的传输方式是无线通信方式，所以可能会因为磁场等因素造成干扰从而但是传输受到影响，并且一般通信五项网络的覆盖范围都不会太大，所以各种因素都会导致无线传感器网络的传输数据的能力受到限制。

（4）计算数据和储存能力有限。传感器大多都是小型设备，而且多数都是一次性设备，因此都会导致要求它造价低廉并且工作消耗要非常小，这些也会导致传感器的处理能力不会很强，只能完成最基本的简单的数据处理，而且体积的微小也会导致储存空间的不足，怎样才能在极其狭小的空间里实现大容量和高性能处理器的研究也是一大挑战

（5）传感器数量多、放置范围广。无线传感器网络需要有大量的传感器收集数据，以大量的数据为基础才能起到良好的作用。但是分布太广的传感器就会对所架设的通讯网络造成了极大的挑战，所以用于传感器传输数据的网络的要求也要非常的严格

（6）传感器网络动态性较强。在无线传感器网络中，传感器、观测对象和接收端都可能随时在移动，不断地移动可能使不断有新的节点加入到这个网络中也随时会有之前的节点失去用处，因此传感器网络必须拥有强大的自我调整能力

（7）侦测数据量大。在一个庞大的无线传感器网络中，每一个传感器都可能会检测到非常大量的数据，但是每个传感器的计算能力都是有限的。因此，研究一个非常有效率的数据分析计算方法是非常有必要的。

2.3 无线传感器网络的路由协议

本次设计以对Mobile Ad Hoc Networks和LEACH协议的研究为主。

Ad Hoc路由协议

移动自组网(移动Ad Hoc网络-Mobile Ad Hoc Networks)简称自组网，是指独立于任何已有的网络基础的设施或者集中的管理控制中心之外的一种自组织网络，具有临时性和多跳的特性，由移动节点组成，这些移动节点都带有无线收发装置。网络中的节点分布任意且呈动态的变化趋势，通过无线方式将各节点相互关联，因此，节点发挥着重要作用，不仅是通信的主体部分，而且承担着路由器的角色。通讯在战场上尤为重要，为了满足军事通讯的需求，美国最早进行了关于移动自组网的研究。固定通信的基础设施在某些地区并不完善，如果在这些地区发生危险，那么恶劣环境下对通信需要就尤为迫切。传统的路由协议是以In2terne为基础的，但随着时代的发展它已经落后于快速变化的拓扑结构的需要，这与Ad Hoc网络的多跳特性密不可分。Ad Hoc网络还具有低宽带和高误码等特性以及低耗能的要求，这些都是路由协议中应当重点研究的问题，因而，所设计的路由协议必须与Ad Hoc网络相适应。

当前的Ad Hoc网络路由协议可以分为两种类型，即反应式路由协议和先应式路由协议。在反应式路由协议中，Ad Hoc按需距离向量协议(A0DV)和动态源路由协议(DSR)两种被研究得较为广泛。通常情况下,节点的无线通信所覆盖的范围是有限的，这导致如果两个移动节点无法直接进行通信，可以以其它的节点为中介，分组转发信息，最终使无法直接通信的移动节点进行数据通信。Ad Hoc不依赖于任何基础设施，具有网络自组特性以及动态变化的网络拓扑结构等特点。这是与其他的移动通信网络区别的地方。正由于Ad Hoc的多跳特性，与单跳的无线网络有所区分的地方是他的网络节点之间的数据交换是通过多跳的数据的转发机制进行的，而进行这一操作是需要路由协议来进行分组转发的决策。网络拓扑结构的动态变化是由多种因素引起的，例如无线信道的不规则变化以及节点的加入、变化与退出等操作。在这种环境下，路由协议的作用便得以发挥了。对网络拓扑结构变化实时监控并,交换路由信息，确定目的节点的位置，进而产生、维护和选择路由,且在所选择的路由的基础上转发数据，连通网络。移动节点互相通信的基础是路由协议，因此在Ad hoc网络体系结构中，对路由协议的研究受到广泛关注。在Ad hoc网络特性影响下，路由协议的设计面临着一些新的问题与挑战，主要有以下几方面。

1. 难以收敛。在自组网络中，动态变化的网络拓扑结构是非常显著的特点。常规陆游协议在自组网中直接运行，一旦拓扑结构发生变化后，常规路由协议想要达到收敛状态，需要耗费大量的时间以及沉重的代价。
2. 电池能量有限。除了具有移动性、灵活等优点，移动终端也有一些略显不足之处，电池供电的方式就面临着电能如何让节省的问题，因此在设计过程中也应关注如何减少能源的耗费。
3. 无线移动终端的局限性。无线移动终端也有内存不足、CPU性能较底无法满足需求等弊端，这都提出路由算法简单有效的一系列要求。
4. 实际带宽低。有线的无线传输带宽能够提供的带宽比有线信道等要低得多，又因为对共享无线信道的竞争产生的噪音、信道间互相干扰以及自然衰退等多种原因的影响，节点实际得到的带宽远低于理论预计值。

我们分别从主动式路由协议和按需路由协议两类展开讨论。主动式路由协议通常提前建立好路径以备不时之需，与按需路由协议的延迟相比，这样的做法有利于需要时路由的即时可用性，然而，主动式路由协议的不足是需要大量的资金支持、日常开销很大，而出现在表中的失效或无关信息很可能会导致路由错误。DSDV（destination-sequenced distance Vector）路由协议就是典型的主动式路由协议，分组设定每个路由的序号是这个路由协议的主要特点，这样的做法有效地避免了路由环路这一现象的产生，路由表的传送需要通过时间驱动和事件驱动技术实现，这也就要求路由表应及时更新以保证重要的可用的信息的时效性，这通过每个节点定期地广播来实现。路由表发生变换时，临近的节点会收到路由表变换的包含修改的，并自动与当前信息作比较，一旦路由信息的序列号有所更新，则节点中的相应的路由信息会被分组中的所取代。如果序列号没有发生变化，但分组的路距离更短，那么节点的路由表的信息也会替代。

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