无线传感器网络中低功耗有损网络路由协议研究

发布时间：2020-06-02 01:34

【摘要】：随着无线传感器网络的应用场景日趋复杂及网络规模不断地扩大,节点的存储能力有限、能量受限以及链路不稳定等特性,严重制约了无线传感器网络的大规模扩展。针对无线传感器网络的低能耗、有损等特点,国际互联工程任务组(The Internet Engineering Task Force,IETF)的ROLL(Routing Over Low power and Lossy Networks)工作组提出了一种基于IPv6的RPL(IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks)路由协议。本文以RPL路由协议为基础,针对RPL路由协议的负载不均衡和拥塞问题展开研究。具体研究内容如下:针对RPL路由协议以单路径进行数据传输容易导致负载不均衡的问题,本文提出一种基于动态权值的多路径RPL路由算法。首先,在网络拓扑构建过程中依据数据传输代价选出每个节点的最优多父节点集;其次,提出一种数据流量分配度量标准,根据流量标准计算每个路径的权值,其路径的权值根据节点和路径状态的不同进行动态地更新,有效地结合了无线链路质量、节点剩余能量、节点缓存占用率等多种度量;最后,为了有效地均衡网络负载,节点根据每条路径上的权值大小分发不同的数量包到各个路径。仿真结果表明,所提算法能够提升数据包的投递率,延长网络生存时间,还能减少平均端到端时延和增加根节点的平均吞吐量。针对RPL路由协议构建的网络拓扑中出现的拥塞问题,现有的拥塞控制算法存在没有考虑节点期望寿命的问题,以及只是根据缓存占用率或分组服务速率和产生速率进行拥塞检测,本文提出一种基于能量均衡的RPL拥塞控制算法。首先,在最优父节点选择过程中,综合考虑节点的缓存占用率和期望寿命,利用三角模融合算子进行融合判决;其次,在拥塞检测过程中,综合考虑节点缓存占用率和缓存变化率进行拥塞检测,可以有效地避免拥塞;最后,在拥塞缓解的过程中,父节点的切换综合考虑节点的缓存占用率和期望寿命,节点切换到拥塞较低和期望寿命较长的节点,从而实现拥塞缓解和能量均衡。仿真结果表明,所提算法既能减少丢包率,增加根节点的数据包接收速率,还能延长网络生存时间和降低平均功耗。
【图文】：

数据包,量变

端到端时延以及根节点的平均吞吐量四个性能指标的变化情况，并对仿了对比分析。(1) 数据包投递率图 3.4 表明，随着网络中节点数量的增加，RPL-OF0 算法、ELT-RPL 算-RPL 算法的数据包投递率均呈下降趋势，其主要原因在于随着网络规数据包传输到根节点的距离会相对增大，增加了数据包丢失的概率。同 MDW-RPL 算法的数据包投递率明显高于 RPL-OF0 算法、IRPL 算法、EL，分析其原因主要有以下两点：(1) 在网络拓扑初始化的过程中，MDW-过最优多父节点集选择机制构建网络拓扑，综合考虑了节点的期望寿命质量、因缓存而丢包的概率，能够有效地降低数据包的丢包率；(2) 在计分配度量标准的过程中将多种度量有效地结合，并通过多路径数据流量够有效地实现负载均衡，极大地降低了数据包的丢包率。

网络生存,量变,数据流量,算法

存时间均随着网络规模的扩大而降低，但 MDW-RPL 算法的网络生存时其他三种算法。并且随着节点数的增加，MDW-RPL 算法的网络生存时度较小，表明网络不会因为节点数增加，导致网络生存时间急速下降。OF0 算法，MDW-RPL 算法通过多路径数据流量分配策略能够有效地实，从而避免了因单路径导致的负载不均衡。相对于 IRPL 算法，MDW-RP采用多路径进行数据传输，而 IRPL 算法当网络发生拥塞发生后，采用行数据传输，所以 MDW-RPL 算法可以有效地实现负载均衡，减少拥塞，从而延长了网络生存时间。相对于 ELT-RPL 算法，MDW-RPL 算法通节点集选择机制、数据流量分配度量标准和多路径数据流量分配策略的源节点的数据流量分配更加合理，，能够最大化地均衡负载，ELT-RPL 算每条路径上的瓶颈节点进行流量分配，所以 MDW-RPL 算法可以有效地生存时间。
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.5

【参考文献】