基于IPv6的无线传感器网络路由策略研究

发布时间：2020-08-21 19:47

【摘要】：无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是物联网感知层的重要组成部分,它由大量具备环境感知、通信传输和数据处理功能的传感器节点组成,实时采集覆盖区域内的物理环境信息,并通过无线多跳方式将数据传输至Sink节点。随着WSNs的快速发展,其应用呈现出规模效应和多样化的趋势,使得WSNs与其他网络的互联互通成为了研究的热点。IP协议架构作为一种发展多年且十分成熟的网络,能较好地实现各种数据的交换和应用的扩展。因此,将WSNs与IP网络进行无缝融合是其发展的必然趋势,即传感节点IP化。6LoWPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks,6Lo WPAN)适配层技术作为融合IPv6网络与WSNs的关键技术,它凭借低速无线个域网协议IEEE 802.15.4的物理层和MAC层低功耗的特点和IPv6的128位地址位和无状态地址配置机制的优势,成为实现WSNs与IPv6网络点到点通信的理想解决方案。由于WSNs自身资源受限,传统的路由协议因其复杂度高且计算量大而不能直接应用于其中,因此,从全网角度高效利用节点能量是设计WSNs路由策略的首要原则。针对IPv6编址后的WSNs,如何建立能量高效且分布均衡的路由策略是本文研究的重点内容。本文围绕基于6LoWPAN协议的传感器网络能量优化路由算法做了深入的研究,相关的研究工作涵盖如下几个方面:(1)通过查阅国、内外相关文献,总结WSNs的模型定义、网络特点、关键技术以及其具体的应用场景;通过对比分析WSNs的路由策略,指出节约并均衡节点的能量消耗、最大限度地延长网络生命周期,是设计WSNs路由算法的总体目标。(2)6Lo WPAN适配层技术主要完成IPv6协议与IEEE 802.15.4链路之间的适配兼容工作,使得传感节点能以IPv6的方式统一接入互联网并实现点到点的通信;分析6Lo WPAN适配层的地址配置、分片重组、报头压缩以及转发路由等技术,并借助Contiki物联网操作系统完成传感器节点统一IPv6编址。(3)分析并总结常见的层次型分簇路由算法,以基于IPv6的低功耗有损网络路由协议—RPL(IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks,RPL)为基础,针对RPL路由协议网络整体负载不均衡且容错性差的缺点,改进并设计一种基于RPL的非均匀密度分簇路由策略R-HDCR(RPL-Heterogeneous Density Clustering Routing,R-HDCR),经过仿真实验,对R-HDCR策略下WSNs的各项性能指标进行对比分析。(4)在教育网纯IPv6的环境下,结合R-HDCR策略,并以此为基础设计一种基于6Lo WPAN的智慧家庭应用管理平台,该平台具体包括6LoWPAN传感器节点、Linux嵌入式边界路由网关以及上位机管理系统,实现对家居环境的实时监控,并对所研究的路由策略进行组网测试验证。本文的主要贡献和改进如下:针对RPL路由协议的不足,并在此基础上改进并设计了一种基于RPL非均匀密度的分簇路由策略(R-HDCR),利用模糊数学中T-范数算子,综合考虑节点剩余能量、距离因素以及链路质量等度量,合理选择簇头;根据传感器节点与Sink节点的距离,实现非均匀密度成簇,并根据最优簇头变化驱动机制实现簇头轮换;簇间利用基于贪心算法的最小代价函数选择中间节点,从而找出最优路由路径,最终平衡全网能耗并延长网络生存周期。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【图文】：

术的巨大的潜在价值和广阔的应用前景[1]。WSNs 定义为由众多多功能、低功耗、廉价的传感器节点构成且面向具体应用场景的专属网络，它具体涉及传感器技术、嵌入式系统技术、微电子制造技术以及无线通信传输技术，可以实时地采集监控区域中感知对象的物理环境信息，并经过处理后传递给观察者[2]。WSNs 具备获取信息精度高、部署灵活、扩展简单方便以及价格低廉等优势，其在智能工业、精准农业、军事侦察、环境监测、反恐抗灾、交通管理、医疗卫生等诸多方面有着较为丰富的应用案例[3]。WSNs 与其他传统网络以及移动自组织网络相比之下，在节点分布密度、不可靠性、能源供应、计算和存储能力等方面有着显著的区别，这也给 WSNs 的部署和应用带来了新的挑战与机遇[4]。1.1.1 WSNs 基本概念与特点物联网的层次架构由感知层、网络层和应用层组成，各层各司其职，并且下层为上层提供多种服务，从而实现以数据驱动的业务模式，如图 1.1 所示为物联网分层架构图。

术的巨大的潜在价值和广阔的应用前景[1]。WSNs 定义为由众多多功能、低功耗、廉价的传感器节点构成且面向具体应用场景的专属网络，它具体涉及传感器技术、嵌入式系统技术、微电子制造技术以及无线通信传输技术，可以实时地采集监控区域中感知对象的物理环境信息，并经过处理后传递给观察者[2]。WSNs 具备获取信息精度高、部署灵活、扩展简单方便以及价格低廉等优势，其在智能工业、精准农业、军事侦察、环境监测、反恐抗灾、交通管理、医疗卫生等诸多方面有着较为丰富的应用案例[3]。WSNs 与其他传统网络以及移动自组织网络相比之下，在节点分布密度、不可靠性、能源供应、计算和存储能力等方面有着显著的区别，这也给 WSNs 的部署和应用带来了新的挑战与机遇[4]。1.1.1 WSNs 基本概念与特点物联网的层次架构由感知层、网络层和应用层组成，各层各司其职，并且下层为上层提供多种服务，从而实现以数据驱动的业务模式，如图 1.1 所示为物联网分层架构图。

基于 IPv6 的无线传感器网络路由策略研究各种物理传感器节点实现对物理信息的感知、传输以及和互联网等传统主干网络，实现对感知信息端对端的稳体的应用场景来综合利用数据，并结合相应的数据处理应用[5],[6]。联网感知层中至关重要的部分，通常由普通传感器节点路组成，传感节点随机分布在检测区域，周期性地收集过无线通信的方式将数据传输至 Sink 节点[7]。如图 1.2 WSNs 具有如下特点[8]：器节点资源严重受限。传感器节点体积小，其电池能量经济或不现实。同时，WSNs 中节点部署密度高且数量节点的成本低廉。图 1.3 为传感器节点硬件系统结构图

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

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相关博士学位论文 前1条

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本文编号：2799788