基于跨层的无线移动多媒体传感器网络路由研究

发布时间：2017-06-11 07:13

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【摘要】：无线移动多媒体传感器网络(Wireless Mobile Media Sensor Networks WMMSNs)是以音视频捕捉设备为传感器,节点附在移动对象上进行信息采集的新型无线传感器网络(Wireless Sensor Networks WSNs)。 WMMSNs信息采集的内容主要包括视频、音频、图像等多媒体信息,其节点在特定的监测区域内随机移动,节点的移动能够拓宽信息采集区域,丰富信息采集对象(如：移动目标)。但节点的移动会引起网络的拓扑结构动态改变、无线信道质量不够稳定等问题,此外,WMMSNs具有网络通信量大、传输能耗高、端到端时延和包丢失率要求严格等特点,这些特点增加了WMMSNs路由协议研究难度,影响了WMMSNs的进一步推广国内外学者针对WMMSNs路由协议进行了大量的研究,他们发现采用传统的分层协议结构进行路由协议设计将很难从整体上优化网络的性能。首先,传统的分层结构是面向有线固定网络设计的,有线固定网络节点静止、网络拓扑相对固定、链路质量比较稳定,而WMMSNs信道不可靠、网络拓扑经常变化、节点在特定区域内移动的同时进行数据的采集和传输,采用分层结构会严重影响WMMSNs的性能；其次,在WMMSNs中,为了优化性能、提高网络效率,节点常常需要利用多个层的相关参数,这就要求不同层之间存在参数交流的通道。为解决这个问题,研究者们在设计WMMSNs路由协议时采用跨层的方法,加强不同层之间的信息交互,进而优化网络的整体性能。但当前基于跨层的路由协议仍然存在一些不足：在数据传输时采用单路径传输,单路径传输会增加网络的端到端时延、降低网络的吞吐量、加重路径节点上的负载；在选择路由判据时较少使用链路质量和剩余能量作为路由判据,这将会降低数据传输的成功率,增加数据包重传次数；多媒体网络通信数据流较大,在数据传输的过程中存在大量的编码机会,而现有的协议很少对网络编码机会进行检测。本文针对WMMSNs路由协议研究中存在的问题,所做的研究工作主要如下：(1)介绍了WMMSNs的网络概念及特点,指出在研究WMMSNs路由协议时面临的挑战,如：拓扑动态变化、链路质量不稳定、时延敏感等；总结了WMMSNs在进行路由协议设计时应遵循可靠性、实时性、能量高效性的原则；综述了当前针对于WMMSNs提出的几种路由协议,分析并指出这些协议的优缺点,说明了WMMSNs跨层设计的必要性。(2)对跨层设计的概念和特点进行了介绍,分析了跨层设计的模型及其原理,着重介绍了几种基于跨层的路由协议,并对这几种跨层协议的工作原理、工作流程进行了分析,指出了协议中存在的不足。(3)设计了RCLF跨层模型。RCLF跨层模型分为路由构建RC组件和链路层反馈LF组件。RC组件一方面为节点接入控制提供参数,另一方面在路径构建时根据网络层的时延、链路层的链路质量、物理层的节点剩余能量计算链路权值并反馈给网络层。在数据发送过程中当路径出现链路中断或者链路迁移时,LF组件提高物理层发送功率或者通知网络层路由失效,减少路由重构次数。(4)提出基于跨层的编码感知多路径路由协议(MRCC)。 MRCC协议采用了RCLF跨层模型来优化路由构建。MRCC协议的工作流程大致为：在节点需要进行路径构建时,源节点广播RREQ报文,收到RREQ报文的节点依据RC组件中的节点剩余能量决定是否加入到路径构建(即接入控制),如果满足接入条件,RC组件依据网络层、数据链路层和物理层的相关参数计算链路权值,并反馈给网络层作为路由构建的判据,否则直接丢弃RREQ报文：目的节点接收到RREQ后通过单播回复RREP报文,进而在源、目节点之间建立多条链路不相交路径,节点将数据流分割到多条路径上传输：在数据传输过程中,节点进行编码机会的检测,一旦检测到编码机会,则将数据通过编码进行传输。为了验证本文提出的路由协议,本文在OMNeT++网络模拟平台对MRCC协议进行模拟仿真,在仿真过程中通过设置不同的参数观察网络的性能表现,同时选取两个现有的路由算法与本文提出的路由协议进行比较,验证本文路由协议的有效性。仿真实验表明,MRCC协议能够降低网络路由开销、保证数据的可靠传输、降低端到端的时延。
【关键词】：无线移动多媒体传感器网络 跨层设计 路径构建 网络编码
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN919.8
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 无线移动多媒体传感器网络介绍11-14
• 1.3 无线移动多媒体传感器网络应用14-15
• 1.4 无线移动多媒体传感器网络研究15-18
• 1.4.1 无线移动多媒体传感器网络路由设计原则16
• 1.4.2 无线移动多媒体传感器网络路由研究现状16-18
• 1.5 论文组织结构18-19
• 第2章 WMMSNs跨层设计研究19-29
• 2.1 跨层设计介绍19-24
• 2.1.1 跨层设计概念19
• 2.1.2 跨层模型介绍19-24
• 2.2 基于跨层设计的路由协议研究24-28
• 2.2.1 DECR路由协议24-25
• 2.2.2 LBRF路由协议25-26
• 2.2.3 XL-WMSN路由协议26-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 基于跨层的编码感知多路径路由协议29-47
• 3.1 引言29-30
• 3.2 RCLF跨层模型30-34
• 3.2.1 链路层反馈组件32-33
• 3.2.2 路由构建组件33-34
• 3.3 基于跨层的编码感知多路径路由协议34-46
• 3.3.1 MRCC路由协议描述34-35
• 3.3.2 能量感知的接入控制35
• 3.3.3 贝叶斯链路估计35-36
• 3.3.4 多路径数据编码36-38
• 3.3.5 链路不相交多路径构建38-43
• 3.3.6 邻居节点表的获取与更新43-44
• 3.3.7 MRCC协议工作流程44-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 模拟实验与结果分析47-54
• 4.1 实验环境介绍47-48
• 4.1.1 仿真实验环境配置47
• 4.1.2 协议性能评估参数47-48
• 4.2 仿真结果48-53
• 4.2.1 在不同节点数量下的仿真结果48-50
• 4.2.2 在不同节点移动速度下的仿真结果50-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第5章 总结与展望54-56
• 5.1 总结54-55
• 5.2 展望55-56
• 参考文献56-60
• 致谢60-61

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本文编号：441060