无线传感器网络的区域路由研究

发布时间：2020-10-28 12:03

　　 无线传感器网络用于检测和收集可到达和难以到达地区的数据。通常情况下,其每个组成节点从周围环境感测数据并将其发送到基站。传感器网络的迅速发展导致了功能性的增加和实施成本的降低。但是,传感器网络具有网络节点的可用能量有限的缺点,并且由于涉及的成本和(或)地理原因,更换或重新充电节点电池通常是不可行的。除了能量之外,还存在诸如受限的内存和处理能力、短距离通信、可扩展性以及在恶劣环境中部署等挑战。节点处理与无线传输是消耗能量的主要原因。协议栈的不同层都或多或少地对能耗的消耗有所贡献。例如,减少消息和控制信令的数量既可以节省处理器的能耗,又能够节省发射和接收的能耗。研究人员提出了大量的节能路由协议,但是这些协议不能限制在每轮数据传输的开始被用来发现邻居,寻找节能和最短路由以及维护稳定性的控制信息数量,而这最终会减小网络生存周期。优化这些网络控制信令能够提高网络寿命和吞吐量。为了解决上述挑战,我们的研究将传感器网络中的区域路由(ZBR)作为目标。在一般的多跳路由中,离基站更近的最大能级节点被选作路由节点。和这相反的是,区域路由大都使用多跳动态泛洪协议,这些协议并不是节能的方法。当前已有一些研究区域路由的文献对路由路径中每一跳节点进行随机选择,而不考虑节点能量和位置,但是这对低功率传感器网络来说并不是一种节能和最优路由机制。此外在区域路由中,也会产生多余的/不需要的数据流量,这些流量会被基站接收,这极大地影响着网络的总体性能。从网络中移除这些不需要的数据流能够在网络寿命和吞吐量方面提高网络性能。本研究的主要目的是为低功率无线传感器网络开发一种新型路由策略,该方案应该是轻量级、高能效且完全无状态的,并且该基于位置的路由不需要节点知道它们各自的位置,同时在路由过程中只产生微不足道的控制信息。此外,它确保在基站处只接收每个消息的唯一副本,并消除来自网络的不必要数据流量的可能性。为了应对上述挑战,本文对此展开研究。论文主要贡献总结如下:1.提出了一种环域路由算法(RARZ),该算法基于节点的剩余能量进行路由决策,并执行基于位置的路由,而不需要节点知道它们各自的位置,从而在路由过程中不含任何控制开销。该算法将网络划分为基站周围的同心环或同心区域,每个节点将自己分配给ringID或zoneID已知的特定区域,执行多跳路由,并由内环中的节点承载外环向基站的数据。路由决策是即时决定的,无需任何邻居节点和网络拓扑的先验信息。2.在区域路由中相同分组的多个副本会在网络中传输,为此本文提出了一种用于处理冗余数据的节能技术(EEHRT)的新型协议,通过在区域路由中引入短信标信息来控制冗余数据,并使用无线广播优势(WBA)确认源节点,而不向发送端发送任何特定确认包来减少控制业务的数量,从而大大延长了整个网络的生命周期。3.由于网络中数据传输的数量较少,分层路由被认为是传感器网络中最节能的且最能扩展网络生命周期的技术。另一方面,区域路由具有较少的路由控制开销,从而可以延长整个网络生命周期。为了证明这两种主要路由技术的有效性,我们已经进行了基于区域路由和基于静态分簇的分层路由的仿真对比。仿真结果表明,基于区域路由在能量效率、网络生命周期和吞吐量方面,优于基于静态分簇的分层路由。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212.9;TN929.5
【文章目录】：
摘要
Abstract
Chapter 1 Introduction
    1.1 Introduction
    1.2 Applications of Sensor Networks
        1.2.1 Military Applications
        1.2.2 Health Monitoring Application
        1.2.3 Buildings and Construction's Structure Monitoring
        1.2.4 Disaster Monitoring
        1.2.5 Agriculture Application
        1.2.6 Bio-habitat Monitoring
        1.2.7 Environment Monitoring
    1.3 Sensor Network Protocol Stack
    1.4 Routing Challenges in Sensor Networks
        1.4.1 Energy
        1.4.2 Data Reporting Model
        1.4.3 Node Heterogeneity
        1.4.4 Fault Tolerance
        1.4.5 Scalability
        1.4.6 Network Dynamicity
        1.4.7 Transmission Media
        1.4.8 Node Density and Connectivity
        1.4.9 Coverage
        1.4.10 Aggregating Data
        1.4.11 QoS （Quality of Service）
    1.5 Design Consideration of a Good Routing Protocol
        1.5.1 Infrastructure less operation
        1.5.2 Network Lifetime
        1.5.3 Latency
        1.5.4 Quality of Service （QoS）
        1.5.5 Shortest Routing Path
    1.6 Routing Protocols in Sensor Networks
        1.6.1 Direct Communication Protocols
        1.6.2 Flat/Multihop Routing Protocols
        1.6.3 Hierarchical Routing Protocols
            1.6.3.1 Centralized Approaches
            1.6.3.2 Distributed Approaches
        1.6.4 Location/Position based Routing Protocols
        1.6.5 Quality of Service （QoS） based Protocols
        1.6.6 Neuro Fuzzy Protocols
        1.6.7 Cross Layer Protocols
        1.6.8 Zone based Protocols
        1.6.9 Hybrid Approaches
    1.7 Motivation
    1.8 Research Objective
    1.9 Innovation and Research Contributions
    1.10 Organization of the dissertation
    1.11 Chapter Summary
Chapter 2 A New Energy Efficient Zone Based Routing Protocol for Wireless SensorNetworks
    2.1 Chapter Introduction
    2.2 Related Work
    2.3 RARZ Protocol
        2.3.1 Network Model
        2.3.2 RARZ Protocol Working Phases
            2.3.2.1 Network Configuration Phase
            2.3.2.2 Data Communication Phase
            2.3.2.3 Next Hop Node Selection
            2.3.2.4 Message Formats used in RARZ
    2.4 Simulation and Results
        2.4.1 Energy Model
        2.4.2 Simulation Setup
            2.4.3.1 Average energy consumption
            2.4.3.2 Average delay （latency）
            2.4.3.3 Average hop count
            2.4.3.4 Throughput
            2.4.3.5 Network lifetime
    2.5 Chapter Summary
Chapter 3 Energy Efficient Technique for Handling Redundant Traffic （EEHRT） in Zonebased Routing for WSNs
    3.1 Chapter Introduction
    3.2 Related Work
        3.2.1 A brief overview of RARZ Routing
    3.3 Problem Rationale
    3.4 Energy Efficient Technique for Handling Redundant Traffic （EEHRT） in Zone basedRouting
        3.4.1 Network Model
        3.4.2 Message Types
        3.4.3 EEHRT Algorithmic Description
        3.4.4 How EEHRT works?
        3.4.5 EEHRT Stepwise Routing Process Illustration
    3.5 Simulation and Result Discussion
        3.5.1 Energy Model
        3.5.2 Simulation Setup and Result Discussion
    3.6 Chapter Summary
Chapter 4 Performance Evaluation of Zone based Routing with Hierarchical Routing inWireless Sensor Networks
    4.1 Chapter Introduction
    4.2 Related Work
    4.3 Zone based Routing vs Hierarchical Routing
        4.3.1 RARZ Routing
            4.3.1.1 Network Setup Phase
            4.3.1.2 Data Communication and Relaying Node Selection Phase
    4.4 Energy Efficient Protocol using Static Clustering （EEPSC）
        4.4.1 Network Configuration Phase
        4.4.2 Data Communication Phase
        4.4.3 Energy Dissipation Model
    4.5 Simulation and Result Discussion
    4.6 Chapter Summary
Chapter 5 Conclusions and Future Research
    5.1 Summary of Contributions
    5.2 Future Research
References
List of Publications
Acknowledgement

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本文编号：2860066