无线传感器网络中的RPL路由协议研究

发布时间：2017-07-03 07:13

  本文关键词：无线传感器网络中的RPL路由协议研究

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【摘要】：无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种由大量可以感知和检测外部数据的传感器设备组成的分布式传感网络,该网络中的各个传感器通过无线多跳的方式进行相互通信,其网络的配置非常灵活,传感器设备的位置可以任意更改。但是无线传感器设备一般由电池供电,其能量、数据处理能力和存储能力有限。而无线传感器网络传统的路由算法不利于管理和拓扑维护,且与其它网络之间的相互操作性较差,因此,国际互联网任务工作组的低功耗路由算法(Routing over Lossy and Low-power Networks,ROLL)工作组从2010年开始陆续完成了一种针对无线传感器设备特点的低功耗有损网络路由协议(Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks,RPL)标准的制定,该协议提出了合理地利用无线传感器资源的网络拓扑构建和数据传输方法,能有效弥补传统的无线传感器网络路由方法的不足。但是,在RPL路由算法中,能量均衡、增加投递成功率以及减少端到端时延等同样也是重要的研究方向。首先,本文对无线传感器网络和低功耗有损网络的概念、特点以及国内外研究现状进行综述。然后对RPL路由协议原理进行了详细分析,并根据路由策略的不同对拓扑构建、数据转发和路由修复的关键问题进行了分类,然后对其中几种具有代表性的路由算法进行了介绍,并对它们各自的特点进行了分析和比较。然后,本文针对在现有的根据路径瓶颈节点寿命长短来选择最优父节点的能量均衡RPL路由算法(Energy Balanced Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks,EB-RPL)中,存在的待加入节点在计算路径瓶颈节点的预期生存时间时流量考虑不全,以及在计算自身预计生存时间时没有考虑到RPL协议在构建和维护拓扑结构阶段需要发送大量控制包,且没有考虑节点加入之后路径瓶颈节点的变化情况而使后续待加入节点不能准确地选择最优父节点等问题,提出了一种基于能量均衡的RPL高效路由算法(Energy Balanced and High Efficiency Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks,EBHE-RPL)。该算法首先采用目的地通告确认消息分类发送机制来减少父节点发送的控制包数量;然后通过父节点流量累计机制来计算各个路径瓶颈节点的预计生存时间,使计算出的瓶颈节点寿命值与实际值更接近,从而使待加入节点能更准确地确定谁是最优父节点;接着,采用控制消息累计机制来计算自身的预计生存时间,使节点计算到自己的预计生存时间更准确,有利于路径瓶颈节点的正确选择;最后,在节点加入网络后,采用路径瓶颈节点再预估机制,尽量避免后续节点误选瓶颈节点的情况。仿真结果表明,与RPL和EB-RPL等现有协议相比,EBHE-RPL算法在延长网络生存时间、均衡网络能量方面的性能均得到了提升。接下来,本文对另一种具有代表性的基于簇父集的RPL路由算法(Cluster-parent Based RPL for Low-Power and Lossy Networks,CRPL)中能耗、时延偏大以及投递率偏小的原因进行了深入研究,并在此基础上提出了一种基于机会和最佳转发集的RPL路由算法(Opportunistic and Best Forward Set Based Routing for Low-Power and Lossy Networks,OBFSB-RPL)。该算法优化了簇父集选择机制,增加了数据成功转发到下一跳的机会;同时根据排队模型,修改了在选择簇父集阶段要计算各个代价值的计算过程,使得数据在最佳转发集中能按照准确的优先级顺序进行协调转发,从而降低时延。仿真结果表明,OBFSB-RPL算法相比于CRPL算法在时延、成功率等性能方面均得到了改善。最后,总结了全文工作,并给出了RPL路由算法未来的研究方向。
【关键词】：无线传感器网络 RPL路由协议 能量均衡 簇父集 最佳转发集
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 注释表11-13
• 第1章绪论13-20
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.3 论文的研究目标及结构安排18-20
• 第2章无线传感器网络中的RPL协议概述20-37
• 2.1 无线传感器网络的概念及其体系结构简介20-21
• 2.2 无线传感器网络的特点和面临的挑战21-22
• 2.3 低功耗有损网络RPL路由协议分析22-32
• 2.3.1 RPL路由协议特点22-23
• 2.3.2 RPL路由协议的控制消息模块介绍23-27
• 2.3.3 RPL路由协议的DODAG构建过程27-28
• 2.3.4 RPL路由协议数据传输的路由过程28-30
• 2.3.5 RPL路由协议的环路避免、检测及修复机制30-31
• 2.3.6 RPL路由协议的Trickle定时机制31-32
• 2.4 两种典型的RPL路由算法原理32-36
• 2.4.1 EB-RPL路由算法32-33
• 2.4.2 CRPL路由算法33-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章低功耗有损网络中的能量均衡高效路由算法（EBHE-RPL）设计37-54
• 3.1 网络模型及定义37-38
• 3.2 EB-RPL算法存在的问题分析38
• 3.3 EBHE-RPL路由算法设计38-45
• 3.3.1 EBHE-RPL算法新机制设计39-43
• 3.3.2 EBHE-RPL算法的操作步骤43-44
• 3.3.3 EBHE-RPL算法性能的理论分析44-45
• 3.4 Contiki系统和Cooja仿真工具45-47
• 3.4.1 Contiki操作系统简介45-46
• 3.4.2 Cooja仿真工具操作步骤46-47
• 3.5 EBHE-RPL算法的仿真实验与结果分析47-53
• 3.5.1 网络场景及参数设置47-48
• 3.5.2 网络模型及拓扑构建48-49
• 3.5.3 仿真结果及分析49-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第4章基于机会和最佳转发集的RPL路由算法（OBFSB-RPL）设计54-67
• 4.1 网络模型54-55
• 4.2 CRPL算法存在的问题分析55
• 4.3 OBFSB-RPL路由算法设计55-60
• 4.3.1 OBFSB-RPL算法新机制设计56-58
• 4.3.2 OBFSB-RPL算法操作步骤58-59
• 4.3.3 OBFSB-RPL路由算法性能的理论分析59-60
• 4.4 OBFSB-RPL路由算法仿真实验与结果分析60-66
• 4.4.1 网络模型60-61
• 4.4.2 仿真参数设置61-62
• 4.4.3 仿真结果及分析62-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第5章结论及将来的研究工作67-69
• 5.1 结论67-68
• 5.2 将来的研究工作68-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-74
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 胡芹艳;尹长川;;无线传感网络中的RPL路由协议研究[J];物联网技术;2014年01期

2 宁焕生;徐群玉;;全球物联网发展及中国物联网建设若干思考[J];电子学报;2010年11期

3 刘益;王东;李晓鸿;王文艳;;阴影衰落环境下无线传感网络完全覆盖的研究[J];计算机工程与应用;2010年15期

  本文关键词：无线传感器网络中的RPL路由协议研究

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本文编号：512721