无线传感器网络低能耗路由协议研究

发布时间：2017-04-14 16:17

  本文关键词：无线传感器网络低能耗路由协议研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量低成本、低功耗的传感器节点通过自组织方式形成的网络,传感器节点具备感知、数据处理、存储和无线通信能力,通过协作的方式采集、处理和传输网络监测区域内的信息。随着近年来半导体硬件制造以及软件算法技术的提高,包括我国在内的世界上许多国家都加大了对无线传感器网络的研究投入和力度,使得无线传感器网络在环境监测、军事侦察、道路交通、医疗卫生以及空间探测等多个领域得到空前的发展。无线传感器网络的路由协议与其它网络相比还不够成熟,没有统一的标准,但同时也意味着具有很大的研究空间,诞生了大量重要研究成果。部分研究从转发效率着手,致力于提高带宽利用率和减少延时：部分研究从能耗性着手,致力于降低网络工作能耗,延长网络寿命。由于无线传感器网络发挥作用的环境通常是人迹罕至,对传感器节点进行维护是一项很困难甚至无法完成的任务,所以从实用角度来看,对无线传感器网络路由协议的能耗性研究更有意义。研究者们对于无线传感器网络路由协议能耗性的研究主要从两个方向入手：一是减少转发次数,二是减少转发数据量。本文结合不同的应用,利用机会主义思想,对无线传感器网络路由协议进行研究,重点研究了在不同应用环境下的低能耗的无线传感器网络路由协议。本文从减少转发次数入手,分别研究平面型固定基站以及移动汇聚节点的路由协议(第三章、第五章、第六章)；又从减少转发数据量角度入手,研究层次型路由协议(第四章)。本文首先研究在单个数据源连续发送多个数据的应用下,需要一种基于数据和查询的平面路由协议,且能够比现有的定向扩散路由协议更节省能耗(第三章)。当应用环境变化,一定区域的监测数据互相存在冗余度,网络中存在多个数据源,甚至全部节点均为数据源的情况下,平面路由协议将不能适用,需要能够有效进行数据融合的层次路由协议来发挥作用。然后考虑到层次路由协议簇头与基站直接通信能量消耗过大,且当网络通信环境恶劣时重传数据会造成能量过度消耗,本文研究了采用簇头多跳传输方式并能在恶劣通信环境下减少数据重传能量消耗的层次路由协议(第四章)。无论平面或是层次路由协议,当基站固定时,传感器节点的分布总会造成能量消耗的不均衡。本文最后研究了基于移动汇聚节点的路由协议来解决网络中能量消耗不均衡的问题,提出的两种路由协议分别适用于较密集的网络应用和较稀疏的网络应用(第五章、第六章)。本论文的主要创新工作如下：1、通过对平面路由协议的研究提出了一种基于机会路由的定向扩散组播协议(DDOR)。定向扩散路由协议通过兴趣扩散来建立最优路径,机会路由通过机会转发来提高转发效率,DDOR将两者的优势有效结合,建立基于最优路径的转发列表。在数据传输过程中,数据包从转发列表中提取组播目的节点集合,对数据传输路径进行优化,减少转发次数,实现对网络能耗的节省。DDOR通过限制组播目的节点集合的节点数目对协议性能进一步优化,缩短节点间的转发等待时间,从而减少源节点到基站数据传输的延时。2、通过对层次路由协议的研究提出了一种基于机会路由的多层次LEACH协议(LEACH-MLOR)。LEACH-MLOR融合了两种层次结构,分别是基于不同功率范围的节点等级和基于节点相互关系的分簇结构,根据节点等级来优化LEACH协议中选择簇头的门限,并根据节点等级来建立簇头之间的多跳路径,协议算法简单且有效。LEACH-MLOR基于机会路由的思想提出一种辅助节点机制来减少簇间通信失败时数据重传造成的能量过度消耗,由辅助节点以低功率重传数据来代替簇头间高功率的重传。3、通过对移动无线传感器网络的研究提出了一种基于灯塔-浮标结构的移动无线传感器网络路由协议(BBR-MS)。BBR-MS提出一种利用灯塔节点代替汇聚节点进行兴趣查询的机制,在兴趣查询的同时建立树状转发结构,并加入可以与汇聚节点直接通信的浮标节点,避免了通信路径中最后一跳的额外开销。BBR-MS通过引入移动汇聚节点和减少网络结构刷新次数,实现网络总体能耗的降低和各节点能耗的相对均衡。网络结构满足重连通条件时,基于重连通图的优化机制优先选择通信负担较轻的节点来建立树状转发结构。通过优化机制,可以使得网络内节点的能量消耗更加均衡。4、通过对移动轨迹的研究提出了一种基于热点追踪的移动无线传感器网络路由协议(HTR-MS)。HTR-MS提出一种热点追踪+热点时间学习的路由机制,更适用于对能耗要求高的具有移动Sink的稀疏无线传感器网络中。采用热点区域的形式,HTR-MS比Bread Crumbs、DDRP协议能够更快的建立起转发梯度网,并且在转发梯度网的建立过程中不产生额外的通信开销。采用热点学习的形式,快速有效的完成转发梯度网的建立以及更新,且不产生额外的通信开销。
【关键词】：无线传感器网络 路由协议 机会路由 移动Sink 轨迹追踪
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 中文摘要8-10
• 英文摘要10-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 无线传感器网络概述12-13
• 1.2 无线传感器网络特点13-15
• 1.3 无线传感器网络低能耗路由协议研究现状15-16
• 1.4 论文研究动机及研究内容16-19
• 1.5 本论文组织结构19-20
• 第二章 无线传感器网络低能耗路由协议综述20-34
• 2.1 相关技术20-21
• 2.2 能量模型21-22
• 2.3 路由协议分类22-23
• 2.4 平面路由协议23-25
• 2.5 层次路由协议25-30
• 2.6 具有移动汇聚节点的路由协议30-32
• 2.7 本章小结32-34
• 第三章 基于机会路由的定向扩散组播协议34-50
• 3.1 概述34-36
• 3.1.1 引言34-35
• 3.1.2 DDOR协议概述35-36
• 3.2 DDOR协议设计36-43
• 3.2.1 网络模型36
• 3.2.2 兴趣扩散、建立梯度及最优路径36-37
• 3.2.3 转发列表建立37-38
• 3.2.4 传输数据38-40
• 3.2.5 传输异常状态与数据包重传40-41
• 3.2.6 节点工作流程41
• 3.2.7 优化机制41-43
• 3.3 DDOR性能评估43-48
• 3.3.1 通信概率43
• 3.3.2 仿真环境43
• 3.3.3 能耗性评估43-46
• 3.3.4 网络规模对能耗性的影响46-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第四章 基于机会路由的多层次LEACH协议50-64
• 4.1 LEACH-MLOR协议概述50
• 4.2 LEACH-MLOR协议设计50-56
• 4.2.1 网络模型50-52
• 4.2.2 建立节点等级52
• 4.2.3 建立簇和选择簇头52-53
• 4.2.4 基于节点等级的簇间通信机制53-55
• 4.2.5 辅助节点机制55-56
• 4.3 通信概率对能量的影响56-57
• 4.4 性能评估57-63
• 4.4.1 仿真环境57-58
• 4.4.2 LEACH-MLOR能耗性评估58-60
• 4.4.3 网络规模对能耗性的影响60-61
• 4.4.4 辅助节点机制评估61-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第五章 基于灯塔-浮标结构的移动无线传感器网络路由协议64-80
• 5.1 BBR-MS协议概述64
• 5.2 BBR-MS协议设计64-71
• 5.2.1 网络模型64-65
• 5.2.2 灯塔节点机制65-67
• 5.2.3 基于灯塔节点建立树状转发结构67-69
• 5.2.4 浮标节点机制69-70
• 5.2.5 数据传输过程70
• 5.2.6 优化机制70-71
• 5.3 BBR-MS性能评估71-78
• 5.3.1 仿真环境71-72
• 5.3.2 能耗性评估72-74
• 5.3.3 网络规模对能耗性的影响74-77
• 5.3.4 优化机制评估77-78
• 5.4 本章小结78-80
• 第六章 基于热点追踪的移动无线传感器网络路由协议80-98
• 6.1 HTR-MS协议概述80-81
• 6.2 HTR-MS协议设计81-89
• 6.2.1 网络模型81-82
• 6.2.2 建立热点区域82-83
• 6.2.3 基于热点区域的转发梯度网83-84
• 6.2.4 数据传输过程84-86
• 6.2.5 热点时间学习算法86-87
• 6.2.6 多热点追踪87-89
• 6.3 HTR-MS协议性能仿真及评估89-95
• 6.3.1 仿真环境89-90
• 6.3.2 性能评估90-92
• 6.3.3 增加网络规模对协议性能的影响92-93
• 6.3.4 增加移动Sink对协议性能的影响93-95
• 6.4 本章小结95-98
• 第七章 结论98-100
• 7.1 论文工作总结98-99
• 7.2 研究展望99-100
• 参考文献100-110
• 致谢110-112
• 攻读博士学位期间的研究成果112-113
• 附件113

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 李成法;陈贵海;叶懋;吴杰;;一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J];计算机学报;2007年01期

  本文关键词：无线传感器网络低能耗路由协议研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：306383