基于Quorum系统的低链路时间成本路由选择技术研究

摘要

随着微电子技术和无线通信技术的不断进步，作为物联网核心技术的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）技术在最近几年中得到了蓬勃发展。传感器节点通常采用纽扣电池或干电池提供能量等硬件限制，因而对于传感器节点而言能量异常珍贵。WSN节点经常被布设在人员无法到达的恶劣环境，因而节点能量补给存在困难。如何提高全网能源利用效率、延长无线网络的正常运行周期是WSN必须面对的难题。对于WSN的拓扑结构和路由算法优化的研究对延长无线网络的生存时间具有重要的意义。而Quorum系统是一种以“冗余”设计为基础的新型集合系统，研究发现将其应用到WSN能够大幅度减少节点能量损耗、改善网络性能。本文针对WSN能量受限和低占空比WSN中的邻居发现时延等问题，研究了基于Quorum系统的WSN低延迟可靠路由选择算法。主要创新工作如下：
　　（1）针对无线传感器网络中的能量利用效率低下、生命周期短等问题，提出一种基于偏离度的非均匀分簇多跳路由算法—DDCH。算法采取基于剩余能量的簇首选举策略，簇首节点采用非均匀分簇的方式分成大小不均等的簇；成簇阶段，每个簇首节点根据节点的能量和到 sink的距离等因素计算各自大小不同的成簇半径，普通节点从剩余能量大于平均相邻簇首剩余能量的簇首节点中选择最近的簇首节点并加入簇；在构建簇间路由树时，协议提出一种利用偏离度的方式选择候选下一跳簇首节点，然后根据成本函数选择出最终下一跳簇首节点。在网络一轮运行结束后根据簇首节点的剩余能量判断是否需要重新分簇，若不需要分簇，则从剩余能量低的簇结构内，从高于平均能量的成员节点中选择距离原簇首节点最近的节点，即最接近簇中心的节点作为新簇首节点。
　　（2）在 WSN中节点采用异步低占空比技术可以极大地避免节点长时间处于工作状态而耗费的大量能量，与此同时节点的低占空比唤醒会造成极大的端到端数据时延。针对这个问题本文设计一种基于 Quorum系统的异步自适应低占空比WSN低时延可靠路由算法（Optimal-Reliable delay routing algorithm for low duty cycle WSN based on Quorum,ORDA），将异步占空比网络和实际链路模型相结合，在异步占空比WSN中节点在不同时刻的邻居发现延迟也是在不断变化的。每个节点根据网络负载选择自身的Quorum类型，并利用Quorum特性来计算邻居节点的重叠时隙个数；然后根据质量进一步计算出一跳范围内邻居节点间的成功转发预期值，并从成功转发预期值最大的两个节点中选择平均延迟最少的节点转发数据。仿真时延证明算法不仅能够降低端到端延迟，而且能获得较好的转发成功率。

目录

声明

致谢

1绪论

1.1研究背景与研究意义

1.2国内外研究现状

1.3 WSN的研究热点

1.4论文主要工作和结构安排

1.5本章小结

2无线传感器网络概述

2.1 WSN的体系结构及能耗分析

2.2 WSN路由协议概述

2.3 WSN分簇路由算法

2.4本章小结

3低占空比技术研究

3.1低占空比WSN中面临的问题

3.2低占空比WSN中时延的产生以及分类

3.3 WSN中的时间同步和异步通信技术

3.4 Quorum系统在低占空比WSN中的应用

3.5本章小结

4基于偏离度的WSN非均匀分簇多跳路由算法

4.1系统描述

4.2算法设计

4.3仿真实验及性能分析

4.4本章小结

5基于Quorum的低占空比WSN延迟优化可靠路由算法

5.1问题的提出

5.2系统模型

5.3 ORDA算法的设计

5.4仿真结果与分析

5.5本章小结

6总结与展望

6.1工作总结

6.2未来工作展望

参考文献

作者简历

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