无线传感器网络地理路由及空洞处理算法

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由分布在特定区域内的众多传感器节点采用无线通信互连而形成的一个网络系统，用于收集数据并协作完成一些任务，最后将结果传递给观测者。由于其本身的特点使得其应用于很多领域，例如，医疗、军事、工业、农业等。它涉及硬件技术、软件技术、无线通信技术、传感器技术等，穿插于多种学科，因此受到很多研究者或研究机构的关注。WSN的有很多研究分支比如:WSN节点覆盖、WSN节点定位技术、WSN多媒体技术、WSN路由协议、WSN拥塞控制等。在本文中，主要研究的是WSN路由协议中的基于地理位置的路由算法。
　　由于传感器节点一般是随机播撒的，分布并不均匀，很容易受到环境或自身等因素的影响而产生路由空洞。尤其是对于地理位置路由协议影响比较大，地理位置路由一般采用贪婪算法进行数据传递，虽然可以得到较优的路径，但前提是网络节点密度比较大或节点分布较均匀。当传输过程中遇到了空洞，贪婪算法找不到合适的下一跳节点，贪婪算法无法执行，传输中止;若要继续传递，则要绕过空洞，这就需要绕洞的策略。因此如果没有合理的下一跳选取策略或绕洞方式，很容易造成数据的传输失败或产生新的空洞，这样不仅浪费了网络资源，而且也破坏了网络的连同性以及对目标区域的有效覆盖。空洞问题一直以来是WSN地理路由算法中亟待解决的问题。
　　本文首先对WSN进行了介绍，研究了WSN的中常见的几种地理位置路由算法，对基于地理位置的路由协议的特点和主要问题进行了描述和总结，并给出了对应的解决方案。在此基础上同时查阅了大量的文献更深入地了解相关的算法，最后提出了一些针对地理路由下一跳选择策略及路由空洞处理的改进和处理方法，并通过仿真模拟验证了算法的可行性并在节点的路由跳数、数据传输成功率和能耗方面均有所改善。总结如下:
　　(1)本文第2章研究了GPSR路由协议，并对其优缺点进行了探索，第3章给出了改进的EN-GPSR算法，针对GPSR算法的贪婪选取策略进行优化，算法引入左右分区的思想，根据分区内邻居节点的平均剩余能量选择转发分区，并在确定转发分区后，在所要转发的分区内选择传输概率最大的节点为下一跳节点，在选择下一跳时考虑了节点的剩余能量、节点的前向邻居节点的个数、节点的通信质量等因素。修正了原有的贪婪选取策略，通过实验仿真与经典的GPSR路由算法和相关的改进算法进行了对比，改进算法在路由跳数，能耗等方面都有所改善。
　　(2)由于大多数地理路由算法在处理路由空洞时采取的策略是遇到空洞时再去改变传输路径，使得路径选取过程很被动，路由跳数增加。为此，本文第4章给出一种启发式的绕洞算法HBHA，首先是通过空洞边界检测算法标识空洞节点，然后根据空洞边界节点的坐标建立虚拟坐标系，依据建立的坐标系确定转发区域，再根据源节点的位置确定转发的中间节点，最后根据中间节点进行数据转发。从而可以最大限度的减少路由的跳数，节省能耗。同时解决了Virtual Circle算法位于虚拟圆覆盖的区域内的节点无法转发的问题及GPSR算法中三角路由问题和盲目绕洞问题。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 无线传感器网络介绍

1．1．2 无线传感器网络体系结构及特点

1．1．3 课题研究目的及意义

1．2 课题国内外研究现状

1．2．1 无线传感器网络研究现状

1．2．2 无线传感器网络路由协议研究

1．3 本文研究内容与组织结构

1．3．1 研究内容

1．3．2 论文组织结构

第2章 地理位置路由及空洞处理策略相关介绍

2．1 引言

2．2 无线传感器网络地理位置路由协议介绍

2．2．1 GAF路由算法

2．2．2 GPSR路由算法

2．2．3 GEAR路由算法

2．3 地理位置路由协议的主要问题

2．4 地理位置路由空洞处理策略

2．4．1 基于泛洪的路由空洞处理策略

2．4．2 基于平面图的路由空洞处理策略

2．4．3 基于代价的路由空洞处理策略

2．4．4 基于启发式的路由空洞处理策略

2．4．5 混合型路由空洞处理策略

2．5 地理位置路由算法的性能评价

2．6 本章小结

第3章 GPSR算法及其改进算法

3．1 引言

3．2 经典的GPSR算法

3．3 算法的前提和约束

3．3．1 问题假设

3．3．2 相关定义

3．4 改进的EN-GPSR算法

3．4．1 算法思想

3．4．2 划分左右分区

3．4．3 考虑节点剩余能量

3．4．4 考虑节点通信质量

3．4．5 概率转发

3．4．6 改进算法的流程

3．5 仿真模拟与算法分析

3．5．1 网络模型与参数设置

3．5．2 仿真结果与分析

3．6 本章小结

第4章 基于空洞位置的启发式绕洞算法

4．1 引言

4．2 Virtual Circle算法及其问题

4．3 算法的前提和约束

4．3．1 问题假设

4．3．2 相关定义

4．4 基于空洞位置的启发式绕洞算法

4．4．1 算法思想

4．4．2 空洞边界探测与创建

4．4．3 建立虚拟坐标系

4．4．4 确定转发区域

4．4．5 选择中间节点

4．4．6 不同算法的绕洞比较

4．4．7 算法的流程

4．5 仿真模拟与算法分析

4．5．1 网络模型与参数设置

4．5．2 仿真结果与分析

4．6 本章小结

第5章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研情况

致谢

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