无线传感器网络的网络管理体系结构及相关技术的研究

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network)是随机分布的传感器节点通过分布式协议以自组织的方式形成的网络，它作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术方面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题，其中一个重要研究课题就是无线传感器网络的网络管理。无线传感器网络的网络管理是保障无线传感器网络稳定、可靠、高效运行的重要条件。基于此，本文深入讨论研究了现有无线传感器网络管理技术，并结合无线传感器网络的特点和实际需求，在对基于策略的无线传感器网络管理框架、策略发布架构的分类、无线传感器网络的分簇管理机制几方面进行研究设计及实现的基础上，提出了一种基于策略和移动代理的无线传感器网络管理体系结构。本文主要研究工作如下： (1)总结了现有无线传感器网络管理的需求和遇到的主要挑战，并将概念上集中式的PBNM(Policy-based Network Management)思想应用到分布式和分散式的无线传感器网络中。在此基础上，为无线传感器网络提出了一种基于策略的网络管理框架，同时将此框架分解成为几个重要的组成部分分别进行了描述和分析。该网络管理框架能较好的体现无线传感器网络管理系统所期望的理想管理需求和关键管理特征，本文着重研究了其中用于无线传感器网络环境下的一些关键组成部分。 (2)对基于策略的网络管理系统来说，其策略发布架构的选择是影响系统性能好坏的关键因素之一。在对策略发布架构的一组相关特性进行系统分析的基础上，提出了一种适用于低带宽的无线传感器网络管理的混合型策略发布架构。其基本方法是将策略发布架构按各个特性的不同进行分类组合的设计，通过对各类架构进行详细研究，阐明了各种策略发布架构的不同操作特性和性能；分析和比较了在各种可能的网络环境下，不同的策略发布架构的优势和不足。最后通过仿真实验得出混合型策略发布架构对于低带宽的无线传感器网络来说是一个比较好的选择，并用多跳的策略发布架构的仿真结果阐明了无线传感器网络管理中保持最小跳数的分簇管理机制的必要性。 (3)分簇机制是无线传感器网络自组织管理框架的关键机制之一，在研究分析了基于能量考虑的传感器网络分簇算法的基础上，从管理的角度提出并实现了一种随机分布式的无线传感器网络分簇管理机制，并将策略应用到能量受限的分簇的无线传感器环境中。其基本思想是限制每一个策略服务器的服务覆盖范围，大大地提高分簇的灵活性以及网络的管理效率和自组织管理能力。同时针对网络的动态特性，并为了将能量的使用扩展到整个网络，提出了基于服务自适应性和资源定位的簇头复选方法，以实现簇结构的重复选择和调整，用于增强上述分簇算法。 (4)在比较了现有无线传感器网络管理体系的优劣，研究剖析了移动代理技术在网络管理中应用的优越性的基础上，针对无线传感器网络节点能量有限、网络流量不均衡等网络管理的特殊性，将策略管理技术和移动代理技术相结合，给出了策略代理(PA)的概念，并提出了一种基于策略和移动代理的无线传感器网络管理体系结构(PABNM)。该网络管理体系结构充分融合了策略管理和移动代理的优势，管理任务采用策略规则定义的形式，使用移动代理作为运载工具来执行，结合静态代理和移动代理合作的方法完成本地策略决策，以协作的方式对传感器的节点进行管理，并结合本文的分簇算法和现有的路由协议在该体系结构中的应用和性能分析，证明了该无线传感器网络管理体系结构具有策略和代理的灵活性以及管理的合理有效性的特点。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1研究目的与意义

1.1.2研究目标

1.2国内外研究现状

1.2.1无线传感器网络与Ad hoc网络

1.2.2无线传感器网络的网络管理研究现状

1.3本文主要工作

1.4本文结构安排

第2章无线传感器网络及其网络管理

2.1无线传感器网络的定义与体系结构

2.2传感器网络的基本特征与需求

2.3传感器网络的热点问题

2.3.1传感器的组织结构

2.3.2传感器网络管理技术

2.3.3传感器网络的通信协议

2.3.4传感器节点定位

2.4网络管理及其体系结构

2.5相关的网络管理技术

2.5.1基于策略的网络管理

2.5.2基于移动代理的网络管理

2.6无线传感器网络的网络管理

2.7本章小结

第3章基于策略的无线传感器网络管理框架的设计

3.1无线传感器网络管理的挑战与需求

3.2无线传感器网络的管理框架

3.2.1策略规范

3.2.2策略发布架构类型

3.2.3策略发布协议

3.2.4分簇机制

3.2.5服务自适应性

3.2.6资源定位

3.2.7基于策略的路由机制

3.2.8其它模块

3.3本章小结

第4章策略发布架构类型的研究与设计

4.1策略发布架构的分类

4.1.1策略发布架构的特性

4.1.2策略发布架构类型的设计

4.2策略发布架构类型的比较

4.3多跳的策略发布架构的比较

4.4本章小结

第5章无线传感器网络分簇管理机制的设计与实现

5.1概述

5.2基于邻节点的分簇算法

5.2.1获取邻节点信息

5.2.2簇头节点的产生

5.3优化的NSCA分簇算法

5.3.1邻节点密度模型

5.3.2平均邻节点模型

5.3.3平均邻节点模型分析

5.4算法能耗分析

5.5仿真实验

5.6簇头复选机制

5.7本章小结

第6章基于策略代理的无线传感器网络管理体系结构的设计

6.1策略代理和策略的层次结构

6.2基于策略代理的无线传感器网络管理体系结构

6.2.1基于策略和代理的无线传感器网络管理的体系结构设计

6.2.2多代理之间的关系

6.2.3 PABNM体系结构的管理流程

6.2.4域间策略协商机制

6.3 PABNM管理结构实现的功能

6.4基于PABNM体系结构的传感器网络中的策略管理流

6.5 PABNM体系结构下基于邻节点的分簇算法的应用

6.6 PABNM体系结构下基于代价函数的路由方法的应用

6.6.1基于节能的路由协议的代价模型

6.6.2路由方法在PABNM中的执行

6.6.3性能分析

6.7本章小结

第7章结论与展望

7.1全文工作总结

7.2下一步主要工作

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文