无线传感器网络能耗均衡的组播路由协议研究与实现

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是物联网研究和应用的关键技术，属当前国内外的研究前沿，具有重要的理论研究和应用价值。随着无线传感器网络技术的发展，多接收节点的应用场景不断涌现，比如代码更新，任务分配，目标查询以及实时的连续数据传输等，点到多点的组播路由技术逐渐成为无线传感器网络的一个研究热点。相对于单播和广播的通信模式，组播传输可以减少报文的重复发送，减轻网络负载，节约网络带宽。同时，无线传感器网络中节点的能量资源、计算能力和带宽都非常有限，如何高效使用能量来最大化网络生命周期是无线传感器网络协议栈各层设计的重要目标。
　　 本文在充分调研已有的无线传感器网络组播路由协议的研究成果的基础上，基于无线传感器网络能耗均衡的内在需求，提出了能耗均衡的无线传感器网络组播路由算法EBMR(Energy-Balanced Multieast Routing)。通过理论分析与仿真实验证明，EBMR算法在均衡网络能量、延长网络生存时间方面取得了显著的效果。为了降低EBMR算法的路由开销，在第四章提出了对EBMR的两种改进方案，分别是k-EBMR和p-EBMR，理论分析和仿真实验证明，与EBMR相比，k-EBMR和p-EBMR有效地降低了路由开销。论文最后还完成了EBMR协议在TinyOS系统上的设计与实现，并且开发了基于EBMR路由协议传输的实时语音传输应用。
　　 本文的主要工作体现在以下几个方面：
　　 1)提出能耗均衡的无线传感器网络组播路由算法EBMR(Energy-Balanced MulticastRouting)，在组播树的建立过程中考虑节点的剩余能量，选择剩余能量较高的节点作为转发节点。对于剩余能量相近的节点，选择到源点路径最短的节点。从网络整体能耗优化的角度提高节点能量使用的合理性，均衡网络中节点的能量消耗，延长网络的生存时间。并对算法的正确性和有效性进行了理论分析。
　　 2)通过仿真实验，采用SPT算法作为对照算法，测试了EBMR算法在每个节点转发的组播数据包数量、节点能量消耗结果和网络生存时间方面的性能。
　　 3)为了减少EBMR算法建立动态组播路径带来的路由开销，提出了两种改进方案：基于k跳受限泛洪思想的改进算法k-EBMR，还有采用捎带路由信息的改进算法p-EBMR。并对这两个改进方案进行了理论论证分析和仿真实验测试。
　　 4)设计仿真场景，对SPT，EBMR，k-EBMR和p-EBMR四种算法从网络生存时间，节点剩余能量标准差，组播路由报文传输量，以及报文递交率多个角度进行了性能分析与比较。
　　 5)在TinyOS系统下，实现了EBMR算法的组播路由协议，并开发了基于EBMR组播路由传输的无线传感器网络实时语音传输应用。