无线传感网分布式多跳分层路由协议MSRP的研究与设计

摘要

由于受成本的制约，传感器节点的能量、处理能力、存储能力都十分受限。因此，无线传感网路由算法的首要目标是节能，算法也不能有太高的运算复杂度和空间复杂度，运行在传感网上的路由协议必定是一个轻量级的节能路由协议。本论文主要进行层次型路由协议的研究和设计，在分析LEACH协议及其现有改进算法的基础上，提出了分布式、簇间多跳的传感网分层路由协议，并对其进行了仿真、分析和改进，论文的具体研究和实现工作如下： >研究了现有传感网路由协议，分析了其机制、特点和存在的问题。以簇类协议为研究切入点，重点研究LEACH等几种分簇路由协议，并指出各分簇协议的特点和不足。论文研究了现有LEACH协议的改进算法，并指出了这些改进存在的问题：有的引入集中控制；有的需要复杂的计算；有的需要全局信息，需要占用大量的辅助存储空间；对“通信热区”问题、路由安全问题没有给出有效的解决方案。 >提出了一个分布式、簇间多跳的传感网分层路由协议MSRP。算法通过簇间多跳机制提高协议的扩展性；协议提出了基于邻接度、剩余能量等信息的随机数加权簇头选举机制使簇头的分布更加合理；协议提出“虚拟Sink层技术”缓解“通信热区”问题，抵御Wormhole攻击；协议优化了簇间通信机制，提出了新的防止路由环路方法。算法复杂度小、只需要很小的辅助存储空间。 >还研究了OMNet++的原理和实现机制，并对协议进行了仿真和分析。通过仿真证明了改进算法的可行性，给出了协议的使用建议。 >提出了MSRP协议一个基于蚁群算法的改进方案AC-MSRP。协议采用多汇聚点的网络模型以增加网络的健壮性、实用性；协议提出“蚂蚁轨迹本地化”技术减少网络中的数据传输量；协议的信息素更新规则考虑了包的传输延时和剩余能量；AC-MSRP协议根据邻接度和信息素进行簇头选择和路径选取，不需要节点的位置信息，可以有效的抵御Hello洪泛攻击、Sybil攻击、Wormhole攻击和选择性转发攻击。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1无线传感器网络概述

1.1.1传感器节点

1.1.2传感器网络的网络架构

1.1.3传感器网络的特点

1.1.4传感器网络研究的关键技术

1.2层次路由协议的研究现状和存在的挑战

1.3论文内容和主要贡献

1.4论文的结构安排

1.5本章小结

第二章无线传感网路由协议相关研究

2.1无线传感网路由协议概述

2.1.1传感网路由协议的功能和特点

2.1.2传感网路由协议设计面临的挑战

2.1.3传感网路由协议的工作方式

2.1.4传感网路由协议的分类策略

2.2无线传感网路由协议分析

2.2.1无线传感网中的平面路由

2.2.2无线传感网中的层次路由

2.2.3平面路由和层次路由的对比

2.3无线传感网路由协议的发展趋势

2.4本章小结

第三章基于虚拟Sink层路由协议MSRP的设计

3.1.引言

3.2LEACH协议分析

3.2.1LEACH实现原理

3.2.2 LEACH特点和缺陷分析

3.2.3 LEACH现有改进研究

3.3 MSRP路由协议的设计思想

3.3.1协议的网络模型

3.3.2协议的启动与同步

3.3.3基于邻接度、剩余能量等信息的随机数加权簇头选举机制

3.3.4簇、虚拟Sink层的形成和通信热区、能量洞

3.3.5簇间转发路径发现

3.3.6路由环路的产生和消除

3.3.7节点的动态加入和删除

3.4 MSRP协议的设计

3.4.1协议的需求分析

3.4.2总体设计

3.4.3 Node端协议的详细设计

3.4.4 Sink端协议的详细设计

3.5本章小结

第四章MSRP协议的模拟实现和仿真评测

4.1引言

4.2评测平台概述

4.3 MSRP协议能量消耗的计算

4.4协议的实现

4.4.1协议消息的设计

4.4.2 Sink端协议类Node_Sink类的设计与实现

4.4.3 Node端协议类Node_Sensor类的设计与实现

4.5协议仿真分析

4.5.1相同场景下运行协议到指定的轮数

4.5.2相同场景下运行协议到网络生存期终止

4.5.3考察监测区域变化时网络生存期的变化

4.5.4常见问题解决

4.6协议复杂度分析

4.7本章小结

第五章MSRP协议基于蚁群的改进与仿真分析

5.1引言

5.2蚁群算法概述

5.3 MSRP协议基于蚁群的改进和实现

5.3.1协议改进的总体思路

5.3.2蚁群通信机制的改进

5.3.3路径选取规则和信息素更新规则的改进

5.3.4算法的实现

5.4协议的安全性分析

5.4.1针对路由协议的攻击方法

5.4.2 MSRP、AC-MSRP协议的安全性分析

5.5仿真分析

5.5.1仿真环境设置

5.5.2实验结果数据对比分析

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1论文总结

6.2下一步的工作

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文

致 谢