基于查询的无线传感器网络路由协议的研究

摘要

无线传感器网络(Wireless sensor networks,WSN)技术的飞速发展和日趋成熟,使得其能够提供的信息采集功能和查询处理能力不断强大,进而推动了无线传感器网络在诸多领域的广泛应用,比如:军事侦察、环境监测、抵御灾害、医疗卫生、交通管理、工业、农业、科学研究、空间探测等领域。作为无线传感器网络的核心技术之一的无线路由技术,已经成为通信领域以及计算机领域的一个研究热点。
　　 WSN由大量传感器节点构成,节点间通过相互协同工作来完成感知、采集和传输探测区域内的环境监测信息或其他探测目标的信息。无线路由技术对WSN的性能表现有着十分重要的影响,并且由于无线传感器网络存在着能量受限、基于局部拓扑、拓扑变化频繁、以数据为中心、面向应用等等许多特殊性,WSN路由协议的设计更加复杂和困难,这向设计者提出了挑战。
　　 本文深入研究了基于查询的WSN路由协议,包括典型的定向扩散路由协议、谣传路由协议以及应用在6LoWPAN中的树状路由协议等。这些协议存在着一些不足之处,限制了WSN在一些应用场景中的性能。定向扩散路由协议在梯度场的建立过程中开销很大,在查询任务变化频繁的应用中,会因此消耗大量能源。谣传路由协议由于选择路径的随机性导致了报文基本不会沿着最优路径进行转发,甚至会引起路由环的出现,这个问题不但增大了网络资源的消耗,而且引入了更多的延迟时间,这在对实时性要求较高的应用中,影响了网络的性能。相比之下,树状路由协议的路由开销较低、延迟时间较短,但是由于路由过程缺乏灵活性,不能及时调节网络负载,导致关键节点的消耗过快,进而影响了网络完整性和网络寿命。
　　 针对上述情况,本文提出了汇聚节点路由表(Sink Routing Table,SRT)协议。SRT协议的运行过程包括网络启动阶段和数据传输阶段。在网络启动阶段,传感器节点通过邻居间的消息交换学习网络信息,并记录它与Sink间的跳数距离,所有节点都完成这个学习阶段时,整个网络的跳数场就形成了；传感器节点在它的邻居表中选择与Sink间跳数距离最小的邻居节点作为最优转发邻居,并向Sink报告它的最优转友邻居信思,Sink将每个节点的最优转发邻居信息记录在Sink路由表(Sink Routing Table)中。在数据传输阶段,用跳数场为从内部节点发送到Sink的报文提供路由,用Sink路由表为从Sink发送到内部节点的报文提供路由。SRT协议在节点的最优转发邻居选择过程中引入了能量感知机制,以达到调节剩余能量较少的节点上的负载,延长关键位置节点寿命的目的,进而保持了网络完整性并延长了网络寿命。
　　 为了进一步验证SRT协议的性能,本文在网络模拟平台NS2中对SRT协议进行了仿真实验。通过多种场景的仿真测试并将实验结果与树状路由协议进行比较,证明了SRT协议在节点规则分布的WSN中,能够明显延长网络的寿命。在节点随机分布的场景中,SRT协议的路由效率较高,并且明显延长了网络寿命；在节点密度较大时,SRT协议充分利用了因节点分布稠密而产生的冗余路径,选择能量较为充裕的节点作为中继节点,虽然因此而增加了路由开销,但是大幅延长了网络寿命。综上所述,SRT协议能够在保持较低路由开销的情况下,为基于查询的应用提供良好的网络完整性和较长的网络寿命。

目录

文摘

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 无线传感器网络的基本概念

1.3 无线传感器网络的关键技术

1.4 本文的主要工作

1.5 论文章节安排

第2章 基于查询的路由协议

2.1 无线传感器网线路由协议的设计要求

2.2 无线传感器网络路由协议的分类

2.3 基于查询的路由协议

2.3.1 定向扩散路由

2.3.2 谣传路由

2.3.3 树状路由

第3章 汇聚节点路由表协议

3.1 设计目标

3.2 前置条件

3.3 汇聚节点路由表协议原理

3.3.1 网络启动阶段

3.3.2 数据传输阶段

3.3.3 网络的维护

3.4 优化方案

3.4.1 网络建立延时问题

3.4.2 Sink路由表构造过程的优化

3.4.3 优化传输路径

第4章 SRT协议在NS2中的设计与实现

4.1 网络模拟平台NS2简介

4.2 SRT协议的设计与实现

4.2.1 节点分类

4.2.2 邻居表结构

4.2.3 Sink路由表结构

4.2.1 报文格式

4.2.2 协议行为

第5章 模拟实验与结果分析

5.1 路由协议性能评价指标

5.2 测试场景

5.3 测试结果与分析

第6章 总结与展望

6.1 对本文工作的总结

6.2 对未来工作的展望

附录

参考文献

致谢