基于RN的移动sink无线传感器网络数据收集协议研究

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是集数据收集、数据处理和数据传输于一体的复杂系统，其中，数据收集的方式和数据传输过程中的能耗管理是制约无线传感器网络应用的核心问题，目前提出的收集协议多以静态传感器网络为研究对象，而忽略了具有一定移动能力的特殊的sink节点，采用移动sink（MS）可以有效地提高网络的生存周期，然而，网络拓扑结构也会随着 sink的移动而动态的变化，不利于数据收集的稳定进行，所以，考虑在网络中加入了一类特殊的会合节点（RN），即基于RN的MS型无线传感器网络，这样即能够保证网络的连通性，又可以均衡传感器节点的能量消耗，延长整个网络的生命周期，因此，通过对现有的移动 sink无线传感器网络数据收集协议进行深入的研究分析和比较，本文着重研究了基于RN的移动sink无线传感器数据收集协议，主要工作如下：
　　（1）结合实际的应用环境，完成对城市环境监测系统中数据收集协议部分的设计，利用公交车作为移动sink节点的运载设备，是一款固定MS移动轨迹的数据收集协议IM-RN，可以有效的平衡节能和传输质量之间关系。
　　（2）针对RN缺少有效判定的现状，改进了RN的选取算法，在原基础上引入了时间优化因子Iv，通过延长RN与移动sink的通信时间来增大周期网络数据的传输量；而且，利用最大化独立集合权重的算法错开各个RNs与MS的通信时段，防止多个RNs同时向MS发送数据造成信道竞争而进行拥塞控制，减少数据冲突，提高网络数据传输效率。
　　（3）为了提高数据传输效率，根据 RN的数据处理能力来改进对节点竞争值的定义，采用基于竞争值的不均衡数据分发机制，簇头以竞争值作为传输判断标准来选择合适的RN作为发送目标，并控制转发给它的数据量。
　　（4）针对基于 RN的数据收集协议存在的能耗过大问题，给出网络特殊节点的更换机制，簇首和RN可以根据能量阈值与普通的传感器节点进行角色轮换，平衡网络负载；此外，结合简化的不均衡分簇算法，有效地解决了无线传感器网络中的能量空洞问题，延长网络寿命。
　　在OMNET++实验平台上对IM-RN数据收集协议进行仿真实验，通过与现存的相关数据收集协议对比，对IM-RN的能耗和性能进行了全面的评估，结果表明IM-RN不仅改善了协议的性能，同时降低了网络中节点的能耗。

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第一章 绪论

§1.1研究背景和意义

§1.2国内外研究现状

§1.3课题来源和研究内容

§1.4论文结构安排

第二章 MS型无线传感器网络数据收集协议的相关研究

§2.1 sink节点的移动策略

§2.2节点的数据结构

§2.3 MS型数据收集协议

§2.4本章小结

第三章 基于RN的MS型数据收集模型IM-RN的构建

§3.1基于RN的MS型数据收集协议

§3.2 基于RN的数据收集协议的改进方法

§3.3 IM-RN数据收集模型的构建

§3.4本章小结

第四章 IM-RN数据收集协议的设计与运用

§4.1分簇

§4.2改进的RN选取机制

§4.3簇头与RN建立通信

§4.4给出基于竞争值的数据分发机制

§4.5设计RN与MS的通信机制

§4.6本章小结

第五章 仿真结果及分析

§5.1 OMNET++仿真软件介绍

§5.2数据收集协议的评价标准

§5.3仿真场景设置

§5.4实验结果的分析和比较

§5.5本章小结

第六章 结束语

§6.1工作总结

§6.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果