无线传感器网络路由协议及容错事件边界检测研究

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)是由部署在监测区域中的大量微型、廉价传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、监测覆盖区域中的目标，并发布给观察者。它不仅是一项全新的网络技术，而且是传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术相互渗透融合的科学产物。它改变了人类与自然界的交互方式，在军事、环境监测、空间探索、灾难援救、医疗卫生、智能家居、精准农业、建筑物状态监测、地震监测等各个领域显示了潜在的巨大应用价值。
　　 路由协议是无线传感器网络研究和应用的关键性技术，直接影响着网络的性能。无线传感器网络超大规模、节点自由密集分布、能量受限、通信能力受限、计算和存储能力受限等特点和无人职守、恶劣的应用环境给路由协议的设计带来了巨大的挑战。而且由于无线传感器网络的应用背景相差极大，设计通用的路由协议过于复杂，不利于节省能量和降低处理复杂度的要求，因此无线传感器网络路由协议的设计要与应用背景密切相关。事件检测是无线传感器网络的重要应用之一，为了提高检测的准确度，需要采用容错技术。本文对无线传感器网络路由协议和容错事件边界检测问题进行了较为深入的探讨，主要研究内容和创新点如下：
　　 (1)按照平面路由协议和分簇路由协议两条主线介绍和分析了无线传感器网络的路由协议，讨论了容错事件检测算法的基本原理和一些典型的容错事件检测算法。
　　 (2)针对多数分簇路由协议中，每个簇成员节点只和簇头直接通信，不仅会使簇成员的能量消耗较大且能量消耗不均，也增大了簇头的工作负荷的问题，提出了一个通用的簇内重组算法CRS和时延自适应的数据转发协议DADTP，只要所有簇成员节点都是所属簇头的一跳邻节点，该算法就能够适用，且不需要节点的位置信息。仿真结果表明，该算法和协议既可以很大程度地减轻簇头的工作负荷，又可以显著减小并均衡簇头和簇成员的能量消耗，对网络的稳定运行和延长网络生存期具有重大意义。
　　 (3)针对基于节点位置的路由协议需要GPS系统，或节点间交换的信息量大，导致成本升高或耗能增加的问题，提出了一种基站辅助的组网算法和数据传输协议(SOADTP)。节点不需要位置信息，利用基站对抛撤区域扫描完成网络节点定位和分簇，根据节点剩余能量和接收信号强度选举簇头和网关，减小了节点间的通信能耗。协议还设计了簇头轮换和失效节点的处理机制。仿真结果表明提出的组网和数据传输协议能够均衡节点能耗，有效延长网络的生存期。采用簇内重组后，进一步提高了网络的性能。
　　 (4)无线传感器网络事件检测应用中，针对软故障节点提供的错误数据会降低检测准确性的问题，提出了一种分布式的容错事件边界检测和报告算法DFTEBDR。检测到非正常数据的节点只需收集一次邻节点的传感数据，通过简单的计算识别故障；正常的事件节点利用统计比较的方法判断其是否处于事件边界，边界宽度可根据网络用户的要求调节。事件边界节点自组成簇后，由簇头融合簇内的事件边界信息，由梯度路径逐级报告给基站。该算法识别率和拟合度高，误报率和误检率低，通信量小，计算复杂度低，时延小，对大规模网络具有很好的可扩展性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2无线传感器网络路由技术

1.2.1概述

1.2.2路由协议的分类

1.3无线传感器网络容错事件检测技术

1.3.1单纯事件检测

1.3.2容错事件检测

1.4本文的组织结构及创新点

第二章 簇内节能路由协议研究

2.1引言

2.2研究基础

2.2.1能量模型及能耗分析

2.2.2网络模型

2.3簇内路由协议

2.3.1簇内重组算法

2.3.2时延自适应的数据转发协议

2.3.3节点能量耗尽的处理

2.4仿真结果及分析

2.4.1仿真参数设置

2.4.2拓扑分析

2.4.3节能效果分析

2.5本章小结

第三章 基站辅助的路由协议研究

3.1引言

3.2基站辅助的定位和分簇机制

3.2.1网络目标分区

3.2.2扫描定位分簇过程

3.3组网和数据传输协议

3.3.1组网算法

3.3.2数据传输协议

3.4仿真结果分析

3.4.1拓扑分析

3.4.2能耗分析

3.4.3带簇内重组的仿真结果分析

3.5本章小结

第四章 容错事件边界检测路由协议研究

4.1引言

4.2基于一跳邻节点传感数据的容错事件边界检测

4.2.1网络模型

4.2.2故障节点识别

4.2.3事件边界检测

4.2.4事件边界报告

4.3仿真结果和分析

4.3.1性能指标设计

4.3.2仿真参数设置

4.3.3仿真结果分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1对本文工作的总结

5.2对后续工作的展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢