无线传感器网络中路由协议的跨层设计研究

摘要

无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)集成了传感器、微机电、现代计算和无线通信网络等技术，由于其巨大的应用前景成为了学术界和工业界广泛关注的焦点。路由算法在面向应用的无线传感器网络中起着举足轻重的作用。而无线传感器网络在网络特点、通信模型和数据传输需求等方面的独有特性，制约了众多传统的路由算法在无线传感器网络中的应用。跨层设计以其简单灵活的设计理念、对不同网络结构和应用环境的普适性等优点，使得跨层设计理念和无线传感器网络中路由协议的设计形成了天然的结合，为无线传感器网络的研究注入了新鲜的血液。
　　 本文为设计出适用于无线传感器网络的路由协议，以跨层设计的理念为主线，主要的研究成果和创新点如下：
　　 1.以跨层设计理念为核心，提出了一种基于竞争模式的、对动态信道具有较好鲁棒性的路由协议-CACR(Channel Aware Contention based Routingscheme)
　　 针对已有路由算法在信道较差的情况下难以保证数据报文的正确、有效传输的缺陷，提出了一种具有良好性质的信道参数。在此基础上，从节点竞争信道的过程出发，针对多个节点同时接入信道可能产生的碰撞等问题，提出了一种优化的接入空间机制ASM(Access Space Mechanism)，并设计了一种基于竞争模式的可感知信道的路由协议。协议综合考虑了物理层、MAC(Medium AccessContro1)层和路由层的性能，实现对竞争过程和下一跳节点的优化过程。本文利用了动态规划等数学理论，充分分析了接入空间的成功概率等性能。而在不同信道状况下的仿真结果表明，协议在报文递交比率等方面有了较大提高，并能够有效保证信道的竞争性能。
　　 2.基于跨层设计思想提出了一种面向分布式事件检测的特定应用的路由技术-ECCRD(Energy-efficient Contention-based Cooperative Routing fordistributed event Detection)
　　 为实现无线传感器网络事件检测的应用，除了要考虑无线传感器网络自身的能量和资源受限的问题，还必须解决大量检测数据对网络造成负荷过高的问题。文章引入基于高斯-马尔科夫模型的链路参数，采用跨层思想设计了一种节能的可用于分布式事件检测的协作路由协议。协议将路由性能、单个链路对全网检测性能的贡献以及无线信道接入的动态特性相结合，将路由、检测和信道接入几个问题转化成一个跨层的接入空间的求解问题，在每次寻路过程中求解可优化网络性能的方案。仿真表明，协议在保证无线传感器网络中大范围事件的分布式检测性能同时，能够有效地减小网络的能量消耗。
　　 3.采用跨层理念，提出了一种可优化网络生命周期的路由算法MOFD(Multi-Optimized Function Directed diffusion protoco1)
　　 从无线传感器网络路由协议的能耗问题出发，分析了目前无线传感器网络路由协议的研究特点，指出已有工作在协议能量消耗和网络能量均衡等方面的缺陷。进一步针对平衡网络中节点能量消耗、延长网络生命周期上的优化目标，提出了一种可优化网络生命周期的路由协议。仿真结果显示，与传统的推扩散协议相比，本协议实现了更低的能耗以及更高的传输可靠性，显著的延长了网络生命期。
　　 4.以跨层设计为主线，提出一种可抵抗干扰攻击的安全路由协议SRRJ(Secure Routing protocol Resilient to Jamming)
　　 从无线传感器网络路由协议的安全性出发，着重分析了干扰攻击及检测模型，并提出一种可抵抗干扰攻击的路由协议。协议首先引入干扰检测机制对网络安全状态进行跨层分析。在获得干扰攻击及网络安全性能等检测结果的基础上，协议采用跨层设计的思路，最大程度地避开恶意节点及其影响区域，并尽量减小干扰攻击对网络带来的负面影响，从而实现网络安全性能的提升。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、缩写列表

声明

第1章 绪论

1.1传感器网络及发展阶段

1.2无线传感器网络概述

1.2.1无线传感器网络的基本概念

1.2.2无线传感器网络的工作方式和系统结构

1.2.3无线传感器网络的基本特点

1.2.4无线传感器网络的研究进展

1.2.5无线传感器网络的应用前景

1.3无线传感器网络的路由协议

1.3.1无线传感器网络路由相关概念

1.3.2无线传感器网络路由设计的特点

1.3.3无线传感器网络路由的挑战

1.4无线传感器网络路由协议的跨层设计

1.4.1跨层设计的基本概念

1.4.2路由协议跨层设计的必要性

1.5论文的主要研究内容和组织结构

第2章 基于竞争的可感知信道的路由技术

2.1引言

2.2研究现状

2.2.1本地路由算法的研究现状

2.2.2本章研究动机

2.3基于竞争的系统模型

2.3.1基于竞争的最优转发区域

2.3.2分布式竞争过程

2.4基于竞争的可感知信道的路由协议CACR

2.4.1节点的竞争参数模型的设计

2.4.2 CACR中节点的最优标准定义

2.4.3竞争过程及示例分析

2.4.4 CACR的接入空间机制

2.5协议的理论分析和仿真

2.5.1基于动态规划算法的理论分析

2.5.2实验仿真

2.6小结

第3章 用于分布式事件检测的路由技术

3.1引言

3.2相关研究工作

3.2.1分布式检测技术的研究现状

3.2.2采用数据融合的路由算法研究现状

3.2.3针对不同应用的路由协议研究现状

3.2.4本章研究动机

3.3系统模型

3.3.1无线传感器网络事件检测的模型

3.3.2能量模型

3.4用于分布式事件检测的路由协议ECCRD

3.4.1协作路由的链路参数

3.4.2基于Gauss-Markov模型的链路参数的求解和分析

3.4.3节点的分布式协作参数模型

3.4.4 ECCRD的数据转发过程

3.5协议仿真

3.5.1事件检测性能分析

3.5.2能耗分析

3.6小结

第4章 可优化网络生命周期的路由技术

4.1引言

4.2相关工作

4.2.1针对节能和能量均衡的协议研究现状

4.2.2本章研究动机

4.3系统模型和问题抽象

4.3.1系统模型和符号描述

4.3.2本章问题抽象

4.4基于多优化函数的路由协议MOFD

4.4.1源节点的选取

4.4.2最优路径建立过程

4.4.3基于功率控制的数据传输

4.5协议仿真

4.5.1端到端报文递交概率分析

4.5.2控制报文的发送数量分析

4.5.3网络生命期分析

4.6小结

第5章 针对干扰攻击的安全路由技术

5.1引言

5.1.1无线传感器网络的安全隐患

5.1.2安全路由协议跨层设计的必要性

5.2安全路由协议的研究现状

5.3干扰攻击及检测模型

5.3.1物理层的物理干扰攻击

5.3.2 MAC层的干扰攻击

5.3.3无线网络中的碰撞及碰撞检测分析

5.4可抵抗干扰攻击的路由协议SRRJ

5.4.1干扰检测机制

5.4.2针对干扰攻击的切换通信模式

5.4.3下一跳节点选择过程

5.5协议仿真

5.5.1仿真场景设置

5.5.2 EIFS攻击下的路由性能分析

5.5.3存在周期干扰攻击的情况下的路由性能分析

5.6小结

第6章 总结

6.1论文工作总结

6.2展望

6.2.1路由协议的服务质量(QoS)支持

6.2.2移动节点和sink的路由技术

6.2.3通过跨层优化构建全局优化的路由算法

参考文献

攻读博士期间的研究成果

攻读博士期间的科研经历

致谢