无线传感网络中跨层路由协议研究

论文摘要

无线传感器网络中传感器节点体积小,采用电池供电,因此造成了单个节点处理和存储能力有限、通信范围有限、能量有限等问题。然而,相邻节点间共享信道极易引起收发数据的冲突,这样不仅引起分组丢失而且增大了由重传导致的时延和能量消耗。传统的分层协议体系结构各层之间彼此透明,以保持各层设计的独立性,虽然简化了网络协议开发和降低了实现的难度,但是不能很好地适应无线传感器网络的特性,不能综合各层的信息以实现低冲突、高能效。为此,本文将主要研究跨层路由协议,并提出了一种新的路由协议。本文针对无线传感器网络中的跨层路由协议进行研究,主要完成了以下的工作:（1）介绍了传统的采用分层协议体系结构的无线传感器网络路由协议,分析其优点及其不足,针对其不足,引出了跨层设计的解决方法。接着,阐述了跨层设计的必要性及方法。然后,介绍和分析了几种采用跨层设计的路由协议。（2）在网络协议体系结构中设计了新的接口。本文在MAC层和物理层设计了新的接口函数,且在网络层设计了独立的逻辑控制单元。网络层通过逻辑控制单元调用MAC层和物理层的接口函数,以获得它们的信息。（3）提出了一种基于跨层设计的冲突感知且能量高效的路由协议（collision-aware energy-efficient routing protocol ,CAEE）。CAEE路由协议利用逻辑控制单元中得到的信息,计算出路径中候选节点的冲突度和能量度,以此作为路由选择的度量,来实现降低网络中的冲突和提高能量使用效率。为降低网络中的冲突,CAEE路由协议引入了冲突度作为路由度量的计算参数,在选择路径时避开冲突较高的区域。为提高网络的能量效率,CAEE路由协议在路由度量中引入了能量度,尽量选择路径总能耗低且节点剩余能量高的路径作为路由。为了进一步的降低节点能量消耗和减少冲突,本文利用无线信道增益对称原理,在联合MAC层和物理层的基础上计算出最优发送功率,对每一跳的发送功率进行优化。仿真结果表明,与AODV相比,CAEE的丢包率降低20%左右。且在平均端到端延时、网络能耗和网络生存时间方面,CAEE均优于AODV。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 主要研究工作
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 传感器网络节能路由协议及跨层设计
• 2.1 分层的无线传感器网络路由协议简述
• 2.1.1 表驱动路由协议
• 2.1.2 按需驱动路由协议
• 2.1.3 混合路由协议
• 2.1.4 传统分层路由协议的局限性
• 2.2 无线传感器网络协议体系结构的跨层设计
• 2.2.1 跨层设计概述
• 2.2.2 跨层设计的必要性
• 2.2.3 跨层设计的实现方法
• 2.3 跨层路由协议分析
• 2.3.1 结合底层的跨层路由协议
• 2.3.2 结合各种Qos 的跨层路由协议
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于跨层的冲突感知能量高效路由协议
• 3.1 CAEE 路由协议的跨层设计方法
• 3.2 节点的最优发送功率
• 3.2.1 不同发送功率对网络的影响
• 3.2.2 节点发送功率的自适应调整
• 3.3 CAEE 路由协议
• 3.3.1 降低冲突的方法
• 3.3.2 实现能量高效的方法
• 3.3.3 路由度量的计算方法
• 3.4 协议的操作方法
• 3.4.1 路由发现
• 3.4.2 路由回复
• 3.4.3 路由维护
• 3.5 本章小结
• 第四章 仿真及性能分析
• 4.1 仿真工具NS2
• 4.1.1 NS2 简介
• 4.1.2 NS2 工作原理
• 4.1.3 NS2 仿真的基本步骤
• 4.2 仿真场景描述及参数设定
• 4.2.1 仿真场景描述
• 4.2.2 仿真参数设定
• 4.3 仿真脚本介绍
• 4.4 仿真结果分析
• 4.4.1 丢包率
• 4.4.2 平均端到端延时
• 4.4.3 平均剩余能量
• 4.4.4 存活节点个数
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结及下一步工作
• 5.1 总结
• 5.2 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间公开发表论文