基于节能的无线传感器网络路由协议的设计与实现

论文摘要

在无线传感器网络中,传感器节点的电源能量、计算处理能力、存储能力和通信能力等十分有限,而且传感器节点数目很大,每个传感器节点只能获取局部网络的拓扑结构,再加上传感器网络拓扑结构经常由于节点的移动,节点的故障或失效,无线通信链路带宽的时断时通而动态的发生变化,导致传统的无线adhoc网络路由协议已经不能直接用于无线传感器网络中。在这篇报告中首先设计了一个基于节能的无线传感器网络反应式路由协议（ESR）。它不仅有效的减少传感器节点能量的消耗,降低路由计算的复杂度和存储有限的路由消息,而且与低层MAC协议相互协作,获取网络中局部的拓扑结构信息,能够及时有效的修复残破的连接,实现路由的优化,并降低重建路由过程高额的能源消耗。然后在OMNeT++的仿真环境下实现了ESR路由协议,并与传统ad hoc网络路由协议（DSR）进行了性能比较。接着尝试在AmbientRT操作系统的环境下编程实现了ESR路由协议,使其与低层MAC协议（LMAC）紧密合作。最后把ESR程序移植入12个无线传感器节点原型中,在现实的环境下对ESR的性能进行测试,并再次与传统ad hoc网络路由协议（AODV）进行了性能比较,测试结果显示ESR更好的减少了路由消息的开销,提高了数据传输的效率。论文的主要贡献点在于:1.设计了一个基于节能的无线传感器网络反应式路由协议（ESR）。其中,一个快速有效的恢复机制,依靠低层MAC协议所提供的网络局部拓扑结构信息,能够处理因节点的移动或故障而引起的网络拓扑结构的变化;在路由重建过程,一个有效的广播路由请求消息的方式缩小了寻找目的节点的范围,避免了高额的能源消耗。2.在仿真环境下和现实无线传感器网络环境下分别实现了ESR路由协议,进行了与传统ad hoc网络路由协议的性能比较。结果证明,ESR算法明显减少了路由消息的开销,提高了数据传输的效率。并且,随着网络节点数目和节点密度增加时,这些性能将更加的显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 传感器网络的结构
• 1.1.2 传感器网络的节点结构
• 1.1.3 与无线Ad Hoc网络相比
• 1.1.4 传感器网络的应用
• 1.2 路由问题的提出
• 1.3 研究目的
• 1.4 研究方法
• 1.5 本文研究的内容及论文组织
• 第2章 传统的无线Ad Hoc网络的路由协议
• 2.1 Ad Hoc网络中路由协议的分类
• 2.1.1 先验式路由协议
• 2.1.2 反应式路由协议
• 2.1.3 混合式路由协议
• 2.2 典型的Ad Hoc网络路由算法
• 2.2.1 目的序列距离矢量路由协议（DSDV）
• 2.2.2 动态源路由路由协议（DSR）
• 2.2.3 Ad Hoc按需距离矢量路由协议（AODV）
• 2.2.4 临时按序路由算法（TORA）
• 2.3 性能比较
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于节能的无线传感器网络反应式路由协议（ESR）
• 3.1 ESR概述
• 3.2 路由发现
• 3.3 路由维护
• 3.3.1 路由修复
• 3.3.2 路由优化
• 3.4 路由重建
• 3.5 仿真结果与分析
• 3.5.1 仿真环境
• 3.5.2 仿真结果与分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 ESR实现环境
• 4.1 AmbientRT操作系统
• 4.2 LMAC算法
• 4.2.1 LMAC产生动机
• 4.2.2 LMAC概述
• 4.2.3 LMAC时间槽
• 4.2.4 LMAC操作过程
• 4.2.5 LMAC的简单路由功能
• 4.3 传感器节点原型
• 4.4 其他相关软件
• 4.5 本章小结
• 第5章 ESR的实现过程
• 5.1 用DSF语言描述实时任务
• 5.1.1 数据类型
• 5.1.2 实时任务
• 5.2 LMAC的实现
• 5.2.1 总体设计
• 5.2.2 重要改进
• 5.3 ESR的实现
• 5.3.1 总体设计
• 5.3.2 实现路由搜寻
• 5.3.3 实现路由应答
• 5.3.4 实现对故障节点的路由维护
• 5.3.5 实现对移动节点的路由维护
• 5.3.6 实现路由失败
• 5.3.7 实现路由重建
• 5.4 本章小结
• 第6章 ESR实验结果与分析
• 6.1 性能评估指标和环境参量
• 6.2 实验准备
• 6.3 实验环境建立
• 6.4 实验结果与分析
• 6.4.1 路由修复和路由重建的成功率
• 6.4.2 网络数据吞吐量
• 6.4.3 网络数据延时
• 6.4.4 路由消息的发送数量
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间发表论文