无线传感器网络多播路由技术研究

论文摘要

电子器件制造工艺和无线通信技术的发展，使大量具有片上微处理能力的微型传感器节点组成的无线传感器网络逐渐成为工业界和学术界研究的热点问题。无线传感器网络不需要任何网络基础架构即能自组织成网，网络中的传感器节点既能采集数据，也能进行报文分组的路由转发，节点间通信通过多跳转发的方式进行。随着研究的进展，相对于单发送节点．单接收节点的通信模式，传感器网络内多接收节点的应用场景不断涌现，点到多点通信模式的多播技术逐渐成为传感器网络研究的一个新热点。论文主要围绕适用于传感器网络的多播路由协议进行了深入研究，在国内外相关研究成果的基础上，通过对比研究适用于Ad Hoc网络的多播路由协议，论文主要做了以下几方面的工作。论文提出了一种轻量级、完全分布式的适用于无线传感器网络的多播路由协议LDMRP，该协议基于源节点到接收节点的最短路径，由源节点按需生成多播寻径的控制报文，中间节点进行全网泛洪转发，接收节点根据控制报文携带的路径信息选择加入多播组的路径并应答该控制报文。该协议通过使用多播路径上的共享链路抑制数据报文的重复传输，从而有效节约了网络带宽，提高了数据报文到达率。经过大量的模拟实验证明，LDMRP协议具有较低的控制开销和较高的可靠性，是一种通用的多播路由协议。在LDMRP协议的基础上，论文提出了一种分布式的类Steiner树多播路由协议。该协议由源节点对接收节点进行分簇，并根据接收节点簇的分布将传感器网络划分为若干个有效扇区，中间节点根据自身位置是否位于有效扇区决定是否采用延时泛洪的机制。通过控制报文在路径上的延时累积效应，为接收节点选择加入多播组的路径提供了更多的网络拓扑信息，进而提高多播组路径中共享链路的比例，进一步降低数据报文重复转发的概率。经实验证明，选择合适的延时参数和分簇策略，能在给定的时间约束范围内，为传感器网络建立类Steiner树的多播组。考虑到有较多的传感器网络应用是针对移动目标监测的，论文最后在分析LDMRP协议和DstMRP协议的基础上，为延长多播组的有效工作时间，减少因多播组频繁建立带来的控制开销，提出了基于转发树模式的多播路由协议OMRP；同时，基于DCTC协议框架，OMRP协议还推导了转发树最优更新策略以实现能量使用的高效性。根据无线通信的特性，论文分别在LDMRP协议和DstMRP协议中提出两种适用于传感器网络的链路检测机制和路径局部恢复算法。实验表明，采用该策略以后，LDMRP协议和DstMRP协议均能有效地减少用于多播组路径维护的控制开销，同时也有效地提高了多播路径的可靠性以及数据报文到达率。

论文目录

• 目录
• 图表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络的概念与特点
• 1.2 无线传感器网络应用
• 1.2.1 军事应用
• 1.2.2 环境监测
• 1.2.3 医疗健康
• 1.2.4 其它应用
• 1.3 无线传感器网络研究的热点与难点
• 1.3.1 研究的主要现状
• 1.3.2 研究的主要性能指标
• 1.3.3 研究的主要热点问题
• 1.4 论文主要工作
• 1.5 论文组织
• 第二章 传感器网络路由技术研究
• 2.1 传感器网络单播路由协议研究
• 2.1.1 泛洪方式（Flooding）
• 2.1.2 集群方式（Clustering）
• 2.1.3 地理信息方式（Geographic）
• 2.1.4 基于服务质量方式（QoS-awareness）
• 2.2 传感器网络多播路由协议研究
• 2.3 移动自组网多播路由协议协议
• 2.3.1 基于树结构的多播路由协议
• 2.3.2 基于网格结构的多播路由协议
• 2.3.3 基于混合结构的多播路由协议
• 第三章 LDMRP:一种轻量级、分布式的多播路由协议
• 3.1 概述
• 3.1.1 传感器网络与移动自组网的差异
• 3.1.2 传感器网络多播路由协议的研究现状
• 3.1.3 传感器网络多播路由协议的设计要求
• 3.1.4 本章主要工作
• 3.2 LDMRP多播路由协议
• 3.2.1 LDMRP协议基本思想
• 3.2.2 LDMRP协议主要数据结构
• 3.2.3 LDMRP协议建立多播路由状态
• 3.2.4 中间节点转发表状态维护
• 3.3 LDMRP协议性能模拟与分析
• 3.3.1 模拟方法、参数和主要指标
• 3.3.2 协议性能比较与分析
• 3.4 小结
• 第四章 DstMRP:一种分布式、类steiner树的多播路由协议
• 4.1 协议基本思想及主要工作
• 4.1.1 LDMRP协议中分布式设计的局限性
• 4.1.2 DstMRP协议的基本思想
• 4.2 DstMRP协议的主要数据结构
• 4.2.1 DstMRP报文头结构
• 4.2.2 控制报文类型
• 4.2.3 节点数据结构
• 4.3 接收节点分簇算法
• 4.3.1 多接收节点的传感器网络模型
• 4.3.2 接收节点分簇算法
• 4.4 DstMRP多播路由协议
• 4.4.1 源节点初始化多播组
• 4.4.2 中间节点分组转发
• 4.4.3 接收节点加入多播组
• 4.5 节点状态建立与维护
• 4.5.1 新接收节点加入多播组
• 4.5.2 多播链路检测和局部恢复
• 4.5.3 多播组全局维护
• 4.6 DstMRP协议性能模拟与分析
• 4.6.1 模拟方法与协议参数
• 4.6.2 DstMRP协议总体性能
• 4.6.3 影响 DstMRP协议性能的主要因素
• 4.7 小结
• 第五章 OMRP:优化的适用于移动目标监测的多播路由协议
• 5.1 OMRP协议基本思想
• 5.1.1 OMRP协议产生背景
• 5.1.2 OMRP协议基本思想
• 5.2 基本模式的OMRP协议
• 5.2.1 转发树根节点的选取
• 5.2.2 转发树构建算法
• 5.2.3 OMRP协议主要数据结构
• 5.2.4 协议性能比较与分析
• 5.3 基于 DCTC策略的OMRP协议
• 5.3.1 网络模型
• 5.3.2 转发树重构算法的正确性
• 5.3.3 转发树有效作用范围l的估算
• 5.3.4 性能比较与分析
• 5.4 多播组中间转发节点复用策略
• 5.5 小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文的研究成果
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 参加科研工作以及获奖情况
• 攻读博士期间撰写的论文
• 致谢