无线传感器网络地理位置路由相关技术研究

论文摘要

如何减少路由信息接力式长距离传送,是节省用电、提高无线传感器网络节点寿命的关键因素;如何用较少投入实现对广阔地域的管理和监控,是人类与自然和谐相处的重要技术问题。随着无线传感器网络技术、卫星定位通信技术的快速发展,我们已经越来越有信心采用现代科学理论去研究新的实用技术,以解决过去难以解决的上述问题。中国是一个幅员辽阔的大国,但又是一个人口密集区域与人口稀疏区域并存的大国,特别是中国西部,6%的人口拥有57%的国土。实现森林防火、灾情监测、动物运动反馈等工作,需要考虑新的技术手段。这类业务有两个共同的特点:一是监控点量大面广,需要部署庞大的信息采集设施;二是距离遥远,需要迅速完成信息传递。基于定位通信卫星的无线传感器网络系统是实现这类业务的最佳技术方式,而《无线传感器网络地理位置路由相关技术研究》的论文则是实现这一技术的最新探索。主要内容如下:1)在描述国内外学者关于无线传感器网络地理位置路由技术和卫星定位通信技术相关研究的基础上,提出了将这两种技术相结合而研发新型无线传感器网络地理位置路由相关技术NGRT（New Geographieal Routing Technology）的设想。这一技术包含五项研究:空地结合的无线传感器网络体系结构;基于导航卫星的节点综合定位算法、基于北斗卫星的地理位置路由算法、地理位置路由安全信任算法、相关算法的复杂性分析。2)叙述了进行此项研究所涉及的基础理论及算法测试模型,包括图论、离散与随机数学、最优化理论和几个经典的算法,静态固定拓扑结构的路由算法的仿真模型和测试方法、移动节点地理位置路由算法的仿真模型和测试方法、目的结点动态加入/退出地理位置会话的离散事件仿真模型。3)提出了新型空地结合的无线传感器网络体系架构的设想。此设想是在分析了卫星定位技术及卫星通信技术对无线传感器网络节点位置的确定及路由信息传输的影响后得出的。在比较了四种定位卫星的特性后,发现采用我国主导的北斗卫星系统,不但可以快速实现无线传感器网络的地理位置定位,而且可以双向传输坐标等地理位置路由信息。4)在分析以往无线传感器网络节点自身相对定位算法研究的基础上,结合卫星空地绝对定位技术和遗传禁忌数学算法提出了GATS-LS综合定位数学模型及算法,并经理论分析与仿真,证明其具有较好的性能,特别是在节点数量较少时（区域广大时）的效果尤为明显。5)提出了基于北斗卫星的新型无线传感器网络地理位置路由算法。通过对多种地理路由协议算法进行理论分析,指出定位精度对路由算法的影响。基于这个思想,构建了一个节点区簇布撒及地理位置路由传输模型,簇头集成了具备双向通信功能的北斗卫星终端器件,簇头坐标确定及路由信息传输由卫星系统完成,区簇内节点位置确定及路由信息传输由优化的区簇内相对位置路由算法完成。该算法采用基本蚁群数学算法并引入方向因子予以优化,从理论上对算法正确性及性能特点进行了分析,并进行了仿真测试。改进后的算法不但能正确地完成路由选择,而且所形成的效益与其它同类算法相比得到了最大限度的提升。6)提出了引入信任机制的多路径路由算法。为解决卫星链路路由多路径选择过程中的通信安全问题,该算法描述了安全机制的总体架构,并给出了信任度的具体的计算公式,为无线传感器网络地理位置路由信息的安全提供了选择方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表清单
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 地理位置路由问题描述及分类
• 1.1.3 解决问题的意义
• 1.2 国内外研究现状与分析
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 高性能的内涵
• 1.2.3 解决问题的思路和方法
• 1.3 研究内容与创新之处
• 1.3.1 研究内容及论文结构
• 1.3.2 创新之处
• 1.4 本章小结
• 2 地理位置路由技术理论基础及仿真测试模型
• 2.1 引言
• 2.2 相关问题定义
• 2.2.1 网络模型
• 2.2.2 路径的定义及其度量
• 2.2.3 地理位置树的定义及其度量
• 2.3 地理位置路由算法理论基础
• 2.3.1 图论
• 2.3.2 最优化理论
• 2.3.3 离散与随机数学
• 2.3.4 计算理论及几个经典算法
• 2.4 网络仿真测试模型
• 2.4.1 基于固定网络拓扑结构的网络仿真测试模型
• 2.4.2 基于移动WSN的网络仿真测试模型
• 2.4.3 目的结点动态加入/离开仿真模型
• 2.4.4 仿真测试数据的处理
• 2.5 本章小结
• 3 卫星定位通信系统与无线传感器网络组网的体系结构
• 3.1 引言
• 3.2 问题描述
• 3.3 导航卫星的地理位置定位与通信功能分析
• 3.4 基于定位通信卫星的无线传感器网络体系结构
• 3.5 本章小结
• 4 基于北斗卫星系统的WSN地理位置确定算法
• 4.1 引言
• 4.2 问题描述
• 4.3 相关算法介绍
• 4.3.1 无线传感器网络节点相对定位系统和算法
• 4.3.2 遗传算法和禁忌算法
• 4.4 GATS-LS综合定位数学模型及算法
• 4.4.1 基本概念与定义
• 4.4.2 算法思想
• 4.4.3 算法数学模型
• 4.4.4 综合定位算法（GATS-LS）描述
• 4.4.5 算法伪代码
• 4.5 实验与仿真
• 4.5.1 信标节点对定位误差的影响
• 4.5.2 信标节点通讯半径对定位误差的影响
• 4.5.3 信道衰减系数对定位误差的影响
• 4.6 本章小结
• 5 基于北斗卫星的新型WSN地理位置路由算法
• 5.1 引言
• 5.2 问题描述
• 5.3 相关算法介绍
• 5.4 ACO最短路径树生成算法
• 5.4.1 基本概念与定义
• 5.4.2 算法思想
• 5.4.3 算法描述
• 5.4.4 算法伪代码
• 5.4.5 算法证明与性能分析
• 5.4.6 WSN的ACO路由数学模型
• 5.4.7 蚁群算法改进
• 5.4.8 改进蚁群算法与北斗导航系统
• 5.4.9 算法步骤与方向因子的影响
• 5.5 仿真结果
• 5.6 结论
• 6 引入信任机制的多路径路由协议算法
• 6.1 引言
• 6.2 问题描述
• 6.3 基于信任的安全机制
• 6.4 相关算法介绍
• 6.5 TPRA基于信任机制的多路径路由算法的实现
• 6.5.1 改进的多路径路由算法思想
• 6.5.2 算法描述
• 6.5.3 算法伪代码
• 6.5.4 模拟实验及结果分析
• 6.6 本章小结
• 7 结束语
• 7.1 全文总结
• 7.2 不足之处和下一步的研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士期间发表（含录用）的论文及科研情况