无线传感器网络大规模组网技术研究

论文摘要

无线传感器网络(WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统。高效均衡稳定的组网通讯是传感器网络面临的首要挑战。无线传感器网络路由协议根据监测区域局部拓扑分布式的成簇组网,建立从监测区域到汇聚节点的转发路径,保证数据稳定实时的传输到汇聚节点,并使得整个网络能量的均衡消耗。本课题依据国家发改委下一代互联网项目(CNGI工程)IPv6无线传感器网络节点自主化课题,研究了与无线传感器网络大规模组网技术相关的包括系统设计、组网算法、路由协议、负载均衡等技术。概括讲述了无线传感器网络概念、特点、组网技术、应用领域及研究进展,结合IPv6无线传感器网络节点系统TaraxNode,从工程实际出发,详细的介绍了无线传感器网络,尤其对于TaraxNode节点系统中与组网相关的技术做了深入的研究。根据传感器网络具体的应用需求,对现有的一些典型路由协议进行了分类,并分析了各自不同的设计特点。考虑到已有组网算法的优缺点,结合实际需要,提出了基于TaraxNode的大规模组网算法ALBC(自适应负载均衡分簇算法),并详细的分析了该算法的设计思路及实现细节,最终嵌入在TaraxNode系统的组网协议中。实验结果表明,ALBC具有稳定的组网性能、较小的数据分组传输延迟;并使得节点间的能量消耗进一步的均衡化,很好的对无线传感器网络的规模做了扩展,使得无线传感器网络技术应用能力进一步得到发展。本课题创新点体现在:(1)通过对拓扑结构的研究,提出了考虑到能量、局部拓扑、负载均衡及稳定性为一体的局部分簇选举策略。(2)通过对已有的大量的路由组网算法的研究,提出了一种基于TaraxNode系统的自适应负载均衡的大规模组网算法ALBC。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络的基本概念及特性
• 1.2 无线传感器网络的应用
• 1.3 无线传感器组网技术研究意义
• 1.4 无线传感器网络组网技术的研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容与章节安排
• 第二章 无线传感器网络组网技术
• 2.1 影响无线传感器组网设计的因素
• 2.2 无线传感器网络自组网关键技术
• 2.3 网络拓扑控制
• 2.4 无线传感器网络分簇算法
• 2.4.1 自适应分簇算法
• 2.4.2 最小联通支配集算法（MISB）
• 2.5 无线传感器网络路由算法
• 2.5.1 Flooding 算法和Gossiping 算法
• 2.5.2 Directed Diffusion 算法
• 2.5.3 LEACH 算法
• 2.5.4 TEEN 算法
• 2.5.5 最大化生存时间路由算法
• 2.6 组网技术的发展趋势
• 2.7 本章小结
• 第三章 无线传感器节点 Tarax 系统
• 3.1 IPv6 无线传感器网络 Tarax 系统结构
• 3.2 Tarax 节点系统的实现
• 3.2.1 硬件部分
• 3.2.2 软件部分
• 3.3 Tarax 节点无线自组网及数据格式
• 3.4 Tarax 节点工作情况
• 3.5 目前 Tarax 系统问题分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 自适应负载均衡分簇组网算法（ALBC）
• 4.1 ALBC 算法设计理论基础
• 4.1.1 ALBC 算法中的电池模型
• 4.1.2 TaraxNode 节点的能耗模型
• 4.1.3 支配集概念介绍
• 4.1.4 ALBC 组网布点模型
• 4.1.5 ALBC 算法过程中用到的选举策略
• 4.2 ALBC 算法模型
• 4.2.1 ALBC 算法简述
• 4.2.2 大规模组网算法
• 4.2.3 组网后的维护管理
• 4.3 ALBC 组网方案的实现
• 4.3.1 路由层用到的数据结构
• 4.3.2 路由组网中用到的四种hello 帧
• 4.3.3 组网算法主要的函数说明
• 4.3.4 主要的操作流程
• 4.3.5 ALBC 组网协议分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于 ALBC 组网的 Tarax 系统应用实验
• 5.1 Tarax 节点应用场景实验概述
• 5.2 Tarax 系统实验展示
• 5.3 Tarax 节点性能及分析
• 5.3.1 Tarax 节点功耗测试
• 5.3.2 组网速度及网络的延迟问题
• 5.3.3 分组丢失率
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要的研究工作总结
• 6.2 下一步工作及研究前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果