无线传感器网络基于分簇的多路径路由算法研究

论文摘要

随着微机电技术、传感技术、通信技术、嵌入式系统技术、分布式信息处理技术和网络技术的发展,易分布、低功耗的无线传感器网络研究在世界范围内越来越受到重视。在军事、商业等领域具有广阔的应用前景。与传统的计算机网络相比,它具有能量受限、计算能力受限、多跳通信、无中心自组织及拓扑动态变化等特点。它是一种面向应用的以数据为中心的网络,因此,传统网络的路由机制并不适用于无线传感器网络,必须设计与之相应的路由机制。在一些应用场合,需要无线传感器网络节点能快速的自组织成一个连通可靠的网络,提供数据分组稳定、高吞吐量、能量高效的传输。本论文主要研究无线传感器节点在随机部署条件下的分簇多路径路由协议,并依次研究了无线传感器网络随机部署技术、分簇算法,稳定多路径路由算法和基于分簇的多路径路由算法,并对上述各算法进行理论分析与仿真。具体研究内容为:（1）研究无线传感器网络随机部署技术。网络拓扑的好坏会影响节能、网络效率及网络服务质量等方面。在随机部署情况下,在一定的区域范围内,需要部署合适数量的节点,才能保证其组成一个连通网络,并达到节能高效的目的。文章根据不同部署条件,建立随机部署条件下的数学模型,并对无线传感器网络部署数学模型进行仿真,得到无线传感器网络部署方面的经验关系表达式。（2）研究无线传感器网络随机部署条件下基于连通可靠度的分簇算法。本文在研究一些分簇算法基础上,提出了基于连通可靠度约束的、适合大规模无线传感网络节点随机部署的快速成簇算法。基于连通可靠度约束的快速成簇算法得到的分簇覆盖面广、簇头分布合理、稳定性强,与最小ID分簇算法及最大连接数分簇优化算法相比,得到簇头数量少,分簇更合理,各成员节点与簇头的连通可靠度好,更好保证网络的稳定性与健壮性,减少网络重构开销带来的通信代价。仿真结果表明,基于连通可靠度的快速分簇算法有利于均衡网络能量消耗,延长网络生命周期。（3）研究无线传感器网络稳定多路径路由机制,提出了一种新的多路径路由选择算法-能量优先分级变化的多路径路由算法EPMRA（Energy Priority-VarietyMulti-Path Routing Algorithm）。EPMRA根据路由跳数、剩余能量参数、能量消耗参数,利用网络完成数据传输任务时的历史数据,在多条可选路由中,根据参数动态计算选择健壮、可靠性高、负载均衡的路由,使能量消耗更均匀,传输更可靠,有利于无线网络的生命周期延长。在TOSSIM环境下仿真,结果显示EPMRA算法在节能、稳定性及延长网络生命周期等方面,性能更优。（4）研究基于分簇的多路径路由。本文在研究分簇路由和多路径路由的路由机制基础上,提出了基于簇指挥路径的多路径路由（CDPMR）算法。基于分簇的路由具有扩展性强、数据融合简单、能量利用高效等特点,成为当前路由研究的重点。CDPMR与平面的多路径路由算法相比,扩展性好,控制负载低;与其它的基于分簇路由算法相比,由于簇头不参与监控信息数据的传输,只负责管理和路由生成指挥功能,因此网络拓扑更稳定,并减少网络重构开销带来的通信代价。其多路径特征,不仅能满足一定QoS服务质量,同时有利于均衡网络能量消耗,延长网络生命周期。在网络延迟、负载均衡因子、网络吞吐量等方面与SMR、CMDSR算法进行仿真比较,有更好的性能。在无线传感器网络中,基于分簇的多路径路由算法研究目前开展不多,是计算机网络方面有前途的新研究领域,论文的研究将为在无线传感器网络中分簇多路径研究提供科学的参考,具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图清单
• 表清单
• 1. 绪论
• 1.1 无线传感器网络的概念及主要特征
• 1.1.1 无线传感器网络无线传感器网络概念
• 1.1.2 无线传感器网络发展历史
• 1.1.3 无线传感器网络与AD HOC网络异同
• 1.2 无线传感器网络国内外研究现状及应用
• 1.2.1 国内外的研究现状
• 1.2.2 无线传感器网络的应用实例及应用前景
• 1.2.3 目前存在的主要问题
• 1.2.4 无线传感器网络研究的关键技术
• 1.3 无线传感器网络的框架平台
• 1.3.1 传感器节点的硬件结构
• 1.3.2 无线传感器系统组成
• 1.3.3 无线传感器网络网络体系结构
• 1.4 仿真软件简介
• 1.5 研究工作及内容组织
• 1.6 本章小结
• 2. 无线传感器网络路由协议研究
• 2.1 无线传感器网络的路由协议概述
• 2.1.1 无线传感器网络路由概念
• 2.1.2 无线传感器网络路由设计特点
• 2.2 无线传感器网络路由评价标准
• 2.3 无线传感器网络路由协议分类
• 2.3.1 层次型和平面型路由协议
• 2.3.2 主动被动和混合型路由协议
• 2.3.3 以数据为中心的路由协议
• 2.3.4 基于位置的路由协议
• 2.3.5 可靠路由协议
• 2.3.6 多路径和单路径的路由协议
• 2.4 典型路由协议及路由协议研究方向
• 2.4.1 目前典型的路由协议路由分析
• 2.4.2 路由协议研究发展方向
• 2.5 无线传感器网络多路径路由研究现状
• 2.5.1 多路径路由研究现状
• 2.5.2 多路径路由协议介绍
• 2.5.2.1 SPIN协议
• 2.5.2.2 FLOODING协议
• 2.5.2.3 DD协议
• 2.5.2.4 TBF路由协议
• 2.5.2.5 SAR协议
• 2.5.2.6 TORA协议
• 2.5.2.7 SMR协议
• 2.5.2.8 MSR协议
• 2.5.2.9 能量多路径协议
• 2.5.3 无线自组传感器网络多路径路由协议比较
• 2.5.4 多路径路由研究思路及发展趋势
• 2.6 本章小结
• 3. 无线传感器网络随机部署连通性研究
• 3.1 问题的提出
• 3.2 随机部署环境
• 3.3 部署技术相关研究及分析
• 3.4 参数描述及数学模型
• 3.4.1 参数及说明
• 3.4.2 数学模型定义
• 3.5 部署仿真设计及结果分析
• 3.5.1 节点探测半径固定情况下不同α值得到子网数及概率
• 3.5.2 半径变化参数值的确定
• 3.6 本章小结
• 4. 分簇算法研究
• 4.1 相关定义
• 4.2 分簇算法相关研究工作
• 4.2.1 基于节点ID的分簇算法
• 4.2.2 基于最高连接数的分簇算法
• 4.2.3 最低节点移动性分簇算法
• 4.2.4 能量自适应分簇算法
• 4.2.5 调节尺寸分簇算法
• 4.2.6 基于位置的分簇算法
• 4.3 簇头选举算法及簇形成算法
• 4.3.1 基于连通可靠度的临时簇头选择算法
• 4.3.2 基于连通可靠度约束的簇头确定
• 4.3.3 基于连通可靠度约束的分簇算法
• 4.3.4 簇维护管理
• 4.4 基于连通性约束的分簇算法与其它算法仿真比较
• 4.5 本章小结
• 5. EPMRA多路径算法
• 5.1 无线传感器网络多路径路由定义及特点
• 5.2 多路径路由研究相关工作
• 5.2.1 当前工作
• 5.2.2 相关定义与说明
• 5.2.3 路径优先级计算
• 5.3 EPMRA路由协议算法描述
• 5.3.1 DSR路由协议介绍
• 5.3.2 EPMRA算法描述
• 5.4 算法分析及仿真
• 5.4.1 算法理论分析
• 5.4.2 仿真环境说明
• 5.4.3 仿真结果分析
• 5.5 本章小结
• 6. 基于分簇的多路径路由算法研究
• 6.1 基于分簇路由协议算法
• 6.1.1 基于分簇的路由协议概述
• 6.1.2 分簇路由协议研究情况
• 6.1.3 分簇路由协议介绍
• 6.1.4 分簇多路径路由协议研究情况
• 6.2 簇头选举及簇生成算法
• 6.2.1 网络节点数据结构定义
• 6.2.2 簇头选择算法
• 6.2.3 分簇算法
• 6.2.4 簇维护管理
• 6.3 簇头指挥多路径路由算法
• 6.3.1 簇指挥路径生成
• 6.3.2 基于簇指挥路径的多路径路由生成
• 6.3.3 多路径路由维护
• 6.3.4 路由性能评价
• 6.4 路由性能仿真
• 6.5 本章小结
• 7. 总结与未来工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录 1
• 附录 2
• 附录 3
• 附录 4
• 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文