无线传感器网络节能介质访问控制协议与可靠路由协议研究

论文摘要

无线传感器网络有着广阔的应用前景和重大的应用价值,逐渐引起军方、工业界和学术界的高度关注。本文主要研究无线传感器网络中节能介质访问控制协议和可靠路由协议。介质访问控制协议处于传感器网络协议的底层,对传感器网络的性能有较大影响。本文针对一个部署在十字路口的无线传感器网络的交通安全应用,分析了应用相关、面向事件、多模态的无线传感器网络应用的需求,设计和实现了一个节能介质访问控制协议:App-MAC。App-MAC支持基于优先级的事件传输,维护了事件之间和节点之间的公平性,提高了信道资源利用率,最主要的是减少了节点的能量损耗。App-MAC结合了基于竞争的和基于预约的MAC协议的优点,来仲裁信道访问。其信道竞争和信道预约算法,可根据应用程序的要求以及当前事件的状态自适应地分配信道时隙。为了评价App-MAC的性能,本文先使用TOSSIM模拟器仿真,然后使用伯克利TelosB节点在真实环境中实验。性能评价采用了五个评价指标（平均事件传输延迟、事件公平指数、节点公平指数、信道有效利用率和有效能耗）,分析比较了App-MAC与三个经典的MAC协议（S-MAC、TDMA和TRAMA）。实验结果表明,App-MAC的性能明显优于其它的协议。其中,平均事件传输延迟降低了58%84%（模拟）或4%75%（实验）;信道利用率提高了122%520%（模拟）或13%58%（实验）;有效能耗提升了55%79%（模拟）或46%59%（实验）。无线传感器网络的路由协议具有很强的应用相关性,没有一个通用的路由协议能够适用于所有的应用。设计应用相关、节能、可靠的路由协议是无线传感器网络中的一个重要的研究内容。而无线传感器网络中,链路通信质量随时空变化很大,研究发现在实际部署的传感器网络中有5%到15%的非对称链路存在。这些链路特征影响了路由协议的性能。另外,传感器网络中存在路由洞,路由洞会影响路由协议的可靠性。本文主要针对链路质量和路由洞问题,设计了节能、可靠的路由协议。针对链路质量的路由协议设计包含以下三个内容。首先,针对链路质量,设计和实现了链路层服务。在该服务中,采用主动探测和被动监听技术发现无线传感器网络中节点的入邻居和出邻居,采用WMEWMA预测邻居间链路最近的通信质量。为减轻非对称链路对路由协议的影响,提出了链路数据转发服务,来发现由于单向链路存在而不能被发现的出邻居。通过理论分析和在无线传感器网络模拟器TOSSIM上的模拟表明,链路层服务能有效进行邻居发现和邻居间链路通信质量的预测,使多于40%的节点能发现更多的出邻居节点,多发现的出邻居节点数目比例在14%100%之间。其次,在链路层服务的基础上,采用分布式算法,为每个传感器节点建立了到汇聚节点的单路径可靠路由路径,然后从理论上分析了算法的性能,并在TOSSIM上进行了模拟。模拟结果表明,基于链路层服务的单路径可靠路由协议,不仅可以有效的避免建立断路由路径,还可以充分利用单向链路来建立更可靠的路由路径,有多于17%的节点建立了更可靠的路由路径,路由路径的可靠性提高了2%51%。更进一步,受到机会路由协议的启发,在链路层服务的基础上,提出了机会多路径可靠路由协议:OMR。OMR采用跨层设计方法,集成了路由协议和MAC协议的功能,提高了数据报文的传输速率,缩短了传输时延,同时降低了无线传感器网络中多跳路由中的能量损耗。针对路由过程中的每一跳,OMR利用广播报文接收的机会特性,只有当这一跳的数据报文发送出去以后,才开始选择这个数据报文的下一条路由节点。OMR路由选择的依据是,下一跳节点恰好接收到这个数据报文,并且它能够以最高的概率把这个数据报文转发到它的下一跳节点。在OMR中,节点之间协作以保证数据报文的单跳可靠转发,同时避免由于盲目的洪泛所产生的多余的转发数据报文。OMR协议通过中间节点的协作转发和自动重发,以及汇聚节点启动的重发机制保证了端到端数据传输的可靠性。不同跳数的节点共享邻接节点间的数据报文信息和确认信息,从而减少了能耗以及非对称的链路所带来的影响。通过TOSSIM进行模拟表明,OMR比其它传统的路由协议的性能优越。针对路由洞问题的路由协议设计包含两个内容。针对路由洞问题,首先提出了采用右手规则确定路由洞的位置和洞的边界节点的算法。针对传感器节点平面分布图中不规则路由洞,提出采用基于右手规则的路由洞边界节点分类算法,以及采用逐行扫描的路由洞面积估算算法。路由洞面积信息可用来指导路由协议的设计以及传感器节点的进一步部署。然后,针对路由洞和无线传感器网络应用的其它需求,设计了扩展性好、负载均衡、容错、节能的路由协议:WEAR。WEAR考虑了四个影响路由的因素,即到目的地的距离、传感器节点目前能量储备、全局的位置信息和局部的路由洞信息。所有的这些因素集成起来作为WEAR协议的权重。为了进一步有效的处理路由洞的问题,本文提出了一个可扩展的、与洞大小无关的路由洞定位和维护协议。为了评价所提出的WEAR路由协议的效率和有效性,定义了八个通用的性能评价指标以评价无线传感器网络的路由协议。基于这些性能评价指标,详细的模拟结果显示,和GPSR相比较,WEAR将传感器网络的生命周期延长了15%,对响应成功率提高了多于7%;和GEAR相比较,WEAR对所有的性能评价指标都比GEAR优越。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 目的和意义
• 1.2 研究内容和章节安排
• 第二章 无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络的体系结构
• 2.1.1 网络结构
• 2.1.2 硬件环境
• 2.1.3 软件环境
• 2.2 传感器网络的特点
• 2.3 传感器网络的典型应用
• 2.4 传感器网络关键技术
• 第三章 介质访问控制协议与路由协议研究现状与挑战
• 3.1 介质访问控制协议研究现状
• 3.1.1 无线网络和移动自组织网络中的MAC 协议
• 3.1.2 无线传感器网络中相关的MAC 协议
• 3.2 介质访问控制协议面临的挑战
• 3.3 路由协议研究现状
• 3.4 路由协议面临的挑战
• 第四章 应用相关的多模态节能介质访问控制协议
• 4.1 研究问题
• 4.2 相关的介质访问控制协议
• 4.3 App-MAC 协议的特点
• 4.4 App-MAC 协议设计
• 4.4.1 App-MAC 协议简介
• 4.4.2 簇头和簇成员的功能
• 4.4.3 簇头的RS 分配算法
• 4.4.4 簇头的CS 分配算法
• 4.4.5 簇成员的CS 访问协议
• 4.4.6 App-MAC 实现
• 4.5 App-MAC 协议实验结果与分析
• 4.5.1 性能评价指标
• 4.5.2 实验环境
• 4.5.3 平均事件传输延迟
• 4.5.4 事件公平指数
• 4.5.5 节点公平指数
• 4.5.6 信道有效利用率
• 4.5.7 有效能耗
• 4.6 小结
• 第五章 针对时变的、非对称链路质量的可靠路由协议
• 5.1 研究问题
• 5.2 相关研究工作
• 5.3 链路通信质量测量与预测及链路层服务
• 5.4 单路径可靠路由协议设计
• 5.4.1 路径建立算法
• 5.4.2 实验结果与分析
• 5.5 OMR 机会多路径可靠路由协议设计
• 5.5.1 基本思想
• 5.5.2 选择转发节点
• 5.5.3 协作转发
• 5.5.4 携带确认
• 5.5.5 选择确认报文ID
• 5.5.6 中间节点延迟重发
• 5.5.7 汇聚节点启动可靠重发
• 5.5.8 实验结果与分析
• 5.6 小结
• 第六章针对路由洞的、负载均衡的可靠路由协议
• 6.1 研究问题
• 6.2 相关研究工作
• 6.3 路由洞的边界检测与面积估算算法
• 6.4 WEAR 路由协议设计
• 6.4.1 设计的理念
• 6.4.2 WEAR 协议概述
• 6.4.3 权重的定义和计算
• 6.4.4 洞信息的获取
• 6.4.5 洞的确定
• 6.4.6 洞的维护
• 6.5 WEAR 协议实验结果与分析
• 6.5.1 性能评价指标
• 6.5.2 模拟环境的建立
• 6.5.3 能量损耗
• 6.5.4 生命周期
• 6.5.5 负载非均衡因子
• 6.5.6 失效的节点数目
• 6.5.7 路径延伸速率
• 6.5.8 洞的增大率
• 6.5.9 查询/响应的成功率
• 6.5.10 不同参数的效果
• 6.6 小结
• 第七章总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻博期间的研究论文和参加的科研项目