基于层次结构的无线传感器网络可靠传输算法

论文摘要

无线传感器网络是一种新型的、无基础设施的、自组织的无线网络。近年来随着微电子技术、传感器技术及通信技术的发展,无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Networks）引起了人们的极大关注,广泛应用于军事、民事等诸多领域。无线传感器网络节点的最大特点是能量受限,同时存储空间及计算能力等资源也非常有限。节点通常随机布置在复杂环境下,网络信道质量差,同时低廉的成本使其易损坏。大规模数据采集在有限的硬件条件下使网络易产生拥塞的现象。以上特点使得传感器网络中数据传输的可靠性受到很大限制。针对无线传感器网络以上特点,本文首先提出一种综合考虑可靠路径选择、拥塞避免与控制、节点失效处理三方面的可靠传输算法（简称RCNF）。该算法是在分层次的网络结构下,讨论加强数据传输的可靠性。主要采用的三方面措施:首先是将影响数据传输可靠性的主要因子:节点当前剩余能量、节点缓冲区当前可用率、传输信道错误率综合考虑来建立可靠路径与备选可靠路径;另一方面是依据缓冲区空闲情况进行预拥塞节点检测,若满足条件则进行路径前后疏导以缓解可能发生的拥塞,同时为每条的路径设立拥塞问题的监察员,对发生拥塞问题的节点及时处理;最后一方面是关于簇头节点和非簇头节点失效的分类处理。节点失效都要考虑是否引起路径的动荡,除此之外簇头节点失效会导致本簇内节点数据传输失败。RCNF算法使原簇内节点在簇头节点失效后尽快加入邻近的簇,保证数据及时收集。最后采用了OMNET++仿真平台,将算法与现有较为典型的MESH算法进行比较,证明本算法在保证较好网络生命周期的情况下,提高了数据传输的可靠性。在RCNF算法基础之上,提出一种考虑路径优化与重传机制的算法（简称CHKR）。算法针对分层无线传感器网络的“热区”问题、路径建立中产生的“关键点”问题及确认重传机制的节能和延时问题进行处理。算法将路由最后两跳改为随机选择,均衡热区能耗。同时,算法优化了RCNF算法建立的路径,在上段中提到的三个可靠因子之外综合了对节点能耗的考虑,避免个别节点过早死亡引起数据传输失败。确认重传机制采用对“小集合”数据进行确认,减少了通信量和发送节点的等待延时。以上策略在仿真中使得数据传输表现出更高的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 论文主要工作
• 第2章 无线传感器网络介绍
• 2.1 无线传感器网络基本概念
• 2.1.1 无线传感器网络节点构成
• 2.1.2 无线传感器网络通信结构
• 2.2 无线传感器网络的拓扑结构
• 2.3 无线传感器网络的特点及性能评价
• 2.4 无线传感器网络的研究内容及趋势
• 2.5 本章小结
• 第3章 无线传感器网络的数据传输可靠性问题研究
• 3.1 影响无线传感器网络可靠性的因素分析
• 3.1.1 传感器节点能量
• 3.1.2 链路质量
• 3.1.3 网络拥塞问题
• 3.2 提高WSN数据传输可靠性的相关研究
• 3.2.1 重传机制相关研究
• 3.2.2 PSFQ协议分析
• 3.2.3 ESRT协议分析
• 3.2.4 MESH及相关协议分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 无线传感器网络数据可靠传输算法
• 4.1 RCNF算法
• 4.1.1 可靠路径的选择与建立
• 4.1.2 节点失效的处理
• 4.1.3 拥塞处理模块
• 4.1.4 算法性能分析
• 4.1.5 OMNET++仿真
• 4.1.6 算法小结
• 4.2 CHKR算法
• 4.2.1 算法思想
• 4.2.2 "数据包小集合"的确认与重传机制
• 4.2.3 热区问题处理机制
• 4.2.4 网络路径中"关键点"问题处理机制
• 4.2.5 算法分析
• 4.2.6 OMNET++仿真
• 4.2.7 算法小结
• 第5章 结束语与展望
• 5.1 本文主要工作
• 5.2 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 攻读学位期间参与的工作
• 学位论文评阅及答辩情况表