无线传感器网络分簇路由协议的研究与实现

论文摘要

随着我国物联网产业化步伐的加快,作为物联网关键技术之一的无线传感器网络得到越来越深入的研究和应用。无线传感器网络由大量处理能力、存储能力、通信能力及电源能量有限的传感器节点组成,这些节点既要承担本地环境感知任务,又要缓存、转发、处理来自其他节点的数据。能源消耗、通信距离、传输时延等成为制约无线传感器网络广泛应用的因素。分簇路由协议通过引入层次路由、数据融合、周期更新等机制,能够减少网络中的数据通信量,提高能源利用效率,延长网络的生命周期,并且分簇结构更有利于网络管理、支持节点移动,更适用于大规模网络。因此研究并设计合理的分簇路由协议成为无线传感器网络的重点研究课题之一。本论文首先从簇头选择、簇的形成及数据路由三个方面深入研究和分析了典型的无线传感器网络分簇路由算法,包括LEACH算法、TEEN算法、PEGASIS算法和HEED算法,并从簇头选择算法、簇的形成速度、路由维护开销、负载均衡程度等方面对算法的性能进行了对比。然后结合异构无线传感器网络的特点,进一步分析了分簇路由协议在异构无线传感器网络中的研究与发展。在此基础上,本文提出了一种适用于由性能差异较大的节点组成的异构传感器网络固定簇头分簇路由协议。协议采用高端节点担任固定簇头的分簇方式,详细制定了普通节点请求入簇的通信协议及簇头选择方式,设计了综合考虑跳数、路径上节点的最小剩余能量的路径选择机制,并提出了一种区分实时性数据包和周期性数据包的数据融合算法。然后结合智能建筑设备控制的应用需求,设计了设备控制单片机节点硬件和软件工作流程,并且基于Linux嵌入式系统规划了ARM簇头节点的软件结构和工作流程。ARM节点与网关无线通信采用IEEE802.11b协议,与单片机节点通信采用IEEE802.15.4协议。最后,在北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室传感器网络平台上搭建了验证系统,并借助PACKET Sniffer无线探嗅器,对本文设计的分簇路由协议进行了功能验证和抓包分析。结果表明,本论文所设计的异构网络分簇路由协议能够实现分簇功能,当链路失效时,能够完成路由修复,并且能够实现对实时性数据包的快速转发和对周期性数据包的数据融合和转发。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 无线传感器网络研究现状
• 1.2.2 异构无线传感器网络研究现状
• 1.3 选题意义
• 1.4 主要工作及组织结构
• 2 无线传感器网络分簇路由协议研究
• 2.1 典型的无线传感器网络分簇协议
• 2.1.1 LEACH算法
• 2.1.2 TEEN算法
• 2.1.3 PEGASIS算法
• 2.1.4 HEED算法
• 2.2 无线传感器网络典型分簇协议的分析和比较
• 2.3 异构无线传感器网络分簇路由协议
• 2.3.1 固定簇头分簇算法
• 2.3.2 周期性选择簇头分簇算法
• 2.3.3 异构分簇路由算法性能分析
• 2.4 本章小结
• 3 异构传感器网络分簇路由协议的设计
• 3.1 设计背景
• 3.2 总体设计
• 3.3 簇内路由机制
• 3.3.1 分簇建立过程
• 3.3.2 路由修复过程
• 3.4 数据融合机制
• 3.5 本章小结
• 4 分簇路由协议的实现
• 4.1 分簇路由协议验证系统设计
• 4.2 节点硬件平台设计
• 4.2.1 单片机终端节点
• 4.2.2 ARM汇聚节点
• 4.3 MAC层协议平台介绍
• 4.3.1 IEEE802.15.4协议
• 4.3.2 IEEE802.11b协议
• 4.4 系统软件实现
• 4.4.1 单片机节点软件实现
• 4.4.2 ARM节点软件实现
• 4.5 本章小结
• 5 分簇路由协议测试
• 5.1 相关工具介绍
• 5.2 分簇建立测试
• 5.3 路由修复功能测试
• 5.4 数据融合效果测试
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集