移动无线传感器网络中机会主义路由研究

论文摘要

作为21世纪重要的技术之一,无线传感器网络受到了广大研究者的关注,并得到了广泛应用。其中,野生动物监控成为热点应用之一。野生动物监控网属于移动无线传感器网络,其路由面临着众多挑战。相比于传统无线路由算法,机会主义路由充分利用了无线信道质量时变性以及广播特性,行之有效的提高了无线网络性能。作为一种新型的后择路由,机会主义路由目前受到了广泛的关注,并成为无线领域研究的热点之一。但机会主义路由仍面临众多急需解决的问题,如转发候选集选取问题、空间重用问题等。针对这些问题,本文重点研究和设计符合移动无线传感器网络特性的机会主义路由。针对转发候选集选取问题,本文提出了移动无线传感器网络中基于RSSI的机会主义路由OR-RSSI。目前存在的机会主义路由算法或需要大量能耗以交互路由报文,或需要昂贵设备的支持,而且这些算法均不能反映节点移动性,因此不适合于移动无线传感器网络。OR-RSSI思想来源于蜜蜂寻蜜行为,通过功率较大的Sink节点周期广播Beacon报文,其他传感节点通过获取RSSI信息建立并更新机会概率值,以机会概率值为准则选择转发候选节点集,对报文实施机会主义路由。OR-RSSI不需要大量的路由交互报文,同时又能一定程度上体现无线信道质量;不需要昂贵设备的支持,符合传感器网络低成本的特性;引入移动方向矢量mv ,反映节点移动性对机会主义路由的影响。文中在NS2下实现并模拟了OR-RSSI,模拟实验表明:与传统的TinyAODV相比,OR-RSSI具有报文成功传输率高、网络有效吞吐量大以及能耗低等优点,适合于移动无线传感器网络。针对空间重用、重复冗余报文问题,目前学者们提出了基于网络编码的机会主义路由OR-NC。但是,这些路由算法均采用完全网络编码方式实现,使得目标节点必须等到K个线性无关的编码报文后才能同时解码得到K个原始报文,增加了报文平均延迟,而且报文到达不均衡,不利于目标节点的处理。针对于此,本文提出基于部分网络编码的机会主义路由OR-PNC,以期改进OR-NC的不足。OR-PNC中,转发候选节点对接收到的报文进行任意长度的部分编码转发,目标节点处能均衡的解码原始报文,因此降低了报文平均延迟。本文在Eclipse 3.0下设计并实现了OR-PNC。测试实验表明:对于不同的K值,OR-PNC的报文延迟一般比OR-NC小,当K=6时,延迟降低可达26.489%。总之,我们为移动无线传感器网络提出了两种机会主义路由OR-RSSI和OR-PNC,并且做了大量实验。研究结果具有较好的理论和实践价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 无线传感器网络
• 1.1.2 无线传感器网络路由技术面临的挑战
• 1.2 无线网络中路由技术
• 1.2.1 传统最短路径路由
• 1.2.2 Ad-Hoc 网络路由
• 1.2.3 机会主义路由OR
• 1.3 课题主要研究内容
• 1.4 论文结构
• 第二章 机会主义路由
• 2.1 系统模型及相关概念
• 2.2 机会主义路由提出的依据
• 2.2.1 无线信道质量的时变性
• 2.2.2 变化的多接收集
• 2.2.3 先决路由到后择路由
• 2.3 机会主义路由研究现状
• 2.3.1 机会主义路由分类
• 2.3.2 基于ETX 的机会主义路由
• 2.3.3 基于EAX 的机会主义路由
• 2.3.4 基于地理位置信息的机会主义路由
• 2.4 机会主义路由面临的主要挑战
• 2.4.1 转发候选集的选择问题
• 2.4.2 重复冗余报文、空间重用问题
• 2.4.3 多路径干扰冲突问题
• 2.4.4 其他一些开放性主题
• 2.5 小结
• 第三章 移动传感器网络中机会路由OR-RSSI
• 3.1 问题的提出
• 3.2 RSSI 信息与无线信道模型简介
• 3.2.1 接收信号强度指示值RSSI
• 3.2.2 无线信道模型
• 3.3 OR-RSSI 基本思想
• 3.3.1 思想来源
• 3.3.2 OR-RSSI 协议机会概率值建立
• 3.4 OR-RSSI 基本过程
• 3.4.1 机会概率值更新
• 3.4.2 发送
• 3.4.3 存储转发
• 3.5 相关问题的进一步讨论
• 3.5.1 延迟问题
• 3.5.2 节点转发次数与能耗问题
• 3.5.3 路由空洞问题
• 3.6 小结
• 第四章 OR-RSSI 模拟与评测
• 4.1 NS-2 介绍
• 4.2 OR-RSSI 实现与实验环境设置
• 4.2.1 OR-RSSI 实现
• 4.2.2 实验环境参数设置
• 4.3 简单场景模拟与结果分析
• 4.3.1 报文传输成功率
• 4.3.2 端到端延迟
• 4.4 复杂场景模拟与结果分析
• 4.4.1 报文传输成功率
• 4.4.2 报文延迟
• 4.4.3 有效吞吐量
• 4.4.4 能耗
• 4.5 小结
• 第五章 基于部分网络编码的机会主义路由OR-PNC
• 5.1 问题描述
• 5.1.1 网络编码在无线网络中的应用
• 5.1.2 网络编码在机会主义路由中的使用
• 5.1.3 部分网络编码的引入
• 5.2 基于部分网络编码的机会主义路由OR-PNC
• 5.2.1 基本思想
• 5.2.2 基本过程
• 5.3 实验测试与结果分析
• 5.3.1 OR-PNC 设计与实现
• 5.3.2 测试实验与结果分析
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果