面向室内环境监控的无线传感器/执行器网络路由协议

论文摘要

节能降耗以及舒适、便捷的生活和工作环境对室内环境监控系统提出了新的要求,而利用无线传感器/执行器网络(WSAN)监控室内环境无疑会带来新的机遇和挑战。以低成本、高密度、广泛分布为特点的WSAN可以有效地监控室内环境中的能量消耗和提供多种相关决策信息,为科学决策和调度提供高度可信的依据。然而,到目前为止还没有一种针对该室内环境监控系统通信特性的路由协议,这正是本文的主要工作。本文首先分析了面向室内环境监控的WSAN的特点。网络由不同类型的节点组成,即大量的传感器节点和少量的执行器及控制器节点(如灯光、空调等的调节器,各种遥控器等)。传感器节点需要电池供电、计算能力有限;执行器和控制器节点计算能力有所增强,且通常有外部电源供电没有能耗约束;绝大部分节点是静态的,且具有确定的地理位置,但也有少数的移动节点。此外,节点间的通信链路不稳定。基于上述特点,本文提出了一种利用节点异构特性和地理位置的按需路由协议RPWSAHA。RPWSAHA协议由“路由发现”、“位置信息服务”和“路由维护”三部分组成,具有能耗低、简单实用和提供数据可靠传输的优势。“路由发现”过程是RPWSAHA协议的主要过程,我们设计了空间约束型洪泛和时间约束型洪泛两种路由发现策略。前者是一种自适应扩展的地理位置受限的路由请求包定向广播技术,它利用静态节点位置信息限定路由请求包广播空间;而对于移动节点而言,利用其静态邻居作为辅助节点来完成路由发现,不仅避免了对移动节点定位技术的依赖性,而且支持多路径。后者是一种基于稳定链路的路由发现周期延长的路由请求包选择广播技术,在该技术中能量高效的静态节点具有转发路由请求包的优先权,由此找到的路径具有能量高效、稳定的特点,降低了路由发现次数。我们在设计“位置信息服务”时,把移动节点位置信息的注册、更新和查询限制在能量高效且稳定的节点中,这样可以避免过多地使用能量受限的节点。在设计“路由维护”过程时,采用了非本地路由维护算法,该算法在网络规模不大且支持多路径的情况下具有更低的路由开销。和ZigBee支持的AODV相比,RPWSAHA只在位置信息服务过程中引入了少量的额外开销,不仅具有算法复杂度小的特点,而且还具有更优越的性能。我们自主开发了RPWSAHA路由协议的NS源码,并且在三个不同网络规模的场景中分析了路由协议的收包率和路由开销。和AODV路由协议性能测试结果显示,RPWSAHA路由协议在30个节点规模中具有和AODV相当的性能;但是在60和90个节点规模中具有更优越的性能,后两种场景下收包率比AODV提高了40%以上,而路由开销则降低了70%以上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 图索引
• 表索引
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线传感器/执行器网络技术
• 1.2.1 原理及结构
• 1.2.2 特点与挑战
• 1.3 室内环境监控系统的构成
• 1.4 室内环境监控系统的发展
• 1.4.1 用于室内环境监控系统的有线网络技术
• 1.4.2 室内环境监控系统对无线技术的需求
• 1.4.3 无线传感器/执行器网络在室内环境监控系统中的应用
• 1.5 本文的研究意义和主要工作
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 主要工作
• 1.6 论文的组织结构
• 第2章 无线传感器网络主流路由协议的介绍
• 2.1 平面路由协议
• 2.2 集群路由协议
• 2.3 主流路由协议的比较与分析
• 第3章 RPWSAHA路由协议的设计思想
• 3.1 路由发现
• 3.2 位置信息服务
• 3.3 路由维护
• 第4章 RPWSAHA路由协议的具体实现
• 4.1 RPWSAHA路由协议定义的表格
• 4.1.1 邻居表
• 4.1.2 位置表
• 4.1.3 广播包存储器
• 4.1.4 路由请求包发送记录表
• 4.1.5 MNSN查询包发送记录表
• 4.1.6 MNSN表
• 4.1.7 路由表
• 4.2 RPWSAHA路由协议定义的控制包
• 4.2.1 路由请求包
• 4.2.2 路由请求回复包
• 4.2.3 MNSN注册包
• 4.2.4 MNSN查询包
• 4.2.5 MNSN查询反馈包
• 4.2.6 Hello消息
• 4.2.7 Hello消息回馈包
• 4.2.8 一跳请求包
• 4.2.9 一跳请求回复包
• 4.2.10 路径出错包
• 4.3 路由发现
• 4.3.1 空间约束和时间约束型洪泛路由发现策略
• 4.4 位置信息管理
• 4.4.1 移动节点静态邻居信息的检测
• 4.4.2 MNSN信息的注册
• 4.4.3 MNSN信息查询
• 4.5 路由维护
• 4.5.1 路由出错包的发送
• 4.5.2 路由出错包的接收
• 4.6 扩展的广播长度技术
• 第5章 NS网络仿真软件
• 5.1 NS基本原理
• 5.2 NS的功能模块
• 5.3 NS的无线模块
• 5.4 NS提供的几个常用工具
• 5.5 使用NS进行网络仿真的方法和一般过程
• 5.6 在NS中添加RPWSAHA路由协议
• 第6章 RPWSAHA路由协议的性能测试
• 6.1 RPWSAHA路由协议和AODV路山协议的理论对比分析
• 6.2 RPWSAHA路由协议和AODV路由协议的仿真对比分析
• 6.2.1 性能指标
• 6.2.2 场景描述
• 6.2.3 仿真结果分析
• 第7章 结束语
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录