無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于混合拓撲路由協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)是新興的特殊的計算機網(wǎng)絡(luò),是基于應(yīng)用的特殊的大規(guī)模分布式無線網(wǎng)絡(luò),綜合了傳感檢測、控制、嵌入式計算、無線通信、分布式信息處理等跨領(lǐng)域技術(shù),它具有快速組網(wǎng)、高效節(jié)能、抗毀性強等特點。相對于傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有明顯的特殊性,節(jié)點的資源相當有限,節(jié)能效率成首要的性能指標,網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具備良好的可擴展性以適應(yīng)動態(tài)拓撲。
　　 路由協(xié)議決定了數(shù)據(jù)的傳送方

2、式,對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)生存期、負載均衡、數(shù)據(jù)傳送效率等網(wǎng)絡(luò)性能有重要影響。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用高度相關(guān),單一的路由協(xié)議無法滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊需求,需要針對具體的應(yīng)用模型設(shè)計專門的路由協(xié)議?，F(xiàn)有的大部分 WSN路由協(xié)議普遍采用單純的基于平面拓撲或基于層次拓撲的數(shù)據(jù)路由方式,平面拓撲路由協(xié)議在全網(wǎng)絡(luò)維護路由信息,很好地均衡了網(wǎng)絡(luò)負載,但是維護大量路由信息所導(dǎo)致的節(jié)點能耗高的問題,嚴重限制了網(wǎng)絡(luò)的擴展性:隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大,

3、層次路由協(xié)議得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用,由于采用了層次結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)中只有部分關(guān)鍵節(jié)點承擔數(shù)據(jù)路由信息的維護和數(shù)據(jù)融合的工作,有效地減少了網(wǎng)絡(luò)能耗,但層次路由協(xié)議面臨的主要問題是熱點區(qū)域及熱點節(jié)點所面臨的網(wǎng)絡(luò)負載不均衡的問題,因而采用單一拓撲結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議往往很難在各個性能指標中取得較好平衡,如何設(shè)計結(jié)合兩者優(yōu)勢的路由協(xié)議就成為高效WSN路由協(xié)議的研究趨勢,混合拓撲機制的主要設(shè)計思想即為在數(shù)據(jù)路由的不同層次采用不同的拓撲結(jié)構(gòu)即路由策略,在保證網(wǎng)

4、絡(luò)規(guī)模的前提下均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性及網(wǎng)絡(luò)效率如實時性及能耗均衡性方面的性能,富有挑戰(zhàn)性和實際意義。
　　 本文研究基于混合拓撲的WSN路由協(xié)議,主要工作有:(1)綜合分析了經(jīng)典的平面WSN路由協(xié)議和層次WSN路由協(xié)議,并針對本文提出的特殊應(yīng)用模型,著重分析了層次TEEN協(xié)議；(2)在深入研究大規(guī)模密集實時數(shù)據(jù)采集型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點的基礎(chǔ)上,重點分析了采用不同拓撲結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性,實時性及網(wǎng)絡(luò)負載均衡性的影響并指出其不足及局

5、限性,并從兩方面對層次路由協(xié)議TEEN進行改進研究:基于節(jié)點度梯度最大化改進TEEN協(xié)議,得到基于混合拓撲結(jié)構(gòu)的GB-TEEN協(xié)議:對TEEN協(xié)議的簇內(nèi)通信方式進行多優(yōu)先級自適應(yīng)化改造,使其能適應(yīng)于動態(tài)流量的密集實時數(shù)據(jù)采集型應(yīng)用,得到MPA協(xié)議。文中對兩方面改進研究的提出點、設(shè)計及主要機制作了詳細闡述,最后通過仿真實驗對比分析TEEN及改進協(xié)議的性能。
　　 本文研究的創(chuàng)新點及主要成果如下:
　　 (1)對TEEN協(xié)議

6、進行平面化改造,提出了GB-TEEN協(xié)議,在性能方面有效改善了TEEN的網(wǎng)路負載不均衡的問題及網(wǎng)絡(luò)擴展性差的問題,引入了節(jié)點度的概念綜合衡量節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的重要性,將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點按照重要性的不同進行分層排序,采用基于該排序的最小支配集算法優(yōu)化了簇頭的選擇方法。并在數(shù)據(jù)傳送階段引入節(jié)點度梯度最大化機制(ND-GM),有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)負載,同時兼顧了網(wǎng)絡(luò)實時性。實驗結(jié)果表明:GB-TEEN協(xié)議與TEEN相比,在保證網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的情況下,具有更好的

7、負載均衡性及實時性。
　　 (2)對TEEN協(xié)議的簇內(nèi)通信方式進行多優(yōu)先級自適應(yīng)化改造,得到MPA協(xié)議,它針對大規(guī)模動態(tài)流量的密集實時數(shù)據(jù)采集型應(yīng)用,提出了一種多優(yōu)先級自適應(yīng)的簇內(nèi)通信方式,解決了TEEN的簇內(nèi)單一通信方式無法均衡網(wǎng)絡(luò)實時性及能量有效性的問題,并采用基于休眠/活動節(jié)點對的改進TDMA機制,改變了基于固定時隙的數(shù)據(jù)傳送方式,而以環(huán)境事件為驅(qū)動,傳感器節(jié)點針對動態(tài)數(shù)據(jù)流量,采用不對稱時隙傳送數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明:MPA