广东工业大学硕士学位论文审核通过

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广东工业大学硕士学位论文 (工学硕士) 无线传感器网络基于混合拓扑路由协议研究 邓洁 二O一O年五月 分类号:学校代号:11845 UDC:密级:学号:2110704295 广东工业大学硕士学位论文 (工学硕士) 无线传感器网络基于混合拓扑路由协议研究 邓洁 指导教师姓名、职称:程良伦教授 企业导师姓名、职称:无 专业或领域名称:控制理论与控制工程 学生所属学院:自动化学院 论文答辩日期:2010年5月 ClassifiedIndex:SchoolCode:11845 UDC:SecurityClass:ClassNo。

:2110704295 ADissertationforMaster’sDegreeof GuangdongUniversityofTechnology (MasterofEngineeringScience) ResearchonHybridTopologybased RoutingProtocolforWirelessSensorNetworks Candidate:DengJie Supervisor:Prof.ChengLianglun May2010 FacultyofAutomation GuangdongUniversityofTechnology Guangzhou。

Guangdong,P.R.China,510006 摘要 摘要 无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)是新兴的特殊的计算机网络,是基于应用的特殊的大规模分布式无线网络,综合了传感检测、控制、嵌入式计算、无线通信、分布式信息处理等跨领域技术,它具有快速组网、高效节能、抗毁性强等特点。相对于传统的无线通信网络,无线传感器网络有明显的特殊性,节点的资源相当有限,节能效率成首要的性能指标,网络还应具备良好的可扩展性以适应动态拓扑。 路由协议决定了数据的传送方式,对网络规模、网络生存期、负载均衡、数据传送效率等网络性能有重要影响。由于无线传感器网络与应用高度相关。

单一的路由协议无法满足无线传感器网络的特殊需求,需要针对具体的应用模型设计专门的路由协议。现有的大部分WSN路由协议普遍采用单纯的基于平面拓扑或基于层次拓扑的数据路由方式,平面拓扑路由协议在全网络维护路由信息,很好地均衡了网络负载,但是维护大量路由信息所导致的节点能耗高的问题,严重限制了网络的扩展性;随着无线传感器网络规模的扩大,层次路由协议得到了广泛的关注与应用,由于采用了层次结构,网络中只有部分关键节点承担数据路由信息的维护和数据融合的工作,有效地减少了网络能耗,但层次路由协议面临的主要问题是热点区域及热点节点所面临的网络负载不均衡的问题,因而采用单一拓扑结构的路由协议往往很难在各个性能指标中取得较好平衡。

如何设计结合两者优势的路由协议就成为高效WSN路由协议的研究趋势,混合拓扑机制的主要设计思想即为在数据路由的不同层次采用不同的拓扑结构即路由策略,在保证网络规模的前提下均衡网络节能性及网络效率如实时性及能耗均衡性方面的性能,富有挑战性和实际意义。 本文研究基于混合拓扑的WSN路由协议,主要工作有:(1)综合分析了经典的平面WSN路由协议和层次WSN路由协议,并针对本文提出的特殊应用模型,着重分析了层次TEEN协议;(2)在深入研究大规模密集实时数据采集型无线传感器网络特点的基础上,重点分析了采用不同拓扑结构的路由协议对网络节能性,实时性及网络负载均衡性的影响并指出其不足及局限性。

并从两方面对层次路由协议TEEN进行改进研究:基于节点度梯度最大化改进TEEN协议,得到基于混合拓扑结构的GBTEEN协议;对TEEN协议的簇内通信方式进行多优先级自适应化改造,使其能适应于动态流量的密集实时数据采集型应用,得到MPA协议。文中对两方面改进研究的提出点、设计及主要机制作了详细阐述,最后通过仿真实验对比分析TEEN及改进协议的性能。 本文研究的创新点及主要成果如下: (1)对TEEN协议进行平面化改造,提出了GBTEEN协议,在性能方面有效改善了TEEN的网路负载不均衡的问题及网络扩展性差的问题,引入了节点度的概念综合衡量节点在网络中的重要性,将网络内的节点按照重要性的不同进行分层排序。

采用基于该排序的最小支配集算法优化了簇头的选择方法。并在数据传送阶段引入节点度梯度最大化机制(NDGM),有效地均衡了网络负载,同时兼顾了网络实时性。实验结果表明:GBTEEN协议与TEEN相比,在保证网络规模的情况下,具有更好的负载均衡性及实时性。 (2)对TEEN协议的簇内通信方式进行多优先级自适应化改造,得到MPA协议,它针对大规模动态流量的密集实时数据采集型应用,提出了一种多优先级自适应的簇内通信方式,解决了TEEN的簇内单一通信方式无法均衡网络实时性及能量有效性的问题,并采用基于休眠/活动节点对的改进TDMA机制,改变了基于固定时隙的数据传送方式,而以环境事件为驱动,传感器节点针对动态数据流量。

采用不对称时隙传送数据。实验结果表明:MPA协议对簇内通信方式的自适应改造及非对称TDMA机制增强了协议的动态流量适应性,保证数据传输的时延性能及可靠性。 本课题主要研究基于平面及层次混合拓扑无线传感器网络路由协议,针对大规模密集实时数据采集这一特殊应用模型,在功能和性能方面,增强和改进层次路由协议TEEN,得到高效实用的GBTEEN和MPA协议,所取得的成果为无线传感器网络混合拓扑路由协议的进一步研究提供了参考,并具有一定的工程应用价值。 关键词:无线传感器网络;路由协议;混合拓扑;负载均衡;实时性;GBTEEN;MPA 57 ABSTRACT ABSTRACT WirelessSensorNetworks(WSN)isanewspecialkindofcomputernetworks。

itisbasedonapplicationsandislargescaledistributedwirelessnetworks,whichisacceptedasoneofthemostimpactiveandmostimportanttechnologiesthatarechangingtheworldinthe21stcentury.WSNenjoysverywideprospectofapplications,itshowsgreatvalueintheindustry,agriculture,military,environmentandmedicalfield. WSNistaskoriented。

itconsistsofgreatlotsofnodes.WSNcolligatesmanyfieldsoftechnologiessuchassensor,controlling,embeddedcomputinganddistributedinformationprocessing.Itisfastnetworking,energyefficient,highsurvivable.WSNhasdistinctcharacteristicscomparingtothetraditionalnetworks.Thenodescanrefertoquitelimitedresources,soenergyefficiencyturnsouttobethemostimportantcriteriaofthecommunicationprotocols。

Meanwhile,WSN’sadaptivetopographyrequiresfinescalabilityandadaptability.Routingprotocolsdecidehowtotransportdatapackets.Routingprotocolplaysveryimportantroleofthenetworks’performance.However,thetraditionalwirelessnetworks’RoutingprotocolscannotmeetthespecialrequirementsofWSN,someotherspecificRoutingprotocolsshouldbeproposedtofitthespecificapplicationsofWSN。

ThemajorityofthecurrentWSNRoutingprotocolsaregenerallybasedonpureflatorleveltopology,itisdifficulttobalanceinmanyperformanceindexes,butthefeasiblehybridtopologymechanismisinmuchconcernbylotsofresearchers,thehybridsolutionrepresentsthetendencyofresearchonefficientWSNRoutingprotocols,andisquitechallengingandmeaningful。

ThispaperconcentratesontheflattopologybasedGBRandleveltopologybasedTEENhybridWSNroutingprotocols;themainresponsibilitiesare:(1)theclassicflattopologybasedandleveltopologybasedWSNroutingprotocolsareintroduced.Then,intermofthespecialapplicationmodelpresentedinthispaper.wemakeathroughanalysisoftheTEENroutingprotocol。

(2)afterdeepresearchonTEENprotocol,itsshortcomingsandlimitationsarealsopointedout,thentwoaspectsofimprovementsareproposed:nodedegreegradientmaximumbasedenhancementonTEENtoproduceGBTEEN;furtherimprovementoncommunicationmodewithintheclusterbyproposingamultipriorityadaptiveroutingprotocol(MPA)togainselfadaptabilitytodynamictrafficdatacollectionapplicationsandgetanoptimizationoftherealtimeperformance。

Thefoothold,designandmainmechanismsaredescribedindetailinthispaper,thesimulationexperimentsaretakentoverifiedandevaluatetheperformanceofTEENandthetwoimprovedprotocols. Theinnovationandfruitsofthispaperare: (1)MakeaplanaredimprovementontheTEENbypresentingGBTEEN,whichsolvestheproblemsofloadimbalanceintheWSNandthepoorperformanceofthenetworkscability。

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