无线传感器网络中基于网络拓扑与路由的节能技术研究

【摘要】： 近年来,无线通信技术的发展和进步给无线传感器网络(WirelessSensor Networks,WSN)的应用提供了机遇和挑战。WSN这种集分布式处理能力、高监测精度探测能力、高容错能力、覆盖面积广、可以进行远程监控、与数据为中心等众多优点于一身的自组织密集型无线通信网络有着潜在的和广泛的应用。然而,其由大量的微型传感器节点组成,这种微型化的传感器节点能量极其有限,并且能量是无法补充或更换的,一旦耗尽,节点便“死亡”。因此,能量是WSN最重要的资源,影响着WSN的使用寿命,也影响着WSN应用的普及。为了最大化WSN的使用寿命,促进WSN应用的普及,我们必须对WSN进行节能研究。 本文主要从拓扑控制和路由方面为WSN进行节能研究。其中,拓扑控制技术可以延长网络的生存时间、减小节点间通信的干扰、提高MAC(MediaAccess Control)协议和路由协议的效率、为数据融合提供拓扑基础,而且拓扑控制是一种重要的节能技术。从节能的角度考虑,网络层产生的数据流量有显著的冗余性,应该设法减少这种冗余。例如,通过在路由协议中使用数据融合等技术可以有效地降低整个网络的数据流量,减少通信数据的冗余,进而可以减少通信、减少对通信模块的利用。无论如何,降低整个网络的数据流量跟路由协议的设计紧密相关。 本文首先介绍WSN的基本知识,然后分别从单个传感器节点和整个WSN体系结构分析WSN的能耗情况,以便寻求最合理的节能策略。分析结果表明,传感器节点的收发机部件消耗的能量最高,而节点的其它部件消耗的能量较少,并且收发机部件在不同工作模式下所消耗的能量也不同。对于整个网络体系来说,消耗能量的主要来自各种通信协议,因为这些协议控制和调节传感器节点的工作,当然也利用着节点的收发机部件。显然,利用整个WSN的节点总数越多,利用节点的收发机部件越多,则该通信协议消耗WSN的能量就更多。路由协议的设计应该考虑怎样均匀有效地使用节点的能量,利用少数节点就能够获得预定效果,最大化网络寿命。 接着研究了目前具有代表性的节能拓扑控制和路由技术,分析并比较了它们的优缺点。在第五章,根据能耗分析的结果,借鉴具有代表性的协议的优点,明确了节能的重点是减少节点收发部件的使用率。同时根据WSN数据传输的特点(数据沿着路由最终传输到一指定点),最终采用了最短路径树算法构造路由。与最小生成树相比,最短路径树构造的路由具有低延时、节能、提高整个WSN的可靠性等优点。本文还做了数值实验,从节点均匀部署和随机部署两方面证明得出的结论。 【关键词】：无线传感器网络 节能拓扑控制技术 节能路由算法 异构传感器网络 最短路径树路由
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 课题简介11-13
• 1.2 课题研究的意义13-14
• 1.3 本文的工作14-15
• 1.4 论文内容及结构安排15-16
• 第二章 无线传感器网络概述16-33
• 2.1 无线传感器网络体系结构简介16-20
• 2.2 无线传感器网络的特征20-23
• 2.3 传感器网络各协议栈层及相关的核心技术23-24
• 2.4 WSN的性能指标24-27
• 2.5 无线传感器网络的应用27-29
• 2.6 无线传感器网络的发展29-32
• 2.7 本章小结32-33
• 第三章 无线传感器网络节能技术研究33-41
• 3.1 传感器节点的能耗分析33-35
• 3.2 无线传感器网络结构及能耗分析35-37
• 3.2.1 传感器网络协议栈层能耗分析35-36
• 3.2.2 网络能耗关键方面36-37
• 3.3 无线传感器网络节能策略37-40
• 3.3.1 单个节点的节能策略37-39
• 3.3.2 基于通信协议的节能优化策略和基于拓扑和路由节能的必要性39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 节能拓扑控制与节能路由技术研究41-58
• 4.1 拓扑控制研究的内容41-42
• 4.2 拓扑控制算法的评价指标42-43
• 4.3 节能拓扑控制技术发展及现状43-45
• 4.4 网络层研究的内容45-46
• 4.5 路由协议的分类46-47
• 4.6 路由算法的性能标准47
• 4.7 节能路由技术发展及现状47-49
• 4.8 节能路由性能比较49
• 4.9 应用举例——节能路由模型设想49-57
• 4.10 本章小结57-58
• 第五章 基于最短路径树的低延时节能路由算法58-76
• 5.1 相关路由算法的研究58-59
• 5.2 最短路径树路由算法设计59-66
• 5.2.1 基于RSSI生成路由树阶段60-64
• 5.2.2 数据传输阶段64-66
• 5.3 算法分析与实验66-75
• 5.3.1 算法分析66-67
• 5.3.2 实验数据67-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第六章 结束语76-78
• 6.1 全文总结76-77
• 6.2 进一步工作展望77-78
• 参考文献78-83
• 致谢83-84
• 攻读学位期间参加科研项目和发表论文情况84

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