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无线传感器网络拓扑和路由技术的研究

作　者: 田乐
导　师: 程时端
学　校: 北京邮电大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 无线传感器网络网络寿命瓶颈节点移动sink 分簇贪婪转发路由空洞置信因子
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

无线传感器网络是一项新兴的技术，它将集成了传感、计算、通信能力的节点组织成一个通信网络，将客观世界中的信息不断提供给人们加以分析、判断。这种网络的自适应性、抗毁性、易部署性和低成本，使得它在环境监测、医疗卫生、智能家居、军事等领域有着广泛的应用前景。在大规模部署的网络中，如何提高网络的有效工作寿命、保证网络的易用性和数据传输的有效性以提高网络的整体性能是一个重要的研究课题，本文围绕这一主题展开了研究，侧重点在网络的拓扑管理、路由技术和数据传输技术。论文的主要贡献包括：(1)提出瓶颈节点的判定算法和规避措施瓶颈节点指那些由于网络随机部署的原因，而不得不成为连接两个或多个区域的孤立的节点。相对于其他节点，这类节点对网络的生存期有着更大的影响。基于实际部署的可行性，本文提出了一个新的准瓶颈节点的概念，准瓶颈节点对网络具有和瓶颈节点类似的影响，但是可以很容易地通过分布式算法找出来。通过分析和仿真，证明了准瓶颈节点对网络行为(包括能量消耗速率、丢包率)的巨大影响。最后，提出了一种分布式准瓶颈节点发现算法，并提出了两种有效的解决方法来减小它们的不利影响。(2)提出针对移动sink的基于分簇的路由算法移动sink可以延长无线传感器网络的寿命，并满足一些特定应用的需求。目前针对移动sink的路由算法都需要定位算法的支持，而现有的定位算法或太昂贵，或精度不足以支持路由算法的要求。本章提出了一种不依赖于节点地理位置的基于分簇的移动sink路由算法CBDD，在CBDD中，源节点和移动sink之间的通信分为簇内通信和簇间通信两部分，因为sink的移动而造成的通信路径的中断被限制在簇内通信。大量仿真显示，在数据传输时延，节点平均能耗和数据成功接收率方面，CBDD的性能远远超过AODV，TTDD等现有移动路由算法。(3)分析路由空洞在贪婪转发策略中的存在概率，提出解决路由空洞的措施贪婪转发是无线传感器网络中基于地理位置的路由算法中非常重要的一种，但是该算法会遭遇到路由空洞问题。本文从理论上分析了路由空洞在规则部署和随机部署情况下的存在概率，导出了随机部署情况下随机建立的路径遭遇到路由空洞的概率，并提出了一种带有退避改进方法的贪婪转发策略。通过分析可以得出，当网络中节点的平均邻居数大于10时，该策略成功建立路径的概率接近100％，足以满足无线传感器网络的需要．(4)提出了一种基于置信因子的数据分发机制无线传感器网络中节点的能量大部分用来传输数据，为减少数据的传输量，同时不增加数据包的延迟，提出了基于置信因子的数据分发概念，并设计了一种基于置信因子的发送退避策略和传输过滤器。因为置信因子由传感器节点根据所感知的数据产生，反映了数据的真实性和重要性。本算法保证了重要数据优先访问信道的权利，减少了冗余数据传输量。大量仿真证明，这种数据分发机制可以减少网络能耗并降低数据的传输时延。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-11
目录  11-13
第一章绪论  13-34
  1.1 引言  13-18
    1.1.1 无线传感器网络及其应用  13-16
    1.1.2 无线传感器网络研究背景  16-17
    1.1.3 无线传感器网络的特点  17-18
  1.2 无线传感器网络目前研究进展  18-26
    1.2.1 链路层技术  18-21
    1.2.2 网络层技术  21-25
      1.2.2.1 平面路由协议的基本概念及分类  22-23
      1.2.2.2 分级路由协议的基本概念及分类  23-24
      1.2.2.3 基于地理位置和能量感知的路由协议  24-25
    1.2.3 其他问题  25-26
  1.3 论文主要贡献  26-28
    1.3.1 瓶颈节点的判定算法和规避措施  26-27
    1.3.2 针对移动sink的基于分簇的路由算法  27
    1.3.3 贪婪转发策略中的路由空洞问题  27-28
    1.3.4 基于置信因子的数据分发机制  28
  1.4 论文组织结构  28-29
  参考文献  29-34
第二章无线传感器网络中瓶颈节点的研究  34-51
  2.1 引言  34-35
  2.2 相关工作  35-37
  2.3 准瓶颈节点及其影响  37-44
    2.3.1 准瓶颈节点的定义和概率分析  37-41
    2.3.2 准瓶颈节点对网络的影响  41-44
  2.4 寻找准瓶颈节点并消除它们的不利影响  44-48
    2.4.1 算法的提出  44-45
    2.4.2 在准瓶颈节点之前完成数据聚集  45-46
    2.4.3 移动一个节点到准瓶颈节点附近作为备份  46-48
  2.5 本章小结  48
  参考文献  48-51
第三章针对移动sink的基于分簇的数据分发机制  51-75
  3.1 引言  51-52
  3.2 相关工作  52-55
  3.3 算法的详细描述  55-61
    3.3.1 分簇算法  55-57
    3.3.2 簇内通信  57-58
    3.3.3 簇间通信  58-59
    3.3.4 簇间的切换  59
    3.3.5 通信开销  59-61
  3.4 算法的评估  61-72
    3.4.1 概率的影响  62-64
    3.4.2 速度的影响  64-66
    3.4.3 网络规模的影响  66-68
    3.4.4 多sink和多source的影响  68-70
    3.4.5 和TTDD的比较  70-72
  3.5 本章小结  72
  参考文献  72-75
第四章贪婪转发策略中的路由空洞问题  75-89
  4.1 引言  75-76
  4.2 相关工作  76-79
  4.3 系统模型  79-85
    4.3.1 网格状网络  80-81
    4.3.2 随机部署网络  81-85
  4.4 GF算法的退避改进  85-86
  4.5 本章小结  86
  参考文献  86-89
第五章基于置信因子的数据分发机制  89-105
  5.1 前言  89-90
  5.2 相关工作  90-92
  5.3 问题的提出和系统模型  92-96
    5.3.1 置信因子的产生  93
    5.3.2 用置信因子减少数据传输量  93-94
    5.3.3 用置信因子控制访问共享信道  94-96
  5.4 模型的验证  96-102
    5.4.1 仿真场景的设置  96
    5.4.2 仿真衡量标准  96-97
    5.4.3 仿真结果  97-102
  5.5 本章小结  102-103
  参考文献  103-105
结束语  105-109
缩略词  109-112
致谢  112-113
个人简历及参加的科研工作  113-114
附录: 在攻博期间录用，发表和已投的文章  114

无线传感器网络拓扑和路由技术的研究

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