【畢業(yè)學(xué)位論文】（原稿）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于混合拓?fù)渎酚蓞f(xié)議研究-控制理論與控制工程

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1、廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文（工學(xué)碩士）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于混合拓?fù)渎酚蓞f(xié)議研究鄧潔二0—0年五月學(xué)校代號:11845分類號：UDC：密級：學(xué)號：2110704295廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文（工學(xué)碩士）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于混合拓?fù)渎酚蓞f(xié)議研究鄧潔指導(dǎo)教師姓名、職稱：程良倫教授企業(yè)導(dǎo)師姓名、職稱：無專業(yè)或領(lǐng)域名稱：控制理論與控制工程學(xué)生所屬學(xué)院：口動化學(xué)院論文答辯LI期：2010年5刀ClassifiedIndex:SchooICode:11845UDC:SecurityClass:ClassNo.:2110704295ADissertationforMaster^DegreeofGuangdongU

2、niversityofTechnology(MasterofEngineeringScience)ResearchonHybrid-Topology-basedRoutingProtocolforWirelessSensorNetworksCandidate:DengJieSupervisor:Prof.ChengLianglunMay2010FacultyofAutomationGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.China,510006摘要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)是新興

3、的特殊的計(jì)算機(jī)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(jì)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(qiáng)等特點(diǎn)。和對于傳統(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(diǎn)的資源相當(dāng)有限，節(jié)能效率成首要的性能指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具備良好的可擴(kuò)展性以適應(yīng)動態(tài)拓?fù)?。路由協(xié)議決定了數(shù)據(jù)的傳送方式，對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)生存期、負(fù)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(jì)專門的路由協(xié)議。現(xiàn)有的大部分WSN路由協(xié)議普遍采用單純的基于平面拓?fù)浠蚧?/p>

4、于層次拓?fù)涞臄?shù)據(jù)路由方式，平面拓?fù)渎酚蓞f(xié)議在全網(wǎng)絡(luò)維護(hù)路由信息，很好地均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，但是維護(hù)大量路由信息所導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)能耗高的問題，嚴(yán)重限制了網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性；隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，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(diǎn)承擔(dān)數(shù)據(jù)路rfl信息的維護(hù)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(diǎn)區(qū)域及熱點(diǎn)節(jié)點(diǎn)所面臨的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡的問題，因而采用單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議往往很難在各個(gè)性能指標(biāo)屮取得較好平衡，如何設(shè)計(jì)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?fù)錂C(jī)制的主要設(shè)計(jì)思想即為在數(shù)據(jù)路由的不同層次采用不

5、同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即路由策略，在保證網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的前捉下均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性及網(wǎng)絡(luò)效率如實(shí)時(shí)性及能耗均衡性方面的性能，富冇挑戰(zhàn)性和實(shí)際意義。木文研究基于混合拓?fù)涞腤SN路由協(xié)議，主要工作有：(1)綜合分析了經(jīng)典的平而WSN路由宓議和層次WSN路由協(xié)議，并針對本文捉出的特殊應(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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了采用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性，實(shí)時(shí)性及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡性的影響并指出其不足及局限性，并從兩方面對層次路由協(xié)議TEEN進(jìn)行改進(jìn)研究：基于節(jié)點(diǎn)度梯度最人化改進(jìn)TEEN協(xié)議，得到基于混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的GB-TEEN協(xié)議；對TEEN

6、協(xié)議的簇內(nèi)通信方式進(jìn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)釆集型應(yīng)用，得到MPAI辦議。文屮對兩方而改進(jìn)研究的捉出點(diǎn)、設(shè)計(jì)及主要機(jī)制作了詳細(xì)闡述，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)對比分析TEEN及改進(jìn)協(xié)議的性能。本文研究的創(chuàng)新點(diǎn)及主要成果如下：（1）對TEEN協(xié)議進(jìn)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(fù)載不均衡的問題及網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差的問題，引入了節(jié)點(diǎn)度的概念綜合衡量節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)屮的重耍性，將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)按照重要性的不同進(jìn)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(diǎn)度梯度最大化機(jī)制（ND?GM）,有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)

7、負(fù)載，同時(shí)兼顧了網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)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，具有更好的負(fù)載均衡性及實(shí)吋性。（2）對TEEN協(xié)議的簇內(nèi)通信方式進(jìn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集型應(yīng)用，捉出了一種多優(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(shí)時(shí)性及能量有效性的問題，并采用基于休眠/活動節(jié)點(diǎn)對的改進(jìn)TDMA機(jī)制，改變