（控制理论与控制工程专业论文）无线传感器网络基于混合拓扑路由协议研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e r e s e a r c ho nh y b r i d - t o p o l o g y - b a s e d r o u t i n gp r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s c a n d i d a t e ：d e n gj i e s u p e r v i s o r ：p r o f c h e n gl i a n g l u n m a y2 0 1 0 f a c u l t yo fa u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 舢4m 3 加5燃 脚1脚y 摘要 摘要 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 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w s n 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w s n 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w s n 路由协议，主要工作有：( 1 ) 综合分析了经典的 平面w s n 路由协议和层次w s n 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t e e n 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t e e n 进行改 进研究：基于节点度梯度最大化改进t e e n 协议，得到基于混合拓扑结构的g b - t e e n 协议；对t e e n 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m p a 协议。文中对两方面改进研究的提出点、 广东1 = 业大学工学硕士学位论文 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t e e n 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t e e n 协议进行平面化改造，提出了g b t e e n 协议，在性能方面有效改 善了t e e n 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( n d g m ) ，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：g b t e e n 协议与t e e n 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t e e n 协议的簇内通信方式进行多优先级自适应化改造，得到m p a 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t e e n 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t d m a 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：m p a 协议对簇内通信方式的自适应改造及非对称t d m a 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 t e e n ，得到高效实用的g b t e e n 和m p a 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；g b t e e n ；m p a i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) i san e ws p e c i a lk i n do fc o m p u t e rn e t w o r k s ；i ti s b a s e do na p p l i c a t i o n sa n di sl a r g e s c a l ed i s t r i b u t e dw i r e l e s sn e t w o r k s ，w h i c hi sa c c e p t e da s o n eo ft h em o s ti m p a c t i v ea n dm o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e st h a ta r ec h a n g i n gt h ew o r l di n t h e2 1s tc e n t u r y w s ne n j o y sv e r yw i d ep r o s p e c to fa p p l i c a t i o n s ，i ts h o w sg r e a tv a l u ei nt h e i n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，m i l i t a r y , e n v i r o n m e n ta n dm e d i c a lf i e l d w s ni st a s k o r i e n t e d ；i tc o n s i s t so fg r e a tl o t so fn o d e s w s nc o l l i g a t e sm a n yf i e l d so f t e c h n o l o g i e ss u c ha ss e n s o r , c o n t r o l l i n g ，e m b e d d e dc o m p u t i n ga n dd i s t r i b u t e di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g i t i s f a s t - n e t w o r k i n g ，e n e r g ye f f i c i e n t ，h i g h - s u r v i v a b l e w s n h a sd i s t i n c t c h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a ln e t w o r k s t h en o d e sc a nr e f e rt oq u i t el i m i t e d r e s o u r c e s ，s oe n e r g ye f f i c i e n c yt u r n s o u tt ob et h em o s ti m p o r t a n tc r i t e r i ao ft h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s m e a n w h i l e ，w s n sa d a p t i v et o p o g r a p h yr e q u i r e sf i n es c a l a b i l i t y a n da d a p t a b i l i t y r o u t i n gp r o t o c o l sd e c i d eh o wt ot r a n s p o r td a t ap a c k e t s r o u t i n gp r o t o c o l p l a y sv e r yi m p o r t a n tr o l eo ft h en e t w o r k s p e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lw i r e l e s s n e t w o r k s r o u t i n gp r o t o c o l sc a n n o tm e e tt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fw s n ，s o m eo t h e r s p e c i f i cr o u t i n gp r o t o c o l ss h o u l db ep r o p o s e dt of i tt h es p e c i f i ca p p l i c a t i o n so fw s n t h e m a j o r i t yo ft h ec u r r e n tw s nr o u t i n gp r o t o c o l sa r eg e n e r a l l yb a s e do np u r ef l a t o rl e v e l t o p o l o g y , i ti sd i f f i c u l t t ob a l a n c ei nm a n yp e r f o r m a n c ei n d e x e s ，b u tt h ef e a s i b l eh y b r i d t o p o l o g ym e c h a n i s m i si nm u c hc o n c e r nb yl o t so fr e s e a r c h e r s ，t h eh y b r i ds o l u t i o nr e p r e s e n t s t h et e n d e n c yo fr e s e a r c ho ne f f i c i e n tw s nr o u t i n gp r o t o c o l s ，a n di sq u i t ec h a l l e n g i n ga n d m e a n i n g f u l t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e so nt h ef l a t - t o p o l o g y - b a s e dg b ra n dl e v e l t o p o l o g y 。b a s e d t e e nh y b r i dw s nr o u t i n gp r o t o c o l s ；t h em a i nr e s p o n s i b i l i t i e sa r e ：( 1 ) t h ec l a s s i c f l a t t o p o l o g y b a s e da n dl e v e l t o p o l o g y - b a s e dw s nr o u t i n gp r o t o c o l sa r ei n t r o d u c e d t h e n ， i nt e r mo ft h es p e c i a la p p l i c a t i o nm o d e lp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w em a k eat h r o u g ha n a l y s i s o ft h et e e nr o u t i n gp r o t o c 0 1 ( 2 ) a f t e rd e e pr e s e a r c ho nt e e np r o t o c o l ，i t ss h o r t c o m i n g s a n dl i m i t a t i o n sa r ea l s op o i n t e do u t ，t h e nt w oa s p e c t so fi m p r o v e m e n t sa r ep r o p o s e d ： n o d e d e g r e e g r a d i e n t m a x i m u m b a s e d e n h a n c e m e n to nt e e nt op r o d u c eg b - t e e n ； f u r t h e r i m p r o v e m e n t o nc o m m u n i c a t i o nm o d ew i t h i nt h ec l u s t e rb yp r o p o s i n g a m u l t i p r i o r i t ya d a p t i v er o u t i n gp r o t o c o l ( mp a ) t og a i ns e l f - a d a p t a b i l i t y t od y n a m i ct r a f f i c d a t a - c o l l e c t i o na p p l i c a t i o n sa n dg e ta no p t i m i z a t i o no ft h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e t h e f o o t h o l d ，d e s i g na n dm a i nm e c h a n i s m sa r ed e s c r i b e di nd e t a i li nt h i sp a p e r , t h es i m u l a t i o n i i i e x p e r i m e n t sa r et a k e nt ov e r i f i e da n de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft e e na n dt h et w o i m p r o v e dp r o t o c o l s t h ei n n o v a t i o na n df r u i t so ft h i sp a p e ra r e ( 1 ) m a k eap l a n a r e di m p r o v e m e n to nt h et e e nb yp r e s e n t i n gg b t e e n ，w h i c hs o l v e s t h ep r o b l e m so f1 0 a di m b a l a n c ei nt h ew s na n dt h e p o o rp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k s c a b i l i t y t h ep r o t o c o li n t r o d u c e san o t i o no fn o d ed e g r e e ( n d ) i no r d e rt og e tas y n t h e s i z e d s t a n d a r dt om e a s u r et h en o d e si m p o r t a n c ei nt h ew h o l en e t w o r k i na c c o r d a n c ew i t ht h e i m p a r t a n c eo fd i f f e r e n tn o d e s ，t h en o d e sa r ec l a s s i f i e di n t od i f f e r e n tl e v e la n do p t i m a z et h e c l u s t e rh e a d s e l e c t i n g m e a s u r e b ya d o p t t i n g am i n i m u m d o m i n a t i n g s e t b a s e d a l g o r i t h m b e s i d e san d - g mm e c h a n i s mi si n t r o d u c e dt oe f f i c i e n t l yb a l a n c et h el o a da n d a l s oe n s u r et h en e t w o r kr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ( 2 ) t e e ni si m p r o v e dt op r o p o s em p af o rt h ed y n a m i c t r a f f i cd a t ac o l l e c t i o n a p p l i c a t i o n s i ts o l v e st h ep r o b l e mo fl o n gd e l a yo ft h ed a t at r a n s m m i s o ni nt h el a r g e s c a l e i n t e n s i v e r e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o nw s n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e m e n t o nc o m m u n i c a t i o nm o d ew i t h i nt h ec l u s t e ra n dt h ea s y m m e t i ct d m a m e c h a n i s mb a s e do n t h es l e e p a c t i v en o d e sp a i ri n t r o d u c e db ym p a e f f i c i e n t l yr e d u c e st h ed e l a ya n ds a v et h e e n e r g yi nt h en e t w o r k t h i sr e s e a r c hh a sp r o d u c e dap a p e ri n ”m p a ：ac l u s t e r - b a s e d m u l t i - p r i o r i t ya d a p t i v er o u t i n gp r o t o c o lf o rl a r g es c a l ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ” 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v c o n t e n t s v i i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 1 1 研究背景：1 1 1 2 研究意义2 1 2 国内外研究现状及发展趋势。3 1 3 课题来源及本文主要研究内容5 1 3 1 课题来源5 1 3 2 本文研究内容及创新点。5 1 3 3 论文结构6 第二章无线传感器网络及其路由协议8 2 1 无线传感器网络路由协议关键问题研究8 2 1 1 大规模密集实时数据采集型无线传感器网络8 2 1 2l s r t _ w s n 路由协议关键问题9 2 2 无线传感器网络平面路由协议1 0 2 2 1w s n 平面路由协议概述1 0 2 2 2d d 协议11 2 2 3g b r 1 2 2 3 无线传感器网络层次路由协议1 2 2 3 1w s n 层次路由协议概述12 2 3 2l e a c h 1 3 2 3 3t e e n 协议1 4 2 4 混合型的无线传感器网络路由协议分析1 4 2 4 1 双层路由节能路由协议1 5 v 广东工业大学t 学硕 ：学位论文 2 4 2 数据采集网络负载均衡路由协议1 7 2 4 - 3w s n 混合拓扑路由协议设计思想。2 0 2 5 本章小结2 1 第三章g b t e e n ：t e e n 协议的平面化研究。2 2 3 1t e e n 的不足及g b t e e n 的提出2 2 3 2g b t e e n 协议的设计及主要机制2 3 3 2 1 节点度及节点度函数2 3 3 2 2 支配集机制的引入2 5 3 2 3 节点度及支配集在拓扑建模中的应用2 8 3 3g b t e e n 性能定性分析2 9 3 4 本章小结3 0 第四章m p a ：多优先级自适应化路由协议3 1 4 1m p a 的提出31 4 2m p a 协议的设计及主要机制3 l 4 2 1 动态流量的数据采集型网络应用。3 1 4 2 2 多优先级混合通信模型3 2 4 2 3 改进的t d m a 机制3 5 4 3m p a 协议性能定性分析3 6 4 4 本章小结3 6 第五章仿真与实验研究3 8 5 1 仿真实验性能评价指标及分析方法3 8 5 1 1 性能评价指标及分析方法3 8 5 1 2 仿真实验平台简介3 9 5 2g b t e e n 仿真实验分析4 0 5 2 1 节能效率实验分析4 0 5 2 2 时延性能实验分析4 l 5 2 3 负载均衡性实验分析4 3 5 2 4 j 、结4 4 5 3m p a 协议仿真实验分析4 4 5 3 1 节能效率实验分析4 4 v i 日录 5 3 2 时延性能实验分析4 5 5 3 3 传达率实验分析4 6 5 3 4 小结4 7 5 4 本章小结4 7 结语与展望4 8 参考文献4 9 攻读学位期间发表的学术论文5 3 攻读学位期间参加的科研项目5 4 独创性声明5 5 致 射5 6 v l i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n dp u r p o s e 1 1 1 1b a c k g r o u n d 1 1 1 2p u r p o s e 2 1 2r e l a t e dw o r k s 3 1 3s u b j e c ts o u r c ea n dm a i nt a s k so ft h i sp a p e r 5 1 ：；1s u b j e c ts r o u c e 5 】【：；2m a i nt a s k so f t h i sp a p e r 5 1 ：；3s t r u c t u r eo f t h i sp a p e r 6 c h a p t e r 2 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n di t sr o u t i n gp r o t o c o l s 8 2 11 1 1 ek e yp r o b l e m si nn e t w o r kl a y e ro f w s n 8 2 1 1l a r g e s c a l ei m e n s i v er e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o nw s n 8 2 1 2k e yp r o b l e m so fl s r t - w s nr o u t i n gp r o t o c o l s 9 2 2w s nf l a tr o u t i n gp r o t o c 0 1 1 0 2 3 1i n t r o d u c t i o no f w s nf l a tr o u t i n gp r o t o c o l 1 9 2 3 2d d 1 1 2 3 3g b r 1 2 2 3w s n h i e r a r c h yr o u t i n gp r o t o c o l 1 2 2 4 1i n t r o d u c t i o no fw s n h i e r a r c h yr o u t i n gp r o t o c o l 1 2 2 4 2l e a c h 1 3 2 4 3t e e n 1 4 2 4a n a l y s i so l lh y b r i dw s n r o u t i n gp r o t o c o l 1 4 2 5 1d o u b l el a y e re n e r g ye f f i c i e n c yr o u t i n gp r o t o c o l 1 5 2 5 2d a t a a q u i c i t i o nl o a d b a l a n c i n gr o u t i n gp r o t o c o l 17 2 5 3d e s i g no f t h eh y b r i d t o p o l o g y b a s e dw s nr o u t i n gp r o t o c o 2 0 2 5s u m m a r y 2 1 c h a p t e r3 g b t e e n ：g r a d i e n t - b a s e dr o u t i n gp r o t o c o l 2 2 v i c o n t e n t s 4 1s h o r t c o m i n g so f t e e na n dp r o p o s a lo f g b t e e n 2 2 4 2d e s i g na n dm a i nm e c h a n i s m so fg b t e e n 2 3 4 2 1n o d e d e g r e ea n dn o d ed e g r e ef u n c t i o n 2 3 4 2 2i n t r o d u c t i o no fd o m i n a t i n gs e tm e c h a n i s m 2 5 4 2 3a p p l i c a t i o no f n o d ed e g r e ea n dd o m i n a t i n gs e t 2 8 4 3q u a l i t a t i v ea n a l y s i so np e r f o r m a n c eo fg b t e e n 。2 9 4 4s u m m a r y 3 0 c h a p t e r4 m p a ：m u l t i p r i o r i t ya d a p a t i v er o u t i n g p r o t o c o l 31 4 1p r o p o s a lo fm p a 31 4 2d e s i g na n dm a i nm e c h a n i s m so fm p a 31 4 2 1d y n a m i ct r a f f i c ed a t ac o l l e c t i o na p p l i c a t i o n s 3 1 4 2 2m u l t i p r i o r i t yh y b r i dc o m m u n i c a t i o nm o d e l 3 2 4 2 3a d v a n c e dt d m am e c h a n i s m s 3 5 4 3q u a l i t a t i v ea n a l y s i so np e r f o r m a n c eo fm p a 3 6 4 4s u m m a r y 3 6 c h a p t e r5 r e s e a r c ho ns i m u l a t i o n sa n de x p e r m e n t s 3 8 5 1i n t r o d u c t i o no fs i m u l a t i o nt o o l sa n de x p e r i m e n t ss e t u p 3 8 5 1 1e v a l u a t i o nc r a t e r i aa n da n a l y z em e t h o d 3 8 5 1 2i n t r o d u c t i o no fs i m u l a t i o nf l a t 3 9 5 2a n a l y z eo ns i m u l a t i o nr e s d t so fg b t e e n 4 0 5 2 1e n e r g ye f f i c i e n c y 4 0 5 2 2l a t e n c y 4 1 5 2 3l o a d b a l a n c i n g 4 3 5 2 4s u m m a r y 4 7 5 3a n a l y z eo ns i m u l a t i o nr e s u l t so f m p a 4 4 5 3 1e n e r g ye f f i c i e n c y 4 4 5 3 2l a t e n c y 4 5 5 3 3r a t eo f t r a n s m i s s i o n 4 6 5 3 4s u m m a r y 4 7 5 4s u m m a r yo f t h ec h a p t e r 4 7 c o n c l u s t i o n sa n dp r o s p e c t 4 8 r e f e r e n c e 4 9 p u b l i c a t i o n s 5 3 i x c o n t e n t s r e s e a r c ha c t i v i t i e s 5 4 o r i g i n a lc r e a t i v es t a t e m e n t 5 5 a c k n o w l e g e m e n t 5 6 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 研究背景 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 是伴随着微型制造技术、通信 技术以及电池技术的进步，而出现的一种新兴的计算机网络，综合了传感器、检测、 控制、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等跨领域技术。w s n 是高 度面向应用的，通常无线传感器节点被分布到所需监控的区域，这些节点根据内部协 议快速地自组网络，数据的采集与传送是无线传感器网络的主要应用。 无线传感器网络路由层协议直接控制网络中数据的传送方式，因此，路由协议的 设计对节点的能耗有非常大影响，直接关系到节点的生存时间。传统的路由协议多采 用单一的拓扑结构，无线传感器网络路由协议根据网络拓扑结构的不同，可以分为： 平面路由协议，层次路由协议。在平面路由协议中，所有节点的地位是平等的，不存 在等级和层次的差异。原则上不存在瓶颈问题，因而可以很好的解决网络负载不均衡 问题。但是，由于无线传感器网络中单个节点的功能比较弱，节点的资源相当有限， 包括能量、存储、计算和通信带宽等资源，相对于传统的无线通信网络，它有明显的 特殊性【1 】【2 】：( 1 ) 电源能量有限；( 2 ) 通信能力有限；( 3 ) 计算能力和存储能力有限； ( 4 ) 传感器数量大、分布范围广；( 5 ) 网络拓扑动态性强；( 6 ) 大规模分布式触发。 平面路由协议需要维持路由表，在大规模网络中会消耗节点大量的存储空间，同时由 于发送信息中包含了路由信息，会引起网络中通信负担的加重。因而严重限制了其扩 展性。因而其不适应于大规模的无线传感器网络。 层次路由协议多采用分簇结构，分簇的路由协议