基于虛擬坐標(biāo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究.pdf

1、隨著無線通信、傳感器技術(shù)和微機電系統(tǒng)等技術(shù)的進(jìn)步，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用得到了不斷的發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織、低功耗、分布式的無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點通常采用電池供電，能量受限。而且由于應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，很多外部因素均會對網(wǎng)絡(luò)造成影響，從而導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，保證數(shù)據(jù)順利傳輸并提高傳輸過程中能量的有效性和傳輸?shù)目煽啃允菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要內(nèi)容之一。
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)

2、議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)得以順利傳輸?shù)年P(guān)鍵。用戶不僅關(guān)心數(shù)據(jù)本身所包含的信息，信息的獲得位置也至關(guān)重要。利用節(jié)點的地理位置信息，并以其他節(jié)點的位置信息為路徑選擇的依據(jù)，可以簡化路由設(shè)計，提高路由效率，因此，研究設(shè)計基于位置信息的路由協(xié)議具有重要的意義。本論文對路由空洞的形成和避免進(jìn)行了總結(jié)分析，在此基礎(chǔ)上，對利用虛擬位置信息的路由協(xié)議解決空洞問題的方法進(jìn)行了研究，并提出了一系列有效旁路路由空洞的路由協(xié)議。

3、　　本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新如下:
　　(1)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點和路由協(xié)議的分類;重點分析了基于虛擬坐標(biāo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究方法、研究現(xiàn)狀和研究意義。
　　(2)從如何避免出現(xiàn)路由空洞的角度出發(fā)，分析了基于位置信息的路由協(xié)議中存在的路由空洞問題。在對路由空洞基本問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了判別網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部是否存在空洞的方法，判別方法分別以網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和邊緣節(jié)點規(guī)模為出發(fā)點，可以為實際

4、應(yīng)用中的節(jié)點部署提供參考，使部署后的網(wǎng)絡(luò)不會出現(xiàn)路由空洞問題。在此基礎(chǔ)上，分析了無路由空洞的網(wǎng)絡(luò)邊緣結(jié)構(gòu)特征，提出了將該結(jié)構(gòu)和虛擬坐標(biāo)相結(jié)合克服路由空洞影響的方法。
　　(3)對基于位置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議和路由空洞問題進(jìn)行了分析。針對路由空洞問題，先后出現(xiàn)了空洞隔離法、洪泛法和邊緣轉(zhuǎn)發(fā)等能夠使數(shù)據(jù)包順利繞過空洞到達(dá)目的節(jié)點的算法。但能量消耗、控制開銷和路徑優(yōu)化問題仍有待改進(jìn)。而且由于空洞隔離法等算法并不能保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的

5、數(shù)據(jù)傳輸，這就破壞了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的完整性。同時，利用邊緣轉(zhuǎn)發(fā)等機制的地理位置算法，路徑往往得不到優(yōu)化，而且邊緣轉(zhuǎn)發(fā)控制包開銷較高，不利于網(wǎng)絡(luò)節(jié)能。針對在處理路由空洞時具有較高的控制包開銷以及傳輸時延的問題，提出了一種基于虛擬坐標(biāo)映射有效旁路路由空洞的無線路由協(xié)議BVR-VCM。該協(xié)議的基本思想是通過將空洞邊緣節(jié)點映射成位于能夠覆蓋整個空洞的一個虛擬同心圓上的虛擬節(jié)點，從而使無規(guī)則的空洞邊緣節(jié)點轉(zhuǎn)換成有規(guī)則的圓形邊緣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，映射后的有規(guī)則邊

6、緣結(jié)構(gòu)有利于降低平均路由路徑長度，從而降低傳輸延遲;由于虛擬坐標(biāo)不受目的節(jié)點位置的影響，利用建立的虛擬坐標(biāo)進(jìn)行中繼節(jié)點選取，可以防止貪婪模式路由失敗，達(dá)到有效旁路路由空洞的目的，進(jìn)而可以降低控制包開銷。理論分析和仿真結(jié)果均表明，提出的路由協(xié)議在數(shù)據(jù)包傳輸成功率、控制包開銷和能量消耗方面有顯著的優(yōu)勢。
　　(4)在BVR-VCM的基礎(chǔ)上，通過使用不同的空洞周邊區(qū)域劃分方法和映射算法，提出了兩種基于虛擬坐標(biāo)的路由協(xié)議BVR-VRC和R

7、-GVI。BVR-VRC路由協(xié)議通過不同的空洞周邊區(qū)域的劃分方法，使路由路徑的選擇過程得到簡化，降低了協(xié)議的復(fù)雜度。R-GVI路由協(xié)議則通過改變虛擬映射算法，使映射后的得到的邊緣虛擬坐標(biāo)更能反映實際路由空洞的邊緣結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)工作時間越長，發(fā)送單位數(shù)據(jù)包的平均能量消耗越小。
　　(5)在構(gòu)建邊緣虛擬坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立了圍繞路由空洞的多級虛擬坐標(biāo)系統(tǒng)。根據(jù)不同的性能目標(biāo)，提出了兩種基于虛擬坐標(biāo)的路由協(xié)議BMVC-E-n和B