一种健壮高效的无线传感器网络梯度路由协议

论文摘要

无线传感器网络是近年来兴起的一项新技术,其在军事国防、工农业控制、城市管理、环境监测、抢险救灾、远程控制等诸多领域都具有十分广阔的应用前景。所谓无线传感器网络就是由部署在监测区域内的大量的廉价微型传感器节点,通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。由于无线传感器网络面临通信能力有限、能源有限和网络动态性等方面的难题,所以设计合适的路由协议显得非常重要。传统的路由协议依赖节点维护的路由表进行数据传输,但是周期性的维护邻居节点信息增加了控制开销,浪费了节点能量并降低了网络带宽利用率。虽然针对无线自组织网络提出的按需式路由,即在需要时才建立路由的思想,相较于传统的主动式路由而言更为节约能量,但其仍然需要节点维护路由信息,然而,节点的故障、移动和无线链路的动态变化使得节点的状态维护变得极为困难。为了解决现有路由协议存在的这些问题,本文采用基于竞争的通信方式,消除了对邻居节点信息的依赖,并降低了控制开销。本文提出的与邻居节点状态无关的梯度路由协议在网络部署初期就在全网建立起一个称为耗费域的梯度。该耗费域以各节点传输数据到汇聚节点的最小能耗值为基础建立,使得数据可以沿着能耗较小的路径传输,其形状类似于一个漏斗,为各个节点提供了数据传输的方向。梯度构建起以后,数据传输模拟水流从山顶流向谷底的方式,由高度差引导水流从高处流向低处,最终汇聚到谷底。当遇到故障节点或是链路断开时,数据将自动通过新的中继点转发,如同水流自动绕过土坡或障碍物。其具体的实现方法是采用基于竞争的传输模式,即发送端不再指定某一特定节点为接收端,而是将自己的梯度即耗费值广播出去,梯度小于发送端的邻居节点均可竞争成为接收端。这种不依赖于某一特定邻居节点为下一跳的传输方式,隐性地维持了所有可用路径,因而显示出健壮性。同时,本文采用对数算法减轻了竞争带来的冲突可能性。此外,耗费域的维护经由数据传输本身即得以实现,避免了引入多余的控制开销。仿真实验表明,本文提出的路由算法有效的改善了网络能耗,延长了网络生命周期,并在网络拓扑不断变化的情况下仍然保有较高的包投递率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Chapter 1 Introduction
• 1.1 Energy-Efficient Approaches
• 1.2 Robust Mechanisms
• Chapter 2 Related Work
• 2.1 Routing Protocols
• 2.2 Topology Control Algorithms
• 2.3 MAC Protocols
• Chapter 3 Preliminaries
• 3.1 Channel Model
• 3.1.1 Large-Scale Path Loss
• 3.1.2 Small-Scale Fading
• 3.1.3 Calculation of Proper Transmission Power
• 3.1.4 Compensation for Small Variations
• 3.2 Energy Model
• Chapter 4 Gradient Establishment
• 4.1 Cost Field
• 4.2 Backoff-based Cost Field Establishment Algorithm
• 4.3 Practical Issues
• Chapter 5 Contention-Based Forwarding
• 5.1 Main Idea of Our Algorithm
• 5.2 Distributed Cost Field Management
• 5.2.1 Update of Cost Information
• 5.2.2 Forcible Forwarding
• 5.2.3 Cost Field Reconfiguration
• 5.3 Setting Dynamic Response Waiting Timer
• 5.4 Collision Avoidance
• 5.5 Hidden/Exposed Terminal Problem
• 5.6 Recovery from Routing Voids
• Chapter 6 Performance Evaluation
• 6.1 Simulaticn Methodology
• 6.2 Impact of Density Control
• 6.3 Impact of Node Density
• 6.4 Impact of Permanent Node Failures
• 6.5 Impact of Transient Node Failures
• Conclusion
• 致谢
• Reference
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目