【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)是物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要組成部分,它由大量具備環(huán)境感知、通信傳輸和數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點組成,實時采集覆蓋區(qū)域內(nèi)的物理環(huán)境信息,并通過無線多跳方式將數(shù)據(jù)傳輸至Sink節(jié)點。隨著WSNs的快速發(fā)展,其應(yīng)用呈現(xiàn)出規(guī)模效應(yīng)和多樣化的趨勢,使得WSNs與其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通成為了研究的熱點。IP協(xié)議架構(gòu)作為一種發(fā)展多年且十分成熟的網(wǎng)絡(luò),能較好地實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的交換和應(yīng)用的擴展。因此,將WSNs與IP網(wǎng)絡(luò)進行無縫融合是其發(fā)展的必然趨勢,即傳感節(jié)點IP化。6LoWPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks,6Lo WPAN)適配層技術(shù)作為融合IPv6網(wǎng)絡(luò)與WSNs的關(guān)鍵技術(shù),它憑借低速無線個域網(wǎng)協(xié)議IEEE 802.15.4的物理層和MAC層低功耗的特點和IPv6的128位地址位和無狀態(tài)地址配置機制的優(yōu)勢,成為實現(xiàn)WSNs與IPv6網(wǎng)絡(luò)點到點通信的理想解決方案。由于WSNs自身資源受限,傳統(tǒng)的路由協(xié)議因其復(fù)雜度高且計算量大而不能直接應(yīng)用于其中,因此,從全網(wǎng)角度高效利用節(jié)點能量是設(shè)計WSNs路由策略的首要原則。針對IPv6編址后的WSNs,如何建立能量高效且分布均衡的路由策略是本文研究的重點內(nèi)容。本文圍繞基于6LoWPAN協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化路由算法做了深入的研究,相關(guān)的研究工作涵蓋如下幾個方面:(1)通過查閱國、內(nèi)外相關(guān)文獻,總結(jié)WSNs的模型定義、網(wǎng)絡(luò)特點、關(guān)鍵技術(shù)以及其具體的應(yīng)用場景;通過對比分析WSNs的路由策略,指出節(jié)約并均衡節(jié)點的能量消耗、最大限度地延長網(wǎng)絡(luò)生命周期,是設(shè)計WSNs路由算法的總體目標(biāo)。(2)6Lo WPAN適配層技術(shù)主要完成IPv6協(xié)議與IEEE 802.15.4鏈路之間的適配兼容工作,使得傳感節(jié)點能以IPv6的方式統(tǒng)一接入互聯(lián)網(wǎng)并實現(xiàn)點到點的通信;分析6Lo WPAN適配層的地址配置、分片重組、報頭壓縮以及轉(zhuǎn)發(fā)路由等技術(shù),并借助Contiki物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)完成傳感器節(jié)點統(tǒng)一IPv6編址。(3)分析并總結(jié)常見的層次型分簇路由算法,以基于IPv6的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議—RPL(IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks,RPL)為基礎(chǔ),針對RPL路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載不均衡且容錯性差的缺點,改進并設(shè)計一種基于RPL的非均勻密度分簇路由策略R-HDCR(RPL-Heterogeneous Density Clustering Routing,R-HDCR),經(jīng)過仿真實驗,對R-HDCR策略下WSNs的各項性能指標(biāo)進行對比分析。(4)在教育網(wǎng)純IPv6的環(huán)境下,結(jié)合R-HDCR策略,并以此為基礎(chǔ)設(shè)計一種基于6Lo WPAN的智慧家庭應(yīng)用管理平臺,該平臺具體包括6LoWPAN傳感器節(jié)點、Linux嵌入式邊界路由網(wǎng)關(guān)以及上位機管理系統(tǒng),實現(xiàn)對家居環(huán)境的實時監(jiān)控,并對所研究的路由策略進行組網(wǎng)測試驗證。本文的主要貢獻和改進如下:針對RPL路由協(xié)議的不足,并在此基礎(chǔ)上改進并設(shè)計了一種基于RPL非均勻密度的分簇路由策略(R-HDCR),利用模糊數(shù)學(xué)中T-范數(shù)算子,綜合考慮節(jié)點剩余能量、距離因素以及鏈路質(zhì)量等度量,合理選擇簇頭;根據(jù)傳感器節(jié)點與Sink節(jié)點的距離,實現(xiàn)非均勻密度成簇,并根據(jù)最優(yōu)簇頭變化驅(qū)動機制實現(xiàn)簇頭輪換;簇間利用基于貪心算法的最小代價函數(shù)選擇中間節(jié)點,從而找出最優(yōu)路由路徑,最終平衡全網(wǎng)能耗并延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212.9;TN929.5
【圖文】：

術(shù)的巨大的潛在價值和廣闊的應(yīng)用前景[1]。WSNs 定義為由眾多多功能、低功耗、廉價的傳感器節(jié)點構(gòu)成且面向具體應(yīng)用場景的專屬網(wǎng)絡(luò)，它具體涉及傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、微電子制造技術(shù)以及無線通信傳輸技術(shù)，可以實時地采集監(jiān)控區(qū)域中感知對象的物理環(huán)境信息，并經(jīng)過處理后傳遞給觀察者[2]。WSNs 具備獲取信息精度高、部署靈活、擴展簡單方便以及價格低廉等優(yōu)勢，其在智能工業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、反恐抗災(zāi)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多方面有著較為豐富的應(yīng)用案例[3]。WSNs 與其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以及移動自組織網(wǎng)絡(luò)相比之下，在節(jié)點分布密度、不可靠性、能源供應(yīng)、計算和存儲能力等方面有著顯著的區(qū)別，這也給 WSNs 的部署和應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)與機遇[4]。1.1.1 WSNs 基本概念與特點物聯(lián)網(wǎng)的層次架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，各層各司其職，并且下層為上層提供多種服務(wù)，從而實現(xiàn)以數(shù)據(jù)驅(qū)動的業(yè)務(wù)模式，如圖 1.1 所示為物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)圖。

術(shù)的巨大的潛在價值和廣闊的應(yīng)用前景[1]。WSNs 定義為由眾多多功能、低功耗、廉價的傳感器節(jié)點構(gòu)成且面向具體應(yīng)用場景的專屬網(wǎng)絡(luò)，它具體涉及傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、微電子制造技術(shù)以及無線通信傳輸技術(shù)，可以實時地采集監(jiān)控區(qū)域中感知對象的物理環(huán)境信息，并經(jīng)過處理后傳遞給觀察者[2]。WSNs 具備獲取信息精度高、部署靈活、擴展簡單方便以及價格低廉等優(yōu)勢，其在智能工業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、反恐抗災(zāi)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多方面有著較為豐富的應(yīng)用案例[3]。WSNs 與其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以及移動自組織網(wǎng)絡(luò)相比之下，在節(jié)點分布密度、不可靠性、能源供應(yīng)、計算和存儲能力等方面有著顯著的區(qū)別，這也給 WSNs 的部署和應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)與機遇[4]。1.1.1 WSNs 基本概念與特點物聯(lián)網(wǎng)的層次架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，各層各司其職，并且下層為上層提供多種服務(wù)，從而實現(xiàn)以數(shù)據(jù)驅(qū)動的業(yè)務(wù)模式，如圖 1.1 所示為物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)圖。

基于 IPv6 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由策略研究各種物理傳感器節(jié)點實現(xiàn)對物理信息的感知、傳輸以及和互聯(lián)網(wǎng)等傳統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對感知信息端對端的穩(wěn)體的應(yīng)用場景來綜合利用數(shù)據(jù)，并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用[5],[6]。聯(lián)網(wǎng)感知層中至關(guān)重要的部分，通常由普通傳感器節(jié)點路組成，傳感節(jié)點隨機分布在檢測區(qū)域，周期性地收集過無線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸至 Sink 節(jié)點[7]。如圖 1.2 WSNs 具有如下特點[8]：器節(jié)點資源嚴(yán)重受限。傳感器節(jié)點體積小，其電池能量經(jīng)濟或不現(xiàn)實。同時，WSNs 中節(jié)點部署密度高且數(shù)量節(jié)點的成本低廉。圖 1.3 為傳感器節(jié)點硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

【參考文獻】

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本文編號：2799788