無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于檢測(cè)和收集可到達(dá)和難以到達(dá)地區(qū)的數(shù)據(jù)。通常情況下,其每個(gè)組成節(jié)點(diǎn)從周圍環(huán)境感測(cè)數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到基站。傳感器網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展導(dǎo)致了功能性的增加和實(shí)施成本的降低。但是,傳感器網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可用能量有限的缺點(diǎn),并且由于涉及的成本和(或)地理原因,更換或重新充電節(jié)點(diǎn)電池通常是不可行的。除了能量之外,還存在諸如受限的內(nèi)存和處理能力、短距離通信、可擴(kuò)展性以及在惡劣環(huán)境中部署等挑戰(zhàn)。節(jié)點(diǎn)處理與無線傳輸是消耗能量的主要原因。協(xié)議棧的不同層都或多或少地對(duì)能耗的消耗有所貢獻(xiàn)。例如,減少消息和控制信令的數(shù)量既可以節(jié)省處理器的能耗,又能夠節(jié)省發(fā)射和接收的能耗。研究人員提出了大量的節(jié)能路由協(xié)議,但是這些協(xié)議不能限制在每輪數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始被用來發(fā)現(xiàn)鄰居,尋找節(jié)能和最短路由以及維護(hù)穩(wěn)定性的控制信息數(shù)量,而這最終會(huì)減小網(wǎng)絡(luò)生存周期。優(yōu)化這些網(wǎng)絡(luò)控制信令能夠提高網(wǎng)絡(luò)壽命和吞吐量。為了解決上述挑戰(zhàn),我們的研究將傳感器網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)域路由(ZBR)作為目標(biāo)。在一般的多跳路由中,離基站更近的最大能級(jí)節(jié)點(diǎn)被選作路由節(jié)點(diǎn)。和這相反的是,區(qū)域路由大都使用多跳動(dòng)態(tài)泛洪協(xié)議,這些協(xié)議并不是節(jié)能的方法。當(dāng)前已有一些研究區(qū)域路由的文獻(xiàn)對(duì)路由路徑中每一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)選擇,而不考慮節(jié)點(diǎn)能量和位置,但是這對(duì)低功率傳感器網(wǎng)絡(luò)來說并不是一種節(jié)能和最優(yōu)路由機(jī)制。此外在區(qū)域路由中,也會(huì)產(chǎn)生多余的/不需要的數(shù)據(jù)流量,這些流量會(huì)被基站接收,這極大地影響著網(wǎng)絡(luò)的總體性能。從網(wǎng)絡(luò)中移除這些不需要的數(shù)據(jù)流能夠在網(wǎng)絡(luò)壽命和吞吐量方面提高網(wǎng)絡(luò)性能。本研究的主要目的是為低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)一種新型路由策略,該方案應(yīng)該是輕量級(jí)、高能效且完全無狀態(tài)的,并且該基于位置的路由不需要節(jié)點(diǎn)知道它們各自的位置,同時(shí)在路由過程中只產(chǎn)生微不足道的控制信息。此外,它確保在基站處只接收每個(gè)消息的唯一副本,并消除來自網(wǎng)絡(luò)的不必要數(shù)據(jù)流量的可能性。為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),本文對(duì)此展開研究。論文主要貢獻(xiàn)總結(jié)如下:1.提出了一種環(huán)域路由算法(RARZ),該算法基于節(jié)點(diǎn)的剩余能量進(jìn)行路由決策,并執(zhí)行基于位置的路由,而不需要節(jié)點(diǎn)知道它們各自的位置,從而在路由過程中不含任何控制開銷。該算法將網(wǎng)絡(luò)劃分為基站周圍的同心環(huán)或同心區(qū)域,每個(gè)節(jié)點(diǎn)將自己分配給ringID或zoneID已知的特定區(qū)域,執(zhí)行多跳路由,并由內(nèi)環(huán)中的節(jié)點(diǎn)承載外環(huán)向基站的數(shù)據(jù)。路由決策是即時(shí)決定的,無需任何鄰居節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞南闰?yàn)信息。2.在區(qū)域路由中相同分組的多個(gè)副本會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸,為此本文提出了一種用于處理冗余數(shù)據(jù)的節(jié)能技術(shù)(EEHRT)的新型協(xié)議,通過在區(qū)域路由中引入短信標(biāo)信息來控制冗余數(shù)據(jù),并使用無線廣播優(yōu)勢(shì)(WBA)確認(rèn)源節(jié)點(diǎn),而不向發(fā)送端發(fā)送任何特定確認(rèn)包來減少控制業(yè)務(wù)的數(shù)量,從而大大延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。3.由于網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量較少,分層路由被認(rèn)為是傳感器網(wǎng)絡(luò)中最節(jié)能的且最能擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)生命周期的技術(shù)。另一方面,區(qū)域路由具有較少的路由控制開銷,從而可以延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期。為了證明這兩種主要路由技術(shù)的有效性,我們已經(jīng)進(jìn)行了基于區(qū)域路由和基于靜態(tài)分簇的分層路由的仿真對(duì)比。仿真結(jié)果表明,基于區(qū)域路由在能量效率、網(wǎng)絡(luò)生命周期和吞吐量方面,優(yōu)于基于靜態(tài)分簇的分層路由。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212.9;TN929.5
【文章目錄】：
摘要
Abstract
Chapter 1 Introduction
    1.1 Introduction
    1.2 Applications of Sensor Networks
        1.2.1 Military Applications
        1.2.2 Health Monitoring Application
        1.2.3 Buildings and Construction's Structure Monitoring
        1.2.4 Disaster Monitoring
        1.2.5 Agriculture Application
        1.2.6 Bio-habitat Monitoring
        1.2.7 Environment Monitoring
    1.3 Sensor Network Protocol Stack
    1.4 Routing Challenges in Sensor Networks
        1.4.1 Energy
        1.4.2 Data Reporting Model
        1.4.3 Node Heterogeneity
        1.4.4 Fault Tolerance
        1.4.5 Scalability
        1.4.6 Network Dynamicity
        1.4.7 Transmission Media
        1.4.8 Node Density and Connectivity
        1.4.9 Coverage
        1.4.10 Aggregating Data
        1.4.11 QoS （Quality of Service）
    1.5 Design Consideration of a Good Routing Protocol
        1.5.1 Infrastructure less operation
        1.5.2 Network Lifetime
        1.5.3 Latency
        1.5.4 Quality of Service （QoS）
        1.5.5 Shortest Routing Path
    1.6 Routing Protocols in Sensor Networks
        1.6.1 Direct Communication Protocols
        1.6.2 Flat/Multihop Routing Protocols
        1.6.3 Hierarchical Routing Protocols
            1.6.3.1 Centralized Approaches
            1.6.3.2 Distributed Approaches
        1.6.4 Location/Position based Routing Protocols
        1.6.5 Quality of Service （QoS） based Protocols
        1.6.6 Neuro Fuzzy Protocols
        1.6.7 Cross Layer Protocols
        1.6.8 Zone based Protocols
        1.6.9 Hybrid Approaches
    1.7 Motivation
    1.8 Research Objective
    1.9 Innovation and Research Contributions
    1.10 Organization of the dissertation
    1.11 Chapter Summary
Chapter 2 A New Energy Efficient Zone Based Routing Protocol for Wireless SensorNetworks
    2.1 Chapter Introduction
    2.2 Related Work
    2.3 RARZ Protocol
        2.3.1 Network Model
        2.3.2 RARZ Protocol Working Phases
            2.3.2.1 Network Configuration Phase
            2.3.2.2 Data Communication Phase
            2.3.2.3 Next Hop Node Selection
            2.3.2.4 Message Formats used in RARZ
    2.4 Simulation and Results
        2.4.1 Energy Model
        2.4.2 Simulation Setup
            2.4.3.1 Average energy consumption
            2.4.3.2 Average delay （latency）
            2.4.3.3 Average hop count
            2.4.3.4 Throughput
            2.4.3.5 Network lifetime
    2.5 Chapter Summary
Chapter 3 Energy Efficient Technique for Handling Redundant Traffic （EEHRT） in Zonebased Routing for WSNs
    3.1 Chapter Introduction
    3.2 Related Work
        3.2.1 A brief overview of RARZ Routing
    3.3 Problem Rationale
    3.4 Energy Efficient Technique for Handling Redundant Traffic （EEHRT） in Zone basedRouting
        3.4.1 Network Model
        3.4.2 Message Types
        3.4.3 EEHRT Algorithmic Description
        3.4.4 How EEHRT works?
        3.4.5 EEHRT Stepwise Routing Process Illustration
    3.5 Simulation and Result Discussion
        3.5.1 Energy Model
        3.5.2 Simulation Setup and Result Discussion
    3.6 Chapter Summary
Chapter 4 Performance Evaluation of Zone based Routing with Hierarchical Routing inWireless Sensor Networks
    4.1 Chapter Introduction
    4.2 Related Work
    4.3 Zone based Routing vs Hierarchical Routing
        4.3.1 RARZ Routing
            4.3.1.1 Network Setup Phase
            4.3.1.2 Data Communication and Relaying Node Selection Phase
    4.4 Energy Efficient Protocol using Static Clustering （EEPSC）
        4.4.1 Network Configuration Phase
        4.4.2 Data Communication Phase
        4.4.3 Energy Dissipation Model
    4.5 Simulation and Result Discussion
    4.6 Chapter Summary
Chapter 5 Conclusions and Future Research
    5.1 Summary of Contributions
    5.2 Future Research
References
List of Publications
Acknowledgement

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本文編號(hào)：2860066