WSN中基于Geocast的能量感知路由硕士学位论文1.docx
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1、太原理工大学硕士研究生学位论文硕 士 学 位 论 文题 目 WSN中基于位置辅助多播的能量感知路由英文并列题目 Energy-aware routing based on geocast in wsn WSN中基于位置辅助多播的能量感知路由摘 要在第三次信息革命中,物联网扮演着重要的地位。它的产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节,每个环节的关键技术有RFID、传感器、智能芯片和无线传感网络。本文针对无线传感网中的路由算法进行了研究,改进了DD算法,提出了一种基于位置辅助多播的能量感知路由。论文中介绍了基于位置辅助多播的能量感知路由的四个元素:能量兴趣、数据信息、能量梯度和路径加固
2、。能量兴趣信息是一个查询,它包含两方面的信息:一个是用户需要什么,另一个是附近节点的能量值;数据信息描述了一个传感器事件,它由属性和值两个元组组成;能量梯度是一个转发状态,它根据邻居节点的能量标示了数据的转发方向;路径加固是确认最后转播数据所使用的路径的过程。与传统的定向WSN算法不同的是,兴趣信息带着源节点的能量信息。因此,当中介节点接受到兴趣,他们存储这些信息到缓存中为路径探索做好准备。在路径探索阶段,每个中间节点根据区域概率决定了是否转发探索数据,在网络中不出现死区的前提下,尽可能多的做到网络负载均衡,从而减少网络能耗。作者在开源的contiki嵌入式系统上实现了基于位置辅助多播的能量感
3、知路由,通过模拟平台cooja的辅助,对网络的生命周期进行评估。实验使了1200个micaZ节点组成无线网络,分别对定向扩散路由算法、最小开销转发路由算法、LEACH路由算法和基于位置辅助多播的能量感知路由算法进行了评估。最后,表明在能耗的效率方面和网络的稳定方面,基于位置辅助多播的能量感知路由都是非常出色的。关键词:物联网,WSN,定向扩散,contiki,cooja,micaZIIIENERGY-AWARE ROUTING BASED ON GEOCAST IN WSNABSTRACTIn the third information revolution, networking plays
4、 an important role. Its industrial chain covers identity, perception, processing and transmission of information, whoes key technology consist of RFID, sensors, smart chips and wireless sensor networks. In this paper, the wireless sensor network routing algorithm is studied, energy-aware routing bas
5、ed on geocast in wsn is proposed.The paper introduces the four elements of energy-aware routing based on geocast: interests of energy; data; gradient of energy and path reinforcement. Interests of energy is a query that contains two part of information: one is what you need, and the other is the val
6、ue energy; data describes a sensor event, which is a tuple of attributes and values; energy gradient a forwarding state, which indicated by the forwarding direction of data according to the energy of the neighbor node; reinforcement is the path of the last verification process used by the data broad
7、cast.Distinct from conventional router algorithm, the information of interest contain with the energy of source node. Therefore, when the intermediate node receives interest, they store the information in the cache, which is ready for the route search. In the route searching phase, each intermediate
8、 node determines whether to forward data based probability of the area. When there are no dead zones distinct from the network, make network load balancing as much as possible . By this way, we can reduce energy consumption.On the open source embedded systems - contiki, we implementation algorithm o
9、f energy-aware routing based on geocast , and with the auxiliary of simulation platform to make an evaluation of the network life cycle assessment. The wireless network of experiment consistent of 1200 micaZ nodes, which be respectively configured by directed diffusion algorithm, the Two-Tier Data D
10、issemination (TTDD), LEACH routing algorithm and Geographic Adaptive Fidelity (GAF). Finally, the experiment show that stability and energy efficiency and in the network of energy-aware routing based on geocast is excellent.KEY WORDS: Internet of Things, WSN, directed diffusion algorithm, contiki,co
11、oja,micaXI目 录第一章 绪 论11.1 课题背景及意义11.2 本文研究内容及创新点1第二章 无线传感网的架构12.1 物联网12.2.1 物联网的发展背景12.2.2 物联网的本质和基本特征12.2.3 物联网的应用举例12.3无线传感操作系统12.3.1无线传感操作系统的介绍12.3.2无线传感操作系统的模型12.3.3 常见的无线传感操作系统12.4无线传感网络架构12.4.1无线通信的必备条件12.4.2无线网络节点的设计12.4.3无线网络架构的优势1第三章 路由算法设计13.1设计路由的挑战13.2典型的路由介绍与分析13.2.1扁平路由协议13.2.2分层的路由协议13
12、.2.3基于位置的路由协议13.3 基于位置辅助多播的能量感知路由13.3.1算法过程13.3.2算法调优1第四章 ContikiOS下的算法实现14.1 ContikiOS的特点14.2 Contiki开发环境搭建14.3路由的实现14.3.1 能量兴趣的数据结构14.3.2 兴趣泛洪事件14.3.2 路径探索事件发送14.3.2 路径加强1第五章 应用Cooja模拟器仿真15.1 Cooja设计模式15.2 Cooja TimeLine15.3 Cooja 提供的接口15.4 Cooja 仿真过程15.4.1 给网络添加节点15.4.2 开始模拟15.5 Cooja 仿真数据分析1第六章
13、总结与展望16.1总结16.2展望1参考文献1致 谢.1攻读研究生期间取得的成果1第一章 绪 论1.1 课题背景及意义物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体,让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它将引领“第三次信息产业浪潮”,它不是对现有技术的颠覆性革命,而是通过对现有技术的综合运用,从而实现全新的商业模式。智能感知、云计算和大数据是其关键技术。目前,我国物联网在安防、电力、交通、物流、医疗、环保等领域已经得到应用,且应用模式正日趋成熟1 2。物联网技术已经成熟,在我们的生活中所扮演的角色越来越重要作用,也带来了很多便利。事实上,廉价的传感器技术、无线通信的快速的进步
14、,在成本和效益上,为大规模无线传感器网络的设计和开发提供了前提条件。并且带来了广泛的应用,包括民用、自然、工业和军事上的应用,还有健康和环境监测、地震监测、工业过程自动化和战场监视。物联网的交互应用,将会有不可估计的经济价值和市场潜力。随着传感技术、通信技术、嵌入式技术的发展、无线传感网的研究迅速成为热点。无线传感网络的简单部署、低功耗和自组织等能力,使得它成为一项有效收集数据的技术并运用于一些特定的条件下,比如:远程地理信息系统、有毒气体监控和森林火灾监测等 。与传统网络相比较,无线传感网的主要优点是:节点的数量多、监控范围广、网络自动配置、自动识别节点、具有很强的协作性。然而,随着传感器范
15、围额扩大和传感任务的动态变化,无线传感网的性能更依赖于路由算法。许多新的路由算法被提出来。这些算法不仅考虑了WSN自身的特性,而且适应了特定的应用环境和架构需求。由于能量的限制和节点状态的突然改变,WSN中路由的发现和维护是不容易的。一些典型的路由策略被提出来,比如数据聚合,网内处理,簇,数据为中心的方法。纷繁复杂的路由协议能被分成扁平路由协议、分层路由协议、和基于位置的路由协议,也可以分成多路径路由协议、基于查询的路由协议、基于Qos的路由协议。在扁平路由网络中,所有的节点扮演着相同的角色,而在分层路由网络中,节点被分成簇,根据簇首做一些聚合,可以减少网络中的数据以节省能量。基于位置的协议利
16、用节点的位置信息去传播数据。本论文中我们将讨论这些技术,我们的目的是为以后更加深入的研究做一个抛砖引玉的作用3 4。虽然WSN的路由算法不计其数,可是它自身的几个限制,比如:有限的电量,有限的计算能力,和有限的带宽。WSN路由的一个主要设计目标是,在尽可能的延长网络生命周期的情况下,传播信息。路由的设计要考虑到以下这些因素:节点发布、能量损耗、数据通告模型和故障容忍等。本文结合了能量感知路由算法和位置辅助算法的特点,提出了自己的设计思路。1.2 本文研究内容及创新点本文提出了基于位置辅助多播的能量感知路由。在定向泛洪路由的基础上,以不出现死区的前提下,减少了节点给邻居广播信息的数量。同时,加入
17、了能量感知的技术,平衡了节点的生命周期长度。并在开源的Contiki嵌入式系统上实现了这一算法,通过模拟平台Cooja的辅助,测试了网络中数据的延迟情况,计算了网络死区的出现概率,对网络的生命周期进行评估。将为新一代的WSN技术革新画上举足轻重的一笔。文中各章节具体安排如下:(1)阐述物联网背景下无线传感网的背景及意义,并指出应用价值和市场前景。(2)描述了几种典型的物联网技术的应用,介绍了在无线领域嵌入式系统的发展状况,分析了常见的嵌入式系统,指出了这一领域的挑战。(3)详细介绍基于位置辅助多播的能量感知路由,阐述其兴趣泛洪阶段、能量梯度的建立阶段、路径探索阶段和路径重建的具体细节,同时介绍
18、算法中区域概率的计算和本地区域的划定(4)详细介绍Contiki实现基于位置辅助多播的能量感知路由的过程,安装Contiki系统到Linux下,编译Contiki程序,对其进行硬件节点的仿真配置。(5)描述了如何利用第四章中Contiki实现的算法,搭载到Cooja平台上,模拟网络环境。展示了如何通过编程获取节点的各种参数。(6)总结本文的研究工作,同时指出今后研究的目标和方向。2第二章 无线传感网的架构2.1 物联网物联网( IOT)中,一个场景、物体、动物或人都被提供了唯一的标识符,具有自动传输数据能力的人与物体可以交互。物联网从无线技术,微机电系统(MEMS )和因特网的会聚演变而来。物
19、联网,可以是一个人与一个植入他体内的心脏监视器,农场动物应用的生物芯片转发器,汽车中安装的用于提醒驾驶员的内置传感器,或任何其他自然界的可以分配IP地址设置并且具有通过网络传输数据的能力的人造物体。到目前为止,物联网由于其机器对机器(M2M)通信的能力,已经在制造业,电力,石油和天然气等公用事业大规模的应用。麻省理工学院的执行董事凯文阿什顿,首先在介绍宝洁公司的时候提到物联网。以下是阿什顿如何解释物联网的潜力:“人有有限的时间,精力和准确性,所有这一切意味着他们不是很善于捕捉现实世界中的数据。如果我们有计算机知道一切事情,并且使用它们收集的数据帮助我们做那些没有预测到的事情,那么我们将能够跟踪
20、和计数的一切物体,大大减少浪费,损失和成本。”物联网可以让我们在信息与通信技术领域里获得一个新的沟通维度,如图2-1所示6 7。图2-1 物联网中的连接维度Fig.2-1 Connecting dimensions in the Internet of things2.2.1 物联网的发展背景2003年,传感器网络技术被美国技术评论列为未来改变人们生活方式的十大技术之首。2005年11月,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电信联盟(ITU)在ITU互联网报告2005:物联网,,报告指出:无所不在的“物联网”通信时代即将来临,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因
21、特网主动进行交换。 2008年,为了促进科技发展,寻找经济新的增长点,各国政府开始重视下一代的技术规划,将目光放在了物联网上8 9。2009年1月28日,奥巴马就任美国总统后,与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”,作为仅有的两名代表之一,IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念,建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。当年,美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点10。2010年10月,国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定将物联网技术纳入发展规划。2011年3月,物联网技术被列入了国家十二五重点专项规划。2012年2月,工信部颁布中国的第一个物联网五年规划物联网“十二五”发
22、展规划。同时,大学生创建中国物联网技术高校联盟(现更名为“中国物联网校企联盟”),以此促进中国物联网技术的学习与发展。2013年物联网产业规模将达8000亿元,2020年中国物联网规模将超过5万亿。 2014物联网发展重点敲定 产业专项投资将超百亿, 据要求,今年在物联网发展方面的重点包括:着力突破核心芯片、智能传感器等一批核心关键技术;着力在多个领域开展物联网应用示范和规模化应用;统筹物联网产业链协调健康发展11。 2.2.2 物联网的本质和基本特征从物联网本质上看,物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用。将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用,使
23、人与物能智慧对话,创造一个智慧的世界。因为物联网技术的发展几乎涉及到了信息技术的方方面面,是一种聚合行、系统性的创新应用与发展,才被称为是信息技术的第三次革命性创新。物联网的本质概括起来,我们认为主要体现在三个方面:一是互联网特征,即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络;二是识别与通信特征:即纳入联网的“物”一定要具备自动识别与物物通信(M2M)的功能;三是智能化特征:即网络系统应该具有自动化、自我反馈与智能控制的特点12 13。物联网有四个关键性的应用技术:RFID(RadioFrequencyIdentification),传感器,智能嵌入技术以及纳米技术。射频识别(RFID)技
24、术是物联网中非常重要的一项技术,是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术,也是目前比较先进的一种非接触识别技术。以简单RFID系统为基础,结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等,构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的,比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势14 15。物联网产业在我国处于刚刚起步的阶段,RFID技术与应用已有5、6年的时间了。而RFID正是能够让物品“开口说话”的一种技术。在“物联网”的构想中,RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息,通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统,实现物品(商品)的识别,进而通过开放性的计算机网络
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