论文部分内容阅读
随着物联网的不断发展和应用，担负对物理世界的数据进行采集和传输任务的无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）变得越来越重要。由于WSN节点有限的能量对WSN的寿命具有至关重要的影响，如何提高能量利用率、延长网络寿命是该研究领域的热点问题。数据的无线传输是传感器节点最大的能量消耗源，因此高能效的路由对延长节点乃至WSN的工作时间极为重要。IEEE802.15.5低速率Mesh标准为WSN提供了Mesh联网方案，并提出了基于Mesh拓扑的路由算法，简称“Mesh路由”。Mesh路由克服了基于树的路由可能因某个树枝节点失效而导致的路由失效这一缺陷，提高了数据传递的可靠性，已广泛应用于WSN。然而，Mesh拓扑的复杂性和Mesh路由的灵活性为WSN的高能效路由设计带来了新的挑战和机遇。
本文主要研究无线传感器Mesh网络（WirelessSensorMeshNetwork，WSMN）的高能效路由，侧重于网络拓扑优化、节点能耗降低、流量负载均衡等角度对WSMN的收集树构建、收集树地址分配策略、局部链路信息传播机制、休眠/唤醒模式下的异步通信机制、基于Mesh路由的流量负载均衡等问题进行研究，主要工作和创新如下：
1．针对IEEE802.15.5生成的收集树流量负载均衡性差的问题，提出了流量负载均衡收集树的分布式构建算法。IEEE802.15.5的Mesh路由是一种收集树导向的路由，收集树的优劣对Mesh路由性能具有非常重要的影响。提出了新的候选父节点评价指标和节点关联优先级评价指标，并在此基础上设计了基于两步关联决策的分布式收集树构建算法。实验结果表明，与现有算法相比，本文提出的算法能够构建流量负载更为均衡的收集树，从而延长WSMN的寿命。
2．针对IEEE802.15.5的地址分配策略地址存储开销大、Mesh路由优化能力弱的问题，提出了基于两段地址层次分配策略的Mesh路由算法。首先提出了名为TF-HiLow的两段地址层次分配策略，并对TF-HiLow的地址利用率进行了分析。然后对TF-HiLow的Mesh路由优化特性进行了讨论，提出了基于TF-HiLow收集树和局部链路信息的Mesh路由算法。数值计算结果显示，TF-HiLow比HiLow具有更大的地址利用率和收集树最大深度，能够适用于更大规模的WSN。实验结果表明，与IEEE802.15.5基本Mesh路由相比，基于TF-HiLow的Mesh路由具有更小的存储开销以及更小更均衡的网络能耗。
3．针对IEEE802.15.5在树中不同分支节点建立快捷路由的能力较弱的问题，提出了基于链路信息同层传播的高能效Mesh路由算法。首先提出了链路信息同层传播机制，它把节点信息传播给其2跳通信范围内的节点和具有相同树层的节点，不仅使得节点之间有多条链路，而且在树中不同分支的同层节点之间建立了快捷路由。然后提出了基于链路信息同层传播的Mesh路由算法MRIL（MeshRouingwithIdenticalLevel）。实验结果表明，与IEEE802.15.5基本Mesh路由相比，MRIL不仅能够有效降低和均衡网络能耗，延长网络寿命，而且能够减小节点的存储开销。
4．针对IEEE802.15.5的异步节能机制ASES（ASynchronousEnergySaving）因空闲侦听导致能量浪费的问题，提出了一种高能效的异步节能机制Semi-SES（Semi-SynchronousEnergySaving）。Semi-SES对IEEE802.15.5的局部链路信息传播机制提出了改进，使得节点能够获得邻居节点的休眠/唤醒调度信息。对ASES的单播机制和广播机制进行了改进，利用邻居节点的休眠/唤醒调度信息来减少单播和广播过程中相关节点的空闲侦听时间。此外，针对传感器节点存在时钟漂移的问题，以最小化节点总的数据发送能耗为目标对发送节点需要比接收节点提早醒来的时间进行了优化。实验结果表明，与ASES相比，Semi-SES以低于30%的存储代价获得了80%以上的节能收益。
5．针对WSN中因流量负载不均衡导致影响寿命的问题，提出了基于Mesh路由优化的网络寿命最大化方法。首先提出了收集树导向的锚节点选择与Mesh路由策略，然后把基于Mesh路由优化的网络寿命最大化问题建模为线性规划问题，求解出每个节点最优的数据转发方案，从而实现流量负载均衡，提高网络寿命。实验结果表明，收集树导向Mesh路由优化策略能够显著提高WSN的寿命。
本文主要研究无线传感器Mesh网络（WirelessSensorMeshNetwork，WSMN）的高能效路由，侧重于网络拓扑优化、节点能耗降低、流量负载均衡等角度对WSMN的收集树构建、收集树地址分配策略、局部链路信息传播机制、休眠/唤醒模式下的异步通信机制、基于Mesh路由的流量负载均衡等问题进行研究，主要工作和创新如下：
1．针对IEEE802.15.5生成的收集树流量负载均衡性差的问题，提出了流量负载均衡收集树的分布式构建算法。IEEE802.15.5的Mesh路由是一种收集树导向的路由，收集树的优劣对Mesh路由性能具有非常重要的影响。提出了新的候选父节点评价指标和节点关联优先级评价指标，并在此基础上设计了基于两步关联决策的分布式收集树构建算法。实验结果表明，与现有算法相比，本文提出的算法能够构建流量负载更为均衡的收集树，从而延长WSMN的寿命。
2．针对IEEE802.15.5的地址分配策略地址存储开销大、Mesh路由优化能力弱的问题，提出了基于两段地址层次分配策略的Mesh路由算法。首先提出了名为TF-HiLow的两段地址层次分配策略，并对TF-HiLow的地址利用率进行了分析。然后对TF-HiLow的Mesh路由优化特性进行了讨论，提出了基于TF-HiLow收集树和局部链路信息的Mesh路由算法。数值计算结果显示，TF-HiLow比HiLow具有更大的地址利用率和收集树最大深度，能够适用于更大规模的WSN。实验结果表明，与IEEE802.15.5基本Mesh路由相比，基于TF-HiLow的Mesh路由具有更小的存储开销以及更小更均衡的网络能耗。
3．针对IEEE802.15.5在树中不同分支节点建立快捷路由的能力较弱的问题，提出了基于链路信息同层传播的高能效Mesh路由算法。首先提出了链路信息同层传播机制，它把节点信息传播给其2跳通信范围内的节点和具有相同树层的节点，不仅使得节点之间有多条链路，而且在树中不同分支的同层节点之间建立了快捷路由。然后提出了基于链路信息同层传播的Mesh路由算法MRIL（MeshRouingwithIdenticalLevel）。实验结果表明，与IEEE802.15.5基本Mesh路由相比，MRIL不仅能够有效降低和均衡网络能耗，延长网络寿命，而且能够减小节点的存储开销。
4．针对IEEE802.15.5的异步节能机制ASES（ASynchronousEnergySaving）因空闲侦听导致能量浪费的问题，提出了一种高能效的异步节能机制Semi-SES（Semi-SynchronousEnergySaving）。Semi-SES对IEEE802.15.5的局部链路信息传播机制提出了改进，使得节点能够获得邻居节点的休眠/唤醒调度信息。对ASES的单播机制和广播机制进行了改进，利用邻居节点的休眠/唤醒调度信息来减少单播和广播过程中相关节点的空闲侦听时间。此外，针对传感器节点存在时钟漂移的问题，以最小化节点总的数据发送能耗为目标对发送节点需要比接收节点提早醒来的时间进行了优化。实验结果表明，与ASES相比，Semi-SES以低于30%的存储代价获得了80%以上的节能收益。
5．针对WSN中因流量负载不均衡导致影响寿命的问题，提出了基于Mesh路由优化的网络寿命最大化方法。首先提出了收集树导向的锚节点选择与Mesh路由策略，然后把基于Mesh路由优化的网络寿命最大化问题建模为线性规划问题，求解出每个节点最优的数据转发方案，从而实现流量负载均衡，提高网络寿命。实验结果表明，收集树导向Mesh路由优化策略能够显著提高WSN的寿命。