基于能耗控制的无线自组织网络技术研究

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无线自组织网络(Ad Hoc Networks)是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个无中心、自组织、采用多跳路由机制的特殊无线移动通信网络。由于具有无需架设网络基础设施、抗毁性强、可快速部署等特点,无线自组织网络在国防军事、紧急救灾、偏远野外等场合具有广阔的应用前景。特别是物联网产业的出现,大大推进了无线自组织网络技术的发展。然而,节点能量有限、网络拓扑动态性强、数据处理能力有限、安全性差等缺点给无线自组织网络方面的研究带来了巨大的挑战。本文围绕网络能耗控制这一目的,对Ad Hoc网络的路由协议、数据查询算法和数据汇聚算法3个方面的内容进行了研究。主要研究内容如下:(1)在路由协议研究方面,提出了一种可以精确衡量Ad hoc网络能耗的字节级能耗评价方法Bec和一种可以有效降低网络能耗的路由协议SFR。Bec是一种层次型能耗评价方法,它依赖于网络仿真器NS-2,通过将网络在进行报文数据传输过程中业务层、路由层和MAC层的能耗分层计算的方式,可以精确的衡量路由协议的能耗控制性能;SFR路由协议基于节点连接度信息,通过优选转发机制和路由捷径查找机制,可以减少网络中传播的路由请求消息数目,节省网络的能量。仿真证明,SFR协议可以在保证高路由效率的前提下降低30.2%的网络总体能耗,并减少56.1%的网络冗余消息。(2)在数据查询算法研究方面,提出了一种基于双过滤机制的数据查询算法BFF和一种基于节点兴趣向量的资源查询算法IVDQP。为解决WSN在数据查询过程中使用洪泛算法会造成网络中存在过多冗余消息的问题,BFF算法引入了一个逻辑顶部过滤器和一个逻辑底部过滤器,只有节点连接度满足双过滤优选转发条件时才进行查询请求的转发操作,仿真证明,BFF算法可以在保证100%查询覆盖率的同时减少网络中64.29%的冗余消息;针对Ad hoc网络中节点资源兴趣特性明显的特点,提出了一种基于兴趣向量的分布式查询处理方法IVDQP,IVDQP算法引入了节点兴趣向量和查询兴趣向量的概念,使得分布式查询处理在网络中以兴趣为指向,以单播消息传递的方式进行。IVDQP算法不仅能够迅速定位尽可能多的符合查询要求的资源数据,而且能够保证使用尽可能少的节点间消息交换操作,从而可以节省网络的能量,延长网络的生存期。(3)在数据汇聚算法方面,提出了一种可以根据查询请求的不同而自适应的生成不同汇聚树的数据汇聚算法Adapting-Tree和一种应用于簇型WSN的层次型数据汇聚算法AWTDSD。Adapting-Tree算法分为两个阶段实现,第一阶段根据查询请求和节点的资源情况对节点进行添加树标签操作,第二阶段根据节点的树标签信息对网络中的节点执行父节点调整操作以生成一棵近似最佳汇聚路径的汇聚树;AWTDSD算法通过时间维度数据汇聚、自适应加权融合和空间维度数据压缩3个阶段的操作,对监测结果数据进行汇聚融合操作,与不使用数据汇聚算法的网络相比,AWTDSD在提高监测精度的同时可以减少网络中49.74%的能耗。
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