【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(diǎn)組成,實(shí)時(shí)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(diǎn)。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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的交換和應(yīng)用的擴(kuò)展。因此,將WSNs與IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫融合是其發(fā)展的必然趨勢,即傳感節(jié)點(diǎn)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(gè)域網(wǎng)協(xié)議IEEE 802.15.4的物理層和MAC層低功耗的特點(diǎn)和IPv6的128位地址位和無狀態(tài)地址配置機(jī)制的優(yōu)勢,成為實(shí)現(xiàn)WSNs與IPv6網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)到點(diǎn)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(jì)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(diǎn)能量是設(shè)計(jì)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(diǎn)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(gè)方面:(1)通過查閱國、內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),總結(jié)WSNs的模型定義、網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)、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(diǎn)的能量消耗、最大限度地延長網(wǎng)絡(luò)生命周期,是設(shè)計(jì)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(diǎn)能以IPv6的方式統(tǒng)一接入互聯(lián)網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的通信;分析6Lo WPAN適配層的地址配置、分片重組、報(bào)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(diǎn)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(cuò)性差的缺點(diǎn),改進(jìn)并設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn),對R-HDCR策略下WSNs的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)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(jì)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(diǎn)、Linux嵌入式邊界路由網(wǎng)關(guān)以及上位機(jī)管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控,并對所研究的路由策略進(jìn)行組網(wǎng)測試驗(yàn)證。本文的主要貢獻(xiàn)和改進(jìn)如下:針對RPL路由協(xié)議的不足,并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)并設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)的距離,實(shí)現(xiàn)非均勻密度成簇,并根據(jù)最優(yōu)簇頭變化驅(qū)動機(jī)制實(shí)現(xiàn)簇頭輪換;簇間利用基于貪心算法的最小代價(jià)函數(shù)選擇中間節(jié)點(diǎn),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(jià)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(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)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(kuò)展簡單方便以及價(jià)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(diǎn)分布密度、不可靠性、能源供應(yīng)、計(jì)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(jī)遇[4]。1.1.1 WSNs 基本概念與特點(diǎn)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(shí)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(jià)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(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)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(kuò)展簡單方便以及價(jià)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(diǎn)分布密度、不可靠性、能源供應(yīng)、計(jì)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(jī)遇[4]。1.1.1 WSNs 基本概念與特點(diǎn)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(shí)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(diǎn)實(shí)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(shí)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(diǎn)路組成，傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)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(diǎn)[7]。如圖 1.2 WSNs 具有如下特點(diǎn)[8]：器節(jié)點(diǎn)資源嚴(yán)重受限。傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，其電池能量經(jīng)濟(jì)或不現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，WSNs 中節(jié)點(diǎn)部署密度高且數(shù)量節(jié)點(diǎn)的成本低廉。圖 1.3 為傳感器節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

【參考文獻(xiàn)】

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1 仇英輝;何霖;;基于三角模算子的RPL協(xié)議路由優(yōu)化算法[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2015年12期

2 胡芹艷;尹長川;;無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的RPL路由協(xié)議研究[J];物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);2014年01期

3 楊燕玲;;基于TD-LTE的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案研究[J];郵電設(shè)計(jì)技術(shù);2013年11期

4 蔣暢江;石為人;唐賢倫;王平;向敏;;能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇路由協(xié)議[J];軟件學(xué)報(bào);2012年05期

5 張毅;唐紅;;物聯(lián)網(wǎng)綜述[J];數(shù)字通信;2010年04期

6 李建中;高宏;;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J];計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展;2008年01期

7 方震;趙湛;郭鵬;張玉國;;基于RSSI測距分析[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2007年11期

8 唐勇;周明天;張欣;;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究進(jìn)展[J];軟件學(xué)報(bào);2006年03期

9 李鳳保,李凌;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2005年S2期

10 宋曉宇,邱澤陽,關(guān)玉蓮;基于ISATAP隧道的IPv6過渡技術(shù)分析[J];蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào);2005年01期

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1 何道敬;無線網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)鍵技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2012年

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1 劉偉;面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全的數(shù)字水印技術(shù)研究[D];深圳大學(xué);2017年

2 譚元蕊;基于RPL的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次型路由研究與實(shí)現(xiàn)[D];北京交通大學(xué);2016年

3 高筱菲;基于RPL的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由研究與實(shí)現(xiàn)[D];北京交通大學(xué);2014年

4 張巖;基于Contiki系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

5 陳敏;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層和MAC層協(xié)議研究[D];南京郵電大學(xué);2013年

6 黃明超;下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6技術(shù)的研究[D];南京郵電大學(xué);2013年

7 苑樂;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)6LoWPAN路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];北京交通大學(xué);2012年

本文編號：2799788