机会传感器网络数据分发策略研究毕业论文(编辑修改稿)

机会传感器网络数据分发策略研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

绍了机会网络的研究背景和意义后，对以下的内容做如下安排。 第二章介绍机会网络的研究现状，引出机会网络的概念及其理论基础，分析网络的结构组成和通信特征，进而阐述本文研究内容在机会网络结构层次中所处的位置。 第三章分析已有的典型数据传输协议 —— 谣言传播协议和 定向传播协议。 阐述他们的基本思想，分析他们各自的性能，总结优缺点后找到他们的适用情况，再给出实现两个协议的伪代码。 第四章根据以上两种协议的优缺点提出两点改进方法，使改进的方法在时间消耗和能量消耗上取得较好的平衡，并给出改进后的通信协议伪代码。 本文研究的机会网络由随机移动的传感器节点组成，因而给出一个随机移动的模型非常重要。 本章最后会给出使用的随机移动模型，并分析他的运动规律，以此为依据，提出新的适用于机会网络通信的传输协议。 第五章介绍毕业设计中所完成的模拟程序的设计结构、功能、表现形式、最核心的代码和实 现前述通信协议的算法流程图。 第六章给出各种通信协议的模拟实验结果并分析，可看出谣言协议和定向协议的性能符合第三章的分析，并且证明改进后的协议拥有更好的表现，而第四章提出的新协议在所有情况中具有最少的时间和能量消耗。 第七章进行总结，阐述提出的新型传输协议的优势。 机会传感器网络数据分发策略研究 第二章 机会传感器网络的研究现状 ____________________________________________________________________________________________ 4 第二章 机会传感器网络的研究现状 机会传感器网络的概念和理论基础 在实际应用中，机会传感器网络已经得到充分的利用。 例如，行驶在公路上载 有智能设备的车辆形成的 车载 网络，实现交通事故预警和其他道路安全应用[4]；各种配备蓝牙或 wifi 接口的 手持电子设备如 mp手机等自组网络以实现数据共享或协作访问互联网 [5]；放置在动物身上的传感器组成的移动传感器网络以记录动物的迁徙数据 [6]等。 目前机会网络还没有一个统一的定义，本文通过查阅相关资料，综合现有文献分析机会网络的 特点 ，找到一个描述性定义：机会网络是一种不需要源节点和目标节点之间存在完整链路，利用节点移动带来的相遇机会实现通信的自组织网络。 图 是一个机会网络示意图， t1 时刻源节点 S 希望将数据传输给目标节点 D，但 S 和 D 位于不同的连通域而没有通信路径，因此， S 首先将数据打包成消息发送 给邻居节点 3，由于 3 并没有合适的机会转发下一跳节点，它将消息在本地存储并等待传输机会，经过一段时间到达 t2 时刻，节点 3 运动到节点 4 的通信范围并转发给节点 4，在 t3 时刻，节点 4 将消息传输给目标节点 D，完成数据传输。 图 机会网络示意图 机会网络的部分概念来源于早期的延迟容忍网络 DTN(delay tolerant work)[7] 研究。 DTN 最 初 是 容 迟 网 络 研 究 组 (DTNRG) 为星际网络IPN(interplaary work)[8]通信而提出来的，其主要目标是支持 具有间歇性连通、延迟大、错误率高等通信特征的不同网络的互联和互操作，如互联 Inter 和传感器网络、移动自组织网络等。 DTN 网络体系由多 个底层 运行独立通信协议的 DTN 域组成，域间网关利用“存储 转发”的模式工作，当去往目标 DTN域的链路存在时转发消息，否则，将消息存储在本地持久存储器中等待可用链路。 机会网络可以看成是具有一般 DTN 网络特征的无线自组网。 除了 DTN 研究的促进以及实际网络环境的需求以外，机会网络也有自组网理论基础的支撑。 研究 [9]发现，在若干个节点随机部署的固定无线自组织网络中，机会传感器网络数据分发策略研究 第二章 机会传感器网络的研究现状 ____________________________________________________________________________________________ 5 当 网络规模增大时，无线传输的相互干扰导致网络容量不断降低，这个结果证明了静态自组织网络的不可扩展性。 Grossglauser 等人 [10]证明，当允许节点移动时，通过增加数据传输延时可以提高网络容量。 其原理是通过控制导致相互干扰的并发通信，单个节点对之间的吞吐率在网络规模增大时可以保持不变。 Grossglauser 等人提出的方法是源节点必须缓存数据直到进入目标节点通信范围内才允许传输数据，但这种方法的延迟很大。 他们又提出利用节点移动性和中间节点临时存储转发分组来提高网络容量。 源节点将消息传输给邻居中继节点，该节点缓存消息再将消息转发给目标节点或遇到的其他中继节点。 这些研究构成了机会组网的理论基础。 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑这三个部分组成，如下图 所示。 图 无线传感器网络体系结构图 分层的网络通信协议 类似于传统 Inter 网络中的 TCP/IP 协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 1. 物理层协议。 物理层负责数据的调制、发送与接收。 物理层传输方式涉及 DSN 采用的 传输媒体、选择的频段及调制方式。 DSN 采用的传输媒体主要有 :无线电、红外线、光波。 研究核心是传感器软、硬件技术。 2. 数据链路层。 负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。 目前对 DSN数据链路层的研究集中在媒体访问控制子层 (MAC)。 DSN 的 MAC 协议的两个主机会传感器网络数据分发策略研究 第二章 机会传感器网络的研究现状 ____________________________________________________________________________________________ 6 要目标是 :组网络；共享信道接入。 3. 网络层。 主要完成数据的路由转发，实现传感器与传感器、传感器与观察者之间的通信，支持多传感器协作完成大型感知任务。 DSN 路由协议必须具备以下一些特征 :协议简单、节能；以数据为中心，具有数据融合能力；具有可扩展性和 健壮性传输协议。 网络层主要研究传感器网络通信协议和各种传感器网络技术。 传感器网络通信协议研究包括 :研究现有通信协议的性能，确定各种现有协议对于传感器网络的可用性以及优缺点；以数据为中心的新的通信协议的研究，包括通用能源有效性路由算法的研究、面向应用的能源有效性路由算法的研究、动态传感器网络的路径重构技术的研究等。 4. 传输层。 无线传感器网络的传输层负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、 Inter 或者其他的链路与外部网络通信，是保证服务质量的重要部分。 5. 应用层。 应用层主要负责为无线传感器网络提供安全支持，即实现密钥管理和安全组播。 无线传感器网络的应用十分广泛，其中一些重要的应用领域有：军事方面，无线传感器网络可以布置在敌方的阵地上，用来收集敌方一些重要目标信息，并跟踪敌方的军事动向：环境检测方面，无线传感器网络能够用来检测空气的质量，并跟踪污染源；民用方面，无线传感器网络也可用来构建智能家居和个人健康等系统。 网络管理平台 主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，它包括了拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络 管理等。 1. 能量管理。 负责控制节点对能量的使用。 在 DSN 中，电池能源是各个节点最宝贵的能源，为了延长网络存活时间，必须有效地利用能源。 2. 拓扑控制。 负责保持网络连通和数据有效传输。 由于传感器节点被大量密集在部署于监控区域，为了节约能源，延长 DSN 的生存时间，部分节点将按照某种规则进入休眠状态。 拓扑管理的目的就是在保持网络连通和数据有效传输的前提下，协调 DSN 中各个节点的状态转换。 3. 网络管理。 负责网络维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口，通常包含数据收集、数据处理、数据分析和故障处理等功能。 需要根据 DSN 的能量受限、自组织、节点易损坏等特点设计新型的全分布式管理机制。 QoS 支持与网络安全机制 :QoS 是指为应用程序提供足够的资源使它们以用户可以接受的性能指标工作。 通信协议中的数据链路层、网络层和传输层都可以根据用户的需求提供 QoS 支持。 DSN 多用于军事、商业领域，安全性是重要的研究内容。 由于机会传感器网络数据分发策略研究 第二章 机会传感器网络的研究现状 ____________________________________________________________________________________________ 7 DSN 中，传感器节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法适用，因此需要设计新型的网络安全机制。 应用支撑平台 建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础上，它包括一系列 给予检测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供具体的应用支持。 1. 时间同步技术。 由于晶体振荡器频率的差异及诸多物理因素的干扰，无线传感器网络各节点的时钟会出现时间偏差。 而时钟同步对于无线传感器网络非常重要，如安全协议中的时间戳、数据融合中数据的时间标记、带有睡眠机制的MAC 层协议等都需要不同程度的时间同步。 2. 定位技术。 WSN 采集的数据往往需要与位置信息相结合才有意义。 由于WSN 具有低功耗、自组织和通信距离有限等特点，传统的 GPS 等算法不再适合WSN。 WSN 中需要定位的节点 称为未知节点，而已知自身位置并协助未知节点定位的节点称为锚节点 (anchor node)。 WSN 的定位就是未知节点通过定位技术获得自身位置信息的过程。 在 WSN 定位中，通常使用三边测量法、三角测量法和极大似然估计法等算法计算节点位置。 3. 应用服务接口。 无线传感器网络的应用是多种多样的，针对不同的应用环境，有各种应用层的协议，如任务安排和数据分发协议、节点查询和数据分发协议等。 4. 网络管理接口。 主要是传感器管理协议，用来将数据传输到应用层。 研究问题在 WSN 体系结构中的位置 本文研究的数据分发策略 集中于网络通信协议的网络层和传输层，属于网络平台管理的能量控制和拓扑控制。 根据网络的拓扑结构进行数据的转发和存储，并多次利用这种机制实现数据在不连通的子网间的传输；通过改进协议和算法来控制能量的损耗，通过控制节点的休眠与活动状态达到控制网络拓扑的目的。 在接下来的内容中，会具体阐述如何设计数据分发协议、如何控制节点休眠状态和通过实现改进的协议达到能量时间的双重节约的效果。 机会传感器网络的通信特征 在机会传感器网络中，网络大多数时候不能连通，源节点和目标节点之间不机会传感器网络数据分发策略研究 第二章 机会传感器网络的研究现状 ____________________________________________________________________________________________ 8 存在完整的通信路径，这时传统的通信协议就 无法有效运行，但这并不意味着无法实现通信。 由于节点的移动，两个节点可以进入相互通信范围而交换数据，这种节点对之间的逐条转发就可以将数据从源节点传输到目标节点。 机会传感器网络中传感器节点的分类 网络中传感器节点一般可以分成两类： 1. 具有通信能力的传感器节点，称为源节点。 源节点通过内置的一个或多个无力传感器，如温度传感器、光传感器等，可对观察范围内的感知对象产生原始数据。 与传统静态网络不同，这些节点处于移动状态，在网络中所在位置随时变化，其邻居节点不固定。 它们靠不能补充能量的电池供电，具有优先的 能量。 2. 网关节点，也称为 sink 节点（或基站），这些节点用于实现传感器网络与 Inter 的连接，往往个数有限，但能量能够得到补充，这些 sink 节点根 据实际需要，可以静态分布，也可以进行移动，收集或分发数据。 源节点的主要目的是从监测环境中收集用户感兴趣的数据，在移动节点构成的网络中，将数据发送给 sink 节点。 机会传感器网络中数据分发的分类 在机会传感器网络中，数据分发的分类有三种。 一种是按照数据传输的方向，分为三类： 1. 源节点到 sink 节点的数据分发。 源节点把探测到的感知数据发 送给 sink节点。 2. 源节点之间的数据分发。 当源节点之间需要协作时，或者源节点与 sink节点之间不存在完整通信路径时，由请求源节点发送消息给需要合作的其他源节点，对消息数据进行存储和转发。 3. sink 节点到源节点的数据分发。 Sink 节点可以改变部分或者全部传感器节点的操作模式，向网络中广播一条新的消息，激活或者水面一个或者多个源节点，向网络中发送查询等。 第二种是根据通信周期，分为三类： 1. 事件驱动（ eventdriven）数据分发。 只有在感兴趣的事件发生时才构建路径，发送数据，从而减少了持续 更新路径的费用。 2. 连续数据分发（ continuous dissemination）。 每个源节点定期的发送数据给 sink 节点，需要定期重建路径。 3. 查询驱动数据分发。