無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究【開題報(bào)告】

畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究選題的背景與意義選題背景隨著微機(jī)電系統(tǒng)、無線通信技術(shù)、微型傳感器技術(shù)和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，集數(shù)據(jù)采集、處理及通信功能于一體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始得到廣泛的研究。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵問題之一，它完成把數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)到目的節(jié)點(diǎn)的功能。無線傳感器節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布，電池供電，絕大部分的能量消耗是集中在無線通訊模塊上，約占整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗的80%。因此，目前提出的傳感器節(jié)點(diǎn)通訊網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議主要是圍繞著減少能量消耗延長網(wǎng)絡(luò)生命周期而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。AOMDV多路徑路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的協(xié)議之一。通過它可以獲得多條通信路徑并且能夠減少路由發(fā)現(xiàn)延遲，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，能夠顯著節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量和防止瓶頸的產(chǎn)生。LEACH協(xié)議是傳感器中具有負(fù)載均衡的很有用的一種協(xié)議。LEACH協(xié)議以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇蔟首節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間的目的。這兩種協(xié)議的研究對無線傳感器路由協(xié)議的改進(jìn)有很大幫助。由于無線信道的廣播特性，無線網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無線信號都可能被其通信范圍的節(jié)點(diǎn)接收到。當(dāng)局部空間范圍內(nèi)有兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)，就有可能在接收節(jié)點(diǎn)處發(fā)生信號疊加，造成沖突，以至于接收節(jié)點(diǎn)無法正確接收到發(fā)送的信息。有效協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享信道資源，避免沖突發(fā)生時(shí)無線網(wǎng)絡(luò)面臨的關(guān)鍵問題之一，直接影響著無線資源的使用效率、網(wǎng)絡(luò)吞吐和時(shí)延等重要性能。所以，媒質(zhì)接入控制（MAC）協(xié)議的研究也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要課題之一。課題意義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前信息領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，路由技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信層的核心技術(shù)。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究的首要目標(biāo)就是能量的高效利用，通過對網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議的研究和分析，總結(jié)出優(yōu)化的措施，同時(shí)基于NS2仿真平臺對LEACH協(xié)議和AOMDV協(xié)議進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對協(xié)議給予改進(jìn)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)有效的路由協(xié)議來提高通信質(zhì)量、降低能量損耗、延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，這是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題之一。同時(shí)，在MAC層上，也有相應(yīng)的協(xié)議，用于保證整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常通信。通過對S-MAC協(xié)議的理論原型的建立和仿真測試，總結(jié)出其節(jié)省能量的方法。雙管齊下，對路由協(xié)議進(jìn)行研究的同時(shí)，也對MAC層協(xié)議加以分析，對提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有很大幫助。研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題：1、研究的基本內(nèi)容是：(1)深入理解和掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本技術(shù)原理(2)分析和研究無線傳感器路由協(xié)議①通過對實(shí)際場景進(jìn)行理論分析，建立LEACH協(xié)議的理論原型。主要通過綜合考慮候選節(jié)點(diǎn)的地理位置、剩余能量等參數(shù)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇，從而有效地降低能量與位置不佳的節(jié)點(diǎn)被選為簇首的可能性，進(jìn)一步保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量負(fù)載的均衡性，提高LEACH協(xié)議優(yōu)化能量使用效率的性能。②利用NS2平臺對建立的LEACH協(xié)議的理論模型進(jìn)行實(shí)際的仿真測試，并對LEACH協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)生命周期、存活節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)等方面性能進(jìn)行分析。③通過對實(shí)際場景進(jìn)行理論分析，建立AOMDV協(xié)議理論原型。主要通過如何在多路徑中選擇最短路徑以及減少太長的路徑的路由信息等方面來優(yōu)化AOMDV協(xié)議，以避免出現(xiàn)長路徑路由，實(shí)現(xiàn)減少時(shí)延，均衡負(fù)載效果。④利用NS2平臺對建立的AOMDV協(xié)議的理論模型進(jìn)行實(shí)際的仿真測試，并對LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、路由尋找、負(fù)載均衡傳輸?shù)确矫嫘阅苓M(jìn)行分析。(3)分析研究MAC層協(xié)議通過對實(shí)際場景進(jìn)行理論分析，建立S-MAC協(xié)議的理論原型。針對S-MAC協(xié)議存在無法使節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)時(shí)間根據(jù)通信負(fù)載動(dòng)態(tài)變化以及節(jié)點(diǎn)休眠帶來的延遲問題進(jìn)行研究和分析，給予改進(jìn)，利用NS2平臺對建立的理論原型進(jìn)行實(shí)際的仿真測試，并對其性能進(jìn)行分析。2、研究擬解決的主要問題：(1)LEACH協(xié)議：對實(shí)際場景中LEACH協(xié)議進(jìn)行分析并建立理論模型，在NS2環(huán)境中搭建LEACH協(xié)議，依據(jù)仿真后的數(shù)據(jù)，分析出LEACH協(xié)議的性能。并對LEACH協(xié)議進(jìn)行總結(jié)和分析，給予改進(jìn)后仿真驗(yàn)證。(2)AOMDV協(xié)議：對實(shí)際場景中AOMDV協(xié)議進(jìn)行分析并建立理論模型，在NS2環(huán)境中搭建AOMDV協(xié)議，依據(jù)仿真后的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析，并作出改進(jìn)，然后進(jìn)行仿真驗(yàn)證。(3)MAC層協(xié)議：對根據(jù)實(shí)際場景分析建立的S-MAC協(xié)議理論原型進(jìn)行仿真測試，依據(jù)仿真后的數(shù)據(jù)，分析其各種能量消耗方式中節(jié)省能耗的方法，比如：空閑偵聽、沖突、串音和控制開銷。研究的方法與技術(shù)路線：1、研究的方法由于本課題的獨(dú)特性加上難度方面的因素，目前所能采用的主要研究方法是理論論證結(jié)合實(shí)驗(yàn)和建模分析的研究方式。對于MAC層的S-MAC協(xié)議主要采用的是理論論證的方式；對于網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議LEACH協(xié)議和AOMDV協(xié)議采用實(shí)驗(yàn)研究和基于模型的方式來進(jìn)行深入分析。2、技術(shù)路線本課題中所包含的技術(shù)路線主要包括：(1)LEACH協(xié)議的研究和改進(jìn)，在NS2平臺中搭建LEACH協(xié)議仿真環(huán)境（用C++語言添加或修改協(xié)議模塊），并用NS2平臺建立仿真拓?fù)洌ㄓ肙TCL語言編程實(shí)現(xiàn)），依據(jù)仿真后的數(shù)據(jù)，分析LEACH協(xié)議的性能（用awk腳本語言編程進(jìn)行分析），并在gnuplot下編程顯示分析結(jié)果。(2)AOMDV協(xié)議的研究與改進(jìn)，在NS2平臺中搭建AOMDV協(xié)議仿真環(huán)境（用C++語言添加或修改協(xié)議模塊），并用NS2平臺建立仿真拓?fù)洌ㄓ肙TCL語言編程實(shí)現(xiàn)），依據(jù)仿真后的數(shù)據(jù)，分析AOMDV協(xié)議的性能（用awk腳本語言編程進(jìn)行分析），并在gnuplot下編程顯示分析結(jié)果。(3)S-MAC協(xié)議的研究與分析，在NS2平臺中搭建S-MAC協(xié)議仿真環(huán)境（用C++語言添加或修改協(xié)議模塊），并用NS2平臺建立仿真拓?fù)洌ㄓ肙TCL語言編程實(shí)現(xiàn)），依據(jù)仿真后的數(shù)據(jù)，分析S-MAC協(xié)議的性能（用awk腳本語言編程進(jìn)行分析），并在gnuplot下編程顯示分析結(jié)果。四、研究的總體安排與進(jìn)度：本課題的總體安排和進(jìn)度主要可以分成以下幾個(gè)方面：1、2010年12月—2011年1月：開題階段，主要是熟悉課題，并收集相關(guān)的資料和書籍進(jìn)行閱讀和領(lǐng)悟。2、2011年2月—2011年3月：理論研究階段，收集文獻(xiàn)綜述，并設(shè)計(jì)相關(guān)的理論模型。3、2011年4月—2011年4月30，結(jié)合理論模型，設(shè)計(jì)具體的實(shí)施方案，并在仿真環(huán)境中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究。在以上基礎(chǔ)上，提出問題，并進(jìn)行相關(guān)的擴(kuò)展和學(xué)習(xí)。4、2011年5月1-5月30，對研究所得到的數(shù)據(jù)和結(jié)論進(jìn)行歸納，以報(bào)告的形式進(jìn)行總結(jié)，最后完成本課題的研究和學(xué)習(xí)。主要參考文獻(xiàn)：[1]UCBerkeley,LBL,Xero研究人員.NS手冊，2007.[2]JaeChungandMarkclaypool,NS2Byexample，2005.[3]柯志亨等.NS仿真實(shí)驗(yàn)——多媒體和無線網(wǎng)絡(luò)通信[M].電子工業(yè)出版社，2009.[4]戴世瑾，張翼德等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議研究與分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2006,23(12):294-297.[5]孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社，2005.[6]于宏毅，李鷗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