论文部分内容阅读
传感器节点的能量和功能有限，使用不同的路由协议将会对网络的能量消耗大小产生不同的影响，而设计一个能量高效、传输延迟低、容错性高、安全性好的路由协议又是非常有难度的事情。每个传感器节点同时具有感知和路由的功能，网络会因为节点的死亡或加入而产生拓扑变化，它的路由过程中除包含选择最优路径和交换报文外，还需要将节点感知的冗余互补信息进行融合。这些特点使得无线传感器网络同传统的有线网络、Ad Hoc网络等有着明显不同的技术要求，在它们中提出的路由协议不适合于传感器网络，因此为无线传感器网络设计合适的路由协议将是很有意义和很有挑战性的事情。
在无线传感器网络中已经提出的路由协议各有优缺点，没有任何一个解决了所有的问题并能适用于任何场景，并且这些路由协议大都忽略了三维空间的应用场景或不把它作为研究重点。由于在分簇路由协议LEACH中很好地使用了数据融合技术，减少了数据传输量，节省了网络的能量消耗，并且分簇拓扑简单，能更好地管理网络，因此本文结合高楼家居三维空间的应用背景，在三维空间中改进LEACH协议，设计了两种三维空间中能量高效的LEACH协议改进算法，为无线传感器网络三维空间的应用提供路由解决方案，并对三维空间中传感器网络技术的研究进行基础性的探索。
本文的主要工作包括：
(1) 研究进展综述。综合论述了无线传感器网络的研究进展，总结了传感器网络家居应用场景及系统框架：介绍了路由的基本概念，详细分析了无线传感器网络中的一些经典的路由协议。
(2) 设计三维分簇传感网络路由协议(3D-CSR)。详细描述了3D-CSR协议的运行细节，其中包括三个阶段，在成簇阶段设计了一种新的簇头选举方法，而簇内采用单跳通信模式，簇间采用多跳通信模式，然后给出了3D-CSR中处理一些特殊情况的方法，使用C语言编写仿真程序，验证了设计的簇头选举方法的有效性、通信模式选择的正确性及3D-CSR协议的能量有效性。大量的仿真实验结果表明，整个设计方案是正确合理的，设计的3D-CSR协议比LEACH协议更节省能量，更能延长网络的生命周期。
(3) 设计三维固定分簇异构传感网络路由协议(3D-FttSR)。首先分析了二维平面和三维空间中异构分簇网络的资源消耗，重点描述了3D-FHSR的成簇阶段和通信模式的细节。使用C语言编写仿真程序，验证了设计的正确性。仿真实验结果表明，设计的3D-FHSR协议比LEACH协议更能延长网络的生命周期。
本文的研究把无线传感器网络在二维平面的应用环境拓展到三维空间中，为三维空间中传感器网络的研究提供了一些基础性的探索，在三维空间中对LEACH协议的改进算法能很好地应用于三维空间中，并且达到了能量高效、延长网络寿命的目的。