无线传感器网络不相交多路径容错路由研究

【摘要】因环境恶劣、能量受限和无线信道不可靠等特性,无线传感器网络经常出现节点损坏、通信链路中断等故障,使得数据传输的效率较低,难以满足实际的应用需求,因此容错(FaultTolerance)能力是衡量无线传感器网络性能的一个重要指标。传统网络的容错技术由于没有综合无线传感器网络的上述特性,因而难以应用于无线传感器网络的实际。无线传感器网络的容错性是指当部分节点或链路失效后,能够进行传输数据的恢复或者网络结构自愈。当前对无线传感器网络的容错技术的研究主要集中在以下五个方面：硬件容错、覆盖容错、路由容错、事件容错和应用容错。其中,路由容错是无线传感器网络容错研究的基础和重点。多路径容错路由是路由容错的主要方式,相比于单路径路由机制,它在传输可靠性、均衡负载、容错恢复等方面具有明显的优势。但是,在多路径路由机制中,从源节点到目的节点的多条路径中可能包含公共节点(链路),公共节点(链路)的失效会造成多条路径的传输失败。而不相交多路径路由机制可以有效避免公共节点(链路)的出现,从而显著提升多路径路由的容错性能。不相交多路径容错路由机制面临的主要难题有三个：一是公共节点(链路)避免问题,即通过何种路径规划机制实现从源节点到目的节点的多条路径的不相交；二是不相交多路径选优问题,即在路径不相交的约束下,如何优化路径选择过程以达到节省能量和提高容错性能；三是节点移动带来的路径断裂问题,即在网络拓扑产生变化的情况下,如何以最小的代价实现不相交多路径的快速恢复。本文针对上述问题,基于数据冗余和路径冗余方法,对无线传感器网络的不相交多路径容错路由机制进行了研究。本文的研究主要立足于五个方面：(1)网络的多路径不相交约束模型；(2)中心计算方式的不相交多路径规划和维护机制；(3)分布式计算方式的不相交多路径规划和维护机制；(4)节点移动情况下的不相交多路径规划和维护机制；(5)有负载均衡要求情况下的不相交多路径规划和维护机制。本文取得的研究成果包括如下几个方面：1.中心计算的2-不相交路径容错路由算法：针对某些工业应用中网络拓扑比较稳定,sink节点运算存储能力较强等特点,利用全网信息计算出从源节点到sink节点的近似最优2-节点(链路)不相交路径,然后生成微路由表并下传到每个节点,采用中心调度的自适应机制提高路径维护的灵活性。2.面向不相交多路径的multi-routingtree拓扑结构：提出了一种面向不相交多路径的multi-routingtree拓扑结构,由一个唯一的根节点和一组特殊的子树构成。该组子树满足如下三个约束：一是任意子树都是点可相交的,二是任意子树都是边不相交的,三是连接任一节点与其子节点的边必属于同一子树。在该树结构下,从源节点沿不同子树到达根节点的路径是不相交的。3.基于1multi-routingtree的不相交多路径容错路由算法：采用集中式和分布式两种算法在网络中实现multi-routingtree,提出一种能量消耗与容错性能的平衡模型：定制冗余模型,为源数据实现三种模式的定制冗余：重发冗余、路径冗余和混合冗余。4.采用HSV色彩空间分离模型的不相交多路径容错路由算法：针对节点移动带来的路径断裂问题,采用HSV色彩空间模型为每条链路建立数值化的(h,s,v)三元组,并分离使其属于不同的色彩平面,按照不同色彩平面构造从源节点到目的节点的多条节点不相交路径,设计基于可变时间间隔链路接收信号强度指示值探测的不相交多路径维护机制。5.采用区域分割模型的不相交多路径容错路由算法：基于地理位置信息,将网络部署区域分割成若干组互不重叠的元区域链,使得源节点沿不同的元区域链可以生成到目的节点的多条不相交路径,通过化“移动节点”为“静止区域”的思想解决移动无线传感器网络的不相交多路径容错路由问题。6.基于路径代理的负载均衡不相交多路径容错路由算法：基于路径代理思想设计,根据“一个邻居一个路径代理服务,不同邻居不同路径代理服务”的路由选择原理,算法获得的从源节点到sink节点的多条路径是链路不相交的。提出了一种负载均衡模型,将数据流量均衡地覆盖到多条路径中,以延长网络生存期。
【作者】于磊磊；
【导师】陈冬岩；
【作者基本信息】山东大学，控制理论与控制工程，2014，博士
【关键词】无线传感器网络；不相交多路径路由；容错；中心计算；定制冗余；路径代理；HSV色彩空间；区域分割；

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