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《中国科学技术大学》 2007年
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下一代互联网中无线传感器网络协议理论与技术的研究

徐军委  
【摘要】: 无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合智能信息系统,在军事应用、环境观测和预报系统、医疗护理、智能家居、建筑物状态监控等诸多领域都有广阔的应用前景,是目前非常活跃的一个领域。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中,分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响力的21项技术和改变世界的10大技术之一。 传感器节点是一种微型嵌入式设备,通常携带能量十分有限的电池,而且要求价格低功耗小,必然导致其携带的处理能力比较弱,存储器容量较小,所以在传感器节点上只能存储非常有限的数据。无线传感器网络需要和一个外部网络连接在一起,使得传感器节点上的数据可以传输到外部网络上的具有大容量存储器的服务器上,同时使外部网络可以监视和控制无线传感器网络。无论从地理范围,还是从网络规模来讲,Internet互联网都是最大的一种网络,因此将无线传感器网络和Internet网互联是一件很有意义的事,而无线传感器网络与Internet网之间如何有效地相互通信是一个有待解决的问题。 IPv6是下一代互联网的主导协议,在地址空间、报文格式、安全性等方面做了重大的改进。巨大的地址空间、邻居发现、自动地址配置等特性为某些无线传感器网络应用提供了可行性。传感器节点是一种低功耗的微型嵌入式设备,而IPv6设计之初并没有考虑嵌入式应用以及功耗问题,使得在传感器节点上实现IPv6协议是一个具有一定挑战性的问题。 通常无线传感器网络使用与具体应用相关的专用协议通信,通过一个代理服务器跟外部网络通信,这样可以提高数据传输的效率,节省传感器节点传输数据消耗的能量,但是这种方式的致命缺陷是协议栈跟具体无线传感器网络的应用相关,不具有可扩展性和移植性,而且外部网络的用户不能直接访问无线传感器网络中的节点。本文结合无线传感器网络和IPv6网络的特点,围绕无线传感器网络和IPv6网络互联问题展开研究并给出解决方案。 本文的研究工作主要集中在以下几个方面: (1)无线传感器网络和IPv6网络互联体系结构的研究 如何实现无线传感器网络和IPv6网络互联是一个开放性问题。本文介绍了无线传感器网络和IPv6网络互联的各种方式,重点对采用全IP互联方式的必要性以及需要解决的关键技术问题进行了分析探讨,分析结果表明:全IP方式是实现无线传感器网络与IPv6网络互联的一种非常重要的思路,值得进行深入研究。 (2)IPv6协议的裁剪算法 IPv6是下一代互联网的主导协议,设计之初没有考虑到嵌入式应用和功耗问题,要在处理能力和存储容量有限的传感器节点上实现IPv6,必须对IPv6协议进行裁剪。本文根据无线传感器网络应用的特点,对IPv6协议族进行裁剪和修改,提出了一个简单的能耗模型,对其进行理论分析,并在Crossbow公司的MPR2400 Micaz节点上进行实验,验证其裁剪方案的正确性。 (3)无线传感器网络中基于IPv6的路由算法 无线通信的能量消耗随距离的增加而指数级增长,考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大,无线传感器网络采用多跳路由的传输机制。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点,包括对源节点和目的节点间的路径优化,以及如何将数据沿着优化路径正确转发。本文结合IPv6和无线传感器网络的特点设计了无线传感器网络中自动组网算法和IPv6路由算法,并对算法进行理论分析和实验仿真。 (4)基于IEEE 802.15.4无线传感器网络的IPv6协议栈的实现 IEEE 802.15.4是针对低速无线个人区域网制定的标准,该标准充分考虑了无线传感器网络应用的需求,是目前被业界普遍看好的一种无线通信协议。本文分析了无线传感器网络和IEEE 802.15.4的技术特点之后,提出了一种适用于无线传感器网络,底层采用IEEE 802.15.4的嵌入式IPv6协议栈设计方案,并总结了基于IPv6 over IEEE 802.15.4无线传感器网络协议栈设计的核心原则。 (5)无线传感器网络协议测试 协议测试是协议开发过程中非常重要的一个环节,是协议设计的最终复审,是协议实现质量保证的关键步骤。由于无线传感器网络中有大量传感器节点,而且节点的移动性,外界因素的干扰等等不确定因素,导致在实际网络中进行协议测试是一件非常困难的事情。本文研究了无线传感器网络的特点,对汇聚节点、无线信道、传感器节点、传感器信道以及目标节点进行建模,采用面向组件的设计思想,结合Java语言的可移植性等优点实现了一个具有高度可扩展性的无线传感器网络的仿真平台,给无线传感器网络的应用开发提供了良好的测试平台。 本文提出并设计了一个无线传感器网络中实现IPv6的解决方案,其主要创新之处在以下几个方面,首先,提出了一种适用于无线传感器网络的IPv6协议的裁剪方案,采用全IP的无线传感器网络和IPv6网络的互联方式,为实现无线传感器网络和IPv6网络的互联提供了解决方案。其次,考虑到无线传感器网络的能耗问题,提出了一种适用于无线传感器网络,底层采用IEEE 802.15.4的嵌入式IPv6协议栈设计方案,同时提出了一个基于IEEE 802.15.4的IPv6报文压缩算法。然后,结合IPv6和无线传感器网络的特点设计了无线传感器网络中自动组网算法和IPv6路由算法。最后,实现了一个具有高度可扩展性的无线传感器网络的仿真平台,为协议裁剪、协议实现、应用程序开发等的测试提供了测试环境。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP212.9;TN915.04

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【引证文献】
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1 靳勇;;基于跳数限制的WSNs自适应协作FEC机制[J];常熟理工学院学报;2011年08期
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1 秦小虎;无线传感器网络节点定位算法研究[D];陕西师范大学;2011年
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3 刘清林;CPS技术与无线感知网结合的社区和个人数字医疗实施[D];华中科技大学;2011年
4 赵基玮;基于ZigBee技术的无线传感器网络定位系统的设计与研究[D];广西大学;2011年
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【参考文献】
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4 徐军委,赵保华,屈玉贵;一种新的UIO测试序列生成算法[J];中国科学技术大学学报;2004年06期
【共引文献】
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5 柯尧;协议分布式测试理论及系统可靠性研究[D];中国科学技术大学;2006年
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7 黄传动;通信协议的分布式测试方法研究和测试系统实现[D];中国科学技术大学;2006年
8 林华辉;协议互操作性测试理论与方法研究[D];中国科学技术大学;2007年
9 张炜;基于状态机模型的协议被动测试研究[D];中国科学技术大学;2007年
10 陈伟琳;协议安全测试理论和方法的研究[D];中国科学技术大学;2008年
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1 王文娟;安全协议测试集生成技术研究[D];解放军信息工程大学;2009年
2 亓泽超;协议一致性测试序列生成及错误诊断算法设计[D];西安电子科技大学;2011年
3 马艳;IPSec协议测试优化技术研究[D];解放军信息工程大学;2010年
4 汪志宾;模型驱动的协议一致性测试系统的研究与实现[D];中国科学技术大学;2011年
5 林洪;IPv6协议一致性测试的研究与实现[D];国防科学技术大学;2011年
6 黎中文;基于状态的类测试技术研究[D];解放军信息工程大学;2011年
7 贾成;基于多代理运行平台的构件挖掘理论研究及系统实现[D];中南大学;2004年
8 谢正卫;有限自动机的同步序列和UIO序列[D];广西师范大学;2006年
9 杜宁;网络移动IPv6协议一致性测试生成与实现[D];湖南大学;2007年
10 郭怡静;基于故障模型的Linux系统下协议一致性测试方法及测试系统[D];内蒙古大学;2007年
【同被引文献】
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1 张保森;;浅论环境监测数据传输网络的建设[J];环境科学与管理;2006年04期
2 赵燕东;白陈祥;匡秋明;张军;Paul Wolfgang;;土壤水分传感器实用性能对比研究[J];北京林业大学学报;2006年03期
3 徐文波;林家儒;牛凯;贺志强;;多中继协作ARQ在Nakagami-m信道中的性能分析[J];北京邮电大学学报;2010年02期
4 高雷;郑相全;张鸿;;无线传感器网络中一种基于三边测量法和质心算法的节点定位算法[J];重庆工学院学报(自然科学版);2009年07期
5 宋光明,葛运建;智能传感器网络研究与发展[J];传感技术学报;2003年02期
6 赵昭;陈小惠;;无线传感器网络中基于RSSI的改进定位算法[J];传感技术学报;2009年03期
7 刘少飞;赵清华;王华奎;;基于平均跳距估计和位置修正的DV-Hop定位算法[J];传感技术学报;2009年08期
8 靳勇;乐德广;白光伟;;基于跳数的WSN自适应链路层差错控制策略[J];传感技术学报;2010年05期
9 诸燕平;黄大庆;李勃;;基于AOA的无线传感器网络节点定位算法[J];传感器与微系统;2010年01期
10 周雅琴;谭定忠;;无线传感器网络应用及研究现状[J];传感器世界;2009年05期
中国重要会议论文全文数据库 前3条
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2 张云龙;许芬;;基于无线射频芯片CC2420的无线传感器网络节点设计[A];中国计量协会冶金分会2008年会论文集[C];2008年
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1 汪炀;无线传感器网络定位技术研究[D];中国科学技术大学;2007年
2 王晟;无线传感网络节点定位与覆盖控制理论及技术研究[D];武汉理工大学;2006年
3 刘冰;能量高效的无线传感器网络研究[D];北京邮电大学;2007年
4 毛永毅;无线通信系统定位技术的研究[D];中国科学院研究生院(国家授时中心);2008年
5 贾晨军;无线传感器网络安全研究[D];浙江大学;2008年
6 张志东;无线传感器网络通信协议研究[D];天津大学;2007年
7 李国瑞;无线传感器网络中安全保障模型和方法的研究[D];北京工业大学;2009年
8 李明欣;异构融合网络移动性管理的若干关键技术研究[D];北京邮电大学;2009年
9 张军国;面向森林火灾监测的无线传感器网络技术的研究[D];北京林业大学;2010年
10 姜楠;无线传感器网络自组织演化模型及其关键技术研究[D];南京航空航天大学;2008年
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1 祁德桂;EPIRB板级设计及信号完整性分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 沈晓松;基于ARM的Ad Hoc平台实现及性能改进策略[D];北京邮电大学;2011年
3 朱凯;基于IPv6的无线传感器网络的研究与实现[D];北京邮电大学;2011年
4 雷蕊;H公司物联网应用领域发展战略研究[D];北京邮电大学;2011年
5 张黄瞩;基于传感器网络的无线水表系统[D];浙江大学;2006年
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7 杨旸;传感器网络节点定位技术研究[D];浙江大学;2006年
8 杨洪军;信号完整性分析及其在高速PCB设计中的应用[D];电子科技大学;2006年
9 周嗣勇;煤矿安全监控无线传感器网络协议与定位技术研究[D];北京交通大学;2007年
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1 吕晓荣;王福胜;;基于物联网技术的电子病历系统研究进展[J];传感器与微系统;2013年01期
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1 王元鑫;基于ZigBee的无线定位系统的研究与设计[D];西南交通大学;2012年
【二级参考文献】
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1 屈玉贵,翟羽佳,蔺智挺,赵保华,张英堂;一种新的无线传感器网络传感器放置模型[J];北京邮电大学学报;2004年06期
2 田辉,谢芳,杨宁,张平;AdHoc网络中信道自适应多径路由算法[J];北京邮电大学学报;2005年01期
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5 贾若宇,赵保华,屈玉贵,顾翔;CSP和RSL应用于协议形式化描述的研究[J];计算机应用;2003年01期
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1 罗娟;刘德翔;李仁发;;基于IPv6的无线传感器网络接入设计[J];计算机应用研究;2009年11期
2 徐军委;赵保华;屈玉贵;;WSN中IPv6路由算法的研究[J];中国科学技术大学学报;2007年12期
3 叶勋;余轮;;一种无线传感器网络与Internet互联的新方案[J];福建电脑;2007年12期
4 罗丹彦;左德承;杨孝宗;;一种基于多代理的传感器网络IPv6地址配置协议[J];宇航学报;2009年03期
5 王利国;张宏科;;一种低功耗的6Lo WPAN网络动态路由协议[J];北京交通大学学报;2006年05期
6 鲍雷;;无线传感器网络的IPv6协议栈[J];光盘技术;2006年01期
7 刘晨曦;张思东;郜帅;;一种IPv6无线传感器网络后台数据系统的设计与实现[J];电子技术应用;2007年12期
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9 于林峰;肖丽;;一种基于WSN的协议改进算法分析[J];上海理工大学学报;2009年04期
10 陈员义;;无线传感器网络研究[J];科技广场;2006年02期
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1 杨非;牛长流;;无线传感器网络中基于能量的路由协议分析[A];2008通信理论与技术新发展——第十三届全国青年通信学术会议论文集(下)[C];2008年
2 孙昊;;无线传感器网络中能量有效路由协议的研究与分析[A];四川省通信学会2007年学术年会论文集[C];2007年
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4 胡文基;徐明伟;;无线传感器网络安全路由协议分析[A];2006年全国通信软件学术会议论文集[C];2006年
5 韦小铃;王玉斌;余兴超;董荣胜;;无线传感器网络LEACH路由协议的研究与改进[A];广西计算机学会2010年学术年会论文集[C];2010年
6 徐太兵;金仁成;褚金奎;王立鼎;;无线传感器网络的建模分析[A];第十届全国敏感元件与传感器学术会议论文集[C];2007年
7 武峥;张淑芳;;无线传感器网络路由协议在交通监控系统中的应用[A];中国航海学会通信导航专业委员会2005年学术年会论文集[C];2005年
8 季莹莹;章坚武;;无线传感器网络路由协议改进方案[A];浙江省电子学会第七次会员代表大会暨2007学术年会论文集[C];2007年
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10 杨晟;朱诗兵;;无线传感反应网络与IPv6隧道适配技术研究[A];2009通信理论与技术新发展——第十四届全国青年通信学术会议论文集[C];2009年
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2 中科院计算所 吕涛 徐朝农 徐勇军;寻找无线传感器网络与IPv6的契合点[N];计算机世界;2005年
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6 本报记者 刘晶;日立IPv6中国铺路[N];中国电子报;2003年
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10 本报记者 吴晓伟 孙定;日立欲占中国IPv6市场三成[N];计算机世界;2003年
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6 罗丹彦;无线传感器网络能量高效组建关键技术的研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
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8 孙中皋;无线传感器网络能量高效路由协议研究[D];大连海事大学;2011年
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1 王平;无线传感器网络节能路由协议研究[D];山东大学;2010年
2 胡婷;无线传感器网络与IPv6网络互联方案研究[D];北京邮电大学;2010年
3 朱凯;基于IPv6的无线传感器网络的研究与实现[D];北京邮电大学;2011年
4 陈建兵;无线传感器网络分簇路由协议的研究[D];武汉理工大学;2011年
5 陶孝收;无线传感器网络覆盖控制与路由协议的研究[D];电子科技大学;2010年
6 杨志明;无线传感器网络分簇路由协议研究[D];兰州理工大学;2010年
7 童牧;无线传感器网络低能耗路由协议的研究[D];东华大学;2011年
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9 王刚;无线传感器网络中结合数据融合的分簇式路由协议研究[D];安徽大学;2010年
10 张九天;无线传感器网络容侵技术研究[D];太原科技大学;2010年
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