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基于BLE的无线传感器网络路由算法研究

宦佳良  
【摘要】:随着物联网相关技术的快速发展,相关领域的研究也迎来新的浪潮,无线传感器网络技术在智能家居、楼宇自动化、智能交通和智慧医疗等方面的应用持续深入,未来产业空间巨大。BLE技术作为无线传感器网络中多种短距离无线通信技术之一,以其超低的功耗和广泛的部署成为最具市场潜力的技术。然而BLE技术最初被设计为基于主从连接模式,即点对点的通信方式,蓝牙核心规范不提供大面积组网的功能,这限制了它的传输覆盖范围,严重阻碍了BLE技术的扩展。具有大量设备的无线传感器网络应用离不开设备之间的互联和消息传递,因此研究BLE技术的组网和多跳路由通信将弥补这方面的短板,使其在实际应用中更具有竞争力。本课题主要研究基于BLE的无线传感器网络组网和路由算法,利用BLE技术的特性,针对蓝牙核心规范没有提供BLE组网和路由相关技术的问题,本文着重对基于BLE的无线传感器网络路由算法进行研究,并提出适用于BLE网络的路由算法,实现了多跳数据传输,并且提高BLE无线路由传输相关性能,主要研究内容如下所示。(1)基于BLE的无线传感器网络路由协议相关基础理论研究。本文主要对无线传感器网络相关特点,无线传感器网络体系结构进行深入分析。同时在此基础上结合无线传感网网络特点,对BLE的架构、BLE在无线传感器网络中应用的价值进行探讨。最后对基于BLE的无线传感器网络协议如DSDV、AODV等协议进行比较分析,确定相关协议评价标准,为下一步理论研究最好铺垫工作。(2)基于QoS增强机制的网络编码机制。传统网络编码的工作原理是,源节点需要通过随机线性编码对每个数据段内的k个数据包进行编码,并携带上编码向量将其广播出去,最终到达目的节点。目的节点接收到数据段中包含的k个线性无关的数据包,将根据数据段所携带的编码向量对它们进行解码,还原数据,再把ACK消息沿最短路径返回到源节点。但是传统的网络编码方式未考虑编码筛选的问题,这样会造成重传编码过多,浪费了网络的资源,从而影响整个无线网络的吞吐量和时延。因此,在此网络编码的基础上,提出的基于QoS增强机制的网络编码策略能够有效解决上述问题,提高网络传输吞吐量等性能指标。(3)提出一种基于BLE的网络编码感知路由协议。BLE网络拓扑结构无论树状和网状结构都存在网络带宽利用率拥塞等相关缺陷,而本文主要使用通过网络编码提升吞吐量的理论推导模型,X形网络模型不仅可以很好的描述多跳网络的拓扑结构,还可以模拟网络瓶颈及拥塞问题。因此本文根据网络编码原理和BLE传输特点选择X形网络模型。本文在AODV多跳路由协议基础上,同时采用基于QoS增强机制的网络编码策略和X形网络拓扑模型,提出了一种基于BLE的网络编码感知路由协议(BLE-QOS-CAODV)。该协议动态的选取编码方案,在满足QoS的约束条件的基础上,有效地减少了重传包的数量。(4)BLE-QOS-CAODV仿真系统实现和性能分析。系统设计部分重点对BLE-QOS-CAODV仿真系统的系统架构和业务流程进行设计,在OPNET仿真平台选择4*7X形和8*7X形节点拓扑场景下对BLE-QOS-CAODV网络模型、节点模型、进程模型进行了仿真。最后通过性能分析结果发现,BLE-QOS-CAODV路由协议和AODV协议以及DSDV协议相比较,在吞吐量、时延、网络带宽利用率等性能上面都有一定提高,完成了预定的目标。


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