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基于NS2的无线多媒体传感器网络多路径路由算法仿真与实现

刘广  
【摘要】: 无线传感器网络是由大量具有通信与计算能力的微小传感器节点以多跳通信、自组织方式形成的分布式无线网络。无线传感器网络具有广泛的应用前景,能够应用于军事、环境监测、健康护理、城市交通、工业自动化等领域,自从其出现后,就引起了军事界、学术界和工业界等多方的高度关注,并成为近年来的研究热点。随着监测环境的日趋复杂化以及多媒体设备成本的降低,人们在传统的无线传感器网络中引入了音频、视频、图像等多媒体信息感知功能,从而形成一种特殊的无线传感器网络,即无线多媒体传感器网络。它具有传统无线传感器网络的自组织、无人值守等优点,同时又把多媒体技术感知媒体丰富等优势融合了进来。 由于多媒体信息感知功能的引入,使得无线多媒体传感器网络一方面存在传统无线传感器网络的资源受限、多跳路由等特点,另一方面在能耗、服务质量等方面又提出了更高的要求。因此,传统无线传感器网络中的许多技术已无法满足无线多媒体传感器网络的要求,需要进行改进或提出新的技术。由于无线多媒体传感器网络的特殊性,及其更强的应用前景,无线多媒体传感器网络的相关技术成为了新的研究点。在无线多媒体传感器网络中,涉及的研究内容很广泛,从具体应用到底层设备以及通讯协议,都是研究的热点。其中,通讯协议中的路由问题更是研究中的关键问题之一。本文主要研究无线多媒体传感器网络中的路由协议和无线传感器网络在NS2仿真工具下的仿真。 首先,本文介绍了几种常用的传感器网络仿真工具,并做了简单的对比。虽然现有的仿真工具能支持无线传感器网络的仿真,但都没有把环境概念引入到仿真中。在真实场景下,当环境监控中的温度发生变化时,或当监控领域有目标进入时,检测到这些变化的传感器就开始向观察点发送信息,告知发生的变化,从而引起无线传感器网络行为的变化。而现有的仿真工具因为缺少环境概念,在仿真中无法精确地反映出无线传感器网络行为受检测目标变化时所发生的改变。本文根据无线传感器网络的自身特点,在NS2仿真工具的基本框架上对其进行扩展,增加环境模型。在环境模型中,定义了用于模拟被观察对象的环境节点、环境节点与传感器节点之间进行通信的感知信道等。环境节点可以根据设定,周期性的或触发性的通过特殊的感知信道向传感器节点发送信息,从而模拟真实环境下传感器节点感知到所观察环境或对象变化时网络相应产生的行为改变。另外,本文对如何进一步扩展NS2,以满足特定应用的无线传感器网络的仿真需求提出了实现方法。 其次,从无线多媒体传感器网络的特点出发,介绍了其网络层路由协议所面临的挑战和研究的现状,并深入分析了群智能算法中的蚁群算法,根据无线多媒体传感器网络的特点,结合蚁群算法的自组织、自适应、动态寻优等优势,提出一种能用于无线多媒体传感器网络的多路径路由算法。传统的蚁群算法直接应用于无线传感器网络中从源节点到目的节点的路径寻找时,容易存在两个方面的问题,一方面,算法容易陷入局部最优,人工蚂蚁搜索到一定程度时,会出现停滞现象,导致无法找到全局最优的路径。另一方面,如果找到全局最优路径时,所有数据均沿着这条路径进行传输,从而导致这条路径上的传感器节点因为能源消耗过快,造成节点死亡,从而影响整个网络的生命周期。因此,本文基于ACS蚁群算法,并结合ant-net算法、max-min蚁群算法,提出了一种多路径路由算法。该算法可以并行地寻找最优传输路径,同时保留寻找到的次优路径,从而实现多路径路由。通过本文的多路径路由算法,可以满足无线多媒体传感器网络的带宽需求,提高服务质量。最后,通过仿真实验并与DD算法进行比较,验证了本文所提出的多路径路由算法具有较好的性能。


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