移动无线传感器网络贪婪地理路由协议关键技术研究

With the growing popularity of positioning devices and other localization schemes, greedy geographical routing protocols have been received extensive attention due to their substantial advantages compared to topology based routing protocols. To address the problem of greedy geographic routing protocol in the mobile wireless sensor networks, whose topology is changing for mobility, beacon exchange algorithm, load balance greedy routing scheme and void handling algorithm are studied based on probability theory, markov process theory and markov decision processes. A new real-time and reliable greedy geographical routing protocol is studied. It will adopts a new adaptive beacon exchange algorithm to eliminate phenomenon of temporary communication blindness, and adopts a distributed load balancing approximation algorithm for greedy geographical routing based on POMDP (Partial Observable Markov Decision Processes) to realize load balancing routing, and adopts a route signs based adaptive void-handle algorithm to mitigating inefficiency in recent greedy geographical routing. This works will acquire high packet success delivery ratio and lower delivery delay for significantly eliminating the phenomenon of temporary communication blindness and bypassing the routing void efficiently in the mobility environment, especially without introducing into more overhead. So the protocol is scalable and applicable to mobile wireless sensor networks for C4ISR that requires high real-time and reliability performance. With the application of mobile sensor networks, the ability of battlefield perception can be enhanced. The project has important theory and millitary practical value.

随着定位装置和定位算法的成熟,基于地理位置信息的贪婪地理路由协议受到广泛关注和研究。本项目针对贪婪地理路由协议应用于拓扑结构动态变化的移动无线传感器网络中存在的问题，采用马尔可夫过程、马尔可夫决策和几何分析等理论，对该协议的邻居节点表构建与维护算法、负载均衡贪婪转发策略和路由空洞处理算法等关键技术进行深入研究，目标是解决贪婪地理路由协议在移动环境中存在的通信暂盲现象，节点非最优，网络拥塞及空洞处理盲目性等问题，旨在降低网络控制开销，提高数据传输的实时性和可靠性。研究成果对于贪婪地理路由协议应用于C4ISR系统的战场移动无线传感器网络，提高我军战场态势感知能力，具有十分重要的理论意义和军事应用价值。

本项目在移动无线传感器网络移动模型建模的基础上，对贪婪地理路由协议中的信标交换的算法、贪婪转发策略和空洞处理算法三个方面的关键技术进行了深入研究，在降低控制开销的条件下，相应地提出了能够提高数据传输实时性和可靠性的算法，为网络数据传输提供QoS支持。.本项目研究的具体内容和主要贡献集中在以下四个方面：.1) 根据移动模型建模的要求，提出一种能够较好地反映现实节点运动规律、参数独立可控性强、适用性广的平滑高斯半马尔可夫实体随机移动模型，并利用马尔可夫过程及更新过程从数学上证明了该模型具有平均速率平稳和点空间分布均匀的特性，并通过模拟仿真的方法进行了验证。.2) 贪婪地理路由协议中，传统的周期性信标交换算法在移动环境中会引起通信暂盲现象、节点移入最优、节点非最优和控制开销效能低等问题，给网络传输的实时性和可靠性能带来很大的影响。本项目利用马尔可夫过程理论，在分析节点移动对网络连通性影响的基础上，提出一种基于链路断开概率的自适应信标交换算法，准确地构建和维护传输路径上的邻居节点表，为贪婪转发策略提供可靠的依据，减缓节点移动带来的不利影响。仿真结果表明，该算法不但能够提高数据分组传送成功率，而且还降低控制开销。.3) 传统贪婪地理路由协议的贪婪转发策略选择下一跳节点时没有考虑节点的负载情况，在业务量比较大的时候，系统吞吐量急剧下降，数据传输实时性和可靠性变差。针对该问题，提出一种基于部分状态可观测的马尔可夫决策理论的负载均衡贪婪转发策略, 有效地控制传输路径上节点的队列长度来实现网络负载均衡，降低端到端时延，减少数据分组的丢失，提高网络数据传输的实时性和可靠性，同时可延长网络的使用寿命。.4) 针对无线传感器网络贪婪地理路由协议中的路由空洞问题，提出一种有效且高效的基于路标分布式迭代提取和剔除的自适应空洞处理算法。该算法中，数据分组发送前发送探测分组，探测分组贪婪转发遇到空洞时，在网络拓扑局部平面化的基础上，以左（右）手法则提取空洞边界并沿其逆（顺）时针周边模式双向转发，同时分布式地进行路标的迭代提取和剔除，直到获取的路标使得后续的数据分组依次以它们为中间目的节点进行传输不再遇到空洞为止，从而获得最优的传输路径。仿真表明该算法能够以较小的控制开销代价，有效且高效地避绕空洞，减少路由跳数，提高贪婪地理路由协议的实时性。