本書系統介紹了智慧型家居無線感測器網路路由的理論、方法和實際套用問題。全書分五個部分共十章，主要包括智慧型家居無線感測器網路協定ZigBee協定的路由研究；智慧型家居無線感測器網路的AODVjr路由的改進研究；智慧型家居無線感測器網路局部單播路由研究；基於複雜網路理論的智慧型家居無線感測器網路路由研究；智慧型家居無線感測器網路的分簇算法和智慧型家居能耗控制算法研究。本書所提出的理論，方法和技術實現要點是作者多年從事智慧型家居無線感測器網路路由的研究成果與實際經驗的總結。
基本介紹
- 書名：智慧型家居無線感測器網路路由
- 作者：李曉卉
- 出版社：電子工業出版社
- 頁數：133頁
- 開本：16
- 品牌：電子工業出版社
- 外文名：Research of Routing for Wireless Sensor Networks in Smart Home
- 類型：計算機與網際網路
- 出版日期：2014年3月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：7121225247
基本介紹,內容簡介,作者簡介,圖書目錄,序言,
基本介紹
內容簡介
《智慧型家居無線感測器網路路由》可供從事無線感測器網路和智慧型家居網路的各類工程技術人員參考，亦可作為高等院校相關專業教師和研究生的教學參考書。
作者簡介
李曉卉，工學博士，現任武漢科技大學信息科學與工程學院副教授，碩士生導師。研究興趣為無線感測器網路技術，智慧型家居控制，複雜網路理論，智慧型電網理論及套用等。
圖書目錄
第一章緒論9
1.1引言9
1.2國內外研究現狀10
1.2.1無線感測器網路路由設計的研究現狀10
1.2.2智慧型家居的無線感測器網路路由的研究現狀13
1.3全書結構安排13
第二章智慧型家居無線感測器網路15
2.1無線感測器網路概述15
2.1.1無線感測器網路及其套用15
2.1.2無線感測器網路的特點17
2.1.3感測器網路的體系結構17
2.2智慧型家居的套用領域18
2.3智慧型家居無線感測器網路結構19
2.4智慧型家居常用的無線網路協定20
2.4.1IEEE802.15.4/ZigBee20
2.4.2其它標準20
2.5WSNSH的鏈路穩定性分析21
2.5.1室內無線傳播模型21
2.5.2鏈路穩定性分析22
2.6WSNSH中的定位服務24
2.6.1WSN中的定位算法24
2.6.2WSNSH中的定位服務25
2.7智慧型家居無線感測器網路路由的需求25
2.8本章小結26
第三章ZigBee路由協定的分析和路由策略的改進27
3.1IEEE802.15.4協定27
3.1.1概述27
3.1.2基於IEEE802.15.4的感測器網路性能特點28
3.2ZigBee路由算法28
3.2.1層次路由29
3.2.2AODVjr30
3.2.3路由實現31
3.3ZigBee路由仿真分析32
3.3.1仿真性能衡量指標32
3.3.2仿真參數及場景設計33
3.3.3仿真結果和性能分析36
3.4ZigBee路由策略改進42
3.4.1層次路由算法的改進42
3.4.2ZigBee路由策略改進43
3.4.3實驗結果和分析44
3.5本章小結45
第四章基於位置信息的動態自適應路由算法47
4.1基於位置信息的路由研究綜述47
4.1.1利用位置信息限定路由查找區域48
4.1.2利用位置信息確定路由下一跳50
4.1.3利用位置信息實現分層路由51
4.2研究背景52
4.3WSNSH—LBAR中路由請求域的定義53
4.3.1路由發現53
4.3.2請求域的定義54
4.3.3仿真及性能分析58
4.4WSNSH—LBAR中路由請求域的動態調整61
4.4.1Rzone的大小對數據包投遞率的影響61
4.4.2基於貝葉斯估計的Rzone的動態調整62
4.4.3仿真及性能分析66
4.5WSNSH—LBAR仿真及性能分析68
4.6本章小結71
第五章基於動態混合查找的自適應路由算法72
5.1網路模型72
5.2自適應路由算法73
5.2.1折半查找和指數查找73
5.2.2請求域的半徑搜尋策略73
5.3仿真及性能分析75
5.4本章小結77
第六章基於位置信息的啟發式路由算法78
6.1研究背景78
6.2啟發式算法概述79
6.2.1智慧型仿生類算法80
6.2.2啟發式搜尋算法80
6.3基於位置信息的啟發式路由算法82
6.3.1A*算法在路由中的套用82
6.3.2基於位置信息的啟發式路由算法84
6.3.3鏈路狀態分類85
6.4仿真及性能分析86
6.5本章小結90
第七章基於局部網路介數的能量均衡路由研究91
7.1研究背景92
7.1.1複雜網路理論92
7.1.2無線感測器網路和複雜網路95
7.2局部貪婪轉發97
7.3局部網路介數97
7.3.1網路介數98
7.3.2局部網路介數98
7.4基於局部網路介數的路由算法99
7.4.1算法描述99
7.4.2一個簡單的路由例子100
7.5仿真及性能分析102
7.5.1網路模型102
7.5.2網路場景102
7.5.3仿真結果及性能分析103
7.5本章小結107
第八章具有基站的智慧型家居無線感測器網路分簇算法108
8.1分簇算法研究綜述108
8.1.1鏈路分簇算法109
8.1.2加權分簇算法109
8.1.3層次分簇算法110
8.1.4格線分簇算法112
8.2研究背景113
8.3具有基站的智慧型家居無線感測器網路分簇算法114
8.3.1K—means114
8.3.2簇數目的範圍115
8.3.3簇頭選擇算法116
8.3.4簇生成算法118
8.3.5仿真效果119
8.4本章小結120
第九章基於用戶期望價格的需求回響模型研究121
9.1系統模型和問題定義121
9.1.1需求回響算法的輸入122
9.1.2需求回響算法的輸出123
9.2基於用戶期望價格的需求回響算法設計123
9.2.1負荷轉移124
9.2.2能量存儲系統與需求回響算法的集成127
9.2.3需求回響算法128
9.3仿真及性能分析131
9.3.1仿真1131
9.3.2仿真2134
9.4本章小結137
第十章結論和展望138
10.1工作總結138
10.2進一步工作展望139
參考文獻140
1.1引言9
1.2國內外研究現狀10
1.2.1無線感測器網路路由設計的研究現狀10
1.2.2智慧型家居的無線感測器網路路由的研究現狀13
1.3全書結構安排13
第二章智慧型家居無線感測器網路15
2.1無線感測器網路概述15
2.1.1無線感測器網路及其套用15
2.1.2無線感測器網路的特點17
2.1.3感測器網路的體系結構17
2.2智慧型家居的套用領域18
2.3智慧型家居無線感測器網路結構19
2.4智慧型家居常用的無線網路協定20
2.4.1IEEE802.15.4/ZigBee20
2.4.2其它標準20
2.5WSNSH的鏈路穩定性分析21
2.5.1室內無線傳播模型21
2.5.2鏈路穩定性分析22
2.6WSNSH中的定位服務24
2.6.1WSN中的定位算法24
2.6.2WSNSH中的定位服務25
2.7智慧型家居無線感測器網路路由的需求25
2.8本章小結26
第三章ZigBee路由協定的分析和路由策略的改進27
3.1IEEE802.15.4協定27
3.1.1概述27
3.1.2基於IEEE802.15.4的感測器網路性能特點28
3.2ZigBee路由算法28
3.2.1層次路由29
3.2.2AODVjr30
3.2.3路由實現31
3.3ZigBee路由仿真分析32
3.3.1仿真性能衡量指標32
3.3.2仿真參數及場景設計33
3.3.3仿真結果和性能分析36
3.4ZigBee路由策略改進42
3.4.1層次路由算法的改進42
3.4.2ZigBee路由策略改進43
3.4.3實驗結果和分析44
3.5本章小結45
第四章基於位置信息的動態自適應路由算法47
4.1基於位置信息的路由研究綜述47
4.1.1利用位置信息限定路由查找區域48
4.1.2利用位置信息確定路由下一跳50
4.1.3利用位置信息實現分層路由51
4.2研究背景52
4.3WSNSH—LBAR中路由請求域的定義53
4.3.1路由發現53
4.3.2請求域的定義54
4.3.3仿真及性能分析58
4.4WSNSH—LBAR中路由請求域的動態調整61
4.4.1Rzone的大小對數據包投遞率的影響61
4.4.2基於貝葉斯估計的Rzone的動態調整62
4.4.3仿真及性能分析66
4.5WSNSH—LBAR仿真及性能分析68
4.6本章小結71
第五章基於動態混合查找的自適應路由算法72
5.1網路模型72
5.2自適應路由算法73
5.2.1折半查找和指數查找73
5.2.2請求域的半徑搜尋策略73
5.3仿真及性能分析75
5.4本章小結77
第六章基於位置信息的啟發式路由算法78
6.1研究背景78
6.2啟發式算法概述79
6.2.1智慧型仿生類算法80
6.2.2啟發式搜尋算法80
6.3基於位置信息的啟發式路由算法82
6.3.1A*算法在路由中的套用82
6.3.2基於位置信息的啟發式路由算法84
6.3.3鏈路狀態分類85
6.4仿真及性能分析86
6.5本章小結90
第七章基於局部網路介數的能量均衡路由研究91
7.1研究背景92
7.1.1複雜網路理論92
7.1.2無線感測器網路和複雜網路95
7.2局部貪婪轉發97
7.3局部網路介數97
7.3.1網路介數98
7.3.2局部網路介數98
7.4基於局部網路介數的路由算法99
7.4.1算法描述99
7.4.2一個簡單的路由例子100
7.5仿真及性能分析102
7.5.1網路模型102
7.5.2網路場景102
7.5.3仿真結果及性能分析103
7.5本章小結107
第八章具有基站的智慧型家居無線感測器網路分簇算法108
8.1分簇算法研究綜述108
8.1.1鏈路分簇算法109
8.1.2加權分簇算法109
8.1.3層次分簇算法110
8.1.4格線分簇算法112
8.2研究背景113
8.3具有基站的智慧型家居無線感測器網路分簇算法114
8.3.1K—means114
8.3.2簇數目的範圍115
8.3.3簇頭選擇算法116
8.3.4簇生成算法118
8.3.5仿真效果119
8.4本章小結120
第九章基於用戶期望價格的需求回響模型研究121
9.1系統模型和問題定義121
9.1.1需求回響算法的輸入122
9.1.2需求回響算法的輸出123
9.2基於用戶期望價格的需求回響算法設計123
9.2.1負荷轉移124
9.2.2能量存儲系統與需求回響算法的集成127
9.2.3需求回響算法128
9.3仿真及性能分析131
9.3.1仿真1131
9.3.2仿真2134
9.4本章小結137
第十章結論和展望138
10.1工作總結138
10.2進一步工作展望139
參考文獻140
序言
物聯網產業是我國戰略性新興產業的重要組成部分，已深入經濟社會各個行業領域。發展物聯網是促進傳統產業轉型升級的重要手段，在智慧型家居系統中套用物聯網，將有力推進產業化和信息化的深度融合，從而促進我國經濟和信息技術的向前發展。無線感測器網路無需布線，易於配置和擴展，低成本和低功耗的特點，使其逐漸成為未來智慧型家居物聯網的發展主流和研究熱點。能量高效和可靠傳輸的路由算法在智慧型家居無線感測器網路（Wireless Sensor Networks for Smart Home，簡稱WSNSH）通信中起著至關重要的作用，研究智慧型家居無線感測器網路路由技術無論是從無線感測器網路理論研究的角度，還是從智慧型家居物聯網的實踐角度，都有重要理論意義和廣泛套用前景。
目前針對智慧型家居無線感測器網路路由的研究還沒有系統專門的介紹，本書作者博士和博士後階段對智慧型家居無線感測器網路路由算法進行了多年的研究積累。為促進學術和技術交流，作者撰寫本書以求共同進步，為智慧型家居物聯網技術作一點貢獻，為智慧型家居無線感測器網路路由設計提供一種新的思路和途徑。到目前為止，書中所涉及的相關路由算法已在國際期刊、會議上公開發表。書中重點研究了智慧型家居無線感測器網路的路由算法，採取了網路仿真的方法研究所有關鍵算法的有效性和算法運行性能，取得了一些具有一定創新性的研究成果。本書共5部分，按提出問題，分析問題，解決問題的思路，循序漸進地闡述了作者的研究結果：
1、對工程實踐中廣泛使用的智慧型家居無線感測器網路協定ZigBee進行了詳細的仿真研究，並提出了在工程實際套用中對ZigBee的層次路由和AODVjr路由進行改進的方案。
2、在第1部分的研究結果中，作者發現ZigBee的AODVjr路由算法主要採取洪泛的方式查找路由，洪泛查找路由帶來的直接問題是網路節點能量消耗過大，易產生MAC層廣播風暴，從而引起實際套用中網路數據包投遞率過低。因此，作者從如何限定和調整洪泛路由區域的角度研究了AODVjr的一些改進方法以達到提高智慧型家居無線感測器網路路由的數據包投遞率的目的。
3、在第2部分的研究結果中，作者發現使用洪泛或區域性洪泛技術查找路由時節點能耗和通信開銷仍然較高，還是會引起MAC層負擔過重的問題。因此，作者研究了如何在智慧型家居無線感測器網路路由中引入啟發式的局部單播路由決策的方法。
4、在第3部分的研究結果中，作者發現雖然在智慧型家居無線感測器網路路由中引入啟發式的局部單播路由決策方法達到了網路節點能耗有效降低，數據包投遞率顯著提高的目的，但是出現了網路能耗不均衡的現象。因此，作者研究了如何將複雜網路理論引入到啟發式的局部單播路由決策中，將網路流量以更為均衡的方式分配到網路中的多條路徑上，延長了智慧型家居無線感測器網路生命期。
5、在研究智慧型家居無線感測器網路路由通信的基礎上，對智慧型家居無線感測器網路套用展開了探索性研究。主要研究了有關智慧型家居無線感測器網路的分簇算法和智慧型家居能耗控制算法。
本書的出版得到了國家自然科學基金（項目號：61105070，61104215）、湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計畫項目（項目號：T201302）、國家國際科技合作專項項目（項目號：2013DFG72850）、國家重點基礎研究發展計畫項目（973項目，項目號：2012CB724400）的資助和電子工業出版社的大力支持，在此致以由衷的謝意。
書的撰寫過程中得到了我的博士導師，武漢科技大學方康玲教授和我的博士後合作導師華中科技大學關治洪教授的指導和支持。兩位教授淵博的學識、謙和的為人，寬廣的胸懷，嚴謹的治學態度，開拓進取的創新意識都深深地影響著我，是我今後工作中學習的楷模，在此我謹向兩位教授表示深深的敬意和衷心的感謝。
書的撰寫期間，作者曾多次前往韓國Hanyang大學無線感測器網路研究中心學習和交流，受到了該中心負責人Hong Seung Ho教授的悉心指導，他為作者提供了良好的科研環境以及大量參與工程實踐鍛鍊的機會。Hong教授淵博的學識，嚴謹的治學態度和忘我的工作精神深深地激勵著作者。在該中心的學習使作者受益匪淺，在此對Hong Seung Ho教授表達最誠摯的謝意。
書的出版還得到了以下領導、專家的關心，指導和支持，在與這些教授，專家的長期學術交流、合作過程中收益很大，在此深表感謝，他（她）們是武漢科技大學柴利教授、吳懷宇教授、陳和平教授、王斌教授、劉振興教授、吳謹教授、顧進廣教授、劉斌教授、張濤教授和楊永立教授，澳大利亞Queensland University of Technology的田玉楚教授，國家電網信息通信有限公司博士後張翼英，北京郵電大學崔寶江教授，德國法蘭克福大學的博士後潘林，中國電力科學研究院計量研究所所長章欣、副所長徐英輝和高級工程師趙兵，韓國LSI公司Kwon Bong Hyun常務，韓國Nestfield公司Kim Dae Joo常務，武漢研能科技有限公司嚴宇峰經理，武漢麥希力德科技有限公司魯彥玉經理。
作者的工作還得到以下領導，教授和同事的熱情幫助與支持，在此表示感謝，他（她）們是：武漢科技大學馬婭婕博士、黃衛華博士、章政博士、蔣錚博士、劉曉玉博士、黃浩軍博士、趙敏老師、陳彬老師、劉毅敏老師、周紅軍老師、方紅萍老師、楊玲賢老師、徐望明老師、梁開老師等，華中科技大學姜曉偉博士、曲峰林博士、池明博士、陳超洋博士和王寶賢博士，韓國Hanyang大學的丁月民博士、段權珍博士和余萌萌博士，
感謝在該領域早期探索並有諸多貢獻的先行者們，沒有他們的貢獻這本書將難以為繼並順利完成。由於篇幅限制，還有不少同志為本研究成果與本書做了不少工作，在此不能一一列出，謹向所有同志致以衷心的感謝！
特別感謝我的父母，他們在我多年的求學生涯中給與我充分的理解、鼓勵和支持，他們的默默奉獻使我有更多的時間和精力投入科研之中，感謝他們為我所做的一切；感謝我的丈夫馮文利，他的理解每每使我倍感溫暖，還有我的女兒馮悅辰的開朗的笑聲使我忘記疲勞。謹以此書獻給他們！
由於作者水平有限，書中錯誤和缺點在所難免，歡迎讀者批評指正。
作者
目前針對智慧型家居無線感測器網路路由的研究還沒有系統專門的介紹，本書作者博士和博士後階段對智慧型家居無線感測器網路路由算法進行了多年的研究積累。為促進學術和技術交流，作者撰寫本書以求共同進步，為智慧型家居物聯網技術作一點貢獻，為智慧型家居無線感測器網路路由設計提供一種新的思路和途徑。到目前為止，書中所涉及的相關路由算法已在國際期刊、會議上公開發表。書中重點研究了智慧型家居無線感測器網路的路由算法，採取了網路仿真的方法研究所有關鍵算法的有效性和算法運行性能，取得了一些具有一定創新性的研究成果。本書共5部分，按提出問題，分析問題，解決問題的思路，循序漸進地闡述了作者的研究結果：
1、對工程實踐中廣泛使用的智慧型家居無線感測器網路協定ZigBee進行了詳細的仿真研究，並提出了在工程實際套用中對ZigBee的層次路由和AODVjr路由進行改進的方案。
2、在第1部分的研究結果中，作者發現ZigBee的AODVjr路由算法主要採取洪泛的方式查找路由，洪泛查找路由帶來的直接問題是網路節點能量消耗過大，易產生MAC層廣播風暴，從而引起實際套用中網路數據包投遞率過低。因此，作者從如何限定和調整洪泛路由區域的角度研究了AODVjr的一些改進方法以達到提高智慧型家居無線感測器網路路由的數據包投遞率的目的。
3、在第2部分的研究結果中，作者發現使用洪泛或區域性洪泛技術查找路由時節點能耗和通信開銷仍然較高，還是會引起MAC層負擔過重的問題。因此，作者研究了如何在智慧型家居無線感測器網路路由中引入啟發式的局部單播路由決策的方法。
4、在第3部分的研究結果中，作者發現雖然在智慧型家居無線感測器網路路由中引入啟發式的局部單播路由決策方法達到了網路節點能耗有效降低，數據包投遞率顯著提高的目的，但是出現了網路能耗不均衡的現象。因此，作者研究了如何將複雜網路理論引入到啟發式的局部單播路由決策中，將網路流量以更為均衡的方式分配到網路中的多條路徑上，延長了智慧型家居無線感測器網路生命期。
5、在研究智慧型家居無線感測器網路路由通信的基礎上，對智慧型家居無線感測器網路套用展開了探索性研究。主要研究了有關智慧型家居無線感測器網路的分簇算法和智慧型家居能耗控制算法。
本書的出版得到了國家自然科學基金（項目號：61105070，61104215）、湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計畫項目（項目號：T201302）、國家國際科技合作專項項目（項目號：2013DFG72850）、國家重點基礎研究發展計畫項目（973項目，項目號：2012CB724400）的資助和電子工業出版社的大力支持，在此致以由衷的謝意。
書的撰寫過程中得到了我的博士導師，武漢科技大學方康玲教授和我的博士後合作導師華中科技大學關治洪教授的指導和支持。兩位教授淵博的學識、謙和的為人，寬廣的胸懷，嚴謹的治學態度，開拓進取的創新意識都深深地影響著我，是我今後工作中學習的楷模，在此我謹向兩位教授表示深深的敬意和衷心的感謝。
書的撰寫期間，作者曾多次前往韓國Hanyang大學無線感測器網路研究中心學習和交流，受到了該中心負責人Hong Seung Ho教授的悉心指導，他為作者提供了良好的科研環境以及大量參與工程實踐鍛鍊的機會。Hong教授淵博的學識，嚴謹的治學態度和忘我的工作精神深深地激勵著作者。在該中心的學習使作者受益匪淺，在此對Hong Seung Ho教授表達最誠摯的謝意。
書的出版還得到了以下領導、專家的關心，指導和支持，在與這些教授，專家的長期學術交流、合作過程中收益很大，在此深表感謝，他（她）們是武漢科技大學柴利教授、吳懷宇教授、陳和平教授、王斌教授、劉振興教授、吳謹教授、顧進廣教授、劉斌教授、張濤教授和楊永立教授，澳大利亞Queensland University of Technology的田玉楚教授，國家電網信息通信有限公司博士後張翼英，北京郵電大學崔寶江教授，德國法蘭克福大學的博士後潘林，中國電力科學研究院計量研究所所長章欣、副所長徐英輝和高級工程師趙兵，韓國LSI公司Kwon Bong Hyun常務，韓國Nestfield公司Kim Dae Joo常務，武漢研能科技有限公司嚴宇峰經理，武漢麥希力德科技有限公司魯彥玉經理。
作者的工作還得到以下領導，教授和同事的熱情幫助與支持，在此表示感謝，他（她）們是：武漢科技大學馬婭婕博士、黃衛華博士、章政博士、蔣錚博士、劉曉玉博士、黃浩軍博士、趙敏老師、陳彬老師、劉毅敏老師、周紅軍老師、方紅萍老師、楊玲賢老師、徐望明老師、梁開老師等，華中科技大學姜曉偉博士、曲峰林博士、池明博士、陳超洋博士和王寶賢博士，韓國Hanyang大學的丁月民博士、段權珍博士和余萌萌博士，
感謝在該領域早期探索並有諸多貢獻的先行者們，沒有他們的貢獻這本書將難以為繼並順利完成。由於篇幅限制，還有不少同志為本研究成果與本書做了不少工作，在此不能一一列出，謹向所有同志致以衷心的感謝！
特別感謝我的父母，他們在我多年的求學生涯中給與我充分的理解、鼓勵和支持，他們的默默奉獻使我有更多的時間和精力投入科研之中，感謝他們為我所做的一切；感謝我的丈夫馮文利，他的理解每每使我倍感溫暖，還有我的女兒馮悅辰的開朗的笑聲使我忘記疲勞。謹以此書獻給他們！
由於作者水平有限，書中錯誤和缺點在所難免，歡迎讀者批評指正。
作者
