U级C勒蒙特在Uvergne和科尔D八角形S科学 我们的我的天才作者：C·勒蒙-F·埃兰德THese提交人M·乌萨 作者：EthieSarr要获得的等级D产科医生从 大学毕业S专业化 I形而上学用于实现线性无线传感器网络的动态管理的拓扑和寻址的自动构造机制的规范于2018年1月17日在评审团面前公开支持：报告员：KARA Naidja魁北克大学教授夫人。米奈·帕斯卡尔M. PHAM Congduc巴黎INRIA HDR研究员波城大学和阿杜尔地区教授主任：M.米森·米歇尔克莱蒙特奥弗涅大学教授共同监督员：M.尼昂·易卜拉希马Cheikh Anta Diop大学人类发展报告讲师客人：M. 德洛贝尔·弗朗索瓦Servajean Marie-FrançoiseM.博施·阿德里安·范登克莱蒙特奥弗涅大学讲师克莱蒙特奥弗涅大学讲师图卢兹第二大学讲师iii摘要线性无线传感器网络（RdCSFL）是传感器节点沿多条线路部署的无线传感器网络的一种特殊情况。RdCSFL用于监控公路、铁路、天然气、水、石油和水道基础设施。所提出的传统拓扑形成和寻址解决方案不适合RdCSFL环境。实际上，这些协议使用的初始参数，例如子节点的最大数目（Cr）、子路由器节点的最大数目Rx、树的最大深度 D’autres solutions adaptéesRdCSFL使用网络节点的群集组织，并且它们也基于预先设置的参数，例如每个簇的最大簇子数。此外，这些解决方案需要因此，在本文中，我们提出了用于线性无线传感器网络的逻辑拓扑、寻址和路由的自动构造的协议我们的协议还提供了用于动态管理RdCSFL的机制，包括添加新节点、在地址块耗尽的情况下为节点重新分配地址以及管理到多个网络汇的路由。使用Castalia/Omnet++模拟器对我们的各种协议进行评估。我们的模拟结果表明，我们的协议可以构建一个具有很少孤立节点（没有逻辑地址的节点）且没有深度限制的连接RdCSFL。通过我们的模拟，我们还表明，我们的贡献允许iv关键词：线性无线传感器网络，拓扑结构，自动部署，寻址，路由，多汇摘要线性无线传感器网络（英语：Linear Wireless Sensor Network，简称LWN）是无线传感器网络的一个分支，其中传感器节点大致部署在多条长线路上。LWN用于监控道路、管道等基础设施和河流等自然实体。拓扑构造和寻址的经典解决方案在LWN上是无效的。例如，使用每个节点的最大子节点数（Cr）、每个节点的最大子路由器数（Rx）和最大树深度等初始网络参数，类似ZigBee的解决方案会浪费网络节点的可用地址空间，并将可寻址树的深度限制为：15跳。为LWN提出的其他解决方案使用集群树组织，并基于初始网络参数，如每个集群的最大子集群数。此外，这些解决方案需要大量手动干预不同的传感器节点，并且不允许对网络扩展进行调整（添加一组新的传感器节点）。在本文中，我们提出了允许线性无线传感器网络的拓扑结构、寻址和数据路由的协议。我们的贡献还提供了动态管理LWN的机制（添加新节点、地址重新分配和到多个接收节点的数据路由）。使用Castalia/Omnet++模拟器对我们的各种协议进行评估。我们的模拟结果表明，我们的pro-tools允许使用非常少的孤立节点和没有深度限制来构建连接的LWN。我们还表明，我们的贡献允许在不同的Lwiki上添加许多新节点，并适应部署。 多个接收器，以提高数据交付包的比率和延迟。关键词：线性无线传感器网络、拓扑结构、地址大小、路由、多接收器v谢谢你如果没有几个机构和许多人的帮助和支持，这篇论文我想对我的博士生导师们表示最大的感谢。米歇尔·米松先生。易卜拉希马·尼昂和M. François Delobel，他信任我，给了我机会在LIMOS SIC Axe的网络和协议团队中进行这篇丰富而富有启发性的论文。在M.波城大学教授Congduc Pham、魁北克大学教授Kara Naidja女士和INRIAHDR研究员Pacale Minet女士同意提交我的论文手稿。我谨向他们表示热烈的感谢，感谢他们花时间、热情和仔细阅读手稿。 他们的宝贵意见使我能够改进这项工作。我还要感谢Marie-Françoise Servajean女士，高级讲师和M. Adrien Van Den Bossche，讲师，感谢我想借此机会向Thiès大学校长Matar Mour Seck教授和UFR SET主任Cheikh Sarr教授表示感谢，他们为我安排了教学任务，使我在ClermontAu- vergne大学的学习更加轻松，并向Thiès大学计算机科学系的同事和教职员工表示感谢我还要感谢Moussa Lo教授和Ousmane Thiaré教授以及CEA-MITIC（非洲英才中心）的整个团队的支持我还要感谢工程科学博士学院（SPI），特别是其主任M.感谢Therry Chateau在行政程序方面的建议和帮助。我还要感谢LIMOS实验室主任M. FaroukToumani，他不知疲倦的行政经理Béatrice Bourgier夫人和实验室的所有行政和教学人员，感谢他们在面对最多样化的需求时的可用性。vi非常感谢网络和协议团队的所有教师、博士生和实习生，他们总是在那里回答我的问题，并为我的研究提供建议和指导。非常感谢Alexandre Guitton、Frédérique Jacquet、Gérard Chaloub、Antonio Frétas和Joël Toussaint多年来的建议和支持。还要感谢Thérèse、Honoré、Xavier、David、Malick、Hamadoun和Sidibé、Guenne、Mouna以及我在C6办公室遇到的所有人，感谢他们我还要感谢IUT Clermont计算机科学、网络和电信系的所有工作人员。我还要感谢我在克莱蒙特的朋友们，感谢他们的鼓励和支持，这些年来，我与他们度过了美好的时光。特别注意的是特别注意我的教练M. François Delobel感谢他所有的不懈支持，让我度过了愉 快 的 逗 留 ， 丰 富 的 教 学 ， Linux 世 界 的 技 术 技 能 和 奥 弗 涅 地 区 的découverts。最后，我必须向我和我在塞内加尔的所有朋友表示感谢，感谢他们的支持和鼓励，但最重要的是，我要感谢我的整个家庭的支持和祈祷。vii目录一般介绍1最新技术水平1.1无线传感器网络的应用91.1.1在卫生领域的应用101.1.2在环境领域1.1.3在物体、动物或人的跟踪中的应用....................................... 111.1.4家庭自动化领域的应用1.1.5线性基础设施中的应用1.2无线传感器网络中的标准131.2.1低速率无线个人区域网（LR-PAN）802.15.4标准ZigBee 18标准1.2.2低功耗广域网（LPWAN）20Sigfox 20远程广域网（LoRaWAN）211.3RdCSF中的拓扑控制1.3.1基于发射功率调节的机制.......................................................1.3.2基于聚类的1.3.3混合机制1.4线性无线传感器网络1.4.1线性无线传感器网络中的拓扑36k冗余................................ 拓扑38N级分层拓扑聚类树中的拓扑1.4.2线性无线传感器网络中的MAC协议....................................... 41双模式实时MAC 41定向调度MAC（DiS-MAC）45viii长链MAC（LC-MAC）45基于线性令牌的MAC协议（LTB-MAC）471.5线性RdCSF中的寻址技术....................................................................1.5.1使用ZigBee 49分布式寻址机制..............................................1.5.2分布式借用寻址方案的适用于ZigBee无线传感器网络（DIBA）521.5.3用于网络的基于ZigBee的寻址机制线性无线传感器1.5.4RdCSFL的路由寻址机制多层次591.6L’approche multi-puits dans les réseaux de1.6.1用于节能车轮的多源多轴树丁（缪斯）611.6.2通用能量平衡梯度路由专业版托科尔（GB-GBR）641.6.3用于负载平衡的基于梯度的路由协议（GLOBAL）651.7结论662线性RdCSF的形成机制692.1线性无线传感器网络2.1.1严格线性的无线传感器网络。702.1.2带分支的线性无线传感器网络............................................... 712.1.3线性系数2.2L’algorithme2.3L’approche centralisée2.3.1RdCSFL中的邻近概念2.3.2树结构的线性...........................................................................2.3.3端节点的情况...........................................................................2.4L’approche distribuée2.4.1邻居发现阶段2.4.2纱线收集阶段2.4.3子树大小的传播阶段2.4.4地址的传播阶段2.5DiscoProto 101中的数据路由2.6线性拓扑生成器ix2.7DiscoProto......................................................................................... 105方案的评价2.7.1L’environnement2.7.2接近物理拓扑2.7.3连接数对平均关联时间的影响.............................................2.7.4111级的过渡...........................................................................2.7.5L’efficacité2.7.6定时器对平均关联持续时间的影响.....................................2.8结论1193动态线性RdCSF的管理机制3.1添加新节点1233.1.1新节点稀疏的情况1233.1.2新节点分支的情况1273.2地址重新分配.....................................................................................3.2.1新节点稀疏的情况1303.2.2新节点分支的情况1313.3地址表的管理......................................................................................3.4线性RdCSF 134中的多汇路由3.4.1道路施工阶段3.4.2道路维护3.5DiscoProto...................................................................................................138动态方案的评价3.5.1增加新节点的成本估算.........................................................3.5.2初始网络大小对添加新节点的影响.....................................3.5.3140个新节点的关联率..........................................................3.5.4控制......................................................................................... 信息过载和分布的研究1413.5.5评估捐赠数据包的比率和延迟-出生于井1423.5.6过载对网络的3.6结论1454结论和展望1474.1贡献摘要4.2观点150x线性拓扑生成器153xiB.用于我们的模拟关于Castalia157C使用DiscoProto形成的拓扑示例159拓扑线性的D检验器163E Castalia上用于评估的模拟参数示例Proto167演示文稿出版物列表171参考文献173xii图表0.1用于河流监测的无线传感器网络20.2无线传感器节点的体系结构.....................................................................0.3具有多个颈井的无线传感器网络用于监测河流的读数.................................................................................1.1协议栈802.15.4/ZigBee 141.2802.15.4拓扑类型1.3802.15.4的超帧结构1.4ZigBee拓扑的类型1.5LoRaWAN 22网络的体系结构................................................................1.6节点上的LoraWAN协议栈1.7LoRaWAN 25时间段的分布1.8节点A 27附近1.9采用集群方法的体系结构模型...............................................................1.10EDCS 30的构建1.11LEACH 32架构1.12两层MultiRouting-LEACH架构1.13MultiHopLEACH 35的架构1.14线性拓扑的示例1.15RdCSF拓扑类型k-冗余381.161级线性网络的结构.................................................................................1.173级线性网络的体系结构.........................................................................1.18RdCSF集群网络的组织............................................................................1.19细胞产生的机制1.20无保护模式下的通信1.21保护模式下的通信1.22DiS-MAC 45的功能1.23LC-MAC 46的逻辑拓扑1.24SSSYNC 46继电器的操作1.25消息SSSYNC 471.26LTB-MAC 48中节点的状态.....................................................................xiii1.27Zig群集树网络中的地址分布蜜蜂511.28参数为Cm=2，Rm=2，Lm=5的DAAM问题521.29DIBA 54的不同阶段1.30线性网络簇树的寻址...................................................................................1.313级线性网络的寻址.....................................................................................1.32从多源到多汇方案示例631.33路径重叠的示例场景631.34将路径切换到...............................................................................................1.35使用MUSTER 63的路由示例2.1拓扑1-冗余702.2拓扑2-冗余712.32-冗余拓扑，由两条带一个区域的72号交叉口2.4具有72个分支的RdCSFL示例2.5由3行组成的RdCSFL示例的线性系数732.6由4行组成的RdCSFL示例的线性系数742.7Prim 77算法的工作原理..............................................................................2.8RdCSFL 80中的邻近概念2.9树节点选择的线性度...................................................................................2.10接近度概念，端节点...................................................................................2.11使用中心方法构建拓扑的示例由DiscoProto...............................................................................85提供。2.12使用DiscoProto...........................................................87的不同节点状态2.13纱线收集阶段的顺序图2.14从DiscoProto到网络启动的步骤952.15从DiscoProto到第二个周期的步骤962.16子节点收集周期2.17从DiscoProto到第七个周期的步骤982.18DiscoProto...................................................................98生成的拓扑示例2.19尺寸收集阶段的顺序图子树和地址传播1012.20节点寻址步骤...............................................................................................2.21按分支数划分的平均分离数1092.22每个分离的平均关联时间...........................................................................2.23按网络大小划分的平均关联时间...............................................................2.24按网络节点数划分的平均关联率...............................................................xiv2.25Tempsmoye nd'a100节1142.26Tempsmoy nd以及对于网络的不同线程收集持续时间100节115节2.27对于100个节点的网络，对于不同的质询持续时间，Te mpsmoye n d'ass oci a t i o n p o u r D u r e _ C o ll e c t e = 2 s。1162.28挑战+收集持续时间的平均关联时间对于100个节点的网络1183.1添加新的稀疏节点的过程....................................................................3.2添加新节点时的地址重新分配过程.....................................................3.3添加新节点分支的过程........................................................................3.4添加新的稀疏节点后的网络1323.5添加新节点分支后的网络....................................................................3.6具有多个井的无线传感器网络1353.7悲伤的传播3.8200个节点网络中每个分支数的平均关联时间..................................3.9添加20个分支（每个分支20个节点）的平均关联时间在各种规模3.10在网络中发送的控制消息的分布增加142个分支时为200个....................................................................3.11为100个节点的网络传送数据包的延迟1433.12为100个节点的网络传送的数据包的比率1433.13为100个节点的网络传送的数据包与可用..........................................负载的比率145B.1生成的100个节点拓扑示例158C.1由DiscoProto 159形成的拓扑示例C.2添加新的稀疏节点（绿色节点）后由Dynamic DiscoProto形成的拓扑示例........................................................................................................C.3添加节点分支（绿色节点）的动态DiscoProto形成的拓扑示例......xvxv图片列表1.1DAAM 50提供的地址空间示例..............................................................1.2根据深度使用Cskip进行寻址的示例501.3图1.29中一些节点的路由表1.4根据参数m...............................................................................................582.1DiscoProto...............................................................................................88的不同类型消息2.2邻居表的格式2.3DiscoProto算法中使用的变量和函数。932.4地址表的格式........................................................................................2.5图2.20c 103中节点6的地址表示例.....................................................2.6生成线性拓扑的2.7实施CC 2410无线电耦合器的RX规格在Castalia 106结2.8在Castalia...............................................................................................106节点2.9模拟参数2.10DiscoProto............................................................................................ 113的不同定时器3.1图3.4中节点3的路由表3.2图3.4中节点6的路由表3.3图3.5中节点3的路由表3.4图3.4中节点3的路由表3.5图3.4中节点3的合并路由表3.6图3.7中节点63.7仿真参数3.8平均关联率.............................................................................................1简介无线传感器网络（RdCSF）是协作、收集和传输数据的无线传感器节点的集合。这些RdCSF可用于各种环境[Aky+02]，如火山[Lor+06]、河流[Pan+08]、天然气管道。 石油[Jaw+07]、铁路线[Zim+08]、桥梁[Kim+07]、卫生[Bak+07]）。无线传感器网络在这些类型的环境中的优势— 易于部署：部署RdCSF不需要预先存在的网络基础架构。事实上，RdCSF通常用于监测难以访问且没有任何网络基础设施的环境（火山区、海域、森林、河流和水道— 它们的高自组织能力实际上，根据要监视的区域，传感器节点可以通过从飞机空投随机部署，以网格形式统一部署以覆盖敏感区域，或者沿着边界或水道线性部署，— 以及它们的能量自主性然而，无线传感器节点具有一些限制，例如有限的能量源2引言YIC+08]。 这些限制使得RdCSF领域的大多数研究工作旨在提出朝着优化这些资源的管理方向前进的协议和机制森图0.1：用于河流监测的无线传感器网络图0.1中的RdCSF由充当数据传感器的传感器节点和称为汇的中继和设备组成，这些中继和设备既可以组织网络，也可以接收和处理节点传输的数据。图0.2显示了由采集模块、处理单元、通信单元和电源管理模块组成的传感器节点架构示例。采集单元允许将一个或多个传感器连接到处理单元，以测量诸如温度、湿度、亮度等数据。对于模拟传感器，需要模拟数字转换器或CAN，以便在将测量的模拟数据传输到处理单元之前将其转换为数字数据。处理单元由一个模块组成，该模块在微处理器处理数据之前或之后存储数据。另一方面，通信单元包括无线电模块，用于将测量数据发送到其他传感器节点并从其他节点接收数据。能量管理单元使得可以向传感器节点的各种组件提供其操作所需的能量，这在很大程度上要归功于电池或蓄电池。然而，在RdCSF中，部署环境在很大程度上决定了网络的拓扑和大小。在内部部署中关联链接LAN、GSM、LoRaWAN？治疗之三收集井传感器节点
