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基于无线电唤醒机制的无线传感器网络协议研究

作　者: 林雨
导　师: 袁小龙
学　校: 北京交通大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: 无线传感器网络 能量优化 低延时 令牌环网
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


本文的主要研究对象为无线传感器网络(Wireless sensor network, WSN),由于无线传感器以内置电源提供其计算与对周围数据进行感应所需能量,所以当无线传感器被布置在高危地区或极端条件环境下时,由于电量耗尽而更换电源开始显得不切合实际。因此针对电源的能量消耗问题称为无线传感器网络设计和应用中的一个关键研究问题。与此同时,传感器对关键数据进行感应以后,我们还要保证关键数据最快地被传递到目标节点或终端,因此,在保证其处理数据低功耗的前提下,我们还要对其数据传输的低延时特性进行探讨。在本篇论文中,我们设计了一种针对MAC层的新型无线传感器网络协议,本协议采用了无线电唤醒机(radio triggered)制和令牌环网(token ring)机制,对传感器网络的低功耗与低传输延时提供了很大的帮助。此协议对网络传输中主要的能量消耗源均提出了相应的解决办法与此同时,使数据在传输中的数据延迟减低。现阶段主要针对低功耗问题的无线传感器网络协议基本通过设定传感器节点的服务周期(duty-cycling)来周期性地唤醒传感器节点从而实现数据传输过程中能量消耗的优化。本文针对服务周期在传输延时较大方面的缺点,引用了I-ESTR (Improved Energy Saving Token Ring)这种无线电激发唤醒机制从而试图降低数据传输延时。在本方案中我们通过一种称作无线电唤醒电路的硬件装置：当一个节点需要向另一个节点传递数据时,只要开启唤醒电路,发射唤醒信号,就可以将处于睡眠(sleeping)状态的传感器节点唤醒过来。从而做好数据接收的准备。除此以外,本文通过使用令牌结构使各个节点在传输数据的时间分配问题上得到优化；换而言之,本文通过令牌结构使每个传感器节点都有充裕的时间进行数据处理与传输,而不会发生数据丢失情况。最后,I-ESTR协议与其它两种主流的无线通信协议：S-MAC与RTS/CTS IEEE802.11协议在能量消耗与数据传输延时问题上进行了性能对比,在仿真过程中,本文采用OMNET++4.1仿真软件作为仿真环境,仿真得出了非常满意的预期结果。结果显示：I-ESTR协议在能量消耗与数据传输延时问题上都有优于S-MAC与传统802.11协议的地方。

全文目录


致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-10
1 引言  10-16
  1.1 无线传感器网络相关问题概述  10-13
    1.1.1 无线传感器网络与无线自组网的对比和特征  10-11
    1.1.2 无线传感器网络的基础体系结构  11
    1.1.3 无线传感器节点的基础体系结构  11-12
    1.1.4 无线传感器网络的通讯协议层次结构  12-13
  1.2 无线传感器网络的服务质量(QoS)特点  13-14
    1.2.1 影响网络服务质量(QoS)的相关指标与参数  13-14
  1.3 本文主要研究内容  14-16
2 无线传感器网络的MAC层协议概述  16-27
  2.1 无线传感器网络MAC层概述及网络能量消耗的来源  16-18
    2.1.1 概述  16
    2.1.2 无线传感器网络MAC层特性  16-18
  2.2 无线传感器网络典型MAC协议的分类  18-27
    2.2.1 基于随机竞争的MAC协议  19-22
    2.2.2 基于时分复用的MAC协议  22-24
    2.2.3 其他类型的MAC协议  24
    2.2.4 基于CDMA技术的MAC协议  24-27
3 无线令牌协议(WTRP)  27-44
  3.1 WTRP基础协议描述  28-29
    3.1.1 基础协议描述  28-29
    3.1.2 令牌维持协议  29
  3.2 应用于无线传感器网络的改进型无线令牌协议  29-32
  3.3 ESTR代码实现  32-42
  3.4 延时仿真  42-43
    3.4.1 数据通信延时仿真  42-43
  3.5 本章结论  43-44
4 基于无线电波触发唤醒模式的低功耗协议:I-ESTR  44-58
  4.1 协议综述  44
  4.2 无线电触发唤醒模式综述  44-49
    4.2.1 第一款唤醒电路模型  45-46
    4.2.2 一些其他方案  46-47
    4.2.3 本论文所采用的唤醒模块  47-49
  4.3 基于无线电触发唤醒模式的MAC层协议:I-ESTR  49-53
  4.4 仿真与比较  53-56
    4.4.1 能量消耗模型  53-56
  4.5 本章总结  56-58
5 总结及展望  58-59
  5.1 全文总结  58
  5.2 未来工作计划  58-59
6 参考文献  59-61
作者简历  61-63
学位论文数据集  63

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 传感器的应用
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