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应用于无线传感器网络的LDPC码研究及实现

作　者: 许永富
导　师: 张乃通
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 无线传感器网络差错控制 LDPC TinyOS 仿真平台
分类号: TN911.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 58次
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内容摘要

无线传感器网络是由成百上千的形状微小、价格低廉和资源有限的传感器节点构成的,以无线射频传输方式形成的一个无源类似Ad hoc网络,它可以感知网络目标环境内的信息,然后传输给用户。无线传感器网络的特点是自组织、以数据为中心、分布式合作等,传感器节点在计算处理、存储容量、传输带宽、能量消耗等方面是资源受限制的。其中,尤以能量消耗最为严重。原因在于无线传感器网络的节点的数目多、形状小、成本低、散布环境复杂等因素影响,使得其节点携带的电源能量有限,而且是一次性的,这就使如何合理消耗能量以便尽量延长其使用时间成为无线传感器网络需要解决的最重要因素。当前,随着大规模IC工艺的突飞猛进,在处理器和传感器部分消耗的能量已经可以忽略不计,电源能量主要消耗在无线通信上,所以,无线通信才是无线传感器网络能耗问题的最大瓶颈,只要减少了无线通信的能量消耗,无线传感器网络的使用时间就会大大增加。而无线通信部分的能量消耗减少,关键在于给定信道状况下,最小化其误比特率,信道编码就是降低误比特率的重要手段。基于无线传感器网络上述特点,本文提出了在无线传感器网络中使用LDPC码进行差错控制。然后本文介绍了LDPC码的概念、特性、结构以及典型的编码和译码算法,并对LDPC码的译码算法和码长对LDPC码性能的影响进行了仿真研究。本文根据无线传感器网络的能量模型公式,得出使用LDPC码的无线传感器网络比不使用信道编码的无线传感器网络,具有更高的能量效率和链路可靠性。本文中无线传感器网络节点的MCU采用的是Atmega128L,低功耗射频芯片采用的是CC1000。在无线传感器网络特有的操作系统TinyOS上,本文实现了LDPC码在无线传感器网络的实际应用。通过仿真器Avrora仿真我们可以发现。使用LDPC码的无线传感器网络,在能量效率,传输有效距离以及传输效率,均有了很大的提高。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-15
  1.1 课题研究背景  10-11
  1.2 无线传感器网络研究进展  11-12
    1.2.1 MAC 协议  11
    1.2.2 拓扑控制管理  11
    1.2.3 数据管理  11-12
    1.2.4 服务质量管理  12
  1.3 LDPC 码研究进展  12-14
  1.4 本文各章节主要内容  14
  1.5 本章小结  14-15
第2章无线传感器网络概述  15-23
  2.1 无线传感器网络  15-18
    2.1.1 网络体系结构  15-16
    2.1.2 无线传感器节点  16
    2.1.3 网络协议栈  16-18
  2.2 无线传感器网络特征  18-20
    2.2.1 与当前无线网络的区别  18
    2.2.2 无线传感器节点的限制  18-20
    2.2.3 无线传感器网络的特点  20
  2.3 无线传感器网络应用  20-22
    2.3.1 军事侦查  20-21
    2.3.2 生态状况监测  21
    2.3.3 建筑健康及安全监控  21
    2.3.4 智能住宅、医疗保健  21-22
  2.4 本章小结  22-23
第3章 LDPC 码的基本原理与仿真  23-34
  3.1 线性分组码的特性  23-24
  3.2 LDPC 码特性  24-27
    3.2.1 LDPC 码结构  25-26
    3.2.2 LDPC 码的Tanner 图表示及非规则LDPC 码  26-27
  3.3 LDPC 码的编码  27-28
  3.4 LDPC 码的常用译码算法  28-33
    3.4.1 硬判决译码算法  28-29
    3.4.2 软判决译码算法  29-32
    3.4.3 译码算法比较  32-33
    3.4.4 码长对译码性能的影响  33
  3.5 本章小结  33-34
第4章 LDPC 码在无线传感器网络中的应用  34-40
  4.1 概述  34-35
  4.2 基于LDPC 码的差错控制  35-37
    4.2.1 差错控制引起的能量消耗  35-36
    4.2.2 差错控制的能量模型  36-37
  4.3 信道参数  37-38
  4.4 改进的LDPC 码硬判决译码算法  38-39
  4.5 仿真结果分析  39
  4.6 本章小结  39-40
第5章平台仿真及实现  40-50
  5.1 TinyOS 简介  40-41
  5.2 TinyOS 仿真平台  41
  5.3 Avrora 仿真器  41-45
    5.3.1 Avrora 环境配置  42-43
    5.3.2 使用Avrora 仿真  43-45
  5.4 LDPC 码编译码在无线传感器网络中方案实现  45-48
    5.4.1 硬件环境  45-46
    5.4.2 LDPC 码编码方案在无线传感器网络中实现  46-47
    5.4.3 LDPC 码译码方案在无线传感器网络中实现  47-48
  5.5 仿真结果  48
  5.6 性能比较  48-49
  5.7 本章小结  49-50
结论  50-51
参考文献  51-56
攻读学位期间发表的学术论文  56-58
致谢  58

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