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基于MR-MC的传感器网络架构及相关算法研究

作　者: 任平
导　师: 周祖德
学　校: 武汉理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线传感器网络 MR-MC网络蜂窝结构分层网络 CSMA/CA 虚拟令牌协商机制无线信道接入信道分配带宽分配节点定位地理路由 RED算法能量感知拥塞控制
分类号: TP212.9
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

无线传感器网络因其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点,在学术研究和军事领域引起了高度重视。随着无线通信技术、计算机技术和大规模集成电路技术的发展,传感器节点的成本已经大大降低,这不但减小了价格因素对传感器网络发展的不利影响,而且也为研究人员提供了一种新的思路和方法。近年来,随着物联网产业的兴起,传感器网络被广泛应用于数字制造和工业控制等领域,同时也对传感器网络性能提出了更高的要求。传感器网络与应用背景高度相关,现有的研究成果不完全适用于制造环境下的传感器网络；单射频单信道传感器网络无法从根本上解决暴露和隐藏终端的问题,而且随着传感器节点数目的增多,会加剧对无线信道的竞争；另外,制造环境对网络实时性和可靠性有着较高的要求,这对传感器网络来说是一个很大的挑战。因此,研究多射频多信道(MR-MC, Multi-Radio Multi-Channel)传感器网络架构及相关算法有着重要的理论价值和应用前景。本文从传感器网络架构、数据链路层和网络层的相关算法三个方面入手,深入研究了对网络实时性和可靠性要求较高的传感器网络的关键技术。所做的主要工作如下：第一,研究了MR-MC蜂窝分层网络架构。针对单射频单信道传感器网络无线信道竞争激烈和系统处理能力不强的问题,提出了一种基于MR-MC的蜂窝分层网络架构。通过子网划分和引入MR-MC技术,从物理和逻辑两个层面减少了传感器节点对无线信道的竞争,降低了传感器节点之间的通信干扰,增强了传感器网络的通信容量,改善了传感器网络的实时性能,提高了无线信道的利用效率第二,研究了无线信道的访问控制方法。针对CSMA/CA协议在无线信道接入延时方面的不确定性,提出了一种基于协商机制的虚拟令牌无线MAC协议。利用子网中传感器节点地址的连续性,通过虚拟令牌的方式实现对无线信道的访问控制,从而有效减少了因令牌维护带来的网络管理报文的数量,提高了无线信道的有效利用率,降低了传感器节点的能量消耗,增强了传感器网络的实时性能。第三,研究了多信道与网络带宽分配算法。针对传感器网络信道资源静态分配的特点,提出了一种基于最小干扰代价的多信道分配算法。信道复用提高了网络的通信容量,干扰半径的划定减少了信道之间的相互干扰,信道池预警机制的启用降低了信道分配失败的风险；针对令牌环网络带宽固定分配的现状,提出了一种基于优先级和负载感知的网络带宽分配算法。根据单个节点和整个网络的通信负载以及报文的优先级,动态调整虚拟令牌在子网中的传递顺序和传感器节点在持有令牌时能够发送的最大报文数目,使得整个网络的带宽分配趋于合理,从而满足高优先级和重节点的带宽需求。第四,研究了传感器节点定位算法。针对目前传感器节点定位算法精度不高和主要集中在二维空间的现状,提出了一种基于RSSI的参数匹配三维精确定位算法。在每一对信标节点和未知节点之间进行信号衰减模型的参数匹配,减轻了个体差异和环境因素对定位精度造成的影响；利用理论和经验模型对无线信号在障碍物中的衰减进行补偿,进一步提高了定位精度；信标节点与未知节点之间的角色转换,能够有效减小因信标节点分布不均带来的影响；实时改变节点的发射功率和定位时间间隔,可以有效减少传感器节点的能量消耗。第五,研究了传感器网络路由协议。针对传感器节点资源受限的特点和地理位置路由算法的优势,充分利用三维定位算法得到的坐标信息,提出了一种基于坐标信息的三维地理位置路由算法。通过结合理想最小能耗模型和最少跳数模型,均衡了单跳距离和节点能耗之间的关系；利用两个模型交叉区域中与源节点和目的节点之间空间直线距离最近的节点进行路由,有效缩短了数据转发路径的长度；当路由过程中遭遇“空洞”时,随机选择负向邻居节点为下一跳节点,能够减少再次遭遇“空洞”的概率,而始终沿着正向传递有效避免了回环现象的发生。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-28
  1.1 课题来源  13-14
  1.2 研究背景  14-22
    1.2.1 无线传感器网络  14-16
    1.2.2 工业无线网络与物联网  16-18
    1.2.3 制造传感器网络特征分析  18-21
    1.2.4 基于MR-MC的无线网络  21-22
  1.3 传感器网络研究现状分析  22-24
    1.3.1 传感器网络的研究内容  22
    1.3.2 传感器网络的研究挑战  22-23
    1.3.3 传感器网络的未来发展方向  23-24
  1.4 主要研究内容和创新点  24-27
  1.5 论文的组织结构  27-28
第2章基于MR-MC的传感器网络关键技术分析  28-45
  2.1 网络架构  28-33
    2.1.1 传感器网络拓扑控制  28-30
    2.1.2 当前传感器网络架构存在的问题  30-32
    2.1.3 分层网络架构提出的前提和条件  32-33
  2.2 链路层关键技术  33-38
    2.2.1 MAC协议  33-35
    2.2.2 多信道分配与回收算法  35-37
    2.2.3 无线网络带宽分配算法  37-38
  2.3 网络层关键技术  38-44
    2.3.1 节点定位算法  38-39
    2.3.2 路由协议  39-41
    2.3.3 网络拥塞控制算法  41-44
  2.4 本章小结  44-45
第3章基于MR-MC的蜂窝分层网络架构研究  45-66
  3.1 问题提出  45-46
  3.2 MR-MC蜂窝分层网络架构  46-53
    3.2.1 分层网络架构  46-49
    3.2.2 蜂窝拓扑结构  49-50
    3.2.3 关键技术分析  50-52
    3.2.4 创新点和优势  52-53
  3.3 网络仿真  53-65
    3.3.1 仿真平台  53
    3.3.2 网络仿真环境建立  53-55
    3.3.3 仿真实验与结果分析  55-65
  3.4 本章小结  65-66
第4章 MR-MC网络链路层相关算法研究  66-104
  4.1 基于协商机制的虚拟令牌无线MAC协议  66-82
    4.1.1 问题提出  66-69
    4.1.2 协议描述  69-76
    4.1.3 仿真实验与结果分析  76-82
  4.2 基于最小干扰代价的多信道分配与回收算法  82-91
    4.2.1 问题提出  82-83
    4.2.2 算法描述  83-87
    4.2.3 仿真实验与结果分析  87-91
  4.3 基于优先级与负载感知的网络带宽分配算法  91-103
    4.3.1 问题提出  91-92
    4.3.2 算法描述  92-97
    4.3.3 仿真实验与结果分析  97-103
  4.4 本章小结  103-104
第5章 MR-MC网络网络层相关算法研究  104-140
  5.1 基于RSSI的参数匹配三维精确定位算法  104-118
    5.1.1 问题提出  104-105
    5.1.2 算法描述  105-112
    5.1.3 实验模型与结果分析  112-118
  5.2 基于坐标信息的三维地理位置路由算法  118-129
    5.2.1 问题提出  118-120
    5.2.2 算法描述  120-124
    5.2.3 仿真实验与结果分析  124-129
  5.3 基于改进RED算法的能量感知主动拥塞控制策略  129-139
    5.3.1 问题提出  129-130
    5.3.2 算法描述  130-135
    5.3.3 仿真实验与结果分析  135-139
  5.4 本章小结  139-140
第6章总结与展望  140-143
  6.1 全文工作总结  140-141
  6.2 未来工作展望  141-143
致谢  143-144
参考文献  144-152
附录1:博士期间参与的科研项目  152-153
附录2:博士期间发表的学术论文  153-154
附录3:博士期间申请的发明专利  154

基于MR-MC的传感器网络架构及相关算法研究

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