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基于网络演算与GTS机制的WSNs性能分析

作　者: 李翠
导　师: 巨永锋
学　校: 长安大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 无线传感器网络性能界限保障时槽网络演算服务质量
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

IEEE802.15.4/ZigBee协议可以支持无竞争的GTS信道访问机制，因此基于GTS机制的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）经过合理配置后能够提供有保证的高质量服务。通过对WSNs进行定性或定量的性能分析可以确定其配置参数是否合理。利用网络演算理论对WSNs进行定量的性能分析时，可以在不依赖复杂仿真实验平台的情况下，建立网络配置参数与性能界限之间的显式数学关系。论文基于确定型网络演算理论，系统地建立了GTS机制下WSNs的分批服务模型和网络演算模型，获得了比现有研究更为紧凑的性能界限。当这些性能界限用于指导WSNs配置时，可以节约更多网络资源。论文的主要研究成果如下：(1)针对现有研究给出的服务曲线定义比较抽象这一缺点，对三种服务曲线进行了详细分析，指出了它们之间的区别和剩余服务曲线的适用条件。(2)提出在对WSNs进行性能分析时，将激活时间序列后置于时分簇调度周期的末端，并假定各感应数据流猝发容忍在网络初始化完成后的瞬间同时产生。这种假定避免了猝发容忍都在节点GTS刚结束时发生这种低概率情况，可使最末端GTS对应节点的流入数据具有最大调度延迟，同时又避免节点服务曲线均取最大调度延迟这种不合理情况。(3)分析了GTS机制下节点的服务过程，明确了GTS长度内数据传输有效占用时间和空闲浪费时间的大小与分布规律，指出数据可以跨越同一个GTS内相邻的时槽进行连续传输。提出了更符合实际情况的基于TS的等效带宽和服务曲线，推导了基于TS的WSNs节点积压数据上界和单跳延迟上界。通过数值分析分别对基于TS和基于BI的等效带宽及WSNs节点性能界限进行比较。数值分析结果表明：节点等效带宽由数据帧长度、帧间间隔、占空比、最大重播次数等众多因素决定，而且等效带宽远小于名义带宽；同时，基于TS的方法求解的节点性能界限更符合实际情况。(4)证明了基于TS和基于BI两种不同方法求得的数据流输出函数上界是相同的，发现了输出函数上界与到达曲线的一致性、以及到达曲线的可平移性和不变形性这两个重要特性。提出了初始调度延迟、修正调度延迟、汇聚时刻、调度时刻、分段汇聚流等概念。以链式WSNs为研究对象，提出了分段汇聚流数量的求解方法，建立了链式WSNs的分批服务模型和性能分析演算模型。数值分析结果表明：与现有研究相比，本文方法能够大幅降低节点积压数据上界和端到端延迟上界；同时，对链式WSNs，现有研究所谓最坏情况，在本文演算模型中反而是最好情况。(5)建立了簇树WSNs的网络模型，分析了移动sink节点与簇树WSNs的连接方式对网络拓扑的影响。通过分析单层簇树WSNs的数据流传输与汇聚规律，发现通过建立“虚拟链式WSNs”可以建立簇树WSNs的分批服务模型和性能分析演算模型。数值分析结果表明：得益于分批服务模型的建立，本文方法求解的簇树WSNs性能界限比现有研究更为紧凑；采用合适的SD序列可以获得较优的网络性能。

基于网络演算与GTS机制的WSNs性能分析

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