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基于Crossbow平台无线传感网中跨层优化算法的研究

作　者: 王锦晨
导　师: 杜阳
学　校: 浙江大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 无线传感网 CSMA/CA 异构网络融合 LEACH 跨层优化
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

无线传感网是目前研究的一个热点方向,其潜在应用市场非常广阔,如环境监测,医疗系统和机器人探测等等。该网络由多个传感器节点组成,根据应用场景不同,这些传感器节点可分别监测电磁强度、温度、湿度、噪声、光强、物体移动时的大小、速度和方向等等。一般而言无线传感网分为四层,自上而下分别为应用层,网络层,媒体接入控制层和物理层。由于传感器节点多采用电池供电,且其电池的充电或更换不易实现,因此在无线传感网中考虑的最多的便是节点的能耗问题,这也是无线传感网所不同于其他网络之处。为了节省节点的能量,无线传感网的四层都需要尽可能降低能耗,其中以网络层和媒体接入控制层为甚。网络层通过使节点成簇,利用簇头节点收集一定范围内节点的信息再汇报,从而降低簇内节点的能耗。媒体接入控制层则主要通过给节点分配合适的醒睡周期以及发送数据包时采用合适的媒体接入机制以减少碰撞的发生等措施来降低节点的能耗。本文主要研究目标便是上述两层。纵观前人的研究成果,网络层比较经典的有LEACH、HEED等协议,而媒体接入控制层则有SMAC、TMAC等协议。上述媒体接入控制层协议能够有效的改善网络中的碰撞和干扰,但是其针对的是小型网络,不适合大规模组网。而网络层协议多采用随机选取簇头的机制,其选出的簇头并不能保证是网络中最合适的簇头。本文首先提出了一个基于异构网络融合的紧急事件应对机制,该机制利用蜂窝网的辅助,在紧急数据产生并探测到时,能够以较低的丢包率将紧急数据快速的传输至网关,同时也降低了节点的能耗,延长了网络的生命周期,并在紧急数据传输完成后对网络结构进行优化。然后本文又在前人研究的基础上,综合考虑了各协议的优劣,提出了一种更为全面的环形组网机制。在网络层,选取权值最小的节点作为簇头,权值的衡量分为簇内权值和簇间权值两部分,相比于其他协议而言,选取簇头时考虑的更全面也更仔细。组网时并不是所有节点同时选取簇头,而是沿环形由里及外依次组网,外环的簇头以多跳形式连接至基站。在媒体接入控制层,在CSMA/CA机制的基础上添加合适的醒睡周期,并且使簇内通信与簇间通信分布在不同的信道上,减少了这两者之间的干扰。通过仿真结果的比较,验证了环形机制的有效性。

基于Crossbow平台无线传感网中跨层优化算法的研究

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