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无线传感器网络中链路质量评估器的设计与实现

作　者: 马见雄
导　师: 齐红；高滢
学　校: 吉林大学
专　业: 软件工程
关键词: 无线传感器网络链路质量指数加权移动平均灵敏稳定
分类号: TP311.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在具有低功率特点和无线设备的传感器网络中,面临着许多问题与挑战。基于观察包接收情况的链路丢包率评估问题就是其中一个。多跳传感器网络自组织性的基础是实时无线链路质量评估,本文通过描绘实际链路,成功地设计并实现了链路质量评估器,完成了评估器的分析设计、前台后台的编码工作。链路质量评估器可以实时地、直观地、真实地反映无线传感器网络中的链路状况,做出动态显示,这对于任何有线或无线的自组织网络至关重要,因为路由选路必须建立在可靠链路上。本文首先根据IEEE 802.15.4协议分析了网络协议中数据帧的格式,判断出数据包是否被成功接收,从而描绘出实际链路,完成了评估器的后台部分。评估器可以从串口中读取实际链路数据、进行显示并最终保存下来,通过改变参数,可实现对同一条链路进行多次分析和观察。通过评估器的动态显示可以明显看出它对于链路状况有预测功能,即评估器根据历史数据可以推断出下一阶段的链路情况,变化趋势要比实际链路明显的多,可以正确的预知下一阶段的链路状况。这一特性可以为路由选路提供依据。本文利用VB、AVR Studio等开发工具实现了一种链路质量评估器。评估器是由传感节点通过对周围节点分组成功和丢失事件的检测,来评估当前邻居节点的链路质量状况,为上层协议提供路由建立和维护的信息。这就要求链路评估器必须处于稳定状态且对于潜在的重大变化反应灵敏,以避免因为评估的抖动和错误引入路由的回路。由于节点资源的局限性,要求评估器的存储需求尽可能小,并且尽可能降低计算复杂度,这就限制了许多成熟的链路评估机制的使用,如线性衰退、卡尔曼滤波等。根据移动平均(MA)及指数加权移动平均(EWMA)算法思想对链路数据进行运算处理,可以分别得到动态链路评估图,直观地显示链路状况。为此,本文采用了移动平均(MA)及指数加权移动平均(EWMA)算法进行链路评估器的设计。本文通过解析数据帧,计算收包率,得出实际链路。基于实际链路,模拟了一系列评估器,利用简单的移动平均评估器和指数加权移动平均评估器作比较,并讨论了灵敏、稳定和评估器历史数据量之间的关系。定义了评估器的调节目标,阐述了每个评估器为达到调节目标设定的相应参数值。本文设计的灵敏型评估器能够对链路中的重大变化迅速做出反应,稳定型评估器能够有效预测链路质量,而且评估器有一定的记忆功能且易于计算,对于评估链路质量是非常有效的。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-13
  1.1 背景知识  9-10
  1.2 课题的研究内容和研究意义  10
  1.3 国内外研究现状  10-11
  1.4 论文的主要结构  11-13
第2章相关原理  13-18
  2.1 评估器设计原理  13-14
  2.2 IEEE 802.15.4 协议  14-15
  2.3 移动平均算法(MA)  15-16
  2.4 指数加权移动平均(EWMA)算法  16-18
第3章系统分析  18-23
  3.1 系统开发环境  18-21
    3.1.1 软硬件平台  18
    3.1.2 MicaZ 节点  18-21
  3.2 物理链路主要特点  21-22
    3.2.1 不可靠性  21
    3.2.2 突发性  21-22
    3.2.3 非对称性  22
  3.3 评估器的功能描述  22-23
第4章系统设计  23-31
  4.1 前后台处理过程  23
  4.2 后台设计  23-25
  4.3 前台设计  25-28
    4.3.1 从串口读数据  25
    4.3.2 记录测试数据  25-26
    4.3.3 描绘实际链路  26
    4.3.4 算法处理  26-28
  4.4 界面设计  28-31
第5章系统实现  31-39
  5.1 后台实现  31-32
  5.2 前台实现  32-38
    5.2.1 从串口读数据  32-34
    5.2.2 记录测试数据  34
    5.2.3 描绘链路  34-35
    5.2.4 算法实现  35-38
  5.3 界面实现  38-39
第6章性能测试与分析  39-45
  6.1 影响收包率的主要因素  39-40
  6.2 测试结果与分析  40-45
第7章结论  45-46
参考文献  46-48
作者简介  48-49
致谢  49

无线传感器网络中链路质量评估器的设计与实现

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