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基于节点配置的无线传感器网络覆盖与连通问题

作　者: 董寅杰
导　师: 李德敏
学　校: 东华大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无线传感器网络节点配置覆盖与连通正六边形网格软件仿真
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 206次
引　用: 2次
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内容摘要

随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的发展,无线传感器网络得到了越来越广泛的关注,其应用已由军事领域扩展到其他许多领域。网络的覆盖与连通问题是无线传感器网络研究中的重点问题之一。本文对现有的基于网格的覆盖与连通问题进行改进,提出了一种基于六边形网格的节点配置策略,在节点随机覆盖和连通性覆盖问题的研究过程中将其与现有的配置策略进行比较和分析,最后通过构建硬件平台,通过实验验证我们所提出策略的优越性。在研究中,本文先从网络的覆盖问题入手,在传感器节点无法获得自身位置信息的前提下,提出两种基于六边形网格的节点配置策略来满足网络的覆盖。同时,在不同的节点离散度情况下将其与现有的策略进行比较,通过软件仿真我们可以得出:随机覆盖问题中节点配置策略的优劣取决于节点的离散因子,同时对仿真结果的分析说明了我们提出的节点配置策略使用更少的活跃节点就能满足相同区域的覆盖。覆盖是着重于网络节点的感知监测能力,连通则强调网络节点之间如何建立通信传输数据的能力。因此,本文又在同时兼顾了节点连通与覆盖问题,在不同的感知与通信半径比的条件下分析提出的基于六边形网格的节点配置策略,通过软件仿真我们可以看出,在同时兼顾连通与覆盖问题时我们所提出的基于正六边形网格划分策略在各项网络参数上均优于现有的正方形网格划分策略,并且网络能够生存的时间更长。为了将理论与实际相联系,我们构建了无线传感器网络平台,运用了TI公司的CC2430 ZigBee开发套件,分别对无线传感器节点模块和实时数据监控模块进行设计,并且模拟本文中提出的节点配置策略进行实验,通过实验结果可以看出,在相同区域的连通与覆盖问题上我们提出的节点配置策略较优。最后我们对研究的内容进行了展望,在本文的理论基础上如果能引入更多的服务质量因素、在本文构建的平台上引入节点定位系统,那么对无线传感器网络的实际应用会有更大的帮助。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-18
  1.1 引言  12
  1.2 研究的背景及意义  12-15
    1.2.1 现有的覆盖与连通问题研究  13-14
    1.2.2 国内外的研究情况  14-15
  1.3 本课题的目的和主要工作  15-16
  1.4 论文结构及章节安排  16-18
第2章无线传感器网络概述  18-26
  2.1 无线传感器网络发展历史  18
  2.2 无线传感器网络的体系结构  18-21
  2.3 无线传感器网络的特点  21-22
  2.4 无线传感器网络的应用领域  22-23
  2.5 无线传感器网络研究的前沿问题  23-24
  2.6 本章小结  24-26
第3章无线传感器网络中的覆盖与连通问题  26-32
  3.1 无线传感器网络覆盖问题  26-29
    3.1.1 覆盖问题的基本概念  26
    3.1.2 覆盖问题的分类  26-28
    3.1.3 覆盖问题的评价指标  28-29
  3.2 无线传感器网络的连通问题  29-30
    3.2.1 连通问题的基本概念  29
    3.2.2 连通问题的分类  29-30
    3.2.3 覆盖与连通的关系  30
  3.3 无线传感器网络的节点部署问题  30-31
    3.3.1 节点部署问题的基本概念  30
    3.3.2 节点部署问题的评价指标  30-31
  3.4 本章小结  31-32
第4章基于网格的随机覆盖策略  32-44
  4.1 网格覆盖的基本概念  32
  4.2 网格覆盖研究现状  32-33
  4.3 基于六边形网格的节点配置策略  33-39
    4.3.1 覆盖区域假设与描述  33-34
    4.3.2 两种节点设置策略  34-35
    4.3.3 覆盖一个单元的概率  35-37
    4.3.4 保证覆盖所需设置传感器数量  37-39
  4.4 仿真实验与结果分析  39-43
    4.4.1 两种新配置策略的比较  39-41
    4.4.2 与现有网络覆盖配置方法的比较  41-42
    4.4.3 结果分析  42-43
  4.5 本章小结  43-44
第5章基于网格的连通性覆盖策略  44-57
  5.1 连通性覆盖问题的基本概念  44-45
  5.2 连通性覆盖问题研究现状  45-46
  5.3 基于网格的连通与覆盖方法  46-52
    5.3.1 网络模型的假设与描述  47-48
    5.3.2 六边形网格划分方法  48-49
    5.3.3 实现区域连通与覆盖的条件  49-52
  5.4 仿真实验与结果分析  52-56
    5.4.1 与现有正方形划分方法的比较  53
    5.4.2 不同通信半径和感知半径比值下的仿真比较  53-54
    5.4.3 所需活跃节点数之间的仿真比较  54-55
    5.4.4 不同网络规模下的仿真  55-56
  5.5 本章小结  56-57
第6章无线传感器网络平台的构建  57-77
  6.1 ZigBee技术概述  57-60
    6.1.1 ZigBee技术介绍  57
    6.1.2 ZigBee协议栈介绍  57-59
    6.1.3 ZigBee技术的特点  59-60
  6.2 实验平台介绍  60-63
    6.2.1 硬件平台CC2430/CC2431芯片介绍  60-63
    6.2.2 软件平台IAR介绍  63
  6.3 平台构建过程及测试分析  63-72
    6.3.1 无线传感器节点设计  64-66
    6.3.2 数据监控界面设计  66-69
    6.3.3 系统测试  69-72
  6.4 平台的应用及结果分析  72-77
    6.4.1 实验设计  72-73
    6.4.2 结果分析  73-77
第7章结论与展望  77-78
参考文献  78-83
附录 1  83-93
附录 2  93-98
作者在研究生期间参与项目及发表论文  98-99
致谢  99

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