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面向窄长空间的无线传感器网络可靠性关键技术研究

作　者: 周公博
导　师: 朱真才
学　校: 中国矿业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 无线传感器网络可靠性技术窄长空间服务质量保证 OPNET
分类号: TP212.9
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 450次
引　用: 2次
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内容摘要

无线传感器网络技术的飞速发展,使得大规模的、自主性的、协作性的机电设备状态监测与诊断、安全监控以及高精度的传感与测量成为可能。本文提出的窄长空间中的无线传感器网络的可靠性关键技术,主要针对诸如煤矿井下设备定位与状态监测、矿工跟踪以及灾难预警与救援,长距离地下空间的环境监测,超长隧道中的车辆状态监测等系统,所存在的缺少可靠性支撑的问题,开展了提供服务质量保证的策略和机制的研究,进而为上述系统提供软件支持,主要研究工作包括:1)窄长空间中无线传感器网络理论模型的建立。结合窄长空间的特殊地理条件,研究了窄长空间中传感器节点特有的传感特性和覆盖特性;通过分析窄长空间中无线通信的基本特征,建立了传感器节点的通信误码率特性和能耗特性;阐述了几个合理的假设条件。2)窄长空间中三维线型容错拓扑控制技术的研究。分析了节点在窄长空间各个方向上优化部署的基本要求,在此基础上设计了一种适应容错覆盖的3D线型节点部署策略;以容错覆盖为前提条件,设计了能量有效的网络分区策略。性能分析的结果表明,在窄长空间三维线型无线传感器网络中,网络的容错覆盖能力与通信能力成反比关系,分区策略的引入,能够在保证容错覆盖的前提下,有效提高网络的通信能力。3)基于多位本地量化的决策融合技术的研究。针对窄长空间中容易出现的高虚警概率、传感器数量少且信噪比低的极端环境,提出了三种本地多位量化规则,以及融合中心相应的次优决策融合规则。性能分析的结果表明,非理想信道中,即使是在信噪比高和节点数量多的前提下,基于权重的规则仍无法提高系统性能;在节点数量少,信噪比低的恶劣条件下,基于统计和冗余的规则均能有效提高系统性能,且基于统计的规则更加稳定,而基于冗余的规则在量化度有保证的前提下,性能更优。4)链状可靠数据传输服务质量保证机制的研究。明确了窄长空间中链状网络传输服务质量的基本要求,提出了以优先级区分为基础的可靠性和实时性保证的基本思路;研究了单路径数据包冗余转发机制,并分析了最优的数据包分配策略,保证了数据传输的可靠性;对窄长空间中无线传感器网络容易发生的拥塞场景进行了分析,并提出了相应的拥塞避免、检测和缓解策略,为网络提供了实时性的保障。5)窄长空间中无线传感器网络仿真平台的构建。利用OPNET Modeler对窄长空间中的无线传感器网络性能进行模拟,建立了窄长空间中无线传感器网络节点仿真模型;构建了窄长空间中无线传感器网络的场景;并对本文所分析的可靠性策略和机制对网络性能的影响进行了研究。结果表明,在分区策略下,网络性能与网络寿命是相互权衡的关系;决策融合策略,有效降低了数据包转发量,提高了网络性能;单路径数据包冗余转发机制能够提高数据传输的可靠性,但也给网络带来一定的压力;拥塞控制策略能够在保证高优先级数据需求的前提下,保证网络的实时性。6)窄长空间中无线传感器网络原型系统的构建。搭建了一个由25个Crossbow MicaZ节点构成的面向窄长空间的无线传感器网络实验原型系统,首先对可靠性支持技术进行了模块化软件设计,然后对节点进行组网实验,实现了系统对相关可靠性支持技术的验证。实验结果表明,可靠性支持技术能够在提供服务质量保证的前提下,有效地提高网络性能,所得结论与仿真结果相同。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
Extended Abstract  10-12
目录  12-16
图清单  16-20
表清单  20
变量注释表  20-21
1 绪论  21-31
  1.1 研究背景及意义  22-23
  1.2 国内外研究现状  23-28
  1.3 课题的引出  28-29
  1.4 论文主要内容  29-30
  1.5 全文组织  30-31
2 窄长空间中无线传感器网络相关模型  31-37
  2.1 感知模型  31-34
  2.2 传输模型  34-35
  2.3 几个假设条件  35-36
  2.4 本章小结  36-37
3 能量有效的容错拓扑控制技术  37-61
  3.1 三维线型节点部署策略  37-54
  3.2 能量有效性网络分区策略及性能  54-59
  3.3 本章小结  59-61
4 极端条件下可信的决策融合机制  61-75
  4.1 决策融合模型  61-63
  4.2 量化式决策融合规则  63-70
  4.3 决策规则性能  70-71
  4.4 仿真分析  71-74
  4.5 本章小结  74-75
5 链状可靠传输服务质量保证机制  75-87
  5.1 传输服务质量保证的基本要求  75-76
  5.2 优先级的区分  76-78
  5.3 可靠传输机制  78-81
  5.4 拥塞控制策略  81-86
  5.5 本章小结  86-87
6 基于OPNET 的网络可靠性技术建模与仿真分析  87-102
  6.1 OPNET Modeler 简介  87-88
  6.2 基于OPNET 的窄长空间无线传感器网络建模  88-95
  6.3 网络仿真与性能分析  95-100
  6.4 本章小结  100-102
7 窄长空间中无线传感器网络原型系统  102-110
  7.1 节点的软件设计  102-107
  7.2 组网实验  107-109
  7.3 本章小结  109-110
8 结论与展望  110-113
  8.1 本文工作总结  110-111
  8.2 论文创新之处  111-112
  8.3 存在不足和研究展望  112-113
参考文献  113-122
作者简历  122-125
学位论文数据集  125

面向窄长空间的无线传感器网络可靠性关键技术研究

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