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无线传感器网络低功耗数据路由协议与传输技术研究

作　者: 汤波
导　师: 周明天
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 无线传感器网络路由算法层次路由协议分簇路由协议多跳通信多跳路由协作MIMO模式能量高效分布式标识生成算法
分类号: TP212.9
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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引　用: 2次
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内容摘要

伴随低功耗无线通信技术、微型传感器技术、微机电技术、嵌入式技术和计算机网络技术发展而产生的无线传感器网络,是一种新型的数据采集手段,在国防、环境和医疗等领域都具有广泛的应用前景,是当前计算机网络研究的一个极为重要的创新领域。设计符合无线传感器网络特点的数据路由技术是无线传感器网络研究的重要内容。分簇路由协议在网络扩展性、通信效率和能耗性能等方面所具有的明显优势,成为路由协议重要的发展方向。由于传感器网络的通信特点,分簇路由协议存在能耗分布不均衡、簇群之间通信能耗高以及构造能耗性能最优簇群等问题,影响了网络的生存期。本论文在对当前无线传感器网络路由协议成果的系统学习和总结基础上,对分簇路由协议中有关网络能耗分布、网络节点之间低能耗数据传输技术和簇群构造等相关问题展开了研究,取得了以下创新性成果:(1)提出了能量均衡的簇群范围控制算法ECRC(Energy-balanced Cluster Range Control algorithm)。在基于分簇的多跳传感器网络中,距离汇集节点较近的簇头需要转发距离较远的簇群的感知信息,转发数据量大,能耗高,节点的生存期短,造成簇群之间能耗的不均衡。ECRC算法根据各个簇群与汇集节点之间距离的远近来确定簇群的范围,靠近汇集节点的簇群由于转发能耗高而具有较小的范围,以降低簇群内部能耗,弥补转发能耗;而远离汇集节点的簇群因转发数据量小,而具有较大的范围,覆盖更多的节点,增大簇群自身能耗,实现簇群自身能耗与转发能耗之间的平衡,消除网络中的“热点问题”。实验结果表明,ECRC算法在能耗和生存期性能指标方面不但比簇群范围相同的路由算法具有明显优势,而且,由于结合了数据融合技术,ECRC算法还优于相同思想的EEUC算法,特别适用于大规模的无线传感器网络应用。(2)提出了协作MIMO模式数据传输的能量消耗分析模型。多节点共同参与的协作MIMO数据传输方式与分簇路由技术相结合,是设计低能耗数据路由的发展方向。为研究MIMO技术在多跳传感器网络中的能耗情况,本文提出的能量消耗分析模型,可以将复杂的MIMO模式下能耗问题转化为易于求解的SISO通信模式下的最优化问题,从而计算出网络能耗最小时的系统参数值,实现了通信能耗与电路能耗的共同优化。仿真结果表明,通过选择最优的网络参数,在多跳的分簇无线传感器网络中利用MIMO技术能显著地降低网络能耗,延长网络的生存期。(3)提出了无线传感器网络能耗最优簇群的构造策略。簇群内部的通信模式和簇群的拓扑结构决定了簇群的能耗。本文解决了以下三个簇群能耗问题:单跳、多跳两种通信模式下,网络能耗最小时,节点通信半径的表达式;簇群内采用多跳通信模式时,建立最小能耗多跳链路,实现簇群内成员节点与簇头通信能耗的最小化,降低整个簇群的能耗;提出一种在簇头和普通节点部署密度不均匀的情况下,能耗均匀的簇群构造方法。该方法兼顾了成员节点与簇头的通信能耗以及各个簇群自身的能耗负载,实现了各簇群间能耗的平衡。仿真结果显示,以上三种方法都能显著地降低簇群的能耗,满足传感器网络低功耗的要求。(4)提出了分布式传感器网络节点标识生成算法。算法在基于概率和生日悖论基础上,推导出满足节点标识重名概率非常小的情况下,节点数量和标识空间大小之间的关系表达式。同时,推导出用于在两个传感器网络合并时,节点是否需要重新选择标识的评判标准。算法分布式执行,不需要节点之间的通信与协作,也不需要控制节点的参与,满足低功耗的要求,适合用于需要节点标识的传感器网络应用。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章绪论  14-42
  1.1 无线传感器网络概述  14-21
    1.1.1 无线传感器网络体系结构  14-16
    1.1.2 无线传感器网络分层模型  16-17
    1.1.3 无线传感器网络的特点  17-19
    1.1.4 无线传感器网络的应用  19-20
    1.1.5 选题的研究意义  20-21
  1.2 无线传感器网络路由算法及协议概述  21-33
    1.2.1 无线传感器网络路由算法及协议设计的要求  21-22
    1.2.2 无线传感器网络路由协议分类  22-24
    1.2.3 平面路由协议  24-25
    1.2.4 层次路由协议  25-33
  1.3 无线传感器网络数据传输模式概述  33-37
  1.4 无线传感器网络路由协议总结  37-38
  1.5 无线传感器网络路由协议未来发展方向  38-39
  1.6 本文的主要贡献  39-41
  1.7 全文结构  41-42
第二章能量均衡的无线传感器网络簇群范围控制算法  42-58
  2.1 传感器网络节点能量消耗分析  42-43
  2.2 问题的提出  43-46
  2.3 ECRC 算法的网络模型和参数  46-48
    2.3.1 网络模型  46-47
    2.3.2 通信能耗模型  47-48
  2.4 簇群范围相同的网络能耗分析  48-50
  2.5 ECRC 算法设计  50-53
  2.6 仿真实验  53-56
    2.6.1 簇群范围相同的网络能耗  54-55
    2.6.2 性能比较  55-56
  2.7 本章小结  56-58
第三章协作MIMO 传输技术在传感器网络中的应用研究  58-78
  3.1 协作MIMO 数据传输能耗分析模型  59-69
    3.1.1 系统模型  60-63
    3.1.2 协作的MIMO 传输能耗分析模型  63-67
    3.1.3 性能评估  67-69
  3.2 MIMO-HEED 协议  69-77
    3.2.1 协助节点选择策略  70-72
    3.2.2 MIMO 通信模式的网络最优参数值  72-74
    3.2.3 协议性能评估  74-77
  3.3 本章小结  77-78
第四章无线传感器网络能耗最优簇群的构造策略  78-99
  4.1 系统模型  79-80
  4.2 单跳通信模式  80-81
  4.3 多跳通信模式  81-89
    4.3.1 网络的生存期  81-85
    4.3.2 多跳模式下的最优跳数  85-89
  4.4 节点分布不均匀的传感器网络簇群构造方法  89-92
    4.4.1 系统模型  89-90
    4.4.2 构造能量负载均衡的簇群  90-92
  4.5 仿真试验  92-97
    4.5.1 单跳通信模式  92-93
    4.5.2 多跳通信模式  93-96
    4.5.3 节点分布不均匀的簇群构造方法的性能评估  96-97
  4.6 本章小结  97-99
第五章分布式传感器节点标识生成算法  99-107
  5.1 节点标识生成算法  101-104
    5.1.1 分布式标识生成算法  102-103
    5.1.2 网络重组的情况  103-104
  5.2 算法验证  104-106
  5.3 本章小结  106-107
第六章全文总结与未来工作  107-110
致谢  110-111
参考文献  111-122
个人简历和论文发表情况  122-124

无线传感器网络低功耗数据路由协议与传输技术研究

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