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无线传感器网络QoS体系研究

作　者: 杨挺
导　师: 孙雨耕
学　校: 天津大学
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 无线传感器网络 QoS体系 组网路由算法 超图
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


无线传感器网络,一个全世界高度关注的全新研究领域,不仅是一项全新的网络技术,而且是传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的多学科、多技术相互渗透融合的科学产物。它是对传统计算机网络计算模式和设计模式的全面革新。因此无线传感器网络从节点构成到网络体系结构都有着自身的特点。而传感器网络的自组织性、微型性、低成本、灵活性等特点使它具有非常广阔的应用前景和研究空间。目前对无线传感器网络的研究尚处于起步阶段,很多问题需要解决。本文在总结现有技术和研究的基础上,提出建立无线传感器网络QoS体系的观点,并对其中主要的网络能耗,网络组网和路由等关键问题进行了研究和探索。其中主要的研究内容和贡献如下:1.从无线传感器网络结构,网络特点,应用领域、主要研究方向和研究动态多方面对无线传感器网络进行详细阐述,在已有研究基础上提出无线传感器网络的QoS体系结构模型,并指出体系中各功能模块的意义和内在联系,使无线传感器QoS体系完善成为一个完备的系统。从理论上为无线传感器网络由目前的研究型网络到今后必然实现的应用型网络的转换提供保障。2.建立无线传感器网络传输能量模型与传感器节点传输能量模型,从全网络高度理论计算数据传输网络总能耗,并在分析中引入节点距离期望的概念,建立逐级楔形多跳转发模型,从而更精确地计算网络中每一层中节点的平均能耗。在理论计算基础上得出不同传输模式对网络性能影响的阶段性结论。在此基础上,为进一步提高网络运行性能,将数据融合机制引入多跳传输模型。根据融合强度不同,建立三种融合机制的能耗建模,理论计算新模型下的网络总能耗和单节点能耗,得出阶段性结论,为实现QoS体系下的高层通信协议开发作理论基础。3.提出在无线传感器网络中只有组网算法和路由算法相配合才能更好实现QoS体系的思想。设计了基于极大独立集监测网格划分算法(RMIS-WSN-CA),理论论证算法的正确性和有效性。并基于可嵌入包装问题模型对影响监测网格特性的两个参数(监测网格规模和监测网格生存周期)进行理论计算,以指导实际网格划分。在采用RMIS-WSN-CA划分监测网格的基础上,依网络能量模型理论分析结论给出适合无线传感器网络的基于簇树的网络逻辑拓扑结构。4.针对无线传感器网络路由算法特点创新性地提出无线传感器网络超图模型以及建立在超图模型上的QoS体系分类路由模型。针对应用中的同步无线传感器网络和异步传感器网络,设计了基于最小生成超树的同步WSN网络分类路由算法( MSHT-SN-DCRA )和异步WSN网络分类路由算法(MSHT-AN-DCRA)。算法首次采用图论中基于最小生成超树理论进行路由,有别与传统的基于最短路树的路由策略。通过理论分析和计算机仿真证明两算法的有效性,并给出算法改进,以在实际应用中能有效提高网络性能。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章 绪论  13-35
  第一节 无线传感器网络简介  14-29
    1.1.1 无线传感器网络构成  14-17
      1.1.1.1 无线传感器网络生成过程  14-15
      1.1.1.2 无线传感器网络结构  15-16
      1.1.1.3 传感器节点构成  16-17
    1.1.2 无线传感器网络特点与应用  17-22
      1.1.2.1 无线传感器网络特点  17-19
      1.1.2.2 无线传感器网络应用  19-22
    1.1.3 无线传感器网络的研究动态  22-29
      1.1.3.1 军事领域的研究进展  22-24
      1.1.3.2 民用领域的研究进展  24
      1.1.3.3 学术界的研究进展  24-29
  第二节 论文的研究重点和创新点  29-33
  第三节 论文组织结构  33-35
第二章无线传感器网络QoS 体系模型研究  35-51
  第一节 无线传感器网络体系研究现状  35-36
  第二节 建立无线传感器网络QoS体系必要性  36-39
    2.2.1 计算模式的革新  37-38
    2.2.2 设计模式的革新  38
    2.2.3 WSN 与传统网络的区别  38-39
  第三节 无线传感器网络QoS 体系研究  39-49
    2.3.1 QoS 体系建立  39-41
    2.3.2 QoS 体系下通信协议研究  41-43
      2.3.2.1 物理层研究  41
      2.3.2.2 数据链路层研究  41-42
      2.3.2.3 网络层研究  42
      2.3.2.4 传输层和应用层研究  42
      2.3.2.5 时钟同步问题研究  42-43
      2.3.2.6 传感器节点定位问题研究  43
    2.3.3 QoS 体系下管理系统研究  43-47
      2.3.3.1 网络拓扑管理子系统  43-44
      2.3.3.2 远程控制管理子系统  44-45
      2.3.3.3 网络安全管理子系统  45
      2.3.3.4 能量管理子系统  45-46
      2.3.3.5 移动管理子系统  46
      2.3.3.6 任务管理子系统  46
      2.3.3.7 数据管理子系统  46-47
    2.3.4 QoS 体系各功能模块内在联系  47-49
  本章小结  49-51
第三章 无线传感器网络能量模型理论分析  51-81
  第一节 节点能量模型分析  51-53
  第二节 无线传感器网络能量模型分析  53-65
    3.2.1 无线传感器网络拓扑结构  53-54
    3.2.2 单跳网络能量模型分析  54-56
    3.2.3 多跳网络能量模型分析  56-64
      3.2.3.1 M＝2 模型计算  56-59
      3.2.3.2 M 层网络模型计算  59-64
    3.2.4 不同传输模式的能量分析  64-65
  第三节 基于数据融合的无线传感器网络能量模型分析  65-79
    3.3.1 数据融合机制  65-67
    3.3.2 基于数据融合的WSN 能量模型  67-78
      3.3.2.1 数据融合机制一（m0）  68-75
      3.3.2.2 数据融合机制二（m=1）  75-76
      3.3.2.3 数据融合机制三（m=0, c>0）  76-78
    3.3.3 不同数据融合机制下的能量分析  78-79
  本章小结  79-81
第四章 无线传感器网络QoS 体系组网算法研究  81-103
  第一节 无线传感器网络组网算法研究意义  81-82
  第二节 QoS 体系下的组网算法  82-93
    4.2.1 组网算法描述  82-83
    4.2.2 基于极大独立集的监测网格划分算法  83-90
      4.2.2.1 独立集理论  83-84
      4.2.2.2 模型建立和问题分析  84-86
      4.2.2.3 算法描述和性能分析  86-90
    4.2.3 簇树状网络拓扑结构分析  90-93
  第三节 QoS 体系下组网算法基本特性计算  93-100
    4.3.1 监测网格规模确定  93-98
      4.3.1.1 讨论情况一  94-96
      4.3.1.2 讨论情况二  96-98
    4.3.2 监测网格生存周期计算  98-100
  本章小结  100-103
第五章 无线传感器网络QoS 体系分类路由算法研究  103-133
  第一节 无线传感器网络路由算法研究意义  103-105
  第二节 无线传感器网络超图模型  105-111
    5.2.1 超图理论  105-108
    5.2.2 无线传感器网络超图模型  108-111
  第三节 QoS 体系下分类路由算法  111-116
    5.3.1 相关研究  111-112
    5.3.2 分类路由模型建立  112-116
  第四节 同步WSN网络分类路由算法  116-122
    5.4.1 同步网络概述  116-118
    5.4.2 算法描述  118-120
    5.4.3 算法性能分析  120-121
    5.4.4 算法改进  121-122
  第五节 QoS体系下异步WSN网络分类路由算法  122-130
    5.5.1 异步网络概述  122-123
    5.5.2 算法设计难点  123-125
      5.5.2.1 难点1  123-124
      5.5.2.2 难点2  124
      5.5.2.3 难点3  124-125
    5.5.3 异步WSN 网络分类路由算法  125-127
      5.5.3.1 超边融合定义  125
      5.5.3.2 算法流程描述  125-127
    5.5.4 算法性能分析  127-130
      5.5.4.1 解决难点1  127-128
      5.5.4.2 解决难点2  128
      5.5.4.3 解决难点3  128-129
      5.5.4.4 算法正确性分析  129
      5.5.4.5 算法复杂度分析  129-130
    5.5.5 算法改进  130
  本章小结  130-133
第六章 无线传感器网络QoS 体系组网路由算法仿真  133-149
  第一节 无线传感器网络QoS体系组网算法仿真  133-138
    6.1.1 仿真环境描述  133-135
    6.1.2 RMIS-WSN-CA算法仿真  135-138
  第二节 无线传感器网络QoS体系下分类路由算法仿真  138-148
    6.2.1 基于最短路树策略路由仿真  139-140
    6.2.2 MSHT-DCRA 仿真  140-148
      6.2.2.1 流数据路由仿真  140-141
      6.2.2.2 实时数据路由仿真  141-142
      6.2.2.3 关键数据路由仿真  142-144
      6.2.2.4 全网运行仿真  144-148
  本章小结  148-149
第七章 全文总结与研究展望  149-153
  第一节 全文总结  149-151
  第二节 其他相关工作及研究展望  151-153
参考文献  153-166
发表论文和科研情况  166-169
致谢  169

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 移动通信
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