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基于网络演算的簇树型WSN性能研究

作　者: 洪雁兵
导　师: 王一军
学　校: 中南大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 簇树型无线传感器网络确定性网络演算性能上界
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 66次
引　用: 1次
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内容摘要

簇树型WSN拓扑结构已经应用于无线传感器网络中的IEEE802.15.4/ZigBee协议中,但目前国内外对簇树型WSN的网络服务性能评价主要是通过仿真或实验平台来完成,尚缺乏一种有效的理论分析模型。本文针对这一问题展开研究,建立了一个用于对该类网络进行性能分析的网络演算模型,并利用确定性网络演算理论推导了最差情况下的网络服务性能,为簇树型WSN的设计和性能评价提供了一种定量计算方法。主要工作体现在以下几个方面：(1)构建了研究簇树型WSN在最差情况下的网络服务性能的一般性演算模型,包括：网络拓扑结构及其数学描述、网络节点业务流及服务能力描述和网络层的时分簇调度策略描述。该模型并不局限于某种特定协议,如ZigBee协议。(2)推导了簇树型WSN演算模型中任意深度处节点的聚合输入流到达曲线和输出边界的一般性表达式。(3)推导了簇树型WSN演算模型中任意深度处节点在最差情况下的队列缓存长度、有效带宽,数据流单跳延迟上界及网络端到端延迟上界四个网络服务性能评价指标的一般性表达式。(4)针对一个应用ZigBee协议的簇树型WSN实例,使用本文建立的模型和性能分析方法进行了计算,得到一组最差情况下的网络服务性能理论值；同时,利用TOSSIM仿真工具对该簇树型WSN进行了系列仿真实验,得到一组对应的网络服务性能实验值。通过对理论值与实验值比较分析,评估了该簇树型WSN演算模型和性能分析方法的实用性和有效性。仿真实验结果表明：该簇树型WSN演算模型和性能分析方法是实用有效的。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-17
  1.1 课题背景和研究意义  8-10
  1.2 无线传感器网络概述  10-12
    1.2.1 无线传感器网络结构及发展趋势  10-11
    1.2.2 无线传感器网络的特点及应用  11-12
  1.3 国内外研究现状  12-15
    1.3.1 网络演算研究现状  12-14
    1.3.2 无线传感器网络性能研究现状  14-15
  1.4 论文的创新点及组织结构  15-17
第二章网络演算相关知识  17-22
  2.1 网络演算基本概念  17-18
    2.1.1 最小加与最大加代数  17
    2.1.2 最小加卷积与反卷积  17-18
    2.1.3 最大加卷积与反卷积  18
    2.1.4 基本数学性质  18
  2.2 通信流体模型  18-19
  2.3 网络演算基本工具  19-20
    2.3.1 到达曲线  19
    2.3.2 服务曲线  19-20
  2.4 网络演算基本结论  20-21
  2.5 本章小结  21-22
第三章 GTS信道访问机制与时分簇调度方法  22-35
  3.1 IEEE 802.15.4/ZigBee协议概述  22-26
    3.1.1 工作模式  22-23
    3.1.2 帧结构  23-24
    3.1.3 超帧结构  24-25
    3.1.4 数据业务  25-26
  3.2 基于GTS的信道访问机制  26-30
    3.2.1 GTS分配机制  26-28
    3.2.2 单个GTS时隙保证带宽  28-30
  3.3 网络域多簇信标帧调度  30-33
    3.3.1 信标帧冲突问题  30-32
    3.3.2 信标帧冲突问题的解决方法  32-33
  3.4 本章小结  33-35
第四章簇树型WSN演算模型与网络性能分析  35-51
  4.1 簇树型WSN演算模型  35-40
    4.1.1 拓扑结构及参数定义  35-37
    4.1.2 单个簇内数据流分析模型  37-39
    4.1.3 网络层的时分簇调度策略  39-40
  4.2 网络数据流分析  40-46
    4.2.1 上行数据流  41-43
    4.2.2 下行数据流  43-46
  4.3 网络性能指标上界推导  46-49
    4.3.1 网络节点的有效带宽  46-47
    4.3.2 网络节点的队列缓存长度  47-48
    4.3.3 数据流的单跳延迟上界  48
    4.3.4 网络的端到端延迟上界  48-49
  4.4 本章小结  49-51
第五章簇树型WSN演算模型网络性能仿真评估  51-67
  5.1 TOSSIM仿真平台介绍  51-54
    5.1.1 TinyOS操作系统  51-52
    5.1.2 TOSSIM仿真器  52-53
    5.1.3 Open-ZB协议栈和TelosB节点  53-54
  5.2 仿真场景与参数设置  54-59
    5.2.1 仿真场景  54-55
    5.2.2 服务曲线参数计算  55-56
    5.2.3 到达曲线参数计算  56-58
    5.2.4 参数设置  58-59
  5.3 仿真实验结果分析  59-66
    5.3.1 队列缓存长度的理论值与实验值比较  59-61
    5.3.2 延迟上界的理论值与实验值比较  61-63
    5.3.3 网络参数对延迟上界的影响  63-64
    5.3.4 网络配置对网络性能的影响  64-65
    5.3.5 网络性能理论值比实验值偏大的原因分析  65-66
  5.4 本章小结  66-67
第六章总结与展望  67-69
参考文献  69-74
致谢  74-75
攻读学位期间主要的研究成果  75

基于网络演算的簇树型WSN性能研究

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