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《太原理工大学》 2011年
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跨层优化技术在传感器网络中的研究与应用

刘斌  
【摘要】:跨层设计是最近几年通信网络领域研究的热点之一。跨层设计是相对于传统的分层设计思想而言的。传统的分层设计思想在有线网络设计中的应用非常成功。但是在无线网络中,传统的分层设计思想有一定的局限性。例如网络层的多跳路由算法较少地考虑到物理层和链路层的影响,基于分层设计的协议栈无法对有限的无线资源和能量资源充分利用。 在无线传感器网络中,系统分层相对简单,若能采用跨层设计思想,将系统看成一个整体来设计,会提升传感器网络的性能。跨层设计可将底层的信息通过有效途径反馈到上层,上层可以根据底层的信息做出相应决策,进而优化上层通讯协议。跨层设计并非完全否定传统的分层设计理念,而是将网络各层的信息统一调度和共享,以更高效的方式分配和利用有限的资源。 基于跨层设计思想的优化技术,在原有分层协议栈的基础上添加跨层模块,使相互独立的网络各层之间的信息有效沟通。美国芯科实验室在2010年正式推出EZMAC/EZHOP协议栈,这种协议栈主要规定了系统在媒体接入控制层的功能。本文对EZMAC协议栈进行了跨层优化。主要完成了以下改进工作:竞争与时分复用机制的融合、单一系统双波特率、自动选频机制、包头滤波器和信道错误计数器。这些优化改进可使系统底层信息有效反馈至上层协议栈,为上层决策做出参考。通过实验验证,跨层优化技术对系统性能的提升作用。 时钟同步是传感器网络的重要支撑技术之一。本文分析了造成传感器网络时钟不同步的原因,提出一种基于跨层优化技术的时钟同步算法。本算法考虑到物理层不可避免的因素——晶体振荡偏差,并且利用软件对此偏差进行了补偿修正。然后在实验中使用仪器测量两层节点的实际时间偏差,验证了本算法的实用性 本文最后将跨层优化技术应用到无线粮情测控系统的设计中。设计了以无线微控制器Si1001为核心的传感器节点。根据现场应用要求,将跨层优化的EZMAC协议栈移植到网络中不同类型的节点。在协议栈移植的过程中,通过软硬件联合调试解决了一系列实际问题。基于跨层优化技术的无线粮情测控系统最终应用于中央储备粮淮安直属库中。 本文研究了跨层优化技术并将其应用于无线传感器网络的实际项目中。利用跨层优化思想改进了EZMAC办议栈,提出了基于跨层优化技术的时钟同步算法及其实现。通过对无线粮情测控系统的硬件节点设计和软件协议栈的移植,验证了跨层优化技术在传感器网络中的优势。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN929.5;TP212.9

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