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《武汉理工大学》 2011年
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基于MR-MC的传感器网络架构及相关算法研究

任平  
【摘要】:无线传感器网络因其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点,在学术研究和军事领域引起了高度重视。随着无线通信技术、计算机技术和大规模集成电路技术的发展,传感器节点的成本已经大大降低,这不但减小了价格因素对传感器网络发展的不利影响,而且也为研究人员提供了一种新的思路和方法。近年来,随着物联网产业的兴起,传感器网络被广泛应用于数字制造和工业控制等领域,同时也对传感器网络性能提出了更高的要求。 传感器网络与应用背景高度相关,现有的研究成果不完全适用于制造环境下的传感器网络;单射频单信道传感器网络无法从根本上解决暴露和隐藏终端的问题,而且随着传感器节点数目的增多,会加剧对无线信道的竞争;另外,制造环境对网络实时性和可靠性有着较高的要求,这对传感器网络来说是一个很大的挑战。因此,研究多射频多信道(MR-MC, Multi-Radio Multi-Channel)传感器网络架构及相关算法有着重要的理论价值和应用前景。 本文从传感器网络架构、数据链路层和网络层的相关算法三个方面入手,深入研究了对网络实时性和可靠性要求较高的传感器网络的关键技术。所做的主要工作如下: 第一,研究了MR-MC蜂窝分层网络架构。针对单射频单信道传感器网络无线信道竞争激烈和系统处理能力不强的问题,提出了一种基于MR-MC的蜂窝分层网络架构。通过子网划分和引入MR-MC技术,从物理和逻辑两个层面减少了传感器节点对无线信道的竞争,降低了传感器节点之间的通信干扰,增强了传感器网络的通信容量,改善了传感器网络的实时性能,提高了无线信道的利用效率 第二,研究了无线信道的访问控制方法。针对CSMA/CA协议在无线信道接入延时方面的不确定性,提出了一种基于协商机制的虚拟令牌无线MAC协议。利用子网中传感器节点地址的连续性,通过虚拟令牌的方式实现对无线信道的访问控制,从而有效减少了因令牌维护带来的网络管理报文的数量,提高了无线信道的有效利用率,降低了传感器节点的能量消耗,增强了传感器网络的实时性能。 第三,研究了多信道与网络带宽分配算法。针对传感器网络信道资源静态分配的特点,提出了一种基于最小干扰代价的多信道分配算法。信道复用提高了网络的通信容量,干扰半径的划定减少了信道之间的相互干扰,信道池预警机制的启用降低了信道分配失败的风险;针对令牌环网络带宽固定分配的现状,提出了一种基于优先级和负载感知的网络带宽分配算法。根据单个节点和整个网络的通信负载以及报文的优先级,动态调整虚拟令牌在子网中的传递顺序和传感器节点在持有令牌时能够发送的最大报文数目,使得整个网络的带宽分配趋于合理,从而满足高优先级和重节点的带宽需求。 第四,研究了传感器节点定位算法。针对目前传感器节点定位算法精度不高和主要集中在二维空间的现状,提出了一种基于RSSI的参数匹配三维精确定位算法。在每一对信标节点和未知节点之间进行信号衰减模型的参数匹配,减轻了个体差异和环境因素对定位精度造成的影响;利用理论和经验模型对无线信号在障碍物中的衰减进行补偿,进一步提高了定位精度;信标节点与未知节点之间的角色转换,能够有效减小因信标节点分布不均带来的影响;实时改变节点的发射功率和定位时间间隔,可以有效减少传感器节点的能量消耗。 第五,研究了传感器网络路由协议。针对传感器节点资源受限的特点和地理位置路由算法的优势,充分利用三维定位算法得到的坐标信息,提出了一种基于坐标信息的三维地理位置路由算法。通过结合理想最小能耗模型和最少跳数模型,均衡了单跳距离和节点能耗之间的关系;利用两个模型交叉区域中与源节点和目的节点之间空间直线距离最近的节点进行路由,有效缩短了数据转发路径的长度;当路由过程中遭遇“空洞”时,随机选择负向邻居节点为下一跳节点,能够减少再次遭遇“空洞”的概率,而始终沿着正向传递有效避免了回环现象的发生。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN929.5;TP212.9

【参考文献】
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