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无线传感器网络跨层优化协议研究

徐文君  
【摘要】: 综合了无线通信技术、传感器技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术的无线传感器网络已经成为当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。随着研究的深入,传感器网络获得了快速的发展,应用越来越广泛,针对性也越来越强,并衍生出了多种新型传感器网络体系。应用领域中出现的新特点和新方向,为现阶段及未来的研究工作提出了新的挑战,也促进了无线传感器网络更加全面快速的发展。在有限能量条件下降低能耗以延长网络生存时间是无线传感器网络面临的首要挑战。然而,面对研究领域中出现的新特点和新方向,如果仅满足网络的能耗需求,而不能保证系统运行的其它性能,整个网络将不具有任何实用价值。因此,传感器网络的协议设计应必须从系统的实用性出发,按应用进行分类,在保证系统性能要求的前提下,尽可能地降低网络的通信能耗,提高能量效率,延长生存时间。 在无线传感器网络中,MAC层和网络层协议对于系统的性能影响显著。因此,可以将MAC层和网络层结合起来分析,从跨层设计的角度进行协议优化。基于此,对分簇算法和功率控制这两种可有效改善无线传感器网络性能的策略进行了细致分析。设计提出了基于分簇算法和功率控制,以降低网络能耗和扩大吞吐量为目标的无线传感器网络跨层优化协议—LSC-RPC协议。协议基于传感器网络跨层优化策略,针对现有典型分簇算法理论前提条件多,无法适应动态网络,不易在实际环境中实现的不足,提出了一种易于实现,能动态适应网络变化,能量有效的链路稳定分簇算法。同时将一种具有反作用干扰节点能力,采用最优发射功率传送数据的功率控制机制应用在分簇算法内。在协议中,传感器节点根据MAC层信息判断是否成为从节点或簇首节点。簇内节点采用较小的发射距离进行连通,而簇间节点则采用较大的发射距离连通。节点间消息的传递采用最优发射功率,引入反作用冲突节点的功率控制机制,从而在降低能耗的同时扩大网络吞吐量。在每轮数据传递完成后,根据能量有效性参数选择出下一轮通信中的簇首节点,以此延长网络生存时间。实验结果证明,本文中提出的算法在保证网络稳定性的同时,与现有的一些典型协议相比在网络的能量有效性和吞吐量方面具有更好的性能。


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