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基于分簇的无线传感器网络关键技术研究

周伟  
【摘要】:无线传感器网络是传感器技术和无线通信技术的融合产物,在近年来得到研究人员越来越多的关注,成为了信息技术研究的热点。无线传感器网络具有低能耗、低成本、自组织、部署方便、组网灵活,还可实现自动化数据采集,能在恶劣和特殊环境下工作等优点,在军事和民用领域里得到了广泛的应用。 随着无线传感器网络应用的发展,节点数量和网络规模不断扩展,传统的平面型网络结构已经不能适应网络情况,需要通过分簇结构更好地利用能效,延长网络生命周期,从而实现更有效的网络管理。本文主要研究基于分簇的层次型无线传感器网络相关的关键技术。 本文分析了无线传感器网络常见的分簇模型、节点能耗模型和数据融合技术,并根据道路交通的特点,提出了链式和扇形分簇两种拓扑结构设计方案。链式拓扑结构用于长条形道路区域,对传感器节点采用非均匀的布放,距离汇聚节点越近,布放传感器节点的数量越多。网络划分多个监测区域,采用信息承载帧的格式,将多个传感器节点的监测数据放入信息负载,网络中冗余的传感器节点负责对转发来的帧进行继续转发。扇形分簇拓扑结构可用于十字、L形的道路路口,且汇聚节点放置位置距离路口有一定的距离时。在合理确定区域划分以后,以上两种算法的应用,都能有效提升网络的能效。 在分簇算法的研究中,本文提出了两种分簇算法。一种高能效的强簇头分簇算法(EESH),以及弱能量保护机制下的动态多跳分簇算法(DMC)。EESH算法综合节点能量、度以及邻居节点信息等各类参数产生一个权值,在此基础上进行分簇选择,该算法对汇聚节点的计算能力和存储能力要求高,且适用于节点数量多、密度高的网络应用。DMC算法将节点的能量划分为四个能量级别,在分簇过程中对弱节点进行能量保护,并建立动态的簇内多跳机制,该算法则更适用于节点数量适中、节点密度一般、汇聚节点计算能力和存储能力普通的应用场合。以上两种算法都能很好地实现网络中节点能量的尽可能均匀地消耗,提高了网络能效,从而延长了无线传感器网络的生命周期。 在网络拓扑发现机制的研究中,本文提出了一种并簇优化算法(CMA),该算法通过各节点自主发起簇的形成以及合并和优化过程,以实现拓扑结构的自主发现,并生成层次型的分簇网络结构,并在网络使用过程中进行动态调整。CMA算法适用于区域较大的网络情况,在节点布点比较稀疏的应用情况下,拓扑生成时间和开销都具有很好的效能。 在MAC协议研究中,本文提出了一种基于调度的适合于分簇无线传感器网络的MAC协议(SC-MAC)。该协议在不同簇之间通过FDMA方式分配无线信道,在簇内通过TDMA方式分配时隙给各个节点。通过可变长时隙的分配和调度,使得网络在较高数据流量情况下实现节能以及低时延特性。 最后,本文还提出了一种无线传感器网络分簇算法仿真平台的设计方法,设计了一套无线传感器网络分簇算法的仿真工具CluSim,用于多种分簇算法的仿真。


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