信息物理系统中WSN的拓扑控制和MAC协议研究

论文摘要

信息物理系统是计算,网络和物理世界的统一体。而无线传感器网络是信息物理系统重要的组成部分。在信息物理系统中如何能够减少不必要的能量消耗,保证较小的传输延时,提高网络的整体性能,是目前所面临的首要挑战。网络的拓扑控制和MAC协议对传感器节点的能量消耗和延时会产生重大影响。本文以降低能量消耗,减少传输延时,优化网络性能为目标对无线传感器网络拓扑控制和MAC协议两方面关键技术进行研究。为了提高网络拓扑控制算法的能量效率和拓扑的健壮性。提出了一种基于几何图形切割的能量平衡拓扑控制算法。该算法首先进行功率控制,提出任意相邻两邻居节点之间的夹角都需小于等于2π／3作为保证网络连通性的约束条件,节点在保证上述约束条件的前提下,使用较低发送功率发送数据,简化网络的拓扑连接；其次,根据传感器节点能耗与传输距离的平方成正比的特性和三角形的平面几何特点,通过绘制辅助线将节点分布区域切割成三个部分,不同的区域采用不同的方法建立拓扑,对较近区域直接进行连接,对较远区域采用多跳方式进行连接,形成优化的拓扑连接；最后根据邻居节点剩余能量和发送数据的功率建立适应度函数,并通过适应度函数选择不同的邻居节点进行数据传输,使各个节点分担能量的消耗,优化能量效率。为了减少信息物理系统中数据传输的延时,增强协议适应动态变化环境的能力,提出了一种基于并行机制的多跳信道预约MAC协议。在节点周期性休眠的基础上提出多跳信道预约机制,节点利用预约帧进行信道的预约,并根据预约信息进行数据的传输；利用并行机制,使预约信息和数据的传输同时进行。在一定程度上降低了信息物理系统中节点的能量消耗,减少了多跳传输中的延时。最后,利用OPNET网络仿真工具建立无线传感器网络模型,对节点能量的消耗、数据传输延时、协议对传输数据量变化的适应性等方面进行仿真,验证所提出的拓扑控制算法和MAC协议的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 信息物理系统拓扑控制和MAC协议分析
• 2.1 信息物理系统体系结构和耗能分析
• 2.1.1 信息物理系统体系结构
• 2.1.2 网络耗能特点分析
• 2.2 WSN中的拓扑控制研究
• 2.2.1 WSN拓扑控制算法的研究
• 2.2.2 典型的拓扑控制算法分析
• 2.2.3 拓扑控制存在的问题
• 2.3 WSN中MAC协议的研究
• 2.3.1 WSN中MAC协议的研究
• 2.3.2 MAC层协议影响网络性能的因素
• 2.3.3 MAC协议存在的问题
• 2.4 解决方案的设计思想
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于几何图形切割的能量平衡拓扑控制算法
• 3.1 拓扑控制算法问题描述
• 3.1.1 网络能量消耗分析
• 3.1.2 问题描述
• 3.2 基于几何图形切割的能量平衡拓扑控制算法实现
• 3.2.1 节点功率控制
• 3.2.2 几何图形切割
• 3.2.3 节点能量平衡
• 3.2.4 GETC算法总结
• 3.3 GETC对网络动态变化的适应
• 3.4 仿真比较
• 3.4.1 拓扑结构仿真
• 3.4.2 OPNET网络仿真软件的介绍
• 3.4.3 能量消耗仿真实现
• 3.4.4 仿真结果比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于并行机制的多跳信道预约MAC协议
• 4.1 MAC层协议问题描述
• 4.1.1 MAC层协议研究基础
• 4.1.2 PCR-MAC协议方案描述
• 4.2 PCR-MAC协议实现
• 4.2.1 PCR-MAC协议实现
• 4.2.2 信道预约帧
• 4.2.3 信道预约中的并行机制
• 4.2.4 无固定预约周期
• 4.2.5 预约时间表
• 4.3 PCR-MAC协议性能分析
• 4.3.1 数据传输延时分析
• 4.3.2 数据传输能量消耗分析
• 4.3.3 引入预约机制存在的问题和解决方法
• 4.3.4 协议时间复杂性
• 4.4 仿真比较
• 4.4.1 仿真的实现
• 4.4.2 仿真结果比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录1 图索引
• 附录2 表索引
• 致谢
• 攻读学位期间主要的论文情况和科研情况