《骨架型拓扑结构的无线传感器网络研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《骨架型拓扑结构的无线传感器网络研究（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 I 摘 要 无线传感器网络是微机电系统、通信、传感器、网络等技术结合的产物，具有广泛的应用领域和使用价值。然而，过多的应用场景如果都综合在一个统一的网络架构上，势必使得传感器网络的设计过于复杂化，造成产品的价格提升，从而与传感器网络的设计初衷背道而驰。不同的传感器网络应用决定了不同的网络拓扑结构，也决定了网络中各个节点的工作方式。针对具体的网络应用来设计网络的通信协议，可以把网络的结构信息得到更好的利用，从而达到更好的系统性能，而且还可以控制网络的成本。 本着上述思想，本文着重研究无线传感器网络在楼层以及公路环境下的应用，为这些应用建立了骨架型拓扑结构的无线传感器网络模型。该模型只需要覆盖交
2、叉的直线，而不是整个平面。全篇围绕着该模型，设计无线传感器网络技术中的核心内容：节点放置方法、MAC 算法、网络初始化方法以及路由算法。 本文提出了采用节点离散功率模型来为网络节点建模，以此来实现最优的节点放置方式，从而减小网络能耗，并延长网络持续时间。本文的仿真结果表明，与常用的节点功率模型相比，该模型可以降低网络能耗达 6%，并延长 17%的网络持续时间。 在现有的 S-MAC 协议基础上， 利用网络拓扑结构， 本文提出了流水线型 S-MAC（PS-MAC）协议。该协议继承了 S-MAC 优秀的节能性能，同时减小了 S-MAC 引入的网络传输延时。 本文还设计了快速的网络初始化流程，该过程
3、在为网络节点分配 ID 时，也同时建立了网络节点的路由信息，从而使得本文设计的路由协议很简单。 本文提出了骨架型拓扑结构的无线传感器网络，并且为该网络设计了一系列的核心算法，为该类网络的实施提供了理论基础。 关键字关键字：无线传感器网络; 节点离散功率模型; 节点放置; 网络初始化; S-MAC; PS-MAC II Abstract The Wireless Sensor Networks (WSN) is the product of the combination of MEMS, communication, sensor and network technologies. It is
4、 foreseen and being proved that WSN would be widely used in all areas. However, being widely used in various areas also complicates the design of WSN, consequently increases the prices of WSN application products. This seems to be running away from the initiation of WSN, which is to make it cheap an
5、d convenient. Different applications of WSN require different network topologies and node working modes. We need to design network protocols for different applications to take use of the network topology, so as to achieve better network performance and lower product prices. In this paper, we keep ab
6、ove points in mind, and focused on only one scenario: the application of WSN for monitoring a river or a road, which needs no full coverage of a plane, but a set of lines. We model this kind of networks as Wireless Sensor Networks with Skelenton-based Network Topology, and research the node placemen
7、t algorithm, MAC algorithm, routing algorithm and network initialization methods. We introduce the new Discrete Power Model for Sensor Nodes to find the most optimal node placement method to reduce network energy consumption and increase network lifetime. Our simulation results show that the network
8、 using our node model reduces energy consumption of network by 7% compared with normal sensor node model, and increases network lifetime by 16%. Based on the current S-MAC protocol, we take use of the Skelenton-based network topology and propose Pipelined S-MAC algorithm. The algorithm inherits the
9、good energy-saving performance of S-MAC. At the same time, it reduces the transfer delay of S-MAC. We also provide a network initialization method for Skelenton-based network topology. It completes in O(N) time slots, and also generates routing tables for each sensor node. So the corresponding routi
10、ng algorithm is also presented in this paper. With this tailored design, we provide a complete solution for Wireless Sensor Networks with Skeleton Network Topology. Keywords: WSN; Discrete Power Model of Node; Node Deployment; Network Initialization; S-MAC; PS-MAC 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工
11、作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于
12、 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日1 1 绪绪 论论 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术, 能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，传送到这些信息的用户。无线传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域, 已经引起了学术界和工业界的高度重视。被认为是将对 21 世纪产生巨大影响力的技术之一1。 无线传感器网络有着巨大的应用前景, 随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布我们的生活环境，从而真正实现“无处不
13、在的计算”。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事、环境监测、医疗、智能家居和安全报警、反恐、公共安全以及其它商业应用等。 1.1 无线传感器网络的研究现状无线传感器网络的研究现状 1.1.1 传感器网络的发展历程传感器网络的发展历程 得益于信息技术的飞速发展，特别是传感技术、计算机技术和通信技术的不断进步，各种传感器的功能不断增强，应用范围不断拓宽，传感器网络领域不断吸收这些最新的技术，逐渐在向更高效的系统、更小的体积、更简单的联接、更低的成本发展。20 世纪 50 年代以来，传感器网络经历了四个比较明显的发展阶段。 第一代传感器网络是由传统传感器组成的测控系统，采用点到点传输的接口规范，比如
14、二线制 420mA 电流和 15V 电压标准。这种系统曾经一度在测控领域广为应用，但由于其布线复杂、成本昂贵，抗干扰性差，已逐渐淡出市场2。 第二代传感器网络是基于智能传感器的测控网络。智能传感器与控制设备之间仍然采用传统的模拟电流或电压信号通信。微处理器的发展和与传感器的结合使传感器具有了计算能力，随着节点本地智能化的不断提升，现场采集信息量的不断增加，人们逐渐认识到传统的通信方式已成为智能传感器网络发展的瓶颈。随着数字通信标准 RS-232、RS-422、RS-485 等的推出与广泛应用以及微控制器的流行，许多新的传感器网络系统也应运而生。 促进第二代传感器网络发展的一个关键因素是Inte
15、l公司1983年推出的位总线技术(BITBUS)和 8044 微控制器。 该项技术主要将低速面向过程的输入输出通道与高速的计算机总线分离， 将 I/O 板从计算机内转移到现场， 计算机和过程之间以双绞线为物理传输媒体，以 RS-485 为数据通信标准，通过远程访问命令(Remote Access Command，今天被称为通信协议的用户层)而实现数据通信和信息传输2。首次在设2 备内部实现了用传感器总线取代直接电缆连线来连接传感器和执行器，奠定了后来广为应用的现场总线技术的雏形。 第三代传感器网络，是基于现场总线(Field Bus)的智能传感器网络。现场总线是连结智能化现场设备和主控系统之间
16、全数字、开放式、双向通信网络，是当前传感器网络领域受到广泛认可的主流物理通信媒体。现场总线技术利用数字通信代替了传统的 420mA 模拟信号，大大减少了传感器与主控系统的连线以及通信带宽，有效降低了系统成本与复杂度，特有的分层体系结构实现了分布式智能。 20 世纪 80 年代末 90 年代初，两项关键技术的进步对第三代传感器网络的发展有重要意义。一项是美国 Rosemount 公司推出的 HART 协议(Highway Addressable Remote Transducer)，一种加工工业协议，智能设备间同步模拟与数字通信的事实上的标准。它使人们意识到，除了通信系统外，传感器与执行器系统的广泛互联与互操作(Interoperability)也需要标准化。作为 HART 协议的一部分而开发的设备描述语言(Device Description Language)第一个实现了这一目标， 使基于 HART 协议的现
