基于机会机制的无线传感网通信协议研究

论文摘要

传感器技术、微型机电系统以及现代网络和无线通信等技术的发展,使具有现代意义的无线传感器网络得到了极大地推动和发展。无线传感器网络（wireless sensor network）的基本组成单位是部署在监测区域内大量的微型传感器节点,这些节点以无线通信方式形成一个多跳自组织网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。无线传感器网络具有组网快捷、灵活等优点,具有很高的研究价值和十分广阔的应用前景。无线传感网能否高效地工作在很大程度上取决于传感器通信协议的设计。在以往的传感器协议设计中,受传感器节点能量限制,大部分的通信协议的设计目标都是为了降低节点的能耗,延长网络的运行周期。而无线传感网往往应用于各种不同的场景,在不同的应用场景下会有不同的性能需求,因此除了能耗这一性能表现外,网络吞吐率,公平性,端到端时延等性能同样重要。尤其是在无线传感网网络环境随时间和空间变化的情况下,在空间上,由于节点所处的地理位置的不同,节点的信道条件不尽相同;在时间上,由于节点能量消耗的不均以及信道的时变特性造成节点状态的差异。这些都促使研究者能够利用节点间的差异设计更加合理的通信协议。针对无线传感网网络环境的时变特性,本文充分利用了机会机制,分别提出了基于机会机制的MAC层协议和路由层协议。在MAC层,本文提出了在SMAC协议基础之上的改进协议OF-MAC协议,该协议根据每个发送节点当前时刻的链路状态计算相应的退避时间,节点链路状态越好,其退避时间就越短,使其有更高的优先权接入信道。在利用节点信道时变特性的同时,本文还考虑了节点间接入信道的公平性,使得不会有节点因长期不能接入信道而处于饥饿状态。在路由层,根据蚁群算法与无线传感器网络的相似性,在利用蚁群算法设计路由协议的基础上,引入了机会度量这一参数,它表征了节点当前的状态,包括节点的能量状态,节点的信道状态和节点到汇聚节点的距离。节点根据邻居节点当前的状态和以往积累的对路径的评估依循一定的概率选择下一跳节点进行数据的转发。通过仿真实验可以证明,结合机会机制的MAC协议和路由协议,在网络吞吐率性能上都有很大的提高,而且这些协议在能耗方面的性能表现也仍然令人满意。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络的概述
• 1.1.1 无线传感器网络概念
• 1.1.2 无线传感网网络结构
• 1.1.3 无线传感器节点结构
• 1.1.4 无线传感网关键技术
• 1.2 研究意义和内容
• 1.3 本文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络通信协议
• 2.1 无线传感网通信协议栈
• 2.2 无线传感网MAC 协议
• 2.3 无线传感网路由协议
• 2.3.1 SPIN 协议
• 2.3.2 Directed Diffusion 协议
• 2.3.3 Rumor 协议
• 2.3.4 LEACH 协议
• 2.3.5 TEEN 协议
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于机会机制的OF-MAC 协议
• 3.1 无线传感网机会MAC 协议分析
• 3.2 机会公平MAC（OF-MAC）协议
• 3.2.1 SMAC 协议现有退避时间算法
• 3.2.2 OF-MAC 基本机制
• 3.2.3 OF-MAC 机会退避时间算法
• 3.2.4 OF-MAC 协议流程
• 3.3 仿真实验
• 3.3.1 单跳无线传感网仿真
• 3.3.2 多跳无线传感网仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于蚁群算法的机会路由协议
• 4.1 引言
• 4.2 蚁群算法
• 4.2.1 蚁群算法概述
• 4.2.2 蚁群算法应用于无线传感网路由协议的优势
• 4.3 无线传感网BACO 协议分析
• 4.4 基于蚁群算法的OMR 机会路由协议
• 4.4.1 OMR 路由协议的基本思想
• 4.4.2 OMR 路由协议的流程
• 4.5 仿真实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文