面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究

论文摘要

无线传感器网络是国际上备受关注涉及多学科的前沿热点研究领域。传统的工业监控主要使用有线网络布线不灵活,受环境影响严重,电缆维护费用高等缺陷。因此,替代传统有线网络,基于无线传感器网络的工业监控网络具有强大的优势,引起了国内外广泛的研究和关注。工业监控网络对实时性和可靠性有较为严格的规定,其中主要为时间延时、丢包率和吞吐量。要在工厂内恶劣电磁干扰环境下,实现现场数据采集和远程监控的实时性和可靠性,这对于低配置、自组织的多跳WSN带来了严峻的挑战。无线传感器网络性能优化的研究是一个热点领域,无线传感器网络跨层优化就是一个重要的方法。在传统无线网络分层设计时,每层独立地进行设计和操作,各层独立设计导致了层与层之间没有信息的交流,没有充分利用网络资源以实现最优的性能。无线传感器网络中MAC协议决定信道资源的分配方式,在通信节点之间分配有限的通信资源,是保证网络高效通信的关键。无线传感器网络中的另一重要协议层路由层决定了数据传输的路径选择,此协议的选取也是提高无线传感器网络性能的重要环节。基于此,针对实际应用需求,本文提出"MAC层+路由层”的工业传感网跨层优化方案,通过MAC层理论模型进行链路质量评估,并以此为路由选择提供依据,从而实现MAC层和路由层的跨层优化。首先,本文就无线传感器网络跨层优化体系结构、分类和具体方法进行了深入的研究。针对工业监控网络提出了基于MAC层与路由层结合的无线传感网络跨层优化方法,为接下来的具体分层设计提供了框架结构基础。其次,针对MAC层的网络吞吐量、网络延时、结点个数、丢包率等重点参数进行了数学描述和分析,并在此基础上建立IEEE 802.15.4 Markov链模型就MAC层进行优化。再次,针对工业监控网络以及无线传感器网络的特性,在进行了不同种类路由协议分析,引入汇聚树路由协议,结合基于IEEE 802.15.4 Markov链模型对路由算法进行设计,实现了收敛快：速,拓扑稳定,路由更新灵活,路由维护开支小的基于MAC层和路由层的跨层优化路由协议MM-CTP.然后,着重根据工业监控网络及实际硬件节点的特点和需求,模拟工业监控网络环境采用TinyOS无线传感器网络操作系统以及NesC语言进行编程,通过TinyOS自带的TOSSIM仿真系统进行MM-CTP路由算法仿真并与CTP路由算法进行比较,以考察MM-CTP路由算法的性能。最后,本文在基于CC2430处理芯片和TinyOS操作系统的实际传感器节点上采用MM-CTP路由算法进行组网,以实现实际网络的运行、采集及监控。论文的工作和研究成果为无线传感器网络跨层优化和实际工业监控的无线传感器网络的部署和设计打下了一定的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 无线传感器网络特点
• 1.1.2 工业监控性能要求指标
• 1.2 研究现状
• 1.2.3 工业监控环境无线传感网络研究现状
• 1.2.4 工业监控环境系统结构组成
• 1.2.5 工业监控环境无线传感器网络结构
• 1.3 主要研究内容与创新点
• 1.4 论文章节安排
• 第二章 MAC层及路由层跨层优化设计
• 2.1 引言
• 2.2 跨层设计思想
• 2.2.1 跨层设计的提出
• 2.2.2 跨层设计的思想概述
• 2.2.3 跨层设计的优势
• 2.2.4 跨层优化设计分类
• 2.2.5 跨层优化研究现状
• 2.2.6 基于链路层及网络层的跨层优化设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于Markov链模型的MAC层性能分析建模
• 3.1 引言
• 3.2 基于竞争的MAC协议
• 3.3 IEEE 802.15.4通信协议
• 3.3.1 IEEE 802.15.4通信协议概述
• 3.3.2 IEEE802.15.4通信协议的PHY层和MAC层
• 3.4 IEEE802.15.4协议CSMA-CA算法
• 3.5 基于Markov链模型的IEEE802.15.4通信协议性能分析
• 3.5.1 Markov链模型
• 3.5.2 CSMA算法Markov链模型分析
• 3.5.3 Markov链模型参数的求解及设定
• 3.5.4 性能指标分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于Markov链的WSN汇聚树路由协议MM-CTP
• 4.1 引言
• 4.2 无线传感器网络路由传输协议特点
• 4.3 无线传感器网络路由传输协议性能指标
• 4.4 无线传感器网络路由协议现状
• 4.4.1 路由协议的分类
• 4.4.2 现有无线传感器网络路由传输协议
• 4.5 WSN汇集树路由协议CTP
• 4.6 基于MAC层Markov链模型的WSN汇集树路由协议MM-CTP
• 4.6.1 基于Markov链模型的链路质量估计
• 4.6.2 MM-CTP的网络层路由算法
• 4.6.3 MM-CTP的的转发机制
• 4.7 本章小结
• 第五章 MM-CTP的实现及仿真分析
• 5.1 引言
• 5.2 TinyOS系统介绍
• 5.3 TinyOS的编程
• 5.4 TinyOS仿真系统
• 5.5 MM-CTP实现
• 5.5.1 MM-CTP链路质量估计器
• 5.5.2 MM-CTP路由引擎
• 5.5.3 MM-CTP转发引擎
• 5.6 MM-CTP仿真结果及分析
• 5.6.1 网络拓扑配置
• 5.6.2 仿真结果分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 MM-CTP在工业监控网络的应用及实测网的搭建
• 6.1 引言
• 6.2 工业监控需求分析
• 6.2.1 工业生产监控现状分析
• 6.2.2 工业监控的无线传感网络实时性和可靠性
• 6.2.3 工业生产监控结构
• 6.3 工业监控无线传感器网络方案设计
• 6.4 基于CC2430及TinyOS平台的无线传感网络搭建
• 6.4.1 引言
• 6.4.2 无线传感器节点结构
• 6.4.3 工业监控环境平台系统搭建构架
• 6.4.4 基于CC2430的无线传输模块
• 6.4.5 传感器网络后台监控平台
• 6.4.6 基于CC2430及TinyOS平台的无线传感网络运行
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录