无线传感器网络MAC层退避算法及功控算法研究

论文摘要

由于无线传感器网络不需要任何固定网络的支持,具有快速展开、抗毁性强等特点,引起人们的广泛关注,它在军事监控与环境监测,地震与气候预测,地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。可以说无线传感器网络是信息感知和采集技术的一场革命,是21世纪最重要的技术之一。媒质接入层(MAC)技术是无线传感器网络中最具挑战性的一部分,而节能则是MAC协议的首要问题。无线传感器节点硬件具有功能简单、低成本、低功耗、低数据率、发射功率小的特点,并且应用于多种复杂环境,同时网络拓扑结构变化快、无中心化,这使得一些传统的MAC层技术难以保证较好的性能。因此,研究对网络环境有一定适应能力的自适应MAC技术具有重要的意义。本文基于系统性能分析与优化,对无线传感器网络MAC层自适应退避算法和自适应功率控制算法进行了较深入的研究。本文首先针对MAC层CSMA接入方式提出一种能自适应网络流量且有效避免二次冲突的AASC退避算法。针对无线传感器网络的能量限制和多跳中继通信的特点,利用OPNET建立了多跳拓扑结构的无线传感器网络、节点、协议各级仿真模型,仿真分析802.15.4标准使用的退避算法支持多跳中继通信方式和多种应用的性能,指出该算法的不足。对无线传感器网络数据传输的关键问题之一,如何传输其它节点的中继数据进行了研究,仿真对比了中继数据优先传输的好处。提出了能自适应网络流量且有效避免二次冲突的AASC退避算法,利用Markov链理论分析了该算法的性能,给出了与802.15.4标准采用的退避算法的仿真对比数据,理论分析和仿真证明AASC退避算法在网络节点数目变化时有更高的吞吐量,能适应网络的变化,节省网络能量,提高网络吞吐量。其次指出已有的基于博弈论的功控算法不能适用于无线传感器网络,提出利用MAC协议的交换信息在无线传感器网络中实现分布式非合作博弈自适应功率控制算法。由传感节点的非中心控制和相互作用,以及尽量减少网络开销的观点,提出利用MAC协议的交换信息实现基于博弈论的分布式功控算法,结合网络的多跳中继通信方式,进一步考虑加入自适应调节因子,使功控算法适应流量变化,分析了基于博弈论的分布式自适应功控算法的收

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的来源、背景、意义
• 1.2.1 无线传感器网络应用范围与实例
• 1.2.2 理想化的无线传感器网络
• 1.2.3 无线传感器网络的限制性因素
• 1.2.4 无线传感器网络设计要点和目标
• 1.3 无线传感器网络的研究热点
• 1.3.1 拓扑控制
• 1.3.2 媒质接入层协议
• 1.3.3 网络层协议
• 1.3.4 能量管理
• 1.3.5 数据管理
• 1.3.6 定位技术
• 1.3.7 网络安全
• 1.4 国内外的项目进展
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第2章 退避算法与功控算法的研究
• 2.1 MAC协议
• 2.1.1 MAC协议分类
• 2.1.2 有代表性的MAC协议
• 2.2 退避算法的分类
• 2.2.1 改进CW更新规则类
• 2.2.2 监测网络状况动态调整参数类
• 2.2.3 动态调整接入优先级类
• 2.2.4 多阶退避类
• 2.2.5 多接入优先级类
• 2.2.6 预约发送时隙类
• 2.3 功率控制
• 2.3.1 反向链路（up-link）功率控制
• 2.3.2 前向链路（down-link）功率控制
• 2.4 功率控制算法与博弈论的结合
• 2.5 本章小结
• 第3章 AASC退避算法
• 3.1 AASC退避算法
• 3.1.1 802.15.4 标准退避算法分析
• 3.1.2 AASC算法描述
• 3.1.3 中继优先策略
• 3.2 理论分析
• 3.3 仿真分析
• 3.3.1 Opnet仿真模型建立
• 3.3.2 仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 非合作博弈自适应功控算法
• 4.1 博弈论的简介
• 4.1.1 博弈论的起源
• 4.1.2 博弈论的简介
• 4.1.3 博弈的分类
• 4.2 博弈论基础
• 4.3 非合作博弈自适应功控算法
• 4.3.1 更新算法
• 4.3.2 算法收敛性证明
• 4.3.3 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 功控与LEACH路由协议的结合分析
• 5.1 路由协议设计要点
• 5.2 无线传感器网络路由协议介绍
• 5.2.1 分层路由协议
• 5.2.2 平面路由协议
• 5.2.3 其他类型的路由协议
• 5.3 功控对LEACH协议的影响
• 5.3.1 LEACH路由协议介绍
• 5.3.2 功控与LEACH协议的结合分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历