无线传感器网络节能技术研究

论文摘要

无线传感器网络由于其具有自组织、成本低、构建灵活等特点,使得在军事、民用等领域应用广泛,已成为当前IT领域研究的热点之一。研究无线传感器网络的一个重要目的是在满足网络应用要求前提下尽可能地延长网络寿命,所以节能研究是无线传感器网络的关键技术之一。本文主要从物理层的电路结构、MAC层的时序运作机制和网络拓扑控制方法出发,研究无线传感网的节能机制。首先,针对无线传感器网络节点周期性睡眠的工作特性,通过分析电路启动过程的时间特性,提出了能耗分层节能控制方法以及每个能耗层的电路设计方案。无线传感器节点需要周期性睡眠来降低能耗,但频繁的启动和睡眠所造成的能耗是很可观的。由于高层协议无法控制物理层的启动过程,因此这个能耗一般常被忽视。本文将无线传感器节点接收和处理信号的过程分为三个阶段,即无线接收阶段,帧格式判断阶段和MAC层处理阶段。这三个阶段对应三个层次的电路能耗。根据监测到的信号特点,通过控制这三个能耗层的工作次序以达到节能的目的。其次,针对无线传感器节点空闲侦听能耗问题,将MAC层与物理层有机结合,提出了两种降低空闲侦听能耗的节能MAC层协议。一种是适合于主从式网络的自适应低功耗无线唤醒协议AWOR (Adaptive Wake On Radio);另一种是适合分布式网络的改进型低功耗准同步MAC协议。AWOR协议基于快速场强监测机制,在无线干扰环境下能够自适应地调整侦听窗口大小,从而降低空闲侦听能耗。在低功耗准同步MAC协议中,采用了时钟漂移的动态预测机制,能够修正时钟的漂移,避免数据的冲突,保证节点的准同步机制正常运行。这种改进型低功耗分布式准同步MAC协议的节点抗毁能力较强,节能效果较好。另外,在节点较密集的无线传感器网络中,针对节点间相互干扰造成的能量消耗,论文提出了一种新型的分簇拓扑控制算法。该算法以功能较强的异构簇头为中心,将一个簇分为内外两层。外层进一步分成若干可以并行工作的子区。该拓扑算法既保留了以簇头为中心控制方式的高效性,又兼有多跳的灵活性。另外,该算法对提高系统的吞吐量,减小节点之间的相互干扰,节约节点能量具有有效性。论文还针对传统的无线多信道MAC协议能耗较高的问题,提出了一种改进的低功耗无线传感器网多信道MAC层协议。该改进协议采用了工作窗口的优先时隙分配机制,动态调整工作窗口的大小,及时控制节点进入睡眠状态,达到节能目的。通过改进,使无线多信道传感网系统在能耗、时延性能方面有较大提升。最后,论文设计了一个低功耗无线传感器网络在燃气抄表中的应用系统。该系统采用自适应低功耗无线唤醒协议(AWOR),设计了一个高层居民大楼燃气自动抄表系统,达到了较好的节能效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 英文缩略语表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.3 无线传感器网络的特点
• 1.4 无线传感网络的应用
• 1.5 无线传感器网络节能机制研究现状
• 1.6 论文的主要内容及贡献
• 1.7 章节安排
• 第二章 无线传感器网物理层节能机制研究
• 2.1 引言
• 2.2 无线传感器网节点收发信机概述
• 2.2.1 无线传感器节点接收电路结构
• 2.2.2 无线传感器节点发射电路结构
• 2.2.3 无线传感器节点收发信机的能耗模型
• 2.3 无线传感器节点启动过程的时间特性
• 2.3.1 无线射频电路启动的时间特性
• 2.3.2 无线信号接收处理的时间特性
• 2.4 无线传感器节点低能耗结构设计
• 2.4.1 节点电路的能耗分层设计
• 2.4.2 能耗分层结构中的电路配置策略
• 2.4.3 若干关键电路的低功耗设计
• 2.5 基于时序控制的物理层节能方法
• 2.5.1 无线射频单元电路启动时序的优化
• 2.5.2 能耗分层节能控制方法
• 2.6 测试分析与结论
• 2.6.1 无线传感器节点启动过程波形测试
• 2.6.2 无线传感器节点空闲监听电流测试
• 2.7 本章小结
• 第三章 无线传感器网 MAC 层节能方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 主从式网络MAC 节能的一般方法
• 3.2.1 发送端驱动的周期性接收模型
• 3.3.2 发送端驱动的周期性接收能耗分析
• 3.3 发送端驱动的低功耗接收方式能耗分析
• 3.3.1 发送端驱动的低功耗接收常用方法
• 3.3.2 低功耗接收方式在理想信道中的能耗分析
• 3.3.3 低功耗接收方式在非理想信道中的能耗分析
• 3.4 自适应低功耗无线唤醒协议AWOR
• 3.4.1 AWOR 的特点
• 3.4.2 自适应侦听窗口调节算法
• 3.4.3 AWOR 的性能分析与仿真
• 3.5 一种改进的分布式准同步通信协议DLP-MAC
• 3.5.1 DLP-MAC 的特点
• 3.5.2 DLP-MAC 的实现方法
• 3.5.3 DLP-MAC 的性能测试与结论
• 3.6 本章小结
• 第四章 无线传感网多信道 MAC 协议节能机制研究
• 4.1 无线传感器网多信道MAC 概述
• 4.1.1 无线传感器网多信道MAC 的特点
• 4.1.2 无线传感器网多信道MAC 的关键问题
• 4.1.3 无线传感器网多信道MAC 的种类
• 4.2 无线传感器网多信道MAC 协议的节能机制
• 4.2.1 传统无线多信道MAC 节能机制及存在问题
• 4.2.2 无线多信道MAC 节能机制的改进策略
• 4.3 一种改进的无线传感器网多信道MAC 协议
• 4.3.1 控制信道的频点选择
• 4.3.2 控制信道的同步机制
• 4.3.3 时隙优先权机制
• 4.3.4 协商窗口的动态调整机制
• 4.3.5 最优信道选择机制
• 4.4 性能仿真与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 无线传感器网络异构分簇拓扑控制算法
• 5.1 引言
• 5.2 异构分簇拓扑控制算法HCTCA
• 5.2.1 HCTCA 的异构分簇建立
• 5.2.2 HCTCA 的拓扑控制
• 5.2.3 HCTCA 簇内拓扑控制的时序
• 5.3 性能分析与仿真
• 5.3.1 节点的平均发送半径
• 5.3.2 簇间干扰
• 5.3.3 系统吞吐量
• 5.4 本章小结
• 第六章 无线传感器网络的应用
• 6.1 引言
• 6.2 系统结构
• 6.3 无线节点的硬件设计
• 6.4 通信协议设计
• 6.4.1 MAC 层的节能设计
• 6.4.2 路由设计
• 6.4.3 数据帧格式的设计
• 6.4.4 软件实现流程
• 6.5 耗电测试与寿命分析
• 结论
• 第七章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表和录用的论文
• 作者在攻读博士学位期间已公告和被受理的专利
• 作者在攻读博士学位期间参与的项目
• 致谢