无线传感器网络中基于粒度控制的节能调度算法研究

论文摘要

无线传感器网络是由大量传感器节点组成的一种无基础设施、自组织的新型网络,作为微电子技术、传感器技术和无线通信技术相结合的产物,在农业、军事、环境、工业控制等领域具有广泛的应用前景。无线传感器网络无中心、动态拓扑、信道带宽窄且节点能力有限。为了适应这种独特的组网方式,必须为无线自组网设计相应的协议。传感器节点通常采用电池供电,能量受限是最突出的问题。因此能量问题的研究是当前无线传感器网络研究的一大热点。介质访问控制协议(medium access control,MAC)规定了传感器网络无线信道的使用方式并为各节点分配信道资源,是无线传感器网络研究的重要方向。MAC协议能耗水平直接影响到节点数据采集能力和网络生存时间,对传感器网络的性能有很大影响,是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。因此,有效节约能量,延长网络生命周期是无线传感器网络MAC协议设计的首要目标。当前无线传感器网络中主要从减少节点空闲侦听、节点串音、数据碰撞等几个角度来控制MAC协议层的能耗。为了提高无线传感器网络MAC协议层的能量有效性,本文提出了一种基于粒度控制的节能调度算法ESAAC。算法分为两个功能模块:数据优化模块EACA与调度模块,分别从优化MAC层数据和优化MAC信道调度两个方面来控制MAC协议的能耗,EACA模块作为调度模块的一个输入单元影响整个算法的性能。ESAAC采用独立于应用的数据融合(AIDA)技术,通过在MAC层中对数据进行再优化,以此来降低MAC协议通信负载;引入了基于簇结构的加权负载时隙调度机制,根据各节点的实时情况动态划分无线信道,优化信道调度,控制网络中的串音与空闲侦听。理论分析与实验仿真表明,ESAAC算法有效的提高了无线传感器网络MAC协议层的能量效率,并且在数据包延迟、包投递率等性能上得到了有效保证。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及现状
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 本文的研究工作
• 1.4 论文的组织结构及安排
• 第2章 无线传感器网络MAC层节能算法
• 2.1 无线传感器网络MAC协议
• 2.2 几种典型MAC协议
• 2.2.1 基于码分复用的MAC协议
• 2.2.2 基于时分复用的MAC协议
• 2.2.3 基于竞争信道的MAC协议
• 2.2.4 其它类型的MAC协议
• 2.3 MAC层节能算法
• 2.3.1 能量浪费原因
• 2.3.2 数据有效性对能耗的影响
• 2.3.3 MAC层节能算法设计思想
• 2.4 MAC层数据融合
• 2.4.1 数据融合
• 2.4.2 AIDA融合机制
• 2.4.3 MAC协议层数据融合
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于粒度控制的节能调度算法ESAAC
• 3.1 问题分析
• 3.1.1 相关协议节能方法
• 3.1.2 网络模型与假设
• 3.1.3 数据有效性问题
• 3.1.4 串音问题
• 3.1.5 空闲侦听问题
• 3.2 ESAAC算法设计思想
• 3.2.1 算法基本思想
• 3.2.2 算法相关模型
• 3.3 ESAAC算法描述
• 3.3.1 融合部分
• 3.3.2 MAC层调度部分
• 3.4 本章小结
• 第4章 算法仿真与性能分析
• 4.1 仿真平台与环境介绍
• 4.2 算法理论分析
• 4.2.1 数据融合功效分析
• 4.2.2 信道调度分析
• 4.3 仿真实验结果
• 4.4 仿真性能分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 在校期间发表的论文与科研成果等
• 致谢