大规模无线传感器网络MAC协议研究

论文摘要

随着蓄电池行业水平的发展对产品质量控制和售后服务的要求,蓄电池行业需要在蓄电池生产的化成过程对蓄电池的充放电情况进行监控。蓄电池的化成生产车间内,往往有超过4000个电池在同时进行充放电作业,且工业现场条件恶劣复杂,对处于大规模组网状态的无线传感器网络提出了更高的要求。如何在传统制约无线传感器网络的因素,如节点的带宽、能量上限等仍没有得到根本性的解决的前提下,保持甚至优化大规模布局的无线传感器网络的整体能耗、通信延迟和通信效率,是当前研究的热点问题。本文从MAC协议角度对大规模组网的无线传感器网络进行分析和研究,主要工作有：（1）介绍了大规模蓄电池充放电系统的软硬件方案以及其对无线传感器网络的需求。同时,对大规模无线传感器网络MAC协议的基本理论进行介绍,简要分析了经典的MAC协议,指出其在大规模组网条件下的不足,提出解决大规模组网问题的基本方法：网络分解、节点/信息分类和防拥塞机制。（2）针对大规模蓄电池充放电监测系统分别存在事件驱动型和周期采集型两种事件模型的特点,提出一种针对基于传播性事件驱动的大规模无线传感器网络的A-Sift协议和一种针对基于树状拓扑结构的周期性采集网络的ABDC-MAC协议。A-Sift针对传播性事件驱动的大规模无线传感器网络的数据完整性需求,以及传播性事件节点数目和流量动态变化的特点,在Sift协议的基础上,引入节点分类优先级机制和全局统计调度机制,解决了事件中心节点数据丢失和信道流量动态变化的问题。ABDC-MAC协议针对树状拓扑的大规模传感器网络中存在的节点能量和传输效率问题,提出了一种基于大规模网络分解和协调的无线传感器网络MAC协议。该协议在路由信息的基础上对网络进行再一次分解,并采用了与之相适应的节点接入算法,增强了对大规模无线传感器网络有良好的适用性。（3）在上述研究的基础上,针对大规模蓄电池充放电生产信息采集问题。提出一种基于网络分解和生产信息分级的HBDS-MAC协议。该协议以生产设备的架构为基础,构筑3层树状网络架构,并且按照业务的类型对节点接入网络的优先级进行了区分,满足了不同数据对时延和完整性的要求。该算法也有效地应用于大规模蓄电池充放电监测系统中。本课题主要研究大规模无线传感器网络MAC协议及其在大规模蓄电池充放电监测系统的应用,文章根据应用模型的不同,采用不同的解决机制,在功能和性能方面,改进了传统MAC协议对大规模无线传感器网络的适应性问题,并提出一种针对工业生产应用的MAC协议,具有一定的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 大规模无线传感器网络研究现状
• 1.2.2 无线传感器网络MAC协议研究现状
• 1.3 课题来源及本文主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本文研究内容及创新点
• 1.3.3 论文结构
• 第二章 大规模蓄电池充放电监测系统
• 2.1 蓄电池化成生产设备架构简述
• 2.2 蓄电池化成生产车间的设备架构和网络架构
• 2.3 大规模蓄电池充放电系统设计要求
• 2.4 大规模蓄电池组充放电硬件体系
• 2.4.1 蓄电池监控单元
• 2.4.2 接入点（AP）
• 2.4.3 中央控制器软件设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 大规模无线传感器网络MAC协议分析
• 3.1 大规模组网条件下常见的拓扑结构和事件模型
• 3.1.1 大规模组网条件下常见的两种拓扑结构
• 3.1.2 大规模无线传感器常见的两种事件模型
• 3.2 大规模无线传感器网络MAC协议设计目标
• 3.3 经典无线传感器网络MAC协议分析
• 3.3.1 S-MAC协议
• 3.3.2 Sift协议
• 3.3.3 TRAMA协议
• 3.3.4 Z-MAC协议
• 3.4 大规模无线传感器网络解决机制分析
• 3.4.1 经典WSN MAC协议在大规模组网下的不足
• 3.4.2 网络分割机制
• 3.4.3 信息/节点分级机制
• 3.4.4 防拥塞机制
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于节点优先级区分的WSN MAC协议
• 4.1 大规模传播性事件的定义和特点
• 4.2 Sift协议的分析
• 4.2.1 Sift协议的基本原理
• 4.2.2 Sift协议在大规模组网下的不足和A-Sift的提出
• 4.3 A-Sift协议的设计
• 4.3.1 基于节点优先级的自适应调整
• 4.3.2 基于对网络的全局调度
• 4.4 A-Sift协议的性能评价
• 4.4.1 时延性能实验
• 4.4.2 网络流畅度实验
• 4.4.3 传达率实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于网络分解和协调的WSN MAC协议
• 5.1 树状网络的结构和特点
• 5.2 树状网络的分解
• 5.2.1 串行分解
• 5.2.2 并行分解
• 5.3 ABDC-MAC协议的运行
• 5.3.1 建立阶段
• 5.3.2 运行阶段
• 5.3.3 节点竞争参数的计算
• 5.4 ABDC-MAC协议的性能评价
• 5.4.1 组网效率实验
• 5.4.2 节点能耗实验
• 5.4.3 时延性能实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 大规模蓄电池充放电监测系统MAC协议
• 6.1 蓄电池生产车间的网络模型
• 6.2 生产信息优先级区分机制
• 6.3 HBDS-MAC协议的设计
• 6.3.1 节点的注册和注销
• 6.3.2 HBDS-MAC协议的运行
• 6.3.3 基于节点综合信息的接入概率计算机制
• 6.3.4 防拥塞机制
• 6.4 实验与测试结果分析
• 6.4.1 网络时延实验
• 6.4.2 数据积压统计
• 6.4.3 传达率实验
• 6.5 大规模蓄电池充放电监测系统应用
• 6.6 本章小结
• 结语与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间参加的科研项目
• 致谢