无线传感器网络初级初始化研究

论文摘要

无线传感器网络是由大量传感器节点所构成的多跳自组织网络系统。在无线传感器网络研究之初,网络大多采用人工部署方式,节点位置及相邻关系可以精确设置,因而无须考虑网络初建阶段的自组织问题;随着无线传感器网络应用领域的日益拓展,网络规模的不断扩大,越来越多的应用不得不采用随机播撒的方式部署网络。这样的方式决定了网络在新建阶段处于无结构状态,所有的节点不知道邻节点,当然也不知道邻节点的数目。因此在网络开始运行之前,必须进行以建立网络初始结构为目的的初级初始化。随着无线传感器网络不断发展,初级初始化正迅速成为一个急需解决的研究课题,是其实用化进程中不可忽略的重要环节。初级初始化阶段无结构特点造成的共道干扰严重降低了数据通信的成功率。这不仅使得常用介质访问控制层(Medium Access Control, MAC)协议无法直接应用于初级初始化过程,而且由于网络结构的缺乏使得传统初始化算法失去了实际意义。因此无线传感器网络初级初始化必须同时解决以下两个问题:初建阶段节点间的数据传输;无结构状态下的拓扑控制建立。基于此本文重点研究了初级初始化阶段节点间的数据传输、核心算法,以及初级初始化算法的实用化技术和性能评估。取得的研究成果包括如下几个方面:(1)分析了初级初始化阶段节点间的数据传输规律。在信号噪声干扰比(Signal to Noise and Interference Ratio, SNIR)共道干扰模型下,对高密度、等概传输条件下的共道干扰进行了严格的分析,提出了点对点通信失效定理和点对多点通信节点成功发送定理,并对两条定理进行了严格的理论证明,为初级初始化的通信解决提供了理论基础。(2)完成了初级初始化核心算法的原理性证明。提出了与通信相关的基于竞争的簇头产生策略;提出了基于上色理论的时隙分配原则;设计了完整的基于时分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)的单信道初级初始化算法;从理论上证明了该算法的正确性和完整性,并通过仿真验证了算法的可行性。(3)完成并仿真验证了实用化初级初始化算法。提出了以进一步减少共道干扰为目的的三信道的实用化技术;提出了根据节点所处的局部环境参数来调节发送概率的自适应技术;设计了基于分簇的多信道初级初始化算法;建立了初级初始化算法的评估指标。通过对不同规模,不同节点密度,不同发送概率下算法的大量仿真实验,充分证明了算法各项评估指标均能满足实用化的要求。此外通过对仿真结果分析得出了算法执行的有效参考值。为初级初始化算法奠定了良好的实验基础。本文研究成果既可以应用于无线传感器网络初建时的分析,也可以应用于实际网络的初级初始化工程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线传感器网络的研究状况
• 1.3 论文主要研究内容
• 1.4 论文结构
• 2 无线传感器网络初级初始化问题综述
• 2.1 初级初始化的应用需求
• 2.2 初级初始化的特殊性及定义
• 2.3 无线传感器网络MAC 协议
• 2.4 网络拓扑结构对初级初始化的要求
• 2.5 初级初始化的目标
• 2.6 小结
• 3 初级初始化阶段节点间的数据传输
• 3.1 初级初始化阶段通信问题
• 3.2 研究模型
• 3.3 相关数学引理
• 3.4 初级初始化阶段点对点通信的失效定理
• 3.5 初级初始化阶段点对多点通信节点成功发送定理
• 3.6 基本定义与定理分析
• 3.7 小结
• 4 基于TDMA 的单信道初级初始化算法
• 4.1 问题的提出
• 4.2 通信相关的簇头竞争策略与时隙分配原则
• 4.3 基于TDMA 的单信道初级初始化算法描述
• 4.4 算法完整性与正确性证明
• 4.5 算法仿真
• 4.6 小结
• 5 基于分簇的自适应多信道初级初始化算法
• 5.1 SNIR 共道干扰模型
• 5.2 多信道硬件平台及自适应技术
• 5.3 基于分簇的自适应多信道算法
• 5.4 算法评估指标
• 5.5 算法仿真结果与性能分析
• 5.6 算法的讨论及进一步改进
• 5.7 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 对后续研究的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 多信道自适应初级初始化算法流程
• 附录3 三信道自适应算法正确率曲线及典型节点分布图