基于MR-MC的傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及相關(guān)算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點，在學(xué)術(shù)研究和軍事領(lǐng)域引起了高度重視。隨著無線通信技術(shù)、計算機技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，傳感器節(jié)點的成本已經(jīng)大大降低，這不但減小了價格因素對傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的不利影響，而且也為研究人員提供了一種新的思路和方法。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起，傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于數(shù)字制造和工業(yè)控制等領(lǐng)域，同時也對傳感器網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高的要求。
　　 傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用背景高度相關(guān)，現(xiàn)有的研

2、究成果不完全適用于制造環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡(luò)；單射頻單信道傳感器網(wǎng)絡(luò)無法從根本上解決暴露和隱藏終端的問題，而且隨著傳感器節(jié)點數(shù)目的增多，會加劇對無線信道的競爭；另外，制造環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)實時性和可靠性有著較高的要求，這對傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是一個很大的挑戰(zhàn)。因此，研究多射頻多信道(MR-MC，Multi-Radio Multi-Channel)傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及相關(guān)算法有著重要的理論價值和應(yīng)用前景。
　　 本文從傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層

3、的相關(guān)算法三個方面入手，深入研究了對網(wǎng)絡(luò)實時性和可靠性要求較高的傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。所做的主要工作如下：
　　 第一，研究了MR-MC蜂窩分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。針對單射頻單信道傳感器網(wǎng)絡(luò)無線信道競爭激烈和系統(tǒng)處理能力不強的問題，提出了一種基于MR-MC的蜂窩分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過子網(wǎng)劃分和引入MR-MC技術(shù)，從物理和邏輯兩個層面減少了傳感器節(jié)點對無線信道的競爭，降低了傳感器節(jié)點之間的通信干擾，增強了傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信容量，改善了傳感器網(wǎng)絡(luò)的

4、實時性能，提高了無線信道的利用效率。
　　 第二，研究了無線信道的訪問控制方法。針對CSMA/CA協(xié)議在無線信道接入延時方面的不確定性，提出了一種基于協(xié)商機制的虛擬令牌無線MAC協(xié)議。利用子網(wǎng)中傳感器節(jié)點地址的連續(xù)性，通過虛擬令牌的方式實現(xiàn)對無線信道的訪問控制，從而有效減少了因令牌維護帶來的網(wǎng)絡(luò)管理報文的數(shù)量，提高了無線信道的有效利用率，降低了傳感器節(jié)點的能量消耗，增強了傳感器網(wǎng)絡(luò)的實時性能。
　　 第三，研究了多信道與

5、網(wǎng)絡(luò)帶寬分配算法。針對傳感器網(wǎng)絡(luò)信道資源靜態(tài)分配的特點，提出了一種基于最小干擾代價的多信道分配算法。信道復(fù)用提高了網(wǎng)絡(luò)的通信容量，干擾半徑的劃定減少了信道之間的相互干擾，信道池預(yù)警機制的啟用降低了信道分配失敗的風(fēng)險；針對令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)帶寬固定分配的現(xiàn)狀，提出了一種基于優(yōu)先級和負載感知的網(wǎng)絡(luò)帶寬分配算法。根據(jù)單個節(jié)點和整個網(wǎng)絡(luò)的通信負載以及報文的優(yōu)先級，動態(tài)調(diào)整虛擬令牌在子網(wǎng)中的傳遞順序和傳感器節(jié)點在持有令牌時能夠發(fā)送的最大報文數(shù)目，使得整個

6、網(wǎng)絡(luò)的帶寬分配趨于合理，從而滿足高優(yōu)先級和重節(jié)點的帶寬需求。
　　 第四，研究了傳感器節(jié)點定位算法。針對目前傳感器節(jié)點定位算法精度不高和主要集中在二維空間的現(xiàn)狀，提出了一種基于RSSI的參數(shù)匹配三維精確定位算法。在每一對信標節(jié)點和未知節(jié)點之間進行信號衰減模型的參數(shù)匹配，減輕了個體差異和環(huán)境因素對定位精度造成的影響；利用理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯o線信號在障礙物中的衰減進行補償，進一步提高了定位精度；信標節(jié)點與未知節(jié)點之間的角色轉(zhuǎn)換，能夠有

7、效減小因信標節(jié)點分布不均帶來的影響；實時改變節(jié)點的發(fā)射功率和定位時間間隔，可以有效減少傳感器節(jié)點的能量消耗。
　　 第五，研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。針對傳感器節(jié)點資源受限的特點和地理位置路由算法的優(yōu)勢，充分利用三維定位算法得到的坐標信息，提出了一種基于坐標信息的三維地理位置路由算法。通過結(jié)合理想最小能耗模型和最少跳數(shù)模型，均衡了單跳距離和節(jié)點能耗之間的關(guān)系；利用兩個模型交叉區(qū)域中與源節(jié)點和目的節(jié)點之間空間直線距離最近的節(jié)點進行路