面向工業(yè)監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是國際上備受關(guān)注涉及多學(xué)科的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的工業(yè)監(jiān)控主要使用有線網(wǎng)絡(luò)布線不靈活，受環(huán)境影響嚴(yán)重，電纜維護費用高等缺陷。因此，替代傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)具有強大的優(yōu)勢，引起了國內(nèi)外廣泛的研究和關(guān)注。工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對實時性和可靠性有較為嚴(yán)格的規(guī)定，其中主要為時間延時、丟包率和吞吐量。要在工廠內(nèi)惡劣電磁干擾環(huán)境下，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控的實時性和可靠性，這對于低配置、自組織的多跳WSN帶來了嚴(yán)峻

2、的挑戰(zhàn)。
　　 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的研究是一個熱點領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化就是一個重要的方法。在傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計時，每層獨立地進行設(shè)計和操作，各層獨立設(shè)計導(dǎo)致了層與層之間沒有信息的交流，沒有充分利用網(wǎng)絡(luò)資源以實現(xiàn)最優(yōu)的性能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議決定信道資源的分配方式，在通信節(jié)點之間分配有限的通信資源，是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的另一重要協(xié)議層路由層決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂竭x擇，此協(xié)議的選取也是提高無

3、線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的重要環(huán)節(jié)。基于此，針對實際應(yīng)用需求，本文提出“MAC層+路由層”的工業(yè)傳感網(wǎng)跨層優(yōu)化方案，通過MAC層理論模型進行鏈路質(zhì)量評估，并以此為路由選擇提供依據(jù)，從而實現(xiàn)MAC層和路由層的跨層優(yōu)化。
　　 首先，本文就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)、分類和具體方法進行了深入的研究。針對工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提出了基于MAC層與路由層結(jié)合的無線傳感網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化方法，為接下來的具體分層設(shè)計提供了框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
　　 其次，針

4、對MAC層的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)延時、結(jié)點個數(shù)、丟包率等重點參數(shù)進行了數(shù)學(xué)描述和分析，并在此基礎(chǔ)上建立IEEE802.15.4Markov鏈模型就MAC層進行優(yōu)化。
　　 再次，針對工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，在進行了不同種類路由協(xié)議分析，引入?yún)R聚樹路由協(xié)議，結(jié)合基于IEEE802.15.4Markov鏈模型對路由算法進行設(shè)計，實現(xiàn)了收斂快速，拓撲穩(wěn)定，路由更新靈活，路由維護開支小的基于MAC層和路由層的跨層優(yōu)化路由協(xié)議M

5、M-CTP。
　　 然后，著重根據(jù)工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及實際硬件節(jié)點的特點和需求，模擬工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)環(huán)境采用TinyOS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)以及NesC語言進行編程，通過TinyOS自帶的TOSSIM仿真系統(tǒng)進行MM-CTP路由算法仿真并與CTP路由算法進行比較，以考察MM-CTP路由算法的性能。
　　 最后，本文在基于CC2430處理芯片和TinyOS操作系統(tǒng)的實際傳感器節(jié)點上采用MM-CTP路由算法進行組網(wǎng)，以實現(xiàn)實際網(wǎng)絡(luò)的