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(wú)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(diǎn)，在學(xué)術(shù)研究和軍事領(lǐng)域引起了高度重視。隨著無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(diǎn)的成本已經(jīng)大大降低，這不但減小了價(jià)格因素對(duì)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(lái)，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(shí)也對(duì)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(wú)法從根本上解決暴露和隱藏終端的問(wèn)題，而且隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，會(huì)加劇對(duì)無(wú)線信道的競(jìng)爭(zhēng)；另外，制造環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和可靠性有著較高的要求，這對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(jià)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(gè)方面入手，深入研究了對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(duì)單射頻單信道傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線信道競(jìng)爭(zhēng)激烈和系統(tǒng)處理能力不強(qiáng)的問(wèn)題，提出了一種基于MR-MC的蜂窩分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過(guò)子網(wǎng)劃分和引入MR-MC技術(shù)，從物理和邏輯兩個(gè)層面減少了傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線信道的競(jìng)爭(zhēng)，降低了傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信干擾，增強(qiáng)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(shí)時(shí)性能，提高了無(wú)線信道的利用效率。
　　 第二，研究了無(wú)線信道的訪問(wèn)控制方法。針對(duì)CSMA/CA協(xié)議在無(wú)線信道接入延時(shí)方面的不確定性，提出了一種基于協(xié)商機(jī)制的虛擬令牌無(wú)線MAC協(xié)議。利用子網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)地址的連續(xù)性，通過(guò)虛擬令牌的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線信道的訪問(wèn)控制，從而有效減少了因令牌維護(hù)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文的數(shù)量，提高了無(wú)線信道的有效利用率，降低了傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，增強(qiáng)了傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能。
　　 第三，研究了多信道與

5、網(wǎng)絡(luò)帶寬分配算法。針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)信道資源靜態(tài)分配的特點(diǎn)，提出了一種基于最小干擾代價(jià)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(jī)制的啟用降低了信道分配失敗的風(fēng)險(xiǎn)；針對(duì)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(jí)和負(fù)載感知的網(wǎng)絡(luò)帶寬分配算法。根據(jù)單個(gè)節(jié)點(diǎn)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)載以及報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)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(diǎn)在持有令牌時(shí)能夠發(fā)送的最大報(bào)文數(shù)目，使得整個(gè)

6、網(wǎng)絡(luò)的帶寬分配趨于合理，從而滿足高優(yōu)先級(jí)和重節(jié)點(diǎn)的帶寬需求。
　　 第四，研究了傳感器節(jié)點(diǎn)定位算法。針對(duì)目前傳感器節(jié)點(diǎn)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(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信號(hào)衰減模型的參數(shù)匹配，減輕了個(gè)體差異和環(huán)境因素對(duì)定位精度造成的影響；利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)無(wú)線信號(hào)在障礙物中的衰減進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步提高了定位精度；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的角色轉(zhuǎn)換，能夠有

7、效減小因信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分布不均帶來(lái)的影響；實(shí)時(shí)改變節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率和定位時(shí)間間隔，可以有效減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗。
　　 第五，研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)資源受限的特點(diǎn)和地理位置路由算法的優(yōu)勢(shì)，充分利用三維定位算法得到的坐標(biāo)信息，提出了一種基于坐標(biāo)信息的三維地理位置路由算法。通過(guò)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(diǎn)能耗之間的關(guān)系；利用兩個(gè)模型交叉區(qū)域中與源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間空間直線距離最近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路