基于协作通信机制的无线传感器网络中继策略研究

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)是通过在待检测的区域内部署具有计算和通信功能的传感器节点，从而形成无固定基础设施的自组织网络。它存在部署规模大、节点能量受限、可用带宽低、拓扑结构不稳定、数据信息传输不可靠等缺点。无线传感器网络受无线信道的多径衰落、路径损耗、阴影效应等不利因素的影响，其信道通信状况呈现出不稳定特性，主要表现在通信易受干扰、网络延迟、负载不均衡、中断概率较高等方面，这些都会导致传感器节点间信道的不可靠。如何克服无线信道的多径衰落成为改善传感器节点传输效率和提高网络可靠性的关键问题。协作通信技术在对抗信道多径衰落方面有显著的优势，可以很好地解决该问题。协作通信的核心是利用协作中继节点的自身资源，从而提高源节点数据传输的实时性和可靠性。近年来，运用协作通信思想，对抗多径衰落、提高信噪比、增加频谱利用率、增加网络容量的成果层出。
　　本文以优化网络信噪比、提高网络性能为目标，对无线传感器网络中机会协作传输机制进行研究，并从理论上分析机会协作的可行性。通过结合已有的无线传感器网络节点控制技术分析网络中簇首节点传输时信噪比的特点，对节点数据传输信噪比进行优化，并在此基础上使用协作通信的理论分析节点的最佳状态，在保证节点发射功率的前提下实现通信可靠性的提高，并提升网络中节点的频谱利用率。主要研究成果如下:
　　一、提出了一种可应用于层次型无线传感器网络的基于协作通信的分簇路由算法。该算法综合协作通信和分簇各自不同的优势和特点，充分考虑了传感器网络拓扑结构特点对协作通信的影响，在分簇基础上进行协作路径选择，仿真结果表明，基于协作通信的分簇路由算法能够显著提升无线传感器网络的信噪比和频谱利用率。
　　二、提出了一种基于Nakagami信道状态的信息中继协作传输机制(RelayCooperative Transmission Scheme，RCTS)。该机制从候选节点中选取最佳中继节点，通过已知的网络拓扑信息和瞬时信道状况，依据信噪比选取满足网络数据传输可靠性的最佳中继节点。仿真结果表明，在采用Nakagami信道的无线传感器网络中，在链路可变的情况下使用本文设计的协作传输机制能够有效地优化网络信噪比，提高频谱利用率，增强数据信息传输的可靠性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 无线传感器网络的研究背景

1．1．2 无线传感器网络的拓扑结构和特点

1．2 无线传感器网络的研究现状及应用

1．2．1 无线传感器网络的国内外研究现状

1．2．2 无线传感器网络的应用

1．3 本文主要研究内容及安排

1．4 本章小结

第2章 WSNs协作通信技术研究

2．1 WSNs的分层结构

2．2 无线协作通信技术

2．2．1 协作通信技术原理

2．2．2 协作通信传输策略

2．2．3 协作中继网络结构分类

2．3 协作通信信道模型

2．4 本章小结

第3章 基于协作通信的分簇路由算法研究

3．1 基于协作通信的无线传感器分簇网络

3．2 系统模型

3．2．1 AF协作模型

3．2．2 DF协作模型

3．2．3 直接传输模型

3．3 多跳协作分簇路由算法

3．3．1 分簇

3．3．2 簇间路由

3．3．3 簇内路由

3．4 仿真试验及性能分析

3．5 本章小结

第4章 WSNs中基于信道状态信息的中继协作传输机制

4．1 Nakagami信道中继协作传输

4．2 协作传输机制

4．3 系统模型

4．4 已知信道状态信息的最佳模型

4．5 仿真试验及性能分析

4．5．1 仿真1：节点无电路处理功率时性能分析

4．5．2 仿真2：节点电路处理功率Pct:=(1／3)PT时性能分析

4．5．3 仿真3：节点电路处理功率为Pct＜(1／3)PT性能分析

4．5．4 仿真4：链路状态不一致时性能分析

4．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况