基于集中控制的协作MIMO无线传感器网络路由协议研究

摘要

无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是未来人与自然交互方式的一次革命。WSN通过大量密集布设的传感器节点来动态地监控环境，不需人值守，并可智能地自组织成网络将感测到的信息传送回给监测中心，因此WSN在军事、民用等多种领域有广阔的应用空间。 目前，WSN已成为学术界的研究热点之一。然而，由于传感器节点的体积、成本受到严格的限制，以及WSN应用环境的苛刻要求，如何在满足一定的网络系统可靠性要求的前提下，最小化网络的整体能耗以及使得网络能耗分布均匀从而最大化网络的生存时间，已成为研究设计WSN中最具挑战性的关键技术之一。 路由协议的设计将直接影响网络的能耗。其中，基于簇结构的路由协议是降低网络能耗的有效技术之一。此外，由于多输入多输出（multiple—input—multiple—output，MIMO）技术能够有效地对抗无线衰落，因此如何在WSN中使用协作MIMO技术来降低发送功率是近年来学术界的研究重点。 基于上述两点，目前已有众多文献致力于研究结合网络层的分簇结构与物理层的协作MIMO技术的路由协议以进一步降低网络能耗。但这些路由协议还存在着如簇首分布不均匀、节点需频繁进行全网络广播、簇首路由表不收敛以及网络能耗分布不均等问题。针对网中节点不需进行频繁移动以及基站的高可靠性要求可以被满足的网络应用场景，集中控制与固定簇结构是解决上述问题的有效方法，为此，本文对如何于路由协议中运用此两种方法进行了研究，设计提出了改进的基于集中控制与固定簇结构的协作MIMO无线传感器网络多跳路由协议。 本文主要包括以下四个创新点： 第一，提出一个改进的能耗理论优化模型以求出最优的网络系统参数； 第二，提出一个新的路由调整算法以平均簇间的能耗； 第三，提出一个改进的簇首和协作节点选择策略以平均簇内节点的能耗； 第四，提出一个改进的节点能耗估计策略，以使得基站能及时更新和掌握全网节点的状态信息。 本文通过进行蒙特卡罗仿真（Monte Carlo simulation）实验，从网络生存时间、被基站成功接收的有效数据包数量、冲突丢失的数据包数量、网中生存/死亡节点的位置分布以及网络实际所得的簇数目、簇首的位置分布和多跳路由等多个角度来考察和分析本文所提方案的性能改进。仿真结果表明，本文所提方案可延长网络的生存时间25％以上，且随着网络规模的增大，性能的改善就越明显。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 论文的研究背景及意义

1.2 该领域的国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

1.4 本文的章节安排

第二章 无线传感器网络概述

2.1 无线传感网络的基本概念

2.2 无线传感网络的特点

2.3 无线传感网络的应用领域

2.4 无线传感网络的关键技术

2.5 本章小结

第三章 结合簇结构与协作MIMO技术的路由协议简介

3.1 基于簇结构的路由协议简介

3.2 基于簇结构与协作MIMO技术的系统能耗计算模型

3.3 结合簇结构与协作MIMO技术的路由协议概述与分析

3.4 本章小结

第四章 基于集中控制与固定簇结构的协作MIMO多跳无线传感器网络路由协议设计

4.1 系统结构组成

4.2 系统能耗计算模型

4.3 路由协议设计详述

4.4 系统能耗理论分析及能耗理论优化模型的建立

4.5 仿真结果

4.6 后续工作展望

4.7 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

致谢语