基于能量优化的无线传感器网络跨层协议研究

摘要

无线传感器网络作为物联网的感知网络，可以通过网络节点收集特定区域的信息，便于管理者的分析和决策，现已被广泛应用于环境监测、智慧城市、灾害预防等领域。但是由于传感器节点储能十分有限，所以能量优化问题一直是无线传感器网络所关注的重点。特别是，对于网络整体的效能来说，能量优化更是重中之重。本文以此为研究背景和研究目的，展开了以下研究工作: 首先，研究了经典MAC层协议的握手原理，并从握手机制出发对S-MAC协议进行了改进。一方面，利用中继节点对于下一跳节点的预约报文来替代中继节点对于源节点的回复，从而减少控制报文数量，降低了网络的无效能耗。另一方面，根据无线传感器网络的业务特点对MAC协议的帧结构进行了重新设计使其更加简化，从而减少控制报文的比特数，降低网络能耗。此外，为了增强链路的鲁棒性，协议使用重发错误请求（Resend Error reQuest，REQ）报文防止节点损坏和链路中断。 其次，从分簇算法和路由算法的关联性出发，分别对基于模糊逻辑的分簇机制和基于蚁群算法的路由机制进行了改进。分簇机制方面，使用了剩余能量、到基站的距离、到邻居的距离、节点度和节点中心性五个参量作为模糊推理系统的输入变量，使得分簇过程着重考虑网络能量和节点相对位置关系。路由机制方面，考虑了同层算法间的联系，将能量信息和位置信息用于蚁群算法启动函数和信息素的改进当中，使转移概率能够体现能量和位置关系的影响，网络能量分配更加优化。 最后，通过跨层协议模型将MAC层协议和网络层协议相关联，并在一定假设情况下，完成了对跨层优化设计方法的仿真验证。结果表明，所研究的基于能量优化的无线传感器网络跨层协议(Energy Optimization Cross-layer Protocol for WSN，EOCP)相较于LEACH协议、TEEN协议、DEEC协议和EAUCF协议在牺牲少量数据传输量的情况下，节点平均能耗和网络生命周期有了一定的性能提升。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景与意义

1．2研究现状

1．2．1 介质访问控制层研究现状

1．2．2网络层研究现状

1．3论文研究内容与章节安排

第2章无线传感器网络概述

2．1 无线传感器网络简介

2．2无线传感器网络体系结构

2．2．1传感器节点

2．2．2无线传感器网络

2．3跨层优化设计

2．4本章小结

第3章基于低控制开销的MAC策略研究

3．1 引言

3．2 CSMA／CA握手机制

3．3低控制开销MAC协议设计

3．3．1协议总体流程

3．3．2帧结构设计

3．3．3机制详解

3．4本章小结

第4章基于模糊逻辑和蚁群算法的路由策略研究

4．1 引言

4．2基于模糊逻辑的不等聚类算法

4．2．1模糊推理

4．2．2模糊系统的Mamdani模型

4．2．3基于模糊逻辑的分簇机制

4．3基于蚁群算法的路由策略

4．3．1基本蚁群算法的数学模型

4．3．2改进蚁群算法

4．3．3算法的收敛性分析

4．4基于模糊逻辑和蚁群算法的路由策略

4．5本章小结

第5章跨层优化设计及仿真分析

5．1跨层优化设计

5．2仿真建模和参数

5．2．1 网络模型

5．2．2 能量模型

5．2．3参数设置

5．3 仿真结果及分析

5．3．1平均能耗

5．3．2数据传输量

5．3．3网络生命周期

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢